Modeling of degradation induced by alkali-silica reaction in concrete structures

The alkali-silica reaction (ASR) occurs in concrete between some forms of amor- phous silica contained in the aggregates and the alkali in the cement paste. ASR produces an amorphous gel that in the presence of water expands and, after filling the concrete initial porosity, exerts a pressure that can cause severe damage in con- crete structures, causing micro-cracking and, with time, macro-fissures. Many ex- perimental campaigns have been performed to assess the influence of environmental factors, such as temperature and humidity conditions, on the ASR development and several mathematical models have been proposed to simulate the mechanical effects of ASR, following both microscopic and phenomenological approaches. The main objective of the present work is to develop a phenomenological model to be used in large scale structural analysis in the presence of varying temperature and humidity conditions, accounting for the degradation induced by the ASR and the long term behavior of concrete. The electrical double-layer theory has been used to interpret the expansive behavior of the alkali-silica gel and to estimate the pressure that the gel exerts on the concrete skeleton surrounding the reactive site, starting from the data on the surface charge density measured on gel specimens from Furnas dam (Brazil). Two different models are proposed to describe the consequences of the gel swelling, both in the framework of a general poromechanical approach: (i) a three- phase elasto-damage model for the description of the simultaneous influence of temperature and humidity on the alkali-silica reaction and of its structural conse- quences; (ii) a model founded on a more realistic microscopic scheme and based on the coupling of two different damage variables, the chemical damage and the mechanical damage. The first model is the extension of existing models, intended to describe the simultaneous effects of temperature and humidity, including also the effects of vis- cous phenomena; the second model starts from both the analysis of X-ray images representing the damage induced by ASR and the values of the gel pressure ob- tained through the double-layer and attempts to connect the phenomenological approach of poromechanics with experimental information at the micro-scale. Both the models have been employed for the numerical simulation of experi- mental tests reported in the literature and the first model has also been used to analyze concrete structures affected by ASR.

La reazione alcali-silice (ASR) avviene nel calcestruzzo tra alcune forme di silice amorfa contenute negli aggregati e gli alcali della pasta cementizia. La reazione produce un gel amorfo che espande in presenza di acqua e, dopo aver riempito la porosità iniziale del calcestruzzo, esercita una pressione che può causare un grave danneggiamento delle strutture in calcestruzzo, con presenza di micro-fessure e, col passare del tempo, di macro-fessure. L’influenza di fattori ambientali, quali temperatura e umidità, sullo sviluppo della reazione è stata studiata in numerose campagne sperimentali e in letteratura sono stati proposti molti modelli per simulare gli effetti meccanici dell’ASR, al- cuni formulati seguendo un approccio micro-meccanico altri seguendo un approccio fenomenologico. Lo scopo principale del presente lavoro é lo sviluppo di un modello fenomeno- logico che descriva il degrado dovuto all’ASR in presenza di condizioni variabili di temperatura e umidità e il comportamento a lungo termine del calcestruzzo da impiegare in analisi strutturali. L’espansione del gel è stata interpretata secondo la teoria elettrochimica del doppio strato che ha permesso di quantificare la pres- sione che il gel esercita sullo scheletro di calcestruzzo circostante il sito reattivo, a partire da dati sperimentali sulla densità di carica superficiale misurata su provini di gel provenienti dalla diga di Furnas (Brasile). Nel presente lavoro vengono proposti due modelli per descrivere le conseguenze dell’espansione del gel, entrambi nell’ambito della teoria dei mezzi porosi: (i) un modello trifase elasto-danno per la descrizione dell’influenza simultanea di tem- peratura e umidità sulla reazione alcali-silice e delle sue conseguenze strutturali; (ii) un modello fondato su uno schema micro-meccanico più realistico e basato sull’accoppiamento di due variabili di danno, il danno chimico e il danno mecca- nico. Nel primo modello lavori precedenti sono stati estesi con l’obiettivo di descrivere gli effetti simultanei di temperatura e umidità, includendo l’effetto dei fenomeni viscosi; il secondo modello, basato sull’analisi di immagini ai raggi X del danno provocato dall’ASR e sui valori della pressione del gel ottenuti attraverso la teoria del doppio strato, si propone di connettere l’approccio fenomenologico della teoria dei mezzi porosi con informazioni sperimentali alla micro-scala. Entrambi i modelli sono stati impiegati per la simulazione di prove sperimentali riportate in letteratura ed il primo é stato poi impiegato per l’analisi di strutture soggette a degrado da ASR.