Pomiary wilgotności w diagnostyce obiektów budowlanych – względne metody elektryczne

*****
W artykule skupiono się na względnych metodach elektrycznych pomiaru wilgotności obiektów budowlanych. Autor opisał ich specyfikę oraz wyjaśnił pojęcia: przewodność elektryczna, rezystywność, a także względna przenikalność elektryczna.

Humidity measurements in building diagnostics – relative electrical methods.

The article focuses on relative electrical methods of measuring humidity in building structures. The author describes their specificity and explains the following concepts: electrical conductivity, resistivity, and relative electrical permittivity.
*****

Metody względne opierają się na pośrednim wykrywaniu i ocenie wilgotności materiału budowlanego. Nie wykorzystują bezpośrednio definicji wilgotności materiału (zob. [1, 2]), ale odnoszą się do innych mechanizmów fizycznych, służących za punkt odniesienia.

Metody względne są stosowane przede wszystkim do wykrywania różnic w przestrzeni i czasie (np. aby ocenić względną zmianę zawilgocenia w danym punkcie w porównaniu z innym punktem, bez uwzględnienia wartości bezwzględnej). Głównymi zaletami metod względnych jest to, że umożliwiają pomiary w czasie rzeczywistym, nadają się do szybkich obserwacji na miejscu, a najważniejszą, że większość z nich jest albo nieniszcząca, albo minimalnie inwazyjna [3].

Stosowane do oceny wilgotności metody bezwzględne oraz względne opierają się na różnych zasadach fizycznych lub chemicznych, a ich odczyty mogą nie być porównywalne. Na przykład opór elektryczny (metoda opornościowa) zmienia się w zależności od zawartości wilgoci i obecności rozpuszczalnych soli, a metody pojemnościowa i mikrofalowa reagują na całkowitą ilość cząsteczek wody, ale wynik zależy również od innych czynników, w tym od tego, jak cząsteczki są rozmieszczone wewnątrz materiału (przy czym sygnał jest wyższy dla cząsteczek blisko czujnika). Stanowi to poważne utrudnienie w przypadku nierównomiernego rozkładu i gradientów wilgotności przypowierzchniowej. Należy mieć zatem na uwadze, że na wszystkie metody względne w mniejszym lub większym stopniu wpływa szereg czynników zakłócających.

Dla powyższych niepewności niektóre instrumenty dostarczające wyniki względne (metody względne) podają odczyty w arbitralnych jednostkach, przydatnych do oceny względnych zmian wilgotności. W większości przypadków taki instrument ma wystarczającą wiarygodność jedynie przy ustalaniu, czy wilgotność określonego elementu lub materiału jest wyższa czy niższa niż w innej części, tj. jedynie w odczytach względnych. Niektóre przyrządy, aby sprostać potrzebom praktycznym, podają odczyty w procentach – producenci kalibrują swoje przyrządy przy użyciu znanych materiałów, aby zapewnić skalę w odczytach bezwzględnych. Taka kalibracja z reguły okazuje się jednak nieodpowiednia i należy ją weryfikować w każdym przypadku z osobna.

Interpretacja wyników uzyskanych metodami pośrednimi jest utrudniona również z uwagi na różne rodzaje wody zawartej w materiale. Na przykład siły elektromagnetyczne w metodzie pojemnościowej będą oddziaływać (z uwagi na ich strukturę polarną) z cząsteczkami wody. Jednakże interakcja jest inna, jeśli molekuły wody są częścią struktury materiału (np. woda krystalizacyjna), a inna, gdy mogą swobodnie reagować na wzbudzenie (woda związana fizycznie). W rezultacie wszystkie cząsteczki wody zareagują na sygnał, ale silnie związane cząsteczki będą reagować słabiej, a wolna wilgoć będzie reagować silniej [3].

Gdy metody pomiaru nie można skalibrować za pomocą odpowiedniego wzorca odniesienia, faktyczna wilgotność materiału pozostaje nieznana. Niemniej przydatne może być dokonanie względnych porównań z wybranym punktem pomiarowym w celu oceny gradientów zawilgocenia w przestrzeni (w przypadku wykonywania pomiarów w tym samym momencie) lub czasie (w przypadku pomiarów wykonywanych powtórnie – raz lub wielokrotnie). Uważa się, że takie metody zapewniają odczyty „względne” [3].

Względne metody elektryczne wykorzystują specyficzne własności wody wpływające na właściwości zawilgacanych materiałów. Najpowszechniej w praktyce budowlanej stosowane są metody elektryczne: opornościowa (rezystancji) oraz pojemnościowa (pojemnościowa) [4]. Metody elektryczne wymagają kontaktu elektrod z powierzchnią materiału. Pojemnościowa metoda pomiaru wilgotności jest całkowicie nieinwazyjna. Dzięki temu oraz natychmiastowej reakcji czujnika możliwe jest powtarzanie pomiaru w różnych punktach tego samego materiału w celu uzyskania bardziej reprezentatywnych wartości. Metoda oporności elektrycznej wymaga wprowadzenia czujników (elektrod) w strukturę badanego materiału, jest zatem (minimalnie, ale jednak) inwazyjna i w przypadku obiektów dziedzictwa kulturowego powinna być stosowana jedynie wyjątkowo, pod ścisłą kontrolą wykwalifikowanego specjalisty ds. konserwacji [3].

Metoda pomiaru rezystancji elektrycznej służy do określania wilgotności drewna oraz do przeprowadzania wstępnych badań innych materiałów budowlanych i była z powodzeniem stosowana już w latach 60. XX wieku. Wilgotnościomierze pracujące metodą rezystancji wykorzystują prawo Ohma, które wiąże wzajemnie wielkość rezystancji, przyłożoną siłą elektromotoryczną oraz prąd płynący między elektrodami. W większości przypadków, gdy przyłożona jest stała siła elektromotoryczna, wraz z zawartością wilgoci rośnie natężenie prądu między dwiema elektrodami – wzrasta przewodność elektryczna materiału [3, 5].

Przewodność elektryczna (konduktancja) jest wielkością fizyczną, która (analogicznie do przewodności cieplnej) określa zdolność materiału do przewodzenia i transmitowania prądu [6, 7]:

gdzie:

σ – przewodność elektryczna [(Ωm)^-1],
J – gęstość prądu elektrycznego [A/m²],
E – natężenie pola elektrycznego [V/m].

Odwrotnością przewodności jest rezystywność. Rezystywność materiału określa, w jakim stopniu opiera się on przepływowi prądu elektrycznego [7]:

gdzie:

ρ – rezystywność elektryczna [Ωm],
σ – przewodność elektryczna [(Ωm)^-1].

Rezystywność właściwa niezawilgoconych ceramicznych materiałów budowlanych wynosi ok. 1010 Ωm, z kolei w przypadku czystej wody (w temperaturze +10°C) ma ona wartość 0,22 · 106 Ωm. Wraz ze wzrostem zawilgocenia wzrasta zatem przewodność elektryczna materiałów budowlanych.

Na przewodnictwo elektryczne materiału obok zawilgocenia wpływa wiele innych czynników, takich jak temperatura, oporności przejściowe na elektrodach, koncentracja jonów w cieczy, natężenie pola elektrycznego, skład chemiczny materiału czy przestrzenna struktura badanego ośrodka. Zależność rezystancji przegród budowlanych od wilgotności można zatem opisać wzorem [8]:

gdzie:

R – rezystancja (opór elektryczny) [Ω],
ρ – rezystywność elektryczna [Ωm],
L – długość materiału przewodzącego [m],
S – pole przekroju poprzecznego materiału przewodzącego [m²],
u_m – wilgotność masowa,
A, n – stałe zależne od kształtu elektrod, ich budowy, składu chemicznego i stanu próbki.

Wilgotnościomierze oporowe opierają się na dwóch lub większej liczbie elektrod, o różnych kształtach i rozmiarach, wciskanych lub wbijanych w badany materiał, za pośrednictwem których wprowadza się prąd probierczy. Stosowane są również przyrządy z izolowanymi elektrodami, pozwalające na pomiar zawartości wilgoci na różnych głębokościach penetracji [5].

Klasycznym obszarem zastosowania jest pomiar wilgotności drewna. Zasady oznaczania wilgotności drewna za pomocą elektrycznego wilgotnościomierza oporowego opisane zostały w normie PN-EN 13183-2:2002 [9]. Odnosi się jednak ona do drewna surowego, nie może być zatem bezpośrednio stosowana do drewna w istniejącej konstrukcji, szczególnie jeśli materiał ten został zaatakowany przez szkodniki (np. grzyby lub owady drążące drewno), czy też został wcześniej poddany działaniu substancji zmieniających powierzchnię lub przewodność podpowierzchniową.

Dla większości gatunków istnieją tzw. krzywe kalibracyjne, za pomocą których można określić masową wilgotność drewna wyrażoną w procentach. Niektóre urządzenia pomiarowe oferują możliwość wstępnego ustalenia ustawień specyficznych dla danego rodzaju drewna, dzięki czemu wartość pomiarową (wilgotność masową) można odczytać bezpośrednio na wyświetlaczu lub połączonym z higrometrem urządzeniu (FOT. 1). Jednakże ustawienia takie można stosować również wyłącznie w przypadku drewna surowego. W sytuacji występowania powłok malarskich, lakieru, wosku lub oleju, oznaczenie wilgotności bezwzględnej drewna nie jest już możliwe.

Metodę rezystancji można również stosować do kamienia i muru. W przypadku materiałów innych niż drewno odczyt wilgotnościomierza nie jest już wartością bezwzględną (zawartością wilgoci), ale powinien być raczej traktowany jako wartość porównawcza, mierzona w jednostkach skali (niemianowanych). Różni producenci urządzeń pomiarowych oferują wprawdzie obszerne tabele przeliczeniowe, nie mogą być one traktowane jako wiarygodne w każdej sytuacji [3, 5].

W zależności od tego, jaki materiał budowlany ma być poddany pomiarom, należy dobrać odpowiednie elektrody. Do pomiaru wilgotności drewna stosuje się zazwyczaj nieizolowane elektrody o średnicy od 4 do 6 mm (FOT. 1).

Stosowane są również tzw. elektrody udarowe – wbijane w badany materiał (najczęściej młotkiem) za pomocą odpornego na uderzenia korpusu z tworzywa sztucznego. Dostępne są także izolowane elektrody płaskie lub okrągłe. Płaskie elektrody można wykorzystać np. do oceny rozkładu wilgoci pod jastrychem lub warstwą termoizolacyjną jastrychu, wsuwając je za podłogową listwę krawędziową w miejscu połączenia ściany z podkładem podłogowym. Do pomiarów izolowanymi elektrodami okrągłymi (o średnicy 6 mm i długości od 200 do 300 mm) zwykle konieczne jest wywiercenie dwóch otworów, o średnicy nieco większej niż średnica elektrod. W ten sposób, przy stosunkowo niewielkiej ingerencji w przegrodę, można ocenić rozkład wilgotności w jej strukturze. Do długotrwałych pomiarów w mineralnych materiałach budowlanych zaleca się natomiast stosowanie tzw. elektrod szczotkowych. Są one zwykle wykonane z mosiądzu i dzięki specjalnej konstrukcji zapewniają dobry boczny kontakt z materiałem budowlanym w wierconym otworze. W tym przypadku otwory powinny być nieco mniejsze niż średnica elektrod szczotkowych.

Metoda opornościowa jest niepewna w przypadku substancji, które mają bardzo wysoką przewodność w stanie suchym lub w obecności szkodliwych soli budowlanych. Problemy z uzyskaniem wiarygodnych wyników mogą również wystąpić w przypadku zmian gęstości lub gradientów wilgotności w warstwie przypowierzchniowej. W przypadku stosowania elektrod płaskich lub okrągłych brak lub uszkodzenie izolacji również może prowadzić do zafałszowania wyników. Metoda rezystancji wykazuje ponadto znaczną zależność od temperatury (można to jednak skorygować). Na moc wyjściową urządzenia istotny wpływ ma sytuacja, gdy powierzchnia jest zanieczyszczona materiałami przewodzącymi.

Metoda pojemnościowa (dielektryczna) to nieniszcząca elektryczna metoda pomiaru względnej przewodności materiałów budowlanych. Wilgotnościomierz pojemnościowy składa się zazwyczaj z elektronicznego urządzenia pomiarowego oraz czujnika zawierającego kondensator. Kondensator to element elektroniczny przechowujący ładunek elektryczny i zwykle składa się z dwóch płytek (okładek), które nie mogą się ze sobą stykać. Jeśli do okładek kondensatora zostanie przyłożone napięcie, ładują się one ładunkami o odmiennym znaku i tworzą pole elektryczne. Im większa powierzchnia okładek kondensatora i mniejsza odległość między płytami, tym większa pojemność kondensatora. Jeśli między elektrodami umieszczony zostanie materiał nieprzewodzący prądu (dieletryk), jego właściwości również wpływają na pojemność kondensatora [3, 5, 10].

Względna przenikalność elektryczna ε_r (dawniej stała dielektryczna) to bezwymiarowa wielkość charakteryzująca dielektryki, tj. substancje nieprzewodzące prądu elektrycznego (niezawierające swobodnych nośników ładunku). Opisuje ona spadek natężenia pola elektrycznego po wprowadzeniu w nie danego dielektryka. Przenikalność elektryczna stanowi iloczyn przenikalności elektrycznej próżni i względnej przenikalności elektrycznej [6]:

gdzie:

ε – przenikalność elektryczna [C/V·m],
ε₀– przenikalność elektryczna próżni [C/V·m],
ε_r – względna przenikalność elektryczna [-].

Względną przenikalność elektryczną materiału można wyznaczyć, umieszczając go pomiędzy dwiema okładkami kondensatora. Po przyłożeniu napięcia pomiędzy okładkami generowane jest pole elektryczne o wysokiej częstotliwości (RYS. 1).

Badany materiał nie musi dosłownie znajdować się pomiędzy dwiema okładkami, ponieważ elektryczne pola błądzące powstają również w strefie styku (w pobliżu powierzchni), gdy elektrody są umieszczone na powierzchni materiału. Również z tego powodu głębokość pomiaru wilgotnościomierzy pojemnościowych ogranicza się jedynie do kilku centymetrów.

Przewodność względna to parametr charakterystyczny dla materiału budowlanego, którego wartość zmienia się w miarę wzrastania wilgotności materiału. Ponieważ cząsteczka wody ma wysoką stałą dielektryczną (zob. TABELA 1) w porównaniu z innymi materiałami budowlanymi (zwykle 2 < ε < 8), reakcja dielektryczna materiału wzrasta proporcjonalnie do zawartości wilgoci. Wysoka wartość przenikalności względnej wskazuje zatem na wysoką, niska natomiast na niską zawartość wody w materiale.

Przyrządy wykorzystujące metodę pojemnościową mogą mieć zróżnicowaną budowę, co pozwala na wiele sposobów wykonywania pomiarów. Dostępne są wilgotnościomierze wyposażone w kondensator o kształcie płaskich płytek leżących w tej samej płaszczyźnie (najczęściej wewnątrz urządzenia). Taki czujnik jest odpowiedni do obiektów lub konstrukcji o płaskiej powierzchni. W przypowierzchniowej strefie materiału tworzy się rozproszone pole elektryczne, które wpływa na wartość wyświetlaną na czytniku urządzenia (RYS. 1).

Inne typy czujników o różnorodnych, skomplikowanych kształtach zostały zbudowane do określonych celów i do pracy nawet z obiektami o niepłaskiej powierzchni (zawsze jednak należy zapobiegać występowaniu szczelin powietrznych lub złego styku między płytkami kondensatora a badanym podłożem). Gdy obie elektrody (np. w formie sprężyn płytkowych) znajdują się na zewnątrz urządzenia, w momencie pomiaru przykłada się je do badanej powierzchni, w której powstaje pole elektryczne (RYS. 2, FOT. 2). Specjalne nieinwazyjne czujniki o kształcie kuli stanowią jedną z okładek kondensatora – druga umieszczona jest wewnątrz urządzenia (RYS. 3, FOT. 3 na górze).

Metodę pojemnościową można zastosować zarówno do drewna, jak i do kamienia czy cegły. W przypadku elementów drewnianych procedury oznaczania wilgotności metodą pojemnościową określone zostały w normie PN-EN 13183-3 [11]. Jednakże, podobnie jak w przypadku metody opornościowej, norma odnosi się jedynie do drewna surowego.

Wilgotnościomierz dielektryczny mierzy pojemność kondensatora za pomocą prądu przemiennego o wysokiej częstotliwości. Czujnik umieszcza się na powierzchni badanego elementu zgodnie z instrukcją producenta. Wyświetlana wartość jest odczytywana i dokumentowana w cyfrach lub jednostkach skali (jednostkach niemianowanych) – można je wstępnie przekształcić w wartości wyrażone w procentach, po kalibracji dla konkretnego materiału (FOT. 2).

Należy zaznaczyć, że odczyty w jednostkach skali nie są wartościami wilgotności materiału, a jedynie wartościami porównawczymi, które użytkownik musi ocenić samodzielnie. Ocena odbywa się na podstawie specyficznych dla urządzenia wartości orientacyjnych danego producenta lub w odniesieniu do innych wartości referencyjnych, np. ustalanych na miejscu przy użyciu tego samego urządzenia na innych powierzchniach wykonanych z tego samego materiału budowlanego. Sposób oceny należy jednoznacznie opisać w dokumentacji badań, aby przedstawione wartości mogły być później zinterpretowane i zrozumiałe przez osoby trzecie. Jest to szczególnie istotne z uwagi na fakt, że skala poszczególnych urządzeń może być zróżnicowana. Niektóre urządzenia mają podziałkę skali od 0 do 100 jednostek, inne posiadają zakres od 0 do 200 jednostek (FOT. 3 na górze). Samo podanie wyświetlanej wartości nie stanowi zatem podstawy do wiarygodnej oceny rzeczywistej wilgotności materiału.

Głębokość pomiaru higrometrów dielektrycznych zależy od gęstości materiału i zawartości wilgoci. Na przykład płytki ceramiczne zmniejszają głębokość penetracji sondy pomiarowej do ok. 2 cm – przy grubości płytek od 8 do 10 mm strefa pomiaru zostaje zatem ograniczona do głębokości ok. 1 cm pod okładziną [5]. W przypadku korzystania z czujników z głowicą kulową szczególnie istotne jest prawidłowe trzymanie urządzenia, tj. jak najdalej od głowicy. W przeciwnym wypadku może dojść do istotnego zakłócenia pomiaru (FOT. 4–5). Pomiarów wilgotnościomierzem pojemnościowym nie należy również wykonywać w narożnikach oraz w pobliżu otworów. Ponieważ metoda ta wykorzystuje pola rozproszone, w wyniku pomiaru uwzględniane są wszystkie materiały znajdujące się w zasięgu pola.

Istotną wadą wilgotnościomierzy pojemnościowych jest spadek dokładności pomiaru przy dużej zawartości wilgoci w badanym materiale, również wówczas, gdy występuje ono jedynie w strefie przypowierzchniowej. Warstwa wchłoniętej wody, która w takiej sytuacji tworzy się na powierzchni, działa jak lustro powodujące nasycenie sygnału. Niejednorodna struktura materiału lub przegrody również może prowadzić do błędnych wyników [3, 5].

Oprócz pożądanego oznaczania wilgoci za pomocą pomiaru przewodności lub przenikalności, istnieją również pewne efekty niepożądane, tj. takie, które powodują wzrost jednego z ww. parametrów materiału budowlanego, którego jednak nie można przypisać zwiększonej wilgotności [3, 5]:

• Szkodliwe sole budowlane – W przypadku porowatych materiałów budowlanych należy zauważyć, że zanieczyszczenie elektrolitami (zwykle solami) jest powszechne w większości wypadków i sprawia, że metody elektryczne są często, a zarazem bardzo podatne na błędną interpretację. Zasolenie przegród budowlanych może bowiem powodować zmianę warunków brzegowych pomiaru. Z jednej strony może ono prowadzić do zmiany właściwości higroskopijnych materiałów budowlanych, z drugiej występowanie w porach materiału roztworu soli dodatkowo zwiększa przewodność oraz przenikalność elektryczną. Również stosowanie zawierających aktywne substancje chemiczne preparatów grzybobójczych może mieć wpływ na wyniki pomiarów metodą pojemnościową, jeśli ich stosowanie powoduje tworzenie się soli w strefach przypowierzchniowych przegrody.
• Elementy metalowe w podłożu – Metale znajdujące się w pobliżu płaszczyzny pomiaru również powodują wzrost właściwości elektrycznych materiału budowlanego, bez konieczności występowania podwyższonego zawilgocenia. W diagnostyce zawilgoconych budynków z takim niekorzystnym wpływem najczęściej można się spotkać w przypadku zbrojonego betonu, tapety zawierającej folię aluminiową oraz przewodów elektrycznych biegnących w ścianach.

TABELA 2 przedstawia sposób oceny możliwości przeprowadzenia wiarygodnej kalibracji oraz jakości pomiarów uzyskanych metodami rezystancji lub pojemnościową w drewnianych oraz murowanych elementach budynków [3].

W przypadku metod elektrycznych istotnym uwarunkowaniem jest konieczność skalowania (dokładnego lub uproszczonego) aparatury badawczej na danym obiekcie, w celu ustalenia zależności korelacyjnej między wilgotnością zasolonej przegrody a parametrem bezwymiarowym stanowiącym odczyt wilgotnościomierza. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie względne odczyty można przeliczyć na wyrażoną w procentach wilgotność masową po kalibracji w odniesieniu do wybranego materiału, przeprowadzonej przez porównanie metodą grawimetryczną lub miareczkowaniem Karla Fischera [1]. Chociaż przydatne są automatyczne przeliczenia lub tabele przeliczeń dostarczane przez producentów, kalibracja jest trudna ze względu na zmiany, jakim przez lata użytkowania budynków – na skutek starzenia, czynników atmosferycznych, ataku chemicznego lub biologicznego – mogły ulec zastosowane w nich materiały. Nawet wówczas, gdy producent podaje zależności korelacyjne dla danego materiału, ocena rzeczywistego poziomu wilgotności wyrażona w procentach masowych byłaby możliwa wyłącznie w przypadku pomiarów wilgotności materiałów o tym samym składzie prowadzonych w takich samych warunkach, jak warunki testowe. Dodatkowo należy podkreślić, że zależności te z reguły ustalone zostały na podstawie skalowania z użyciem próbek muru zawilgoconego wodą pozbawioną soli [4].

Literatura

1. B. Monczyński, „Pomiary wilgotności w diagnostyce obiektów budowlanych – metody bezwzględne”, „IZOLACJE” 2/2024, s. 142–148.
2. B. Monczyński, „Woda i jej obecność w strukturze materiałów budowlanych”, „IZOLACJE” 1/2024, s. 140–146.
3. PN-EN 16682:2017-05, „Konserwacja dziedzictwa kulturowego – Metody pomiaru zawartości wilgoci lub wody w materiałach nieruchomego dziedzictwa kulturowego”.
4. J. Hoła, Ł. Sadowski, „Wiarygodność metod nieniszczących stosowanych w diagnostyce obiektów budowlanych,” [w:] L. Runkiewicz (red.), „Diagnostyka obiektów budowlanych. Część 2:, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2021, s. 463–495.
5. G. Hankammer, M. Resch, „Bauwerksdiagnostik bei Feuchteschäden“, RM Rudolf Müller, Köln 2023.
6. H. Stöcker, „Nowoczesne kompendium fizyki”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2015.
7. S.J. Ling, J. Sanny, W. Moebs, „Fizyka dla szkół wyższych – Tom II”, OpenStax Polska, Warszawa 2018.
8. W. Skowroński, M. Piotrowska, Z. Matkowski, C. Magott, T. Kania, „Aspekty ochrony budynków przed korozją biologiczną i ogniem”, Polskie Stowarzyszenie Mykologów Budownictwa, Wrocław 2019.
9. PN-EN 13183-2:2004, „Wilgotność sztuki tarcicy – Część 2: Oznaczanie wilgotności za pomocą elektrycznego wilgotnościomierza oporowego”.
10. R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, „Feynmana wykłady z fizyki, Tom 2, część 1: Elektryczność i magnetyzm. Elektrodynamika”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2014.
11. PN-EN 13183-3:2007, „Wilgotność sztuki tarcicy – Część 3: Oznaczanie metodą pojemnościową”.