Multiscale characterization and modeling of creep and autogenous shrinkage of early-age cement-based materials

Abstract

The proper description of the mechanical behavior of concrete is essential for the reliable prediction of the performance and safety of structures made of plain, reinforced, and/or prestressed concrete.<br />In case of concrete at early ages, the beneficial increase of the stiffness and strength in the course of hydration is accompanied by autogenous-shrinkage deformations and significant creep under loading.<br />Opposed to material models formulated exclusively at the so-called macroscale, i.e., the scale of structural analysis, capturing the mentioned characteristics of early-age concrete in a phenomenological manner, multiscale models allow the consideration of physical/chemical processes at the scale of their occurrence.<br />In this thesis, a multiscale model for the prediction of autogenous-shrinkage deformations and basic creep of early-age concrete is presented.<br />The thesis comprises:<br />1. Experimental characterization at finer scales of observation:<br />Nanoindentation (NI), characterized by driving a tough (usually a diamond) tip into the ground and polished sample surface, is employed for experimental characterization at the micrometer range.<br />Lacking analytical solutions for conical indentation into materials showing viscoelastic-plastic behavior, numerical results are used to construct solutions for (i) viscoelastic indentation and (ii) viscoelastic-cohesive indentation in dimensionless form. These relations are employed for identification of material properties from NI-test data.<br />Hereby, the creep behavior of calcium-silicate-hydrates (CSH) is found to be of logarithmic type.<br />2. Upscaling schemes for elastic and viscoelastic material behavior:<br />Classical homogenization schemes for upscaling of elastic properties based on continuum micromechanics, e.g., the Mori-Tanaka scheme, are expanded towards consideration of (i) eigenstresses for upscaling of autogenous-shrinkage deformations and (ii) viscoelastic behavior of CSH for upscaling of creep properties.<br />As regards the latter, the Laplace-Carson transformation of the Mori-Tanaka scheme is employed, considering the aforementioned logarithmic-type creep of CSH.<br />3. Experimental verification of upscaling schemes:<br />In order to assess the quality of the developed upscaling schemes, autogenous-shrinkage experiments were conducted at the laboratory of the Institute for Mechanics of Materials and Structures, Vienna University of Technology.<br />Moreover, results from creep experiments reported in the open literature are employed.<br />The developed multiscale model links the creep behavior observed at the macroscale to finer scales, considering the continuously changing finer-scale composition as well as the stiffening effect of inclusions and the compliance-raising effect of (partially saturated) pores at the different observation scales.<br />Finally, the proposed multiscale model is employed to specify the early-age properties of shotcrete within a so-called hybrid analysis of a shotcrete tunnel lining, allowing consideration of the actual mix design and the conditions at the construction site.<br />Within the performed hybrid analyses, in situ measurement data are combined with the multiscale model for shotcrete. The obtained results give access to the history of the level of loading of the tunnel lining, which is illustrated for one cross-section of the Lainzer tunnel near Vienna, Austria.<br />

Die realistische Beschreibung des Materialverhaltens zementgebundener Baustoffe ist eine notwendige Voraussetzung für die zuverlässige Prognose der Dauerhaftigkeit und Sicherheit von Bauwerken aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton.<br />Bei jungem Beton wird der Festigkeits- und Steifigkeitszuwachs von autogenen Schwindverzerrungen, sowie ausgeprägten Kriechverzerrungen unter Belastung begleitet.<br />Im Gegensatz zu makroskopischen Materialmodellen, also konstitutiven Beziehungen, welche die genannten mechanischen Eigenschaften phänomenologisch beschreiben, können bei Einbeziehung unterer Ebenen der Betrachtung im Rahmen der Mehrskalenmodellierung physikalische/chemische Prozesse auf eben diesen Ebenen berücksichtigt werden.<br />In dieser Arbeit wird ein derartiges Mehrskalenmodell für die Vorhersage von autogenen Schwindverzerrungen und Kriechen von jungen zementgebundenen Werkstoffen vorgestellt.<br />Die hierfür erforderlichen experimentellen und theoretischen Entwicklungen gliedern sich in:<br />1. Experimentelle Charakterisierung auf der mikroskopischen Betrachtungsebene Die experimentelle Charakterisierung erfolgt mittels Nanoindentation (NI).<br />Diese experimentelle Methode ist durch das Aufbringen einer harten (üblicherweise einer Diamant-) Spitze auf die geschliffene und polierte, ebene Probenoberfläche und anschließende Belastung gekennzeichnet.<br />Die Eindringung der Spitze liegt dabei im 1/10 Mikrometer Bereich. Zur Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften auf Basis der NI Daten dienen mit Hilfe der Finiten Elemente (FE) Methode ermittelte Beziehungen für (i) die viskoelastische Eindringung und (ii) die viskoelastisch-kohäsive Eindringung.<br />Im Rahmen der NI Versuche konnte eine logarithmische Zeitabhängigkeit des Kriechverhaltens der Kalzium-Silikat-Hydrate (CSH) identifiziert werden.<br />2. Entwicklung von Homogenisierungsschemata zur Bestimmung des makroskopischen elastischen und viskoelastischen Materialverhaltens:<br />Klassische Homogenisierungsschemata (Kontinuums-Mikromechanik) zur Bestimmung der effektiven elastischen Eigenschaften, z.B. die Mori-Tanaka Methode, werden erweitert um einerseits Eigenspannungszustände bei der Bestimmung autogener Schwindverzerrungen, und andererseits viskoelastische Eigenschaften von CSH bei der Bestimmung effektiver Kriecheigenschaften zu berücksichtigen.<br />Letztere werden mittels Laplace-Carson Transformation der aus der Kontinuumsmikromechanik folgenden Gleichungen bestimmt.<br />3. Experimentelle Verifikation der Homogenisierungsschemata:<br />Um die Qualität des entwickelten Mehrskalenmodells, bestehend aus der Charakterisierung auf unteren Ebenen der Betrachtung und der Anwendung der entwickelten Homogenisierungsschemata, zu beurteilen, werden (i) (autogene) Schwindversuche, die im Labor des Instituts für Mechanik der Werkstoffe und Strukturen, TU Wien, durchgeführt wurden, sowie (ii) Kriechexperimente aus der einschlägigen Literatur herangezogen.<br />Das entwickelte Mehrskalenmodell verknüpft die rheologischen Eigenschaften auf der mikroskopischen Betrachtungsebene mit den rheologischen Eigenschaften auf der Makroebene.<br />Dabei werden (i) die sich kontinuierlich ändernden Volumsfraktionen der verschiedenen Phasen auf der mikroskopischen Ebene, sowie (ii) der versteifende Effekt von Partikeln und der die Nachgiebigkeit vergrößernde Effekt von (partiell) gesättigten Poren auf verschiedenen Betrachtungsebenen berücksichtigt. Am Ende dieser Dissertation wird das vorgestellte Mehrskalenmodell, unter Berücksichtigung der verwendeten Betonrezeptur sowie der Umweltbedingungen beim Einbau, zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von jungem Spritzbeton herangezogen.<br />Im Rahmen einer hybriden Analyse einer Spritzbetontunnelschale, bei der in situ Verschiebungsmessungen mit dem Materialmodell für Spritzbeton verknüpft werden, wird der zeitliche Verlauf des Auslastungsgrades eines Querschnitts des Lainzer Tunnels (Wien) bestimmt