Salztransportmodellierung: Unterschied zwischen den Versionen

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* [[Modellierung_Salztransport_Notation |Notation und Symbolik]]
* [[Modellierung_Salztransport_Experimente |Experimentelle Bestimmung und Kalibrierung von Parametern von Salztransportmodellen]]
* [[Modellierung_Salztransport_Feuchtetransport |Mechanismen des Feuchtetransports: Modellansätze]]
* [[Modellierung_Salztransport_Phasenumwandlung_Wasser |Modellierung der Phasenumwandlungen zwischen Eis, Wasser und Wasserdampf]]
* [[Modellierung_Salztransport_Wärmeübertragung |Mechanismen der Wärmeübertragung]]
* [[Modellierung_Salztransport_Phasenumwandlung_Salz|Modellierung der Phasenumwandlungsreaktionen von Salzen]]
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= Einführung =
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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.
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 "[[Modellierung_Salztransport_Experimente |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.  
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.
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 [[Modellierung_Salztransport_Notation |Notation und Symbolik]] verwendet, da die in den Normen und einschlägiger Literatur verwendete Nomenklatur nicht ausreichend ist.
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 =
= Grundlegende Aspekte der Salztransportmodellierung =
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* Veränderung des Porenraums durch Kristallisation und resultierende Rückwirkung auf Feuchte- und Salztranport
* 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 <bib id="Hagentoft et al:2004"/>
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 <!--<bib id="Hagentoft.etal:2004"/>
 
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= Feuchtetransportmodellierung =
= 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 Feuchtetransportmodelle eine primäre Voraussetzung für jedes Salztransportmodell.
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.).
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.).
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* Flüssigwasserleitung induziert durch Unterschiede im Flüssigwasserdruck
* Flüssigwasserleitung induziert durch Unterschiede im Flüssigwasserdruck


Diese Transportmechanismen sind im Artikel "[[Modellierung_Salztransport_Feuchtetransport |Mechanismen des Feuchtetransports: Modellansätze]]" beschrieben.
Diese Transportmechanismen sind im Artikel "[[Mechanismen des Feuchtetransports]]" beschrieben.


== Zusammenhänge zwischen treibenden Kräften und Feuchtegehalt ==
== Zusammenhänge zwischen treibenden Kräften und Feuchtegehalt ==
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unterschieden.
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 <math>\phi</math> her. Die Feuchtespeicherfunktion stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und Kapillardruck <math>p_c</math> her.
Die Sorptionsisotherme ist üblicherweise für Standardbedingungen und damit konstanter Temperatur definiert (daher die Bezeichnung als Isotherme) und stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und der relativen Luftfeuchte <!-- <math>\phi</math>--> <i>φ</i> her. Die Feuchtespeicherfunktion stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und Kapillardruck <!-- <math>p_c</math> --> <i>p</i><sub>c</sub> 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.
Der Feuchtegehalt kann als Feuchtemasse pro Volumen Material bzw. als Feuchtemassendichte <!-- <math>\rho^{m_{w+v}}</math>--> <i>&#961;<sup>m<sub>w+v</sub></sup></i> angegeben werden. Alternativ kann auch das Wasservolumen pro Volumen Material bzw. der Feuchtegehalt <i>θ</i><sub>ℓ</sub> <!--<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
  <math>
  <!-- <math>
\ln  \phi = -\frac{p_c}{\rho_w R_v T}
\ln  \phi = \frac{p_c}{\rho_w R_v T}  
</math>
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<i>&#13265;&#966;= <span class="frac"><sup>p<sub>c</sub></sup> <span>/</span> <sub>&#961;<sub>w</sub>R<sub>v</sub>T</sub></span></i>
 
ausgedrückt wird.  Der Kapillardruck ist hier als negativer Druck definiert, im Gegensatz zur Saugspannung, welche als negativer Kapillardruck definiert ist.
ausgedrückt wird.  Der Kapillardruck ist hier als negativer Druck definiert, im Gegensatz zur Saugspannung, welche als negativer Kapillardruck definiert ist.


Der Artikel "[[Modellierung_Salztransport_Feuchtespeicherung |Feuchtespeicherung in porösen Materialien]]" erläutert diese Gleichgewichtszusammenhänge.
Der Artikel "[[Feuchtespeicherung in porösen Materialien]]" erläutert diese Gleichgewichtszusammenhänge.


== Phasenumwandlungspozesse (ohne Salz) ==
== Phasenumwandlungspozesse (ohne Salz) ==
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* Verdunstung,
* Verdunstung,
* Kondensation,
* Kondensation,
* Gefrieren, und  
* Gefrieren und  
* Schmelzen
* Schmelzen
im Porensystem berücksichtigt werden. Kritisch sind jeweils die beteiligten Phasenumwandlungsenthalpien. Dabei ist die Beschreibung des Eisbildungsprozesses  
im Porensystem berücksichtigt werden. Kritisch sind jeweils die beteiligten Phasenumwandlungsenthalpien. <!--Dabei ist die Beschreibung des Eisbildungsprozesses -->


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


== Bilanzgleichungen ==
== Bilanzgleichungen ==


Nachdem die einzelnen für Feuchtetransport- und -speicherung relevanten Prozesse diskutiert und erläutert wurden, können diese in einer Bilanzgleichung bzw. Feuchtemassenerhaltungsgleichung zusammengefasst werden.
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:
Die allgemeine Formulierung der Bilanzgleichungungen für die Feuchte- und Eismassen (bei kinetischer Beschreibung der Eisbildung) lautet:  
  <math>
 
\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}}
  <math>\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}}</math>
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<math>\frac{\partial \rho^{m_{\text{ice}}} }{\partial t} &=  \sigma_{w \rightarrow \text{ice}}</math>


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


Ist die Kristallisation von Eis nicht von Interesse, kann die zweite Bilanzgleichung und der Phasenumwandlungsterm <math>\sigma_{w \rightarrow \text{ice}}</math> 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.
Ist die Kristallisation von Eis nicht von Interesse, kann die zweite Bilanzgleichung und der Phasenumwandlungsterm <math>\sigma_{w \rightarrow \text{ice}}</math> 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.
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Bei der Wärmespeicherung wird unterschieden zwischen:
Bei der Wärmespeicherung wird unterschieden zwischen:
* sensibler Wärme, d.h. Wärme gespeichert in kinetischer Energie der Schwingungen von Atomen bzw. Bewegungsenergie von Molekülen<br />Jedes Material hat eine spezifische Wärmekapazität, welche zusammen mit Dichte und Temperaturänderung die Änderung der gespeicherten sensiblen Wärme ergibt: <math> \Delta U = c_T \rho \Delta T</math>
* sensibler Wärme, d.h. Wärme gespeichert in kinetischer Energie der Schwingungen von Atomen bzw. Bewegungsenergie von Molekülen<br />Jedes Material hat eine spezifische Wärmekapazität, welche zusammen mit Dichte und Temperaturänderung die Änderung der gespeicherten sensiblen Wärme ergibt: <!-- <math> \Delta U = c_T \rho \Delta T</math> --> Δ<i>U</i>=<i>c<sub>T</sub>&#961;ΔT</i>
* latenter Wärme, bzw. Phasenumwandlungsenthalpien <br />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.
* latenter Wärme, bzw. Phasenumwandlungsenthalpien <br />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 <br />Diese Energie wird bei Reaktionsgleichungen, z.B. bei der Kristallisation oder beim Lösen von Salzen bilanziert.
* chemisch gebundener Wärme <br />Diese Energie wird bei Reaktionsgleichungen, z.B. bei der Kristallisation oder beim Lösen von Salzen bilanziert.


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


  <math>
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</math>
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Vereinfachend kann man die Energiedichte <math>\rho^U</math> als Differenzwert auffassen, und damit die explizite Angabe der Referenztemperatur weglassen.
Vereinfachend kann man die Energiedichte <!-- <math>\rho^U</math> --> <i>&#961;<sup>U</sup></i> als Differenzwert auffassen, und damit die explizite Angabe der Referenztemperatur weglassen.
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\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)  
\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)  
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Betrachtet man die Gleichung für die Energiedichte, kann man folgendes Gedankenexperiment durchführen:
Betrachtet man die Gleichung für die Energiedichte, kann man folgendes Gedankenexperiment durchführen:
* Ein Kontrollvolumen soll adiabat sein, so dass die Energiedichte konstant ist
* Ein Kontrollvolumen soll adiabat sein, so dass die Energiedichte konstant ist
* Wasser soll verdampfen, sodass <math>\Delta \rho^{m_v} = - \Delta \rho^{m_w}</math>, welches zu einer kleineren Flüssigwasserdichte und größeren Dampfmassendichte führt
* Wasser soll verdampfen, sodass <!-- <math>\Delta \rho^{m_v} = - \Delta \rho^{m_w}</math> --> Δ<i>&#961;<sup>m<sub>v</sub></sub></i> = -Δ&#961;<sup>m<sub>w</sub></sub></sup></i>, 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
* Würde nun die Energiedichtegleichung nach der Temperatur umgestellt werden, erhält man eine niedrigere Temperatur als vorher; die Abkühlung durch Verdunstung entspricht unserer Erwartung


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* Konvektion von latenter und sensibler Wärme
* Konvektion von latenter und sensibler Wärme


Der Artikel "[[Modellierung_Salztransport_Wärmeübertragung |Mechanismen der Wärmeübertragung]]" diskutiert Modelle für die unterschiedlichen Wärmeübertragungsmechanismen, insbesondere Wärmeleitung <math>j^Q</math>, und Enthalpietransport <math>h j^m</math> der unterschiedlichen Komponenten.
Der Artikel "[[Mechanismen der Wärmeübertragung]]" diskutiert Modelle für die unterschiedlichen Wärmeübertragungsmechanismen, insbesondere Wärmeleitung <!-- <math>j^Q</math> --> <i>j</i><sup><i>Q</i></sup>, und Enthalpietransport <!-- <math>h j^m</math> --> <i>h j<sup>m</sup></i> der unterschiedlichen Komponenten.


== Energiebilanzgleichung ==
== Energiebilanzgleichung ==
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In der Energiebilanzgleichung ist kein Quellen- und Senkenterm für die Phasenumwandlungsenthalpien angegeben. Die Umwandlungsenthalpien werden in der Energiedichte berücksichtigt (siehe Abschnitt oben).
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 <math>h_a \rho^{m_a}</math> (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 <math>h_v j^{m_{v}}_{conv} </math> vernachlässigt werden kann.
Die Enthalpie der trockenen Luft <!-- <math>h_a \rho^{m_a}</math> -->  <i>h<i/><sub>a</sub> <i>ρ</i><sup>m<sub>a</sub></sup></i></i> (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 <!-- <math>h_v j^{m_{v}}_{conv} </math> --> <i>h</i><sub>v</sub> <i>j</i><sup>m<sub>v</sub></sup></i></i> vernachlässigt werden kann.


= Modellierung des Salztransports =
= Modellierung des Salztransports =
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== Phasenumwandlungen ==
== Phasenumwandlungen ==


* Kristallisation <math>\sigma_{s\rightarrow p}</math> und Auflösung <math>\sigma_{p\rightarrow s}</math>
* Kristallisation <math>\sigma_{s\rightarrow p}</math> <!-- <i>&#963;</i><sub>s&#8594;p</sub></i></i> und Auflösung --> <math>\sigma_{p\rightarrow s}</math>
* Hydrataion <math>\sigma_{p \rightarrow p,\text{hyd}}</math> und Dehydratation <math>\sigma_{p,\text{hyd} \rightarrow p}</math>  
* Hydratation <math>\sigma_{p \rightarrow p,\text{hyd}}</math> und Dehydratation <math>\sigma_{p,\text{hyd} \rightarrow p}</math>  
* Deliqueszenz <math>\sigma_{p\rightarrow s,\text{del}}</math>
* Deliqueszenz <math>\sigma_{p\rightarrow s,\text{del}}</math>


Die detaillierte Beschreibung der Phasenumwandlungsmodelle ist im Artikel "[[Modellierung_Salztransport_Phasenumwandlung_Salz|Modellierung der Phasenumwandlungsreaktionen von Salzen]]" beschrieben.
Die detaillierte Beschreibung der Phasenumwandlungsmodelle ist im Artikel "[[Modellierung der Phasenumwandlungsreaktionen von Salzen]]" beschrieben.


== Salzeinfluss auf Feuchtespeicherung ==
== Salzeinfluss auf Feuchtespeicherung ==
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= Literatur =
= Literatur =


Hinweis: Die hier aufgeführte Literatur ist noch zu sichten und zu kommentieren
<!--Hinweis: Die hier aufgeführte Literatur ist noch zu sichten und zu kommentieren-->
 
<biblist />


M. Koniorczyk and D. Gawin
<bibprint citation="Koniorczyk.etal:2008"/>
Heat and Moisture Transport in Porous Building Materials Containing Salt
Journal of Building Physics, April 1, 2008; 31(4): 279 - 300.


Hagentoft et al.
[[Category:SalzFeuchtetransport]] [[Category:R-ANicolai]] [[Category:Nicolai,Andreas]] [[Category:R-CBlaeuer]] [[Category:review]]
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, Vol. 27, No. 4, 327-352 (2004)
DOI: 10.1177/1097196304042436

Aktuelle Version vom 29. März 2023, 11:59 Uhr

Autor: Dr. Andreas Nicolai
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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 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[Bearbeiten]

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
  • Effloreszenz (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

Feuchtetransportmodellierung[Bearbeiten]

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[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" 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 relativen Luftfeuchte φ her. Die Feuchtespeicherfunktion stellt den Zusammenhang zwischen Feuchtegehalt und Kapillardruck pc her.

Der Feuchtegehalt kann als Feuchtemasse pro Volumen Material bzw. als Feuchtemassendichte ρmw+v angegeben werden. Alternativ kann auch das Wasservolumen pro Volumen Material bzw. der Feuchtegehalt θℓ verwendet werden.

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

㏑φ= pc / ρwRvT

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)[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.

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

Bilanzgleichungen[Bearbeiten]

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: 

Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \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}}}





Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle \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 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[Bearbeiten]

Wärmespeicherung[Bearbeiten]

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: ΔU=cTρΔT
  • 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 summiert werden und ergeben im Fall eines salzfreien Materials die Differenz der Energiedichte 


Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle  \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 ρU als Differenzwert auffassen, und damit die explizite Angabe der Referenztemperatur weglassen.

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[Bearbeiten]

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 Δρmv = -Δρmw, 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[Bearbeiten]

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 jQ, und Enthalpietransport h jm der unterschiedlichen Komponenten.

Energiebilanzgleichung[Bearbeiten]

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

Fehler beim Parsen (SVG (MathML kann über ein Browser-Plugin aktiviert werden): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle  \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 ha ρma (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 hv jmv vernachlässigt werden kann.

Modellierung des Salztransports[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Generell kann Salz nur bei Vorhandensein der Flüssigphase, d.h. kapillarem Wasser im Baustoff transportiert werden. Dabei wird zwischen Diffusion und Konvektion unterschieden.

  • Diffusion 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 Diffusion ist ähnlich, und bei Vorhandensein von Konvektion schwer zu trennen. Bei einer ruhenden Flüssigphase findet lediglich Diffusion statt.

Phasenumwandlungen[Bearbeiten]

  • Kristallisation
  • Hydratation und Dehydratation
  • Deliqueszenz

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

Salzeinfluss auf Feuchtespeicherung[Bearbeiten]

Zu beschreiben:

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

Salzeinfluss auf Feuchtetransport[Bearbeiten]

  • Viskosität
  • Dichteeinflüsse/Gravitationskräfte

Kristallisation in und außerhalb des Porensystems[Bearbeiten]

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

Literatur[Bearbeiten]

[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. In: Journal of Thermal Envelope and Building Science, 27 (4), 327-352, https://doi.org/10.1177/109719630404243Link zu Google Scholar
[Koniorczyk.etal:2008]Koniorczyk, M.; Gawin, D. (2008): Heat and Moisture Transport in Porous Building Materials Containing Salt. In: Journal of Building Physics, 31 (4), 279-300, WebadresseLink zu Google Scholar

Salzausblühung

Beschreiben das Sorptionsverhalten eines Stoffes bei konstanter Temperatur.

Ist ein physikalischer Prozess, der zu einer gleichmäßigen Verteilung von Teilchen und somit zur vollständigen Durchmischung zweier oder mehrerer Stoffe führt.

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