kth.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Hygro-thermo-mechanical modeling of partially saturated air-entrained concrete containing dissolved salt and exposed to freeze-thaw cycles
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Concrete Structures.ORCID iD: 0000-0002-4015-3373
Lund Univ, Div Bldg Mat, John Ericssons Vag 1, S-22363 Lund, Sweden..
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Concrete Structures.ORCID iD: 0000-0003-3586-8988
Lund Univ, Div Bldg Mat, John Ericssons Vag 1, S-22363 Lund, Sweden.;Malmö Univ, Dept Mat Sci & Appl Math, POB 71, S-20506 Malmö, Sweden..
2021 (English)In: Cement and Concrete Research, ISSN 0008-8846, E-ISSN 1873-3948, Vol. 141, article id 106314Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

In cold regions, understanding the freeze-thaw behavior of air-entrained concrete is important for designing durable structures and assessing the remaining service life of existing structures. This study presents a hygro-thermo-mechanical multiphase model that describes the cyclic freeze-thaw behavior of partially saturated air-entrained concrete containing dissolved salt. An equilibrium and a non-equilibrium approach are adopted to model the ice formation, including the freeze-thaw hysteresis, inside the porous network. The model also considers the diffusive and convective transport of the dissolved salt coupled to the freeze-thaw processes. Two examples are presented to verify and highlight the capabilities of the model. The first example shows that the model is capable of reproducing the experimentally observed mechanical response of specimens containing NaC1-solutions of different concentrations. In the second example, a larger absorption of liquid from an external reservoir is obtained with an increasing salt concentration in the reservoir, which is consistent with experimental observations.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier BV , 2021. Vol. 141, article id 106314
Keywords [en]
Freezing and thawing (C), Finite element analysis (C), Absorption, Hysteresis, Salt
National Category
Infrastructure Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-289880DOI: 10.1016/j.cemconres.2020.106314ISI: 000608764100002Scopus ID: 2-s2.0-85097753874OAI: oai:DiVA.org:kth-289880DiVA, id: diva2:1527925
Note

QC 20210212

Available from: 2021-02-12 Created: 2021-02-12 Last updated: 2022-06-25Bibliographically approved
In thesis
1. Multiphase models for freeze-thaw actions and mass transport in concrete hydraulic structures
Open this publication in new window or tab >>Multiphase models for freeze-thaw actions and mass transport in concrete hydraulic structures
2021 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2021. p. 159
Series
TRITA-ABE-DLT ; 2111
Keywords
Degradation, Hydraulic structures, Air-entrained concrete, Multiphase models, Multiphysics, Long-term moisture conditions, Freeze-thaw, Hysteresis, Absorption, Calcium leaching, Finite Element Method
National Category
Civil Engineering
Research subject
Civil and Architectural Engineering, Concrete Structures
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-293486 (URN)978-91-7873-832-8 (ISBN)
Public defence
2021-06-03, Videolänk https://kth-se.zoom.us/s/68112220663, Du som saknar dator /datorvana kontakta Anders Ansell ansell@kth.se / Use the e-mail address if you need technical assistance, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20210507

Available from: 2021-05-07 Created: 2021-04-26 Last updated: 2022-06-25Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records

Eriksson, DanielMalm, Richard

Search in DiVA

By author/editor
Eriksson, DanielMalm, Richard
By organisation
Concrete Structures
In the same journal
Cement and Concrete Research
Infrastructure Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 238 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf