Multiscale analysis of time-dependent behavior of cementitious materials: : high-dynamic strength gain and temperature-activated creep

Abstract

The time-dependent behavior of cementitious materials is studied at multiple time and spatial scales. The investigated time scales range from a few microseconds to a few weeks. This interval refers to high-dynamic strength tests, ultrasonic pulse velocity measurements, standard quasi-static compression tests of concretes, carried out during the first four weeks after production, and innovative three-minute creep tests of hydrating concretes and hardened cement paste. The investigated length scales range from a few microns to a few decimeters. This interval refers to multiscale material modeling of cementitious materials. It allows for upscaling of the quasi-static strength of micron-sized hydrate gel needles to the macroscopic uniaxial compressive strength of representative volume elements of concrete. The research methods used are selected in order to establish a balance between experiments and modeling. The treated research topics refer to unsolved problems in basic engineering science regarding the mechanics and physics of cementitious materials. It is shown that the gained knowledge is valuable for several challenging applications in practical civil engineering. The thesis consists of four parts. The first part deals with the gain of strength of specimens made of cementitious materials, subjected to high-dynamic loading. The elasto-brittle model from Fischer et al. (CCR 58, 2014,186-200) is adopted. This model was originally developed for specimens made of cement paste, subjected to high-dynamic uniaxial compression. Herein, the model is extended in order to explain the behavior of specimens made of mortars and concretes. Analyzing experimental data from high-dynamic crushing of geometrically similar mortar cylinders underscores that the high-dynamic strength gain is proportional to the size of the tested specimens. Thus, it is a structural eect. Therefore, the model is extended, in a non-trivial fashion, to highdynamic tension tests of mortar and concrete cylinders. The study underlines that, also under high-dynamic loading, cracking starts, once the quasi-static strength is reached, and that the high-dynamic strength gain occurs during the failure process of the specimen, i.e. during the period of time, lasting from crack nucleation to disintegration of the specimen. In the second part of this thesis, the described model for the high-dynamic compressive strength of cementitious materials is applied to the concrete used for the tunnel of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge. The multiscale model of Königsberger et al. (CCR 103, 2018,77-94) is used to predict the evolution of both the elastic stiness and the quasi-static uniaxial compressive strength, for material ages exceeding 28 days. Based on this input, it is shown that the high-dynamic strength of concrete specimens increases with increasing age of the material. Still, the dynamic strength increase factor, i.e. the ratio of the high-dynamic strength and the quasi-static strength, decreases with increasing maturity of concrete. The third part of the thesis is dedicated to the early-age evolution of the stiness and strength of concretes, frequently used in Austria in bridge design. Isothermal testing is carried out at 20 degrees centigrade. Standard tests are performed in order to characterize the evolution of the uniaxial compressive strength and of Young’s modulus during the first 28 days after production. The obtained experimental data are used to assess and improve formulae of the fib Model Code for prediction of the early-age evolutions of the strength and the stiness of concretes, based on knowledge regarding the strength of the material after 28 days. Complementing the standard tests, innovative three-minute creep tests are performed at every hour, from one day after production of the material up to the age of eight days. A powerlaw creep function is used for the evaluation of the test data. Accounting for the fact that elastic and visco-elastic deformations develop during the short loading phases, the elastic Young’s modulus and the creep modulus are quantified from each single test. Following the conceptual approach of the fib Model Code, formulae, allowing for the prediction of the earlyage evolution of the creep modulus, are developed, based on knowledge regarding the strength of the material after 28 days. Putting together the experimental results from standard and innovative material testing, it is shown that young concrete is very creep-active, even if the material appears to be already quite mature when assessed on the basis of its compressive strength. This is of high practical relevance, particularly to construction methods where concrete is loaded at early ages, i.e., for example, to balanced cantilever construction and prestressed concrete construction. The fourth part of the thesis deals with the question of the dependence of the elastic stiness and the creep activity of hardened cement paste on the temperature. Isothermal testing is carried out at 20, 30, and 45 degrees centigrade. The elastic stiness is quantified based on creep tests and, independently, also on ultrasonic pulse-velocity measurements. The creep modulus is obtained from the creep tests. It is shown that the elastic stiness decreases slightly with increasing temperature, whereas the creep modulus decreases significantly. It is demonstrated that both quasi-static creep tests and high-dynamic ultrasonic tests deliver the same elastic Young’s modulus, provided that attention is paid to specific experimental protocols and related test evaluation strategies. As for the creep tests, it is essential to consider that elastic and visco-elastic deformations develop during the short loading phases. As for the ultrasonic tests, the wavelength must be significantly larger than the characteristic size of the heterogeneities of the material, such that the separation-of-scales principle is satisfied. In addition, the evaluation of the ultrasonic tests must be based on a newly introduced eective mass density of the characterized material. The latter accounts exclusively for those parts of the microstructure, which experience significant inertia forces when an ultrasonic wave is propagating through the material. It is shown that water, residing in the largest pores of cement paste, is unlikely to experience the described inertia forces. Overall, the thesis underlines that processes occurring at microscopic material scales govern the macroscopic behavior of cementitious materials. It was shown that accounting for microstructural phenomena increases the information content not only of the experiments, but also of related material models.

Die vorliegende Doktorarbeit ist dem zeitabhängigen Verhalten zementgebundener Materialen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Zeit- und Längenskalen gewidmet. Die zeitlichen Beobachtungsskalen reichen von wenigen Mikrosekunden bis hin zu mehreren Wochen. Dieses Zeitinterval bezieht sich auf die Analyse von hochdynamischen Festigkeitsuntersuchungen, Ultraschallmessungen, innovativen dreiminütigen Kriechtests und quasi-statischen Druckversuchen zur Charakterisierung des Materials innerhalb der ersten 28 Tage nach Herstellung. Die beobachteten Längenskalen reichen von Mikrometer bis hin zu Dezimeter und leiten sich von der Mehrskalenmodellierung der hierarchisch organisierten Mikrostruktur zementgebundener Materialien ab. Mehrskalenmodelle erlauben von der Festigkeit der Hydratgelnadel, die auf der Mikrometerskala sichtbar ist, auf die Festigkeit des Betons auf der Dezimeterskala zu schließen. Bei der Wahl der Untersuchungsmethoden wurde auf eine Ausgewogenheit zwischen experimentellen Methoden und Modellierungsansätzen geachtet. Die Forschungsthemen sind oene Fragen zu den mechanischen und physikalischen Vorgängen innerhalb der zementgebundenen Werkstoe, welche dem Bereich der grundlegenden Ingenieurwissenschaften zugeordnet werden können. Die Relevanz der Forschungsergebnisse für unterschiedlichste Bereiche der Baupraxis wurde in dieser Arbeit aufgezeigt. Die Dissertation ist in vier Teile aufgeteilt, die nachfolgende erläutert werden. Im ersten Abschnitt wird der Festigkeitszuwachs von zementgebundenen Probekörpern bei hochdynamischer Belastung untersucht. Dafür wird das elastisch-spröde Modell von Fischer et al. (CCR 58,214,186-200), welches für einachsige hochdynamische Druckversuche an Zementsteinproben entwickelt wurde, für hochdynamische Druckversuche an Probekörpern aus Mörtel und Beton erweitert. Die Modellierung von hochdynamischen Versuchen an unterschiedlich großen Mörtelproben mit dem selben Verhältnis von Durchmesser zu Höhen hat gezeigt, dass die Festigkeitszunahme proportional zur Größe der getesteten Probe ist und es sich somit um einen Struktureekt handelt. Nachfolgend wurde das Modell in nicht-trivialer Weise für hochdynamische einachsige Zugversuche an Mörtel- und Betonproben erweitert. Es wird gezeigt, dass es unter hochdynamischer Belastung beim Erreichen der quasi-statischen Festigkeit zur Rissbildung kommt und der Festigkeitszuwachs während des Versagensprozesses entsteht, der mit dem Entstehen des ersten Risses beginnt und mit dem Auseinanderbrechen der Probe endet. Im zweiten Teil der Arbeit wird das elastisch-spröde Modell für die hochdynamische Verfestigung des Betons, der im Tunnel der Hongkong-Zhuhai-Macao Brücke eingebaut wurde, angewendet. Das Mehrskalenmodell für Beton von Königsberger et al. (CCR 103,2018,7794) wird zur Vorhersage der elastischen Festigkeits- und Steifigkeitsentwicklung des untersuchten Tunnelbetons über 28 Tage hinaus herangezogen, welche anschließend als Eingangsgrößen für das hochdynamsiche Modell dienen. Es zeigt sich, dass die hochdynamische Festigkeit mit dem Betonalter zunimmt, wenn auch nicht im selben Ausmaß wie die quasi-statische Festigkeit. Daraus folgend kommt es mit zunehmendem Betonalter zu einer Abnahme des dynamischen Verfestigungsfaktores, der das Verhältnis von dynamischer zu quasi-statischer Festigkeit repräsentiert. Im dritten Abschnitt der Arbeit werden die Frühzeiteigenschaften von Brückenbaubetonen, die in Österreich häufig verwendet werden, untersucht. Mit Standardversuchen wird die Festigkeit und Steifigkeit innerhalb der ersten 28 Tage charakterisiert. Diese Messwerte dienen als Vergleichswerte für die Modellvorhersagen der Frühzeitentwicklung laut fib Model Code, die auf dem 28-Tage-Druckfestigkeitswert basieren. In Ergänzung zu den Standardtests werden stündlich, dreiminütige Kriechtests innerhalb der ersten 8 Tage nach Betonherstellung durchgeführt. Für jeden Kriechtest werden Elastizitätsmodul und Kriechmodul bestimmt. Die Auswertung basiert auf einer Exponentialfunktion unter Berücksichtigung von elastischen wie auch visco-elastischen Verformungen während der Belastungsphase. In Anlehnung an die Modellierungsansätze des fib Model Codes wird eine Formel zur Vorhersage der Frühzeitentwicklung des Kriechmoduls entwickelt, die eine Funktion der 28-Tage-Druckfestigkeit ist. Die Standardversuche und die innovativen Kirechtests haben gezeigt, dass sich der Kriechmodul von jungem Beton innerhalb der ersten 28 Tage anders als der Elastizitätsmodul und die Festigkeit entwickelt, d.h. junger Beton bleibt sehr kriechaktiv, obwohl Festigkeit und Steifigkeit rasch zunehmen. Dies ist von Relevanz für Bauteile, die im jungen Betonalter bereits belastet werden, wie vorgespannte Betonfertigteile und Tragwerke im Freivorbau. Im vierten Teil der Arbeit wird der Einfluss von moderaten Temperaturänderungen auf die Steifigkeits- und Kriecheigenschaften von ausgehärtetem Zementstein untersucht. Es werden isothermale Versuche bei 20, 30 und 45 Grad Celsius durchgeführt. Dabei wird die elastische Steifigkeit einerseits durch Ultraschallversuche und andererseits durch Kriechtests bestimmt, die zusätzlich noch Kriechmodule liefern. Die Versuche haben gezeigt, dass die elastische Steifigkeit leicht und der Kriechmodul signifikant abnehmen, wenn die Temperatur erhöht wird. Unter Berücksichtigung von speziellen Versuchsprotokollen und darauf abgestimmte Auswertungsmethoden konnte gezeigt werden, dass die Ultraschalltests und die quasi-statischen Kriechtests die selben elastischen Steifigkeiten ergeben. Im Zusammenhang mit den Kriechtests ist es notwendig, den elastischen und visco-elastischen Verschiebungsanteile während der Belastungs- und Haltephase in der Auswertung zu berücksichtigen. Im Zusammenhang mit den Ultraschallmessungen, muss jedenfalls die Wellenlänge deutlich größer als die charakteristische Heterogenität des Materials sein, damit das Prinzip der Skalentrennung eingehalten ist. Bei der Auswertung ist eine neu eingeführte eektive Massendichte zu berücksichtigen, die nur jene Massenanteile berücksichtigt, die durch Trägheitskräfte während des Ultraschalltests angeregt werden. Es wurde gezeigt, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass diese Trägheitskräfte auf das Wasser in den größten Poren des Zementsteins wirken. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass das makroskopische Verhalten der zementgebundenen Materialien durch Prozesse auf den mikroskopischen Ebenen hervorgerufen wird. Die Berücksichtigung der mikroskopischen Prozesse liefert nicht nur einen Mehrwert für Experimente sondern auch für Materialmodelle