Η μικροδομή ως κρίσιμος παράγοντας της υδροθερμικής συμπεριφοράς των δομικών υλικών
Authors: Καραγιάννης Νικόλαος 
Published: September 2021

Τις τελευταίες δεκαετίες έχουν απασχολήσει τη διεθνή έρευνα οι μηχανισμοί και τα φαινόμενα μεταφοράς υγρασίας, τόσο στα παραδοσιακά όσο και στα σύγχρονα δομικά υλικά. Αυτό συμβαίνει γιατί η είσοδος της υγρασίας στα υλικά επιδρά στις οπτικές και στις μηχανικές ιδιότητές τους, στην πρόβλεψη του χρόνου ζωής τους καθώς και στο κόστος αποκατάστασης τους. Παρ’ όλα αυτά, είναι ελάχιστα κατανοητοί οι μηχανισμοί που ελέγχουν τη μεταφορά της υγρασίας καθώς και τη συσχέτισή της με τη μικροδομή των δομικών υλικών. Η καλύτερη κατανόηση των φαινομένων μεταφοράς της υγρασίας είναι απαραίτητη γιατί μέσω αυτής γίνεται καλύτερη αξιολόγηση των βλαβών καθώς και ανάπτυξη κατάλληλων υλικών που πληρούν τις απαιτήσεις όσον αφορά την ανθεκτικότητα και την προστασία.Η μαθηματική μοντελοποίηση της μεταφοράς υγρασίας στα πορώδη δομικά υλικά είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά εργαλεία τα οποία συμβάλουν στην αντιμετώπιση της ζημιάς που οφείλεται στην υγρασία. Επιπλέον, μέσω της μαθηματικής μοντελοποίησης μπορεί να προβλεφθεί η συσσώρευση υγρασίας στα υλικά περιορίζοντας έτσι το χρόνο επισκευής και αποκατάστασης. Εδώ και πολλά χρόνια έχουν γίνει προσπάθειες από πολλούς ερευνητές για τη μοντελοποίηση των φαινομένων μεταφοράς υγρασίας στα πορώδη υλικά. Η περισσότερη όμως μέχρι τώρα έρευνα στηρίζεται σε φαινομενολογικές εξισώσεις που έχουμε δανειστεί από τη Φυσική του εδάφους για τον υπολογισμό της ταχύτητας και του ρυθμού ροής της υγρασίας στα δομικά υλικά. Εκτός αυτού, τα υπάρχοντα μοντέλα βασίζονται κυρίως σε θεωρητικούς υπολογισμούς και όχι σε πειραματικές μετρήσεις των μεταβλητών τους, προσβάλλοντας με αυτό τον τρόπο την αξιοπιστία τους στη πρόβλεψη των φαινομένων μεταφοράς της υγρασίας στα πορώδη δομικά υλικά.Λαμβάνοντας όλα τα ανωτέρω υπόψη, η παρούσα διατριβή έχει ως αντικείμενο: α) τη μελέτη των μηχανισμών μεταφοράς της υγρασίας μέσω της τριχοειδούς αναρρίχησης και της ξήρανσης σε πορώδη δομικά υλικά διαφόρων συστάσεων, εξετάζοντας το πώς αυτοί επηρεάζουν αλλά και επηρεάζονται από τη μικροδομή και τις ιδιότητες των υλικών.β) τη μοντελοποίηση των μηχανισμών μεταφοράς της υγρασίας στα δομικά υλικά και την πρόβλεψη της υγρομετρικής συμπεριφοράς τους. Στη παρούσα διατριβή επιλέχθηκαν και μελετήθηκαν τρείς γενικοί τύποι φυσικών και τεχνιτών δομικών υλικών (πλίνθοι, λίθοι και κονιάματα) διαφορετικών συστάσεων και με διαφορετικά χαρακτηριστικά μικροδομής. Τα στοιχεία της μικροδομής των δομικών υλικώνμελετήθηκαν με τη βοήθεια της πορομετρίας Υδραργύρου ενώ παράλληλα μελετήθηκαν στοιχεία που αφορούν τις υγρομετρικές ιδιότητες των υλικών. Τα φαινόμενα μεταφοράς της υγρασίας που ελήφθησαν υπόψη κατά τη διάρκεια της διατριβής ήταν η τριχοειδής αναρρίχηση, η οποία αποτελεί τον κυριότερο μηχανισμό εισόδου της υγρασίας σε ένα πορώδες μέσο, και η ξήρανση μέσω της οποίας εξέρχεται η υγρασία από το υλικό. Η διαδικασία της ξήρανσης πραγματοποιήθηκε αμέσως μετά από τον τριχοειδή κορεσμό κάθε υλικού με νερό. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν πειράματα τριχοειδούς αναρρίχησης με σκοπό να διερευνηθεί η επίδραση διαφόρων περιβαλλοντικών παραγόντων πάνω σε κρίσιμες υγρομετρικές παραμέτρους των δομικών υλικών.Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα τριχοειδούς αναρρίχησης – ξήρανσης σε ελεγχόμενες συνθήκες θερμοκρασίας αέρα, σχετικής υγρασίας και ταχύτητας αέρα με σκοπό να μελετηθεί η επίδραση αυτών των παραγόντων στα φαινόμενα μεταφοράς της υγρασίας στα υπό μελέτη δομικά υλικά. Για τη μοντελοποίηση των φαινομένων μεταφοράς της υγρασίας, χρησιμοποιήθηκαν ημι-εμπειρικά μοντέλα κινητικής πρώτης τάξης ενώ ακολούθησε προσαρμογή των μαθηματικών μοντέλων στα πειραματικά δεδομένα, με στόχο να διερευνηθεί η καταλληλότητα και η προσαρμοστικότητα των μοντέλων. Επιπλέον έγινε ο προσδιορισμός των φυσικών παραμέτρων που σχετίζονται με την επίδραση των ιδιοτήτων των υλικών και την επίδραση του περιβάλλοντος. Βρέθηκε ότι τα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιήθηκαν, λαμβάνουν υπόψη τους τόσο τις περιβαλλοντικές παραμέτρους όσο και τις εγγενείς ιδιότητες των υλικών και προβλέπουν με ακρίβεια τις πειραματικές τιμές. Στο τελικό στάδιο, συσχετίστηκαν οι φαινομενολογικές παράμετροι των μοντέλων τριχοειδούς αναρρίχησης – ξήρανσης, τόσο μεταξύ τους όσο και με στοιχεία της μικροδομής των υλικών ενώ η διατριβή ολοκληρώθηκε με την πρόταση μιας νέας υγρομετρικής παραμέτρου για κάθε υλικό η οποία λαμβάνοντας υπόψη της τόσο τις ιδιότητες των υλικών όσο και τις διάφορες περιβαλλοντικές παραμέτρους περιγράφει με πολύ ικανοποιητικό τρόπο την υγρομετρική συμπεριφορά των υλικών.