Skip to main content
SpringerLink
Log in

Drying of concrete: modelling of a hydric damage

  • Published:
Materials and Structures Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Drying shrinkage of concrete induces the formation of microcracks that damage concrete structures. This damage can be characterised by deteriorating material elastic properties over the years. In this investigation, we present a modelling of this phenomenon, simple and easy to be implemented, and that should allow engineers to predict cracking as a durability indicator and to model ageing. We first present the basic hypotheses of our model, and formulate hydric damage by using an isotropic scalar variable proportional to the decrease in water content. Uncoupling between drying-induced damage and classical mechanical damage is assumed. Two simple applications are proposed. For the one-dimensional drying case (cylindrical specimens), we compare the simulation of the variation in time of the dimensionless stiffness with experimental results in uniaxial compression. A good adequacy is observed. For the bi-dimensional drying case (prismatic specimens), the knowledge of measurements of mass loss and average longitudinal shrinkage in time allows us to predict the value of drying induced stresses in a cross section, taking hydric damage into account. A better estimate of stresses induced by drying is proposed.

Résumé

Le séchage endommage les structures en béton. Cela peut être caractérisé par des variations dans le temps des propriétés élastiques du matériau. Nous proposons dans cette étude une modélisation simplifiée de ce phénomène, facile à implanter, permettant aux ingénieurs de prédire la fissuration en tant qu'indicateur de durabilité et de modéliser le vieillissement du béton. Nous explicitons d'abord les hypothèses de base, et formulons l'existence d'un endommagement hydrique isotrope sous la forme d'une variable scalaire, proportionnelle à la baisse de teneur en eau. Les évolutions des endommagements hydrique et mécanique sont supposées indépendantes. Deux applications sont proposées. Pour le cas du séchage unidimensionnel (cylindres de béton), nous comparons la simulation dans le temps de l'évolution de la raideur adimensionnée à des résultats expérimentaux de compression uniaxiale. La réponse du modèle est en bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Pour le cas du séchage bidimensionnel (prismes), les mesures de perte en masse et de retrait de dessiccation dans le temps nous permettent de prédire les valeurs des contraintes hydriques sur une section en prenant en compte l'endommagement hydrique. Une meilleure estimation des contraintes induites par la dessiccation est proposée.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Similar content being viewed by others

References

  1. Wittmann, F. H., ‘Le séchage et le retrait de dessiccation du béton’, in ‘Expérimentation et Calcul en Génie Civil’, Proc. of EC97 (in French), Strasbourg, France, 1997, 15–26.

  2. Ba zant, Z. P. and Wittmann, F. H., ‘Creep and Shrinkage in Concrete Structures’, (J. Wiley and Sons, 1982).

  3. Acker, P., ‘Comportement mécanique du béton: apports de l'approche physico-chimique’, PhD Thesis of École Nationale des Ponts et Chaussées, Paris, Rapport de Recherche LPC, no 152, (1988).

  4. Khelidj, A., Loukili, A. et Bastian, G., ‘Étude expérimentale du couplage hydro-chimique dans les bétons en cours de maturation: influence sur les retraits’Mater. Struct. 31 (1998) 588–594.

    Article  Google Scholar 

  5. Sadouki, H. and Wittmann, F. H., ‘Shrinkage and internal damage induced by drying and endogenous drying’, in ‘Shrinkage of Concrete’, Proc. of Int. RILEM Workshop Shrinkage 2000, ed. by V. Baroghel-Bouny and P.-C. Aïtcin, Paris, 2000, 299–314.

  6. Bissonnette, B. et Pigeon, M., ‘Le comportement viscoélastique du béton en traction et la compatibilité déformationnelle des réparations’,Mater. Struct. 33 (2000) 108–118.

    Article  Google Scholar 

  7. Ba zant, Z. P. and Kim, J. K., ‘Consequences of diffusion theory for shrinkage of concrete’,Mater. Struct.,24 (1991) 323–326.

    Article  Google Scholar 

  8. Mainguy, M., ‘Modèles de diffusion non-linéaires en milieu poreux: applications à la dissolution et au séchage des matériaux cimentaires’, PhD Thesis of École Nationale des Ponts et Chaussées, Paris (1999).

  9. Ba zant, Z. P. and Raftschol, W. J., ‘Effect of cracking in drying and shrinkage specimens’,Cement and Concrete Research 12 (1982) 209–226.

    Article  Google Scholar 

  10. Hearn, N., ‘Effect of shrinkage and load-induced cracking on water permeability of concrete’,ACI Materials Journal 96 (1999) 234–241.

    Google Scholar 

  11. Sadouki, H. and Wittmann, F. H., ‘Numerical investigations on damage in cementitious composites under combined drying shrinkage and mechanical load’, in ‘Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures’, Proc. of Int. RILEM Conf. Framcos IV, ed. by R. de Borst, J. Mazars, G. Pijaudier-Cabot and J. G. M. van Mier, Paris, 2001, 95–98.

  12. Bisschop, J. and van Mier, J. G. M., ‘Meso-level mechanisms of drying shrinkage cracking in concrete’, Proc. of Int. RILEM Workshop on Fracture and durability, Post-Conference Workshop of Framcos IV, Cachan, France, June 2001.

  13. Burlion, N., Bourgeois, F. and Shao, J. F., ‘Coupling damage-drying shrinkage: experimental study and modelling’, in ‘Shrinkage of Concrete’, Proc. of Int. RILEM Workshop Shrinkage 2000, ed. by V. Baroghel-Bouny and P.-C. Aïtcin, Paris, 2000, 315–339.

  14. Gérard, B., ‘Vieillissement des structures de confinement en béton: modélisation des couplages chimico-mécaniques’, PhD Thesis of École Normale Supérieure de Cachan, France, 1996.

  15. Carde, C. and François, R., ‘Aging damage model of concrete behaviour during the leaching process’,Mater. Struct. 30 (1997) 465–472.

    Article  Google Scholar 

  16. Pijaudier-Cabot, G., Gérard, B., Burlion N. and Molez, L., ‘Localisation of damage in quasi-brittle materials and influence of chemically activated damage’, in ‘Material Instabilities in Solids’, ed. by R. de Borst and E. van der Giessen, (John Wiley & Sons Ltd., 1998), 441–456.

  17. Mazars, J., ‘Application de la mécanique de l'endommagement au comportement non linéaire et à la rupture du béton de structure’, PhD Thesis of Université Pierre et Marie Curie, Paris, 1984.

  18. Ba zant, Z. P., ‘Nonlinear water diffusion in nonsaturated concrete,Mater. Struct. 5 (1972) 3–20.

    Google Scholar 

  19. Beltzung, F., Wittmann, F. H. and Holzer, L., ‘Influence of composition of pore solution on drying shrinkage’, in ‘Creep, Shrinkage and Durability Mechanics of Concrete and other Quasi-Brittle Materials’, Proceedings of Int. Conf. CON-CREEP6@MIT, Ed. by F.-J. Ulm, Z. P. Ba zant and F. H. Wittmann, Boston, August 2001 39–48.

  20. Beddoe, R. E. and Lippok, R., ‘Hygral stress in hardened cement paste’,Mater. Struct. 32 (1999) 627–634.

    Article  Google Scholar 

  21. Coussy, O., Baroghel-Bouny, V., Dangla, P. et Mainguy, M., ‘Évaluation de la perméabilité à l'eau liquide des bétons à partir de leur perte en masse durant le séchage’, in ‘Transferts dans les bétons et durabilité des ouvrages’, Proc. of LCPC Workshop Transferts 2000, Paris, 2000.

  22. Baroghel-Bouny, V., ‘Caractérisation microstructurale et hydrique des pâtes de ciment et des bétons ordinaires et à très hautes performances’, PhD Thesis of École Nationale des Ponts et Chaussées, Paris, 1994.

  23. Mainguy, M., Coussy, O. and Baroghel-Bouny, V., ‘Role of air pressure in drying of weakly permeable materials’,ASCE J. Engng. Mech. 127 (6) (2001) 582–592.

    Article  Google Scholar 

  24. Coussy, O., ‘Mechanics of porous continua’, (J. Wiley & Sons, 1995).

  25. Pihlajavaara, S. E., ‘Estimation of drying of concrete at different relative humidities and temperatures of ambient air with special discussion about fundamental features of drying and shrinkage’, in ‘Creep and Shrinkage in Concrete Structures’, ed. by Z. P. Ba zant & F. H. Wittmann, (J. Wiley and Sons, 1982) 87–108.

  26. Colina, H. and Acker, P., ‘Drying cracks: kinematics and scale laws’,Mater. Struct. 33 (2001) 101–107.

    Article  Google Scholar 

  27. Lemaître, J. et Chaboche, J.-L., ‘Mécanique des matériaux solides’, (Dunod, Paris, 1988).

    Google Scholar 

  28. Nechnech, W., ‘Un modèle thermoplastique couplé à l'endommagement pour le béton sous chargements cycliques à hautes températures’, Proc. Forum des associations du Génie civil et urbain, Lyon, France, 2000, 423–430.

  29. Ragueneau, F., La Borderie, C. and Mazars, J., ‘Damage model for concrete like materials coupling cracking and friction, contribution towards structural damping: first uniaxial applications’,Int. J. of Cohesive Frictional Materials 5 (2000) 607–625.

    Article  Google Scholar 

  30. Ba zant, Z. P., Sener, S. and Kim, J. K., ‘Effect of cracking on drying permeability and diffusivity of concrete’ACI Materials Journal 86 (1986) 351–357.

    Google Scholar 

  31. Granger L., Torrenti J. M. et Diruy, M., ‘Simulation numérique du retrait du béton sous hygrométrie variable’,Bulletin de Liaison des Laboratoires des Ponts-et-Chaussées 190, réf. 3811 (1994) 57–64.

    Google Scholar 

  32. Bournazel, J. P., Mazars, J. et Moranville-Regourd, M., ‘Effets mécaniques dus à l'hydratation du ciment: modélisation thermodynamique’, in ‘Rapport Scientifique annuel du GRECO Géomatériaux’, (in French) (1990).

  33. Bodé, L., ‘Stratégies numériques pour la prévision de la ruine des structures du génie civil’, PhD Thesis of École Normale Supérieure de Cachan, France, 1994.

  34. Benboudjema, F., Heinfling, G., Meftah, F., Selleir, A. and Torrenti, J. M., ‘On the prediction of delayed strains for concrete subjected to drying and loading simultaneously’, in ‘Creep, Shrinkage and Durability mechanics of Concrete and other Quasi-Brittle Materials’, Proceedings of Int. Conf. CON-CREEP6@MIT, Eds by F.-J. Ulm, Z. P. Ba zant and F. H. Wittmann, Boston, August 2001, 245–250.

  35. Burlion, N., Bourgeois, F. and Shao, J. F., ‘Mechanical anisotropy induced by drying shrinkage: modeling and experiment’, in ‘Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures’, Proc. of Int. RILEM Conf. Framcos IV, ed. by R. de Borst, J. Mazars, G. Pijaudier-Cabot and J. G. M. van Mier, Paris, 2001, 511–518.

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Laboratory of Mechanics of Lille, EUDIL-USTL, Cité Scientifique, Bd. P. Langevin, 59 650, Villeneuve d'Ascq, France

    F. -X. Hubert, N. Burlion & J. -F. Shao

Authors
  1. F. -X. Hubert
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  2. N. Burlion
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

  3. J. -F. Shao
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Hubert, F.X., Burlion, N. & Shao, J.F. Drying of concrete: modelling of a hydric damage. Mat. Struct. 36, 12–21 (2003). https://doi.org/10.1007/BF02481566

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/BF02481566

Keywords

Search

Navigation