Redistribution of moisture and ions in cement based materials

Abstract

There were two principal objectives for this thesis. The first was to develop a methodology and evaluation model of moisture redistribution in order to make the future relative humidity in a screeded concrete slab predictable. The second objective was to develop a method to determine the critical humidity for ion transport in concrete.



Residual moisture in screeded concrete slabs may be redistributed to the top screed surface under a semi-permeable flooring, thus elevating the relative humidity, RH, and possibly exceeding the critical humidity level. Passing the critical humidity level may result in material damage to the flooring and adhesive. In order to avoid such damage there is a need of a methodology to estimate the maximum humidity obtained underneath flooring.



The redistribution of residual moisture may increase the concentration of alkali at the contact area between the adhesive and concrete. This alkali increase may initiate and sustain adhesive deterioration, which is a common moisture related damage.



Several screeded concrete slabs with PVC flooring were prepared to reproduce and monitor moisture distribution and the subsequent redistribution. The moisture distribution before flooring and after a certain period of redistribution is presented. In addition, sorption isotherms including scanning curves were determined in a sorption balance for materials used in the floor constructions, viz, w/c 0.65 concrete, w/c 0.4 concrete, w/c 0.55 cement mortar, and Floor 4310 Fibre Flow, a self levelling flooring compound. Repeated absorption and desorption scanning curves starting from the desorption isotherm were also investigated.



The measurements performed made it possible to develop both a qualitative and quantitative model of moisture redistribution and to quantify the humidity achieved under the flooring. The hysteresis phenomenon of the sorption isotherm is considered in the model.



The model is well suited for estimations of the future RH underneath flooring in a screeded concrete slab and may also be used on homogeneous slabs.



Results from previous research suggested that early drying of the concrete slab can mitigate the increase in relative humidity that occurs when an impermeable floor covering is installed. A study was conducted to verify these results. The results of this new study of the effects of early drying could not demonstrate any significant difference between an early and late dehydration.



The redistribution of ions under different moisture conditions was investigated with a newly developed method. The method is divided into a preconditioning of test specimens and also a method to determine the redistribution of potassium ions. This preconditioning provides a well defined moisture condition of the specimen, which is important for determining the critical humidity for the transport of ions. The redistribution is detected by examining the ion content distribution before and after the preconditioning of ion species already present in the concrete. Previous research in this area has been conducted through adding chloride ions to the specimens. However, redistribution of chloride ions is impeded in that they bind to the inner pore surfaces, which poses a risk that the critical moisture level may be affected/misjudged.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Nygjuten betong innehåller överskottsfukt som avges till omgivningen under uttorkningen. Om uttorkningen får fortsätta i en konstant luftfuktighet antar betongen så småningom samma fuktighet. Eftersom betong är ett tätt material tar det lång tid, ofta flera år, innan så har skett. Tills detta har inträffat sker en fukttransport från de inre delarna ut till ytan.



En del av överskottsfukten i betongplattor kan omfördelas till golvytan och därmed öka fuktigheten under en tät golvbeläggning. Eventuellt överskrids då den kritiska fuktnivån. I många sammanhang används en tunnare pågjutning för att jämna av ytan för att kunna lägga en golvbeläggning direkt på underlaget. Det här produktionssättet innebär att ny fukt tillkommer genom pågjutningen och omfördelningen av fukt kompliceras. Om den kritiska fuktnivån överskrids kan det leda till materiella skador på golv och lim. Det nya produktionssättet innebär ett behov av att kunna uppskatta den maximala fuktigheten under ett tätt golvmaterial även för pågjutna betongkonstruktioner.



Överskottsfukten innehåller joner från cementet, framför allt kalcium men också mindre mängder kalium och natrium, vilka alla höjer pH i fukten och gör den basisk. Den starkt basiska och fuktiga miljön har en negativ inverkan på många material. Golvlimmet under en PVC-matta är ett material som är känsligt för en sådan miljö. Genom att torka bort en del av överskottsfukten är det möjligt att limma golvmattan utan att riskera att limmet bryts ner.



Med dagens snabba byggtakt är det gynnsamt att torka bort så lite som möjligt av överskottsvattnet, med en viss säkerhetsmarginal, och ändå undvika att en fuktskada uppstår.



Målet med den här doktorsavhandlingen var dels att utveckla en modell och metod för att förutsäga den framtida relativa fuktigheten i en pågjuten betongplatta, och dels att utveckla en metod för att bestämma den kritiska fuktigheten för jontransport i betong.



Omfördelningen av kvarvarande fukt kan också föra med sig alkalijoner och öka koncentrationen i kontaktytan mellan lim och betong. Denna alkaliökning kan tillsammans med den omfördelade fukten initiera och upprätthålla nedbrytning av lim, vilket är en vanligt förekommande fuktrelaterad skada.



Flera pågjutna betongplattor med PVC-matta tillverkades för att skapa och följa fuktfördelningen och efterföljande omfördelning. Fuktfördelningen före golvläggning och efter en viss tid av omfördelning presenteras för de tillverkade betongplattorna. Dessutom bestämdes sorptionsisotermer inklusive scanningkurvor med en sorptionsvåg för materialen som användes, betong med vct 0.65 och vct 0.4 och ett cementbruk med vct 0.55, samt Floor 4310 Fibre Flow, en självavjämnande golvmassa. Upprepade absorptions- och desorptionsscanningkurvor som startat från desorptionsisotermen bestämdes också.



De utförda mätningarna gjorde det möjligt att utveckla en kvalitativ och kvantitativ modell för fuktomfördelningen och att kvantifiera hur fuktigt det blir under en tät golvbeläggning. Båda modellerna tar hänsyn till inverkan av hysteres. Den kvantitativa modellen lämpar sig väl för bedömningar av den framtida fuktigheten, i \% RF, under golv i en pågjuten betongplatta och kan också användas på homogena plattor.



Resultat från tidigare forskning antydde att en tidig uttorkning av betong plattan kan mildra höjningen av relativ fuktighet som sker vid omfördelning under en tät golvbeläggning. En studie genomfördes för att kontrollera dessa resultat. Resultaten från den nya studien av inverkan av tidig uttorkning kunde inte påvisa någon betydande skillnad mellan en tidig eller sen uttorkning.



Uttorkning av betong genererar en fukttransport mot den torkande ytan. Den fukttransporten kan leda till en anrikning av joner vid ytan. Omfördelning av joner vid olika fukttillstånd undersöktes därför med en nyutvecklad metod. Metoden är indelad i en förkonditionering av provkroppar och dels en metod för att mäta omfördelningen av kaliumjoner. Metoden innebär att fukttillståndet i provkroppen blir väldefinierat, vilket är viktigt för att bestämma den kritiska fuktigheten för transport av joner. Dessutom mäts omfördelningen av joner som redan finns i betong. Tidigare forskning på det här området har utförts med hjälp av tillsatta kloridjoner. Transporten av kloridjoner hindras i viss mån att omfördelas genom att de binds till de inre porytorna vilket innebär en risk när den kritiska fuktnivån ska bestämmas.

• author: Åhs, Magnus
• supervisor: Lars-Olof Nilsson
• opponent: Dr. Baroghel-Bouny, Véronique, Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement, IFSTTAR, Paris, France
• organization: Division of Building Materials
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Materials Engineering
• keywords: Moisture redistribution, ion redistribution, cement based materials, hysteresis, sorption isotherm, scanning
• in: Report TVBM
• volume: 1028
• pages: 86 pages
• defense location: Lecture hall V:B, Department of Building and Environmental Technology, John Ericssons Väg 1, Lund
• defense date: 2011-05-20 10:15:00
• external identifiers: other:TVBM-1028
• ISSN: 0348-7911
• ISBN: 978-91-7473-126-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: cbfeacb5-cfd1-4c89-adee-64918ce80f91 (old id 1898099)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:49:54
• date last changed: 2021-01-08 02:24:03