Inverkan av fukt på kloridtransport i betong : en idéskiss

Transkript

1 Inverkan av fukt på klridtransprt i betng : en idéskiss Hedenblad, Göran 1994 Link t publicatin Citatin fr published versin (APA): Hedenblad, G. (1994). Inverkan av fukt på klridtransprt i betng : en idéskiss. (Rapprt TVBM (Intern 7000rapprt); Vl. 7084). Avd Byggnadsmaterial, Lunds tekniska högskla. General rights Cpyright and mral rights fr the publicatins made accessible in the public prtal are retained by the authrs and/r ther cpyright wners and it is a cnditin f accessing publicatins that users recgnise and abide by the legal requirements assciated with these rights. Users may dwnlad and print ne cpy f any publicatin frm the public prtal fr the purpse f private study r research. Yu may nt further distribute the material r use it fr any prfit-making activity r cmmercial gain Yu may freely distribute the URL identifying the publicatin in the public prtal Take dwn plicy If yu believe that this dcument breaches cpyright please cntact us prviding details, and we will remve access t the wrk immediately and investigate yur claim. L UNDUNI VERS I TY PO Bx L und

2 LUNDS TEKNISKA HOCSXOT,N Byggnadsmaterial UNIVERSITY OF LUND LUNP INSTITUTE OF TECHNOLOGY Divisin f Building Materials II\VERKANAY FUKT PA KLORIDTRANSPORT I BETONG 'enidéskiss Göran Hedenblad Rapprt TYBM-7084 Lund, ktber 1994

3 INLEDNING Fukt ch klridtransprt i betng åir fligwis prcesser sm kraftigt påverkar varandra, dvs för att krrekt beskriva klrid- eller fukttransprt i betng sm innehåller både fukt ch klrider måsæ bägge prcesserna beräknas samtidigt. Fuktransprt i betng irrelativt väl undersökt för "gammal" betng, se /ll. Datrprgram för fukttransprt i lika byggnadsmaterial finns framtagna för I ch 2 "dimensiner" ch dessutm finns flera specialprgram, se bl a /2/. Klridransprt kan rligwis mdelleras på ungefür samma sätt sm fukuransprt. Den kmpeæns sm finns vid instin dnen för Byggnadsæknik /LTH brde kunna utrytdas för att på relativt krt tid ta fram endimensinella datrprgram för beräkning av samtidig fu kt- ch klridtransprt. FUKTTRANSPORT Vid mdellering av fukttransprt i n?irvar av salter (klrider) åir rligtvis relativa fuktigheæn (RF) den "riktiga" ptentialen, sm avgör åt vilket håll fukten går. Vi har samband mellan Kirchhff-ptentialen (fundamentalptentialen) ch iämviktsfirktkurvr enligt FIG 1. w(kg/m3l t3! I / ur (kg/(m s)) RF (%) FIG l. Samband mellan Kirchhff-ptentialen ch jämviktsfuktkurvr då materialet innehåller salt, t ex klrider. Jämviktsfuktkurva (1) är då materialet inte innehåller salter. Jämviktsfuktkurva (2) ch (3) ir när salter är närvarande. Kurva (3) gäller dl materialet innehåller mer salt än i (2). Dvs med ändrad salthalt i prlösningen ändrâs jämviktsfuktkurvan. I FIG I är anta,get att det 2ir mängden vatten i materialets prsystem ch inte RF-ändringen på grund av salt sm påverka fukttransprfförmågan. I FIG I framgår ckså att med salt i prlösningen flyttas hela jämviktsfuktkurvan med dâr ÂRF,', åir skillnaden i RF vid mättnad för prlösning med ch utan salt. ^RFsar, RFr"rt= RF - ^RF"nrr. Salæts inverkan på mättnads-rf kan beräknas enligt 1 (l)

4 h0,=-e v,mf.u;oi (2) O- mättnads-rf vi antal jner per salûnlekyl rr " mlalitet (ml per kg smtisk kefficient (funktin av n\") sm framgår av Bilaga 3 Funktinen van tar inte hänsyn till nrycket i prvätskan eller till uycket hs vattenångan i prluften i materialel För aûnsfärsûryck är dessa parameüar av mindre iníesse, för betngknstruktiner med "större" vattenûyck bör man ta hänsyn till detta senare tyck. Förutm klrider kan man även vara wungen att ta hänsyn till eventuellt alkaliinnehåll NaOH ch KOH) i betngen. RF i betngen påverkas även av dessa salter. För betng med Slite Std-cement ch lågt vct kan man få str inverkan på mättnads-rf. Trligtvis kan man i jämviktsfuktkurva (1) i FIG 1 inkludera alkalieffekæn då man beräknar fukttransprten i betngen. För betng med vct 0,4 ch Sliæ Std-cement är maximal RF (utan klrider) ca 95 V. Ett exempel av inverkan av NaCl på mättnads-rf ges i FIG 2 Mtlitet + Berknt enl Rbinsn ch Stkes 1 6 q, Apprximtivt rötlinjigt smbqnd för möttqd sltlösning RF vid möttd sltlösníng l I 0 70 B % RF FIG 2 Samband mellan mättnads-rf ch NaCl-kncenftatinen i vatten, Vid kmbinerat frlpp av klrid ch fukttransprt påverkar både klridinnehållet ch fukthalæn RF-nivån i betngen. RF-nivån påverkar å sin sida fukttransprten i en punkg dvs m fukttransprten sker till eller från punkæn. För varje nytt tidssteg i en beräkning får man utgå från föregående tidssteg ch dess kncentratiner av fukt ch klrider för att beräkna de nya kncenffatinerna. Detta betyder att det inte finns "en" jämviktsfuktkurva utan "ändligt" många berende på klridinnehållet. Men nligwis är detta relativt enkelt att mdellera numeriskt i ett "knventinellt" datrprgram för fukt. 2

5 KLORIDTRANSPORT Klrid-ch fukttransprt i maænal har många likheter ch kan mdelleras på ungeftir samma sätt. Enligt data på den "effektiva klriddiffusinen" sm har erhållits av Sandberg 13/ såt kan denna i princip vid vattenmättnad i betngen skivas ff=x.f* (3) K ár en knstant sm berr på typ av cement mm. V* tu kapillä prvlymen För rdinär OPC betng ir K ca 2,5.10-t0 1m2ls Evatinen van visas i FIG 3 med mätv?irden inlagda. Kapilläqprvlymen åi beräknad med förutsättningen att hydratatinsgraden tu 0,7. x I Deff (m2lsl + ó v p FIG 3 Effektiv diffusiviæt (vid vattenrnättnad) för klrider sm funktin av kapilläqprsiteten. Kapillärprsiteten definieras av, -se /41 P *= (vct ø V( vct) vct 2ir vattencementtalet är hydratatinsgraden Av ekv (4) framgar att hydratatinsgraden har str inverkan på kapilkiryrsiteten ch därmed på den effektiva klriddiffrrsiviteten. Det betyder att den diffusivitet sm erhålles vid mätringar på relativt ny betng inte kan användas fr att mdellera klridtansprten i samma betng då denna betng har "åldrats". Ovan angivna samband gäller då betngen åir vattenmättad. Vid lägre fuktinnehåll i betngen transprteras klriderna rligtvis inte lika län. Ett rimligt antagande är att klriderna transprteras i vattenfasen i kapillärprvlymen ch inte i lufffasen i denna J

6 vlym. Med detta antagande blir klrid-diffusiviæten berende på fukthalæn i materialet" dvs D D ff {w -w u (w ay *-w sr) ",= w åir fukthalæn (kg vatten per m'betng) ** * fukthalæn vid kapillärmätfrrad wqsc'ár fukthalten vid 45 V F.F, dvs då kapilläqprerna "precis" har blivit tömda på vatten. (s) I vanstående uttyck ser vi att då w =w45e så sker ingen klridtransprt, detta?ir ckså fallet (i princip) enligt Sandberg /3/. Ett exempel; Betng med vct 0.5, hydratatinsgrad (a) 0,3 ch 1,0 Pk"(0,3) - (0,5-0,39'0,3)l(0,32+0,5)- 0,467 ; Pk"p(1,0) = 0,134 vilket medför att D* (0,3)/ D* (0,8) - (0,46710,134)2 = ll,6 Om dessutm i fallet van fukthalæn efter lång tid (a=l) skulle bli mindre än fukthalæn vid kapillärmättnad så framgår av ekv (4) ch beräkningen van att kvten D/D*n skulle bli betydligt större an 11,6. I ekvatinerna van har förutsatts att D tir berende av klridkncentratinen i prlösningen. Det kan dck vara så att "stra" mängder bunden klrid eller andra salter eller ämnen sm binds till cementpastan kan "blckera" de minsta passagerna (prerna) i cemenþastâns kapill2irprvlym. Detta skulle medföra att klrid-diffrrsiviteten skulle minska jämfört med sambanden van. KLORIDBINDNING Klridbindningen i betng berr dels på specifika ytan hs det hydratiserade cementet ch dels på kncentratinen i prlösningen, vi kan skriva Cl,,nn= KrQ065'a + \{l 6n* (6) K, fu en knstant sm berr på typ av cement sv. Den beskriver hur mycket klrider sm binds per ytenhet hydratiserad cementpasta berende av kncentratinen av klrider i prlösningen. 0,065 C ir "specifika rtan" hs cementet per m3 betng. Ç anger sambandet mellan hur mycket klrider sm binds till prstrukturen då klridkncenfratinen i lösningen ändras en enhet. 4

7 KOMBINATIONSEFFEKTER AV FUKT OCH KLORID Ett exempel Vid mdellering kan man rligwis utgå ifrån att betngen i knstruktinens inre har ett fuktitlstånd sm ungeftir mtsvarar att betngen har membranåirdat. Det är då enkelt att beräkna fukthalæn i denna del. w,a-t4jcc-025't,c (7) wmembranh är fukthalæn vid membranhåirdning ftg vatten per m3 betng) w/c âr vattencemenffålet vid giutrringen C åi cementhalæn per mt betng (kg cement per m3) I FIG 4 nedan visas hyptetiska RF- ch klridprfiler i betng dels innan klrider har kmmit in i betngen ch dels efter viss klridexpnering. Fuktinnehållet (fukthalten) är densamma i hela w?irsnittet. RF yt mitt RF ARF.. slt ktrider ytq mitt FIG 4 Hyptetiska RF-ch klridprfiler i betng, dels innan ch dels efter viss klridexpnering. Betngen har samma fukthalt i hela tv fsnittet. Klridinnehållet i prvattrnet sänker RF i de delar i vilka det finns klrider. Ju större klridkncentratin ju stöne åir RF-sänkningen. Betngen förseglas nu så att varken vaffen eller klrider kan transprteras till eller från betngen. En mfördelning av fukt ch klrider sker nu inm tvåirsnittet så att fukt tansprteras till delen med låg RF. Denna fukt späder ut klridinnehållet samtidigt sm det sker en klriddiffrrsin in mt mitten av betngen, se FIG 5 nedan. Fuknansprten pågår till dess att RF är lika i hela 5

8 tv irsnittet. Dck är fukthalæn inæ lika eftersm jämviktsfuktkurvrna påverkas av klridkncentratinen i prlösningen. Fukttransprten i betngen trde gå mycket frtare än klridtransprten i densamma. Detta betyder att dâ RF-prfilen är udämnad i betngen så åir inte klridprfilen udämnad. Allæftersm klridprfilen utjämnas så ändras även RF ch därmed sker en mlagring av fuktinnehållet i betngen. Då klridprfilen är helt udamnad så 2ir även RF-prfilen utjämnad" dck ir RF lägre än innan klriderna har kmmit in i betngen. I beskrivningen van har inte diskuterats inverkan av hydratatinen eller lika jämviktsfuktkurvr. RF ---T; utspädning "sms " <_ Ktrider FUKT Yt Mirt FIG 5 Klrid- ch fuknörelser i betngen i FIG 4. Om betngen vaffenmätt d vid "klridfrnten" ch vatten transprteras inifrån betngen kmmer denna frnt att tryckas inåt eller utåt på grund av "vlymökningen" hs klridvattnet. PRELIMINÄRT B ERÄ KNINGSS CHEMA 1) ange temperaturen hs knstruktinen sm funktin av tiden ( temperatur i betngen under håirdningsskedet samt därefter mgivande temperatur. 2) ange vct samt ev klridtillsats vid giutningen 3) ange randvillkr för fukt (se æx jam-l ch jam-p) samt starttid för fuktbelastningen 4) ange randvillkr för klridbelasûring (klridkncenfratin, se i princip jam-1 ch -p) samt starttid för klridbelastringen. BERAKNINGAR FÖR VARTE BERÄKNINGSCELL Fuktberäkning utan salt 5) beräkna kapillärprsitet sm funktin av vct, ct, tid æmperat rr ch RF. 6) beräkna Kirchhff- ptentialen sm funktin av RF, "grundptential" ch kapillåirprsiæt" se Bilaga I ch 2. 7) beräkna jämviktsfuktkurvan, se t ex Nrling-Mjörnell 14/ sid

9 Klridberäkning 8) Beräkna kapilliþrsiteten eller anv2ind resultaæt från 5). 9) beräknâ Dhr sm funktin av kapill?þrsiteten. I0) beräkna D enligt ekvatin (5). 11) beräkna klridinnehåll i prvattnet. 12) beräkna bunden klrid Beräkning av fukt ch klrider 13) beräkna ÁRF,* 14) beräkna jämviktsfuktkurvan med hänsyn till ktridinehåll. 15) utför ett tidssteg i fuktberäkningen 16) utrör ett fidssæg i klridberäkningen. 17) börja m på 5) Vid bestämning av klridinehåll i prlösningen (gramlliær eller ml/liær) får man ta hänsyn till att fukthalæn ändras ch till att klridinehållet ändras pga transprt av klrider. Temperaturens inverkan på hydratatinsutveckling, KirchhfÊptentialen ch på D bör kunna mdelleras med en Arhenius-funktin där referenstemperaturen fu +20 "C. 7

10 BILAGA 1 Kirchhff-ptentialen för betng med vct 0,8 ch en hydratatinsgrad cr på ca 0,95, vilket ger en kapillåþrsiæt på 0,38. RF (7) t ,5 Y G(m'dae)) 0 0,046 0,071 0,083 0,099 0,115 0,139 0,165 0,182 0,203 0,231 0,249 0,288 0,329 0,389 0,48 0,812 L,273 1,666 2,227 Maximal RF ir 96 V för vct O,4: 97 V för vct 0,5; 97,6 V för vct 0,6; 98 V för vct 0,7. Dessa v?irden gäller da betngen 2ir tillverkad med Slite Std-cement. B

11 BILAGA 2 Kirchhff-ptentialen (Y) kan beräknas för andra kapillåirprsiteter än i Bilaga I angiven kapillärprsiæt De kapitl2þrsiæter sm ligger till grund för sambanden nedan åir framtagna för betnger med vct 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 med ungefìirlig hydratatinsgrad pâ ca RF=35-90% g tz = { (w I w=0,38) {P ú RF=91-95% ú = ú (RFfrry =0,3 8XPy'O. 3 8 'ø RF=Xt% tf = S(RFfrry =0 38, <P 4 038)q? RF=yl% S = S (RFfiç =08 8XPy'0.3 8) RF i Y(RF, P"n) åir de lika RF-nivåema sm anges i första klumnen i Bilaga 1. 9

12 Biì-aga 1 ' smtiska kefficienter Oa för mättade lösningar vid +25c. tú U' - NaOH KOH KCI NaCl- MgCt2 CaCl 2 Na2SO2 K2SO4 U' tf (, Mlalitet mg I, s De smtiska Electrlyte håller många I.374 I L s l_.100 T.I25 1. i.83 I I ,9I , I s , s I,L92 L.23L T.27L I L.434 1,523 I, L ,521 2, ' I s I L.' I s , innekefficienterna är tagna från Rbinsn Slutins (Burterwrth] and r,ndnl fler. Áppã"ãf" elektrlyter r 0. 63s Stkes,.10, sm I Þ tf H ä,' ã. Þ U) ÊÞ Êe Þ Þ:. Þ v) Þf t\)

13 REFERENSER l. Hedenblad, G Misture Permeability f Mature Cncrete, Cement Mrtar and Cement Paste, LUTVDG/CIVBM- l0l 4)l I (1993), ISSN l, avd Byggnadsmaterial, Lunds Tekniska Högskla, Bx ll8, Lund. 2. Arfvidssn, J Datrmdeller för fukuransprt i prösa material, Manual för endimensinellt fall; JAM-I. CODEN LUTVDG CIVBH-7 108)ll-35/(1988), avd Byggnadsffsik, Lunds Tekniska Högskla, Bx ll8, Lund. 3. Sandberg, P. Persnlig kmmunikatin 4. Nrling-Mjörnell, K SelÊDesiccatin in Cncrete, Publikatin P-94:2, ISSN Institutinen för Byggnadsmaterial, Chalmers Tekniska Hög skla, S-4T2 96 GÖTEBORG. 11