Mesoscale modelling of concrete as a multiphase material

In recent years, thanks to upgraded computational resources, concrete has started being modeled as porous medium at 3D meso level, distinguishing in the multiphase system the role of aggregates, cement paste and interfacial transition zone (ITZ). A deep knowledge on the behaviour of concrete materials at the mesoscale level requires, as a fundamental aspect, to characterize aggregates and specifically, their thermal properties if fire hazards (e.g. spalling) are accounted for. The assessment of aggregates performance (and, correspondingly, concrete materials made of aggregates, cement paste and ITZ) is crucial for defining a realistic structural response as well as damage scenarios. A meso-scale approach has been here followed to study concrete behaviour under normal and high temperatures via the 3D fully coupled thermo-hydro-mechanical model developed at Padua University, called NEWCON3D. Particularly, it is assumed that concrete creep and damage are associated to cement paste and ITZ only and that creep of concrete obeys to the B3 model proposed by Bažant and Baweja, instead damage obeys to the Mazars’ damage law with non-local correction. Therefore several numerical analyses at the mesolevel have been carried out: firstly the role of the ITZ and of the aggregates on the hygro-thermal response of concrete have been investigated, highlighting the barrier effect covered by aggregates towards the flux of humidity; subsequently the visco-damaged behaviour of concrete at the meso level is investigated, to understand the influence of ITZ and aggregates on the overall mechanical behaviour at medium temperatures. Indeed, these two components are crucial for defining a realistic structural response as well as damage scenarios allowing to define an appropriate concrete mixture to withstand spalling. Finally, the study of concrete under high temperature conditions, to catch the “shape effect”, comparing columns of different section at the macro level, and the crucial role of the aggregates and the ITZ on the real evolution of cracking, have been performed.

Negli ultimi anni, grazie alle attuali risorse di calcolo, si è iniziato a modellare il calcestruzzo come un mezzo poroso al meso livello, distinguendo nel sistema multifase il ruolo degli aggregati, della pasta di cemento e dell’interfacial transition zone (ITZ). Una profonda conoscenza del comportamento del calcestruzzo al mesoscala richiede, come aspetto fondamentale, la caratterizzazione degli aggregati ed, in particolare, delle loro proprietà termiche, nel caso in cui vi siano rischi di incendio (e quindi di spalling). La valutazione delle prestazioni degli aggregati (e conseguentemente, di calcestruzzi come composti da inerti, pasta di cemento ed ITZ) è cruciale per la definizione sia di una risposta realistica strutturale, sia degli scenari di danno. In questo lavoro si è quindi seguito un approccio al mesoscala per studiare il comportamento del calcestruzzo, in condizioni di temperatura normale ed elevata, tramite un modello tridimensionale igro-termo-meccanico totalmente accoppiato sviluppato presso l’Università di Padova, chiamato NEWCON3D. Nello specifico, si è assunto che i fenomeni di viscosità e di danno fossero associati solo alla pasta di cemento e all’ITZ (per gli aggregati si assume un comportamento elastico) e che il creep obbedisse al modello B3 proposto da Bažant e Baweja, invece il danno alla legge di Mazars con la correzione non locale. Si sono pertanto condotte numerose analisi numeriche al meso livello: in primo luogo si è esaminato il ruolo dell’ITZ e degli aggregati sulla risposta igro-termica del calcestruzzo, mettendo in evidenza l'effetto barriera esercitato dagli aggregati sui flussi di umidità; successivamente si è indagato il comportamento visco-danneggiato del calcestruzzo al mesoscala, al fine di comprendere l'influenza dell’ITZ e degli aggregati sulla risposta meccanica globale a temperature medie. In realtà, come già detto precedentemente, queste due componenti sono molto importanti per ottenere una risposta realistica strutturale e per l’individuazione dei possibili scenari di danno, permettendo quindi di definire una miscela di calcestruzzo appropriata, in grado di resistere allo spalling. Infine, vi è uno studio del calcestruzzo in condizioni di temperatura elevata, al fine di catturare l '"effetto forma", confrontando due colonne di sezione differente al macro scala, ed il ruolo cruciale degli aggregati e dell’ITZ sull'evoluzione reale del danno.