Ausmaß von Vorschädigungen, Transportprozesse in ...134.147.28.131/hp/downloads/02_Meng_und_Meschke.pdf · nach zyklischer Belastung bei gleichzeitig aufstehender NaCl‐Lösung

WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 1Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober. 2014

FOR 1498/0AKR unter kombinierter Einwirkung

Teilprojekt 1, 3 und 4

Ausmaß von Vorschädigungen, Transportprozesse

in vorgeschädigtem Betongefüge

Birgit Meng; Günther Meschke

WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 2Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 2

Motivation und Forschungsansatz

Definierte mechanische Vorschädigung + Alkali‐Zufuhr AKR‐Provozierung

Rissentwicklung AlkalitransportAlkali‐Kieselsäure‐ReaktionDehnungsverlauf

Entwicklung, Validierung geeigneter Prognose‐Modelle

Meng/Meschke Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge

Wie beeinflusst eine praxisnah kombinierte Vorschädigungdas AKR‐Schädigungspotenzial ?


Gliederung des Vortrags


Experimentelle Methoden

numerische Modelle, Simulationstechniken

RUB / Baustofftechnik: Rolf Breitenbücher, Robin PrzondzionoBAM: Birgit Meng, Frank Weise

Katja Voland, Stephan Pirskawetz, Gerd Wilsch, Karsten Ehrig, Karsten Schrang

RUB/ Statik und Dynamik:Günther Meschke, Jithender Jaswant Timothy,Minh Nguyen


Gliederung des Vortrags


RUB / Baustofftechnik: Rolf Breitenbücher, Robin PzondzionoBAM: Birgit Meng, Frank Weise






Gliederung experimenteller Teil


zwei Vorschädigungs‐Szenarien (RUB + BAM)Bewertung der Vorschädigung Untersuchungsmethoden Ergebnisse

Bewertung Ionen‐ und Feuchte‐Transport Untersuchungsmethoden Ergebnisse

1. Mechanische Vorschädigung und Alkalizufuhr

2. Weitere Materialkennwerte für die Modellierung


Geeignete Betonrezeptur(en)

Straßenbau‐Zement CEM I 42,5 N, Na2O‐Äqu. < 0,80 M.‐% (0,73)

Gesteinskörnung Variation Art = AKR‐Empfindlichkeit

„geringe“ Alkali‐Empfindlichkeit Reaktion nur unter ungünstigen Bedingungen

d.h. infolge Rissbildung durch mechanische Vorschädigung

und(dadurch begünstigte) Alkali‐Anreicherung


Straßenbeton, einheitlich für alle TP


Szenarien für kombinierte Vorschädigung


Konzept TP1 (FOR Standardmethode):zyklische Belastung und

anschließendes Einwalken

Konzept TP4 :zyklische Belastung bei

aufstehender Alkalilösung

WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 8Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 8Meng/Meschke

Vorschädigung ‐ Konzept TP1

Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge

Variationen

Spannungen σo/fct,flσo/fct,fl ≈ 0,6; 0,5; 0,35LastzyklenN = 0, 1, 2, 5 Mio.

Versuchsmethode

Vier‐Punkt‐Biegeversuch, Zugzone unten für Einwalkversuch: Probe drehen

Zyklische Belastung 6 Balken gleichzeitigFrequenz: 5 Hz




Variationen

Versuchsmethode

Einwalken von NaCl‐Lösung im Überrollstand, 6 Balken gleichzeitig

Radlast: bis 1 Tonne

Grad der VorschädigungNaCl Konzentration 3,6% / 5% Anzahl ÜberrollungenNü = 0 ‐ 2 Mio.




Versuchsmethode

Vier‐Punkt‐Biegeversuch, Zugzone oben gleichzeitig aufstehende NaCl‐Lösung

Zyklische Belastung Frequenz: 7 Hz

Spannungen σo/fct,flσo/fct,fl ≈ 0,6 (0,5)Lastzyklen: 5 Mio.NaCl Konzentration 5%

Variationen Eckwerte




Simultane Erfassung der Schädigung und des Lösungstransports

kontinuierlich: Rissentwicklung und Verformung




Simultane Erfassung der Schädigung und des Lösungstransports

kontinuierlich: Rissentwicklung und Verformungin Intervallen: Feuchteprofile mit NMR


Bewertung der Vorschädigung


Schädigungsmechanismus und ‐fortschritt in Abhängigkeit von ‐ Belastungsszenario‐ Lastniveau‐ Anzahl Zyklen

Untersuchungen von RissparameternSteifigkeitsänderung (Edyn)Mikrorisse 2DDünnschliffe in Längs‐ & Querrichtung (Anzahl, Länge, Breite, Fläche)

Mikrorisse 3DRöntgen‐Computer‐Tomographie (Riss‐Volumen, ‐Orientierung, …)




Gefügeschädigung in Abhängigkeit von Lastniveau und ‐zyklen

Messpositionen Ultraschall‐Laufzeit

Lasteinleitung

Lasteinleitung




Gefügeschädigung in Abhängigkeit von Lastniveau und ‐zyklen




Risscharakterisierung mit Dünnschliff‐Mikroskopie









vorgeschädigt ungeschädigt

Anzahl [‐] 403 174

Gesamtfläche [µm²]3.434.796 1.498.818

Mittlere Fläche [µm²]8.520 8.610

Mittlere Breite [µm]4,56 5,15

Mittlere Länge [µm]1504 1569




Risscharakterisierung mit Röntgen 3D‐CT

Röntgen 3D ‐CT Lage der ROI‐Messvolumen

Beanspruchungσo/fct = 0,6 Lastzyklen 3,25 Mio

Betonart C

40 85 40200 cm

17,517,5

27,0

50,0

Bohrkern (Ø 3 cm)

Visualisierung der durch Vorschädigung induzierten Mikrorisse mit ROI‐Technik (Rekonstruktionssoftware CERA/Siemens AG)





Quantitative 3D‐Rissauswertung mit automatisierter Risserkennungssoftware (Kooperation ZIB und BAM)

maximale Biegebeanspruchung










maximale Biegebean‐spruchung

ohne Biegebean‐spruchung

Riss‐anzahl

Rissvolumen

gesamt Mittel/Riss

[mm³]

3697 3,77 10,2 x 10‐4

2026 1,51 7,46 x 10‐4



Bewertung Ionen‐ und Feuchtetransport


Auswirkung Vorschädigung auf Ionen‐ und Feuchtetransport ‐ nach dem „Einwalken“ (RUB‐Szenario)‐ nach kombinierter Einwirkung aufstehender Lösung (BAM‐Szenario)

Untersuchungen:Feuchte‐, Na‐ und Cl‐ Profile‐ Feuchtemessung NMR ‐ µRFA (Cl) / ICP‐OES (Na, K)‐ REM/EDX‐ LIBS

Kapillardruckmessung (auch beim „Einwalken“ in‐situ)




Messung Salzeintrag mit LIBS (Laser Induced Breakdown Spektroskopie)

Messprinzip

Atom‐Emissions‐Spektrum




Messung Salzeintrag mit LIBS (Laser Induced Breakdown Spektroskopie)

Messfläche x‐Richtung 60 mmz‐Richtung 80 mm


Auswirkung der Vorschädigung auf Stofftransport


Na‐Eintragnach zyklischer Belastung bei gleichzeitig aufstehender NaCl‐Lösung (LIBS)

01020304050607080

Tief

e [m

m]

max. Zuwachs = 0,37 M.-%

mittl. Zuwachs = 0,11 M.-%

Eindringtiefe = 18 mm

Basiswert = 0,15 M.-%

01020304050607080

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Tief

e [m

m]

Natrium [M.-%] /Feinmörtel





40 85 40200 cm

17,517,5

27,0

50,0

A B

A B

Vertikalschnitt Na‐Flächenscan

OF Balken (NaCl beaufschlagt)

Beanspruchungσo/fct,fl = 0,6 Lastzyklen 5 MioBetonart A


Auswirkung der Vorschädigung auf Stofftransport


40 85 40200 cm

17,517,5

27,0

50,0

A B

A B

Vertikalschnitt Cl‐Flächenscan

OF Balken (NaCl beaufschlagt)0

1020304050607080

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00

Tief

e [m

m]

Chlor [M.-%] /Feinmörtel




Basiswert = 0,01 M.-%0

1020304050607080

Tief

e [m

m]





Cl‐Eintrag nach zyklischer Belastung bei gleichzeitig aufstehender NaCl‐Lösung (LIBS)

Beanspruchungσo/fct,fl = 0,6 Lastzyklen 5 MioBetonart A


Weiterführende Untersuchungen

Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge 2

Porenstrukturkennwerte (Gesamtporosität, Größenverteilung, LP‐Kennwerte)

Weiterentwicklung und Validierung der Transportmodelle (TP3)





•Vorschädigung:N = 5 Mio.σo/fct,fl = 0,35

• Relativer Abfall Edyn,5Mio = 90,9 %

Porenstrukturkennwerte (Gesamtporosität, Größenverteilung, LP‐Kennwerte)

Wasseraufnahme mit verschiedenen Methoden

Karsten‐Röhrchen



Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge 2

Porenstrukturkennwerte Wasseraufnahme mit verschiedenen Methoden

WU‐VersuchPrüfkörper ohne Vorschädigung





Porenstrukturkennwerte Wasseraufnahme mit verschiedenen Methoden

WU‐VersuchPrüfkörper ohne Vorschädigungbzw. mit definiertem Riss


Rissbreite: br = 0,5 mm; Risstiefe: tR = 20 mm




PorenstrukturkennwerteWasseraufnahme mit verschiedenen MethodenOrtsaufgelöste Transportprozesse ohne und mit Vorschädigung


Röntgen‐3D ‐CTTDR‐Technikkonventionell


Teil 2 des Vortrags


RUB / Baustofftechnik: Rolf Breitenbücher, Robin PrzondzionoBAM: Birgit Meng, Frank Weise





WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 34Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke

• A1 Alkalientransport im ungeschädigten Beton• A2 Feuchtetransport im ungeschädigten Beton• A3 Gekoppelter Alkalien‐Feuchtetransport im ungeschädigten Beton

• B1 Charakterisierung der Vorschädigung

• D AKR‐induzierte Schädigung

Numerische Mehrskalenmodelle

• B2 Alkalien und Feuchtetransport im geschädigten Beton

Übersicht – Modelle für Transport & Schädigung


Mehrskalige ModellierungsstrategieAKR induzierte Schädigung

Kombinierter Fluid‐ und Ionentransport

Meso – Mikroskale [mm ‐ µm] Nanoskale [nm]

Teilmodelle A: Intakter Beton

Ionentransport (A.1)Tortuosität (A.2),Fluidtransport (A.3)

Teilmodelle B

Mikrorisse

Makro[cm]

AKR

Teilmodell C


Multi‐ion diffusion within pore fluid: Nernst‐Plank equation (Mean‐field approximation)

Fickian Diffusion Ion interactions

Electrical field

Poisson – Equation:

Chemical activity in strong ionic solutions (ionsolvent interaction)

SAMSON, MARCHAND & SNYDER 2003

OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0

OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]

A.1 Alkalientransport im Porenfluid



Electrical field

OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0

OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]







Electrical field

OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0

OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]







Electrical field

OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0

OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]






OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0

OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]


Electrical field

‐ +






Fickian Diffusion

Electrical field

OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0

OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]

Multi‐ion diffusion within pore fluid: Nernst‐Plank equation


‐ +

A.1 Ion transport in pore fluid


Komplexität des Porenraums repräsentiert durch Tortuosität Homogenisierung: Mikromechanik

bekannt

bekanntzu ermitteln

Makroskopische Diffusivität im Porenraum

Mehrskalenmodell für Ionentransport im Porenraum

A.2 Von der Porenlösung zum komplexen Porenraum


Komplexität des Porenraums repräsentiert durch Tortuosität Homogenisierung: Mikromechanik


J. J. Timothy & G. Meschke (2012)

Mixture TheoryMori‐TanakaDifferential

Experiment



1J. J. Timothy & G. Meschke (2012, 2013)

Mehrebenen Homogenisierung


Tortuositätsindex n



CCM Model (n = 3)CCM Model (n = 10)

Hastedt &Wright 1990.Christensen et al. 1992


Promentilla et al. 2009



Promentilla et al. 2009

Berücksichtigung der Porenradienverteilung

Modell:

Experiment:(w/c = 0,5, = 11 %)


300 mol/m3

NaOH500 mol/m3

NaCl

300 mol/m3

NaOH

‐ +Vs = 10.3 V

(Exp. Samson, Marchand & Snyder 2003)

ExperimentModel

A.2 Ionentransport im intakten Beton – Validierung

Validierung: Migrations‐Test


A.3 Fluidtransport im intakten Beton

Fluidtransport-Modell Richard‘s Modell

Versuchsdaten (Punkte)[Zhang, Wittmann et al. 2011]

Mualem – van Genuchten Modell für θ(S (p)) and kr(S)[van Genuchten, 1980]

van GenuchtenParameter

K [ m2] α [ m-1] m3.25 x 10-17 0.1349 0.49

Validierung: Kapillares Saugen


A.3 Water transport in intact cementitious materials

van GenuchtenParameter

K [ m2] α [ m-1] m1 x 10-17 0.1349 0.49

Versuchsdaten (Punkte)vom TP1

Validierung: Kapillares Saugen mit und ohne Druckbeaufschlagung


A.4 Kombinierter Fluid‐Ionentransport im intakten Beton

Fick‘sche Diffusion

Elektrisches Feld Advektion

Beispiel

Wat

er c

onte

nt [-

]

Depth [cm]Depth [cm]

Con

cent

ratio

n [m

ol/m

3 ]


B. Charakterisierung von Vorschädigung

E_red / E_intakt = 0.75Einfluss verteilter Mikrorisse

Experimentelle Resultate:


• Mikromechanik – Mehrskalenmodell• Vorschädigung: verteilte Mikrorisse • Anisotrope, Isotrope Mikrorissverteilung• Input aus Experiment: E_red / E_intakt = 0.75

• Output: Mikrorissdichte c– Validierung mittels Auszählung

B. Charakterisierung von Vorschädigung im ModellRepräsentatives Volumenelement

Mikroriss

Makroskopisches Werkstoffgesetz

Partialverzerrungen (Mikrorisse, Matrix)

Homogenisierte Steifigkeit


Repräsentatives Volumenelement

Mikroriss

Rel. E Modul

• Mikromechanik – Mehrskalenmodell• Vorschädigung: verteilte Mikrorisse • Zwei Fälle – Anisotrope, Isotrope Mikrorissverteilung

• Input aus Experiment: E_red / E_intakt = 0.75• Output: Mikrorissdichte c (=Schädigungs‐parameter) – Validierung mittels Auszählung

B. Charakterisierung von Vorschädigung im Modell


Repräsentatives Volumenelement

Mikroriss

Rel. E Modul

• Mikromechanik – Mehrskalenmodell• Vorschädigung: verteilte Mikrorisse • Zwei Fälle – Anisotrope, Isotrope Mikrorissverteilung

• Input aus Experiment: E_red / E_intakt = 0.75• Output: Mikrorissdichte c (=Schädigungs‐parameter) – Validierung mittels Auszählung

B. Charakterisierung von Vorschädigung im Modell


Rissdichte & –orientierung makroskopische Diffusivität, Permeabilität

Neues Mikromechanisches Mehrskalenmodell Mikrorisse innerhalb poröser Matrix (beschrieben über CCM Modell)Interaktionen zwischen Matrix und Mikrorissen erfasst

Ellipsoidförmige Mikrorisse

Interaktion Mikrorisse –Porosität

Interaktionstensor (Porosität – Mikrorisse)

Volumenanteil der Mikrorisse

B. Ionentransport im vorgeschädigten Beton

Timothy & Meschke PAMM 2010, EURO‐C 2010, PAMM 2011

CCM Modell

Intakter Zementstein


0

1

1

0

0

1

1

0

c/a=1

c/a=0.001

c [m

ol/m

3 ]c [m

ol/m

3 ]

1

1

Transport controlled by micro‐cracks

Einfluss der Mikroriss‐Orientierung




Highly tortuous porous matrix (n=∞) Weakly tortuous porous matrix (n=1)

Beitrag der Mikrorisse

Beitrag der Matrix


• Experiment [De Schutter 1999] zum Einfluss von Rissen auf den Chloridtransport• Vorgeschriebener Riss (Rissbreite 0.3 mm, Risslänge 5 mm)• Mikromechanik Modell: Grenzfall

5 mm

0.3 mmGeert De Schutter (1999), Magazine Of Concrete Research

Makroriss = Mikrorisszone mit

B. Ionentransport im vorgeschädigtem Beton


Experiment (De Schutter, G.,1999) Model

Depth

Distance from crack

Depth

Distance from crack

Depth

Distance from crack

Depth

Distance from crack

8 Weeks 12 Weeks

16 Weeks 20 Weeks

B. Ionentransport im vorgeschädigtem Beton


Basis: Permeabilitätsmodell [Lockington et al., 1999] für intakten Beton – kalbiriert auf Basis der experimentellen Daten von TP1

A1

B. Fluidtransport im vorgeschädigtem Beton


• Neues mikromechanischesMehrskalen-Modell

• Poiseuille-Gesetz innerhalbder Mikrorisse

• Input: Mikrorissdichte & Mikrorissorientierung

• Output: makroskopischePermeabilität

B. Fluidtransport im geschädigtem Beton


• Einfluss der Vorschädigung auf den kombinierten Wasser‐Ionentransport • Einfluss der Orientierung der Mikrorisse• Beton aus TP4: w/c = 0.4 ‐> Porosität φ = 0.22 [Cook & Hoover, 1999], Cascade‐Index

n = 8 [Timothy & Meschke, 2013]

B. Kombinierter Fluid‐Alkalientransport im geschädigten Beton

Na‐Konzentration nach 16 Stunden: Vergleich geschädigter – ungeschädigterBeton

Na‐ Konzentrationsprofile für isotrope und anisotrope Orientierung der Mikrorisse


C. AKR‐induzierte Schädigung ‐ Chemomechanisches Modell

Transportmodell

AKR‐induzierte Dehnung:

[Ulm et al., 2000, Pesavento, et al., 2012]

[Poyet, et al., 2007]


NaCl

[Nguyen, Timothy, Meschke AMS 2014]

sNa cNak

sgel

C. AKR‐induzierte Schädigung ‐ Chemomechanisches Modell


Zusammenfassung

Numerische Modelle Experimentelle Methoden

Direkte Erkenntnisse

Basis für Kalibrierung

(teilweise) Basis für Validerung

Art der Daten, Versuche


Zusammenfassung – Experimentelle Untersuchungen

Zwei gut reproduzierbare und sich ergänzende Szenarien für die kombinierte Vorschädigung Die ermittelten Rissparameter zeigen deutliche Unterschiede in Abhängigkeit von der Intensität der VorschädigungDer Einfluss der Vorschädigung auf das Eindringen von Alkalien und Feuchte ist mit den gewählten Verfahren quantifizierbar


Zusammenfassung – Numerische Modellierung

Mehrskalenmodelle für Fluid‐ und Ionentransport Intakter Beton:Neues Kaskaden‐Mikromechanik‐Modell beinhaltet Information über TortuositätVorschädigung: Mikromechanik‐Modell liefert Zusammenhang zw. Ered und Mikrorissdichte und –orientierungGeschädigter Beton: Abhängig von Mikrorissdichte und –orientierung liefert das Modell makroskopische Diffusivität und Permeabilität

Kopplung zw. Transportmodell und AKR‐induzierter Schädigung


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Vorschädigung & Transportprozesse


1. Breitenbücher, R.; Meschke, G.; Przondziono, R.; Nguyen, M.; Weise, F.; Voland, K.:Ausmaß von Vorschädigungen, Transportprozesse (Feuchte, externe Alkalizufuhr) in vorgeschädigtem Betongefüge. Enthalten in der vorliegenden Ausgabe der Beton‐und Stahlbetonbau 2015.

2. Nguyen, M.; Timothy, J. J.; Beckhuis, S.; Meschke, G.: Numerical modeling of fracture in brittle porous materials using the Phase field method and Micromechanics. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM). Submitted 2014.

3. Nguyen, M.; Timothy, J. J.; Meschke, G.: Modeling of ion transport and Alkali‐Silica‐Reaction‐induced damage in concrete using continuum micromechanics and phase field model. In K. van Breugel and E. A. B. Koenders, editors, Proceedings of the 1st Ageing of Material and Structures Conference, pp. 400‐407, the Netherlands, 2014.

4. Nguyen, M.; Timothy, J. J.; Meschke, G.: Numerical analysis of multiple ion species diffusion and Alkali‐Silica Reaction. In N. Bićanić, H. Mang, G. Meschke, and R. de Borst, editors, Computational Modelling of Concrete Structures (Proceedingsof EURO‐C 2014), pp. 789‐796. CRC Press/Balkema, NL, 2014

Eigene Veröffentlichungen


5. Timothy, J. J.; Meschke, G.: Diffusion in Fracturing Porous Materials: Characterizing Topological Effects using Cascade Micromechanics and Phase‐Field Models. Poromechanics V: pp. 2250‐2259. July 2013. doi: 10.1061/9780784412992.264

6. Timothy, J. J.; Meschke, G.: Modeling electrolyte diffusion in cracked cementitious materials using cascade continuum micromechanics and phase‐field models. In Fracture Mechanics of Concrete Structures (Framcos VIII), 2013

7. Timothy, J. J.; Meschke, G.: Micromechanics model for tortuosity and homogenized diffusion properties of porous materials with distributed micro‐cracks. Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics (PAMM), 11(1):555‐556, December 2011. Article first published online : 9 DEC 2011, DOI: 10.1002/pamm.201110267

8. Meschke, G.; Leonhart, D; Timothy, J. J.; Zhou, M.‐M.: Computational mechanics of multiphase problems – modeling strategies at different scales. Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences, 18:73‐89, 2011. Invitedpaperfor Special Issue.

Eigene Veröffenlichungen

Documents

Ausmaß von Vorschädigungen, Transportprozesse in ...134.147.28.131/hp/downloads/02_Meng_und_Meschke.pdf · nach zyklischer Belastung bei gleichzeitig aufstehender NaCl‐Lösung