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 ?
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 3Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 3
Gliederung des Vortrags
Meng/Meschke Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 4Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 4
Gliederung des Vortrags
Meng/Meschke Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
RUB / Baustofftechnik: Rolf Breitenbücher, Robin PzondzionoBAM: 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
Experimentelle Methoden
numerische Modelle, Simulationstechniken
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 5Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 5
Gliederung experimenteller Teil
Meng/Meschke Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 6Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 6
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
Meng/Meschke Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Straßenbeton, einheitlich für alle TP
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 7Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 7
Szenarien für kombinierte Vorschädigung
Meng/Meschke Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 9Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 9Meng/Meschke
Vorschädigung ‐ Konzept TP1
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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.
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 10Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 10Meng/Meschke
Vorschädigung ‐ Konzept TP4
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 11Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 11Meng/Meschke
Vorschädigung ‐ Konzept TP4
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Simultane Erfassung der Schädigung und des Lösungstransports
kontinuierlich: Rissentwicklung und Verformung
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 12Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 12Meng/Meschke
Vorschädigung ‐ Konzept TP4
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Simultane Erfassung der Schädigung und des Lösungstransports
kontinuierlich: Rissentwicklung und Verformungin Intervallen: Feuchteprofile mit NMR
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 13Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 13Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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, …)
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 14Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 14Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Gefügeschädigung in Abhängigkeit von Lastniveau und ‐zyklen
Messpositionen Ultraschall‐Laufzeit
Lasteinleitung
Lasteinleitung
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 15Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 15Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Gefügeschädigung in Abhängigkeit von Lastniveau und ‐zyklen
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 16Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 16Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Risscharakterisierung mit Dünnschliff‐Mikroskopie
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 17Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 17Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Risscharakterisierung mit Dünnschliff‐Mikroskopie
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 18Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 18Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 19Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 19Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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)
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 20Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 20Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Risscharakterisierung mit Röntgen 3D‐CT
Quantitative 3D‐Rissauswertung mit automatisierter Risserkennungssoftware (Kooperation ZIB und BAM)
maximale Biegebeanspruchung
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 21Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 21Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Risscharakterisierung mit Röntgen 3D‐CT
Quantitative 3D‐Rissauswertung mit automatisierter Risserkennungssoftware (Kooperation ZIB und BAM)
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 22Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 22Meng/Meschke
Bewertung der Vorschädigung
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Risscharakterisierung mit Röntgen 3D‐CT
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
Quantitative 3D‐Rissauswertung mit automatisierter Risserkennungssoftware (Kooperation ZIB und BAM)
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 23Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 23Meng/Meschke
Bewertung Ionen‐ und Feuchtetransport
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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)
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 24Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 24Meng/Meschke
Bewertung Ionen‐ und Feuchtetransport
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Messung Salzeintrag mit LIBS (Laser Induced Breakdown Spektroskopie)
Messprinzip
Atom‐Emissions‐Spektrum
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 25Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 25Meng/Meschke
Bewertung Ionen‐ und Feuchtetransport
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Messung Salzeintrag mit LIBS (Laser Induced Breakdown Spektroskopie)
Messfläche x‐Richtung 60 mmz‐Richtung 80 mm
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 26Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 26Meng/Meschke
Auswirkung der Vorschädigung auf Stofftransport
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
max. Zuwachs = 0,56 M.-%
mittl. Zuwachs = 0,16 M.-%
Eindringtiefe = 24 mm
Basiswert = 0,25 M.-%
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 27Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 27Meng/Meschke
Auswirkung der Vorschädigung auf Stofftransport
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
max. Zuwachs = 0,48 M.-%
mittl. Zuwachs = 0,18 M.-%
Eindringtiefe = 31 mm
Basiswert = 0,01 M.-%0
1020304050607080
Tief
e [m
m]
max. Zuwachs = 0,33 M.-%
mittl. Zuwachs = 0,11 M.-%
Eindringtiefe = 23 mm
Basiswert = 0,01 M.-%
Cl‐Eintrag nach zyklischer Belastung bei gleichzeitig aufstehender NaCl‐Lösung (LIBS)
Beanspruchungσo/fct,fl = 0,6 Lastzyklen 5 MioBetonart A
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 28Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 28Meng/Meschke
Weiterführende Untersuchungen
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge 2
Porenstrukturkennwerte (Gesamtporosität, Größenverteilung, LP‐Kennwerte)
Weiterentwicklung und Validierung der Transportmodelle (TP3)
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 29Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 29Meng/Meschke
Weiterführende Untersuchungen
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 30Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 30Meng/Meschke
Weiterführende Untersuchungen
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge 2
Porenstrukturkennwerte Wasseraufnahme mit verschiedenen Methoden
WU‐VersuchPrüfkörper ohne Vorschädigung
Weiterentwicklung und Validierung der Transportmodelle (TP3)
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 31Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 31Meng/Meschke
Weiterführende Untersuchungen
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
Porenstrukturkennwerte Wasseraufnahme mit verschiedenen Methoden
WU‐VersuchPrüfkörper ohne Vorschädigungbzw. mit definiertem Riss
Weiterentwicklung und Validierung der Transportmodelle (TP3)
Rissbreite: br = 0,5 mm; Risstiefe: tR = 20 mm
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 32Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 32Meng/Meschke
Weiterführende Untersuchungen
Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
PorenstrukturkennwerteWasseraufnahme mit verschiedenen MethodenOrtsaufgelöste Transportprozesse ohne und mit Vorschädigung
Weiterentwicklung und Validierung der Transportmodelle (TP3)
Röntgen‐3D ‐CTTDR‐Technikkonventionell
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 33Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke Weimar, 21. Oktober2014 33
Teil 2 des Vortrags
Meng/Meschke Vorschädigungen, Transportprozesse in vorgeschädigtem Betongefüge
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
Experimentelle Methoden
numerische Modelle, Simulationstechniken
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 35Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 36Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 37Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
Fickian Diffusion Ion interactions
Electrical field
OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0
OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]
Multi‐ion diffusion within pore fluid: Nernst‐Plank equation (Mean‐field approximation)
Poisson – Equation:
Chemical activity in strong ionic solutions (ionsolvent interaction)
A.1 Alkalientransport im Porenfluid
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 38Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
Fickian Diffusion Ion interactions
Electrical field
OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0
OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]
Multi‐ion diffusion within pore fluid: Nernst‐Plank equation (Mean‐field approximation)
Poisson – Equation:
Chemical activity in strong ionic solutions (ionsolvent interaction)
A.1 Alkalientransport im Porenfluid
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 39Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
Fickian Diffusion Ion interactions
Electrical field
OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0
OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]
Multi‐ion diffusion within pore fluid: Nernst‐Plank equation (Mean‐field approximation)
Poisson – Equation:
Chemical activity in strong ionic solutions (ionsolvent interaction)
A.1 Alkalientransport im Porenfluid
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 40Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
OH‐ 108Na+ 25K + 83Cl ‐ 0
OH‐ 108Na+ 525K + 83Cl ‐ 500 [mol/m3]
Fickian Diffusion Ion interactions
Electrical field
‐ +
Multi‐ion diffusion within pore fluid: Nernst‐Plank equation (Mean‐field approximation)
Poisson – Equation:
Chemical activity in strong ionic solutions (ionsolvent interaction)
A.1 Alkalientransport im Porenfluid
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 41Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
Poisson – Equation:
‐ +
A.1 Ion transport in pore fluid
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 42Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 43Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
Komplexität des Porenraums repräsentiert durch Tortuosität Homogenisierung: Mikromechanik
Mehrskalenmodell für Ionentransport im Porenraum
J. J. Timothy & G. Meschke (2012)
Mixture TheoryMori‐TanakaDifferential
Experiment
A.2 Von der Porenlösung zum komplexen Porenraum
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 44Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
1J. J. Timothy & G. Meschke (2012, 2013)
Mehrebenen Homogenisierung
A.2 Von der Porenlösung zum komplexen Porenraum
Tortuositätsindex n
Mehrskalenmodell für Ionentransport im Porenraum
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 45Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
CCM Model (n = 3)CCM Model (n = 10)
Hastedt &Wright 1990.Christensen et al. 1992
A.2 Von der Porenlösung zum komplexen Porenraum
Promentilla et al. 2009
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 46Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
A.2 Von der Porenlösung zum komplexen Porenraum
Promentilla et al. 2009
Berücksichtigung der Porenradienverteilung
Modell:
Experiment:(w/c = 0,5, = 11 %)
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 47Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 48Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 49Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 50Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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 ]
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 51Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
B. Charakterisierung von Vorschädigung
E_red / E_intakt = 0.75Einfluss verteilter Mikrorisse
Experimentelle Resultate:
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 52Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
• 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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 53Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 54Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 55Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 56Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
B. Ionentransport im vorgeschädigten Beton
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 57Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
B. Ionentransport im vorgeschädigten Beton
Highly tortuous porous matrix (n=∞) Weakly tortuous porous matrix (n=1)
Beitrag der Mikrorisse
Beitrag der Matrix
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 58Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
• 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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 59Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 60Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
Basis: Permeabilitätsmodell [Lockington et al., 1999] für intakten Beton – kalbiriert auf Basis der experimentellen Daten von TP1
A1
B. Fluidtransport im vorgeschädigtem Beton
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 61Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
• Neues mikromechanischesMehrskalen-Modell
• Poiseuille-Gesetz innerhalbder Mikrorisse
• Input: Mikrorissdichte & Mikrorissorientierung
• Output: makroskopischePermeabilität
B. Fluidtransport im geschädigtem Beton
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 62Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
• 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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 63Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
C. AKR‐induzierte Schädigung ‐ Chemomechanisches Modell
Transportmodell
AKR‐induzierte Dehnung:
[Ulm et al., 2000, Pesavento, et al., 2012]
[Poyet, et al., 2007]
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 64Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
NaCl
[Nguyen, Timothy, Meschke AMS 2014]
sNa cNak
sgel
C. AKR‐induzierte Schädigung ‐ Chemomechanisches Modell
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 65Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
Zusammenfassung
Numerische Modelle Experimentelle Methoden
Direkte Erkenntnisse
Basis für Kalibrierung
(teilweise) Basis für Validerung
Art der Daten, Versuche
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 66Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 67Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 68Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Vorschädigung & Transportprozesse
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 69Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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
WorkshopWeimar, 21. 10. 2014 70Vorschädigung, Transportprozesse im vorgeschädigten BetonMeng/Meschke
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