The durability of concrete is of major concern in all types of concrete structures where the combined effect of exposure conditions and the type and quality of the concrete material usually determines the rate of degradation. Furthermore, there are synergy effects between different deterioration mechanisms, which means that the combined rate of degradation is higher than the sum of the individual rates of each mechanism. Therefore, to accurately predict the residual service life of existing structures or when designing new structures, it is essential to consider all these aspects. This means that various chemical and physical processes, as well as how these interact, must be taken into account in models aiming to be used for service life predictions.

This thesis presents the first part of a research project with the aim to investigate common deterioration mechanisms of concrete in hydraulic structures, and to improve the knowledge how these and other related phenomena can be described using mathematical models. The objective is also to study how different mechanisms interact and to find suitable approaches to account for these interactions in the models. To this end, a literature survey on commonly detected damage in hydraulic structures is presented. In addition, it also addresses in what types of and where in hydraulic structures the various damage types are usually observed. The mathematical models presented in this part of the project are focused on long-term water absorption in air-entrained concrete as well as on freezing of partially saturated air-entrained concrete. Both models are based on a multiphase description of concrete and poromechanics to describe the coupled hygro-thermo-mechanical behaviour. The thesis also presents some of the basic concepts of multiphase modelling of porous media, including discretization of the models using the finite element method (FEM). Furthermore, it covers the simplifications that are usually introduced in the general macroscopic balance equations for mass, energy and linear momentum when modelling cement-based materials.

To verify the developed models and to show their capabilities, simulation results are compared with experimental data, in situ measurements and other simulations from the literature. The results indicate that both models perform well and can be used to predict long-term moisture conditions in hydraulic structures as well as freezing-induced strains in partially saturated air-entrained concrete, respectively. Even though no interactions with other deterioration mechanisms are included in the models, the development and use of these have given insights to which parameters that are important to consider in such extensions. Furthermore, based on the insights gained, the complexity of describing the full interactions between several mechanisms in mathematical models is also discussed. It is concluded that models aiming to be used for service life predictions of hydraulic structures in day-to-day engineering work need to be simplified. However, the type of advanced models presented in this thesis can serve as a basis to study which aspects and parameters that are essential to consider in simplified prediction models.

Beständigheten hos betong är av avgörande betydelse i alla typer av betongkonstruktioner där den kombinerade effekten av exponeringsförhållanden samt typ och kvalitet på betongmaterialet vanligtvis avgör nedbrytningshastigheten. Dessutom finns synergieffekter mellan olika nedbrytningsmekanismer som innebär att den kombinerade nedbrytningshastigheten är större än summan av de enskilda nedbrytningshastigheterna. För att noggrant kunna prediktera den återstående livislängden hos befintliga konstruktioner eller vid design av nya konstruktioner är det därför viktigt att ta hänsyn till samtliga av dessa aspekter. Detta innebär att olika kemiska och fysikaliska processer, samt hur dessa interagerar med varandra, måste tas i beaktande i modeller som avses användas för livslängdsbedömningar.

Den här licentiatuppsatsen presenterar den första delen av ett forskningsprojekt där målet är att studera vanligt förekommande nedbrytningsmekanismer i vattenbyggnadskonstruktioner och att öka kunskapen om hur dessa och andra relaterade fenomen kan beskrivas med matematiska modeller. Målet är också att studera hur olika nedbrytningsmekanismer samverkar och att hitta lämpliga tillvägagångssätt att ta hänsyn till dessa interaktioner i modellerna. För detta ändamål presenteras en litteraturstudie avseende vanligt förekommande skador i vattenbyggnadskonstruktioner. Dessutom behandlar denna i vilka typer av vattenbyggnadskonstruktioner och var i dessa som de olika typerna av skador vanligtvis observeras. De matematiska modeller som presenteras i denna del av projektet är inriktade på långtidsabsorption av vatten i lufttillsatt betong samt på frysning i delvis vattenmättad lufttillsatt betong. Båda modellerna är baserade på en multifasbeskrivning av betong samt poromekanik för att beskriva det kopplade hydro-termo-mekaniska beteendet. Uppsatsen presenterar också några av de grundläggande koncepten gällande multifasmodellering av porösa material, inklusive diskretisering av modellerna genom användning av finita elementmetoden (FEM). Dessutom beskrivs de förenklingar som vanligtvis införs i de generella makroskopiska balansekvationerna för massa, energi och rörelsemängd då cementbaserade material modelleras.

Simuleringsresultat från de utvecklade modellerna jämförs med försöksdata, fältmätningar samt andra simuleringsresultat från litteraturen för att verifiera modellerna samt visa hur de beter sig. Resultaten visar att båda modellerna ger tillfredställande resultat och kan användas för att uppskatta de långsiktiga fuktförhållandena i vattenbyggnadskonstruktioner samt frysinducerade töjningar i delvis vattenmättad lufttillsatt betong. Även om inga interaktioner mellan andra nedbrytningsmekanismer inkluderades i modellerna, så har utvecklingen samt användandet av dessa gett insikter gällande vilka parametrar som är viktiga att beakta i sådana vidareutvecklingar. Baserat på dessa insikter diskuteras också komplexiteten i att beskriva interaktionen mellan flertalet mekanismer i matematiska modeller. Det konstateras också att modeller som avses användas i dagligt ingenjörsarbete för livstidsbedömningar av vattenbyggnadskonstruktioner behöver förenklas. Däremot kan den typ av avancerade modeller som presenteras i denna uppsats användas som en grund för att studera vilka aspekter och parametrar som är viktiga att beakta i förenklade modeller.

A crucial task for civil engineers is to make appropriate designs of new concrete structures and assessments of existing structures to ensure a long service life and sustainable use of the infrastructure. This doctoral thesis aims to increase the understanding of how advanced mathematical models can be used to describe phenomena and processes governing concrete degradation and thereby ultimately contribute to improving tools for design and assessments. The focus is on degradation processes that cause commonly observed concrete damage types in hydraulic structures exposed to cold climates and soft water. During a structure's service life, it is subjected to various deteriorating actions, but for the typical exposure conditions considered in this work, degradation due to freeze-thaw exposure and calcium leaching is of particular concern for the durability. Hence, the work related to improved modelling has been focused on phenomena related to these two degradation processes of concrete and how they may interact to produce damaging synergy effects.

All developed models in this doctoral project treat concrete as a multiphase porous medium and use poromechanics to describe the coupled hygro-thermo-mechanical behaviour of the material. Moreover, since the overall aim concerns degradation in hydraulic structures, the model development has focused on obtaining formulations applicable for structural-scale simulations. The models presented in this thesis describe long-term water absorption into air-entrained concrete and the response of partially saturated air-entrained concrete exposed to freeze-thaw conditions. In the latter models, the phase changes and the freeze-thaw hysteresis are explicitly considered in the formulations. The presented simulation examples are performed using the Finite Element Method (FEM), and the capabilities of the models are verified with experimental data from the literature. Additionally, accelerated leaching experiments on air-entrained concrete are presented, where the influence of leaching on the formation and melting of ice inside the pore space due to pore structure alternations are investigated.

The main research contribution of this work is the development and evaluation of advanced models applicable for structural-scale simulations that describe essential processes and phenomena related to freeze-thaw exposure of air-entrained concrete. The experimental work shows the significant influence of calcium leaching on the freeze-thaw processes, and the results can also facilitate future development of models considering some of the interactions causing damaging synergy effects. Adopting a multiphase modelling approach has been found suitable for describing the coupled processes and including interactions between different deterioration mechanisms. The theoretical models can also help gain further insights and improve the understanding of the phenomena, and thus, e.g. aid in developing more simplified models suited for daily engineering applications.

En viktig uppgift för anläggningsingenjörer är att utforma nya ändamålsenliga betongkonstruktioner och göra korrekta tillståndsbedömningar av befintliga konstruktioner för att säkerställa en lång livslängd och därmed hållbart nyttjande av vår infrastruktur. Syftet med denna doktorsavhandling är att förbättra kunskapsläget kring hur avancerade matematiska modeller kan användas för att beskriva de fenomen och processer som styr betongens nedbrytning och därigenom bidra till förbättrade verktyg som kan användas vid dimensionering och tillståndsbedömningar. Arbetet fokuserar på de nedbrytningsprocesser som leder till vanligt förekommande skador i vattenbyggandskonstruktioner som är exponerade för kalla klimat och mjukt vatten. Under en konstruktions livslängd utsätts den för ett flertal olika nedbrytningsprocesser, där frysning och tining samt kalkurlakning är av särskilt intresse för beständigheten givet de typiska exponeringsförhållanden som beaktas i detta arbete. Arbetet avseende förbättrad modellering har därför fokuserat på fenomen som är relaterade till dessa två nedbrytningsprocesser av betong och hur de samverkar för att skapa skadliga synergieffekter.

Samtliga modeller som utvecklats inom detta doktorandprojekt baseras på en multifasbeskrivning av betong som ett poröst material samt poromekanik för att beskriva det kopplade hydro-termo-mekaniska materialbeteendet. Eftersom det övergripande målet avser nedbrytning i vattenbyggnadskonstruktioner har modellutvecklingen fokuserat på modellformuleringar som kan användas för simulering på strukturskala. De modeller som presenteras i den här avhandlingen beskriver långtidsabsorption av vatten i lufttillsatt betong samt responsen hos delvis vattenmättad lufttillsatt betong exponerad för frysning och tining. I de senare modellerna inkluderas fasomvandlingar samt hysteresen vid frysning och tining explicit i modellformuleringarna. De presenterade simuleringsexemplen är genomförda med finita elementmetoden och modellernas beteende har verifierats med experimentella resultat från litteraturen. Dessutom presenteras accelererade urlakningsexperiment på lufttillsatt betong där urlakningens inverkan på isbildning och smältning i porsystemet på grund av förändringar i porstrukturen studerades.

Avhandlingens huvudsakliga forskningsbidrag är utveckling samt utvärdering av avancerade modeller avsedda för simulering på strukturskala och som beskriver viktiga processer och fenomen relaterade till frysning och tining av lufttillsatt betong. Det experimentella arbetet visar på den betydande inverkan av kalkurlakning på frysning- och tiningsprocesserna, där resultaten även kan underlätta fortsatt modellutveckling där några av de samverkansmekanismer som orsakar skadliga synergieffekter beaktas. Multifasmodellering har visats vara lämpligt för att beskriva de kopplade processerna samt för att inkludera samverkan mellan olika nedbrytningsmekanismer. De teoretiska modellerna kan också bidra till ökad insikt och förståelse av dessa fenomen. Därigenom kan de till exempel bidra till utvecklingen av mer förenklade modeller som är anpassade för vanliga ingenjörstillämpningar.