Avaliação computacional do comportamento de estruturas de concreto massa devido ao processo de hidratação : análise termomecânica e o estudo da formação de etringita tardia

Abstract

Resumo: A hidratação do concreto é uma reação exotérmica que libera uma grande quantidade de calor frequentemente chamada de calor de hidratação. Por ser proveniente da mistura entre o cimento e a água, depende da composição química e da quantidade de cimento. Este fenômeno gera a elevação das temperaturas internas e causa gradientes térmicos dentro da estrutura, principalmente em concretos massa, o que pode provocar altas tensões de tração nas superfícies de elemento e produzir fissuras superficiais principalmente nas idades iniciais, quando a resistência à tração é pequena. Uma das consequências da elevação térmica é a formação de etringita tardia (DEF - Delayed Ettringite Formation), reação expansiva que pode levar a alterações mecânicas e microestruturais no concreto, resultando em danos consideráveis às estruturas. Nesse contexto, este estudo tem por objetivo implementar um modelo de elementos finitos para prever a temperatura interna do concreto, o gradiente térmico, e calcular as tensões induzidas termicamente e o risco de fissuração associado ao processo de hidratação, bem como analisar a danificação de origem térmica do concreto via modelo CDP (Concrete Damage Plasticity) e a influência das perdas de propriedades mecânicas ao longo do tempo devido a formação da DEF. Durante a hidratação, o concreto é considerado na análise como não homogêneo e o desenvolvimento das propriedades térmicas depende do grau de hidratação, o qual é descrito por uma função exponencial. As condições iniciais e de contorno mecânicas e térmicas são consideradas na análise, levando em conta a perda de calor externo por convecção. O software comercial ABAQUS foi utilizado para implementar a análise e uma sub-rotina foi desenvolvida para permitir que o módulo de elasticidade variasse ao longo do tempo em função do grau de hidratação do concreto. Para realizar as análises, foram escolhidas três composições de concreto presentes na literatura e que apresentam dados suficientes para realizar a análise termomecânica e a implementação dos efeitos causados pela DEF. Nos estudos, foram analisados blocos de concreto maciços com 11 variações de geometria, visando compreender a influência do volume de concreto na evolução da temperatura e das tensões de tração. Observou-se que o volume de concreto e o tipo de cimento influenciam no desenvolvimento das temperaturas internas e do gradiente térmico. Especificamente, os cimentos com maior calor de hidratação geram temperaturas e gradientes térmicos maiores. Na análise de tensões e danificação do concreto, a consideração do módulo de elasticidade variável no tempo é fundamental para obtenção de resultados consistentes com o comportamento real do concreto. Com a ocorrência da DEF, as propriedades mecânicas do concreto são degradadas, incluindo o módulo de elasticidade e resistência à tração e à compressão. Ao analisar a Barragem de Concreto, a presença da DEF influenciou significativamente na intensidade das tensões de tração obtidas e aumentou os danos ao concreto nas idades iniciais, em comparação com o concreto intacto. Nesse estudo, a degradação da resistência à tração é mais significativa do que a redução das tensões solicitantes devido à degradação do módulo de elasticidade.

Abstract: The hydration of concrete is an exothermic reaction that releases a significant amount of heat, commonly referred to as hydration heat. Since it originates from the mixture of cement and water, it depends on the chemical composition and quantity of cement. This phenomenon results in elevated internal temperatures and induces thermal gradients within the structure, especially in mass concrete, leading to high tensile stresses on the element surfaces and the development of surface cracks, particularly in the early stages when tensile strength is low. One consequence of thermal elevation is the formation of Delayed Ettringite (DEF), an expansive reaction that can cause mechanical and microstructural alterations in concrete, resulting in considerable damage to structures. In this context, the objective of this study is to implement a finite element model to predict the internal temperature of concrete, thermal gradient, and calculate thermally-induced stresses and associated cracking risk during the hydration process. The study also aims to analyze thermally-induced damage using the Concrete Damage Plasticity (CDP) model and explore the influence of mechanical property losses over time due to DEF formation. During hydration, concrete is considered non-homogeneous in the analysis, and the development of thermal properties depends on the degree of hydration, described by an exponential function. Initial mechanical and thermal boundary conditions are taken into account, considering the loss of external heat through convection. The commercial software ABAQUS was utilized to implement the analysis, and a subroutine was developed to allow the elasticity modulus to vary over time based on the degree of hydration of the concrete. For the analyses, three concrete compositions from the literature were chosen, providing sufficient data for thermomechanical analysis and implementation of the effects caused by DEF. In the studies, solid concrete blocks with 11 geometric variations were analyzed to understand the influence of concrete volume on temperature and tensile stress evolution. Results indicate that concrete volume and cement type influence internal temperature and thermal gradient development. Specifically, cements with higher hydration heat generate greater temperatures and thermal gradients. In the analysis of concrete stress and damage, the consideration of a time-varying elasticity modulus is fundamental for obtaining results consistent with the real behavior of concrete. With the occurrence of DEF, the mechanical properties of concrete degrade, including the elasticity modulus, tensile, and compressive strength. When analyzing the Graus Dam, the presence of DEF significantly influenced the intensity of obtained tensile stresses and increased concrete damage in the early stages, compared to intact concrete. In this study, the degradation of tensile strength is more significant than the reduction in applied stresses due to the degradation of the elasticity modulus.