A regularized chemo-mechanical damage model for structural analyses of concrete dams in the presence of Alkali-Silica Reaction

The alkali-silica reaction (ASR) is a chemical phenomenon that occurs over time in concrete between the alkaline cement paste and the reactive silica present in some common aggregates. This reaction causes the expansion of the altered aggregate by the formation of a viscous gel, which increases in volume when absorbing water: it exerts an expansive pressure inside the siliceous aggregate or at the interface between cement paste and aggregate, causing spalling and loss of strength of the concrete, finally leading to its failure. ASR can lead to serious cracking in concrete structures built several decades ago in very wet environment (e.g. dams), resulting in critical structural problems. It takes many years, however, for the reaction to occur and the symptoms to become visible. For this reason, the slow development of ASR can modify the stress state in large structures and induce an increase in the displacements and a pattern of diffuse micro-cracks. The starting point of this thesis work is a bi-phase chemo-mechanical damage model, formulated in the literature in the ontext of multi-phase continuum constitutive models. Damage-induced softening constitutive models, as the phenomenological one just mentioned, typically cause ill-posedness of the initial boundary value problems. Finite element solutions of such problems exhibit a sensitivity to the element size and do not converge to physically meaningful solutions as the mesh is refined. In order to introduce a remedy, various regularization techniques have been proposed in the literature (e.g. nonlocal integral models). The main objective of the present work is to develop and implement the nonlocal formulation of the bi-phase model to be used for analysing real existing concrete dams subject to ASR. This formulation, as the starting model, takes into account the simultaneous presence of temperature and humidity and it allows to evaluate the long-term degradation induced by the chemical phenomenon in real structures. The second aim of the thesis is to define a link between the above phenomenological model defined at the meso-scale and a model describing the micro-scale evolution. To this purpose, in collaboration with two research teams of Politecnico di Torino and of École Polytechnique Fédérale de Lausanne, a particular micro-scale model previously developed for the simulation of the ASR in concrete has been extended to include the temperature effect and the results obtained have been compared with the phenomenological meso-model.

La reazione alcali-silice (ASR) è un fenomeno chimico che si sviluppa nel tempo nel calcestruzzo tra gli alcali presenti nella pasta di cemento e la silice reattiva presente in alcuni comuni aggregati. Questa reazione provoca l'espansione dell'aggregato a causa della formazione di un gel viscoso, che ne aumenta il volume per assorbimento di acqua. Questo aumento di volume genera una pressione espansiva all'interno dell'aggregato siliceo o all'interfaccia tra pasta di cemento e aggregato, provocando perdita di rigidezza nel calcestruzzo, portando infine al suo collasso. L'ASR può causare gravi fessurazioni nelle strutture in calcestruzzo costruite alcuni decenni fa in ambienti molto umidi (ad esempio dighe), con conseguenti problemi strutturali critici. Ci vogliono molti anni, tuttavia, affinché la reazione si sviluppi e gli effetti diventino visibili. Per questo motivo, il lento sviluppo dell'ASR può modificare lo stato di sforzo in strutture di grandi dimensioni e indurre un aumento degli spostamenti e diffuse micro-fessure. Il punto di partenza di questo lavoro di tesi è un modello di danno chimico-meccanico bifase, formulato in letteratura nel contesto di modelli costitutivi continui multifase. Modelli costitutivi di danno, come quello fenomenologico appena citato, provocano in genere la mal posizione dei problemi a valori iniziali e al contorno. Le soluzioni agli elementi finiti di tali problemi mostrano una sensibilità alle dimensioni dell'elemento e non convergono a soluzioni fisicamente significative man mano che la mesh viene infittita. Al fine di introdurre un rimedio, varie tecniche di regolarizzazione sono state proposte in letteratura (ad esempio modelli integrali nonlocali). L'obiettivo principale del presente lavoro è quello di sviluppare e implementare la formulazione nonlocale del modello bifase da utilizzare per analizzare dighe in calcestruzzo esistenti soggette all'ASR. Questa formulazione, come il modello locale di partenza, tiene conto della contemporanea presenza di temperatura e umidità e consente di valutare il degrado a lungo termine provocato dal fenomeno chimico in strutture reali. Il secondo obiettivo della tesi è quello di definire una possibile relazione tra il suddetto modello fenomenologico definito alla meso-scala e un modello che descrive il fenomeno alla micro-scala. A tale scopo, in collaborazione con due gruppi di ricerca del Politecnico di Torino e dell'École Polytechnique Fédérale di Losanna, è stato esteso un particolare modello alla micro-scala, precedentemente sviluppato per la simulazione dell'ASR nel calcestruzzo, per includere l'effetto della temperatura e i risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli del modello fenomenologico.