A Moving-Boundary Problem: Modeling, Analysis and Simulation of Concrete Carbonation

Autor(en): Muntean, Adrian 24. Mai 2006 Seiten: 158 Auflage: 1 Sprache: EN ISBN-10: 3865378773 ISBN-13: 9783865378774 Zugeordnete Fachbereiche: Mathematik Kategorie: Dissertation Bezugsmöglichkeiten Print Version 23,00 € 21,85 € In den Warenkorb eBook (1529.6 kB) 23,00 € In den Warenkorb

Kurzbeschreibung

Durch Karbonatisierung von Calciumhydroxid in Stahlbeton sinkt der pHWert des Porenwassers dramatisch. Die Passivschicht des Stahls wird dadurch instabil, und der Stahl ist Korrosionsangriffen ungeschützt ausgesetzt. Dadurch kann die Dauerhaftigkeit des Stahlbetons beeinträchtigt werden. Dieses Phänomen ist einer der wichtigsten Prozesse, die Korrosion von Baubeton einleiten können. Ein besonderes Merkmal der Karbonatisierung ist die Bildung von makroskopischen dünnen Reaktionsschichten oder von scharfen Grenzflächen, die in den ungesättigten Beton eindringen. Die tiefere Ursache für die Bildung solcher Muster ist nicht ganz klar, obwohl die wichtigsten chemischen und physikalischen Gründe bekannt zu sein scheinen.

Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Bewegung interner Reaktionsschichten zu verstehen, um in der Lage zu sein die Karbonatisierungseindringstiefe vorherzusagen.Wir beschreiben verschiedene Karbonatisierungsszenarien mittels moving- reaction interfaces - Formulierungen. Nicht-lokale dynamische Gesetze werden verwendet, um den Fortschritt der internen Reaktionsschichten, die verschiedene Modellierungsgebiete trennen, zu modellieren. Wir leiten sie für einfache Geometrien ab, wobei die physikalisch-chemischen Eigenschaften beachtet werden. Die moving-boundary - Methode basiert auf diesen Gesetzen, die meistens eine Beschreibung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Reaktionsfront sind. Die Genauigkeit der Vorhersage hängt mit den zusätzlichen Gesetzen und der Definition der Frontposition zusammen. Wir untersuchen denWettbewerb zwischen den Effekten der nicht-linearen Karbonatisierungskinetik, der molekularen Diffusion und der Lösungs- und Fällungs-Mechanismen, die in ungesättigtem Beton stattfinden.

Der Karbonatisierungsvorgang wird, mathematisch gesehen, durch gekoppelte semi-lineare Systeme partieller Differentialgleichungen vom Diffusions- Reaktionstyp in bewegten Gebieten beschrieben. Nicht-lineare Transmissionsbedingungen vom Rankine-Hugoniot-Typ werden auf den inneren Rändern vorgeschrieben. Die Bewegung der karbonatisierten und nicht-karbonatisierten Gebiete ist durch nicht-lokale Gesetze gegeben. Wir beweisen die lokale und globale Existenz und Einzigkeit der Lösungen und auch deren Stabilität bezüglich der Anfangsbedingungen und Modellparameter. Wir erhalten untere und obere Schranken, zum Beispiel für die Geschwindigkeit der Reaktionsfront und die Karbonatisierungszeit eines Betonteils.

Die Beobachtung solcher Prozesse ermöglichen Schlussfolgerungen über das Verhalten der Bewegung der Reaktionsfront, und führt zu einer besseren Vorhersage der Eindringtiefe und der Korrosionseinleitungszeit. Die moving-boundary - Methode wird numerisch illustriert, unter Verwendung experimenteller Ergebnisse aus der Literatur. Die theoretische Vorhersage ist im Einklang mit beschleunigten und natürlichen Karbonatisierungsversuchen. Insbesondere ist die Übereinstimmung
der gemessenen mit der berechneten Eindringstiefe vernünftig.

Description

Environmental impact on concrete parts of buildings results in a variety of unwanted chemical and chemically-induced mechanical changes. The bulk of these changes leads to damaging and destabilization of the concrete itself or of the reinforcement embedded in the concrete. One important destabilization factor is the drop in pH near the steel bars induced by carbonation of the alkaline constituents. This is caused by atmospheric carbon dioxide diffusing in the dry parts and reacting in the wet parts of the concrete pores. The phenomenon is considered as one of the major processes inducing corrosion in concrete.
A particular feature of carbonation is the formation of macroscopic sharp reaction interfaces or thin reaction layers that progress into the unsaturated concrete-based materials. The deeper cause for the formation of these patterns is not quite clear, although the major chemical and physical reasons seem to be known.

The main objective of this work is to understand the movement of internal reaction layers in order to be able to predict the carbonation penetration. We describe several relevant settings of the carbonation process by means of moving-reaction interface formulations. Non-local dynamic laws are used to model the advancement of the internal layers, which separate different modeling zones. We derive them via first principles for simple geometries using the physics and chemistry of the problem. The moving-boundary methodology essentially relies on these laws, which are usually descriptions of the velocity of the reaction front position. Specifically, the accuracy of the prediction is based on these supplementary relations and on a proper definition of the reaction front position. We investigate the competition between the non-linear carbonation kinetics effects, molecular diffusion and dissolution-precipitation mechanisms, which take place in the unsaturated concrete fabrics.

Mathematically, the proposed models form coupled systems of semi-linear partial differential equations in two-phase moving domains. Non-linear transmission conditions of Rankine-Hugoniot type are imposed across the inner boundary that separates the carbonated regions from the uncarbonated ones. The movement of these regions is determined via non-local dynamics laws. Local and global existence, uniqueness and stability of the weak solution with respect to the initial data and parameters are shown. Useful upper and lower bounds, for instance on the velocity of the reaction front and on the time to complete the carbonation of a given part of a concrete sample, are obtained.

Monitoring of such processes enables conclusions about the behavior of the moving-reaction front and can lead to a better prediction of penetration depths and of the corrosion initiation time. The moving-boundary methodology is illustrated numerically using experimental data extracted from the literature. The theoretical predictions compare well to the data from accelerated and outdoor tests. In particular, the agreement between the experimentally observed motion trajectory of the reaction front (i.e. penetration depth vs. time curves) and that computed via the proposed models is reasonable.