Rakennusmateriaalien rakennusfysikaaliset ominaisuudet lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona

Vinha, Valovirta, Korpi, Mikkilä & Käkelä TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Rakennustekniikan osasto, Talonrakennustekniikan laboratorio Tutkimusraportti 129 Department of Civil Engineering, Structural Engineering Laboratory Research report 129 Juha Vinha, Ilkka Valovirta, Minna Korpi, Antti Mikkilä & Pasi Käkelä Rakennusmateriaalien rakennusfysikaaliset ominaisuudet lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona Rakennusmateriaalien rakennusfysikaaliset ominaisuudet lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona Tampere Tampere University of Technology Department of Civil Engineering P.O.B. 600 FI-33101 Tampere ISBN 952-15-1378-0 ISSN 1459-4102 Tutkimusraportti 129 Tampereen teknillinen yliopisto Rakennustekniikan osasto PL 600 33101 Tampere Tampere 2005

Tampereen teknillinen yliopisto. Rakennustekniikan osasto. Talonrakennustekniikan laboratorio. Tutkimusraportti 129 Tampere University of Technology. Department of Civil Engineering. Structural Engineering Laboratory. Research report 129 Juha Vinha, Ilkka Valovirta, Minna Korpi, Antti Mikkilä & Pasi Käkelä Rakennusmateriaalien rakennusfysikaaliset ominaisuudet lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona Tampereen teknillinen yliopisto. Rakennustekniikan osasto. Talonrakennustekniikan laboratorio Tampere 2005

ISBN 952-15-1378-0 (nid.) ISBN 978-952-15-2745-6 (PDF) ISSN 1459-4102

3 Talonr Talonrakennustekniikka Vinha Juha, Valovirta Ilkka, Korpi Minna, Mikkilä Antti, Käkelä Pasi RAKENNUSMATERIAALIEN RAKENNUSFYSIKAALISET OMINAISUUDET LÄMPÖTILAN JA SUHTEELLISEN KOSTEUDEN FUNKTIONA Tutkimusraportti 129, 101 sivua + 211 liitesivua Kesäkuu 2005 Hakusanat: rakennusfysiikka, rakennusmateriaalit, lämmönjohtavuus, tasapainokosteus, vesihöyrynläpäisevyys, kapillaarisuus, kosteusdiffusiviteetti Tiivistelmä Rakennusmateriaalien materiaaliominaisuudet voivat vaihdella huomattavasti lämpötila- ja kosteusolosuhteiden muuttuessa. Monesti materiaaliominaisuudet mitataan kuitenkin vain yhdessä pisteessä. Esimerkiksi lämmönjohtavuusarvot mitataan pääosin 10 C keskilämpötilassa joko kuivina tai yhdessä suhteellisessa kosteudessa ilmastoituna. Samoin tasapainokosteus ja vesihöyrynläpäisevyys ilmoitetaan usein ainoastaan huoneenlämpötilassa mitattuna. Tasapainokosteus on tyypillisesti ollut ainoa materiaaliominaisuus, joka on mitattu useassa eri suhteellisessa kosteudessa. Lämpötila- ja kosteusolosuhteet, joihin rakennusmateriaalit joutuvat todellisissa käyttöolosuhteissa, voivat Suomen ilmastossa vaihdella todella laajalti. Materiaaliominaisuudet tuleekin tuntea eri olosuhteissa, jotta rakenteista voitaisiin suunnitella mahdollisimman hyviä ja rakennevaurioilta vältyttäisiin. Se on myös onnistuneen laskennallisen mallinnuksen edellytys. Mallinnettaessa jonkin rakenteen lämpö- ja kosteusteknistä toimintaa tulee kaikille rakennekerroksille määrittää tietyt materiaaliominaisuudet, kuten lämmönjohtavuus, vesihöyrynläpäisevyys, kapillariteettikerroin ja tasapainokosteus. Tämä tutkimus liittyy Tampereen teknillisessä yliopistossa vuosina 1999-2004 toteutettuun Rakenteiden kuivuminen tutkimusprojektiin, jossa tutkittiin puurunkoisten ulkoseinien kosteusteknistä toimintaa Suomen ilmasto-olosuhteissa. Tutkimuksen puitteissa tehtiin materiaalikokeita kattavalle valikoimalle puurunkorakenteissa käytettyjä materiaaleja. Tutkitut materiaalit olivat rakennuspapereita ja kalvoja, lämmöneristemateriaaleja, tuulensuojalevyjä sekä sisäverhouslevyjä. Kokeita tehtiin lämpötila-alueella 10 +23 C ja kosteusalueella 33 97 % suhteellista kosteutta. Alle 0 C lämpötilassa sekä korkeissa suhteellisissa kosteuksissa materiaaleja on aikaisemmin tutkittu varsin vähän. Materiaaleille tehtiin lämmönjohtavuuskokeita, tasapainokosteuskokeita, vesihöyrynläpäisevyyskokeita ja kapillaarisuuskokeita. Lisäksi mittaustulosten perusteella laskettiin materiaalien kosteusdiffusiviteettejä. Hygroskooppisilla materiaaleilla suhteellisen kosteuden nousu lisäsi materiaalien läm- mönjohtavuutta ja osalla materiaaleista myös vesihöyrynläpäisevyyttä. Eihygroskooppisilla materiaaleilla RH:n vaihtelulla ei ollut suurta vaikutusta näihin ominaisuuksiin. Lämpötilan nousu lisäsi materiaalien lämmönjohtavuutta ja vesihöyrynläpäisevyyttä. Eri materiaaleilla muutokset olivat kuitenkin eri suuruisia ja jopa saman materiaaliryhmän eri tuotteissa oli eroja. Sen sijaan tasapainokosteuteen lämpötilan vaikutus oli suhteellisen pieni. Puupohjaisten rakennuslevyjen tasapainokosteudet (kg/kg)

4 olivat varsin yhteneviä, mutta muissa tuoteryhmissä oli huomattavaa hajontaa. Mitatut kapillariteettikertoimet olivat varsin suuria, mikä korostaa esim. työnaikaisen kosteussuojauksen merkitystä. Kosteusdiffusiviteettiarvot kuvaavat materiaalin kosteuspitoisuuden muutosnopeutta. Suurimmat kosteusdiffusiviteetin arvot saatiin lämmöneristeille ja pienimmät puupohjaisille levyille.

5 Alkusanat Tämä julkaisu liittyy TTY:n talonrakennustekniikan laboratorion laajaan puurunkoisten ulkoseinärakenteiden kosteusteknistä toimintaa käsittelevään tutkimuskokonaisuuteen. Tutkimuksen yhteydessä on kokonaisia seinärakenteita tutkittu sekä laboratoriokokeiden avulla että laskennallisesti. Lisäksi seinärakenteissa käytettäville materiaaleille on määritetty rakennusfysikaalisia ominaisuuksia laskennallisia tarkasteluja varten. Tutkimuksen avulla on saatu lisätietoa rakenteiden toiminnasta käytäntöä vastaavissa olosuhteissa kenttäkokeiden rinnalle. Tutkimus on laajin Suomessa toteutettu materiaalien rakennusfysikaalisia ominaisuuksia kartoittava tutkimus. Tutkimuksen aikana tehtiin noin 2600 yksittäistä materiaalikoetta 42 rakennusmateriaalille. Tässä julkaisussa esitetään rakennuspapereille ja kalvoille, eristemateriaaleille, tuulen- suojalevyille sekä sisäverhouslevyille tehtyjen materiaalikokeiden tuloksia. Kokeiden tavoitteena oli määrittää puurunkoisissa ulkoseinärakenteissa käytettävien materiaalien ja tuotteiden tasapainokosteus, vesihöyrynläpäisevyys ja lämmönjohtavuus niissä lämpötila- ja kosteusolosuhteissa, joita rakenteissa esiintyy käytännössä. Materiaaleille määritettiin myös kapillariteettikertoimet sekä kapillaariset kyllästyskosteudet. Lisäksi laskettiin materiaalien kosteusdiffusiviteettejä mittaustulosten perusteella. Erityisen mielenkiinnon kohteena olivat materiaaliominaisuudet korkeissa suhteellisissa kosteuksissa sekä alle 0 C lämpötiloissa, koska näillä alueilla materiaalikokeita on tehty varsin vähän. Tutkimuksen kokonaiskesto oli noin 4½ vuotta aikavälillä 1.11.1999 31.3.2004. Tut- kimus on tehty Tampereen teknillisen yliopiston Talonrakennustekniikan laboratoriossa professori Ralf Lindbergin ja erikoistutkija Juha Vinhan johdolla. Projektin kokonaissuunnittelusta ja organisoinnista on vastannut tekn. lis. Juha Vinha. Tutkimustyössä tarvittavat olosuhdehuoneet rakensivat pääosin diplomi-insinöörit Pasi Käkelä ja Antti Mikkilä. Tasapainokosteuskokeet tekivät Antti Mikkilä sekä diplomi-insinööri Ilkka Valovirta, joka vastasi myös lämmönjohtavuuskokeiden ja kapillaarisuuskokeiden suorittamisesta. Vesihöyrynläpäisevyyskokeita tekivät diplomi-insinöörit Antti Mikkilä ja Minna Korpi sekä tekniikan ylioppilaat Heli Toukoniemi ja Hanna Aho. Tutkimuksen johtoryhmään kuuluivat: Vaito Rossi, puheenjohtaja Schauman Wood Oy/ Wood Focus Oy Ari Hyvärinen, varapuh.joht. Ilmari Absetz Aislo Oy (1.11.1999 30.4.2001) TEKES Lasse Pöyhönen TEKES Reijo Louko Marko Suonpää Ekovilla Oy Eltete Oy Reijo Pouri Flaxlin Oy (25.8.2000 30.4.2001)

Jukka Nikkanen Flaxlin Oy (1.5.2001 31.3.2004) Karl-Johan Söderlund Kipsilevy-yhdistys ry/ Gyproc Oy (1.11.1999 30.4.2001) Seppo Leimala Kipsilevy-yhdistys ry/ Gyproc Oy (1.5.2001 31.3.2004) Harri Sällilä Kipsilevy-yhdistys ry/ Knauf Oy (1.5.2001 7.2.2002) Pirjo Suikkanen Kipsilevy-yhdistys ry/ Knauf Oy (8.2.2002 31.3.2004) Juha Krankka Paroc Oy Ab (1.11.1999-30.4.2001) Pekka Rönkkö Paroc Oy Ab (1.5.2001-31.3.2004) Harri Kemppainen Saint-Gobain Isover Oy Timo Niemelä Suomen Puututkimus Oy/ Koskisen O y (1.11.1999 30.4.2001) Fred Skuthälla Ypap Oy Markku Rantama Suomen Kiinteistöliitto ry Ralf Lindberg TTY/Talo nrakennustekniikka 6 Kiitämme johtoryhmän jäseniä ja heidän sijaisiaan, tutkimuksen rahoittajia sekä kaikkia tutkimuksen toteuttamiseen osallistuneita henkilöitä yhteistyöstä tutkimuksen aikana. Tampereella 29.6.2005 Tekijät

7 Sisällysluettelo Merkinnät...9 Käsitteet ja määritelmät...11 1 Johdanto...14 1.1 Lähtökohta...14 1.2 Tutkimuksen tavoitteet...14 2 Tutkimusaineisto...16 2.1 Tutkittavat materiaalit...16 2.1.1 Tuulensuojalevyt...16 2.1.2 Tuulensuojavillat...17 2.1.3 Tuulensuojakalvot...17 2.1.4 Lämmöneristeet...17 2.1.5 Sisäkalvot...18 2.1.6 Sisälevyt...18 2.2 Materiaalit eri kokeissa...19 2.2.1 Materiaalit lämmönjohtavuuskokeissa...19 2.2.2 Materiaalit tasapainokosteuskokeissa...20 2.2.3 Materiaalit vesihöyrynläpäisevyyskokeissa...20 2.2.4 Materiaalit kapillaarisuuskokeissa...20 3 Lämmönjohtavuuskokeet...22 3.1 Lämmönjohtavuuden mittaaminen...22 3.1.1 Yleistä...22 3.1.2 Lämmönjohtavuuden mittaaminen...22 3.1.3 Lämpövirtalevylaitteen periaate...23 3.1.4 Lämpövirtalevylaitteen kalibrointi...25 3.1.5 Koekappaleen ja levyjen välinen kontakti...26 3.1.6 Kosteuden vaikutus...28 3.1.7 Lämpösäteily...30 3.2 Lämmönjohtavuuden mittauslaitteisto...30 3.3 Mittausjärjestelyt...31 3.4 Tulokset...31 3.5 Tulosten tarkastelu...41 4 Tasapainokosteuskokeet...44 4.1 Tasapainokosteus materiaaliominaisuutena ja sen mittaaminen...44 4.2 Tasapainokosteuden mittaus 23 ºC lämpötilassa...46 4.2.1 Kosteushuoneet...46 4.2.2 Ilman suhteellisen kosteuden ja lämpötilan mittaus...47 4.2.3 Koekappaleet...48 4.2.4 Mittauksissa käytetty tietokoneohjelma...48

8 4.3 Tasapainokosteuden mittaus 5 ja 10 ºC lämpötilassa...49 4.4 Tulokset...49 4.4.1 Mittaukset 23 C lämpötilassa...49 4.4.2 Mittaukset 5 ja 10 C lämpötiloissa...60 4.5 Tulosten tarkastelu...62 5 Vesihöyrynläpäisevyyskokeet...63 5.1 Kokeet...63 5.1.1 Kuppikoemenetelmä...63 5.1.2 Koejärjestelyt...66 5.1.3 Laskennallinen tarkastelu...69 5.2 Tulokset ja niiden arviointi...73 5.2.1 Yleistä tulosten laskennasta ja regressiomallien valinnasta...73 5.2.2 Materiaalikohtaiset ominaisuustaulukot...74 5.2.3 Tuulensuojalevyt ja kalvot...75 5.2.4 Lämmöneristeet...79 5.2.5 Sisäkalvot ja levyt...81 5.2.6 Tulosten tarkastelu...83 6 Kapillaarisuuskokeet...87 6.1 Yleistä...87 6.2 Koejärjestely...88 6.3 Tulokset...89 6.4 Tulosten tarkastelu...90 7 Kosteusdiffusiviteetti...92 7.1 Yleistä...92 7.2 Laskentamenetelmä, tulokset ja niiden arviointi...92 8 Yhteenveto...95 Lähteet...98 Liitteet...101

9 Merkinnät A pinta-ala m 2 A w kapillariteettikerroin kg/(m 2 s 0,5 ) D w kosteusdiffusiviteetti m 2 /s M ν vesihöyryn molekyylipaino kg/kmol Q lämpövirta W R yleinen kaasuvakio J/(mol K) S kalibrointikerroin W/(m 2 V) T lämpötila K U jännite V W kappaleeseen imeytynyt vesimäärä pinta-alaa kohti kg/m 2 W p vesihöyrynläpäisykerroin (vesihöyryn osapaine-eron avulla lask.) kg/(m 2 s Pa) W ν vesihöyrynläpäisykerroin (vesihöyrypitoisuuseron avulla laskettu) m/s Z p vesihöyrynvastus (vesihöyryn osapaine-eron avulla laskettu) m 2 s Pa/kg Z ν vesihöyrynvastus (vesihöyrypitoisuuseron avulla laskettu) s/m V tilavuus m 3 a apusuure b vakiotermi d halkaisija, paksuus, korkeus m g kosteusvirran tiheys kg/(m 2 s) k kerroin m massa kg, g p paine, vesihöyryn osapaine Pa p k vesihöyryn kyllästyspaine Pa q lämpövirran tiheys W/m 2 r ilmavirran nopeus m/s t aika s t lämpötila C u suure u kosteuspitoisuus kg/kg w kosteuspitoisuus kg/m 3 w kap kapillaarinen kyllästyskosteus kg/m 3 δ p vesihöyrynläpäisevyys (vesihöyryn osapaine-eron avulla laskettu) kg/(m s Pa) δ ν vesihöyrynläpäisevyys (vesihöyrypitoisuuseron avulla laskettu) m 2 /s φ sähköteho W ϕ ilman suhteellinen kosteus (RH) %, % RH λ lämmönjohtavuus W/(m K) µ termojännite V

10 µ vesihöyryn diffuusiovastuskerroin - ν ilman vesihöyrypitoisuus kg/m 3, g/m 3 ν k vesihöyryn kyllästyskosteus kg/m 3, g/m 3 ρ tiheys kg/m 3 Yleisimmät alaindeksit s sisä u ulko p paine ν (tai v) vesihöyrypitoisuus

11 Käsitteet ja määritelmät Diffuusio Hygroskooppinen tasapainokosteus Hygroskooppinen tasapainokosteus tarkoittaa sitä koste- uspitoisuutta, joka stationääritilassa sitoutuu ilmasta huokoiseen aineeseen ympäristön tietyssä suhteellisessa kosteudessa ja lämpötilassa. Hygroskooppisuus Höyrynsulku Diffuusio on kaasumolekyylien liikettä, joka pyrkii tasoittamaan kaasuseoksessa olevia yksittäisen kaasun pitoisuuseroja (tai osapaine-eroja). Diffuusiossa kaasu siirtyy korkeammasta pitoisuudesta alempaan pitoisuuteen. Hygroskooppisuus tarkoittaa huokoisen aineen kykyä sitoa itseensä kosteutta ilmasta ja luovuttaa sitä takaisin ilmaan. Höyrynsulku on ainekerros, jonka pääasiallisena tehtävänä on estää vesihöyryn haitallinen diffuusio rakenteeseen tai rakenteessa. Höyrynsulun vesihöyrynläpäisevyys on pieni. Höyrynsulullinen rakenne Höyrynsulullisessa rakenteessa on tiivis ilmansulku ja höyrynsulku. Kapillaarinen tasapainokosteus tarkoittaa sitä kosteuspi- toisuutta, joka stationääritilassa sitoutuu vapaasta vedenpinnasta huokoiseen aineeseen. Ilmansulku Kapillaarinen tasapainokosteus Kapillariteettikerroin Ilmansulku on ainekerros, jonka pääasiallisena tehtävänä on estää haitallinen ilmavirtaus rakenteen läpi. Ilmansulun ilmanläpäisevyys on pieni. Kapillariteettikerroin (A w ) on materiaaliarvo, joka on verrannollinen vesimäärään, joka imeytyy vapaan vedenpinnan kanssa kosketuksessa olevaan kappaleeseen. Kapillariteettikerroin ei ole täysin vakio, vaan se muuttuu hieman sen mukaan, miten lähellä kappaleen kosteuspitoisuus on kapillaarista kyllästyskosteutta. Tässä julkaisussa annetut kapillariteettikertoimen arvot edustavat tilannetta, jossa koekappaleen kosteuspitoisuus on selvästi kapillaarista kyllästyskosteuspitoisuutta alhaisempi.

12 Kondensoituminen Kondensoituminen tarkoittaa vesihöyryn tiivistymistä rakenteiden pintoihin vedeksi tai jääksi, kun ilman vesihöyrypitoisuus on saavuttanut pinnan lähellä kyllästyskosteuden (ϕ = 100 % RH). Kosteutta läpäisevä rakenne Kosteutta läpäisevässä rakenteessa on tiivis ilmansulku, mutta ei höyrynsulkua. Kyllästyskosteus Kyllästyskosteus ilmoittaa vesihöyrypitoisuuden, joka ilmaan mahtuu tietyssä lämpötilassa. Lämmönjohtavuus Lämmönjohtavuus λ ilmoittaa lämpömäärän, joka stationääritilassa läpäisee aikayksikössä pintayksikön suuruisen ja pituusyksikön paksuisen homogeenisen ainekerroksen, kun ainekerroksen eri puolten välillä on yksikön suuruinen lämpötilaero. Suhteellinen kosteus Ilman suhteellinen kosteus ϕ, RH ilmoittaa kuinka paljon ilmassa on vesihöyryä kyllästyskosteuspitoisuuteen verrattuna tietyssä lämpötilassa. Stationääritila Stationääritilassa (= jatkuvuustila) olevaan systeemiin tuodaan ja sieltä poistuu vakiomäärä ainetta ja lämpöenergiaa samassa ajassa. Stationääritilassa lämpötilat ja eri aineiden pitoisuudet ovat saavuttaneet tasapainotilan eivätkä muutu ajan kuluessa. Tasapainokosteus Tasapainokosteus tarkoittaa materiaaliin sitoutunutta kosteusmäärää tietyssä ympäristön kosteuspitoisuudessa ja lämpötilassa. Tuulensuoja Tuulensuoja on ainekerros, jonka pääasiallisena tehtävänä on estää tuulen aiheuttama haitallinen ilmavirtaus rakenteen lämmöneristekerroksessa. Tuulensuojamateriaalin tulee olla hyvin vesihöyryä läpäisevä. Vesihöyrynläpäisevyys Vesihöyrynläpäisevyys δ ν tai δ p ilmoittaa vesimäärän, joka stationääritilassa läpäisee aikayksikössä pintayksikön suuruisen ja pituusyksikön paksuisen homogeenisen ainekerroksen, kun ainekerroksen eri puolilla olevien ilmatilojen vesihöyrypitoisuuksien ero (tai vesihöyryn osapaine-ero)

13 on yksikön suuruinen. Kosteus voi siirtyä materiaalissa muissakin olomuodoissa kuin vesihöyrynä, jolloin voidaan puhua myös materiaalin kosteudenläpäisevyydestä. Vesihöyrynläpäisykerroin Vesihöyrynvastus Vesihöyrypitoisuus Vesihöyrynläpäisykerroin Wν tai W p ilmoittaa vesimäärän, joka stationääritilassa läpäisee aikayksikössä pintayksikön suuruisen rakenneosan, kun rakenneosan eri puolilla olevien ilmatilojen vesihöyrypitoisuuksien ero (tai vesihöyryn osapaine-ero) on yksikön suuruinen. Vesihöyrynvastuksella Z ν tai Z p tarkoitetaan vesihöyryn- läpäisykertoimen käänteisarvoa. Tarkkaan ottaen vain vesihöyrynläpäisykertoimessa on mukana rajapintojen kosteudensiirtokertoimien vaikutus, mutta niiden osuus on käytännössä merkityksetön. Yksittäisen ainekerroksen vesihöyrynvastus lasketaan kaavalla Z=d/δ. Vesihöyrypitoisuus ν ilmoittaa ilmassa olevan vesihöyrydiffuusion määrän. Vesihöyrypitoisuuksien ero pyrkii tasoittumaan avulla.

14 1 Johdanto 1.1 Lähtökohta Rakennusmateriaalien rakennusfysikaaliset ominaisuudet muuttuvat sen mukaan, missä lämpötila- ja RH-olosuhteissa materiaalit ovat. Tällä on merkitystä käytännön rakentamisessa, koska rakenteissa vallitsevat lämpö- ja kosteusolosuhteet vaihtelevat huomattavasti, varsinkin vaipan ulko-osissa. Rakennuksen sisältä ulospäin kulkeutuva kosteus vaikuttaa rakenteiden kosteusolosuhteisiin, samoin kuin sadeveden tunkeutuminen rakenteisiin. Lämmitettyjen rakennusten sisäosissa lämpötilanvaihtelut ovat materiaaliominaisuuksien muutosten kannalta melko pieniä, mutta kosteusvaihtelut saattavat muuttaa materiaaliominaisuuksia siinä määrin, että muutokset vaikuttavat rakenteen kosteustekniseen toimintaan. Jotta rakenteiden rakennusfysikaalista toimintaa voidaan tarkastella laskennallisesti luotettavasti, tulee materiaaliominaisuudet selvittää eri lämpötila- ja kosteusolosuhteissa. Kehittyneisiin laskentaohjelmiin voi syöttää materiaaliominaisuuksia näiden tekijöiden funktiona. Tällöin rakenteiden toimintaa on mahdollista analysoida eri vuodenaikoina sekä erilaisissa ilmasto-olosuhteissa aiempaa tarkemmin. Läheskään kaikille materiaaleille ja tuotteille ei ole saatavissa rakennusfysikaalisia materiaaliominaisuuksia eri olosuhteissa. Useimmat materiaalikokeet on tehty vain yhdessä olosuhteessa. Tällaisia materiaaliarvoja käytettäessä ei sen paremmin laskentaohjelmista kuin käsinlaskentamenetelmistäkään saada täyttä hyötyä irti, vaan tulokset saattavat päinvastoin olla jopa harhaanjohtavia. Erityisenä ongelmana on alle 0 C lämpötiloissa ja korkeissa suhteellisissa kosteuksissa mitattujen arvojen puute. Suomen olosuhteissa näitä arvoja tarvitaan tutkittaessa vaipparakenteiden toimintaa kylmänä vuodenaikana. Tilannetta pahentaa se, että markkinoille tulee jatkuvasti uusia tuotteita, joille ei ole saatavissa kaikkia materiaaliarvoja. Erityisesti puurunkoisten ulkoseinien kosteustekninen käyttäytyminen on ollut kiistelty aihe jo pitkään. Eri rakenneratkaisujen toimivuudesta on edelleen vallalla täysin vastakkaisia mielipiteitä. Asian selvittämistä on osaltaan vaikeuttanut myös rakennusfysikaalisten materiaaliominaisuuksien puuttuminen eri lämpötila- ja kosteusolosuhteissa. 1.2 Tutkimuksen tavoitteet Tässä julkaisussa esitetty materiaalitutkimus kuuluu osana Rakenteiden kuivuminen tutkimusprojektiin. Tutkimuksessa on selvitetty puurunkoisten ulkoseinien kosteusteknistä käyttäytymistä Suomen ilmasto-olosuhteissa. Tutkimustyöhön on sisältynyt seinärakenteiden rakennusfysikaalisia kokeita, rakennusmateriaalien tasapainokosteus-, vesi-

15 höyrynläpäisevyys-, lämmönjohtavuus- ja kapillaarisuuskokeita sekä laskennallista tarkastelua. Tutkimus alkoi vuonna 1999 ja päättyi vuonna 2004. Kuvassa 1.1 on esitetty tutkimuksen osa-alueet. RAKENNUSFYSIKAALISET KOKEET 56 ERILAISTA SEINÄRAKENNETTA LASKENNALLINEN TARKASTELU WUFI 2D 1D-HAM MATCH MATERIAALIKOKEET VESIHÖYRYNLÄPÄISEVYYS LÄMMÖNJOHTAVUUS TASAPAINOKOSTEUS KAPILLAARISUUS Kuva 1.1 Rakenteiden kuivuminen projektin osa-alueet. Tutkimuksen tavoitteena oli analysoida erilaisten ulkoseinärakenteiden kosteusteknistä käyttäytymistä Suomen ilmastossa, erityisesti niiden kostumista sisäilman kosteuden vaikutuksesta sekä kuivumista kevätaikaan. Kokeissa keskityttiin erityisesti diffuusiolla siirtyvän kosteuden tarkasteluun. Erityisesti selvitettiin lämmöneristeen kosteuskapasiteetin vaikutusta rakenteen toimintaan, sisäpinnalta vaadittavan vesihöyrynvastuksen minimiarvoa, tuulensuojan vesihöyrynvastuksen maksimiarvoa, sisä- ja ulkopinnan vesihöyrynvastusten suhteen minimiarvoa sekä tuulensuojan lämmönvastuksen vaikutusta rakenteen toimintaan. Tuulensuojan sekä rakenteen sisäpinnan vesihöyrynvastukset ratkaisevat hyvin pitkälti ulkoseinärakenteen kosteusteknisen toiminnan tai toimimattomuuden diffuusion osalta. Sisäpintaan on tässä yhteydessä luettu mukaan rakenteen höyryn- tai ilmansulku, koska se sijaitsee Suomessa käytetyissä rakenteissa rakenteen sisäpinnan lähellä. Materiaaliominaisuuksien mittaamisen tarkoituksena oli saada tietoa rakennusmateriaalien ominaisuuksista yleensä sekä erityisesti rakennekokeissa käytetyistä materiaaleista. Tällöin saatiin pohjatietoa rakennekokeiden analysointia varten ja voitiin mallintaa kokeissa käytettyjä rakenteita laskentaohjelmilla.

16 2 Tutkimusaineisto 2.1 Tutkittavat materiaalit Tutkimusaineisto koostui erilaisista puurunkoisten pientalojen seinärakenteiden materiaaleista. Tutkimukseen valittiin tyypillisimpiä tuulensuoja-, lämmöneriste-, höyryn- ja ilmasulku- sekä sisälevymateriaaleja. Tutkitut tuulensuojamateriaalit voitiin edelleen jaotella tuulensuojalevyihin, -villoihin ja -kalvoihin. Kaikkia tutkimusaineiston materiaaleja ei tutkittu kaikissa kokeissa. Kappaleessa 2.2 on esitetty eri kokeissa tutkitut materiaalit. Alla on lueteltu ryhmittäin tutkimuksessa mukana olleet materiaalit valmistajineen. Jokaisella materiaalilla on oma kokeissa käytetty tunnus. Tuotenimen jälkeen on ilmoitettu materiaalin nimellispaksuus. Irtoeristeiden kohdalla on suluissa ilmoitettu tavoitetiheys. Materiaaleista kuusivaneri (A11) on huomioitu sekä tuulensuoja- että sisälevyjen kohdalla. Muiden kuin kalvomaisten materiaalien mitatut kuivatiheydet on esitetty taulukossa 2.1. Ilman- ja höyrynsulkukalvojen tiheyksiä määritettiin 20 50 %:n suhteellisessa kosteudessa rullista. Nämä tiheydet on esitetty taulukossa 2.2. Tutkitut ruskea rakennuspaperi (C12) ja bitumipaperi (C10) ovat TTY:n talonrakennustekniikan laboratorion aikaisemmissa tutkimuksissa käytettyjä materiaaleja. 2.1.1 Tuulensuojalevyt Kipsilevy A1 Gyproc TS 9 mm Gyproc Oy Huokoiset kuitulevyt A2 Runkoleijona 25 mm Suomen Kuitulevy Oy A13 Tuulileijona 12 mm Suomen Kuitulevy Oy Kova kuitulevy A8 Rakentajan kovalevy 4,8 mm Suomen Kuitulevy Oy Lastulevy A9 Wilhelmi V313 12 mm Puhos Board Oy Kuusivaneri A11 Wisa 3 ply 9 mm Schauman Wood Oy

17 2.1.2 Tuulensuojavillat Lasivillalevyt A3 Isover RKL 30 mm Saint-Gobain Isover Oy A4 Isover RKL-EJ 25 mm Saint-Gobain Isover Oy Kivivillalevyt A5 Runkolevy TSL 30 mm Paroc Oy A6 Isorunkolevy IRL 30 mm Paroc Oy Puukuitueristelevy A7 Vital -levy 25 mm Aislo Oy 2.1.3 Tuulensuojakalvot Tuulensuojakalvot B1 Paavo-tuulensuojalaminaatti YPAP Oy B2 Tyvek Soft -diffuusiokalvo Eltete Oy B3 Elwitek 4440 -tuulensuojalaminaatti Eltete Oy B4 Elwitek 5550 -tuulensuojalaminaatti Eltete Oy Bitumipaperit B5 Paavo-bitumivuorauspaperi YPAP Oy B6 Paavo-bitumivuorauskreppi YPAP Oy B7 Paavo-bitumivuoraushuopa YPAP Oy B8 Bitupap 125-bitumivuorauspaperi Eltete Oy B9 Bitukrep 125-bitumivuorauspaperi Eltete Oy C10 Bitumipaperi - 2.1.4 Lämmöneristeet Lasivilla D1 Isover KL-C 50 mm Saint-Gobain Isover Oy Kivivilla D2 Isolevy IL 50 mm Paroc Oy Levymäinen puukuitueriste D3 Vital 50 mm Aislo Oy Puukuitueriste, puhallettu D4 Ekovilla 50 mm (40 kg/m 3 ) Ekovilla Oy Puukuitueriste, sullottu D4 Ekovilla 50 mm (40 kg/m 3 ) Ekovilla Oy Puukuitueriste, sullottu D4a Ekovilla 50 mm (60 kg/m 3 ) Ekovilla Oy Pellavaeriste D5 Flaxlin T 3 50 mm Flaxlin Oy Purueristeet, sullottu D6 Sahanpuru 50 mm (180 kg/m 3 ) Koskisen Oy D7 Kutterinlastu 50 mm (140 kg/m 3 ) Koskisen Oy D67 Sahanpurun ja kutterinlastun seos (1:1) Koskisen Oy

18 2.1.5 Sisäkalvot C7 Paavo-muovitiivistyspaperi YPAP Oy C8 Vahattu voimapaperi UG-voima YPAP Oy C9 PE-PAP 125-muovitiivistyspaperi Eltete Oy C11 Höyrynsulkumuovi - C12 Ruskea rakennuspaperi - C14 Elt-Kraft VCL C15 Eko-Paavo Eltete Oy YPAP Oy 2.1.6 Sisälevyt Kipsilevy C1 Gyproc N 13 mm Gyproc Oy Huokoinen kuitulevy C2 Huokoleijona 12 mm Suomen Kuitulevy Oy Lastulevy C3 Wilhelmi 12 mm Puhos Board Oy Vaneri A11 Wisa 3 ply 9 mm Schauman Wood Oy OSB-puukuitulevy C6 Eltete OSB 3 12 mm Eltete Oy Massiivipuulevy C13 Massiivipuulevy, mänty 10 mm - Taulukko 2.1 Tutkittujen materiaalien mitatut kuivatiheydet. Tun nus Materiaali Kuivatiheys (kg/m 3 ) Tun nus Materiaali Kuivatiheys (kg/m 3 ) A1 Gyproc TS 9 mm 774 C3 Wilhelmi 12 mm 592 A2 Runkoleijona 25 mm 280 C6 Eltete OSB 3 12 mm 646 A3 Isover RKL 30 mm 73 C13 Massiivipuulevy, mänty 10 mm 532 A4 Isover RKL-EJ 25 mm 104 D1 Isover KL-C 50 mm 22 A5 Runkolevy TSL 30 mm 92 D2 Isolevy IL 50 mm 37 A6 Isorunkolevy IRL 30 mm 120 D3 Vital 50 mm 51 A7 Vital -levy 25 mm 63 D4 Ekovilla, puhallettu 50 mm n. 26 A8 Rakentajan kovalevy 4,8 mm 1140 D4 Ekovilla, sullottu 50 mm n. 37 A9 Wilhelmi V313 12 mm 723 D4a Ekovilla, sullottu 50 mm n. 60 A11 Wisa 3 ply 9 mm 394 D5 Pellavaeriste T 3 50 mm 39 A13 Tuulileijona 12 mm 270 D6 Sahanpuru, sullottu 50 mm n. 168 C1 Gyproc N 13 mm 574 D7 Kutterinlastu, sullottu 50 mm n. 130 C2 Huokoleijona 12 mm 234 Irtoeristeiden tiheys vaihteli eri kokeissa jonkin verran. Taulukossa 2.1 annetut arvot kuvaavat irtoeristeiden osalta kaikkien kokeiden perusteella määritettyjä keskimääräisiä kuivatiheyksiä. Sahanpurun ja kutterinlastun sekoitukselle (1:1) käytettiin kuivatiheyden laskennallisena arvona 149 kg/m 3.

19 Taulukko 2.2 Materiaali Tiheys (kg/m 3 ) ) B1 Paavo-tuulensuojalaminaatti 360 B9 Bitukrep 125-bitumivuorauspaperi 620 B2 Tyvek Soft-diffuusiokalvo 250 C7 Paavo-muovitiivistyspaperi 940 B3 Elwitek 4440-tuulensuojalaminaatti 230 C8 Vahattu voimapaperi UG-voima 880 B4 Elwitek 5550-tuulensuojalaminaatti 390 C9 PE-PAP 125-muovitiivistyspaperi 760 B5 Paavo-bitumivuorauspaperi 940 C10 Bitumipaperi 740 B6 Paavo-bitumivuorauskreppi 540 C14 Elt-Kraft VCL-ilmansulkukalvo 600 B7 Paavo-bitumivuoraushuopa 860 C15 EkoPaavo-ilmansulkukalvo 990 B8 Bitupap 125-bitumivuorauspaperi 840 Ilman- ja höyrynsulkukalvojen tiheyksiä rullassa 20 50 %:n suhteellisessa kosteudessa. Tunnus Tunnus Materiaali Tiheys (kg/m 3 2.2 Materiaalit eri kokeissa 2.2.1 Materiaalit lämmönjohtavuuskokeissa Lämmönjohtavuus mitattiin seuraaville materiaaleille: A1 Gyproc GTS 9 mm A2 Runkoleijona 25 mm A3 Isover RKL 30 mm A4 Isover RKL-EJ 25 mm A5 Runkolevy TSL 30 mm A6 Isorunkolevy IRL 30 mm A7 Vital-levy 25 mm A11 Wisa 3 ply 9 mm A13 Tuulileijona 12 mm D1 Isover KL-C 50 mm D2 Isolevy IL 50 mm D3 Vital 50 mm D4 Ekovilla 50 mm D5 Pellavaeriste T 3 50 mm D6 Sahanpuru 50 mm D7 Kutterinlastu 50 mm Kuivapuhalletulle Ekovillalle mitattiin ainoastaan lämmönjohtavuusarvot.

20 2.2.2 Materiaalit tasapainokosteuskokeissa Tasapainokosteus 23 C lämpötilassa mitattiin samoille materiaaleille kuin lämmönjohtavuuskin sekä lisäksi seuraaville materiaaleille: A8 Rakentajan kovalevy 4,8 mm A9 Wilhelmi V313 12 mm C3 Wilhelmi 12 mm C6 Eltete OSB 3 12 mm C13 Massiivipuulevy, mänty 10 mm 5 ja 10 C lämpötiloissa sekä 75 %:n suhteellisessa kosteudessa määritettiin tasapainokosteus samoille materiaaleille lukuun ottamatta kovalevyä (A8), lastulevyjä (A9 ja C3), OSB-levyä (C6) sekä Vital-levyä (A7) ja Vital-eristettä (D3). 2.2.3 Materiaalit vesihöyrynläpäisevyyskokeissa Vesihöyrynläpäisevyyskokeita tehtiin kaikille luvussa 2.1 esitetyille materiaaleille. Osalle materiaaleista vesihöyrynläpäisevyys määritettiin ainoastaan +23 ºC lämpötilassa. Nämä materiaalit olivat: A9 Wilhelmi V313 12 mm B7 Paavo-bitumivuoraushuopa C7 Paavo-muovitiivistyspaperi C8 Vahattu voimapaperi UG-voima C9 PE-PAP 125-muovitiivistyspaperi C11 Höyrynsulkumuovi C14 Elt-Kraft VCL C15 Eko-Paavo C1 Gyproc N 13 mm C2 Huokoleijona 12 mm Lisäksi puukuitueristeelle D4a (Ekovilla 50 mm, 60 kg/m 3 ) määritettiin vesihöyrynläpäisevyys pelkästään +23 C ja +5 C lämpötiloissa. 2.2.4 Materiaalit kapillaarisuuskokeissa Kapillariteettikerroin sekä kapillaarinen kyllästyskosteus määritettiin seuraaville materiaaleille: A1 Gyproc GTS 9 mm A2 Runkoleijona 25 mm A7 Vital-levy 25 mm

21 A8 Rakentajan kovalevy 4,8 mm A9 Wilhelmi V313 12 mm A11 Wisa 3 ply 9 mm A13 Tuulileijona 12 mm C3 Wilhelmi 12 mm C6 Eltete OSB 3 12 mm C13 Massiivipuulevy, mänty 10 mm D3 Vital 50 mm D4 Ekovilla 50 mm D5 Pellavaeriste T 3 50 mm D6 Sahanpuru 50 mm D7 Kutterinlastu 50 mm

22 3 Lämmönjohtavuuskokeet 3.1 Lämmönjohtavuuden mittaaminen 3.1.1 Yleistä Lämpöenergia voi siirtyä useilla eri tavoilla, joista rakennustekniikassa tärkeimmät ovat johtuminen, konvektio ja säteily. Todellisissa rakenteissa ja rakennuksissa esiintyy kaikkia edellä mainittuja lämmönsiirron muotoja, ja yleensä nämä kaikki lämmönsiirtymismuodot ovat mukana materiaaleille määritetyissä lämmönjohtavuusarvoissa. Lämmönjohtavuus määritellään seuraavasti: q = -λ grad T (3.1) missä q λ T lämpövirran tiheys (W/m 2 ) lämmönjohtavuus (W/(m K)) lämpötila (K) Mikäli kyseessä on yksiulotteinen lämmönsiirto stationääritilassa, voidaan kirjoittaa Q x x λ = = q (3.2) A T T missä Q lämpövirta (W) A pinta-ala (m 2 ) T lämpötilaero (K) x matka, jolla esiintyy lämpötilaero T (m) 3.1.2 Lämmönjohtavuuden mittaaminen Lämmönjohtavuuden mittaaminen suurella tarkkuudella on vaativaa. Kyse on ilmiöstä, johon vaikuttavien osatekijöiden hallinta on monesti vaikeaa. Jonkin osatekijän mittaamisessa mahdollisesti tapahtuva virhe aiheuttaa automaattisesti virheen lämmönjohtavuuden arvoon. Erityisesti lämpövirran mittaaminen on perinteisesti ollut haastavaa. Eri materiaalien lämmönjohtavuusarvot ja muut ominaisuudet vaihtelevat siinä määrin, ettei kaikille materiaaleille soveltuvaa mittausmenetelmää ole olemassa. Lämmöneristemateriaaleille on nykyisin saatavissa varsin tarkkoja laitteita, joiden hinta kuitenkin on

23 vielä korkea, luokkaa 20 000 200 000 euroa. Kuivien eristemateriaalien, lämmönjohtavuudeltaan 0,02 0,06 W/m K, mittaaminen näillä laitteilla on suhteellisen ongelmatonta. Haluttaessa mitata näitä materiaaleja kostutettuina tai siirryttäessä suuremman lämmönjohtavuuden omaaviin materiaaleihin joudutaan ongelmien eteen. Mittausten suorittamiseen ja tulosten arviointiin tarvitaan sekä teoreettista että kokemusperäistä tietoa. Materiaalin lämmönjohtavuus muuttuu materiaalin tiheyden, mittauslämpötilan sekä kosteuden vaikutuksesta, joten näiden tekijöiden merkitys tulee tiedostaa. Tässä tutkimuksessa lämmönjohtavuuden mittaamiseen käytettiin lämpövirtalevylaitetta (lasercomp FOX304, ks. luku 3.2), jonka periaate on esitetty seuraavassa. 3.1.3 Lämpövirtalevylaitteen periaate Lämpövirtalevy koostuu termoelementtiketjusta, joka on kiedottu ohuen levyn ympäril- metallilanka, jonka joka toinen puo- le (kuva 3.1.) Termoelementtiketju on käytännössä likierros on päällystetty toisella metallilla. Lämpövirtaa mitattaessa levyn pintojen välille muodostuu pieni lämpötilaero. Tämä aiheuttaa termoelementtiketjuun jännitteen, jonka suuruus on verrannollinen levyn läpi kulkevaan lämpövirtaan. Kuva 3.1 Lämpövirtalevyn rakenne. Lämpövirran tiheyden ja lämpövirtalevyn termoelementtiketjun jännitteen välille voidaan kirjoittaa yhtälö q = µ S (3.3) missä µ termoelementtiketjusta mitattu jännite (V) S kalibrointikerroin (W/(m 2 V)) Lämpövirtalevylaitteen pääosat ovat ylä- ja alalevy, kaksi lämpövirtalevyä sekä suoja- 3.2). Lämpövirtalevyt kuori. Mitattava kappale asetetaan ylä- ja alalevyn väliin (kuva ovat ylälevyn ja koekappaleen sekä vastaavasti alalevyn ja koekappaleen välissä, yleen-

24 sä kiinteästi ylä- ja alalevyihin laminoituina. Ylä- ja alalevyjen lämpötilat säädetään eri suuruisiksi, jolloin niiden välille muodostuu lämpötilagradientti. Tämä aiheuttaa ylä- ja alalevyn välille lämpövirran, jonka suuruus mitataan lämpövirtalevyillä. Lämpötilat mitataan ylä- ja alalevyihin laminoiduilla antureilla. Menetelmä on standardoitu (ISO 8301:1991, ASTM C518:1998). Lämpövirtalevylaitteen levyt ovat yhdensuuntaiset, lämpöhäviöt ympäristöön pyritään eliminoimaan ja mittaustulos ilmoitetaan stationääritilassa. Tällöin lämpövirta voidaan olettaa yksiulotteiseksi ja lämmönjohtavuus λ voidaan laskea yhtälöstä λ = q d T (3.4) missä d T = T 1 T 2 koekappaleen paksuus (m) koekappaleen ylä- ja alapinnan välinen lämpötilaero (K) Koska laitteessa on kaksi lämpövirtalevyä, saadaan tuloksena kaksi lämmönjohtavuu- lämpötilas- den arvoa. Koekappaleen lämmönjohtavuus ilmoitetaan näiden keskiarvona sa T m, joka on koekappaleen ylä- ja alapintojen lämpötilojen keskiarvo. Lämpövirtalevylaitteessa on edellä mainittujen pääosien lisäksi lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmät, joihin kuuluu mahdollisesti ulkoinen jäähdytin tai muuten järjestetty vesikierto. Osa järjestelmistä on asennettu ylä- ja alalevyihin, joihin on laminoitu myös ter- tms. lämpötila-anturit koekappaleen pintojen lämpötilojen molangat mittaamiseksi. Lämpövirtalevylaitteet soveltuvat erityisesti eristemateriaalien mittaamiseen. Hieman suuremman lämmönjohtavuuden omaavien materiaalien, kuten rakennuslevyjen ja kevytbetonin, mittaaminen onnistuu erityisjärjestelyin. Laitteet soveltuvat niin tuotekehityksen, laadunvalvonnan kuin tutkimuksenkin tarpeisiin. d T 1 T2 q Ylälevy Lämpövirtalevy Koekappale Lämpövirtalevy Alalevy Kuva 3.2 Lämpövirtalevylaitteen periaate. 3.1.4 Lämpövirtalevylaitteen kalibrointi Lämpövirran tiheyden ja lämpövirtalevyyn muodostuvan termojännitteen välinen yhteys on periaatteessa mahdollista laskea, kun lämpövirtalevyn kaikkien materiaalien ominaisuudet tunnetaan. Käytännössä se kuitenkin määritetään kalibroimalla. Kalibrointi ta-

25 pahtuu mita tun lämpötilagradientin sekä tunnetun lämmönjohtavuuden omaavan kappaleen avulla. Lämpövirtalevylaitetta kalibroitaessa kalibrointikappale asetetaan laitteen levyjen väliin ja levyjen välille säädetään haluttu lämpötilaero. Tällöin lämpövirran tiheys lasketaan yhtälöstä q = -(λ k T) / d (3.5) missä λ k d kalibrointikappaleen lämmönjohtavuus (W/(m K)) kalibrointikappaleen paksuus (m) Kun yhtälöön 3.3 sijoitetaan yhtälöstä 3.5 laskettu lämpövirran tiheyden arvo, saadaan µ S = -(λ k T) / d (3.6) Kalibrointikerroin saadaan yhtälöstä S λk T = d µ (3.7) Kalibrointikertoimet lasketaan erikseen kummallekin lämpövirtalevylle. Kalibrointiin tarvitaan materiaalikappale, jonka lämmönjohtavuus on määritetty absoluuttiseen menetelmään perustuvalla laitteella (Guarder hot plate laite). Absoluuttista menetelmää käytettäessä lämmönjohtavuuden laskenta tapahtuu suoraan mitattujen suu- avulla (ISO 8302 reiden 1991). Nykyinen eurooppalainen vertailutaso on määritetty IRMM:n (Institute of Reference Materials and Measurements, Belgia) toimesta. Lämpövirtalevylaitteille soveltuva vertailumateriaali on mineraalivillatyyppi IRMM-440, jonka lämmönjohtavuus on määritetty useissa eurooppalaisissa tutkimuslaitoksissa suoritettujen mittausten perusteella. Yhdysvalloissa vastaavanlaisen materiaalin lämmönjohtavuuden on määrittänyt NIST (National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland). Eri kalibrointimateriaalien käyttö aiheuttaa laitteiden mittaustasoihin eron, joka näkyy testattaessa sama kappale eri referenssimateriaalien avulla kalibroiduilla laitteilla. 3.1.5 Koekappaleen ja levyjen välinen kontakti Kovilla materiaaleilla (tiili, erilaiset betonit, lasi ym.) saattaa koekappaleen pinnan pienikin epätasaisuus aiheuttaa puutteellisen kontaktin kappaleen ja laitteen välille (kuva 3.3).

26 Kuva 3.3 Huonon mekaanisen kontaktin vaikutus lämpövirtaan (Tye 1969). Edellä olevien yhtälöiden lämpötilat T 1 ja T 2 tarkoittavat nimenomaan koekappaleen pinnan lämpötiloja. Lämpövirtalevylaitteen lämpötila-anturit sijaitsevat kuitenkin itse laitteessa, toisin sanoen ne mittaavat levyjen lämpötilaa. Mikäli mitattava kappale on tiiviisti levyjä vasten, vastaavat niiden lämpötilat koekappaleen pintalämpötiloja. Mikäli kappaleen ja levyjen väliin jää pienikin ilmarako, on tilanne toinen. Tällöin lämpö ei siirry levyn ja kappaleen välillä johtumalla, lukuun ottamatta satunnaisia kosketuskohtia sekä ilmassa tapahtuvaa johtumista. Ilmaraon eristävän vaikutuksen vuoksi koekappa- leen pintalämpötilojen erotus on pienempi kuin laitteen pintalämpötilojen ero, jolloin lämmönjohtavuudelle saadaan todellista pienempi arvo. Eristemateriaalien tapauksessa asia ei ole ongelma, koska ilmakerroksen ja itse materiaalin lämmönjohtavuudet ovat lähellä toisiaan. Suuremman lämmönjohtavuuden omaavilla kappaleilla tilanne on toinen. Ilmiö voidaan eliminoida mittaamalla koekappaleen pintalämpötilat termolangoilla (kuva 3.6). Termolanka koostuu kahdesta rinnakkaisesta, eri metalleista valmistetusta johtimesta, joiden päät on kiinnitetty toisiinsa. Kiinnityskohtaan muodostuu jännite, joka on verrannollinen kiinnityskohdan lämpötilaan. Menetelmää käytetään laajalti tutkimuskäytössä. Jännitteen mittauksessa tarvitaan laadukas jännitemittari tai dataloggeri, koska pienikin epätarkkuus lämpötilan mittauksessa aiheuttaa epävarmuutta tulokseen. Termolangat kiinnitetään joko suoraan kappaleen pintaan tai 0,5 1 mm syvyisiin kuoppiin. Koekappaleen ja levyjen väliin asetetaan 2 3 mm vahvuinen solumuovikappale tai muu pehmike, jolloin termolangat saadaan vietyä laitteen ulkopuolelle ja edelleen mittariin / dataloggeriin. Jännitemittari/ loggeri Ylälevy Koekappale Alalevy Termolangat Solumuovikaista tms. Kuva 3.4 Termolankojen käyttö lämmönjohtavuuden mittauksessa.

27 Termolankoja kannattaa asentaa ainakin kolme kappaletta koekappaleen kummallekin puolelle. Lämpötila-arvot luetaan lämpövirtojen tasoittumisen jälkeen. Lämmönjohtavuuden laskemista varten määritetään kummankin puolen lukemien keskiarvo. Koekappaleen paksuus mitataan työntömitalla tai mikrometriruuvilla. Mikäli termolangat on asennettu kuoppiin, käytetään koekappaleen paksuutena kuoppien keskikohtien välimatkaa, eli koekappaleen paksuudesta vähennetään puolet kuoppien yhteenlasketusta syvyydestä. Lämpövirran tiheydet q luetaan tietokoneen tai lämpövirtalevylaitteen näytöltä. Mikäli näkyviin saadaan vain lämpövirtalevyjen jännite µ (V, mv tai µv), luetaan tätä vastaava kalibrointikerroin S laitteen muistista tai tiedostosta. Käytetty ka- valitaan levylämpötilan perusteella, ei siis termolankojen näyttämän librointikerroin mukaan. Lämmönjohtavuus koekappaleen pinnassa i saadaan yhtälöstä Si µ i d qi d λ i = = (3.8) T T T T i j i j missä S i kalibrointikerroin (-) µ i lämpövirtalevyn termojännite (V) d kappaleen paksuus (m) q i lämpövirran tiheys (W/m 2 ) T i ja T j termolangoilla mitattujen koekappaleen pintojen lämpötilojen keskiarvot (K) Keskimääräinen lämmönjohtavuus lasketaan ylä- ja alapintojen keskiarvona. Levylämpötilojen eroksi kannattaa säätää yli 20 C, koska koekappaleen ja levyn väliset tilkkeet pienentävät koekappaleen läpi siirtyvää lämpövirtaa. Tällöin itse kappaleen ylä- ja ala- lämpötilaero on levylämpötilojen eroa selvästi pienempi. Sopivat säätöarvot pintojen löytyvät viime kädessä kokeilemalla. 3.1.6 Kosteuden vaikutus Erityisesti rakennusalan sovelluksia varten on tarpeellista tietää kostean materiaalin lämm önjohtavuus. Kosteuden käyttäytyminen materiaalissa aiheuttaa kuitenkin ongelpintojen välille syntyy myös vesihöyrypitoisuusero. Vesihöyrypitoisuusero syntyy pin- mia mittauksen suorituksessa. Kun materiaalin pintojen välille asetetaan lämpötilaero, tojen välille seuraavan prosessin seurauksena: Ensinnäkin lämpötilan laskiessa materi- kohti kylmempää pintaa, aalin huokosilman suhteellinen kosteus pyrkii nousemaan. Koska materiaalin kosteuspitoisuus riippuu suhteellisesta kosteudesta, materiaali pyrkii sitomaan lisää kosteutta itseensä huokosilmasta. Tällöin huokosilman vesihöyrypitoisuus laskee kylmemmän pinnan lähellä. Vesihöyrypitoisuuseron seurauksena hygroskooppisesti sitoutunut vesi höyrystyy lämpimällä puolella ja siirtyy diffuusiolla missä

28 vesihöyryn osapaine on pienempi. Vesihöyryn siirtymistä tapahtuu niin kauan, kunnes huokosilman vesihöyrypitoisuus on asettunut koko materiaalissa uuteen tasapainoarvoon (ks. kuva 3.5). Rakennusmateriaalin todellinen lämmönjohtavuus saadaan selville vasta sitten, kun tämä kosteuden tasoittumisprosessi on päättynyt. Tasoittumisaika on sitä pidempi mitä hygroskooppisempi tutkittava materiaali on. ALKUTILANNE TASOITTUMISVAIHE LOPPUTILANNE Lämmin Kylmä t +20 C +20 C +20 C +10 C 0 C ν k 17,3 g/m 3 17,3 g/m 3 17,3 g/m 3 ν 11,2 g/m 3 4,9 g/m 3 Diffuusio ~ 4,0 g/m 3 ϕ 65 % RH ~ 80 % RH ~ 20 % RH ~ 50 % RH t = lämpötila ν k = vesihöyryn kyllästyskosteus huokosilmassa ν = vesihöyrypitoisuus huokosilmassa ϕ = huokosilman suhteellinen kosteus Kuva 3.5 Periaatekuva lämpötila- ja kosteusolosuhteiden muutoksista materiaalikappaleessa lämmönjohtavuuskokeen aikana. Kuvasta 3.5 huomataan myös, että koekappaleen huokosilman keskimääräinen suhteellinen kosteus muuttuu tasapainotilassa, kun koekappaleen pintojen välillä vallitsee lämpötilaero. Tässä tutkimuksessa koetuloksissa annetut suhteelliset kosteudet ovat ennen lämmönjohtavuuskoetta koekappaleiden ilmastoinnissa käytetyn suhteellisen kosteuden arvoja 20 C lämpötilassa. Korkeassa suhteellisessa kosteudessa ilmastoidun materiaalin sisältämä kosteusmäärä synnyttää huokosilmaan jonkin verran pienemmän keskimääräisen suhteellisen kosteuden lämpötilaeron vaikutuksesta (ks. kuva 3.5). Tämä johtuu siitä, että samansuuruinen huokosilman suhteellisen kosteuden muutos edellyttää suuremman kosteusmäärän sitoupuoleinen huokosilman RH nousee vähemmän kuin lämpimän pinnan RH laskee. Myös tumista materiaaliin korkeammassa RH:ssa kuin matalammassa. Tällöin kylmän pinnan materiaalin tasapainokosteuden hystereesi ja tasapainokosteuden muutos lämpötilan funktiona (ks. kuva 4.19) vaikuttavat tähän asiaan. Huokosilman suhteellisen kosteuden muutos koetilanteen lämpötilakentässä voidaan ottaa huomioon määrittämällä laskentaa varten materiaalien lämmönjohtavuudet kosteuspitoisuuden funktiona. Myös monissa HAM-ohjelmissa on mahdollista syöttää läm-

29 mönjohtavuuden arvot kosteuspitoisuuden funktiona materiaalitietokantaan. Tässä tutkimuksessa saadut lämmönjohtavuuden arvot voidaan esittää kosteuspitoisuuden funktiona korvaamalla suhteellisen kosteuden arvot ko. materiaalin adsorptiokäyrästä saatavilla kosteuspitoisuuden arvoilla (ks. luku 4.4). Jos koekappale ilmastoidaan ennen koetta korkeassa suhteellisessa kosteudessa (> 80 % RH), voi käydä niin, että osa materiaalin sisältämästä kosteudesta kondensoituu kylmään pintaan. Kondenssi syntyy, mikäli vesihöyrypitoisuus kylmän levyn pinnassa saavuttaa kyllästyskosteuspitoisuuden. Kylmän levyn pintaan syntyy kondenssia varsinkin silloin, kun lämmönjohtavuuskoe tehdään esisäilytysolosuhteita alhaisemmassa keski- lämpötilassa. Kondenssin seurauksena osa kosteudesta poistuu materiaalista, jolloin materiaalikappale kuivuu alkutilanteeseen verrattuna. Tällöin korkeissa kosteuspitoisuuksissa määritetyt lämmönjohtavuusarvot ovat todellista pienempiä (ks. luku 3.5). Suomessa rakennusmateriaalien lämmönjohtavuus on määritetty standardikokeessa +10 C keskilämpötilassa 20 C lämpötilaerolla. Ennen koetta koekappale on ilmastoitu 20 C lämpötilassa 65 % RH:ta vastaavaan kosteuspitoisuuteen. Näissä olosuhteissa raken- sisältämä kosteus ei vielä merkittävästi kondensoidu kylmän levyn pin- nusmateriaalien taan. Kokeesta saatavaan lämmönjohtavuuden arvoon vaikuttaa ratkaisevasti myös lämpövirran suunta (Sandberg 1992, Langlais 1994). Mikäli ylälevy on kylmä, saattaa sen pintaan kertynyt kosteus pisaroitua ja esim. pehmeän eristemateriaalin kyseessä ollessa valua alaspäin. Tämän jälkeen se siirtyy jälleen vesihöyrynä kylmän levyn pintaan, valuu nestemäisenä takaisin jne. Tällöin tapahtuvat faasimuutokset aiheuttavat lisäyksen lämpövirtaan ja edelleen laskennalliseen lämmönjohtavuuden arvoon. Mikäli alalevy valitaan kylmäksi levyksi, aiheutuu kosteuden kiertoa ainoastaan, mikäli mitattava ma- on kapillaarista ja kosteus voi imeytyä ylöspäin. Tällöinkin lisäys lämpövirtaan teriaali jää pienemmäksi kuin kylmän ylälevyn tapauksessa. Esimerkiksi Ruotsissa käytetään lämmöneristeiden tyyppihyväksyntä- ja laadunvalvontamittauksissa alalevyä kylmänä levynä (Jonsson 1993). Edellä mainitusta seuraa, että yksiselitteisten tulosten saamiseksi lämpövirtalevylaitteella, sekä muilla termiseen jatkuvuustilaan perustuvilla laitteilla, tulee lämpövirran suunta ilmoittaa. 3.1.7 Lämpösäteily Lämmön siirtymistavoista konvektiosta, johtumisesta ja säteilystä säteilyn vaikutus pyritään eliminoimaan lämmönjohtavuusmittauksissa. Mineraalivillassa sen vaikutus kuitenkin saattaa olla huomattava vielä usean sentin paksuisilla koekappaleilla. Näin ollen sellaisista materiaaleista, joissa säteilyvaikutus saattaa olla merkittävä, tulee aina

30 valmistaa kyllin paksu koekappale. Joissakin tapauksessa on käytetty kahta päällekkäistä koekappaletta, joiden väliin on asetettu alumiinifolio heijastamaan säteily takaisin. 3.2 Lämmönjohtavuuden mittauslaitteisto Lämmönjohtavuuden mittaukset suoritettiin LaserComp FOX304 -merkkisellä lämpövirtalevylaitteella (kuva 3.5). Laitteen valmistaja on LaserComp Inc., Saugus, Mas- standardien ISO 8301 (1991) sekä ASTM C518 (1998) sachusetts, USA. Laite täyttää vaatimukset. Laitteen mittaustarkkuus (sisäinen tarkkuus) on ± 1 %, mutta kalibroinnin epävarmuuden vuoksi absoluuttinen tarkkuus on ± 3 %. Kuva 3.5 Lämmönjohtavuuden mittauslaitteisto. Varsinainen lämpövirtalevylaite keskimmäisellä hyllyllä ja sen alapuolella lisäjäähdytin. Lämpövirtalevylaite kalibroitiin ennen mittauksia mineraalivillalevyllä, jonka lämmönjohtavuuden LaserComp Inc. on mitannut. Kalibrointi on jäljitettävissä National Institute of Technology:n standardireferenssimateriaaliin 1450b (ks. kappale 3.1.4). 3.3 Mittausjärjestelyt Kustakin materiaalista mitattiin kolme koekappaletta. Koekappaleiden koko oli 300 300 mm 2 ja paksuus sama kuin tuotteiden nimellispaksuus, paitsi lämmöneristeillä, joiden paksuudeksi valittiin 50 mm. Kappaleita säilytettiin olosuhdehuoneissa noin 20 C lämpötilassa, kunnes ne saavuttivat halutun tasapainokosteuden. Kosteushuoneiden olosuhteiden säätöä ja mittausta on esitelty tarkemmin luvussa 4. Kukin materiaali mitattiin kuivana sekä 33, 65, 86 ja 97 %:n suhteellisessa kosteudessa ilmastoituna. Koekappa-

31 leet käärittiin ohueen muovikelmuun mittauksen ajaksi, jolloin kappaleisiin sitoutunut kosteus ei päässyt haihtumaan pois materiaalista kokeen aikana. Koekappaleiden keskilämpötiloina käytettiin 10, 0, 10 ja 20 C. Koekappaleet olivat vaakasuorassa. Lämpövirran suunta oli ylhäältä alaspäin lukuun ottamatta eräitä mine- mittaustu- raalivillojen mittauksia. Tällä ei kuitenkaan ollut vaikutusta mineraalivillojen loksiin, koska ne eivät sido merkittävästi kosteutta itseensä (ks. luku 3.5). Kipsilevyä ja vaneria mitattaessa kiinnitettiin koekappaleiden ylä- ja alapintoihin termolangat (kappale 3.1.5). Irtoeristeet (Ekovilla, sahanpuru, kutterinlastu sekä sahanpurun ja kutterinlastun sekoitus) mitattiin sullomalla ne käsin polyuretaanilevystä tehtyyn koemuottiin, jonka pohjana oli ohut muovikalvo. Koska lämpövirtalevyt mittaavat lämmönjohtavuutta laitteen keskiosasta 100 100 mm 2 suuruiselta alalta, reunukset eivät vaikuttaneet mittaustuloksiin. Ekovillalle tehtiin lämmönjohtavuuskokeet käyttäen kahta n imellistiheyttä (40 ja 60 kg/m 3 ). Lisäksi tarkasteltiin eri asennustapojen vaikutusta Ekovillan lämmönjohtavuuden arvoihin. Tätä varten tehtiin vertailukokeita, joissa puukuitueriste kuivapuhallettiin koemuotteihin. Kuivapuhallettujen koekappaleiden tavoitetiheys oli 40 kg/m 3. 3.4 Tulokset Lämmönjohtavuuskokeiden tulokset on esitetty lämpötilan funktiona kuvissa 3.6 3.15 sekä koekappaleiden ilmastoinnissa käytetyn suhteellisen kosteuden funktiona kuvissa 3.16 3.23. Tulokset ovat myös taulukoituna liitteessä 1. Kipsilevyn (A1) ja vanerin (A11) lämmönjohtavuus on esitetty yksinomaan taulukoissa, koska niiden lämmönjohtavuus on selvästi muita mitattuja materiaaleja korkeampi.

32 Kuivattujen materiaalien lämmönjohtavuuksia 0.05 A2 Runkoleijona 25 mm Lämönjohtavuus (W/(m K)) 0.045 0.04 0.035 0.03 0.025-10 -5 0 5 10 15 20 Lämpötila ( o C) A3 Isover RKL 30 mm A4 Isover RKL-EJ 25 mm A5 Runkolevy TSL 30 mm A6 Isorunkolevy IRL 30 mm A7 Vital-tuulensuojalevy 25 mm A13 Tuulileijona 12 mm Kuva 3.6 na. Kuivattujen tuulensuojalevyjen ja villojen lämmönjohtavuuksia keskilämpötilan funktio- Kuivattujen materiaalien lämmönjohtavuuksia 0.06 D1 Isover KL-C 50 mm Lämmönjohtavuus (W/(m K)) 0.055 0.05 0.045 0.04 0.035 0.03-10 -5 0 5 10 15 20 Lämpötila ( o C) D2 Isolevy IL 50 mm D3 Vital-puukuitueriste 50 mm D4 Ekovilla 50 mm (26 kg/m3, puhallettu) D4 Ekovilla 50 mm (37 kg/m3) D4a Ekovilla 50 mm (60 kg/m3) D5 Pellavaeriste T3 50 mm D6 Sahanpuru 50 mm (168 kg/m3) D7 Kutterinlastu 50 mm (130 kg/m3) D67 Sahanp.+kutterinl. 1:1 50 mm Kuva 3.7 Kuivattujen lämmöneristeiden lämmönjohtavuuksia keskilämpötilan funktiona.

33 33 % RH:ssa ilmastoitujen materiaalien kosteuspitoisuuksia Lämmönjohtavuus (W/(m K)) 0.055 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 A2 Runkoleijona 25 mm A3 Isover RKL 30 mm A4 Isover RKL-EJ 25 mm A5 Runkolevy TSL 30 mm A6 Isorunkolevy IRL 30 mm A7 Vital-tuulensuojalevy 25 mm A13 Tuulileijona 12 mm 0.025-10 -5 0 5 10 15 20 Lämpötila ( o C) Kuva 3.8 Tuulensuojalevyjen ja villojen lämmönjohtavuuksia keskilämpötilan funktiona. 33 % RH:ssa ilmastoitujen materiaalien lämmönjohtavuuksia Lämmönjohtavuus (W/(m K)) 0.060 0.055 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030-10 -5 0 5 10 15 20 Lämpötila ( o C) D1 Isover KL-C 50 mm D2 Isolevy IL 50 mm D3 Vital-puukuitueriste 50 mm D4 Ekovilla 50 mm (26 kg/m3, puhallettu) D4 Ekovilla 50 mm (37 kg/m3) D4a Ekovilla 50 mm (60 kg/m3) D5 Pellavaeriste T3 50 mm D6 Sahanpuru 50 mm (168 kg/m3) D7 Kutterinlastu 50 mm (130 kg/m3) D67 Sahanp.+kutterinl. 1:1 50 mm Kuva 3.9 Lämmöneristeiden lämmönjohtavuuksia keskilämpötilan funktiona.

34 65 % RH:ssa ilmastoitujen materiaalien lämmönjohtavuuksia Lämmönjohtavuus (W/(m K)) 0.055 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030 A2 Runkoleijona 25 mm A3 Isover RKL 30 mm A4 Isover RKL-EJ 25 mm A5 Runkolevy TSL 30 mm A6 Isorunkolevy IRL 30 mm A7 Vital-tuulensuojalevy 25 mm A13 Tuulileijona 12 mm 0.025-10 -5 0 5 10 15 20 Lämpötila ( o C) Kuva 3.10 Tuulensuojalevyjen ja villojen lämmönjohtavuuksia keskilämpötilan funktiona. 65 % RH:sa ilmastoitujen materiaalien lämmönjohtavuuksia Lämmönjohtavuus (W/(m K)) 0.060 0.055 0.050 0.045 0.040 0.035 0.030-10 -5 0 5 10 15 20 Lämpötila ( o C) D1 Isover KL-C 50 mm D2 Isolevy IL 50 mm D3 Vital-puukuitueriste 50 mm D4 Ekovilla 50 mm (26 kg/m3, puhallettu) D4 Ekovilla 50 mm (37 kg/m3) D4a Ekovilla 50 mm (60 kg/m3) D5 Pellavaeriste T3 50 mm D6 Sahanpuru 50 mm (168 kg/m3) D7 Kutterinlastu 50 mm (130 kg/m3) D67 Sahanp.+kutterinl. 1:1 50 mm Kuva 3.11 Lämmöneristeiden lämmönjohtavuuksia keskilämpötilan funktiona.