Numerisches Modell zur Beschreibung von Alkalientransport und AKR-induzierter Schädigung in Beton
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das TP 3 war der Entwicklung mathematisch-numerischer Modelle gewidmet, um die durch AKR hervorgerufene Schädigung in Tragwerken bzw. Tragwerksteilen aus Beton, insbesondere in Betonfahrbahnen, zu prognostizieren. Im Gegensatz zu bisher üblichen phänomenologischen Modellen war die Modellbildung darauf ausgerichtet, die bei der AKR relevanten Transport- und Schädigungsprozesse auf den unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen direkt zu beschreiben und über geeignete Homogenisierungsmethoden die Auswirkungen der AKR (Steifigkeitsdegradation, AKR-induzierte Verzerrungen) auf der makroskopischen (Struktur-) Ebene zu prognostizieren. Zur Beschreibung der physikalischen Mechanismen, welche zur Entwicklung des durch eine AKR verursachten Geldrucks und zu Schädigungen und Verformungen im Beton führen, wurden numerische Mehrphasenmodelle mit Mehrskalenmodellen für Ionen- und Feuchtetransport sowie Schädigungsentwicklung im Gesteinskorn und im Zementstein und auf Basis der Kontinuums-Mikromechanik entwickelt und miteinander verknüpft. Bei der Analyse etablierter mikromechanischer Homogenisierungsschemata für Diffusionsprobleme hat sich gezeigt, dass diese nicht in der Lage sind, die experimentell beobachteten Schwellwerte („percolation threshold“) der Ionen-Durchlässigkeit bei sehr kleiner Porosität korrekt wiederzugeben. Aus diesem Grund wurde ein neuartiges Mikromechanikmodell (“Cascade micromechanics model” (CCM)) entwickelt, welches in der Lage ist, die Porenradienverteilung zu berücksichtigen und diese Perkolationsschwelle vorauszusagen. In Vergleichen mit numerischen Experimenten wurde eine beeindruckende Prognosequalität festgestellt. In weiterer Folge wurde dieses Modell auch für die Bestimmung der effektiven Permeabilität von durch Mikrorisse vorgeschädigtem Beton adaptiert und erfolgreich anhand der in den TPen 1 und 4 durchgeführten Laborversuche validiert. Um die Mechanismen der Gel- Entstehung und der AKR-induzierten Schädigung auf der Ebene des Gesteinskorns bzw. des Zementsteins zu beschreiben, wurde weiterhin ein neues mehrstufiges Mehrskalenmodell entwickelt und mit numerischen Modellen für Ionen- und Feuchtetransport gekoppelt. Das Modell beschreibt die durch Geldruck verursachte Mikrorissausbreitung im Gesteinskorn und die infolge der Expansion der betroffene Gesteinskörner hervorgerufene Mikrorissentstehung und -ausbreitung in der umgebenden Betonmatrix. Das Modell ist auch in der Lage, die unterschiedlichen Schädigungsmechanismen unterschiedlich AKR-reaktiver Gesteinskörner zu erfassen. So konnte sowohl für rasch als auch langsam reagierende Gesteine eine gute Übereinstimmung zwischen Modellvorhersagen der makroskopischen Verformungen und Schädigungen und den experimentellen Daten des TPs 5 erzielt werden. Das Modell ist weiterhin in der Lage, den sogenannten „Pessimum Size Effekt“ zu erfassen, indem es das Zusammenspiel der beiden interagierenden Prozesse einer AKR (Geldruckbedingtes Risswachstum im Gesteinskorn und Transport von Alkali-Ionen in die Gesteinskörner hinein) zu beschreiben vermag. Auf Basis einer Kalibrierung der reaktionskinetischen Parameter auf Basis der Laborversuche aus dem TP5 hat das Modell gezeigt, dass der Ionentransport im Gestein der bestimmende Mechanismus der AKR-Kinetik ist. Auch wurde in einer Sensitivitätsanalyse gezeigt, dass der Grad der Gesteinsschädigung und die Mikrorisstopologie einen erheblichen Einfluss auf die AKR-Kinetik hat. Die Kombination aller Teilmodelle wurde genutzt, um die Einwirkung der externen Alkalizufuhr auf AKR in verschiedenen Skalen (Makro-, Meso,- Mirko-Skala) zu unterschiedlicher Zeitpunkt zu analysieren und Langzeitprognose der AKR-induzierten Schädigung und Verzerrung in einer Fahrbahndecke durchzuführen. Die Langzeitprognose der AKR-induzierten Expansion und Schädigung wurde an das TP 6 für weitere Analysen von Fahrbahndecken übergeben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Modeling electrolyte diffusion in cracked cementitious materials using cascade continuum micromechanics and phase-field models. In: Proceedings of the 8th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures (FraMCoS-VIII), Toleda, Spain (2013)
Timothy, J.J., Meschke, G.
- Cascade continuum micromechanics model for the effective diffusivity of porous materials: Exponential hierarchy across cascade levels. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 15 (2015), pp. 471-472
Timothy, J.J., Meschke, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.201510226) - Vorschädigung in Beton infolge zyklischer Beanspruchungen und deren Auswirkungen auf Transportprozesse im Hinblick auf eine schädigende AKR. Beton- und Stahlbeton 110(1) (2015), S. 3-12
Przondziono, R., Timothy, J.J., Nguyen, M., Weise, F., Breitenbücher, R., Meschke, G., Meng, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/best.201400095) - A cascade continuum micromechanics model for the elastic properties of porous materials. International Journal of Solids and Structures 83 (2016), pp. 1-12
Timothy, J.J., Meschke, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2015.12.010) - A micromechanics model for molecular diffusion in materials with complex structure. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics 40(5) (2016), pp. 686-712
Timothy, J.J., Meschke, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/nag.2423) - Degradation in concrete structures due to cyclic loading and its effect on transport processes. Structural Concrete 18(4) (2017), pp. 519-527
Przondziono, R., Timothy, J.J., Weise, F., Krütt, E., Breitenbücher, R., Meschke, G., Hofmann, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/suco.201600180) - Effective diffusivity of porous materials with microcracks - self-similar mean-field homogenization and pixel finite element simulations. Transport in Porous Media 125 (2018), pp. 413-434
Timothy, J.J., Meschke, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11242-018-1126-y) - Mehrskalenmodellierung von AKR-induzierter Schädigung in Betonbauteilen, 20. Internationale Baustofftagung ibausil, Ludwig, H.-M. (ed.), F.A. Finger-Institut für Baustoffkunde,(2018), pp. 77 – 84
Iskhakov, T.; Timothy, J. & Meschke
- Multiscale modelling of alkali transport and ASR in concrete structures. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (2018)
Iskhakov, T., Timothy, J.J., Meschke, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.201800235) - Multiscale modelling of ASR induced degradation in concrete. In: Meschke, G., Pichler, B., Rots, J. (eds): Computational Modelling of Concrete Structures (EURO-C 2018), Bad Hofgastein, Austria (2018), pp. 345-352
Iskhakov, T., Timothy, J.J., Meschke, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1201/9781315182964-43) - Expansion and deterioration of concrete due to ASR: Micromechanical modeling and analysis. Cement and Concrete Research 115 (2019), pp. 507-518
Iskhakov, T., Timothy, J.J., Meschke, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2018.08.001) - Multiscale modelling of ion transport and ASR induced damage in concrete structures. In: Proceedings of the 10th International Conference on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures (FraMCoS-X), Bayonne, France (2019)
Iskhakov, T., Timothy, J.J., Meschke, G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.21012/FC10.234933)
