Numerické modelování transportu vlhkosti v betonu za vysokých teplot

Abstract

Transport vlhkosti uvnitř betonu při zvýšených teplotách je klíčovým faktorem pro pochopení rizika odstřelování betonu (spalling). Třífázový model (pevná fáze, suchý vzduch, voda) řeší bilanční rovnice pro pevnou fázi, suchý vzduch, vodní páru, kapalnou vodu a entalpii pomocí metody konečných prvků. Model byl napsán v prostředí FEniCS a řeší dříve opomíjenou bilanci hmotnosti skeletu zavedením pórovitosti jako další nezávislé proměnné. Kromě splnění hmotnostní bilance to umožňuje řešit o jednu konstitutivní rovnici méně a snadnější validaci. Model byl experimentálně ověřen daty z 3D rentgenové počítačové tomografie (CT). Byla provedena kvantifikace nejistoty pro informovanější rozhodnutí o věrohodnosti modelu. Byly identifikovány odchylky ve vstupních parametrech, prostor parametrů byl nasamplován pomocí metody LHS a určeny výsledné variace na výstupu. Numerický vícefázový model umožňuje predikci obsahu vody a tlaků uvnitř pórů. Řešení bilance hmotnosti skeletu vede k realističtějším hodnotám než vykazovaly předchozí modely. Model ukázal, že popis dehydratace založené pouze na termogravimetrické analýze nemůže vysvětlit pozorovanou změnu vlhkosti v datech CT. Kvantifikace nejistoty ukazuje variační součinitel mezi 12 % a 16 % pro maximální tlak plynu a jeho pozici, jako důležité indikátory pro vznik odstřelování betonu. Maximální tlak plynu dosahuje přibližně 7,5 MPa a vyskytuje se 50 mm až 100 mm od exponovaného povrchu. Takové zjištění je v souladu s experimenty odstřelování betonu.

Understanding the moisture transport inside concrete at elevated temperatures is key to understanding spalling risks. The three-phase finite element model (solid mass, dry air, water) solves the balance equations for solid phase, dry air, water vapour, liquid water and enthalpy. The model was written in FEniCS and solves the previously neglected skeleton mass balance by introducing the porosity as an additional independent variable. In addition to fulfilling the mass balance, this allows for one fewer constitutive equation, so that existing data can be used for validation. The model was experimentally validated with volumetric X-ray computer tomography data. An uncertainty quantification was performed for more informed decisions on the trust placed in the model. Variation in the input parameters were identified, the parameter space was sampled using Latin hypercube sampling and the resulting variation in the output variables determined. A numerical multiphase model allows the prediction of water content and pressures inside the pores. Solving the skeleton mass balance results in more realistic values for the skeleton mass density than previous models have exhibited. The model has shown that dehydration descriptions based on thermogravimetric analysis can not explain the moisture change seen in the CT data. The uncertainty quantification reveals a coefficient of variation of about 12 % to 16 % for the maximum gas pressure and its location, chosen as indicators for when and where spalling may occur. The maximum gas pressure attains approximately 7.5 MPa and occurs 50 mm to 100 mm from the exposed surface. Such finding is consistent with spalling experiments.