Salztransportmodellierung

<bibimport/> Autor: Dr. Andreas Nicolai

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 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

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
• Effloreszenz (Entfernung von Salz aus Berechnungsdomäne)
• Veränderung des Porenraums durch Kristallisation und resultierende Rückwirkung auf Feuchte- und Salztranport

Feuchtetransportmodellierung

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 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: Modellansätze" 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 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 $\phi$ 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. Dabei ist die Beschreibung des Eisbildungsprozesses

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:

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^{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 Krstallisation 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.

Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\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:

Fehler beim Parsen (Syntaxfehler): {\displaystyle  \rho^U = \rho_b c_T \left(T - T_{Ref} \right) \\ \text{             } + \rho^{m_v}   \left[  c_{T,v}  \left(T - T_{Ref} \right) + h_v\right]  \\ \text{             } + \rho^{m_w} c_{T,w}  \left(T - T_{Ref} \right)  \\ \text{             } + \rho^{m_\text{ice}}  \left[  c_{T,\text{ice}}  \left(T - T_{Ref}  - h_{\text{ice}} \right) \right]  }

Salzausblühung

Beschreiben das Sorptionsverhalten eines Stoffes bei konstanter Temperatur.