Dr.-Ing. Pietro Carrara
Untersuchung der Auswirkungen einer aggresiven Umgebung auf das Verhalten von Beton mittels Multiskalenanalyse
Betonstrukturen sind besonders alterungsempfindlich gegenüber dem Eindringen von Chlorid- oder Sulfat-Ionen und Kohlendioxiden. Daher ist ein verlässliches Modell der diffusiven Eigenschaften des Betons notwendig, um die Wartung und die maximale Lebensdauer von Betonstrukturen abzuschätzen. Allerdings stellt dies keine triviale Aufgabe dar, weil es sich beim Diffusionsprozess um ein Multiskalenproblem handelt, da der Massentransport durch verschiedene Faktoren beeinflusst wird, die auf unterschiedlichen Längenskalen agieren. Zusätzlich können die Interaktionen zwischen den aggressiven Chemikalien und den mechanischen Eigenschaften des Betons auf verschiedenen Längenskalen auftreten: Chloride induzieren auf der Makroskala Korrosionsvorgänge in Betonstählen, die Eindringgeschwindigkeit wird jedoch durch die mikrostrukturelle Verteilung des Zementsteins beeinflusst. Die Anwesenheit von Sulfat-Ionen führt zu schädigenden Reaktionen mit den Aggregaten (Alkali-Aggregat Reaktionen), welche auf der Mesoskala untersucht werden sollen. Karbonatisierung durch die Anwesenheit von Kohlendioxiden beeinflusst die Mikrostruktur des Zementsteins und verändert so die mechanischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang ist die Einführung eines numerischen Multiskalen-Ansatzes notwendig, um den rechentechnischen Aufwand auf ein akzeptables Niveau zu begrenzen.
Das Hauptziel der aktuellen Arbeit besteht darin die Eindringung von aggressiven Chemikalien in den Beton sowie die Auswirkungen auf das mechanische Verhalten des Betons zu untersuchen. Im ersten Teil des Projekts wird das Diffusionsverhalten von Chlorid-Ionen auf verschiedenen Längenskalen betrachtet. Wir streben insbesonders eine Bestimmung der Diffusivität auf der Makroskala an, basierend auf der mikrostruturellen Anordnung des Zementsteins. Danach wird die Methode für verschiedene Szenarien erweitert und mit dem mechanischen Verhalten des Betons gekoppelt. In diesem Teil des Projekt wird ein effizienter Weg einer konsistenten Hochskalierung der Schädigungseffekte auf das globale mechanische Verhalten untersucht (z.B. unter Anwendung der "transformation field analysis technique"). Im gesamten Zeitraum der Arbeit wird die Durchführung und Analyse von experimentellen Untersuchungen eine Schlüsselrolle spielen, um die angstrebten numerischen Modelle zu kalibieren und zu validieren.
Publikationen im Rahmen des GRK:
Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Zeitschriften mit review:
P. Carrara, R. Kruse, D.P. Bentz, M. Lunardelli, T. Leusmann, P.A. Varadya and L. De Lorenzis. Improved mesoscale segmentation of concrete from 3D X-ray images using contrast enhancers. Cement and Concrete Composites, 93: 30-42, 2018.
P. Carrara and L. De Lorenzis. Chloride diffusivity of the interfacial transition zone and bulk paste in concrete from microscale analysis. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 25, 045011, 2017.[ DOI ]
P. Carrara and L. De Lorenzis. Consistent identification of the interfacial transition zone in simulated cement microstructures. Cement and Concrete Composites 80, S. 224-234, 2017.[ DOI ]
P. Carrara, T. Wu, R. Kruse and L. De Lorenzis. Towards multiscale modeling of the interaction between transport and fracture in concrete. RILEM Letters 1, S. 94-101, 2016.[ DOI ]
P. Carrara, L. De Lorenzis and D.P. Bentz. Chloride diffusivity in hardened cement paste from microscale analyses and accounting for binding effects. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 24, 065009, 2016.[ DOI ]
Konferenzbeiträge mit Veröffentlichung:
P. Carrara and L. De Lorenzis. Chloride diffusion and binding in hardened cement paste from microscale analyses. Proc. of International RILEM Conference on Materials, Systems and Structures in Civil Engineering Conference segment on Service life of Cement-Based Materials and Structures, Lyngby, Denmark, 2017.
P. Carrara, T. Wu and L. De Lorenzis. Chloride diffusivity of hardened cement paste from multiscale modeling. Proc. of International workshop Durability and Sustainability of Concrete Structures, Bologna, ltaly, 2015.