Experimental studies of ion transport in cementitious materials under partially saturated conditions

Cementproduktion står idag för en ansenlig andel av världens koldioxidutsläpp, vilket driver utvecklingen av bindemedel med lägre koldioxidutsläpp. För utsläppen i ett längre perspektiv är dock de nya bindemedlens beständighet absolut avgörande. De flesta nedbrytningsmekanismer är direkt relaterade till både fukt- och jontransport. Dessa processer har undersökts i många studier, men huvudsakligen under fuktmättade förhållanden. På grund av varierande exponeringsförhållande och självuttorkning varierar dock fuktförhållandena i en betongkonstruktion mycket under dess livslängd och det saknas kunskap om relationen mellan jontransport och fukttransport under omättade förhållanden. Målet med detta projekt var att bidra med ny kunskap inom detta område.
Livslängdsmodeller kan användas för att prognostisera vad som händer i material över tid, men för att modellerna ska kunna ge tillförlitliga prognoser krävs grundläggande förståelse för de underliggande fysikaliska och kemiska relationerna i materialet. I detta projekt undersöktes dessa fysikaliska relationer experimentellt. Projektet är uppdelat i två studier där fuktberoendet hos jondiffusion respektive jonkonvektion undersöktes. Experimenten gjordes med bruk med två vattenbindemedelstal (0. 38 och 0.53) och med fyra bindemedel (OPC, 95% OPC + 5% kiselstoft, 60% OPC + 40% GGBFS, och 30% OPC + 70% GGBFS).
I diffusionsstudien användes resistivitetsmätningar och Nernst-Einsteins ekvation för att utvärdera fuktberoendet hos kloriddiffusionskoefficienten, d.v.s. DCl(RH) och DCl(S). Desorptionsisotermer mättes med en gravimetrisk boxmetod och konduktiviteten hos porlösningen bestämdes med två olika metoder. Först användes en förenklad metod för bestämning av porlösningens sammansättning. Begränsningen med denna metod är att den bara möjliggör bestämning av porläsningens sammansättning för bruk med OPC som bindemedel. Därför användes sedan även ett termodynamiskt modelleringsprogram, GEMS, för att bestämma porlösningens sammansättning och kloriddiffusionskoefficienten för alla bruk. Resultaten visade att DCl(S) är oberoende av vattenbindemedelstalt, men att detta beroende varierar mellan de studerade bindemedlen. Resultaten visade även att det verkar finnas en relation mellan DCl(RH) och desorptionsisotermen för de olika bindemedlen.
Konvektiv jontransport är mer komplicerat att studera eftersom det är svårt att särskilja jontransport och fukttransport. För cementbaserade material är det svårt, och kanske omöjligt, att designa ett experiment där jontransporten endast påverkas av den konvektiva fukttransporten. Cementbaserade material är per definition material som reagerar med vatten. Därför kommer det alltid att ske ett utbyte mellan porlösning och de fasta faserna, speciellt under icke mättade förhållanden.
För att studera konvektiv jontransport gjordes wick action experiment. Efter wick action exponering mättes kloridprofiler och fuktprofiler med mikroXRF respektive 1H NMR relaxometri. De uppmätta profilerna diskuterades i relation till fuktberoende materialegenskaper, såsom kloriddiffusionskoefficienter, fukt-diffusionskoefficienter, kloridbindningskapacitet och desorptionsisotermer. Fuktdiffusionskoefficienter mättes parallellt i denna studie. Dessa resultat visade att det finns stora variationer i fuktberoendet mellan de olika bindemedlen och att dessa variationer inte kan kopplas till desorptionsisotermerna. I studien visades även att bindemedlet sammansättning är den egenskap som tydligast påverkar inträngningsdjupet av klorid. De uppmätta materialegenskaperna är dock alla viktiga parametrar för prognostisering av kloridinträngning och alla dessa materialegenskaper påverkas av bindemedelssammansättningen.