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Phase-Field Modeling for Self-Healing of Mineral-Based Materials

Yang, Sha (2022):
Phase-Field Modeling for Self-Healing of Mineral-Based Materials. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00020439,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Phase-Field Modeling for Self-Healing of Mineral-Based Materials
Language: English
Abstract:

Concrete is the most widely used building material in the world. The low raw materials cost, its high compressive strength and the simplicity of the production process makes it an enormous attractive and easy to apply material for the construction and building sector. However, when applied, concrete suffers from cracks, which are inevitable and are the result of various environmental and loading impacts such as traffic load, freeze-thaw cycles, but it also depends on the construction quality. These cracks provide harmful elements such as chloride, carbon dioxide or sulphur ions a pathway, which may induce steel corrosion of reinforced concrete structures. It is a mechanism that will seriously threaten the service life of a concrete structure, while causing significant maintenance costs. Mitigating this phenomenon has led to a worldwide development on self-healing methods for crack closure.

In the last few years, research efforts on self-healing methods have mainly concentrated on experimental work, where only a limited number of numerical models have been reported in literature. These models treat the boundaries, i.e. interfaces, between different the surfaces of components with a zero thickness. In fact, such interface describes the kinetics of a phase transformation from a non-equilibrium to an equilibrium state. This problem requires the diffusion equations to be solved at the interface under moving boundary conditions, which, although feasible for the evolution of simple geometries, becomes rather impossible for higher-dimensional systems and/or complicated interfaces.

For a more accurate description of the above problem, this PhD study presents a novel approach for self-healing of cementitious materials by means of a phase-field (PF) method. Unlike the traditional sharp interface models, a PF method provides a convenient way to numerically deal with free moving boundaries, where the interface is implicitly expressed as a time- and space-dependent function, representing the phase state, and is defined over the entire domain.

In this work, the diffusion-controlled isotropic dissolution of minerals is first investigated from a mesoscale phase transition point of view. Based on earlier formulations by Kim and co-workers [1], an expression of interface mobility under diffusion-controlled conditions is proposed. Using sodium chloride dissolution as an example, the results of their PF method are compared with that of analytical models and experiments, while extending the application of a PF method to the field of mineral dissolution. Based on this, the evolution of a carbonation front, which separates the dissolution zone from the carbonation fraction, is modelled on a thermodynamic basis, while mimicking the self-healing carbonation reaction in cementitious materials. Physical-chemical aspects are used to construct the free energy functions for incorporating dissolution and precipitation systems. Moreover, the dissolution model determines the local concentration fields of the active species in the PF. The model parameters were experimentally calibrated on a single mineral, i.e. the carbonation of calcium hydroxide. As a novel feature, the evolution of multiple interfaces is investigated and demonstrated by an experimental case of self-healing with calcium hydroxide carbonation. Good qualitative agreement was achieved between the model results and the experimental data and the evolution of the crack morphology was demonstrated. This PhD study showed the potential of a PF method as a predictive tool to estimate self-healing in cementitious materials.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Beton ist das weltweit am häufigsten verwendete Baumaterial. Die niedrigen Rohstoffkosten, seine hohe Druckfestigkeit und die Einfachheit des Herstellungsprozesses machen ihn zu einem äußerst attraktiven und leicht zu verarbeitenden Material für den Bau- und Gebäudesektor. Der Beton reißt im Laufe der Nutzungsdauer, was unvermeidlich ist und auf verschiedene Umwelteinflüsse und Belastungen wie Verkehrsbelastung, Frost-Tau-Zyklen, aber auch auf die Betonqualität zurückzuführen ist. Diese Risse bieten Substanzen wie Chloridionen, Kohlenstoffdioxid oder Schwefelionen einen Weg, bei Stahlbetonkonstruktionen Korrosion hervorzurufen. Durch diese Mechanismen wird die Lebensdauer einer Betonstruktur ernsthaft gefährdet und verursacht gleichzeitig erhebliche Instandhaltungskosten. Daher werden Selbstheilungsmethoden zum Schließen von Rissen in Beton entwickelt.

In den letzten Jahren haben sich die Forschungsarbeiten zu Selbstheilungsmethoden hauptsächlich auf experimentelle Arbeiten konzentriert, während in der Literatur nur wenige numerische Modelle beschrieben werden. Diese Modelle setzen die Dicke von Rändern oder Grenzflächen zwischen verschiedenen Oberflächen zu Null. Eine solche Grenzfläche beschreibt die Kinetik einer Phasenumwandlung von einem Nicht-Gleichgewichtszustand in einen Gleichgewichtszustand. Dieses Problem erfordert, dass die Diffusionsgleichung an den Grenzflächen unter beweglichen Randbedingungen gelöst werden muss, was zwar für die Entwicklung einfacher Geometrien machbar ist, aber für höherdimensionale Systeme oder kompliziert geformte Grenzflächen nicht zielführend ist.

Für eine genauere Beschreibung des oben genannten Problems wird in dieser Dissertation ein neuartiger Ansatz für die Selbstheilung von zementbasierten Materialien mithilfe der Phasenfeldmethode (PF-Methode) vorgestellt. Im Gegensatz zu den traditionellen scharfen Grenzflächenmodellen bietet die PF-Methode eine bequeme Möglichkeit, mit frei beweglichen Grenzflächen endlicher Dicke numerisch umzugehen. Hierbei wird die Grenzfläche implizit als zeit- und raumabhängige Funktion ausgedrückt, die den Phasenzustand darstellt und über dem gesamten Berechnungsgebiet definiert ist.

In dieser Arbeit wird die diffusionskontrollierte isotrope Auflösung von Mineralien zunächst unter dem Gesichtspunkt des mesoskaligen Phasenübergangs untersucht. Auf der Grundlage früherer Formulierungen von Kim et al. [1] wird die Grenzflächenmobilität unter diffusionskontrollierten Bedingungen hergeleitet. Am Beispiel der Solvatation von Natriumchlorid in Wasser werden zunächst die Ergebnisse der PF-Methode mit denen von analytischen Modellen und Experimenten verglichen, wobei die PF-Methode zur Auflösung von Mineralien angewendet wird. Anschließend wird die PF-Methode zur thermodynamischen Simulation der Präzipitation von mineralischen Substanzen verwendet. Es zeigt sich, dass die Karbonatisierungsfront die Auflösungszone und den Karbonatisierungsfortschritt unterscheidet. Physikalisch-chemische Aspekte werden genutzt, um die Funktionen der freien Energie für die Auflösungs- und Ausfällungssysteme zu konstruieren. Darüber hinaus bestimmt das Solvatationsmodell die lokalen Konzentrationsfelder der aktiven Bestandteile im Phasenfeldmodell. Die Modellparameter werden experimentell anhand der Karbonatisierung des Minerals Calciumhydroxid ermittelt. Neu ist, dass die Entwicklung mehrerer Grenzflächen beschrieben und durch experimentelle Untersuchungen validiert werden kann. Hierbei wird die Selbstheilung durch die Karbonatisierung von Kalziumhydroxid betrachtet. Die Modellergebnisse und die experimentellen Daten stimmen gut überein. Außerdem wird die Entwicklung der Rissmorphologie nachgewiesen. Diese Dissertation zeigt das Potenzial der PF-Methode als Vorhersageinstrument zur Abschätzung der Selbstheilung in zementbasierten Materialien.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 125 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Construction and Building Materials > Bruchmechanik und Werkstoffmodellierung
Date Deposited: 17 Feb 2022 10:32
Last Modified: 25 Jul 2022 12:58
DOI: 10.26083/tuprints-00020439
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-204391
Referees: Koenders, Prof. Dr. Eddie ; Jefferson, Prof. Dr. Tony
Date of oral examination: 17 December 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/20439
PPN: 491492650
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