Mikrostruktur-basierte Simulation des Feuchtetransports in Zement- und Sandstein [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Matthias Koster

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• Publié le: 01 janvier 2007
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• Langue: Deutsch
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Extrait

„Mikrostruktur-basierte Simulation des
Feuchtetransports in Zement- und Sandstein“
Von der Fakultät für Bauingenieurwesen der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Matthias Koster
aus
Bitburg
Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Wolfgang Brameshuber
Professor Dr.-Ing. Harald Budelmann D Harald S. Müller
Tag der mündlichen Prüfung: 14. Mai 2007
„Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.“AACHENER BEITRÄGE ZUR BAUFORSCHUNG DES IBAC
Herausgeber:
Institut für Bauforschung der RWTH Aachen (ibac)
Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. Brameshuber
Univ.-Ing. M. Raupach
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.
(Aachener Beiträge zur Bauforschung des IBAC ; Bd. 15)
Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007
ISBN 3-86130-633-6
0101 deutsche buecherei
© 2007 Matthias Koster
Wissenschaftsverlag Mainz in Aachen
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D 82 (Diss. RWTH Aachen)
Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem PapierMeinen Eltern Josef und Hildegard
und meiner Schwester Karin
gewidmetVorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitar-
beiter am Institut für Bauforschung (ibac) der RWTH Aachen. In ihr ist ein Großteil der
Ergebnisse des Forschungsprojekts „Mikrostruktursimulation von zementgebundenen Bau-
stoffen“, welches im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms SPP1122 „Vorhersage des
zeitlichen Verlaufs von physikalisch-chemischen Schädigungsprozessen an mineralischen
Werkstoffen“ gefördert wurde, zusammengefasst.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Brameshuber danke ich sehr für die Themenstellung und
die Betreuung der Arbeit. Sein reges Interesse an dem Thema und das in mich gesetzte
Vertrauen haben mich stets motiviert.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Harald Budelmann und Herrn Prof. Dr.-Ing. Harald S. Müller
danke ich für die bereitwillige Übernahme des Zweitgutachtens sowie die Anregungen und
Hinweise zur endgültigen Formulierung der Arbeit.
Meinen lieben Kollegen Herrn Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Joachim Hannawald sowie Herrn
Dipl.-Ing. Bong-Gu Kang möchte ich für die freundschaftliche Atmosphäre in unserer Ar-
beitsgruppe danken. Herrn Hannawald gebührt weiterhin mein Dank für die stete Hilfs-
bereitschaft sowie die Unterstützung sowohl in fachlicher als auch manches Mal in mora-
lischer Hinsicht.
Allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts für Bauforschung, die zum Ge-
lingen dieser Arbeit beigetragen haben, ein herzliches „Dankeschön“. Stellvertretend für
die vielen seien insbesondere Herr Jörg Bongartz für die Hilfe bei der Lösung von EDV-
Problemen sowie Herr Hans Streb, der einen Großteil der experimentellen Proben her-
stellte, erwähnt.
Herrn Dr.-Ing. Michael Hain vom Institut für Baumechanik und Numerische Mechanik
der Universität Hannover möchte ich für die sehr gute Zusammenarbeit danken.
Auch gebührt mein Dank Herrn Prof. Dr.-Ing. Tino Schatz, der mich nach der Be-
endigung meines Bauingenieurstudiums davon überzeugte, die wissenschaftliche Arbeit
fortzusetzen und eine Promotion anzustreben.
Meine ganz besondere Verbundenheit gilt meiner Familie, die mich uneingeschränkt
unterstützte. Für das Korrekturlesen des Manuskripts sei meiner Schwester herzlich ge-
dankt. Leider verstarb mein Vater während ich an dieser Arbeit schrieb, so dass er ihren
Abschluss nicht mehr miterleben konnte.
Aachen, November 2007 Matthias KosteriiKurzfassung
Der Feuchtetransport in kapillarporösen Baustoffen wird maßgeblich bestimmt durch die
Mikrostruktur des Materials. In dieser Arbeit wird beschrieben wie, ausgehend von drei-
dimensionalen Abbildungen der Mikrostruktur der Baustoffe, ihre hygrischen Material-
koeffizienten mittels Finite-Elemente-Methoden berechnet werden können. Die betrachte-
ten Feuchtetransportprozesse umfassen die Wasserpermeation, die Wasserdampfdiffusion
sowie die kapillare Wasseraufnahme.
Als Beispiele kapillarporöser Materialien dienen drei Zementsteine mit zwei verschie-
denen Wasserzementwerten sowie zwei Sandsteine, ein Fontainebleau und ein Bentheimer
Sandstein. Ausgangsbasis der Berechnungen sind dabei mikrotomografische Aufnahmen
(μCT) der Zement- und Sandsteine und im Fall der Zementsteine zusätzlich mit Hilfe
des Computerprogramms CEMHYD3D simulierte Mikrostrukturen. Inwieweit letztere reali-
tätsnah sind, wird durch Vergleich mit den entsprechendenμCT-Datensätzen hinsichtlich
der Fraktalen Dimension und der Autokorrelationsfunktion des Porenraums sowie der
Porenradienverteilung untersucht.
Zur Simulation der verschiedenen Feuchtetransportprozesse wird zunächst die Media-
le Achse der Porenräume der Mikrostrukturen extrahiert. Anschließend wird diese in ein
Transportnetzwerk aus zylinderförmigen Röhren konvertiert, welches die gleichen Feuch-
tetransporteigenschaften besitzt wie der ursprüngliche Porenraum.
Im Fall der Permeation wird für jede Röhre die Bernoulli-Gleichung angesetzt. Zwi-
schen Eintritts- und Austrittsfläche des Transportnetzwerks wird eine willkürliche Druck-
differenz von 1bar vorgegeben und der transportierte Massenstrom mit Finite-Elemente-
Methoden berechnet. Dieser ergibt sich aus der Summe der Massenströme der Röhren,
welche die Austrittsfläche durchqueren. Mit Hilfe des Gesetzes von Darcy folgt daraus
der Permeabilitätskoeffizient des Materials.
Bei der Wasserdampfdiffusion wird sowohl für jede Röhre als auch für die Massen-
stromdichte innerhalb des porösen Mediums das 1.Ficksche Gesetz zugrunde gelegt.
Zwischen Eintritts- und Austrittsfläche wird eine Konzentrationsdifferenz von 10 % ge-
wählt und aus dem resultierenden Massenstrom der Wasserdampfdiffusionskoeffizient der
betrachteten Zement- und Sandsteine ermittelt.
Die Simulation der kapillaren Wasseraufnahme der Materialien schließlich erfolgt ana-
log zur Wärmeleitung. Die einzelnen Röhren des Transportnetzwerks werden durch ein-
dimensionale Wärmeleitungselemente ersetzt. Die Temperaturleitfähigkeiten der Elemente
können zusammen mit den Randbedingungen so gewählt werden, dass die Zeit, welche der
Wärmestrom benötigt, um ein Element zu durchqueren, derjenigen entspricht, welche die
Wasserfront beim kapillaren Saugen erfordert. Aus der zu jedem Zeitpunkt aufgenomme-
nen Wassermenge werden die Wasseraufnahmekoeffizienten der verwendeten Materialien
berechnet.
Die Validierung des vorgestellten Feuchtetransportmodells erfolgt durch den Vergleich
der simulierten Feuchtetransportkoeffizienten mit experimentellen Werten.ivAbstract
The moisture transport in capillary-porous building materials is governed by their micro-
structure. This thesis describes the calculation of hygric material properties from three-
dimensional representations of the building materials’ microstructures using finite element
methods. The moisture transport processes considered comprise the water permeation, the
water diffusion and the capillary absorption.
Three hardened cement pastes with two different water to cement ratios, and two
sandstones, a Fontainebleau and a Bentheimer sandstone serve as examples of capillary-
porous materials. The basis of the calculations are microtomographic images (μCT) of the
hardened cement pastes and the sandstones, as well as microstructures of the hardened
cement pastes generated with the simulation softwareCEMHYD3D. To what extend the latter
are realistic is investigated by comparing the fractal dimension and the autocorrelation
function of the pore spaces of the simulated microstructures as well as their pore space
distribution with the corresponding values of the μCT images.
In order to simulate the different moisture transport processes the medial axis of
the pore spaces of the microstructures is first extracted. Afterwards the medial axis is
converted into a transportation network, consisting of cylindrical tubes, which possesses
the same moisture transport properties as the original pore space.
In case of permeability Bernoulli’s law is applied to every tube in the transportation
network. An arbitrary pressure difference of 1 bar is imposed between the inlet and the
outlet surface of the network and the resulting mass flow is calculated by finite element
methods. The overall mass flow results from the sum of the mass flows of the tubes
traversing the outlet surface. Using Darcy’s law the permeability coefficient of the porous
medium is derived.
The water vapor diffusion is simulated using Fick’s first law for every tube as well as
for the mass current density within the porous medium.