Multifasmodellering av nedbrytning i betong vid kontakt med vatten. Daniel Eriksson Betongbyggnad SVC-dagarna

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Multifasmodellering av nedbrytning i betong vid kontakt med vatten. Daniel Eriksson Betongbyggnad SVC-dagarna"

Solveig Lindqvist
för 6 år sedan
Visningar:

1 Multifasmodellering av nedbrytning i betong vid kontakt med vatten Daniel Eriksson Betongbyggnad SVC-dagarna

2 Agenda 1. Syfte med doktorandprojektet 2. Nedbrytningsmekanismer i dammar 3. Multifastransport i deformerande porösa material (termohydro-mekanisk modell) 4. Termo-hydro-mekanisk modell för simulering av frostsprängning i porösa material 5. Termo-hydro-mekanisk modell inklusive uppfyllnad av luftporer 6. Framtiden

3 Syfte med doktorandprojektet

4 Syfte med doktorandprojektet Studera viktiga nedbrytningsmekanismer av betong vid samverkan mellan vatten och struktur Använda numeriska modeller för att beskriva de enskilda nedbrytningsmekanismerna

5 Syfte med doktorandprojektet Studera viktiga nedbrytningsmekanismer av betong vid samverkan mellan vatten och struktur Använda numeriska modeller för att beskriva de enskilda nedbrytningsmekanismerna Koppla ihop de olika nedbrytningsmekanismerna i modellerna och inkludera effekten av hur de under samverkan bryter ner betongen mm ssssssssssssssssss > mm ii NN ii=mmmmmmmmmmmmmmmm

6 Syfte med doktorandprojektet Studera viktiga nedbrytningsmekanismer av betong vid samverkan mellan vatten och struktur Använda numeriska modeller för att beskriva de enskilda nedbrytningsmekanismerna Koppla ihop de olika nedbrytningsmekanismerna i modellerna och inkludera effekten av hur de under samverkan bryter ner betongen Använda de utvecklade modellerna för att uppskatta livslängden på betongkonstruktioner

7 Nedbrytningsmekanismer Erosion orsakad av partiklar i det strömmande vattnet eller drivis (överallt) Kavitation (1B-D, 2, 3C-E) Urlakning (1B-D, 2, 3C-E) Frostangrepp (1A-C, 3E) Viktigt är också samverkan mellan de olika nedbrytningsmekanismerna. Figur från Sandström et al. (2010)

8 Multifasmodellering av transport i deformerande porösa material Separerar de olika faserna i ett poröst material Balansekvationer härleds på micronivå och genom medelvärdesteorem kan dessa överföras till macroskala REV (Representative Elementary Volume) TCAT (Thermodynamically Constrained Averaging Theory) HMT (Hybrid Mixture Theory) TCAT - Termodynamik postuleras på microskala HMT - Termodynamik postuleras på macroskala Några fördelar gentemot icke-linjära modeller av diffusionstyp Koefficienterna har en tydlig fysikalisk innebörd slår t.ex. inte samman gas och vatten till en transportkoefficient Fasomvandlingar kan inkluderas viktigt vid bl.a. frysning Möjligt att lägga till olika kopplingstermer t.ex. fasernas tryck på det solida skelettet, flödet påverkas av deformationer, materialskada kopplat till permeabilitet, kemiska reaktioner, upplösning av solida fasen (urlakning), andra kemiska reaktioner (cementreaktioner, ASR), etc. Goda möjligheter att bygga ut modeller med diverse fenomen

9 Multifasmodellering av transport i deformerande porösa material - Betong

10 Multifasmodellering av transport i deformerande porösa material - Betong 3 faser Solidfas - cementmatrisen Vätskefas Gasfas vattenånga och torr luft

11 Multifasmodellering av transport i deformerande porösa material - Betong 3 faser Solidfas - cementmatrisen Vätskefas Gasfas vattenånga och torr luft Balansekvationer

12 Multifasmodellering av transport i deformerande porösa material - Betong 3 faser Solidfas - cementmatrisen Vätskefas Gasfas vattenånga och torr luft Balansekvationer 4 massbalanser (εε αα ρρ αα ωω iiαα ) tt + εε αα ρρ αα ωω iiαα vv αα + εε αα ρρ αα ωω iiαα uu iiαα + MM iiii iiii = 0 (εε αα ρρ αα ) tt + εε αα ρρ αα vv αα MM κκ αα = 0

13 Multifasmodellering av transport i deformerande porösa material - Betong 3 faser Solidfas - cementmatrisen Vätskefas Gasfas vattenånga och torr luft Balansekvationer 4 massbalanser 3 momentumbalanser εε αα tt αα εε αα ρρ αα gg αα TT κκ αα = 00

14 Multifasmodellering av transport i deformerande porösa material - Betong 3 faser Solidfas - cementmatrisen Vätskefas Gasfas vattenånga och torr luft Balansekvationer 4 massbalanser 3 momentumbalanser 3 energibalanser εε αα ρρ αα CC αα TT tt + εεαα ρρ αα CC αα vv αα TT εε αα λλ αα TT = MM κκ αα

15 Multifasmodellering av transport i deformerande porösa material - Betong 3 faser Solidfas - cementmatrisen Vätskefas Gasfas vattenånga och torr luft Balansekvationer 4 massbalanser 3 momentumbalanser 3 energibalanser Konstitutiva samband sluter ekvationssystemet εε αα ρρ αα CC αα TT tt + εεαα ρρ αα CC αα vv αα TT εε αα λλ αα TT = MM κκ αα

16 Frostsprängning Vattenmättad betong Finns ett antal modeller i litteraturen dock inga som tar hänsyn till delvis vattenmättad betong Samtliga modeller härleds från samma generella balansekvationer som presenterades tidigare Har implementerat en modell baserad på Zuber och Marhcand (2000, 2004) i Comsol Tre faser Solid Vatten Is

17 Frostsprängning Vattenmättad betong Massbalans Energibalans Momentumbalans ββpp ll = DD ηη ll pp ll + SS bbεε ρρcctt = λλλλλλ + LLww ii σσ + ρρgg = 0 ββ = nnss ll + nnss ii bb nn + KK ll KK ii KK ss SS = 1 ρρ ii ρρ ll ww ii + ααtt bb nn KK ss αα = nnss ll αα ll + nnss ii αα ii + (bb nn)αα ss XX nnss ii KK ii κκ ww ii = tt φφ RR eeee VV aaaaaa ρρ ii = = tt RR pppppp 1 2qq rr ddφφ dddd dddd ρρ ii σσ = σσ bbpp II σσ = CC: εε ee εε ee = εε εε ttt pp = pp ll + γγ llll nn 2 1 RR eeee rr qq RR pppppp ddφφ dddd dddd

18 Beräkningsexempel - Frysning Beräkning från Duan et.al. (2013) Vattenmättat cementprisma (100x100x300 mm) utsatt för frysning utnyttjar symmetri Temperatur på ytorna 3-6 Initialtemperatur 10 o C Yttemperatur 10 o C -30 o C med en fryshastighet på 10 o C/h Initialt vattentryck på ytorna 3-6 sattes till 0 Pa Inget mass- eller värmeflöde genom ytorna 1 och 2 då dessa är symmetriplan Ytorna 4-6 fria att röra sig. Ytorna 1-3 låsta i respektive vinkelrät riktning mot planen. Linjärelastisk materialmodell nollspänning vid 0 o C

19 Beräkningsexempel - Frysning

20 Beräkningsexempel - Frysning

21 Frostsprängning Delvis vattenmättad betong

22 Frostsprängning Delvis vattenmättad betong Betong är sällan helt vattenmättad skvalpzon

23 Frostsprängning Delvis vattenmättad betong Betong är sällan helt vattenmättad skvalpzon Absorption luft innesluts i större porer som omges av mindre vattenfyllda porer Från Fagerlund (2004)

24 Frostsprängning Delvis vattenmättad betong Betong är sällan helt vattenmättad skvalpzon Absorption luft innesluts i större porer som omges av mindre vattenfyllda porer Större luftfyllda porer fylls dock på långsamt med vatten Från Fagerlund (2004)

25 Frostsprängning Delvis vattenmättad betong Betong är sällan helt vattenmättad skvalpzon Absorption luft innesluts i större porer som omges av mindre vattenfyllda porer Större luftfyllda porer fylls dock på långsamt med vatten Luftporbildare används för att skapa reservoarer som kan ta upp volymökningen (9 %) av vattnet vid frysning

26 Frostsprängning Delvis vattenmättad betong Betong är sällan helt vattenmättad skvalpzon Absorption luft innesluts i större porer som omges av mindre vattenfyllda porer Större luftfyllda porer fylls dock på långsamt med vatten Luftporbildare används för att skapa reservoarer som kan ta upp volymökningen (9 %) av vattnet vid frysning Frostskador uppkommer först när betongen uppnått en viss kritisk vattenmättnadsgrad

27 Frostsprängning Delvis vattenmättad betong Betong är sällan helt vattenmättad skvalpzon Absorption luft innesluts i större porer som omges av mindre vattenfyllda porer Större luftfyllda porer fylls dock på långsamt med vatten Luftporbildare används för att skapa reservoarer som kan ta upp volymökningen (9 %) av vattnet vid frysning Frostskador uppkommer först när betongen uppnått en viss kritisk vattenmättnadsgrad Viktigt att inkludera den långsamma fyllningen av luftporerna i modellerna för att kunna härleda en modell för frostsprängning av delvis vattenmättade betongkonstruktioner i kontakt med vatten

28 Masstransportmodell med fyllning av luftporer

29 Masstransportmodell med fyllning av luftporer Typiskt absorptionsförsök

30 Masstransportmodell med fyllning av luftporer Typiskt absorptionsförsök Implementering

31 Masstransportmodell med fyllning av luftporer Typiskt absorptionsförsök Implementering Konstitutiva samband ddss aa ww dddd AA SS aa ww = 0 AA SS aa ww = SS aa ww (SS aa ww )

32 Exempelanalys Absorptionsförsök av Li et al (2011) absorption ca 250 dagar Skiva (Φ=100 mm, h=25 mm) nedsänkt i vatten. Bruk med 6 % luftinnehåll och w/c 0.42 Konditionerad vid RF=50%. Epoxi längs vertikala ränder. Tvåsidig absorption Analys inkluderar både uppfuktning och uttorkning (RF=70%) Från Li et al 2011

Exempelanalys Absorptionsförsök av Li et al (2011) absorption ca 250 dagar Skiva (Φ=100 mm, h=25 mm) nedsänkt i vatten. Bruk med 6 % luftinnehåll och w/c 0.

33 Exempelanalys Absorptionsförsök av Li et al (2011) absorption ca 250 dagar Skiva (Φ=100 mm, h=25 mm) nedsänkt i vatten. Bruk med 6 % luftinnehåll och w/c 0.42 Konditionerad vid RF=50%. Epoxi längs vertikala ränder. Tvåsidig absorption Analys inkluderar både uppfuktning och uttorkning (RF=70%) Från Li et al 2011

34 Framtiden Artikel 1 Cyklisk uppfuktning och uttorkning av betong inkluderat luftporer samt studie av nödvändiga kopplingstermer och konstitutiva samband för multifasmodellerna Definiera ett antal olika fall uttorkning, stort ensidigt vattentryck, skvalpzon etc. Artikel 2 Modell för frostsprängning Delvis vattenmättad betong Modellering av urlakning Försök Hur förändras porfördelningen vid upprepad frysning/tining samt vid urlakning Viktigt för att kunna koppla nedbrytningsmekanismerna Samverkan mellan nedbrytningsmekanismer

Relevanta dokument

Uppgift 1. Egenskaper. Kallformad CHS av den austenitiska stålsorten Målsättning

Uppgift 1. Egenskaper. Kallformad CHS av den austenitiska stålsorten Målsättning Uppgift 1 Egenskaper Kallformad CHS 159 4 av den austenitiska stålsorten 1.437 LL 33, 55 mm AA 19,5 cccc² NN EEEE 222222 kkkk II 585,3 cccc 4 dd 111111 mmmm WW eeee 73,6 cccc 3 tt 44 mmmm WW pppp 96,1