Chloride penetration tests in cracked and healed UHPFRCC : numerical simulation via a Discrete Multiphysics Model

In-service conditions, concrete develops cracks, favoring pathways for aggressive substances to penetrate and destroy the matrix and the reinforcement. Cementitious material’s inherent ability to self-seal cracks – owing to delayed (secondary) hydration and calcium carbonate precipitation – may result in greater durability in aggressive environments. The effect of autogenous and stimulated healing – mixtures enriched with healing agents – on chloride penetration was recently investigated experimentally at the Politecnico di Milano for an Ultra-High-Performance Fiber-Reinforced Cementitious Composite. The entire laboratory campaign is simulated in this study using a numerical model based on the Multiphysics-Lattice Discrete Particle Model (MLDPM), which can simulate autogenous and stimulated healing in ordinary and advanced cementitious materials. An improved version of the Hygro-Thermo-Chemical (HTC) model is used to simulate the healing process, which includes the effect of crack closure on permeability. The healing model is coupled and harmonized with an existing M-LDPM-based chloride diffusion model for saturated and non-saturated concrete in order to capture the results obtained through the aforementioned experimental campaign. The numerical results show that the model can capture both the reduction in chloride penetration due to crack sealing and the different degrees of crack closure that can be achieved with and without using crystalline admixtures as healing agents. The research activity from which this work stem was framed into the H2020 ReSHEALience project (No 760824).

In condizioni di esercizio, il calcestruzzo sviluppa fessure, favorendo la penetrazione di sostanze aggressive che distruggono la matrice e l'armatura. La capacità intrinseca dei materiali cementizi di autosigillare le fessure – causata principalmente dall'idratazione (secondaria) ritardata e della precipitazione dalla carbonato di calcio - può comportare una maggiore durata in ambienti aggressivi. L'effetto della riparazione autogena e stimolata - inmiscele arricchite con particolari additivi - sulla penetrazione dei cloruri è stato recentemente studiato sperimentalmente presso il Politecnico di Milano per un composito cementizio fibro rinforzato ad altissime prestazioni. L'intera campagna di laboratorio è simulata in questo studio utilizzando un modello numerico basato sul Multiphysics-Lattice Discrete Particle Model (M-LDPM), in grado di simulare la riparazione autogena e stimolata in materiali cementizi ordinari e avanzati. Una versione aggiornata del modello Hygro-Thermo Chemical (HTC) viene utilizzata per simulare il processo di riparazione, che include l'effetto della chiusura delle fessure sulla permeabilità. Il modello di riparazione è accoppiato e armonizzato con un modello di diffusione dei cloruri per calcestruzzo saturo e non saturo al fine di simulare i risultati ottenuti attraverso la suddetta campagna sperimentale. I risultati numerici mostrano che il modello può catturare sia la riduzione della penetrazione dei cloruri dovuta alla sigillatura delle fessure, sia i diversi gradi di chiusura delle fessure che possono essere raggiunti con e senza l'uso di additivi cristallini come agenti curativi. L'attività di ricerca da cui deriva questo lavoro è stata inquadrata nel progetto H2020 ReSHEALience (n. 760824).