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Abstract

Concrete is the most common building material. New admixtures are continuously developed to improve desired traits. However, testing is expensive and many experiments take decades. Numerical modeling is a crucial tool for estimating the qualities of the concrete from accelerated experiments. Our models simulate a two-phase flow of water and air in a porous medium (concrete), the transport of chemicals present in one or both phases, and chemical reactions that can affect porosity. The first model represents the laboratory experiment on accelerated carbonation of the concrete. The second model encompasses three scenarios from the SiTraM benchmark [Hoo+24]. The model equations form a coupled system of partial differential equations, ordinary differential equations, and algebraic equations. The system is discretized using the finite volume method. Special attention is paid to parts where the system is nonlinear or degenerate. The program is implemented in the simulation framework DUNE. The results of this work are of numerical character. In the first model, we add a projection step into the nonlinear solver (Newton or RASPEN) to address the convergence issues caused by the strong reaction terms. In the second model, we use complementarity constraints to deal with the phase disappearance.

Translation of abstract (German)

Beton ist das am häufigsten verwendete Baumaterial. Ständig werden neue Zusatzstoffe entwickelt, um die gewünschten Eigenschaften zu verbessern. Tests sind teuer und Langzeitversuche können so lange dauern, dass es keine Option ist, zu warten, bis sie abgeschlossen sind. Die numerische Modellierung ist ein wichtiges Instrument zur Einschätzung der Betonqualitäten anhand kürzerer Versuche. Unsere Modelle simulieren den Zweiphasenfluss von Wasser und Luft im porösen Medium (Beton), den Transport von Chemikalien in einer oder beiden Phasen und chemische Reaktionen. Chemische Reaktionen können die Porosität beeinflussen. Das erste Modell stellt das Laborexperiment zur beschleunigten Karbonatisierung des Betons dar. Das zweite Modell umfasst drei Szenarien aus dem SiTraM- Benchmark [Hoo+24]. Die Modellgleichungen bilden ein gekoppeltes System aus partiellen Differentialgleichungen, gewöhnlichen Differentialgleichungen und algebraischen Gleichungen. Das System wird mit der Finite-Volumen-Methode diskretisiert. Besonderes Augenmerk wird auf Teile gelegt, in denen das System nichtlinear oder entartet ist. Das Programm wird im Simulationsframework DUNE implementiert. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind numerischer Natur. Im ersten Modell fügen wir dem nichtlinearen Löser (Newton oder RASPEN) einen Projektionsschritt hinzu, um die Konvergenzprobleme zu lösen, die durch die starken Reaktionsterme verursacht werden. Im zweiten Modell verwenden wir Komplementaritätsbedingungen, um mit dem Verschwinden einzelner Phasen umzugehen.