Water Content Measurement of Building Materials Using Surface TDR Probe

• Autorzy: Suchorab Z. , Żelazna A. , Sobczuk H.

Warianty tytułu

PL

Pomiary wilgotności materiałów budowlanych z zastosowaniem powierzchniowej sondy TDR

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Water present in external walls is one of the basic factors curtailing the function of buildings. Its negative influence should be evaluated both in the constructional and hygienic aspects. It is caused by the fact that water is not only the cause of successive destruction of buildings’ construction, but also composes the base for the growth of microorganisms and moulds. Such a problem is typical for the buildings without moisture check or monitoring and causes the respiratory system illnesses, infections, allergies, eyes and skin sensitizations. The buildings affected by the problem of moisture in most cases are stricken with the Sick Building Syndrome, which is caused by the use of not human-friendly materials, defective ventilation or high moisture previously mentioned. Presence of water in building envelopes in moderate climate is a normal and practically inevitable phenomenon. The problem of external barriers moisture becomes important in case of high moisture content. It is especially caused by the improper horizontal damp insulation and mainly observed in many historical buildings or sometimes, even new ones. Other causes of high water content in building barriers are floods, heavy rains or sanitary systems faults. Water contained in building barriers in high content is especially dangerous during winter seasons when numerous freezing and thawing causes building material disintegration. Presence of water in external walls significantly diminishes their thermal isolation, what induces the increased heat loss in cold season, reduction of perceptible temperature and thermal comfort of occupants. All the previously mentioned negative aspects of water influence on the buildings cause the need to find the precise, user-friendly method of water content evaluation in the walls. One of them is TDR (Time Domain Reflectometry). This technique bases on the measurement of the electromagnetic pulse propagation velocity in examined medium. The dielectric constant of the material (determined with the TDR device) is the base for its moisture content estimation. The TDR method has got a lot of advantages like high monitoring potential, insensitivity to the salinity, relatively simple service, and has been used in moisture measurements of porous materials, especially of the soils, for many years. By now, this technique has not found the common implementation in the building industry which is caused by its invasive character – it requires the installation of the steel rods in the examined medium, which sets many problems in case of building materials and envelopes. The aim of this paper is to propose the alternative idea of the TDR probe – surface probe, which enables the moisture measurements of hard building materials and envelopes. For these materials, the use of classical probe is difficult to realize, because of problems with the introduction of the steel rods in the examined medium. This, modified, TDR method enables the effective moisture measurements without the need to destroy the building barriers structure.

PL

Woda zawarta w zewnętrznych przegrodach budowlanych należy do podstawowych czynników ograniczających funkcjonowanie budynków. Jej negatywny wpływ na obiekty należy oceniać zarówno ze względów konstrukcyjnych, jak i higieniczno-sanitarnych. Duża wilgotność przegród budowlanych jest przyczyną sukcesywnego niszczenia konstrukcji budynków (krystalizacja soli, wielokrotne procesy zamarzania i rozmarzania w okresie zimowym, rozkład drewna oraz przyspieszona korozja stalowych elementów zbrojeniowych). Woda, w sposób pośredni, wywołuje negatywny wpływ na środowisko wewnętrzne pomieszczeń, tworząc podłoże do rozwoju szkodliwych mikroorganizmów oraz grzybów pleśniowych. Jest to problem typowy dla obiektów z nieuregulowaną i niemonitorowaną wilgotnością przegród, będący przyczyną chorób dróg oddechowych, infekcji, alergii oraz podrażnień oczu i skóry. Obiekty dotknięte problemem zawilgocenia przegród zewnętrznych w większości przypadków określamy jako dotknięte zespołem chorego budynku SBS (Sick Building Syndrome), którego przyczyną jest zastosowanie nieprzyjaznych człowiekowi materiałów budowlanych, wadliwa wentylacja lub właśnie nadmierne zawilgocenie przegród. Woda w przegrodach budowlanych w znaczący sposób obniża ich charakterystyki cieplne, co w konsekwencji prowadzi do zwiększonych strat ciepła w sezonie grzewczym, obniżenia temperatury odczuwalnej, obniżenia komfortu cieplnego pomieszczeń. Wszystkie wyżej przedstawione negatywne aspekty wpływu wody na obiekty budowlane stwarzają potrzebę znalezienia precyzyjnej i możliwie łatwej metody oceny zawartości wody w przegrodach. Do takich metod zaliczamy reflektometryczną metodę pomiaru wilgotnooeci TDR (Time Domain Reflectometry). Funkcjonowanie tej techniki oparte jest na pomiarze prędkości propagacji impulsu elektromagnetycznego w badanym materiale. Wyznaczona ze znanej zależnooeci względna stała dielektryczna materiału jest podstawą do ustalenia jego wilgotności. Metoda ta ma wiele zalet (możliwość ciągłego monitoringu, brak wrażliwości na zasolenie, stosunkowa prostota obsługi) i od wielu lat stosowana jest do pomiaru wilgotności ośrodków porowatych, a w szczególności ośrodków gruntowych. Nie znalazła ona do tej pory szerokiego zastosowania w dziedzinie budownictwa. Przyczyną tego jest jej inwazyjny charakter – do realizacji pomiaru niezbędne jest wprowadzenie stalowych prętów w badany ośrodek, co stwarza wiele problemów w przypadku materiałów oraz przegród budowlanych. Celem pracy jest przedstawienie alternatywnej konstrukcji – powierzchniowej sondy TDR, która umożliwia pomiary wilgotności materiałów oraz przegród budowlanych charakteryzujących się znaczną twardością, dla których zastosowanie klasycznej, dwuprętowej sondy, wymagającej wprowadzenia stalowych prętów w badany ośrodek jest trudne do zrealizowania. Metoda ta umożliwia skuteczne pomiary wilgotności bez konieczności niszczenia konstrukcji przegrody.

Słowa kluczowe

EN

building materials; building barriers; building envelopes; moisture

PL

materiały budowlane; wilgotność przegród budowlanych

• Wydawca: Towarzystwo Chemii i Inżynierii Ekologicznej
• Czasopismo: Ecological Chemistry and Engineering. A
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 18, nr 7
• Strony: 877--886
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Suchorab Z.

autor

Żelazna A.

autor

Sobczuk H.

• Faculty of Environmental Engineering, Lublin University of Technology, ul. Nadbystrzycka 40B, 20–618 Lublin, Poland, phone [phone],

Bibliografia

• [1] O’Connor K.M. and Dowding C.H.: GeoMeasurements by Pulsing Cables and Probes. CRC Press, Boca Raton, Florida, USA 1999.
• [2] Sobczuk H. and Plagge R.: Time domain reflectometry method in environmental measurements, Monografie Komitetu Inżynierii środowiska Polskiej Akademii Nauk, 39, Lublin 2007.
• [3] Topp G.C., Davis J.L. and Annan A.P.: Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines. Water Resour. Res. 1980, 16, 574–582.
• [4] Skierucha W. and Malicki M.A.: TDR Method for the measurement of water content and salinity of porous media, Institute of Agrophysics. Polish Academy of Sciences, Lublin 2004.
• [5] Dorf R.C.: CRC Handbook of Engineering Tables. CRC Press LLC, Boca Raton, Florida, USA 2004.
• [6] Malicki M.A., Plagge R. and Roth C.H.: Improving the calibration of dielectric TDR soil moisture determination taking into account the solid soil. Eur. J. Soil Sci. 1996, 47, 357–366.
• [7] De Loor G.P.: Dielectric properties of heterogeneous mixtures containing water. J. Microwave Power, 1968, 3, 67–73.
• [8] Ren T., Noborio K. and Horton R.: Measuring Soil Water Content, Electrical Conductivity, and Thermal Properties with a Thermo-Time Domain Reflectometry Probe. Soil Sci. Soc. Amer. J. 1999, 63, 450–457.
• [9] Hansen E.J. de P. and Hansen M.H.: TDR measurement of moisture content in aerated concrete. Building Phys. 2002, 6th Nordic Symposium, 381–388.
• [10] Suchorab Z., Sobczuk H., Łagód G., Pavlik Z. and Cerny R.: Zastosowanie metody TDR do pomiaru wilgotności materiałów budowlanych. Monografie Komitetu Inżynierii środowiska PAN 2005, 2, 1063–1070.
• [11] Perrson M. and Berndtsson R.: Noninvasive water content and electrical conductivity laboratory measurements using Time Domain Reflectometry. Soil Sci. Soc. Amer. J. 1998, 62,1471–1476.
• [12] Sobczuk H.: Sonda do pomiaru wilgotności ośrodków porowatych, zwłaszcza materiałów budowlanych. Patent nr 198492 B1 z dnia 30.06.2008.
• [13] Wraith J.M., Robinson D.A., Jones S.B. and Long D.S.: Spatially characterizing apparent electrical conductivity and water content of surface soils with time domain reflectometry. Comput. Electron. Agricult. 2005, 46, 239–261.