Modelling drying shrinkage of cement paste and mortar Part 1. Structural models from nanometres to millimetres

The nanostructure of calcium silicate hydrate (C-S-H) gel contributes to many physical properties of concrete, including the important engineering properties of creep and shrinkage. A set of structural models for this gel and computational techniques for their validation have been developed. The basic nanostructure of C-S-H is conceived as a self-similar agglomeration of spherical particles at two levels (diameters of 5 nm and 40 nm). Computational techniques are presented for simulating transmission electron microscopy images and computing sorption characteristics of the model nanostructures. Agreement with available experimental data is reasonable. The development of these nanostructural models is a first step in a multi-scale approach to computing the drying shrinkage of model cement-based materials. Such an approach will provide a better understanding of the relationships between microstructure and the shrinkage behaviour of these systems.ResumeBeaucoup de propriétés physiques du béton, y compris le fluage et le retrait à l'échelle macroscopique, dépendent de la structure à l'échelle nanométrique du gel formé par les hydrates de silicate de calcium (C-S-H). Une série de modèles structuraux du gel, ainsi que des simulations par ordinateur pour vérifier leur validité, ont été développés. La nanostructure de C-S-H est conçue comme une agglomération auto-similaire de particules sphériques à deux échelles: diamètres de 5 et 40 nm. Les techniques numériques sont développées pour simuler la transmission électronique à balayage ainsi que l'adsorption sur la structure modèle. Les simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux disponibles. Le développement de ces modèles structuraux à l'échelle nanométrique est une première étape vers une approche multi-échelle visant à simuler le retrait par séchage des matériaux à base de ciment. Une telle approche fournira une meilleure compréhension des relations qui existent entre la microstructure et le comportement au retrait de ces systèmes.