Salt transport and crystallization in porous - ETH E

DISS. ETH NO. 20673
Salt transport and crystallization
in porous limestone:
neutron - X-ray imaging and
poromechanical modeling
A dissertation submitted to
ETH Zurich
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Hannelore Derluyn
Master in Civil Engineering, Katholieke Universiteit Leuven (2006)
born September 7, 1983
citizen of Belgium
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Jan Carmeliet, examiner
Prof. Dr. Veerle Cnudde, co-examiner
Prof. Dr. Robert J. Flatt, co-examiner
Dr. Noushine Shahidzadeh, Assoc. Prof., co-examiner
2012
Abstract
Many damage cases in civil constructions and in cultural heritage are related to the
presence of salts. This dissertation combines experimental and numerical methods to
improve the understanding of salt crystallization damage in porous building materials.
Physical degradation due to salt crystallization is modeled using a continuousdiscontinuous framework. The model covers heat, water and salt transport processes,
salt crystallization, deformation and cracking processes. The experimental work is
performed on a layered oolitic limestone, namely Savonnières limestone. Two salts are
studied, sodium sulfate and sodium chloride. Transport (capillary uptake and drying)
of water and salt solutions is visualized and quantified using neutron radiography. The
location of precipitated halite (NaCl) crystals is visualized with neutron radiography
as well. Zones of thenardite (Na2 SO4 ) precipitation are located based on X-ray
micro-tomographic datasets. Deformations caused by the formation of cracks are
seen in the neutron images during the wetting or drying process. The crack patterns
that develop due to crystallization damage are visualized by X-ray micro-tomography.
The developed numerical model is validated using the experimental results. The
modeling results show a good agreement with the experimental data. Therefore, the
model developed in this dissertation can be applied with confidence by engineers and
conservators to predict salt damage risks in porous building materials.
iii
Zusammenfassung
Zahlreiche Schäden an Bauten und geschützten Denkmälern sind auf das Vorhandensein von Salzen zurück zu führen. Die vorliegende Dissertation verbindet
messtechnische Methoden mit numerischen Simulationen um ein besseres Verständnis
der Auskristallisierung von Salzen in porösen Baustoffen zu erlangen. Der durch
Salzkristallisation bedingte physikalische Abbau wird im Rahmen einer kontinuierlichdiskontinuierlichen Struktur modelliert. Das Modell berücksichtigt Wärme-, Wasserund Salztransport sowie Salzkristallisation, Deformation und Rissbildungen. Messungen wurden an Savonnières Kalkstein, einem geschichteten oolithischen Kalkstein,
durchgeführt. Zwei Salze wurden untersucht, Natriumsulfat und Natriumchlorid. Der
Wasser- und Salzltransport (kapillare Aufnahme und Austrocknung) wurde mit Hilfe
der Neutronenradiographie sowohl visualisiert als auch quantifiziert. Stellen wo NaClKristalle ausscheiden, konnten mit dieser Methode sichtbar gemacht werden. Hingegen
wurden Bereiche wo sich Na2 SO4 ausscheidet mit Hilfe der Röntgen-Mikrotomographie
detektiert. Die durch die Entstehung von Rissen verursachten Deformationen konnten
in den Neutronen-Bildern während Benetzung- und Trocknungsprozessen verfolgt
werden. Das eigentliche Rissbild, das durch die Kristallisation entsteht, wurde
auch mit der Röntgen-Mikrotomographie visualisiert. Das entwickelte Modell wurde
anhand der experimentellen Resultate validiert. Die simulierten Resultate entsprechen
weitgehend den experimentellen Ergebnissen. Das in dieser Arbeit entwickelte Modell
ist somit geeignet für Ingenieure und Restauratoren zur Vorhersage des salzbedingten
Schadensrisikos in porösen Baustoffen.
v
Résumé
Un nombre important de cas de détérioration de structures de génie civil ou de
bâtiments patrimoniaux sont liés à la présence de sels. Cette thèse joint les
approches expérimentales et numériques pour avancer la compréhension du processus
de détérioration dû à la cristallisation de sels dans les matériaux de construction
poreux. La dégradation physique résultant de la cristallisation du sel est modélisée en
recourant à une approche continue-discontinue. Le modèle tient compte des processus
de transport de chaleur, masse et sels, de cristallisation du sel, et de la déformation et
fissuration du matériau poreux. Les mesures expérimentales sont effectuées sur une
pierre calcaire oolithique sédimentaire provenant de France, la pierre Savonnières. Deux
sels sont étudiés: le sulfate de sodium et le chlorure de sodium. Le transport (pendant
l’adsorption capillaire et le séchage) de l’eau et des solutions salines est visualisé
et quantifié par neutronographie. L’emplacement des cristaux d’halite précipitée
(NaCl) est également visualisé par neutronographie. Les zones de précipitation de
la thénardite (Na2 SO4 ) sont localisées à l’aide des données tomographiques à rayons
X. Les déplacements dus à la fissuration sont imagés par neutronographie pendant
les processus de mouillage et séchage. La configuration des fissures résultant de
l’endommagement durant la cristallisation est visualisée par tomographie à rayons X.
Le modèle numérique proposé est validé grâce aux données expérimentales. Le modèle
démontre un bon accord avec les données expérimentales. Nous concluons que le
modèle proposé dans cette thèse peut être utilisé en toute confiance par les ingénieurs
et les conservateurs-restaurateurs afin de prédire les risques d’endommagement dus au
sel dans les matériaux poreux.
vii