Salztransportmodellierung: Unterschied zwischen den Versionen
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Die Sorptionsisotherme ist üblicherweise für Standardbedingungen und damit konstanter Temperatur definiert (daher die Bezeichnung als Isotherme) und stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt <math> | Die Sorptionsisotherme ist üblicherweise für Standardbedingungen und damit konstanter Temperatur definiert (daher die Bezeichnung als Isotherme) und stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und der relativer Luftfeuchte <math>\phi</math> her. Die Feuchtespeicherfunktion stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und Kapillardruck <math>p_c</math> her. | ||
Der Feuchtegehalt kann als Feuchtemasse pro Volumen Material bzw. als Feuchtemassendichte <math>\rho^{m_{w+v}}</math> angegeben werden. Alternativ kann auch das Wasservolumen pro Volumen Material bzw. der Feuchtegehalt <math>\theta_\ell</math> verwendet werden. | |||
Die relative Luftfeuchte und der Kapillardruck stehen (im ''salzfreien'' Material) in einem definierten Zusammenhang, welcher durch die Kelvin-Gleichung | Die relative Luftfeuchte und der Kapillardruck stehen (im ''salzfreien''! Material) in einem definierten Zusammenhang, welcher durch die Kelvin-Gleichung | ||
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\ln \phi = \frac{p_c}{\rho_w R_v T} | |||
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Version vom 22. Februar 2010, 14:35 Uhr
<bibimport/> Autor: Dr. Andreas Nicolai
Einführung[Bearbeiten]
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 Bestimmung und Kalibrierung von Parametern von Salztransportmodellen" 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.
Grundlegende Aspekte der Salztransportmodellierung[Bearbeiten]
Salztransportmodelle müssen aufgrund der Komplexität der beschriebenen Prozesse eine Reihe von Effekten beschreiben, unter anderem:
* Feuchtetransport- und Feuchtespeicherung
* Energietransport durch Wärmeleitung und Strahlung
* Enthalpietransport, z.B. latente Wärme zur Beschreibung von Verdunstungskühlung
* Salzphasenumwandlungsgleichgewichte und Phasenumwandlungskinetik
* Salzdiffusion und -dispersion
* Ausblühungen/Effloreszenz
* Veränderung des Porenraums durch Kristallisation und resultierende Rückwirkung auf Feuchte- und Salztranport
Feuchtetransportmodellierung[Bearbeiten]
Wasser ist das Transportmedium für Salz. In einem trockenen Material ist Salz immobil. Erst die Mobilisierung das 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 Feuchtetransportmodelle 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[Bearbeiten]
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: Modellansätze" beschrieben.
Zusammenhänge zwischen treibenden Kräften und Feuchtegehalt[Bearbeiten]
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 Sorptionsisotherme, und
- der Feuchtespeicherfunktion (MRC)
unterschieden.
Die Sorptionsisotherme ist üblicherweise für Standardbedingungen und damit konstanter Temperatur definiert (daher die Bezeichnung als Isotherme) und stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und der relativer Luftfeuchte her. Die Feuchtespeicherfunktion stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und Kapillardruck her.
Der Feuchtegehalt kann als Feuchtemasse pro Volumen Material bzw. als Feuchtemassendichte angegeben werden. Alternativ kann auch das Wasservolumen pro Volumen Material bzw. der Feuchtegehalt verwendet werden.
Die relative Luftfeuchte und der Kapillardruck stehen (im salzfreien! Material) in einem definierten Zusammenhang, welcher durch die Kelvin-Gleichung
Der Artikel "Feuchtespeicherung in porösen Materialien" erläutert diese Gleichgewichtszusammenhänge.
Phasenumwandlungspozesse (ohne Salz)[Bearbeiten]
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. Dabei ist die Beschreibung des Eisbildungsprozesses
Der Artikel "Modellierung der Phasenumwandlungen zwischen Eis, Wasser und Wasserdampf" diskutiert übliche Ansätze in gekoppelten hygrothermischen Transportmodellen.
Bilanzgleichungen[Bearbeiten]
Nachdem die einzelnen am Feuchtetransport Prozesse