Labor für Werkstoffsimulation

Betonkonstruktionen werden durch verschiedene Umwelteinflüsse wie Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen, äußere Lasten usw. beeinträchtigt, die Mikrorisse oder Schäden unterschiedlicher Form und Größe verursachen. Dadurch wird die Dauerhaftigkeit des Betons stark verringert. Der autogene Selbstheilungsmechanismus ist eine der Methoden, um die Lebensdauer von Beton effektiv zu verlängern. Ziel dieser Arbeit ist es, den autogenen Selbstheilungsprozess von kleinen Rissen mit einer Breite von weniger als 0,2 mm in Beton mit Hilfe einer numerischen Methode zu untersuchen. Die autogene Selbstheilung besteht aus der Auflösung von Calciumhydroxid und der Ausfällungsreaktion von Calciumcarbonat. Unter Einbeziehung der chemischen Reaktionskinetik, der Diffusion und der Thermodynamik wird ein Phasenfeldmodell entwickelt und mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) im Rahmen von MOOSE numerisch implementiert. Um die Entwicklung der Chemie des Systems zu untersuchen, wird ein 1D-Reaktions-Diffusionsmodell mit Hilfe des geochemischen PHREEQC-Berechnungscodes verwendet. In diesem Modell wird das Kohlendioxid dem Wasser mit einem logarithmischen Partialdruck von -3,4 zugesetzt, um eine Situation mit unbegrenzter Zufuhr von Calciumhydroxid in die Wasserphase zu modellieren. Die Simulationsergebnisse in PHREEQC wurden zur Eingabe von Parametern in das Phasenfeldmodell verwendet. Wir untersuchen die mikroskopische Rissmorphologie weiter, indem wir mehrere Simulationen mit den aus den experimentellen Tests gewonnenen Parametern durchführen.

Das Ziel dieses Projekts ist die Arbeit an der Multiskalenmodellierung, um die mechanischen Eigenschaften der Geopolymer-Mikrostruktur auf Nano- und Mikroebene zu berechnen. Daher führen wir die Simulation der grobkörnigen Geopolymer/CNTs anhand der verfügbaren LAMMPS-Trajektorendatei (Large Scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) durch, die mit einem Molekulardynamik-Simulationsansatz berechnet wurde. Als nächster Schritt wird die Berechnung der mechanischen Eigenschaften durch Monte-Carlo-Ansätze definiert, die mit dem LAMMPS-Paket durchgeführt werden können.

Die Modellierung der Ausbreitung einer Reaktionsfront bei der Auflsösung von Mineralen ist in vielen wissenschaftlichen und technischen Bereichen von Interesse. Die Auflösung von Mineralen beinhaltet oft komplexe physikalisch-chemische Prozesse an der Fest-Flüssig-Grenzfläche (im Nanomaßstab), die im Mikro- bis Mesomaßstab auf das Problem der sich kontinuierlich bewegenden Grenzen vereinfacht werden können. In dieser Arbeit haben wir die diffusionsgesteuerte kongruente Auflösung von Mineralien aus der Perspektive des Phasenübergangs im Mesomaßstab untersucht. Die dynamische Entwicklung der Fest-Flüssig-Grenzfläche während des Auflösungsprozesses wird mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) und des Phasenfeldansatzes (PF) numerisch simuliert. Letzterer ist in der Open-Source-Software Multiphysics Object Oriented Simulation Environment (MOOSE) implementiert. Die Parametrisierung des numerischen PF-Ansatzes wird im Detail diskutiert und anhand der experimentellen Ergebnisse für einen kongruenten Auflösungsfall von NaCl (aus der Literatur) sowie anhand analytischer Modelle für einfache Geometrien validiert. Darüber hinaus wurde die Auswirkung der Form eines sich auflösenden Mineralpartikels analysiert, wodurch gezeigt wurde, dass der PF-Ansatz für die Simulation der mesoskopischen morphologischen Entwicklung beliebiger Geometrien geeignet ist. Schließlich zeigte der Vergleich der PF-Methode mit experimentellen Ergebnissen die Bedeutung der Auflösungsgeschwindigkeitsmechanismen, die durch die Grenzflächenreaktionsrate oder durch den diffusiven Transportmechanismus gesteuert werden können.