Kloridinträngning i samband med tösaltning av betongkonstruktioner : numerisk simulering med hjälp av finita elementmetoden

Transkript

1 Klridinträngning i samband med tösaltning av betngknstruktiner : numerisk simulering med hjälp av finita elementmetden Jhannessn, Björn Published: Link t publicatin Citatin fr published versin (APA): Jhannessn, B. (1997). Klridinträngning i samband med tösaltning av betngknstruktiner : numerisk simulering med hjälp av finita elementmetden. (Rapprt TVBM (Intern 7000-rapprt); Vl. 7111). 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? L UNDUNI VERS I TY PO Bx L und

2 LUND UNIVERSITY LUND INSTITUTE OF TECHNOLOGY Divisin f Building Materials KLORIDINTRÄNGNING I SAMBAND MED TöS.T-TNING AV BETONGKONSTRUKTIONBR Numerisk simulering med hjätp av fïnita elementmetden Björn Jhannessn TVBM-7l11 Lund 1997

3

4 Klridinträngning i Samband med Tösaltning av Betngknstruktiner: Numerisk simulering med Hjälp av Finita Element Metden. ftirhandskpia: reviderad: Björn Jhannessn Byggnadsmaterial, Lund Tekniska Högskla Telefn: E-Pst: L Inledning I denna skrift diskuteras lika masstransprt fenmen i samband med tösaltning av betng. Genm att simulera rimliga yttre klimat variatiner, vad avser relativ fuktighet, regn samt klridkncentratiner på ytan av betng knstruktinen, är det möjligt att skapa en uppfattning m vilka transprt fenmen sm är väsentliga. Mdellen är baserad på en rad lika antaganden, men presentatinen av resultaten i kapitel 5 inleds med traditinella gradient berende transprt fenmen dessa resultat jämförs sedan med en mdell dåir antagandena successivt förfinas. För att kunna utvärdera effekten av uppfuktning, till exempel på grund av kappilåirsugning, samt uttrkning av prvatten i betngen ch dess påverkan på klridtransprten måste två ekvatiner lösas. Ekvatinen sm beskriver klridtransprten kmmer därvid vara kpplad till ekvatinen sm beskriver vattentransprten. Huvudtanken med simuleringen är vidare att försöka ta hänsyn till alla väsentliga fysikaliska fenmen sm kan tänkas agera under förhållanden sm bestäms av randvillkren, det vill säga av de yttre klimat variatinerna. De mest betydande prcesser sm mdelleras är diffusin av klrider i prvattnet, knvektin av klrider (med knvektin avses här att klriderna tvingas med i rörelseriktningen av prvattnet), reversibel ch/eller irreversibel bindning av klrider till prväggarna, fukttransprt med hänsyn tagen till kapillärtransprt samt slutligen kncentratins ökning/sänkning av klridkncentratinen i prvattnet på grund av uttrkning/uppfuktning. Det skall ckså nteras att klridernas närvar i prvattnet ej antags påverka fukttransprt egenskaperna, det vill säga kpplingen av ekvatinerna avser endast kppling från fukttransprt ekvatinen till klridtransprt ekvatinen. Vidare är specifiseringen av randvillkren samt dess variatin med tiden mycket väselrtliga för lösnings beteendet av ekvatinssystemet. Sm exempel kan nämnas att klrider i plvattnet vid ytan av betngen knstruktin har ett mycket strt mtstånd att diffundera ut i mgivande luft detta måste naturligtvis beskrivas med hjälp av krrekt specificerade randvillkr. Ett annat prblem asscierat med randvillkr kan vara att på ett rimligt sätt fcireskriva mycket höga kncentratiner av saltlösningar sm kan uppträder på ytan på betngen efter det att tösaltning har förekmmit med en efterföljande förångning av vatten

5 från tösaltnings lösningen. I denna skrift har randvillkren för klridtransprt ekvatinen samt för vattentlansprt ekvatinen valts på ett sätt sm efterliknar en intermetent intervall av tösaltning i en mycket fuktig miljö med en efterföljande längre perid med ett klimat med lägre relativ luftfuktighet utan några tösalter närvarande vid knstruktinens yta. Det är naturligtvis rnöjligt att föreskriva gdtyckliga variatiner av klimatet vid ytan i avsikt att simulera lika fall av klridangrepp på betng, i detta arbete studeras dck endast ett enda sådant fall. I 2 Krt m transienta prblem ch Finita Element Metden Analytiska lösningar existerar ej till kpplade linjära transienta prblem vilket innebär att man är förpassad till numeriska analyser. Detta behöver dck inte innebära att man mister kntrllen över rimligheten av den erhållna numeriska lösningen. Vid linjära prblem kan jämvikts iteratiner inm tidsstegen utföras med hjälp av, till exempel, Newtn-Raphsn metder, dessa tekniker gör att rätt lösning kan spåras i de flesta situatiner. De ekvatiner sm har behandlas här har dck lösts utan jämvikts iteratiner trts att prblemet är linjärt, kntlllen av lösningarnas rimlighet har istället utförts genm att successivt halvera tidsstegen tills lösningen knvergerar. På detta sätt har ett lämpligt tidssteg kunnat väljas. Vattentransprt ekvatinen har lösts med ett tvåstegs tidsschema vilket innebär att de två senast kända kncentratinsfälten används fr att räkna fram det kmmande sökta kncentratinsfältet. Metden tillhör Newmark-familjen ch tids-viktningen är utförd enligt Liniger's metd. Den använda metden är implicit ch knditinerat stabil vilket innebär att inga restriktiner vad avser tidssteget strlek finns, till skillnad från explicita metder där ett tidssteg sm understiger ett visst kritiskt tissteg måste väljas. Jämvikts iteratiner inm tidsstegen har ej utförts, däremt har tidsstegets strleks inverkan på lösningen studerats ch valts till ett värde sm bidrar till minimal "drift" av lösningen. Apprximatinen av tillstirndsvariablen är vidare utförd med hjälp av endimensinella linjära element ch viktsfunktinen är vald enligt Galerkin's metd. En så kallad Bltzmann transfrmatin av tillståndsvariablen har även utförts för att göra linjärheten mindre dminant, uppmätt data sm krävs för att kunna utnyttja denna transfrmatin finns för en rad lika betngkvaliteter [. Lösandet av klridtransprt ekvatinen innefattar en extra kmplikatin jämfört med lösandet av vattentransprt ekvatinen, denna kmplikatin berr på att den knvektiva delen av transprtprcessen bidrar till numeriska prblem såsm "artificiell diffusin" ch scillatin. De numeriska prblemet kan dck elimineras genm att välja viktsfunktinen enligt Petrv-Galerkin's metd sm är baserad på att viktsfunktinen matchar den analytiska lösrringen rnellan ndpunkterna (för ett linjärt fall av diffusin-knvektins ekvatinen). Petrv-Galerkin's metd har använts i beräkningarna för att beskriva viktsfunktinen, tillstirndsvariabeln är dck apprximerad med nrmala endimensinella linjära element. Det använda tidsstegs schemat är en implicit enstegs metd sm endast använder det senast kända kncentratinsfältet för att räkna ut det kmmande. Schemat är knditinerat stabilt ch knstruerat på ett sätt sm medför att felet minimeras i hela det betraktade mrådet, denna tidsstegs metd kallas Liniger's enstegs metd. Bindning av klrider från prlösningen till prväggarna har vidare lösts numeriskt genm att "lumpa" käll/sänk termerna vid nderna. Det kan ckså nämnas att det betraktade prblemet genererar symmetriska matriser på grund av knvektins delen av flödet, detta medför dck marginella numeriska prblem jämfört med den "artificiell diffusin" ch scillatinen sm i vissa fall kan bserveras även m Petrv- Galerkin's metd används.

6 3 De styrande ekvatinerna samt förklarande text I frmulet'ingen av det aktuella prblemet finns tre lika tillståndsvariabler dessa dr e,, [ml/liter] sm betecknar kncentratinen av klrider i prvattnet, ch,t fml/liter] betecknãr kncentratinen av bundna klrider i (hela) materialet, c* áií kncentratinen av vatten i (hela) lnaterialet [liter/liter]. Eftersm tre tillståndsvariabler är definierade krävs tre ekvatiner för att lösa ekvatins systemet dessa ekvatin är nedskrivna nedan ( ). Klridtransprten beskrivs med hjälp av diffusin-knvektins ekvatinen (3.1) där även inverkan av reversibel bindning av klrider är inkluderad. *. D,,,(c,,)#*r-* =+; ft randvillkr) D'àt D, (c,,,) är diffusins parametern sm antags ber på kncentratinen av vatten i betngen. U* åir nrcdelhastigheten av vattenfasen vilken är asscierad med flödet av vatten i prsystemet, U, bestäms med hjälp av ekvatin (3.3). Den reversibla reaktinen antags beskrivas enligt (3.2) (3.1) ãrr", - ãt M,t - Irct,,t (3.2) dàr )" är hastighetsknstanten för bindning av klrider från prlösningen till prväggen ch r är hastighetsknstanten för frigörelse av bundna klrider till prlösningen. Ekvatin (3.2) beskriver med andra rd en snabb transprt av klrider från prlösningen till prväggen när många "fria " platser finns tillgängliga denna hastighet trappas sedan successivt ned när allt fler fria platser ckuperas, vidare m kncentratinen i prlösningen vid någn tidpunkt blir låg tillåts bundna klrider frigöras till prlösningen dck med en relativt mindre mfãttning an vid bindningen. Masstransprten antags beskrivas med en linjär Fick's lag typ av ekvatin (3.3). u:" * D*(c,,)ãl': =0, dt dx- (+ randvillkr) (3.3) där D,r(c,) är diffusins parametern sm antags ber på kncentratinen av vatten i betngen. Ovanstående ekvatinssystem, det vill säga ekvatinerna ( ) gör det möjligt att simulera följande viktiga fysikaliska fenmen gällande vid masstranrprt i samband med tösaltade betngknstruktiner, där det skall bserveras att de lika fysikaliska prcesserna agerar samtidigt samt att de är kpplade. (u) Diffusinen av klrider i vattnetfasen är av gradient typ vilket innebär att höga kncentratiner av klrider i prlösningen diffunderar mt låga kncentratiner med en styrka bestämd av D". Det är viktigt att bservera att kncentratinen av fria klrider e,, ar definierad sm ml klrider per vlymandel vatten i betngen vilket, till exernpel, innebär att kncentratinen av fria klrider i prlösningen kmmer att spädas ut när vlymandel vatten i betngen ökar. (b) Styrkan av diffusinen i vattenfasen berr på vattenmängden i prsystemet vilket mtiveras av att klriderna får svårare att ta sig fram nåir vattenmängden åir 1åg. Diffusins parametern D,íc*) antags vara kvadratiskt berende på vattenmängden c,u, detta innebär till exempel att Dr reduceras med en fjärdedel när vattenmängden

7 c,,, halveras. Diffusins parametern berende av vattenmängden kallas "Iabyrint.fttktr" efter sm diffusins framkrnligheten minskas kraftigt då vattenmeniskerna i prsystemet ej är helt sammanhängande (c) (d) (e) (f) (t<) l(lridbindnings hastigheten antags ber på kncentratinen av klrider i prlösningen 7,, samt mängden ml (kncentratinen) klrider sm sitter bundna vid prväggarna c,,.. Antagandet gör att reaktinen är reversibel m  (hastighetsknstanten för bindning) ch p (hastighetsknstanten för frigörelse av bundna klrider) är skilda från nll. Om / sätts till nll är bindnings fenmenet irreversibel, det vill säga ingen frigörelse av bundna klrider kan förekmma. Sättet att beskriva bindningen har ingenting med den så kallade "bindnings istermen" att göra. bindnings istermen förutsätter att det alltid existerar ett känt samband rrellan kncentratinen av fria klrider ch bundna klrider, antagandet är rimligt speciellt när kncentratinen av fria klrider både ökar ch minskar precis innanför ytan i betngen när tösaltnings prblemet beaktas. Vattentransprten antags ej ber på närvarn av klrider i lösningen (till exempel smtiska effekter). Vattentransprten beskrivs med ett gradient berende av kncentratinen tillsammans med ett berende på kncentratinen c, självt. Antagandet gör det möjligt att simulera rimliga ökningar av vatten inträngning på grund av regn det vill säga kapillärsugning. Vattentransprten berr även på kncentratinen,c*, när den relativa fuktigheten varierar i mgivande miljö. Ett kraftigt språng av diffusins parametern Dr(c,) inträffar när kappilärsugning simuleras, D, antags öka med en faktr 20 när den relativa fuktigheten ökar från 99V till l00v (vattenfas, d.v.s. regn). När "fukthistrien" för det studerade fallet är känt, det vill säga när ekvatin (3.3) är löst, kan klridtransprten tillåtas ber på medelhastigheten av blandningen (vattnet) i prsystemet, detta fenmen kallas knvektin. Det åir mycket trligt att fènmenet gör sig gällande eftersm de fria klriderna i prlösningen tvingas med i rörelse riktningen av vattnet i betngens prsystem. Effekten av knvektin av klrider är naturligtvis mest dminant när kappilärsugning vid ytan inträffar på grund av regn, då både flödet av vatten ch kncentratinen av vatten i prsystemet rir höga vilket medför en hög medelhastigheten av blandningen. Uttrkning ch uppfuktning av prsystemet påverkar klridkncentratinen i prvattenlösningen, õ,,. Detta är givet av (3.1) eftersm fria klrider endast kan l'örekmma i prvattnet det vill säga kncentratinen av fria klrider är definierad srn mängden klrider i prvattnet. Fenmenet innebär till exempel att en kraftig tuttrkning vid ytan bidrar till att kncentratinen av fria klrider i prlösningen ckså stiger kraftigt vidare kmmer bindnings hastigheten öka efter sm denna är arntagen att ber på kncentratinen av klrider,e,,, ytterligare effekter blir att cliffusinen accelereras på grund av höga gradienter av kncentratinen õ", tuppkmmmer vid ytan. Med andra rd, samtliga fysikaliska fenmen påverkar varandra på ett eller annat sätt, systemet är kraftigt kpplat. Randvillkren ch dess variatiner med tiden måste väljas med största msrg eftersm dessa påverkar lösningsbeteendet till mycket str grad. Det är till exempel antaget att fria klrider i prlösningen ej har möjlighet att diffundera ut till mgivande luft vilket bland annat innebär att klrider sm väl har diffunderat in i

8 betngens prsystem har mycket svårt att ta sig ut till mgivningen. Däremt tillåts klrider vandra ut till ytan när ytan är belagd med en vattenfilm (vid till exempel regn). Vad det gäller knvektins flödet av klrider genm ytranden är situatinen tnnrlundà, här antags uttrkning av prvatten bidra till att klrider fljer med till ytan av betngen ch sedermera depneras där ch gör sig synlig sm utfällningar. Dessa ytfällningar antags sköljas brt vid efterföljande regn. Utförda datr simuleringar har visat att mycket små ändringar av förutsättningarna av randvillkren påverkar lösningen signifikant, därför bör studier ägnas åt att rlggrant beskriva lika klimat variatiner vid knstruktinsytr där till exempel Lösaltning förekmmer. Slutligen kan nämnas att beråikningen av klridinträngningen är knstruerad på ett sådant sätt att gdtyckliga variatiner av randvillkren med tiden kan väljas både för fukttransprten ch klridtransprten. (h) (i) Förlppet antags vara istermt vilket bland annat innebär att hänsyn till accelererad bindningshastighet vid låga temperaturer ch isbildning av prvatten ej kan simuleras. Effekterna är förmdligen mycket betydande för klridtransprten. Kmplexiteten av att införa energi ekvatinen är ckså mycket str. spänningar ch töjningar sm ger upphv till sprickbildning är ej beaktad i rndellen Datrprgt'atnmet för beräkningen av ekvatinerna ( ) är implementerad med hänsyn tagen till rnöjligheten att införa ytterligare antaganden m fysikaliska prcesser. De i huvudsak väsentligaste prcesserna trde dck vara medtagna i mdellen. 4 Beräknings exempel: yttre klimat variatiner ch dess fuktpåverkan av betngen Ett fall srn fcjrsöker efterlikna en perid med återkmmande tösaltning med en längre efterfciljande perid med ett "trrt" yttre klimat utan tösaltning på ytan kmmer her att redvisas. Klimatfallet är följande, tösaltning inträffar samtidig med mycket fuktigt klimat, det vill säga, tösaltningen medför att en salthaltig film bildas på ytan vilken kan kappilärsugas in i materialet. Sex stycken tösaltningar förekmmer med ett intervall av drygt en vècka, ytan antags var rsalthaltigi tredygn (0.25 [ml/liter] dygn I ch 3, samt 1.00 [muliter] dygn})i samband med en tösaltning, emellan tösaltningarna är luftfuktigheten satt till 75V relativ fuktighet. Kncentratinen av klrider vid randen är ej antagen till nll emellan tösaltnings tillfällena dck är diffusins flödet ut genm randen satt till nll vilket naturligtvis ckså är e1t föreskrivet landvillkr. Efter de sex tösaltnings tillfällena sm inträffar undei en ttal perid av 50 dygn inträder en perid av 50 dygn utan tösaltning ch en 75V relativ luft fuktighet. Fukthistrien på ytan ch inuti materialet visas i figur 4.1, där klimatet beskrivet van har anvzillts. Betngkvaliten srn fukttransprtdatan gäller för är en nrmal betng med vatten cement tal 0.5 [. Figur 4.1 illustrerar vidare att fuktupptagningen genm kappilärsugning är ett ytfenmen eftersrn fr-rkten endas påverkas till ett djup av 20 mm från ytan av betngen.

9 õ' E Þ1s ) Ë 120 I d 110 c O Ndalp. frm suface Time steps Figur 4.1 " Fuktltistrien" vid 7,tan ch inuti materialet vid lika tider. Resultatet cir representativt.för en nnnal betng nrcd vatten cenxent tal 0.5. De sex tösaltningstillfcillena, då fuktbelastningen antags vara hö9, gör sig synlig sm "spikar" i fukthalten vid ytan, det vill sciga dcir ndpunkter.frånytan är lika nrcd ett (ndp. frm surface = I). Ndpunktintervallet cir I [mm] ch redvisqt tidstegintervallet (tirne steps) cir I d1,gn. Resultatet visar att kapilldrsugningen av vattnet ir ett ytfunm.en sm endast påverkas till ett djup av ungefcir 20 [mm]. bercikningen utfördes med 200 tidssteg ch I0l ndpunkter. Figur 4.2 illustrerar samma sak sm 4.1 men här har fuktprfiler vid lika tidpunkter ritats in i en två dimensinellt figur där tidsskalan representeras av de lika visade fuktprfilerna. Randvillk rcn l4'7 [kg/m3] ch 122 [kg/m3] i figur 4.2 (eller alternativt 4.1) simulerar kapillär sugning ch mycket fuktigt klimat i samband med tösaltning. Figurerna 4.1 ch 4.2 visar även att vatten tränger in snabbt vid kappilärsugningen jämfört med uttrkningen sm inträffar mellan tösaltningsperiden ch efter tösaltningsperiden. Vid utvärderingen av klridtransprtens mfattning är inte endast fuktinnehållet i betngen vid lika materialpunkter ch tillfällen (tider) av intresse. För att kunna beräkna mfattningen av knvektin av klrider måste även medel hastigheten av blandningen (det vill säga av vattnet) beräknas. Dessa beräkningar är illustrerade i figur 4.3.

10 õ130 E ). 0) õ rz t ci c Ndalp. frm surface Figur 4.2 "Fukthistrien" vid ytan ch inuti materialet vid lika tider. Figuren visar sqmma resultat smfigur 4.2 illustrerat på ett alternativt sritt. (Ndpumkts avståndet cir dck 0.5 [mm] i dennafigur.) I 6 È6 (d, b Ëz õ E0-2 U Ndalp. frm surface Time steps Figur 4.3 MecleL hastigheten nv blandningen. Medel hastigheten iir asscierad med flödet av vatten skillnaden ligger dck i cttt den aktuella massdensiteten vdgs in i flödet. Figuren visar vidare att ntycket höga rnedelhastigheter uppkmmer i sambqnd med kapillärsugning eftersm lxide flödet ch ntctssdensiteten (kncentratinen) cir hög i dessa situatiner. Av figuren kan ckså utlcisas att knvektictnen (tv klrider ut mt ytan kmmer att vara betydligt mindre mfattande dn knvektin av klrider in i materiølet (m klrider finns nrirvarande i prlösningen) efiersm ntedelhastigheterrut i dessa fall rir låga.

11 Efterstn fukt ch kapillärtransprten antags påverkad av närvarn av klrider i prlösningen har endast detta fenmen redvisats i detta kapitel. Det är dck viktigt att ntera att resultaten illustrerade i figur 4.1 (eller 4.2) ch figur 4.3 kmmer att användas för att kunna beskriva mfattningen av klridtransprten i materialet. 5 Beräknings exempel: yttre klimat variatiner ch klridtransprt i betng I detta kapitel kmmer lika antaganden rörande klridtransprten att testas för att möjliggöra en parameter studie av de lika fenmenens relativa betydelse. Randvillkren för saltknsentl'atins lösningen krnmer, sm tidigare nämnts, att antagas vara hög samtidigt sm fukt rniljön vid randen är hög (för att simulera tösaltning). Uttrkning kmmer efterflja tösaltningsperiderna då diffusins flödet ut genm randen antags vara nll, däremt kan klrider ttansprteras med hjälp av knvektin ut genm randen vid dessa typer av situatiner. Till att börja med kmmer det enklas möjliga fallet att studeras nämligen att fukthistrien ch cless flöden inte på verkar klridtransprten överhuvud taget. Vidare kmmer ingen bindning av klrider från prlösningen till prväggarna att beaktas det vill säga endast "fri" klridtransprt kmmer att studeras. Randvillkren för klridtransprt ekvatinen kmmer dck att vara samma sm för tösaltningsfallet för att senare möjliggöra jämförelser med simulelingar med förfinade antaganden. Figur 5.1 visar inträngningen av fria klrider i prlösningen vid lika tids tillfällen õ 0.7 s.. '6 E.E 0.5 Ð '5 0.4 E tl Ndalp. frm surface Figur 5.1. Klridintrringning vid lika tidpunkter. Dffisin parametern Dr antags htir vara l erende av kncentratinen av vatten ch rjr lika med D. = 3.33e-12 [m2/s]. Ndpunkt av sttindet dr I [mm], klriderna "ktinns av" på eu djup av ungefcir I0 [mm]. Observera att kttttcentratinen (w klrider cir definierad sm ml per liter prvatten i betngens prsystem. Resultatet i figur 5.1 kmmer nu jämföras med ett fall där diffusinen frtfarande är berende av kncentratinen av vatten i prsystemet. Den enda skillnaden åir nu att beräkningen redvisad i figur 4.3 rörande medel hastigheten (- flödet) hs vattnet i betngen

12 beaktas det vill säga effekten av knvektinen av klrider studeras. Endast "fria" klrider studeras, precis sm i fallet illustrerat i figur 5.1. Av l'igur 5.2 framgår nu tydligt att knvektinen bidrar till att de "fria" klrid kncentratinerna ökar ch tränger in djupare från ytan jämfört med fallet i figur 5.1, där endast diffusin transprt beaktades. Det skall nteras att inträngningen av klrider värkar på saûnlla inträngningsdjup av vatten sm kapillär sugningen bidrar med, jämför figur 4.1 ch 4.3. Det kan ckså bserveras att effekten av knvektin av klrider ut genm randen är mycket litell vilket kan förklaras med att medelhastigheten hs vatten sm trkas ut är låg..= ã 0.7 õ.e. 0.6 c O q) õ E 3 0.3!L Ndalp. frm surface Figur 5.2. Klridintrüngning vid lika tidpunkter. Dffisin parametern Dct antags hdr vara l erende av kncentratinen av vatten ch är lika med D" = 3.33e-12 [mz/s]. Knvektins e.ffekten inducerad av prvattnets rörelser beqktas med hjrilp av resultat från fukttransprt ekvatinen, jcintför figur 4.3. Ndpunkt av ståndet rir I [mm], klriderna "l<tinns av" på en djup av ungefòir l5 [mnt]. Observera att kncentratinen av klrider dr definierad sm ml per liter prvatten i betngens prð)stem. I nästa exetnpel, figur 5.3, kmmer effekten av diffusins parameterns D" (cr) berende på vattenkncentratinen, "labyrint effekten", samt uttrkning/uppfuktningens påverkan på den "fria" klridkncentratinen i prlösningen. Bindningen ch knvektinen beaktas ej vilket gör att resull rten kan jämför'as med de resultat redvisade i figur 5.1. Denna beräkning, figur 5.3, visar att "labyrint effekten", samt uttrkning/uppfuktnings effekten påverkar klridkncentratinerna främst vid ytan där vattenkncentratinen i materialet varierar mycket. Den någt högre kncentratinen vid ytan, jämfört med exemplet i figur 5.1, berr på att kncentratinen i prlösningen ökar på grund av att uttrkningens effekten àir "st rrkare" än diffusins transprten brt från mrådet.

13 ò v.. õ E,j U.tr C O.E 0.5 Ð c 303 LL Ndalp. frm surface l'-igur 5.3. Klridintrtingning vid lika tidpunkter. Dffisin parametern D (c*) antags hcir vara kvtttlratiskt berende av kncentratinen av vatten ch cir lika med D,(c,) = 5.0 e-12* (cntl50)'z n2/sl. Vcirdenct på c,,,vid lika materialpunkter ch tidstillfe)llen hrimtas från vattentransprt elcvcttinen, jcinrfr)rfigur 4. I (eller 4.2). Ndpunkt avståndet cir I [mm], klriderna "känns av" på en djup av ungefiir l0 [nun]. Observera att kncentratinen av klrider e)r definierad sm ml per Iiter prvatten i betngens prsys n1. Beräknings exemplen illustrerade i figurerna har endast genmförts fcir att jämföra lika effekter' tv lika agerande prcesser vid klridtransprt kpplad med fukttransprt. Den kanske viktigaste styrande prcessen, nämligen bindningen, har därför med avsikt ignrerats för att dessa fenmen skall bli synliga. I de följande exemplen kmmer dck alla styrande fenrnen presenterade i kapitel 3, punkterna (a)-(g), att beaktas ch det visar sig att beskrivningen av hur bindningen av klrider i prlösningen till prväggarna agerar påverkar resultaten till rnycket hög grad. Första exemplet med alla prcesserna (a)-(ð inkluderade beskriver ett prblem där bindrringen antags vara irreversibel, det vill sa1a Ir = 0. Hastighetsknstanten för bindningen av klrider' åir antagen till 2 = 0.05 [ml/(liter dygn)] vilket är ett mycket högt värde sm kmmer bidra till att "fria" kncentratinen av klrider i prlösningen, i det betraktade tidslterspektivet, kmmer att reduceras kraftigt, jämför figur 5.4. Den "ttala" klriclknccn[ratinen vid lika tidpunkter är illustrerad i figur 5.5, det vill säga bundna plus fria kncentr' ttiner sm är definierad sm ml klrider per liter material. Detta mått är det enda sm nred någrlunda str precisin kan mätas upp i fält. Sm synes i figur 5.5 så är inträngnirrgsdjupen av de "ttala" kncentratinerna begränsade till ett mycket litet mråde vid ytan av betngen, ungefär 7 [mm].

14 0.8 õ.= ã 0.7 õ.e c 0.6.E 0.5! 'E 0.4 c O LL Ndalp. frm surface Figur 5.4. Klridintrcingning vid lika tidpunkter. Dffisin parametern D (c*) antags hcir vara kvadratiskt berende av kncentratinen av vetten ch cir lika med D"(c*) = 5.0 e-12* (c,,/150), tn2ß1. Vcirdenct på c,,,vid lika materialpunkter ch tidstillftillen hamias från vattenìrànsprt ekvutinen, jrìn{örfigur 4.1 (eller 4.2). Indatatill knvektin berdkningen är illustrerad ifigur 4-1. Ndpunkt avstån.det ür I [ntnt], Hastighetsknstantenför bindningen av klrider cir øntagen tilllv= 0.05 [ml/(lirer dygn)]. klriderna "känns av" på ett djup av ungeftir 7 [mm]. Observera tt kncentratinen cw klrider ör definierad sm ml per liter prvatten i betngens prsystem = ã 0.35 s. d 0.3 c q) õ'5.z! E.rs a F B Ndalp. frm surface Figur 5.5. Suntman av Jria ch bundna klrider för føllet i figur 5.4. Observera att futttcentratinen av klrider cir definierad sm ml per liter mnterial, det vilt sì)ga de "fria" futtt.centratinernct i prlösningen i betngen har rciknats m för att passa denna alternativa d cf i nit in av kl ridk nc e nt ratin.

15 Det sista cxernplet med alla prcesserna (a)-(ð inkluderade beskriver ett prblem där bindningen antags vara reversibel, det vill säga hastighetsknstanten för frigörelse av bundna klriclcr är antagen till r = 0.01 fml/(liter dygn)] ch hastighetsknstanten för bindningen av klricler ril iurtargen till )" = O.O3 [ml/(liter dygn)]. Antagandet kmmer bidra till att binclningen rir snabb i början då antalet bundna klrider är få, bindnings prcessen kmmer sedan saktu avt r dest mer klridel sm binds. Situatiner när bundna klrider frigörs till prli)sningcn kan naturligtvis ckså förekmma under förutsättning att kncentratinen i prlösningcn eir låg samtidigt sm antalet bundna klrider är strt '-.4 = ; 0.35 õ.e, 0.3 C O.5 0.2s Ð'E.z c O I g 0.15 I Ndalp. frm surface l'i ur 5.6. Sunun(tn av.fria clt bundna klrider. Obsen,era att kncentratinen av klrider cir dtf'inierad snt ntl per Liter material, det viil säga de "fria" kncentratinerna i prlösningen i be.tngen hctr rtiknats m.för att passa denna altemativa definitin av klridkncentratin. Dilfùsin parctnletern D,t(c,,) antags hcir vara kvadratiskt berende av kncentratinen av vatten <'h iir Lika nrccj D"lc*) = 5.0 e-12* (c,,/150)2 [m2/s]. Vcirdena på c*vid lik materialpunkter ch titlstillfcillen hcinttas frcin vattentransprt ekvatinen, jömför fìgur 4.1 (eller 4.2). Indatq till kttvektin berrikningen dr illustrerad i figur 4.3. Ndpunkt avståndet cir I [mm]. llct:^tighetsknstdntenför bindningen av klrider är antagen tilllv= 0.03 [mu(iiter dygn)] ch Itttstiglrctsknstanten för frigörelse av bundna klrider (ir antagen till t = 0.01 [mu(liter dygn)]. Klridern.a "kcinns av" tå ett djup av ungefòir 7 [mm]. 6 Slutsatser Simuleringen visar väsentligen att bindningen är av psitiv betydelse när det gäller tösaltade betng knstruktiner eftersm inträngningsdjupen av klrider dämpas kraftigt av inbinclningcrì av klrider till prväggarna. Knvektinen ch uttrkning/uppfuktnings effekten på gllrnd a.r, variatinen i yttre fukttillstånd visade sig påverka inträngningen av fria klrider i prlösningen signifikant, i negativ riktning. Upprättarrcle av nnrìer för mfattningen av klridinträngning ch dess skadeverkningar är i dags dat e r svår uppgift i vilket fall m dessa nrrner skall baseras på fysikaliska fenmen. En viktig del av tösaltningsprblemet är att mäta upp klimatvariatinen vid knstruktins ytr

16 vad avser l'ukt ch saltkncentratiner, på grund av att randvillkren är en av de faktrer sm påverkar löslrings beteendet till str grad. Bilaga 1: tvir.jämförande fall Ett fall dür' t(rsaltning inträffar en månad m året kmmer här att jämföras med ett fall där en knst urt klriclbelastning är applicerad vid ytan. De två lika yttre klimatfallen är illustrerade ifiglrlerna Bl.l chb1.2., Material l<nstanterna ch material parametrarna i ekvatin antas vara bestämda rill: D.r(c*) = 5.0 e-12* (c*/750)2 [m2ls]. 2 = 0.03 [ml/(liter dygn)] r = 0.01 fmt/(liter dygn)]. D*(c*) = funktin av c* enligt [], mtsvarar en betng med v.c.t = 0.5, [m2ls]. Ranclvillk ren f ör fall 1 är illustrerade i figur B 1.1. Tösaltningen antags ske en månad m året med en kncentratin av 100 gram natriumklrid per liter vatten. Emellan tösaltrrirlgstillfällena antas klimatet vara trrt (RF = 707) samt att inga klrider finns närvarande. NaCl. knc. tid ar r r' I a t i ufr.tkti glrct [ 7 ] Itir -> tid 2cir 3år 9år l0år l"il4ttr Bl.l Fall l. Varic tin av klimatet i betngens mgivning. RF = 1007 mtsvarar t,tttcttlrulten t45 [kg/nf] ch RF = 707 mtsvarar vattenhalten 96 [kg/m]1. N' t r i unt.kl ridknc entratine n I 00 [ g/l] mtsvarar 1.7 [ml (NaCI)/l]. Det studeracle fallet (fall I) kmmer att jämföras med faii 2 där betngen är knstant vattentnättud s unt att klridbelastningen är knstant. Den knstanta klridbelastningen åir satt till samrn r höga nivå sm i faii I, för att kunna göra en relevant jämförelse fallen emellan, jämför figur B 1.2.

17 + l0 år ri,r l:igur Bl.2. FalL 2. Knstant kltmøt i betngens mgivning. För.faLl / erhölls, efter lösandet av ekvatinerna , följande "klridprfiler" vid tidpunkterna I- l0 år: "bunden + fri" klridkncentratin avstând frân betngytan [mm] l--i3ur BI.j. Føll I, ttal klridkncentratinvid tì.dpunktertia l-10 år.

18 2 "f ri" klridkncentratin 18 =16 c (t!:l+ è,, I c1 Ð- 'E e õ E O =06 c avstând från betngytan [mm] klridknc entratin vid tidpunkterna I - I 0 år. kncentratin av prvatten 106 CD f ( E J lz! l I e g 100 cl g -98 c 96 I i,qttr B 1.5. FuLI l, vatteninneltåll i betngen vid tidpunkterna l-10 år.

19 För.lhll2 crhölls, efter lösandet av ekvatinerna , följande "klridprfiler" 09 "bunden + fri" klridkncentratin 0.8 =:.7 c õ^^ u.t e -ôq c ð'504 õ c903 c * avstånd från betngytan [mm] I i ttr Fall 2, ttal klridkncentratinvidtidpunkterna I-10 år. 2 "f ri" klridkncentratin c (s = = c z t t avstånd från betngytan [mm] I i,qttr Bl.7 FalL 2, ttal klridkncentratin vid tidpunkternq I-10 år.

20 Skilln rclen pii inträngning ch bindning av klrider för de två lika fallen är inte påtagligt str, þmîöl till cxcmpel de ttala klridprfilerna för de två fallen, figur 81.3 ch Förklaringcrr till att tsaltningsfallet (falt 1), i det närmaste, har samma mfattning av intriingning sn-t.ftil 2 ar att kapillärsugningen bidrar till knvektiva inflöden av klrider iamt att ttttt'krlirrgsef'fkten bidrar till att kncentratinen av klrider i prlösningen ökar vilket mecllr att ckså difftrsinshastigheterna av klrider in i betngèn ökar. Fenmenet att mfattrlirlscrr rlv inträngningen för de två lika fallen är mycket lika inträffar trts att klriclbelaslrrrìgen vid betngytan för fau I endast är utsatt för klrider en tlftedel av exprrclinustrclcn i järnförelsq med t''all 2. Det bör tlck nteras att ett annat val av variatiner av randvillkr än de visade i figur Bl.1 rlryckcl v2il kan bidra till en mycket större eller mycket mindre mfattning- v klridint"ràinuning ân det knstanta fallet (føtt 2)

21