Finite element numerical simulation of the mechanical behaviour of recycled aggregate concrete at the meso-scale

Qifan Ren

Informações chave

Autores:

Orientadores:

Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito (Jorge Manuel Caliço Lopes de Brito); João Nuno Noronha Ramos Vigário Pacheco (João Nuno Noronha Ramos Vigário Pacheco)

Publicado em

03/05/2024

Resumo

A modelação numérica à mesoescala é uma ferramenta eficiente em termos de tempo e custo para otimizar a composição de misturas de betão e analisar as causas fenomenológicas da rotura mecânica. No entanto, ainda falta um modelo completo para representar a mesoestrutura do betão de agregados reciclados (BAR) e uma compreensão abrangente do comportamento do BAR à mesoescala. Esta tese de doutoramento desenvolve uma ferramenta numérica para avaliar o comportamento mecânico de BAR, bem como para investigar o comportamento mecânico de BAR com diferentes combinações de matérias-primas e composições. A investigação foi conduzida em três vertentes: (1) geração e calibração do modelo de meso estrutura de provetes de betão. O estudo desenvolve o método de geração e separação para construir com eficiência e precisão o modelo meso estrutural do elemento de betão. O modelo geométrico gerado é calibrado quanto ao formato das partículas e distribuição espacial do agregado grosso dentro da amostra de betão; (2) implementação da simulação numérica e validação da ferramenta desenvolvida na caracterização do comportamento mecânico do BAR. A modelação 2D e 3D do BAR sob carregamento quase estático é realizada e validada. A comparação dos resultados da modelação demonstra que o modelo 2D é mais adequado para análise paramétrica; (3) análises paramétricas dos fatores que têm influência vital no comportamento do BAR, utilizando o modelo desenvolvido. As influências desses fatores na resposta mecânica e no comportamento da fábrica são investigadas numericamente e depois comparadas com observações experimentais. A principal inovação da tese é o desenvolvimento de uma ferramenta numérica eficiente que modela com precisão as características geométricas da mesoescala de provetes de BAR, através da definição de geometria e forma de agregados e da sua colocação no interior do provete. A dissertação mostra que a simulação numérica à mesoescala é uma ferramenta promissora para avaliação das propriedades de misturas de betão e análise das causas fenomenológicas de rotura mecânica do BAR. A resistência do BAR é influenciada de forma relevante pela qualidade da argamassa e da zona de transição interfacial, e o módulo de elasticidade está intimamente relacionado com o teor de agregados grossos na mistura e proporção de incorporação de agregados reciclados. Numerical modelling at the mesoscale is a time- and cost-efficient tool to optimize concrete mix design and to analyse the phenomenological causes of mechanical failure. However, a complete model to represent the mesostructure of recycled aggregate concrete (RAC) and a comprehensive understanding of behaviour of RAC at mesoscale are still lacking. This doctoral thesis presents a reliable numerical tool to assess the mechanical behaviour of RAC as well as to investigate the mechanical behaviour of RAC with different combinations of raw materials and mix design. The research was conducted into three progressive strands, comprising: (1) generation and calibration of the mesostructure model of concrete specimen. The study adapts the generation and separation method to efficiently and accurately construct the mesostructural model of concrete element. The generated geometric model is calibrated regarding particle shape and spatial distribution of coarse aggregate within the concrete specimen; (2) implementation of the numerical simulation and validation of the developed tool in characterizing mechanical behaviour of RAC. Both 2D and 3D modelling of RAC under quasit-static loading are carried out and validated. The comparison of the modelled outcomes demonstrates the 2D model is suitable for parametric analysis and is computationally efficient; (3) parametric analyses of the factors that have vital influence on the behaviour of RAC, using the model developed. The influences of these factors on the mechanical response and facture behaviour are numerically investigated, and then benchmarked with experimental observations. The main innovation of the thesis is the development of an efficient numerical tool that accurately models the mesoscale geometric characteristics of concrete specimen, namely by defining aggregate shape and size and placing them within the boundaries of the concrete specimen. The thesis shows that numerical simulation at the mesoscale is a promising tool for assessment of the properties of concrete mix designs and for the analysis of the phenomenological causes of mechanical failure of RAC. The strength of RAC is relevantly influenced by the quality of mortar and interfacial transition zone, and the modulus of elasticity is closely related to content of coarse aggregates in a mix and incorporation ratio of recycled aggregates.