Numerical simulation of self-consolidating concrete flow as homogeneous fluid(s) and heterogeneous material during pumping process

Abstract

Le pompage est l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour transporter le béton auto-plaçant (BAP). La prédiction de la baisse de pression de pompage est d'un intérêt particulier pour concevoir correctement les circuits de pompage et assurer un processus de pompage réussi compte tenu de l'application en cours. Cela est nécessaire pour répondre aux exigences de coulage, y compris le débit ciblé et l'homogénéité du béton respectivement pendant et après le pompage. Cette étude visait à prédire la pression requise pour pomper le BAP avec la caractérisation de la couche de lubrification formée près de la paroi du tuyau en utilisant des méthodes numériques. Bien que le processus de pompage du béton semble conceptuellement simple, le défi sous-jacent de la physique des matériaux est complexe et couvre une large gamme d'échelles de temps et de longueurs. Un autre défi vient de l'interaction entre la phase fluide et la diversité des tailles de particules dans le mélange de béton, ce qui résulte en différentes propriétés rhéologiques dans le béton à travers la section du tuyau. Cette étude a été menée en deux phases différentes et complémentaires. La phase 1 avait pour objectif principal de développer un modèle de calcul pour comprendre le circuit de pompage du béton en grandeur réelle. La perte de pression en fonction de la géométrie des tuyaux, des propriétés rhéologiques du béton et des caractéristiques d'écoulement de la couche de lubrification sont présentées et discutées. La méthode de dynamique des fluides computationnelle (CFD) a été utilisée pour prédire la pompabilité du béton et évaluer l'importance des paramètres d'influence, y compris les caractéristiques de la phase en suspension (c'est-à-dire le squelette granulaire), les propriétés rhéologiques de la matrice de pâte de ciment/mortier en suspension et les nombres de Reynolds de l'écoulement et des particules solides. Deux nouveaux modèles ont été introduits pour prédire la pompabilité des mélanges de béton et la caractérisation de la couche de lubrification et des zones de bouchage. De plus, une revue complète de la littérature sur les méthodologies numériques utilisées pour modéliser l'écoulement des tuyaux en béton a été effectuée, avec une comparaison des avantages et des inconvénients de ces différentes approches. En outre, des solutions potentielles ont été présentées pour les méthodes numériques les plus efficaces et les plus fiables pour prédire l'écoulement de béton dans des tuyaux. Les modèles informatiques basés sur la méthode des éléments discrets (DEM) et le couplage CFD-DEM ont été développés lors de la Phase 2. La migration de particules induite par cisaillement (SIPM), principal phénomène physique conduisant à la formation de la couche de lubrification, a été également étudiée. En conséquence, l'effet couplé de la distribution de taille des particules (PSD), de la concentration et du diamètre moyen des particules en tant que paramètres d'influence sur la couche limite, le SIPM et les hétérogénéités rhéologiques à travers le tuyau ont été étudié. Outre l'évaluation des paramètres d'influence sur la migration des particules, cette étude à plusieurs échelles a permis de proposer une bonne estimation de l'épaisseur de la couche de lubrification ainsi que des propriétés rhéologiques, y compris sa viscosité et son seuil d'écoulement Abstract: Pumping is one of the most commonly used methods to transport self-consolidating concrete (SCC). The prediction of pumping pressure drop is of particular interest to properly design the pumping circuits for successful pumping process given the application on hand. This is necessary to fulfil the targeted flow rate and ensure homogeneity of concrete during and after pumping, respectively. During the pumping process, a thin layer of highly fluid fine mortar enriched with high volume of cement paste and fine particles, namely lubrication layer (LL), is formed in vicinity of the pipe walls. It is revealed in literature that concrete pumpability is significantly controlled by the LL characteristics, in terms of thickness and flow properties, as well as the rheological properties of the bulk concrete (BC). This study firstly aims to predict the pressure required to pump SCC and to characterize the LL in large-scale pipelines using computational fluid dynamics (CFD). Although the concrete pumping process seems conceptually simple, the challenge underlying material physics is complex and covers a broad range of time and length scales. Another challenge comes from the interaction between suspending fluid phase (mortar) and diversity of particle sizes (aggregate) in concrete matrix, causing heterogeneous rheological behavior across the pipe section, and formation of the LL. The main mechanisms of LL formation, including the shear-induced particle migration (SIPM) and wall effects, were also simulated using multiphasic simulation techniques, including discrete element method (DEM) and coupled CFD-DEM. First, a comprehensive literature review on numerical methodologies used to model concrete pipe flow as well as their advantages and disadvantages was presented. In addition, potential solutions were introduced to predict concrete pipe flow given an application on hand in reasonable time and precision. This study was conducted in two complementary phases. The Phase 1 included developing computational models to predict the pressure loss in a full-scale concrete pumping circuit, as a function of the pipes’ geometry, rheological properties of BC, and the LL characteristics. Two novel tri-viscous models were developed to simulate the presence of the LL and BC as a homogeneous fluid with variable rheological properties across the pipe, corresponding to the BC and LL, using OpenForam software. In the second phase, the main mechanisms of LL formation, including the wall effect and SIPM, were simulated using DEM and coupled CFD-DEM approaches. The pipe flow of concrete was simulated as a biphasic suspension to evaluate the coupled effect of characteristics of the suspended particles (i.e., granular skeleton) and the suspending cement paste/mortar matrix. The interaction of the suspended particles and suspending fine mortar was simulated by considering the collision of particles with different particle-size distributions (PSD) and concentrations (and pipe wall), as well as the suspending fluid’s drag force. A multiscale soft-sphere discrete element method (DEM) and its four-way CFD-DEM coupling were employed in Phase 2 to simulate the rheological heterogeneity across the pipe and formation of the LL. Accordingly, the coupled effect of PSD, concentration, and mean diameter of particles, as well as the rheological properties of the suspending fluid and flow Reynolds number on wall effect, SIPM, and rheological heterogeneities across the pipe was evaluated. The LL of the investigated mixtures were eventually characterized in terms of the thickness and rheological properties.