Modelagem multiescala termoquimomecânica do processo de hidratação em materiais cimentícios heterogêneos

Abstract

A reação de hidratação representa o conjunto de reações químicas que ocorre entre os silicatos e aluminatos do cimento quando em contato com a água, resultando na liberação de calor com mudanças microestruturais e de estado, onde o Material com Base em Cimento (MBC) evolui de uma pasta para um elemento sólido que adquire resistência mecânica ao longo do tempo. Para entender a complexidade dos fenômenos químicos, térmicos e mecânicos que ocorrem simultaneamente durante o processo de hidratação, uma análise multiescala do processo termoquimomecânico acoplado da hidratação da pasta de cimento foi proposta. Para isso, um procedimento de homogeneização computacional upscaling foi empregado, dividindo a microestrutura de um MBC em três níveis, sendo o Nível IV o concreto, o Nível III a argamassa e o Nível II a pasta de cimento. Dois modelos foram gerados no software comercial ABAQUS®, o modelo macroscópico representando o Nível IV e o modelo microscópico representando o Nível III, ambos discretizados por meio do Método de Elementos Finitos (MEF) tradicional. Para representar a microestrutura, composta pela matriz de pasta de cimento homogênea (Nível II) e agregados miúdos, um Elemento de Volume Representativo (EVR) foi gerado e posicionado em cada ponto de integração dos elementos do modelo em macroescala utilizando o método Direct finite element square (dFE2). Na sequência, os graus de liberdade das escalas micro e macroscópicas foram associados por meio de condições de contorno periódicas impostas na microescala. Dessa forma, todos os cálculos foram realizados na escala da pasta de cimento (Nível II) e as respostas térmica e mecânica na macroescala (Nível IV) sofrem influência dos agregados e Zona de Transição de Interface (ZTI). Várias geometrias macroscópicas foram modeladas, incluindo blocos massivos, geometrias em L e anéis com condições de contorno térmicas e mecânicas variadas. Duas aplicações foram desenvolvidas, iniciando pela análise termoquímica, onde sub-rotinas de usuário foram utilizadas para implementação dos modelos de hidratação, geração de calor e deformação associada à expansão/retração térmica e autógena. Na segunda aplicação, um modelo de dano foi proposto como principal contribuição desta pesquisa, identificando aspectos da pasta de cimento (microescala) que influenciam na evolução do dano e no comportamento mecânico do elemento estrutural (macroescala). De forma geral, os resultados indicaram que o modelo termoquimomecânico acoplado utilizando o dFE2 foi capaz de reproduzir a evolução da hidratação, temperatura, deformação e possíveis pontos de fissuração das estruturas analisadas. Efeitos esperados em MBCs, como a influência da ZTI na análise térmica e na nucleação das fissuras, foram capturados pelo modelo proposto, além do impacto da retração por secagem na deformação e evolução do dano. O efeito da fração de volume dos agregados também foi analisado no histórico de temperatura e de deformação, indicando que quando maior o volume de agregados, menor tende a ser temperatura e o dano na estrutura.

The hydration reaction represents the set of chemical reactions that occur between the silicates and aluminates of the cement when in contact with what, resulting in heat release with microstructural and state changes, where the cement-based material (CBM) evolves from a paste to a solid element and acquires mechanical strength along time. To understand the complexity of the chemical, thermal, and mechanical phenomena that occur simultaneously during the hydration process, a multiscale analysis of the coupled thermochemomechanical process of the cement paste hydration was proposed. For this, an upscaling computational homogenization procedure was employed, dividing the microstructure of a CBM into three levels, being Level IV concrete, Level III mortar, and Level II cement paste. Two models were generated in ABAQUS® commercial software, the macro model representing Level IV and the micro model representing Level III, both discretized using the traditional Finite Element Method (FEM). To represent the microstructure, composed by the homogeneous cement paste matrix (Level II) and fine aggregate, a Representative Volume Element (RVE) was generated and positioned in each integration point of the macromodel elements using the Direct Finite Element Square Method (dFE2). In the sequence, the degrees of freedom of the micro and macro scales were associated with the periodic boundary conditions imposed on the microscale. Thus, all the calculations were performed on the cement paste scale (Level II) and the thermal and mechanical responses on the macroscale (Level IV) are influenced by the aggregates and the Interfacial Transition Zone (ITZ). Various macroscopic geometries were modeled, including massive blocks, L-shaped geometries, and ring geometries with different mechanical and thermal boundary conditions. Two applications were developed, initiated by the thermochemical analysis, where the user subroutines were used for the implementation of the hydration, heat generation, and strain associated to thermal and autogenous expansion/shrinkage models. In the second application, a damage model was proposed as the main contribution of this research, identifying cement paste (microscale) aspects that influence the damage evolution and the mechanical behavior of the structural element (macroscale). In general, the results indicated that the coupled thermochemomechanical model using the dFE2 method was capable of reproducing the hydration, temperature and strain evolutions, and possible cracking points of the structures analyzed. Expected effects of the CBMs, as the influence of ITZ on the thermal analysis and the cracks nucleation, were captured by the proposed model, in addition to the drying shrinkage impact on the strain and damage evolution. The volume aggregate fraction was also analyzed in the temperature and strain history, indicating that as greater the aggregate volume, smaller the temperature and damage in the structure.