Meso-level analysis of moisture flow in cement composites using a lattice-type approach

Abstract

In this paper, a simple flow model for stimulating mass or heat transfer in heterogeneous materials like concrete is presented. The material is discretized as a regular triangular lattice. The lattice elements are considered as conductive “pipes”. A generated particle structure of concrete is projected on the lattice, where-after different properties are assigned to “pipes” falling in different phases of the composite. Drying of a two-phase composite was analyzed. It is assumed that all mass or heat transfer can be described by means of a single diffusion equation. The comparison with finite element computations is found to be very satisfactory. A parameter analysis has been carried out, showing the effective transport properties of the composite as a function of geometrical or physical properties of the different phases in the heterogeneous material. In particular, the model has been used to study the effect of the permeability of the interfacial transition zone and the effect of using non-saturated porous aggregates on the moisture flow in concrete.

Résumé

Dans cet article, nous présentons un modèle-réseau pour simuler le transfert de masse ou de chaleur dans des matériaux hétérogènes tel le béton. Un matériau composite est représenté par un réseau régulier de triangles équilatéraux. Le côté de chaque triangle est considéré comme étant un «tuyau” conducteur. Une structure réaliste de ce matériau est générée et projetée sur le réseau; on peut identifier ensuite les «tuyaux» appartenant aux différentes phases composant le matériau réel et leur assigner leurs propres caractéristiques physiques. Le processus de séchage d'une structure composite binaire a été ainsi analysé. Il a été supposé que tout transfert de masse ou de chaleur dans chaque phase est régi par une seule équation de la diffusion. La comparaison avec les calculs par la méthode des éléments finis s'avère être très satisfaisante. Une analyse paramétrique a été réalisée qui montre les coefficients de transferts effectifs du composite en fonction des propriétés géométriques et physiques des différentes phases du matériau hétérogène. En particulier, ce modèle a été utilisé pour étudier l'influence sur la diffusion hydrique d'un béton, de la perméabilité de la zone de transition interfaciale et l'utilisation des granulats poreux non-saturés.