Christian WOLF

Multiphase modeling of concrete with improved consideration of the development of the solid phase and the pore structure --- A comparison of existing models and the development of a combined model

Kurzfassung:

 

Beton ist ein weit verbreitetes Baumaterial. Für hoch beanspruchte Bauteile und wenn kurze Schalungszeiten wichtig sind, ist die genaue Vorhersage der Festigkeitsentwicklung vorteilhaft. Den Temperaturverlauf vorhersagen zu können bietet Vorteile bei massiven Bauteilen, bei denen die Selbsterwärmung die Betonerhärtung beeinflusst.

In dieser Arbeit werden drei vorhandene Modellierungsansätze für Beton vorgestellt und verglichen. Dazu werden die Grundgleichungen analysiert und so umgeformt, dass sie vergleichbar sind. Dabei liegt der Fokus neben dem Hydratationsprozess auf der Massen- und Energieerhaltung. Die theoretischen Unterschiede werden hervorgehoben und theoretische Auswirkungen und Zusammenhänge aufgezeigt. Die Hauptunterschiede liegen in der Berechnung der Dichte der festen Phase und den Porensättigungen.

Alle theoretischen Unterschiede werden isoliert betrachtet und numerisch untersucht, indem Berechnungen auf Integrationspunkt-Ebene durchgeführt werden. Eine grafischen Aufbereitung und Interpretation der Ergebnisse zeigt, dass die Annahme einer konstanten Dichte der festen Phase eine zu starke Vereinfachung darstellt. Die Annahme eines linearen Zusammenhangs zwischen der Porosität und dem Hydratationsgrad wird hingegen bestätigt. Am Schluss wird noch ein neues Modell vorgestellt, welches die Vorteile der einzelnen Ansätze kombiniert. Die Ergebnisse von 3D-Simulationen mit diesem Modell, in Kombination mit einer Vergleichsrechnung, ermöglichen es auch gekoppelte Effekte der unterschiedlichen Ansätze festzustellen.

 

 

Abstract:

 

Concrete is a widely used building material. The exact prediction of the strength development of concrete is an advantage in the case of highly utilized structures and if the stripping times are to be kept short. The prediction of the temperature is important for massive structures. Because then self heating affects the curing of the concrete.

In this work three existing modeling approaches for maturing concrete are presented and compared. For this purpose, the governing equations are examined and transformed for comparison. Beside the hydration process, the focus is on the conservation of mass and energy. The theoretical differences are pointed out and theoretical effects and relationships are shown. The main differences are the formulations of the solid phase density and the pore saturation.

A numerical investigation of the differences considered in isolation is performed. Therefore, calculations are carried out at integration point level. A graphic preparation with subsequent interpretation shows that the assumption of a constant density of the solid phase is too simplistic. However, the assumption of a linear relationship between the porosity and the degree of hydration is confirmed. Finally, a new model is presented combining the advantages of the three approaches. With this model three-dimensional simulations are carried out. These simulations together with reference simulations allow to investigate the coupled effects caused by the different approaches.

 

 

 

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