Experimental and numerical study of the effect of stress on ASR expansions in concrete

This thesis aims at deepening in the understanding of the mechanisms by which the stress state affects the development of concrete expansions and cracking due to the Alkali-Silica Reaction (ASR). With this purpose, a combined experimental-numerical study has been undertaken. For the experimental part of the study, two new experimental setups have been developed and used in an extensive experimental campaign. The first setup has made it possible to measure, seemingly for the first time, ASR expansion curves at the level of a single interface between a reactive aggregate and a cementitious matrix (mortar or cement paste), as well as to study the formed ASR products by means of SEM images and EDS analyses. The thesis includes results from various series of Interfacial Expansion Tests under different conditions, in order to assess their influence on the kinetics of the measured expansions. For the second experimental setup, an existing triaxial testing machine has been adapted. With this machine, experimental ASR expansion curves from cubical concrete specimens subjected to three different triaxial stress states have been obtained. The results seem to indicate that the volumetric ASR expansion rate is reduced as the applied volumetric compressive stress is increased. Additionally, there seems to be an increase in the expansion rate in the less compressed direction in detriment of the expansion rates in the most compressed ones. Based on the results obtained in the experimental study, as well as on published results from other authors, a reaction-expansion mechanism has been proposed that may explain the effects of the stress state on the ASR expansions of concrete. This reaction-expansion mechanism has been theoretically formulated and implemented in a coupled Chemo-Mechanical Finite Element (FE) model. In this model, the chemical and the mechanical problems are solved by means of two different FE codes, coupled via a staggered implementation. Both codes are used to analyse the same FE mesh in which the reactive aggregates are explicitly represented, embedded in a matrix phase representing non-reactive mortar or cement paste. This mesh includes zero-thickness interface elements which are inserted a priori along all the aggregate-matrix contacts and also along some predefined matrix-matrix and aggregate-aggregate inter-elements boundaries in order to represent the main potential crack paths. In the case of the aggregate-matrix contacts, the interface elements also make it possible to represent the specific properties of the Interfacial Transition Zones. The chemical formulation consists of three primary diffusion/reaction fields for aqueous silicate, calcium and alkalis in the pore solution, complemented by a number of chemical kinetics and chemical equilibrium equations. The dissolution/precipitation reactions involved in ASR expansions are considered to occur only within the zero-thickness interface elements representing fractures and aggregate-matrix contacts, while diffusion of primary species may occur within interface as well as continuum finite elements. The volume fraction distribution of the solid chemical species (reactive silica, portlandite, and ASR products) associated to the interface elements evolve with the progress of the reactions. From a mechanical point of view, the interface elements are equipped with an elasto-plastic constitutive model based on concepts and parameters of non-linear fracture mechanics. In contrast, the continuum elements are assumed to behave linear elastically. Thus, the mechanical non-linearity of the overall model is due exclusively to the zero-thickness interface elements. The model has been used for simulating a number of ideal and real cases, demonstrating its ability to reproduce experimental observations regarding the effects of concrete stress state on the development of the ASR expansions. Esta tesis tiene como objetivo principal profundizar en la comprensión de los mecanismos por los cuales el estado tensional del hormigón afecta el desarrollo de las expansiones y fisuras debido a la Reacción de Álcali-Sílice (RAS). Con este propósito, se ha realizado un estudio combinado numérico-experimental del fenómeno. Para la parte experimental del estudio, se han desarrollado dos nuevas configuraciones experimentales, que posteriormente han sido utilizadas en una extensa campaña experimental. La primera configuración ha permitido medir, aparentemente por primera vez, curvas de expansión por RAS a nivel de una única interfaz entre un árido reactivo y una matriz cementosa (pasta de cemento o mortero), así como estudiar los productos formados por la RAS mediante imágenes SEM y análisis EDS. Para la segunda configuración experimental, se ha adaptado una máquina existente para ensayos triaxiales. Con esta máquina, se han obtenido curvas experimentales de expansión por RAS de probetas cúbicas de hormigón sometidas a tres estados distintos de tensión triaxial. Los resultados obtenidos parecen indicar que la tasa volumétrica de expansión por RAS es reducida a medida que se aumenta la tensión volumétrica de compresión aplicada. Además, parece haber un aumento en la tasa de expansión en la dirección menos comprimida en detrimento de las tasas de expansión en las direcciones más comprimidas. Con base en los resultados obtenidos en el estudio experimental, así como en los resultados publicados por otros autores, se ha propuesto un mecanismo de reacción-expansión que podría explicar los efectos del estado tensional en las expansiones por RAS del hormigón. Este mecanismo de reacción-expansión se ha formulado teóricamente e implementado en un modelo acoplado Quemo-Mecánico de Elementos Finitos (EF). En este modelo, los problemas químico y mecánico se resuelven mediante dos códigos de EF diferentes, acoplados mediante una implementación escalonada. Ambos códigos usan la misma malla de EF en la que los áridos reactivos se representan explícitamente rodeados de una matriz cementosa no reactiva. Esta malla incluye elementos junta sin espesor que se insertan a priori a lo largo de todos los contactos matriz-árido y también a lo largo de algunos contactos predefinidos matriz-matriz y árido-árido para representar los principales caminos potenciales de fractura. En el caso de los contactos de matriz-árido, los elementos junta también permiten representar las propiedades específicas de las Zonas de Transición. La formulación del problema químico consiste en tres campos de difusión / reacción primarios correspondientes a silicato, calcio y álcalis en la solución de poros, complementados por una serie de ecuaciones de cinética química y equilibrio químico. Las reacciones de disolución / precipitación involucradas en las expansiones por RAS pueden ocurrir únicamente en los elementos junta que representan fracturas y contactos árido-matriz, mientras que la difusión de las especies primarias puede ocurrir tanto en elementos junta como continuos. La distribución de las fracciones volumétricas de las especies sólidas (sílice reactiva, portlandita y productos de las RAS) asociadas a los elementos junta evoluciona con el progreso de las reacciones. Desde un punto de vista mecánico, los elementos junta están equipados con un modelo constitutivo elasto-plástico basado en conceptos y parámetros de la teoría no lineal de la mecánica de fractura. Por el contrario, los elementos del continuo se asumen linealmente elásticos. En consecuencia, la no linealidad mecánica del modelo se logra exclusivamente por medio de los elementos junta. El modelo se ha utilizado para simular una serie de casos ideales y reales, en los que ha demostrado su capacidad para reproducir observaciones experimentales con respecto a los efectos del estado tensional del hormigón en el desarrollo