Thermochemomechanische SPH Simulation von Zementverpressung

Natürliche Materialien wie z.B. Holz, Stein und Boden besitzen einen jeweils materialspezifischen Porenraum, dessen Eigenschaften sich direkt aus der Entstehungsgeschichte des Materials ableiten. In der Tat bestimmen diese Eigenschaften das makroskopische Verhalten dieser Materialien. Zum einen ergibt ein größerer Porenraum ein niedriges Gewicht und verbessert z.B. den Wärmedurchgangswiderstand und die Permeabilität. Zum anderen werden die mechanischen Eigenschaften wie Steifigkeit und Festigkeit reduziert. Eine Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von porösen Materialien ist die Injektion von verfestigenden Fluiden, wie z.B. Zementsuspension im Fall der Bodenvermörtelung. Die Eigenschaften des so verfestigten Materials (in seiner Abmessung sowie im mechanischen Verhalten) hängen im starken Maß vom angelegten Druck und der Fluid- und Porenraumeigenschaften ab. Demzufolge sollte bei der Modellbildung und Simulation des Injektionsprozesses im Zuge z.B. der Bodenvermörtelung detaillierte Information (i) zum Porenraum und (ii) zum reaktiven Fluid sowie der Effekt des Reaktionsfortschritts und der Temperatur auf die Viskosität des Fluids berücksichtigt werden. Im Rahmen des gegenständlichen Projekts sollen diese beiden oben genannten Aspekte der Modellbildung und Simulation durch die Berücksichtigung von chemischen Reaktionen, des Wärmeflusses und des Transports von Fluiden mit veränderlichen Eigenschaften im Rahmen der smoothed particle hydrodynamics (SPH) Methode behandelt werden. Im konkreten Fall soll die Entwicklung der Eigenschaften der Zementsuspension als Funktion des Reaktionsfortschritts und der Temperatur abgebildet werden, wobei das Fundament der geplanten Modellbildung und Simulation eine umfassende experimentelle Charakterisierung der geometrischen Eigenschaften des Porenraums sowie der thermo-chemo-mechanischen Eigenschaften des reaktiven Fluids bildet. Für die Charakterisierung des Porenraums sollen hochauflösende Computertomographie (CT) Aufnahmen von ausgewählten Materialien dienen, welche in weiterer Folge mittels topological data analysis (DTA) die Bestimmung sogenannter persistence bar-codes (dem Fingerabdruck) des Porenraums erlauben. Für die simulationsbasierte Studie des Injektionsprozesses werden verschiedene Porenräume generiert, wobei sich jede Realisierung durch den selben persistence bar-code auszeichnet. Durch die Variation des Porenraums sowie anderer Parameter wie Injektionsdruck, thermische Randbedingungen und Materialeigenschaften soll ein besseres Verständnis zum Mechanismus des Transports von reaktiven Fluiden und schlussendlich grundlegende Zusammenhänge zwischen Porenraumeigenschaften und dem Injektionsverhalten gewonnen werden. Der simulationsbasierte Ansatz soll durch den Vergleich der numerisch erhaltenen Ergebnisse mit Ergebnissen von Injektionsexperimenten für zwei ausgewählte Materialien (granulares Material und kohäsives Material mit zusammenhängendem Porenraum) validiert werden. Im Zuge des Validierungsprozesses sollen die chemische Reaktion und die Fließeigenschaften der Zementsuspension sowie die entsprechenden persistence bar-codes der untersuchten Materialien als Eingangsgrößen für die Generierung verschiedener Porenräume sowie die Simulationen dienen.

Röntgenmikroskopie und Porenraum-Feststoff Analyse Im Rahmen des Projektes wurden verschiedenste Material mit einem am NanoLab der Universität Innsbruck verfügbaren Röntgenmikroskop untersucht. Das Spektrum der Materialien umfasste verschiedene poröse Materialien, aber auch zusätzlich granulare und keramische Materialien, um in weiterer Folge einen breiten Fundus an Porenräumen für darauf aufbauende topologische Datenanalysen zu schaffen. Für die Charakterisierung des Porenraum bzw. der räumlichen Verteilung der Feststoffphasen wurde im Rahmen des Projekts ein Python-basiertes Tool entwickelt. Zusätzlich zu den Pixel-basierten Daten aus der Röntgenmikroskopie wurden numerische Methoden zur Generierung virtueller Porenräume implementiert. Letztere bedienten sich hierbei sogenannten "Annealing" sowie "Machine Learning" Algorithmen. Ein essentieller Bestandteil dieses Programms ist die Segmentierung und sohin die Unterscheidung der verschiedenen Materialphasen. Hier wurde im Rahmen des Projekts ein neuartiger Algorithmus, welcher sich der Verteilung des Intensitätsgradienten bedient entwickelt. Erweiterung der SPH Methode Im Rahmen des Projekts wurde ein hauseigenes SPH Programm mittels C++ entwickelt, welcher hinsichtlich der Berücksichtigung des Fluid-Feststoff Kontaktwinkels, der Fluid-Fluid Grenzfläche sowie der Berücksichtigung gekoppelter Phänomene, wie sie sich beim Wärmetransport und bei chemischen Reaktionen ergeben, erweitert wurde. Hierfür wurde die "Moving Least Squares" (MLS) Korrektur auf die SPH Methode angewandt, welche etwaige Unregelmäßigkeiten aufgrund der Partikeldiskretisierung ausgleicht. So können fehlende Partikel am Rand des Simulationsbereichs ausgeglichen sowie Polynome können exakt reproduziert werden. Dadurch verbessert sich die Genauigkeit und Konvergenz der Methode. In Hinblick auf die Simulation gekoppelter Systeme ermöglicht die implementierte MLS Korrektur die Anwendung von - aus der FEM bekannten - Stabilisierungsmethoden, da Ableitungen - im Gegensatz zur konventionellen SPH - einheitlich aus der Funktionsapproximation ermittelt werden können. Biokohlebeton als Vierphasenmaterialsystem Schlussendlich wurde ein Vierphasenmaterialsystem, bestehend aus Zuschlag, Zementstein, Biokohle und Luft, untersucht. Die beschriebenen Phasen zeigen hierbei eine Dichteunterschied, welche die Segmentierung der Phasen ermöglicht. Zudem kann durch eine Temperaturerwärmung der Biokohleanteil reduziert werden, wodurch sich der Porenraum und sohin auch die Permeabilität erhöht. Im Rahmen des Projekts wurde durch die gezielte Beigabe von Biokohle (2,5 bis 10 Gew. %) und die daran anschließende thermische Belastung (bis 450 C) Probenmaterial mit variabler Porosität/Permeabilität erzeugt werden. Für dieses Probenmaterial wurden sowohl CT Messungen zur Erfassung der Mikro- und Porenstruktur sowie mechanische Untersuchungen und Permeabilitätsmessungen (Luftpermeabilität) durchgeführt.