Investigation on the influence of fibre reinforcement on chloride induced corrosion of RC structures

Corrosion of reinforcement is the main cause of deterioration of RC structures located in marine environments or subjected to de-icing salts. In order to delay the ingress of chlorides, such structures require the use of thick, dense concrete covers and strict crack width limitations. Given the crack limiting effect provided by fibres, it would be of interest to incorporate fibre reinforcement to conventionally reinforced concrete structures. Nevertheless, whereas fibre reinforcement might delay the penetration of detrimental agents into the concrete through crack control, there are other aspects which need to be addressed to determine whether fibres can improve the overall durability of RC structures. Several experiments were conducted within the present project, parts of them still ongoing, to investigate some of these aspects, namely: (i) the effect of fibres on the diffusivity of uncracked concrete; (ii) whether fibres may affect the corrosion onset of rebars for any crack width; (iii) whether steel fibres, due to their conductive nature, might influence the resistivity and consequently the corrosion rate of embedded rebars; and (iv) whether there is a risk of galvanic corrosion between steel fibres and rebars. Obtained results from chloride migration and bulk diffusion tests showed that fibres had no significant influence on the diffusion coefficient of concrete. Results from experiments in which RC beams were subjected to different loading conditions and thereafter naturally corroded through exposure to highly concentrated salt solution, showed a trend for earlier corrosion initiation with increasing crack width. Concrete mixes incorporating fibres exhibited similar or delayed corrosion onset compared to their plain concrete counterparts. While resistivity of FRC was consistently lower than resistivity of plain concrete measured under AC at 1 kHz, corrosion rate measurements based on the galvanostatic pulse technique showed no clear correlation between the presence of fibres and the corrosion rate

Corrosion initiation in cracked fibre reinforced concrete: Influence of crack width, fibre type and loading conditions

This paper reports results from an ongoing project aimed at investigating the influence of fibre reinforcement on corrosion of rebar in chloride environments. Material tests showed that the resistivity of concrete decreased with the addition of fibres, whereas the chloride migration coefficient remained unaffected. Fibres at low dosages (<1.0% vol.) did not significantly affect the compressive and flexural strength of concrete but greatly enhanced its toughness. The results from corrosion tests showed a tendency of an earlier initiation of corrosion with increasing crack widths, while a small improvement was observed by the addition of fibres in terms of delayed corrosion initiation

Characterisation of bending cracks in R/FRC using image analysis

In this study, experiments were conducted to induce bending cracks of specific surface crack width to reinforced concrete beams made of plain concrete (RC) and reinforced concrete beams made of fibre reinforced concrete (R/FRC). After injecting and impregnating the cracks with dyed epoxy resin, image processing and analysis were employed to investigate the internal crack morphology. Several crack features including crack width (accumulated, effective and maximum), branching and tortuosity were defined and quantified. The results showed that in addition to arrested crack development, the presence of fibres yielded a distinctive change in the internal crack pattern, including increased branching and tortuosity, both of which have positive implications regarding concrete permeation. Likewise, specimens with fibres exhibited reduced maximum individual crack widths near the rebar, potentially increasing the ability of autogenous crack healing and reducing the risk of corrosion initiation

PREDICTING CHLORIDE INDUCED DEPASSIVIATION AND MINIMUM CONCRETE COVER WITH DIFFERENT BINDERS

Abstract Corrosion of steel reinforcement represents the major cause affecting durability of reinforced concrete structures in road and marine environments. To assure durability, standards attempt to provide specifications for long-term performance by simple deemed-to-satisfy rules for approximate environmental classification. This paper presents results from a study of modelling of chloride ingress in concrete with fly ash and ground granulated blast-furnace slag. Chloride threshold values for corrosion initiation are discussed. A physical model, ClinConc, was employed to calculate the chloride ingress profiles after exposure under marine (submerged) and road environments for 100 years. The model was validated using field data after exposure in the Swedish seawater for about 20 years. The results show that the addition of mineral additions in general increases the resistance of concrete to chloride ingress and allows smaller concrete cover thicknesses. However, one critical parameter is the chloride threshold value. In consideration of both the chloride resistance and the alkalinity, which influence the critical chloride threshold value, the concrete with mineral additions still reveals sufficient margin to allow a significantly lower chloride threshold for initiation of corrosion of reinforcement steel in concrete

Lattice Girder Elements in Bending: Pilot Experiment.

A test was conducted on two Lattice Girder Elements in order to evaluate the mechanical behaviour in bending. Lattice Girder Elements are used as permanent formwork in in-situ concrete construction. However, the present design method for the elements is based on empirical expressions and is believed to be over conservative and, most important, not sufficient to describe the mechanical behaviour. In the conducted test it was found that the peak-load was limited by buckling of the top chord in the lattice girder. Furthermore, cracking of the concrete started at a low load level (typical at 20 percent of the peak-load). However, the crack widths were small even at the peak-load. The suggested analytical method seems to be able to predict the behaviour rather well but the study indicates some parameters that are crucial and which need to be investigated further

Effektiva Betongkonstruktioner: Funktionella materialkrav

De viktigaste resultaten från projektet är: 1.Den nedbrytningsmekanism som huvudsakligen begränsar livslängden hos anläggningskonstruktioner är armeringskorrosion initierad av kloridinträngning. Vad gäller nedbrytning av frostangrepp finns det inget som tyder på att detta har begränsat livslängden hos dessa konstruktioner i någon större utsträckning. Armeringskorrosion initierad av karbonatisering är heller normalt inget problem för problem för anläggningskonstruktioner eftersom dessa är uppförda med betong som har låga vct. 2.Genomförda litteraturstudier och undersökningar i laboratorium visar att betong med tillsatsmaterial i de flesta fall får egenskaper som är likvärdiga eller bättre jämfört med motsvarande betong med enbart Portlandcement (CEM I). Vad gäller beständighet blir denna i många fall bättre för betong med tillsatsmaterial, t.ex. vad gäller motstånd mot kloridinträngning. Frostbeständigheten (salt-frost avskalning) blir vid låga mängder tillsatsmaterial (≤ 20 vikt-% av total bindemedelsmängd) likvärdig eller något sämre om inverkan av karbonatisering beaktas. Vid halter upp till 35 vikt-% (vilket motsvarar ett CEM II/B) blir frostbeständigheten något sämre, men klarar fortfarande god frostbeständighet enligt SS 137244. 3. Genomförda LCA visar att betong med tillsatsmaterial får lägre klimatpåverkan än motsvarande betong med enbart Portlandcement. Detta är både ett resultat av en lägre klimatpåverkan från betongsammansättning men också av en bättre beständighet vid användning av tillsatsmaterial (speciellt med avseende på konstruktioner exponerade för klorider). Det rekommenderas att de krav på betongsammansättningar och minsta erforderliga täckande betongskikt i olika exponeringsmiljöer som finns regelverk för anläggningskonstruktioner, främst SS 137003, EKS och AMA Anläggning ses över.Effektivare konstruktioner - krav på cement och beton

Beständighet hos anläggningskonstruktioner. Etapp II -Funktionella materialkrav, Betong med flygaska eller GGBS, Beständighetsegenskaper (delprojekt 1c)

I Sverige är de huvudsakliga nedbrytningsmekanismerna för armerade betongkonstruktioner i vägmiljö armeringskorrosion initierad av kloridinträngning samt frostangrepp med tösalter. Det kan också vara korrosion av karbonatisering och frost med sötvatten, i miljöer utan tösalter (längs järnvägar). Nedbrytningsmekanismerna är olika allvarliga för konstruktionens funktion, där vissa kan resultera i att konstruktionens bärförmåga reduceras (t.ex. armeringskorrosion av klorider) medan andra främst resulterar i problem av estetisk karaktär (t.ex. avflagning av frost). Med inblandning av tillsatsmaterial som flygaska och slagg (GGBS) ökar bl.a. betongens täthet. Detta verkar positivt för betongkonstruktioners beständighet, som exempelvis minskad kloridinträngning, men kan i vissa fall också ha en negativ påverkan såsom försämrad frostbeständighet vid karbonatisering eller ett något lägre kloridtröskelvärde. Ofta redovisas dessa positiva och negativa effekter separat, vilket gör det svårt att bedöma den samlade effekten på konstruktionens livslängd. En ytterligare faktor som bör beaktas är den från eventuella klimatförändringar, inte minst eftersom anläggningskonstruktioner ofta dimensioneras för över 100 år. Genom att göra livslängdbedömningar för betongkonstruktionen kan man få en bättre uppfattning om hur beständigheten påverkas av flygaska och GGBS. I denna bedömning ges möjlighet att analysera effekter från samtliga påverkande faktorer och dess variationer. Det finns idag farhågor kring frostbeständigheten hos betong med GGBS, då det har visat sig att karbonatiseringen hos slaggbetong kan ha en negativ inverkan på frostbeständigheten vid saltfrostangrepp1. Det verkar då finnas en viss krisrisk nivå på inblandningen av GGBS, uppgifter i nationell och internationell litteratur visar att saltfrostbeständigheten hos betong med mer än ca 30-40 vikt-% GGBS av bindemedlet försämras betydligt när betongen karbonatiserat på grund av att porsystemet förändras och blir grövre. Exakt var denna kritiska gräns med avseende på frostbeständighet ligger, är dock något oklar och behöver utredas ytterligare. Även för betong med flygaska så påverkas porsystemet av karbonatisering. Men för betong med flygaska är farhågorna mer inriktade på en försämrad frostresistens av att luftporbildande tillsatsmedel påverkas av vissa flygaskor. Det har visat sig att restkolet absorberar delar av luftporbildaren vilket resulterar i en minskad eller varierande lufthalt i betongen. Genom att använda flygaska som uppfyller kraven i SS-EN 450-1 (kategori A) minimeras eventuella problem av kompatibiliteten med luftporbildare. Även för flygaskecement (CEM II/A-V eller CEM II/B-V) kan luftporsystemet påverkas negativt och högre dosering av luftporbildare behövas. Syftet med denna rapport är att ta fram bättre underlag vid beslut om användningen av flygaska och/eller GGBS i betong till anläggningskonstruktioner. Målet är att hitta lämpliga doseringar (och k-faktorer), med fokus på GGBS och saltfrostangrepp. Resultaten är också tänkt att kunna användas för att ge förslag på hur nuvarande regelverk kan revideras för att bättre kunna utnyttja flygaska och/eller GGBS.Effektivare konstruktioner - krav på cement och beton

MATERIAL TESTING AND STRUCTURAL ANALYSIS OF FRC BEAMS - AFRACTURE MECHANICS APPROACH

Abstract The presented work has been focused on strain-softening FRC and the interrelationship between material properties and structural behaviour. The main purpose of this work was to establish a procedure for structural analysis of flexural members with a combination of steel fibres and conventional reinforcement. A systematic approach for material testing and structural analysis, based on fracture mechanics, has been used and this covers: (1) material testing; (2) inverse analysis; (3) adjustment of the s-w relationship for fibre efficiency; and (4) cross-sectional and structural analysis. The results suggest that the approach used for the material testing provides the necessary properties to perform analyses based on non-linear fracture mechanics. The structural behaviour could be predicted with good agreement with FEM using both bi-linear and multi-linear s-w relationships. When comparing the peak loads obtained in the experiments with the results from the analyses, the agreement was good, with a high correlation. This demonstrates the strength of the fracture-mechanics approach for material testing and structural analysis