Salztransportmodellierung

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Autor: Dr. Andreas Nicolai
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Einführung

Der Transport von Salzen in porösen Materialien (Baustoffen, Natursteinen, Böden, etc.) hängt von vielen Faktoren ab. Die Art und Zusammensetzung des Salzes und dessen Verteilung, die Feuchteverteilung im Material, Temperaturen und Umgebungsbedingungen im Allgemeinen und natürlich auch die mikroskopische Struktur des Materials beeinflussen die zeitliche Veränderung der Salzverteilung und das Auftreten von Schäden.

Im Labor können häufig nur bestimmte Kombinationen von Materialien, Salzgemischen und Umgebungsbedingungen messtechnisch erfasst werden (übliche Laborexperimente zur Bestimmung von Salztransporteigenschaften sind an Abschnitt "Experimentelle Kalibrierung von Salztransportparametern" erläutert). Eine Übertragung solcher empirischer Messergebnisse auf die vielfältigen Fälle und Schadensszenarien in der Praxis ist zumeist nur in Spezialfällen möglich.

Alternativ können Transportmodelle verwendet werden, die die physikalisch-chemischen Zusammenhänge realitätsnah abbilden und so rechnerische Vorhersagen über den zeitlichen Verlauf der Salzverteilung, Salzakkumulation und Materialschädigung liefern. Dieser Artikel und die hier referenzierten Artikel sollen einen Überblick über den aktuellen Stand der Forschung im Bereich der Salztransportmodellierung geben.

Für die im folgenden vorgestellten Modelle wird eine eigene Notation und Symbolik für Salztransportmodelle verwendet, da die in den Normen und einschlägiger Literatur verwendete Nomenklatur nicht ausreichend ist.

Grundlegende Aspekte der Salztransportmodellierung

Salztransportmodelle müssen aufgrund der Komplexität der beschriebenen Prozesse eine Reihe von Effekten beschreiben, unter anderem:

  • Feuchtetransport- und Feuchtespeicherung
  • Wärmeübertragung durch Wärmeleitung und Strahlung
  • Enthalpietransport, z.B. latente Wärme zur Beschreibung von Verdunstungskühlung
  • Salzphasenumwandlungsgleichgewichte und Phasenumwandlungskinetik
  • Salzdiffusion und -dispersion
  • EffloreszenzSalzausblühung (Entfernung von Salz aus Berechnungsdomäne)
  • Veränderung des Porenraums durch Kristallisation und resultierende Rückwirkung auf Feuchte- und Salztranport

Da die gekoppelte Wärme- und Feuchtetransportmodellierung die Grundlage für Salztransportmodelle darstellt, soll zunächst ein Überblick über den Stand der Forschung auf dem Gebiet der Feuchtetransportmodellierung gegeben werden. Das hier dargestellte Modell entspricht im Wesentlichen dem im HAMSTAD Projekt gemeinschaftlich definierten Transportmodell [Hagentoft.etal:2004]Titel: Assessment Method of Numerical Prediction Models for Combined Heat, Air and Moisture Transfer in Building Components: Benchmarks for One-dimensional Cases
Autor / Verfasser: Hagentoft, Carl-Eric; Kalagasidis, Angela Sasic; Adl-Zarrabi, Bijan; Roels, Staf; Carmeliet, Jan; Hens ,Hugo; Grunewald, John; Max Funk; Rachel Becker; Dina Shamir; Olaf Adan; Harold Brocken; Kumar Kumaran; Reda Djebbar
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Feuchtetransportmodellierung

Wasser ist das Transportmedium für Salz. In einem trockenen Material ist Salz immobil. Erst die Mobilisierung des Salzes durch eindringende Feuchte und Anreicherung von Salz bei Verdunstung des Wassers an anderer Stelle im porösen Baustoff führt zur Schädigung. Daher ist ein detailliertes Feuchtetransportmodell eine primäre Voraussetzung für jedes Salztransportmodell.

Feuchtetransportmodelle beschreiben einerseits die unterschiedlichen Transportprozesse für Feuchte im porösen Medium, als auch die Feuchtespeicherung und damit den Zusammenhang zwischen Erhaltungsgrößen (Feuchtegehalt, Feuchtemasse) und einer intrinsischen thermodynamischen Zustandsgröße (Kapillardruck, relative Luftfeuchtigkeit, etc.).

Grundlegende Transportmechanismen für Baufeuchte

Baustoffe, Natursteine und allgemein poröse Materialien können Feuchte in Form von Dampf und Flüssigwasser aufnehmen. Entsprechend werden die Transportmechanismen für flüssiges Wasser und Wasserdampf unterschieden:

  • Wasserdampfdiffusion
  • Konvektion von Dampf in strömender Luft
  • Flüssigwasserleitung induziert durch Unterschiede im Flüssigwasserdruck

Diese Transportmechanismen sind im Artikel "Mechanismen des Feuchtetransports" beschrieben.

Zusammenhänge zwischen treibenden Kräften und Feuchtegehalt

Der Zusammenhang zwischen einer volumen- bzw. massenbezogenen Größe wie dem Feuchtegehalt und einer intrinsischen (d.h. volumenunabhängigen) Größe wie der relativen Luftfeuchte oder dem Kapillardruck wird durch Feuchtespeicherfunktionen hergestellt. Dabei wird üblicherweise zwischen

  • der SorptionsisothermeBeschreiben das Sorptionsverhalten eines Stoffes bei konstanter Temperatur., und
  • der Feuchtespeicherfunktion (MRC)

unterschieden.

Die SorptionsisothermeBeschreiben das Sorptionsverhalten eines Stoffes bei konstanter Temperatur. ist üblicherweise für Standardbedingungen und damit konstanter Temperatur definiert (daher die Bezeichnung als Isotherme) und stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und der relativen Luftfeuchte \phi her. Die Feuchtespeicherfunktion stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und Kapillardruck p_c her.

Der Feuchtegehalt kann als Feuchtemasse pro Volumen Material bzw. als Feuchtemassendichte \rho^{m_{w+v}} angegeben werden. Alternativ kann auch das Wasservolumen pro Volumen Material bzw. der Feuchtegehalt \theta_\ell verwendet werden.

Die relative Luftfeuchte und der Kapillardruck stehen (im salzfreien! Material) in einem definierten Zusammenhang, welcher durch die Kelvin-Gleichung

\ln  \phi = \frac{p_c}{\rho_w R_v T}

ausgedrückt wird. Der Kapillardruck ist hier als negativer Druck definiert, im Gegensatz zur Saugspannung, welche als negativer Kapillardruck definiert ist.

Der Artikel "Feuchtespeicherung in porösen Materialien" erläutert diese Gleichgewichtszusammenhänge.

Phasenumwandlungspozesse (ohne Salz)

Auch ohne Präsenz von Salz im porösen Material müssen die Phasenumwandlungen

  • Verdunstung,
  • Kondensation,
  • Gefrieren und
  • Schmelzen

im Porensystem berücksichtigt werden. Kritisch sind jeweils die beteiligten Phasenumwandlungsenthalpien.

Der Artikel "Modellierung der Phasenumwandlungen zwischen Eis, Wasser und Wasserdampf" diskutiert übliche Ansätze in gekoppelten hygrothermischen Transportmodellen.

Bilanzgleichungen

Nachdem die einzelnen für Feuchtetransport- und -speicherung relevanten Prozesse diskutiert und erläutert wurden, können diese in einer Bilanzgleichung bzw. Feuchtemassenerhaltungsgleichung zusammengefasst werden.

Die allgemeine Formulierung der Bilanzgleichungungen für die Feuchte- und Eismassen (bei kinetischer Beschreibung der Eisbildung) lautet:

\frac{\partial \rho^{m_{w+v}} }{\partial t} &= - \nabla \left( j^{m_{w}} + j^{m_{v}}_{dif\!f} + j^{m_{v}}_{conv} \right) - \sigma_{w \rightarrow \text{ice}}



\frac{\partial \rho^{m_{\text{ice}}} }{\partial t} &=  \sigma_{w \rightarrow \text{ice}}



Ist die Kristallisation von Eis nicht von Interesse, kann die zweite Bilanzgleichung und der Phasenumwandlungsterm \sigma_{w \rightarrow \text{ice}} ignoriert werden. Die Beschreibung des Feuchtetransports als isothermer Prozess ist jedoch nur in den seltensten Fällen ausreichend, und für praktische Probleme, in denen Verdunstungskälte und Kondensationswärme wesentliche Prozesse sind, nicht anwendbar. Daher wird die Feuchtemassenbilanzgleichung durch die Energiebilanzgleichung komplettiert.

Wärmeleitung, Wärmetransport und Energiebilanz

Wärmespeicherung

Bei der Wärmespeicherung wird unterschieden zwischen:

  • sensibler Wärme, d.h. Wärme gespeichert in kinetischer Energie der Schwingungen von Atomen bzw. Bewegungsenergie von Molekülen
    Jedes Material hat eine spezifische Wärmekapazität, welche zusammen mit Dichte und Temperaturänderung die Änderung der gespeicherten sensiblen Wärme ergibt:  \Delta U = c_T \rho \Delta T
  • latenter Wärme, bzw. Phasenumwandlungsenthalpien
    Latente Wärme ist üblicherweise mit Bezug auf einen Aggregatzustand definiert, also zum Beispiel dem flüssigen Aggregatzustand von Wasser. Bei Erwärmung über den Siedepunkt nimmt Wasserdampf latente Wärme auf, welche bei Kondensation wieder frei wird. Analog wird beim Gefrieren latente Wärme frei, welche zum Schmelzen des Eises wieder zugeführt werden muss. Die latente Wärme ist im Vergleich zur sensiblen Wärme meist um einige Größenordnungen größer.
  • chemisch gebundener Wärme
    Diese Energie wird bei Reaktionsgleichungen, z.B. bei der Kristallisation oder beim Lösen von Salzen bilanziert.

Die gespeicherten Energien können bezogen auf eine Referenztemperatur T_{Ref} summiert werden und ergeben im Fall eines salzfreien Materials die Differenz der Energiedichte \rho^U - \rho^{U_{Ref}} :

\rho^U - \rho^{U_{Ref}} = \rho_b c_T \left(T - T_{Ref} \right) \\    + \quad \quad \rho^{m_v}   \left[  c_{T,v}  \left(T - T_{Ref} \right) + h_v\right]  \\+ \quad \quad \rho^{m_w} c_{T,w}  \left(T - T_{Ref} \right)  \\+ \quad \quad \rho^{m_\text{ice}}  \left[  c_{T,\text{ice}}  \left(T - T_{Ref}  \right) - h_{\text{ice}}  \right] 

Vereinfachend kann man die Energiedichte \rho^U als Differenzwert auffassen, und damit die explizite Angabe der Referenztemperatur weglassen.

\rho^U = \rho_b c_T T + \rho^{m_v}   \left(  c_{T,v}  T + h_v \right)  + \rho^{m_w} c_{T,w}  T + \rho^{m_\text{ice}}  \left(  c_{T,\text{ice}}  T - h_{\text{ice}}  \right) 

Die Referenzphase ist hier die Flüssigphase, sodass dem Wasserdampf die Phasenumwandlungsenthalpie zugeschlagen, und Eis die entsprechende Enthalpie abgezogen wird. Der erste Term der summierten Energiedichte ist die in der Materialmatrix gespeicherte Energie.

Erläuterungsbeispiel

Betrachtet man die Gleichung für die Energiedichte, kann man folgendes Gedankenexperiment durchführen:

  • Ein Kontrollvolumen soll adiabat sein, so dass die Energiedichte konstant ist
  • Wasser soll verdampfen, sodass \Delta \rho^{m_v} = - \Delta \rho^{m_w} , welches zu einer kleineren Flüssigwasserdichte und größeren Dampfmassendichte führt
  • Würde nun die Energiedichtegleichung nach der Temperatur umgestellt werden, erhält man eine niedrigere Temperatur als vorher; die Abkühlung durch Verdunstung entspricht unserer Erwartung

Wärmetransportmechanismen

Verschiedene Mechanismen der Wärmeübertragung werden betrachtet:

  • Wärmeleitung
  • Wärmeübertragung durch kurzwellige/langwellige Strahlung (wobei die kurzwellige Strahlung nur bei der Beschreibung von Randbedingung von Bedeutung ist, innerhalb von Konstruktionen bzw. im Inneren von Gebäuden ist die langwellige Strahlung wichtig)
  • Konvektion von latenter und sensibler Wärme

Der Artikel "Mechanismen der Wärmeübertragung" diskutiert Modelle für die unterschiedlichen Wärmeübertragungsmechanismen, insbesondere Wärmeleitung j^Q , und Enthalpietransport h j^m der unterschiedlichen Komponenten.

Energiebilanzgleichung

Die Energiebilanzgleichung für die in einem salz-freien porösen Material gespeicherte Energie lautet:

\frac{\partial \rho^U }{\partial t} &= - \nabla \left( j^Q + h_w j^{m_{w}} + h_v j^{m_{v}}_{dif\!f} + h_v j^{m_{v}}_{conv} \right)

In der Energiebilanzgleichung ist kein Quellen- und Senkenterm für die Phasenumwandlungsenthalpien angegeben. Die Umwandlungsenthalpien werden in der Energiedichte berücksichtigt (siehe Abschnitt oben).

Die Enthalpie der trockenen Luft h_a \rho^{m_a} (trockene Luft = alle Komponenten der Gasphase außer Wasserdampf) ist sehr viel kleiner als die Enthalpie des Wasserdampfs, sodass sie üblicherweise vernachlässigt wird. In speziellen Anwendungen (z.B. Drucklufttrocknung von porösen Materialien) kann die Energiebilanzgleichung dann entsprechend erweitert werden. In typischen Anwendungsszenarien sind die Luftströmungsgeschwindigkeiten in porösen Stoffen jedoch vernachlässigbar, sodass auch h_v j^{m_{v}}_{conv} vernachlässigt werden kann.

Modellierung des Salztransports

Die in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen Modellansätze und Gleichungen gelten zunächst für salzfreie Materialien mit der zusätzlichen Einschränkung der unveränderlichen Materialstruktur. Wird nun Salz zusätzlich betrachtet, müssen zahlreiche Einflussfaktoren zusätzlich in das Modell integriert werden.

Transportmechanismen für Salze/Ionen und Modellansätze

Generell kann Salz nur bei Vorhandensein der Flüssigphase, d.h. kapillarem Wasser im Baustoff transportiert werden. Dabei wird zwischen DiffusionIst ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt. und Konvektion unterschieden.

  • DiffusionIst ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt. beschreibt den (massenzentrischen) Austauschprozess von Ionen
  • Konvektion beschreibt den Transport von gelösten Salzen zusammen mit der Flüssigphase

Bei der Konvektion von Salzlösung durch ein poröses Material kann es aufgrund von unterschiedlichen Strömungswegen durch das Porennetzwerk zu einem "Voraneilen" bzw. "Hinterherlaufen" der Konzentrationsfront in einzelnen Bereichen kommen. Die dadurch beobachtete Ausbreitung einer Konzentrationsfront, ähnlich eines Diffusionsprozesses, bezeichnet man als Dispersion. Der Effekt der Dispersion und DiffusionIst ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt. ist ähnlich, und bei Vorhandensein von Konvektion schwer zu trennen. Bei einer ruhenden Flüssigphase findet lediglich DiffusionIst ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt. statt.

Phasenumwandlungen

  • Kristallisation \sigma_{s\rightarrow p} und Auflösung \sigma_{p\rightarrow s}
  • Hydratation \sigma_{p \rightarrow p,\text{hyd}} und Dehydratation \sigma_{p,\text{hyd} \rightarrow p}
  • Deliqueszenz \sigma_{p\rightarrow s,\text{del}}

Die detaillierte Beschreibung der Phasenumwandlungsmodelle ist im Artikel "Modellierung der Phasenumwandlungsreaktionen von Salzen" beschrieben.

Salzeinfluss auf Feuchtespeicherung

Zu beschreiben:

  • gesteigerte hygroskopische Feuchteaufnahme bei Salzbelastung
  • Dampfdruckabsenkung, Wasseraktivität
  • Oberflächenspannung + Kelvin-Gleichung

Salzeinfluss auf Feuchtetransport

  • Viskosität
  • Dichteeinflüsse/Gravitationskräfte

Kristallisation in und außerhalb des Porensystems

  • Porenraumverengung durch Kristallisation, Rückwirkung auf Speicherfunktionen und Transportmechanismen
  • EffloreszenzSalzausblühung-Modelle

Literatur

[Hagentoft.etal:2004]Hagentoft, Carl-Eric; Kalagasidis, Angela Sasic; Adl-Zarrabi, Bijan; Roels, Staf; Carmeliet, Jan; Hens ,Hugo; Grunewald, John; Max Funk; Rachel Becker; Dina Shamir; Olaf Adan; Harold Brocken; Kumar Kumaran; Reda Djebbar (2004): Assessment Method of Numerical Prediction Models for Combined Heat, Air and Moisture Transfer in Building Components: Benchmarks for One-dimensional Cases. Journal of Thermal Envelope and Building Science, 27 (4), 327-352.Link zu Google Scholar
[Koniorczyk.etal:2008]Koniorczyk, Marcin; Gawin, Dariusz (2008): Heat and Moisture Transport in Porous Building Materials Containing Salt. Journal of Building Physics, 31 (4), 279-300.Link zu Google Scholar