Simulación multifísica y multifase del ensayo de migración del ión cloruro en el concreto (NT Build – 492) teniendo en cuenta los fenómenos de adsorción e interacción iónica

Abstract

En el presente trabajo se desarrolla, implementa y valida una formulación numérica, multifísica y multifase que describe la penetración del ion cloruro en el concreto, incluyendo los fenómenos de adsorción e interacción iónica. El modelo numérico ha sido implementado en el software COMSOL MULTIPHYSICS® desarrollado por la empresa COMSOL Inc©, el cual es una plataforma de análisis de fenómenos multifísicos mediante el método de los elementos finitos. Para el desarrollo del modelo se ha considerado que este es multiespecie (porque incluye cinco especies para la representación del fenómeno), multifísico (porque incluye diferentes tipos de física como: mecánica, química física, electroquímica y electromagnetismo) y multifase (porque incluye las fases líquida y sólida del concreto). Adicionalmente, se ha garantizado la inclusión de los fenómenos de interacción iónica (mediante el cumplimiento del principio de electroneutralidad, la primera ley Kirchhoff, la distorsión del potencial eléctrico y la ley de la conservación de la masa) y la adsorción (mediante el empleo de las isotermas de adsorción y el capacity factor) en el planteamiento y solución numérica del problema. La validación del modelo numérico se realizó con base en los resultados experimentales obtenidos durante el desarrollo de la presente investigación y con los resultados experimentales del trabajo de Leonardo Fonseca Barrera (Fonseca, 2016). Para finalizar, el modelo desarrollado está en capacidad de calcular la evolución de la concentración de los iones cloruro (Cl- ), hidroxilo (OH- ), sodio (Na+) y potasio (K+) para cada tiempo y en cada punto de la muestra, la distorsión de potencial eléctrico no lineal y el cambio de la concentración de todos los iones en dos dimensiones Palabras clave: Vida útil de las estructuras, corrosión en estructuras, modelación numérica, modelos multiespecie, penetración de cloruros, Coeficiente de difusión en concreto, Migración en concreto, Capacidad de fijación de cloruros.

Abstract.. In this work a multiphysic and multiphase numerical formulation, which describes the chloride penetration in concrete, including the phenomena of adsorption and ionic interaction, has been developed, implemented and validated. The numerical model has been implemented in the COMSOL Multiphysics ® platform, developed by COMSOL Inc ©, which is a multiphysics solver and simulation software using the finite element method. The model has been developed to be multi-species (that includes five species to represent the phenomenon), multiphysics (it includes physical mechanics, physical chemistry, electrochemistry and electromagnetism) and multiphase (it includes the liquid and solid phases of the concrete). Additionally, it has ensured the inclusion of ionic interaction phenomenon (it includes the conservation of mass) and the adsorption phenomenon (It includes the adsorption isotherms and the binding capacity factor), within the approach and numerical solution of the problem. The numerical validation of the model was made based on the experimental results obtained during the development of this re (Fonseca, 2016). Finally, the model is able to calculate the evolution of the concentration of chloride (Cl-), hydroxyl (OH- ), sodium (Na+) and potassium (K+) ions, for each time and each spatial sample point, the nonlinear electric potential distortion and the evolution of the ions concentration in two dimensions