Drying, moisture distribution, and shrinkage of cement-based materials

Abstract

The aim of this study was to develop a new method to determine hygral diffusion, film, and shrinkage coefficients of cement-based materials. These coeffcients are required for the numerical simulation of shrinkage strain and total deformation of concrete elements and structures using the finite element method. Both an experimental approach to determine the time-dependent relative humidity in the pore system of concrete and a numerical method to determine material coefficients on the basis of experimental data are described in this paper. The hygral diffusion coefficient can be expressed as function of moisture content and as function of relative humidity.

An experiment is carried out with sliced specimens measuring 150×100×3 mm. Each specimen is prepared by piling up 11 slices and sealing the outer surfaces with aluminum sheet. The distribution of relative humidity is estimated by measuring the shrinkage strain on each slice at arbitrary drying times. An inverse analysis is then used to obtain the diffusion coefficient from the measured relative humidity distribution. A numerical approach based on the weighted residual method and on a nonlinear least squares method is proposed on the basis of the experimental results.

Résumé

L'objectif de cette étude était de développer une nouvelle méthode visant à déterminer les coefficients de diffusion hygrométrique, de pellicule et de retrait de matériaux à base de ciment. Ces coefficients sont nécessaires dans la simulation numérique de la force de retrait et de la déformation totale des éléments bétonnés et des ouvrages en utilisant la méthode de l'élément fini. Aussi bien l'approche expérimentale de détermination de la distribution de l'humidité relative dépendante du temps dans le système des pores du béton, que l'approache numérique de détermination des coefficients de matériaux sur la base des données expérimentales seront décrites dans cet article. Le coefficient de diffusion hygrométrique peut être exprimé à la fois comme fonction de la teneur en humidité et comme fonction de l'humidité relative.

Une expérience a été conduite à l'aide d'échantillons en tranches fines mesurant 150×100×3 mm. Chaque échantillon a été préparé en empilant 11 tranches, scellées sur les bords par une feuille d'aluminium. La distribution de l'humidité relative a été calculée en mesurant la force de retrait pour chaque tranche à des temps de séchage arbitraires. Une contre-analyse a été ensuite utilisée pour obtenir les coefficients de diffusion à partir d'une mesure de la distribution de l'humidité relative. Une approache numérique fondée sur une méthode de pesée résiduelle et sur la méthode des moindres carrés non linéaires a été ensuite proposée sur la base des résultats expérimentaux.