In-situ measurements of moisture using surface TDR probes

• Autorzy: Suchorab Z.

Warianty tytułu

PL

Pomiary wilgotności in-situ przy zastosowaniu powierzchniowych sond TDR

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Problem of building barriers moisture is a well known phenomenon for almost all users of the buildings. Its presence is inevitable in moderate climate and its balanced states are acceptable. On the other hand, extended values of moisture are disadvantageous and may be caused by many factors like water vapor condensation inside the barriers, capillary rise of ground water, rainwater, inundations or sanitary systems failures. This phenomenon is also a factor which limits the object functionality both from the construction and sanitary-hygienic reasons. Extended moisture content problem is particularly visible in the historical buildings which were set up without the suitable horizontal water-proof isolations. In this cases, ground water has the unlimited access to the groundwork and then, due to the capillary forces to the internal parts of the walls. Increased amounts of water lead to the material structure destruction by melting and thawing processes during winter season, wood decay, and accelerated corrosion of steel reinforcement elements and crystallization of dissolved salts in transported water. Also it should be mentioned here, that indirectly, water negatively influences the indoor environment providing good conditions for harmful microorganisms and mould development which may consequently run to the respiratory system diseases, infections, allergies, eyes and skin irritations. All above presented negative consequences of water presence inside the building envelopes are the reason for constant development moisture detection techniques.

PL

Zjawisko zawilgocenia przegród budowlanych jest znane w zasadzie wszystkim użytkownikom obiektów budowlanych. Występowanie tego zjawiska jest praktycznie nie uniknione w warunkach klimatycznych w jakich znajduje się Polska. Jego zrównoważona obecność polegająca na ciągłym pochłanianiu wilgoci i jej odparowywaniu jest jak całkowicie akceptowalna. Szkodliwym jest natomiast zjawisko nadmiernej zawartości wilgoci, które może być wywołane wieloma czynnikami do których zaliczamy kondensację pary wodnej wewnątrz przegrody, podciąganie kapilarne wód gruntowych, wody rozbryzgowe z deszczy, wody powodziowe czy też awarie instalacji sanitarnych. Zjawisko powyższe jest niekorzystne z punktu widzenia budowli i jest czynnikiem ograniczającym funkcjonalność obiektu zarówno ze względów konstrukcyjnych, jak i higieniczno-sanitarnych. Problem nadmiernej zawartości wody w murach jest szczególnie widoczny w budynkach historycznych wznoszonych bez zastosowania właściwych izolacji poziomych. Wówczas woda gruntowa posiada nieograniczony dostęp do fundamentów budynku, a następnie przy udziale sił kapilarnych do wnętrza murów. Nadmierna ilość wody w zewnętrznych przegrodach budowlanych prowadzi do zniszczenia struktury materiału poprzez wielokrotne procesy zamarzania i rozmarzania w okresie zimowym, rozkład drewna, przyspieszoną korozja stalowych elementów zbrojeniowych oraz krystalizacja soli rozpuszczonych w transportowanej wodzie. Istotnym problemem jest również fakt, że woda pośrednio negatywnie oddziałuje na środowisko wewnętrzne pomieszczeń, przyczyniając się tym samym do rozwoju szkodliwych mikroorganizmów oraz grzybów pleśniowych. Może w konsekwencji przyczyniać się do chorób dróg oddechowych, infekcji, alergii oraz podrażnień oczu i skóry. Przedstawione powyżej negatywne skutki obecności wody w przegrodach budowlanych są podstawą do rozwoju i ciągłego opracowywania i udoskonalania technik detekcji wilgoci w przegrodach budowlanych. W niniejszym artykule przedstawiono możliwość przeprowadzenia badań in-situ przy zastosowaniu techniki pomiarowej TDR (Time Domain Reflectometry). Technika ta od wielu lat stosowana była do pomiarów wilgotności ośrodków gruntowych. Od początku XXI wieku trwały prace nad zastosowaniem techniki TDR do oceny zawilgocenia twardszych od gruntu materiałów i przegród budowlanych. Jednak inwazyjny charakter metody w większości przypadków uniemożliwiał jej praktyczne wykorzystanie lub był przyczyną wielu problemów technicznych. W ramach części badawczej artykułu przedstawiono pomiary wilgotności muru z cegły ceramicznej pełnej pokrytej warstwą tynku wapiennopiaskowego. Badany obiekt znajduje się na Lubelskiej starówce i jest to ściana bramy przy ul. Ku Farze. Jest to przegroda dotknięta zjawiskiem podciągania kapilarnego wynikającego z braku właściwych izolacji poziomych. Badania przeprowadzono w trzech terminach pomiarowych przy pomocy opracowanych na Politechnice Lubelskiej sond powierzchniowych TDR, umożliwiających bezinwazyjne pomiary wilgotności. W celu wykonania pomiarów, badaną przegrodę podzielono na charakterystyczne fragmenty tworzące siatkę pomiarową o określonych wymiarach. W trakcie eksperymentu w charakterystycznych punktach przegrody umieszczano czujnik i odczytywano parametry dielektryczne ośrodka, automatycznie przeliczając je na wilgotność objętościową. Wyniki przeprowadzonych badań naniesiono na siatkę pomiarów różnicując je kolorami w zależności od odczytanej wilgotności. Rezultatem powyższych zabiegów było uzyskanie tzw. map wilgotności przegrody budowlanej w trzech różnych terminach pomiarowych. Przedstawione w artykule mapy wilgotności potwierdzają fakt podwyższonej wilgotności przegrody i jednocześnie pozwalają na ukazanie jego rozkładu w pionie oraz poziomie. Przeprowadzone badania wyraźnie ukazują, że badana przegroda wykazuje nadmierną wilgotność w swych dolnych partiach, natomiast wyższe partie są nieco mniej wilgotne. Świadczy to o tym, że przyczyną nadmiernego zawilgocenia są wody gruntowe podciągane kapilarnie do wewnątrz struktury materiału. Wyniki badań przedstawione w artykule dowodzą skuteczności rozwijanych powierzchniowych sond TDR do bezinwazyjnego pomiaru wilgotności materiałów i przegród budowlanych oraz wskazują na przyczyny tego zjawiska w obiektach rzeczywistych.

Słowa kluczowe

EN

time domain reflectometry; soil water content

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2012
• Tom: Tom 14
• Strony: 107--122
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Suchorab Z.

• Lublin University of Technology

Bibliografia

• 1. Birchak J.R., Gardner C.G., Hipp J.E., Victor J.M.: High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture. Proc. IEEE, 62, Vol. 1, 93–98 (1974).
• 2. De Loor G.P.: Dielectric properties of heterogeneous mixtures containing water. J. Microwave Power, 3, Vol. 2, 67–73 (1968).
• 3. Dyląg M., Bień M.: Negatywne zjawiska związane z obecnością grzybów w pomieszczeniach zamkniętych. Mikol. Lek., 13, Vol. 1, 49–54 (2006).
• 4. Hansen E.J., Hansen M.H.: TDR measurement of moisture content in aerated concrete. Building Physics, 6-th Nordic Symposium, 381–388 (2002).
• 5. Malicki M.A., Plagge R., Roth C.H.: Improving the Calibration of Dielectric TDR Soil Moisture Determination Taking Into Account the Solid Soil. Eur. J. Soil Sci., 47, Vol. 3, 357–366 (1996).
• 6. Noborio K., Horton, R., Tan, C.S.: Time Domain Reflectometry Probe for Simultaneous Measurement of Soil Matric Potential and Water Content. Soil Science Society of America Journal, 63, 1500–1505 (1999).
• 7. Pavlik Z., Jirickova M., Cerny R., Sobczuk H., Suchorab Z.: Determination of Moisture Diffusivity using the Time Domain Reflectometry (TDR)Method. Journal of Building Physics, 1, Vol. 30, 59–70 (2006).
• 8. Pavlík Z., Pavlíková M., Fiala L., Černý R., Sobczuk H., Suchorab Z.:of Time-Domain Reflectometry Method for Measuring Moisture Content in Porous Building Materials. Trends in Applied Sciences Research, 3, Vol. 2, 188–200 (2007).
• 9. Perrson M., Berndtsson R.: Noninvasive Water Content and Electrical Conductivity Laboratory Measurements using Time Domain Reflectometry. Soil Sci. Soc. Am. J., 62, 1471–1476 (1998).
• 10. Sobczuk H.: Sonda do pomiaru wilgotności ośrodków porowatych, zwłaszcza materiałów budowlanych. Patent nr 198492 B1 z dnia 30.06.2008.
• 11. Sobczuk H., Suchorab Z.: Calibration of TDR Instruments for Moisture Measurement of Serated Concrete. Monitoring And Modelling the Properties of Soil as Porous Medium. Institute of Agrophysics, Polish Academy of Sciences, Lublin, 156–165 (2005).
• 12. Suchorab Z., Barnat-Hunek D., Sobczuk H.: Zastosowanie powierzchniowej sondy TDR do bezinwazyjnych pomiarów wilgotności materiałów budowlanych. Materiały Budowlane, Wydawnictwa Uczelniane Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, 65–74 (2009).
• 13. Suchorab Z., Jedut A., Sobczuk H.: Water content measurement in building barriers and materials using surface TDR probe. ECOpole'07, Jamrozowa Polana, 18-20 X 2007, Towarzystwo Chemii I Inżynierii Ekologicznej, Proceedings ECOpole, 1, Vol. 2, 123–126 (2008).
• 14. Suchorab Z., Sobczuk H., Cerny R., Pavlik Z., Plagge R.: Noninvasive moisture measurement of building materials using TDR method. Proceedings of the 8th International Conference on Electromagnetic Wave Interaction with Water and Moist Substances (ISEMA 2009) June 1–5, Espoo, Finland, 147–155 (2009).
• 15. Suchorab Z., Sobczuk H., Černý R., Pavlík Z., Sevillano de Miguel R.:Sensitivity range determination of surface TDR probes, Environmental Protection Engineering, 3, Vol. 35, 179–189 (2009).
• 16. Suchorab Z., Sobczuk H., Łagód G., Pavlik Z., Cerny R.: Zastosowanie metody TDR do pomiaru wilgotności materiałów budowlanych. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, Vol. 33, 1063–1070 (2005).
• 17. Tinga W.R., Voss W.A.G., Blossey D.F.: Generalized approach to multiphase dielectric mixture theorie. J. Appl. Phys., 44, 3897–3902 (1973).
• 18. Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P.: Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines. Water Resour. Res., 16, 574–582 (1980).
• 19. Whalley W.R.: Consideration on the use of Time Domain Reflectometry (TDR) for measuring soil water content. J. Soil Sci., 44, 1–9 (1993).
• 20. Wraith J.M., Robinson D.A., Jones S.B., Long D.S.: Spatially characterizing apparent electrical conductivity and water content of surface soils with time domain reflectometry. Computers and Electronics in Agriculture,46, 239–261 (2005).