Numerical modelling of shrinkage and creep for Ultra-high-performance concrete

The ageing and degradation of concrete are the consequence of a complex mix of various phenomena that interact with one another over time. Ambient conditions and any extra damage processes, such as the Alkali-Silica Reaction (ASR), corrosion, freeze/thaw cycles, and others, can influence and be influenced by shrinkage and creep, two of the most significant types of properties. When large amounts of internal self-equilibrated stresses are produced, as in the case of ASR-free expansions, many modelling approaches cannot capture the coupled effects of these phenomena, even though these approaches can represent the overall uncoupled contribution of these phenomena. For instance, macroscopic continuum models cannot accurately portray the resulting mesoscale creep deformation and stress relaxation. The Lattice Discrete Particle Model (LDPM) was recently expanded to consider linked creep, shrinkage, and ASR deformations. This extension has demonstrated notable effectiveness in modelling these mesoscale processes. LDPM was also recently applied and extended for the simulation of aging and self-healing of UHPC. The model uses a multi-physics framework to predict temperature, humidity, cement hydration, and alkali ion transport changes in space and time at the mesoscale between big aggregate pieces. A discrete implementation of the Micro-prestress Solidification theory is used as the foundation for creep and shrinkage deformations. In this thesis, the comprehensive multi-scale multi-physics framework is applied to accurately predict Creep and shrinkage behaviour of UHPC.

L'invecchiamento e il degrado del calcestruzzo sono la conseguenza di un complesso mix di vari fenomeni che interagiscono tra loro nel tempo. Le condizioni ambientali e qualsiasi processo di danno aggiuntivo, come la reazione alcali-silice (ASR), la corrosione, i cicli di gelo/disgelo e altri, possono influenzare ed essere influenzati dal ritiro e dallo scorrimento, due dei tipi più significativi di meccanismi di danno. Quando vengono prodotte grandi quantità di sollecitazioni interne autoequilibrate, come nel caso di espansioni prive di ASR, molti approcci di modellazione non possono catturare gli effetti accoppiati di questi fenomeni, anche se questi approcci possono rappresentare il contributo complessivo disaccoppiato di questi fenomeni. A causa di queste circostanze, i modelli di continuum macroscopici non sono in grado di rappresentare con precisione la conseguente deformazione da scorrimento su mesoscala e il rilassamento dello stress. Il modello LDPM (Lattice Discrete Particle Model) è stato recentemente ampliato per considerare le deformazioni legate a creep, ritiro e ASR. Questa estensione ha dimostrato una notevole efficacia nella modellazione di questi processi su mesoscala. Il modello utilizza una struttura multifisica per prevedere i cambiamenti di temperatura, umidità, idratazione del cemento e trasporto di ioni alcalini che si verificano sia nello spazio che nel tempo alla mesoscala tra i grandi pezzi di aggregato. Un'implementazione discreta della teoria della solidificazione del micro-precompressione viene utilizzata come base per la formazione di deformazioni da scorrimento e ritiro. È stato dimostrato che questo quadro multifisico multiscala completo è necessario per prevedere con precisione il comportamento a lungo termine del cemento armato e semplice.