Modelling damage processes of concrete at high temperature with thermodynamics of multi-phase porous media

In this paper, the authors present a mathematical description of a multi-phase model of concrete based on the second law of thermodynamics. Exploitation of this law allowed researchers to obtain definitions and constitutive relationships for several important physical quantities, like capillary pressure, disjoining pressure, effective stress, considering also the effect of thin films of water. A mathematical model of hygro-thermo-chemo-mechanical phenomena in heated concrete, treated as a multi-phase porous material, has been formulated. Shrinkage strains were determined using thermodynamic relationships via capillary pressure and area fraction coefficients, while thermo-chemical strains were related to thermo-chemical damage. In the model, a classical thermal creep formulation has been modified and introduced into the model. Results of numerical simulations based on experimental tests carried out at NIST laboratories for two types of concrete confirmed the usefulness of the model in the prediction of the time range, during which the effect of concrete spalling may occur.

Autorzy pracy prezentują równania modelu wielofazowego betonu wyprowadzone na podstawie II zasady termodynamiki. Zastosowanie tej zasady pozwoliło badaczom na sformułowanie definicji i związków konstytutywnych dla kilku ważnych wielkości fizycznych, takich jak: ciśnienie kapilarne, ciśnienie rozklinowywujące, naprężenie efektywne oraz na uwzględnienie efektu wywołanego przez cienkie warstwy wody obecnej w betonie. Przedstawiono model matematyczny higro-termo-chemo-mechanicznych zjawisk zachodzących w podgrzewanym betonie traktowanym jako ośrodek porowaty. Skurcz betonu określono za pomocą równań termodynamiki opisujących ciśnienie kapilarne i współczynniki udziału powierzchniowego, podczas gdy odkształcenia termochemiczne skorelowano z parametrem zniszczenia chemicznego. Do rozważań wprowadzono zmodyfikowaną teorię pełzania opartą na sformułowaniu klasycznym. Wyniki przeprowadzonych symulacji numerycznych, bazujących na badaniach doświadczalnych zrealizowanych w laboratoriach NIST na dwóch typach betonu, potwierdziły użyteczność zaprezentowanego modelu w przewidywaniu przedziału czasu, w którym może dojść do termicznego odpryskiwania betonu.