Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Transport i krystalizacja soli w materiałach budowlanych

Koniorczyk M.

Zeszyty Naukowe. Rozprawy Naukowe / Politechnika Łódzka

|

2013

|

Z. 443

1--168

PL

Praca poświęcona jest zagadnieniom transportu i krystalizacji soli w porowatych materiałach budowlanych. Przedstawiono w niej podstawy teoretyczne i wyniki badań doświadczalnych wybranych parametrów opisujących strukturę wewnętrzną materiałów budowlanych. Praca składa się z dwóch części: w pierwszej opisano wyniki badań doświadczalnych związanych z transportem i krystalizacją soli w materiałach budowlanych. W drugiej - skoncentrowano się na omówieniu modeli matematycznych służących do opisu zjawisk towarzyszących obecności soli w porach materiałów budowlanych. W rozdziale drugim opisano cztery grupy doświadczeń, mających na celu analizę wpływu soli rozpuszczonej i wytrąconej w porach materiału na właściwości cieczy porowej i szkieletu ośrodka. Porozymetrię rtęciową wykorzystano do analizy zmian struktur wewnętrznych zaprawy cementowej i cegły ceramicznej, spowodowanych krystalizacją soli NaCl, Na2SO4, Ca1Cl2 Krystalizacja soli była skutkiem wysychania cieczy oraz chłodzenia materiału. Podczas badań wykonano dwa cykle intruzji-ekstruzji rtęci, dzięki czemu uzyskano informacje dotyczące całkowitej porowatości, rozkładu wielkości porów oraz udziału porów butelkowych w całkowitej porowatości. Następnie opisano wyniki badań dotyczące wpływu soli NaCl oraz CaCl2 na sorpcję wilgoci w cegle oraz zaprawie cementowej. Wilgotność względna powietrza nad roztworem soli równa się aktywności wody i jest niższa niż nad czystą wodą. Wykonano badania izoterm adsorpcji i desorpcji wilgoci w eksykatorze metodą nasyconych roztworów soli. Otrzymane wyniki potwierdzają fakt, że wilgotność materiału znacząco zależy od zawartości w nim soli, przy czym im wyższe jest stężenie soli, tym wilgotność materiałów jest wyższa, przy danej wilgotności względnej otaczającego powietrza. Kolejne badania poświęcone były zjawiskom cieplnym towarzyszącym krystalizacji soli. Krystalizacja Na2SO4 jest procesem egzotermicznym. Pomiar ciepła wydzielanego podczas krystalizacji soli zastosowany został do oszacowania parametrów równania definiującego kinetykę wzrostu kryształów. Opisano również dyfuzyjny i adwekcyjny strumień masy, z uwzględnieniem zjawiska osmozy, oraz przewodzenie ciepła w porowatych materiałach budowlanych zawierających wilgoć oraz sól, na podstawie odpo¬wiednio rozszerzonego prawa Ficka, Darcy’ego oraz Fouriera. Uwzględniono w nich wzajemne sprzężenia pomiędzy strumieniem wilgoci i soli oraz fakt, że materiał o bardzo drobnych porach może działać jako membrana półprzepuszczalna. Część teoretyczna pracy obejmuje trzy rozdziały. W pierwszym opisano model krystalizacji soli, który bazuje na sformułowaniu zaproponowanym przez Steigera (2005a,b). Krystalizacja soli następuje z przesyconego roztworu, którego stopień wyznaczany jest za pośrednictwem aktywności jonowej. Kinetyka wzrostu kryształów soli opisana jest izotermą Freundlicha, która uwzględnia zarówno proces krystalizacji, jak również rozpuszczanie istniejących kryształów soli. Ciśnienie, które towarzyszy wzrostowi kryształów soli, wyznaczane jest na podstawie stopnia przesycenia roztworu i uwzględnia wpływ wielkości oraz kształtu porów, które ograniczają wzrost kryształów. Ciśnienie krystalizacji uwzględnione jest podczas wyznaczania naprężeń w ośrodku porowatym jako oddziaływanie jednej z faz wypełniających pory, przy zastosowaniu teorii naprężeń efektywnych. W kolejnym rozdziale części teoretycznej przedstawiono najważniejsze etapy formułowania modelu matematycznego opisującego sprzężony transport soli, wilgoci i energii w odkształcalnym ośrodku porowatym z uwzględnieniem krystalizacji soli oraz jego rozwiązanie numeryczne. Stosując metodę uśredniania objętościowego, z równania zachowania uogólnionej wielkości termodynamicznej w skali „mikro” wyprowadzono pięć równań bilansu w skali „makro”: równania bilansu masy wilgoci, soli i suchego powietrza oraz równania zachowania energii i pędu w ośrodku wielofazowym. W pracy podano metodykę rozwiązania zaproponowanego modelu matematycznego przy wykorzystaniu następujących metod numerycznych: metody Eulera wstecz, metody elementów skończonych, metody Newtona-Raphsona. W ostatnim rozdziale przedstawiono wyniki symulacji numerycznych, pewnych praktycznych problemów dotyczących procesów higrotermicznych oraz trwałości przegród wykonanych z materiałów, w porach których obecna jest sól. Pierwszym zadaniem jest analiza stanu wilgotnościowego przegrody zawierającej sól. W opisie izoterm sorpcji wyniki badań doświadczalnych aproksymowano przy pomocy sztucznych sieci neuronowych. W kolejnym rozważanym zadaniu modelowano proces krystalizacji siarczanu sodu wywołany ochładzaniem oraz rozpuszczanie kryształów spowodowane ogrzewaniem materiału. Rozwiązując zadanie odwrotne, oszacowano parametry opisujące kinetykę krystalizacji siarczanu sodu w cegle ceramicznej. Kolejne zadanie dotyczyło symulacji podciągania kapilarnego roztworu chlorku sodu w wodzie, w zaprawie cementowej i piaskowcu. Wyniki symulacji numerycznych porównano z danymi uzyskanymi przez Černego i in. (2004) oraz Ruckera i in. (2003). Rozwiązany problem stanowi jednocześnie weryfikację eksperymentalną modelu matematycznego i rozwiązania numerycznego. Podczas analizy podciągania kapilarnego wodnego roztworu chlorku sodu w zaprawie istotna okazała się składowa osmotyczna adwekcyjnego strumienia masy. Ostatnim rozważanym problemem była analiza krystalizacji soli podczas wysychania betonu i cegły ceramicznej. Wyniki symulacji numerycznych wskazują na istnienie niebezpieczeństwa uszkodzenia powierzchniowych warstw cegły ceramicznej w wyniku krystalizacji soli.

EN

The presented work is devoted to the analysis of salt transport and crystallization in porous building materials. The experimental results considering the influence of salt on the internal structure of porous materials are shown. The presented research might be divided into two parts. The first one contains the results of research aiming at the experimental analysis of salt transport and crystallization and the processes related. The second part is devoted to the theoretical and mathematical description of the coupled mass and energy transport in deformable porous media. The first experimental part considers four groups of physical phenomena which are related with salt transport and crystallization. Mercury intrusion porosimetry was used to analyze the influence of NaCl, Na2SO4, Ca1Cl2 crystallization on the porous structure of ceramic brick and cement mortar. The salt crystallization was induced by water drying and material cooling. Two mercury intrusion-extrusion cycles were applied in order to investigate the total porosity, pore size distribution and the pore shape (contribution of ink-bottle type pores). In the next section the influence of NaCl and CaCl2 on adsorption and desorption isotherms of ceramic brick and cement mortar was investigated. The relative humidity of air above the salt in water solution is equal to water activity and is lower than the value above the pure water. The samples were placed in desiccators, where the conditions were set using the salt solution method. The obtained results indicate that the salt has an significant influence on the moisture content of porous materials. The higher salt content is the more moisture is absorbed by the material at the same boundary conditions. The crystallization process is accompanied with thermal effects. Measurement of the heat, which is released during the crystallization process, might be helpful while estimation of salt crystallization kinetics parameters. The last chapter of that part is devoted to the description of mass and energy fluxes. The advective, diffusive mass flow, considering the osmotic terms, and the heat conduction are described by means of extended Darcy, Fick and Fourier law appropriately. The material with well developed pore structure may act as a semi-permeable membrane, which allows water migration but partly blocks salt transport. The theoretical part contains three parts. The first one is devoted to the derivation of salt crystallization model. The proposed model is based on the formulation proposed by Steiger (2005a,b). The salt crystallizes from the supersaturated solution. The salt crystallization ratio is described by means of ion activities, which are calculated using the Pitzer model. The kinetics of salt phase change is described by the Freundlich isotherm, which considers both salt crystallization and dissolution. Salt crystallization starts from the largest pores. The pressure, which is released during the crystal growth, depends on the solution supersaturation ratio and on the pore diameter. The effective stress principle is applied in order to take into account both the external load and the pressure, which is induced by the phases occupying the air voids. The next chapter contains the milestone description of mathematical model description. Firstly the conservation equation is derived in the micro-scale. Then using the Volume Averaging Theory the balance equation in the macro-scale is derived. The mathematical model consists of five balance equations: moisture, dry air and salt mass conservation, energy and momentum balance equations, which are supplemented by the crystals evolution equation. The numerical methods used to solve the governing PDE are shortly described: the finite difference method, the final element method, the Newton-Raphson scheme. In the last chapter the verification and validation of mathematical and numerical model are presented. The capillary suction experiment (Rucker et al. 2003, Černy et al. 2004) was chosen to compare the experimental and numerical results considering moisture and salt concentration. The osmotic salt flow was observed while investigating the mass transport in cement based materials. Solving the appropriate inverse problem the kinetics parameters of NaCl salt and ceramic brick were estimated. The influence of salt on the drying rate of concrete wall was investigated. The experimental results, presented in chapter two, were approximated using artificial neural networks. The last analyzed problem considers the pressure which is induced by the salt crystallization in concrete and ceramic brick during drying. The starting point of the analysis is the microstructure of the materials. Concrete has very fine pore structure and very low intrinsic permeability, while ceramic brick has relatively large pores and intrinsic permeability coefficient. The simulation result indicates that the damage of the ceramic brick surface layer is very likely. The experimental results are very helpful for better understanding of the physical processes related with salt presence in porous building materials. The developed computer code enables to investigate the durability and assess the damage of materials caused by the salt crystallization.

2

Transport i krystalizacja soli podczas wysychania materiałów budowlanych

Koniorczyk M., Grymin W., Konca P., Gawin D.

Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska

|

2012

|

z. 59, nr 3/III

25-32

PL

W referacie przedstawiono model matematyczny procesów higro-chemo-termo-mecha- nicznych zachodzących w porowatych materiałach budowlanych, zawierających sól podczas ich wysychania. Sól obecna w porach materiałów budowlanych zmienia ich strukturę we-wnętrzną. Kryształy soli zajmują część porów, zmniejszając tym samym efektywną porowa- tość oraz przepuszczalność właściwą. Materiały zawierające sól charakteryzują się wyższą wilgotnością niż te same materiały bez soli. Podczas badań eksperymentalnych przeanalizo-wano wpływ soli na izotermy desorpcji wilgoci wybranych materiałów budowlanych. W matematycznym opisie zjawisk transportowych uwzględniono kinetykę przemiany fazowej soli, która modelowana jest za pomocą nierównowagowej izotermy Freundlicha. Ciśnienie krystalizacji soli zależy od stopnia przesycenia roztworu, które jest funkcją aktywności jono-wej elektrolitu. Aktywność jonowa wyznaczona jest przy zastosowaniu modelu Pitzera, który uwzględnia zarówno oddziaływania krótkiego, jak również długiego zasięgu. Ciśnienie kry-stalizacji uwzględnione jest jako dodatkowe obciążenie wewnętrzne działające na szkielet ośrodka. Stosując metodę elementów skończonych i metodę różnic skończonych rozwiązano równania rządzące modelu oraz opracowano program komputerowy, za pomocą którego wy-konano symulacje transportu masy oraz krystalizacji soli podczas izotermicznego wysychania wybranych materiałów budowlanych.

EN

A mathematical model of chemo-hydro-thermo-mechanical behaviour of porous building ma-terials considering salt transport and crystallization during drying of building materials is pre-sented. The experimental study concerns the influence of salt contained in the pores on the effective porosity, intrinsic permeability and desorption isotherms of two building materials. An additional pressure due to salt crystallization is taken into account by means of the effec-tive stress principle. The Pitzer ion interaction model and the Freundlich non-equilibrium iso-therms are used to define the kinetics of salt crystallization/dissolution. The solution proper-ties and magnitude of crystallization pressure depend on the internal pore structure of the ma-terial. The model equations are solved by means of the finite element and finite difference method. Using the developed software the drying process of some building materials and po-tential damage due to salt crystallization is analysed.

3

Przepływy wilgoci w zasolonej ceramice budowlanej

Kubik J., Kucharczyk A.

Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska

|

2012

|

z. 59, nr 3/III

33-38

PL

W referacie zaproponowano model matematyczny procesu suszenia ceramiki budowlanej nasączonej roztworami soli. Przedstawiano również wyniki badań laboratoryjnych suszenia ceramiki nasyconej wodą destylowaną oraz wodnymi roztworami siarczanu glinu.

EN

In this paper the mathematical model of drying of building ceramics saturated with salt solutions was proposed. The laboratory investigations of drying of ceramics saturated with distilled water and aqueous solutions of aluminum sulphate was also presented.

4

Water and salt solution transport properties of high-density hydrophilic mineral wool

Michálek P., Tydlitát V., Černý R.

Roczniki Inżynierii Budowlanej

|

2006

|

z. 6

83--86

CS

V článku jsou analyzovány transportní vlastnosti vody a roztoku solí hydrofilního materiálu na bázi minerální vlny s vysokou objemovou hmotností. Sledovanými parametry jsou absorpční koeficient vody/solného roztoku a faktor difúzního odporu vodní páry. Výsledky experimentů ukazují, že studovaný materiál představuje perspektivní směr vývoje, protože transport kapalné vody i roztoku soli je v něm výrazně rychlejší než v podobných typech minerálních vln vyrobených dříve a parametry přenosu vodní páry se významně nemění.

5

Calculation of moisture diffusivity and chloride diffusion coefficient of sandstone using data from a single experiment

Fiala L., Pavlík Z., Jiřičková M., Černý R.

Roczniki Inżynierii Budowlanej

|

2006

|

z. 6

21--24

CS

Práce se zabývá stanovením součinitele vlhkostní vodivosti a difúzního součinitele chloridů pískovce. Transport solného roztoku je popsán pomocí difúzně-advektivního modelu se zohledněním vlivu vázání iontů solí na stěny porézního prostoru. Získané výsledky ukazují, že transport solného roztoku pórovým systémem pískovce není realizován pouze na principu difúze a advekce, ale důležitou roli zde hrají i další jevy, například povrchová difúze, která transport solného roztoku značně urychluje.

6

Numerical modelling of coupled heat, moisture and salt transport in porous materials

Koniorczyk M., Gawin D.

Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences

|

2006

|

Vol. 13, No. 4

565-574

EN

A mathematical model describing coupled heat, moisture and salt transport in porous materials is pre-sented. Salt dissolved in water can be transported due to various mechanisms: dispersion caused by the salt concentration gradient, and advection resulting from the capillary pressure gradient. The influence of salt on the physical properties of water such as density and dynamie viscosity is also considered. The isotherms of water sorption are modified to take into account both osmosis and effects of the salt presence on the surface tension and contact angle. Salt precipitation in the state of thermodynamic equilibrium between dissolved and crystallized salt is also considered. Finally, the model equations were discretized in space by means of FEM and the HMTRA-SALT software was developed. An example concerning a wali drying process was numerically solved to show the robustness of the code.