Thermomechanical Analysis of Ancient Roman Seawater Concrete

Abstract

Starověcí Římané uměli vyrobit vysoce trvanlivý hydraulický beton, který ve Středozemním moři vydržel přes 2000 let. Dlouhá životnost se přičítá alkalické aktivaci vulkanických materiálů bohatých na hliník, které vedly k syntéze C-A-S-H gelu, Al-tobermoritu a filipsitu. Pro syntézu těchto robustních fází v inovativních betonech je nezbytné porozumět mechanismům jejich vzniku. Předchozí výzkum ukázal, že jsou důležité dva faktory k jejich vzniku, a to mineralizující účinek mořské vody a vysoké teploty, které vznikají uvnitř masivních betonů díky pucolánové reakci. Tato práce používá metodu konečných prvků pro úlohu nestacionárního vedení tepla. Tou se ověřují předešlé studie teplot během tvrdnutí římských betonů na masivních mořských molech. Také se určují druhotné efekty jako náhrada hašeného vápna vápnem nehašeným, a více realistický několikadenní proces lití pro velkoobjemové konstrukce. Po termální anlýze byla provedena slabě sdružená mechanická analýza tvrdnoucího betonu na molech pomocí metody konečných prvků. Použil se stárnoucí materiál s dotvarováním pro porozumění vývoje napětí díky nárůstu teplot. Díky termální expanzi a smrštění betonu došlo ke vzniku tahových napětí, v raných fázích zejména na povrchu betonu, v pozdějších fázích uprostřed bloku. Tato tahová napětí značí vznik trhlin v těchto místech.

Ancient Romans were able to synthesize highly durable hydraulic concretes lasting over 2000 years while submerged in the Mediterranean Sea because of the formation of durable C-A-S-H gel, Al-tobermorite and phillipsite by alkali activation of alumina-rich volcanic materials. With hopes of being able to synthesize such robust phases within innovative concretes in the future, it is necessary to thoroughly understand the mechanism for how they form. Previous research has shown that two of the of the driving factors for their formation is the mineralizing effects seawater has in combination with the volcanic ash and the high temperatures that develop within massive concrete structures due to the pozzolanic reaction. Using a non-stationary thermal finite element (FE) analysis this thesis has validated the studies looking into the evolution of temperature throughout a massive hardening Roman concrete pier and determined the secondary effects on temperature-rise due to partial replacement of slaked lime with quicklime, and a more realistic multi-day casting process required to pour the large volume of concrete. Following thermal analyses, the stress development in the hardening concrete piers was analysed using a staggered thermomechanical FE analysis with ageing viscoelastic material law to understand any deleterious effects the large temperature rise may cause from a mechanical standpoint. Due only to the thermal expansion and contraction of the hydrating block, significant tensile stresses were found to occur at the outer portions of the block during early age, and at the core of the block during late age, likely suggesting cracking at various locations.