Development of a coupled finite element model for early age concrete behavior : application to concrete pavements
Authors:   , Martirosyan Razmik 
Published: July 2023

Nowadays, concrete pavements are one of the main traditional options of building roads and highways. Moreover, concrete pavements are used for various ground transport infrastructures such as sidewalks, streets and airport. On the other hand, concrete pavements can have indoor applications. These can be warehouses, parking or production areas.
Due to several environmental, technological and economic advantages over flexible pavements along with the increasing investments in infrastructures, there is an increasing trend of construction of concrete pavements over the world. However, despite the current level of the technological development, if not properly designed and constructed, the performance of the concrete pavements may not be satisfying.
Based on the pavement characteristics, performance can be divided into two stages: early age (usually up to 28 days) and service life. Many studies and models are develop to evaluate the service life performance of concrete pavements. In contrast, this is not true for early ages.
In this context, over last 2 decades the interest of the industry about the early age behavior of concrete pavements has increased. At this stages problems may arise related to the thermal, hygral and mechanical behavior of material. Usually, because of the complexity behind these phenomena, these subjects are addressed individually in literature. However, in order to evaluate the behavior of the material as well as the structure at early ages, these factors should be considered together, which is challenging.
The subjects addressed in this doctoral thesis refer to the early age behavior of concrete and the modelling of concrete pavements at this age. The first subject covers the characterization of the thermal, hygral and mechanical properties and behavior of concrete at early ages. Several factors that influence these phenomena are analyzed and summarized separately. The study and the validations show the possibility of the integration of several phenomena affecting the behavior of concrete at early ages and the prediction of the interaction of these phenomena with a single coupled model.
The second subject presents the application of the model to concrete pavements. Based on several factors that were found to have a significant influence on concrete cracking at early ages, a parametric study is conducted. Derivation of optimal values for several physical parameters, such as maximal joint cutting time and optimal joint spacing distance is accomplished. The numerical results show consistency with the literature.
A día de hoy, los pavimentos de hormigón son una de las soluciones tradicionales para la construcción de firmes de carreteras y autopistas. Además, su uso también está ampliamente extendido en otro tipo de infraestructuras de transporte terrestre (calles, aceras o aeropuertos) así como en pavimentos industriales (almacenes o áreas de producción) y aparcamientos. Las ventajas medioambientales, tecnológicas y económicas que presentan sobre los pavimentos flexibles, junto al aumento de las inversiones en infraestructuras, hacen que a nivel mundial exista una tendencia creciente en la construcción de este tipo de pavimentos. A pesar de ello y aún con el nivel de desarrollo tecnológico actual, el desempeño de los pavimentos de hormigón puede ser no satisfactorio si su diseño y construcción no son adecuados. Basándose en las características del pavimento, su desempeño puede dividirse en dos etapas: tempranas edades (generalmente hasta los 28 días) y vida útil de servicio. Mientras que se han desarrollado muchos estudios y modelos para evaluar su vida útil, no ocurre lo mismo con el análisis a tempranas edades. En este contexto, en las últimas dos décadas el interés de la industria por el comportamiento a edades tempranas ha aumentado. Durante esta primera etapa pueden aparecer problemas relacionados con el comportamiento térmico, higrométrico y mecánico del hormigón. Por lo general y debido a la complejidad de los fenómenos que se produce, éstos se abordan únicamente de forma individual en la literatura. Sin embargo, con el fin de evaluar el comportamiento del material y su estructura a primeras edades, estos factores deben ser considerados conjuntamente. Los aspectos abordados en esta tesis doctoral comprenden el comportamiento a primeras edades del hormigón y la modelización de pavimentos de hormigón durante este periodo. El primer tema abarca la caracterización de las propiedades térmicas, higrométricas y mecánicas y su influencia global en el comportamiento del hormigón en edades tempranas. Varios de los factores que influyen en estos fenómenos son analizados y sintetizados por separado. El trabajo realizado muestra la posibilidad de integrar los fenómenos involucrados en el comportamiento a tempranas edades y cómo éste puede ser predicho un único modelo acoplado. El segundo tema presenta la aplicación del modelo desarrollado a los pavimentos de hormigón. Se desarrolla un estudio paramétrico en base a una serie de factores que se han encontrado tener una influencia significante en la fisuración del hormigón en edades tempranas. Se han derivado valores óptimos para parámetros físicos tales como la separación y el tiempo de corte de las juntas de los pavimentos. Los resultados numéricos muestran consistencia con la literatura.