Hydrate failure in ITZ governs elastic limits of concrete subjected to multiaxial compressive loading

Abstract

Many concrete structures such as slabs, plates, shells, and arch dams are subjected to multi axial loading. Of particular interest for engineers is the serviceability limit state (SLS) of these structures: the stress experienced by concrete must remain, under characteristic design loads,below the elastic limit of the material.Herein, the elastic limits of concrete under multiaxial compression are investigated by means of a micromechanics multiscale model. Concrete is represented by three representative volume elements(RVEs), resolving the microstructural features of the material at three scales of observation. At the micrometer-scale, isotropically oriented, needle-shaped hydration products and capillarypores are considered to be in mutual interaction to form the RVE of “hydrate foam”. At themillimeter-scale, this hydrate foam is considered as a matrix phase hosting unreacted clinkergrains to form the RVE of “cement paste”. Finally, the RVE of “concrete” at the centimeter-scale,consists of aggregates embedded in a cement paste matrix. Interfacial transition zones (ITZs), i.e.cement paste regions adjacent to the aggregate surfaces are most susceptible to microcracking.Hence, the elastic limits of multiaxially compressed concrete is considered to be reached when the most heavily loaded hydrate needle within the most unfavorable loaded ITZ fails accordingto a Drucker-Prager failure criterion. Composition and maturity of the concretes is considered by means of volume fractions of the constituents, computed according to Powers’ hydration model.Model-predicted elastic limits are compared to stress-strain diagrams from triaxial compression tests with axial symmetry or proportionally loaded multiaxial compression tests, as collected fromsix test campaigns reported in the literature on mature concretes with different compositions.The good agreement of model-predicted elastic limits with the initiation of major pre-peaknonlinearities in the experimentally determined stress-strain diagrams corroborates the importanceof stress concentrations into ITZs and motivates the analysis of elastic limit surfaces in principalstress space, including sensitivity analysis. This reveals that (i) the aggregate-to-cement ratiohas little influence on the elastic limit, (ii) the elastic limit decreases significantly with increasingwater-to-cement ratio (w/c), at least in the regime w/c > 0.42, and (iii) the elastic limit increa seswith increasing hydration degree. Only for mature concretes and/or concretes with small w/cratio, an increase of lateral confinement pressure increases the elastic limit significantly, whereasfor young concretes and/or concretes with high w/c ratio, benefits due to confinement arerather limited. Finally, comparing the model-predicted elastic limit with the strength values from triaxial compression tests indicates (i) that the strength increases much more significantlywith increasing confinement pressure than the elastic limit does, and (ii) that in elastic reserves increase with increasing w/c ratios, as a consequence of the enhanced ability of inelastic material compaction resulting from the increased porosity.

Viele Betonbauwerke, wie etwa Scheiben, Platten, Schalen und Talsperren sind mehraxial beansprucht. Der Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit (SLS) ist für die Bemessung relevant:Die Spannungen von Beton müssen unter charakteristischen Bemessungslasten unterhalb der Elastizitätsgrenze des Materials bleiben.In dieser Arbeit werden die Elastizitätsgrenzen für Beton unter mehraxialer Druckbeanspruchung mit einem Mehrskalen-Mikromechanik-Modell untersucht. Es basiert auf drei repräsentativen Volumenelementen (RVEs), die die Betonmikrostruktur auf drei Beobachtungsskalen darstellen.Auf der Mikrometerskala werden isotrop orientierte, nadelförmige Hydratationsprodukte und Kapillarporen in direkter gegenseitiger Interaktion eingeführt, um das RVE des „Hydratschaums“zu definieren. Auf der Millimeterskala wird dieser Hydratschaum als Matrixphase berücksichtigt,die unhydrierte Klinkerkörner enthält, um das RVE des „Zementsteins“ zu bilden. Das RVE von „Beton“ auf der Zentimeterskala besteht aus Zuschlägen, die in einer Zementsteinmatrix eingebettet sind. Die „Interfacial Transition Zones“ (ITZs), also jene Zonen des Zementsteins, die direkt an die Zuschlagsoberflächen angrenzen, sind der Ausgangspunkt materieller Nichtlinearitäten,denn erste Mikrorissen treten genau dort auf. Daher wird die Elastizitätsgrenze von mehraxial druckbeanspruchtem Beton als erreicht angesehen, wenn die am stärksten belastete Hydratnadel innerhalb der am ungünstigsten belasteten ITZ gemäß des Drucker-Prager-Versagenskriteriums versagt. Die Zusammensetzungen und Hydratationsgrade der Betone werden mit Hilfe von Volumenanteilen der Materialbestandteile berücksichtigt, die mit dem Hydratationsmodell nach Powers berechnet werden. Die vom Modell vorhergesagten Elastizitätsgrenzen werden mit Spannungs-Dehnungs-Diagrammen aus dreiaxialen Druckversuchen mit axialer Symmetrie oder proportional belasteten mehr axialen Druckversuchen verglichen, welche von sechs in der Literatur beschriebenen Versuchskampagnen für ausgehärtete Betone mit verschiedenen Zusammensetzungen stammen. Die gute Übereinstimmung der prognostizierten Elastizitätsgrenzen mit dem Beginn von wesentlichen Nichtlinearitätenin den experimentell ermittelten Spannungs-Dehnungs-Diagrammen untermauert die Bedeutung von Spannungskonzentrationen in ITZs und regt zu Analysen der elastischen Grenzflächen im Hauptspannungsraum inklusive Sensitivitätsanalysen an. Dabei zeigt sich,dass (i) das Zuschlag-Zement-Verhältnis wenig Einfluss auf die Elastizitätsgrenze hat, (ii) die Elastizitätsgrenze mit zunehmendem Wasser-Zement-Wert (w/z) für w/z > 0,42 signifikant abnimmt und (iii) die Elastizitätsgrenze mit zunehmendem Hydratationsgrad ansteigt. Nur für ausgehärtete Betone bzw. Betone mit kleinem w/z-Verhältnis erhöht ein Anstieg des Seitendrucks die Elastizitätsgrenzen signifikant, während für junge Betone bzw. Betone mit hohem w/z-Wert der günstige Effekt des Seitendrucks nur gering ist. Der Vergleich der vom Modell vorhergesagten Elastizitätsgrenze mit den Werten der Druckfestigkeit aus dreiaxialen Druckversuchen zeigt, dass (i) die Bruchfestigkeit mit zunehmendem Seitendruck viel stärker ansteigt als die Elastizitätsgrenze und (ii) dass die unelastischen Reserven mit zunehmenden w/z-Wert ansteigen,als Konsequenz der gesteigerten Fähigkeit zur unelastischen Materialverdichtung infolge der erhöhten Porosität.