Thermo-hydro-mechanical modelling of concrete at early age

During the first hours after casting of concrete, self-balanced stresses are generated due to heat produced by concrete hydration, creep, shrinkage and the concurrent gain of material stiffness. If not properly controlled, these stresses can result in cracking or delayed ettringite production, affecting durability and service life. In massive structures, due to the large amount of heat generated, this problem is particularly relevant and requires detailed study to optimize the type of concrete, types of molds, construction stages and times. A numerical model is developed to simulate the thermo-hydro-mechanical behaviour of concrete at early age. Hydration models based on the concept of equivalent time are adopted, so that the effects of both time and temperature history in each material point are considered. A multi-layer construction procedures is also implemented to account for multiple casting phases. Two case studies, for which experimental results are available, are analyzed: a segment of a concrete tunnel lining and a massive pile-cap foundation. The model is validated and sensitivity analyses are carried out to determine the governing parameters and the uncertainty associated. Moreover, an estimation of the cracking risk is computed by comparing the resulting states of stress with the tensile strength of concrete. The conclusions of the studies show the possibility of assessing the damage due to early age temperature by means of numerical simulation and the subsequent optimization of the construction phases and times. However, the sensitivity analyses show that a numerical simulation should account for possible modelling errors and uncertainties on the parameters. Therefore, the need of a verification safety format for the overall calculation is pointed out.

Nel calcestruzzo, durante le prime fasi iniziali di presa e indurimento, si generano degli stati di sforzo autoequilibrati causati dal calore prodotto dall'idratazione del cemento, dallo scorrimento viscoso, dal ritiro e dal progressivo aumento di resistenza del materiale. Se non propriamente controllati, questi sforzi possono generare fessurazione o la produzione di ettringite secondaria, compromettendo la durabilità e la vita di servizio. Nelle strutture massive, a causa della grande quantità di calore generato, questo problema è di rilevante importanza e richiede uno studio dettagliato al fine di ottimizzare il tipo di calcestruzzo e di casseri, le fasi e i tempi di costruzione. Si propone lo sviluppo di un modello numerico in grado di considerare fenomeni di idratazione, termici e meccanici del calcestruzzo nelle prime fasi di indurimento. I modelli di idratazione adottati sono funzione del tempo equivalente e permettono, perciò, di considerare in ogni punto sia gli effetti del tempo che la storia di temperatura passata. Una procedura costruttiva in più strati è inoltre implementata, permettendo così l'analisi di fasi di getto multiple. Si analizzano due casi di studio, per i quali sono noti i risultati numerici: un elemento di rivestimento di un tunnel e una fondazione massiva. Il modello viene validato e si realizza uno studio di sensibilità per determinare i parametri governanti. Successivamente, confrontando gli stati di sforzo risultanti con la resistenza a trazione del calcestruzzo, si stima il rischio di fessurazione. Le conclusioni dei due casi di studio mostrano la possibilità di valutare il danno termico nel calcestruzzo con strumenti di simulazione numerica e la conseguente ottimizzazione delle fasi e dei tempi di costruzione. Tuttavia, le analisi di sensibilità evidenziano la necessità per una simulazione numerica di tenere sempre in conto i possibili errori nel modello e le incertezze nei parametri. Si mette perciò in luce la necessità di un fattore di sicurezza per l'intera analisi.