Experimental and numerical study of cracking of concrete due to reinforcement corrosion

La corrosión del acero es una de las patologías más importantes que afectan a las estructuras de hormigón armado que están expuestas a ambientes marinos o al ataque de sales fundentes. Cuando se produce corrosión, se genera una capa de óxido alrededor de la superficie de las armaduras, que ocupa un volumen mayor que el acero inicial; como consecuencia, el óxido ejerce presiones internas en el hormigón circundante, que lleva a la fisuración y, ocasionalmente, al desprendimiento del recubrimiento de hormigón. Durante los últimos años, numerosos estudios han contribuido a ampliar el conocimiento sobre el proceso de fisuración; sin embargo, aún existen muchas incertidumbres respecto al comportamiento mecánico de la capa de óxido, que es fundamental para predecir la fisuración. Por ello, en esta tesis se ha desarrollado y aplicado una metodología, para mejorar el conocimiento respecto al comportamiento del sistema acero-óxido-hormigón, combinando experimentos y simulaciones numéricas. Se han realizado ensayos de corrosión acelerada en condiciones de laboratorio, utilizando la técnica de corriente impresa. Con el objetivo de obtener información cercana a la capa de acero, como muestras se seleccionaron prismas de hormigón con un tubo de acero liso como armadura, que se diseñaron para conseguir la formación de una única fisura principal en el recubrimiento. Durante los ensayos, las muestras se equiparon con instrumentos especialmente diseñados para medir la variación de diámetro y volumen interior de los tubos, y se midió la apertura de la fisura principal utilizando un extensómetro comercial, adaptado a la geometría de las muestras. Las condiciones de contorno se diseñaron cuidadosamente para que los campos de corriente y deformación fuesen planos durante los ensayos, resultando en corrosión uniforme a lo largo del tubo, para poder reproducir los ensayos en simulaciones numéricas. Se ensayaron series con varias densidades de corriente y varias profundidades de corrosión. De manera complementaria, el comportamiento en fractura del hormigón se caracterizó en ensayos independientes, y se midió la pérdida gravimétrica de los tubos siguiendo procedimientos estándar. En todos los ensayos, la fisura principal creció muy despacio durante las primeras micras de profundidad de corrosión, pero después de una cierta profundidad crítica, la fisura se desarrolló completamente, con un aumento rápido de su apertura; la densidad de corriente influye en la profundidad de corrosión crítica. Las variaciones de diámetro interior y de volumen interior de los tubos mostraron tendencias diferentes entre sí, lo que indica que la deformación del tubo no fue uniforme. Después de la corrosión acelerada, las muestras se cortaron en rebanadas, que se utilizaron en ensayos post-corrosión. El patrón de fisuración se estudió a lo largo del tubo, en rebanadas que se impregnaron en vacío con resina y fluoresceína para mejorar la visibilidad de las fisuras bajo luz ultravioleta, y se estudió la presencia de óxido dentro de las grietas. En todas las muestras, se formó una fisura principal en el recubrimiento, infiltrada con óxido, y varias fisuras secundarias finas alrededor del tubo; el número de fisuras varió con la profundidad de corrosión de las muestras. Para muestras con la misma corrosión, el número de fisuras y su posición fue diferente entre muestras y entre secciones de una misma muestra, debido a la heterogeneidad del hormigón. Finalmente, se investigó la adherencia entre el acero y el hormigón, utilizando un dispositivo diseñado para empujar el tubo en el hormigón. Las curvas de tensión frente a desplazamiento del tubo presentaron un pico marcado, seguido de un descenso constante; la profundidad de corrosión y la apertura de fisura de las muestras influyeron notablemente en la tensión residual del ensayo. Para simular la fisuración del hormigón causada por la corrosión de las armaduras, se programó un modelo numérico. Éste combina elementos finitos con fisura embebida adaptable que reproducen la fractura del hormigón conforme al modelo de fisura cohesiva estándar, y elementos de interfaz llamados elementos junta expansiva, que se programaron específicamente para reproducir la expansión volumétrica del óxido y que incorporan su comportamiento mecánico. En el elemento junta expansiva se implementó un fenómeno de despegue, concretamente de deslizamiento y separación, que resultó fundamental para obtener localización de fisuras adecuada, y que se consiguió con una fuerte reducción de la rigidez tangencial y la rigidez en tracción del óxido. Con este modelo, se realizaron simulaciones de los ensayos, utilizando modelos bidimensionales de las muestras con elementos finitos. Como datos para el comportamiento en fractura del hormigón, se utilizaron las propiedades determinadas en experimentos. Para el óxido, inicialmente se supuso un comportamiento fluido, con deslizamiento y separación casi perfectos. Después, se realizó un ajuste de los parámetros del elemento junta expansiva para reproducir los resultados experimentales. Se observó que variaciones en la rigidez normal del óxido apenas afectaban a los resultados, y que los demás parámetros apenas afectaban a la apertura de fisura; sin embargo, la deformación del tubo resultó ser muy sensible a variaciones en los parámetros del óxido, debido a la flexibilidad de la pared de los tubos, lo que resultó fundamental para determinar indirectamente los valores de los parámetros constitutivos del óxido. Finalmente, se realizaron simulaciones definitivas de los ensayos. El modelo reprodujo la profundidad de corrosión crítica y el comportamiento final de las curvas experimentales; se comprobó que la variación de diámetro interior de los tubos está fuertemente influenciada por su posición relativa respecto a la fisura principal, en concordancia con los resultados experimentales. De la comparación de los resultados experimentales y numéricos, se pudo extraer información sobre las propiedades del óxido que de otra manera no habría podido obtenerse. Corrosion of steel is one of the main pathologies affecting reinforced concrete structures exposed to marine environments or to molten salt. When corrosion occurs, an oxide layer develops around the reinforcement surface, which occupies a greater volume than the initial steel; thus, it induces internal pressure on the surrounding concrete that leads to cracking and, eventually, to full-spalling of the concrete cover. During the last years much effort has been devoted to understand the process of cracking; however, there is still a lack of knowledge regarding the mechanical behavior of the oxide layer, which is essential in the prediction of cracking. Thus, a methodology has been developed and applied in this thesis to gain further understanding of the behavior of the steel-oxide-concrete system, combining experiments and numerical simulations. Accelerated corrosion tests were carried out in laboratory conditions, using the impressed current technique. To get experimental information close to the oxide layer, concrete prisms with a smooth steel tube as reinforcement were selected as specimens, which were designed to get a single main crack across the cover. During the tests, the specimens were equipped with instruments that were specially designed to measure the variation of inner diameter and volume of the tubes, and the width of the main crack was recorded using a commercial extensometer that was adapted to the geometry of the specimens. The boundary conditions were carefully designed so that plane current and strain fields were expected during the tests, resulting in nearly uniform corrosion along the length of the tube, so that the tests could be reproduced in numerical simulations. Series of tests were carried out with various current densities and corrosion depths. Complementarily, the fracture behavior of concrete was characterized in independent tests, and the gravimetric loss of the steel tubes was determined by standard means. In all the tests, the main crack grew very slowly during the first microns of corrosion depth, but after a critical corrosion depth it fully developed and opened faster; the current density influenced the critical corrosion depth. The variation of inner diameter and inner volume of the tubes had different trends, which indicates that the deformation of the tube was not uniform. After accelerated corrosion, the specimens were cut into slices, which were used in post-corrosion tests. The pattern of cracking along the reinforcement was investigated in slices that were impregnated under vacuum with resin containing fluorescein to enhance the visibility of cracks under ultraviolet lightening and a study was carried out to assess the presence of oxide into the cracks. In all the specimens, a main crack developed through the concrete cover, which was infiltrated with oxide, and several thin secondary cracks around the reinforcement; the number of cracks diminished with the corrosion depth of the specimen. For specimens with the same corrosion, the number of cracks and their position varied from one specimen to another and between cross-sections of a given specimen, due to the heterogeneity of concrete. Finally, the bond between the steel and the concrete was investigated, using a device designed to push the tubes of steel in the concrete. The curves of stress versus displacement of the tube presented a marked peak, followed by a steady descent, with notably influence of the corrosion depth and the crack width on the residual stress. To simulate cracking of concrete due to corrosion of the reinforcement, a numerical model was implemented. It combines finite elements with an embedded adaptable crack that reproduces cracking of concrete according to the basic cohesive model, and interface elements so-called expansive joint elements, which were specially designed to reproduce the volumetric expansion of oxide and incorporate its mechanical behavior. In the expansive joint element, a debonding effect was implemented consisting of sliding and separation, which was proved to be essential to achieve proper localization of cracks, and was achieved by strongly reducing the shear and the tensile stiffnesses of the oxide. With that model, simulations of the accelerated corrosion tests were carried out on 2- dimensional finite element models of the specimens. For the fracture behavior of concrete, the properties experimentally determined were used as input. For the oxide, initially a fluidlike behavior was assumed with nearly perfect sliding and separation; then the parameters of the expansive joint element were modified to fit the experimental results. Changes in the bulk modulus of the oxide barely affected the results and changes in the remaining parameters had a moderate effect on the predicted crack width; however, the deformation of the tube was very sensitive to variations in the parameters of oxide, due to the flexibility of the tube wall, which was crucial for indirect determination of the constitutive parameters of oxide. Finally, definitive simulations of the tests were carried out. The model reproduced the critical corrosion depth and the final behavior of the experimental curves; it was assessed that the variation of inner diameter of the tubes is highly influenced by its relative position with respect to the main crack, in accordance with the experimental observations. From the comparison of the experimental and numerical results, some properties of the mechanical behavior of the oxide were disclosed that otherwise could not have been measured.

Parametric study of the expansive joint model for cracking of concrete due to rebar corrosion

Un modelo numérico llamado elemento junta expansiva fue programado para simular la expansión mecánica del óxido y estudiar la fisuración en el hormigón circundante. El elemento junta expansiva trabaja con elementos finitos con fisura cohesiva embebida adaptable para simular la fractura del hormigón según el modelo de fisura cohesiva. Se ha comprobado que el modelo reproduce correctamente el patrón de fisuración del hormigón que se obtiene en ensayos de corrosión acelerada. En este trabajo, se realiza un estudio paramétrico del elemento junta expansiva para establecer los límites de los parámetros constitutivos del óxido. Se simula una cierta expansión variando los valores de los parámetros del óxido y se estudian la apertura de fisura y las tensiones resultantes en el hormigón. Se determina el rango de valores para los que los resultados de las simulaciones son prácticamente iguales, con el menor número posible de iteraciones.

Modelling of corrosion-induced cover cracking in reinforced concrete by an embedded cohesive crack finite element

Corrosion of a reinforcement bar leads to expansive pressure on the surrounding concrete that provokes internal cracking and, eventually, spalling and delamination. Here, an embedded cohesive crack 2D finite element is applied for simulating the cracking process. In addition, four simplified analytical models are introduced for comparative purposes. Under some assumptions about rust properties, corrosion rate, and particularly, the accommodation of oxide products within the open cracks generated in the process, the proposed FE model is able to estimate time to surface cracking quite accurately. Moreover, emerging cracking patterns are in reasonably good agreement with expectations. As a practical case, a prototype application of the model to an actual bridge deck is reported.

An experimental and numerical study of the pattern of cracking of concrete due to steel reinforcement corrosion

In this work, cracking of concrete due to steel reinforcement corrosion is experimentally and numerically studied. The tests combined accelerated corrosion—to generate the cracks—with impregnation under vacuum with resin containing fluorescein—to enhance their visibility under ultraviolet light. In parallel, a model—called expansive joint element—was developed to simulate the expansion of the oxide and finite elements with an embedded adaptable cohesive crack were used to describe concrete cracking. The results show that a good agreement exists between the experimental and numerical crack patterns, which constitutes promising progress towards a comprehensive understanding of corrosion-induced cracking in reinforced concrete.

Cover cracking of the reinforced concrete due to rebar corrosion induced by chloride penetration

This paper is focused on the problem of the chloride-induced corrosion of the rebar in reinforced concrete, with special application to the slabs and decks of the bridges. High superficial concentrations may be usual in these structures (marine environments or de-icing salts in roadway bridges, e.g.). Like any aggressive agent such as water, gases or other dissolved ions, chloride induced deterioration is very conditioned by possibilities of transport through concrete mass.

Cover cracking of reinforced concrete due to rebar corrosión induced by chloride penetration

Este artículo estudia el proceso de fisuración del hormigón por corrosión de la armadura. Se presenta un modelo de transporte de cloruros en el hormigón, que contempla la no-linealidad de los coeficientes de difusión, las isotermas de absorción y el fenómeno de convección. A partir de los resultados de penetración de cloruros, se establece la corrosión de la armadura con la consiguiente expansión radial. La fisuración del hormigón se estudia con un modelo de fisura embebida. Los dos modelos (iniciación y propagación) se incorporan en un programa de elementos finitos. El modelo se contrasta con resultados experimentales, obteniéndose un buen ajuste. Una de las dificultades es establecer el umbral de concentración de cloruros que da lugar al inicio de la corrosión de la armadura.This paper is focused on the chloride-induced corrosion of the rebar in RC. A comprehensive model for the chloride ingress into concrete is presented, with special attention to non-linear diffusion coefficients, chloride binding isotherms and convection phenomena. Based on the results of chloride diffusion, subsequent active corrosion is assumed and the radial expansion of the corroded reinforcement reproduced. For cracking simulation, the Strong Discontinuity Approach is applied. Both models (initiation and propagation corrosion stages) are incorporated in the same finite element program and chained. Comparisons with experimental results are carried out, with reasonably good agreements being obtained, especially for cracking patterns. Major limitations refer to difficulties to establish precise levels of basic data such as the chloride ion content at concrete surface, the chloride threshold concentration that triggers active corrosion, the rate of oxide production or the rust mechanical properties.

Effect of Stress Level on the High Temperature Deformation and Fracture Mechanisms of Ti-45Al-2Nb-2Mn-0.8 vol. pct TiB2: An In Situ Experimental Study

The effect of the applied stress on the deformation and crack nucleation and propagation mechanisms of a c-TiAl intermetallic alloy (Ti-45Al-2Nb-2Mn (at. pct)-0.8 vol. pct TiB2) was examined by means of in situ tensile (constant strain rate) and tensile-creep (constant load) experiments performed at 973 K (700 �C) using a scanning electron microscope. Colony boundary cracking developed during the secondary stage in creep tests at 300 and 400 MPa and during the tertiary stage of the creep tests performed at higher stresses. Colony boundary cracking was also observed in the constant strain rate tensile test. Interlamellar ledges were only found during the tensile-creep tests at high stresses (r>400 MPa) and during the constant strain rate tensile test. Quantitative measurements of the nature of the crack propagation path along secondary cracks and along the primary crack indicated that colony boundaries were preferential sites for crack propagation under all the conditions investigated. The frequency of interlamellar cracking increased with stress, but this fracture mechanism was always of secondary importance. Translamellar cracking was only observed along the primary crack.

Estudio de la adherencia de armaduras corroídas y su influencia en la capacidad resistente de elementos de hormigón armado

La verificación de la seguridad estructural, tanto de estructuras que permitan un cierto grado de deterioro en su dimensionado como de estructuras existentes deterioradas, necesita disponer de modelos de resistencia que tengan en cuenta los efectos del deterioro. En el caso de la corrosión de las armaduras en las estructuras de hormigón armado, la resistencia depende de múltiples factores tales como la sección del acero corroído, el diagrama tensión-deformación del acero corroído, la adherencia hormigón-acero corroído, la fisuración o desprendimiento del hormigón debido a la expansión de los productos de corrosión. En este sentido, la transferencia de las fuerzas a través de la superficie de contacto entre el hormigón y el acero, la adherencia, es uno de los aspectos más importantes a considerar y es la base del comportamiento del hormigón armado como elemento estructural. La adherencia debe asegurar el anclaje de las armaduras y transmitir la tensión tangencial que aparece en las mismas como consecuencia de la variación de las solicitaciones a lo largo de un elemento estructural. Como consecuencia de la corrosión de las armaduras, el desarrollo de la adherencia se altera y, por tanto, la transferencia de la tensión longitudinal. Esta Tesis Doctoral aborda el comportamiento en estado límite último de la adherencia en el hormigón estructural con armaduras corroídas. El objetivo principal es la obtención de un modelo suficientemente realista y fiable para la evaluación de la adherencia con armaduras corroídas en el marco de la verificación de la seguridad estructural de elementos de hormigón armado con armaduras corroídas. Para ello se ha llevado a cabo un programa experimental de ensayos tipo pull-out excéntricos, con diferentes probetas, unas sin corrosión y otras sometidas tanto a procesos de corrosión natural como a procesos de corrosión acelerada, con diferentes grados de deterioro. Este tipo de ensayo de adherencia representa de forma realista y fiable realista los esfuerzos de adherencia en la zona de anclaje. Por otra parte, para la realización de estos ensayos se ha puesto a punto, además del procedimiento de ensayo, un sistema de adquisición de datos entre los que se incluye el empleo de sensores de tipo fibra óptica con redes de Bragg embebidos en la armadura para determinar los parámetros representativos de la adherencia en el hormigón estructural con armaduras corroídas. Por otra parte, la recopilación de los datos de los estudios de adherencia con armaduras corroídas procedentes de la literatura científica, además de los resultados de la presente investigación, junto con la identificación de las variables relevantes en el comportamiento de la adherencia con armaduras sanas y corroídas ha servido para la obtención de una formulación realista y fiable para la evaluación conjunta de la adherencia con armaduras sanas y corroídas a partir de modelos de regresión múltiple. La formulación propuesta ha sido validada mediante criterios estadísticos y comparada con otras formulaciones propuestas en la literatura científica. Además se ha realizado un análisis de las variables influyentes de la formulación propuesta. También se ha obtenido un modelo numérico simple y eficiente, validado con alguno de los ensayos realizados en esta tesis, para simular la adherencia con armaduras sanas y corroídas. Finalmente, se presenta un procedimiento para realizar la evaluación de vigas deterioradas por corrosión mediante el método de los campos de tensiones que incluye la evaluación de la adherencia mediante la formulación sugerida en esta Tesis Doctoral. Las conclusiones alcanzadas en este trabajo han permitido evaluar la adherencia con armaduras corroídas de forma realista y fiable. Asimismo, se ha podido incluir la evaluación de la adherencia en el marco de la verificación de la seguridad estructural en elementos de hormigón armado deteriorados por corrosión. ABSTRACT Structural safety verification of both structures allowing a certain degree of deterioration in design and deteriorated existing structures needs strength models that factor in the effects of deterioration. In case of corrosion of steel bars in reinforced concrete structures, the resistance depends on many things such as the remaining cross-section of the corroded reinforcement bars, the stress-strain diagrams of steel, the concrete-reinforcement bond and corrosion-induced concrete cracking or spalling. Accordingly, the force transfer through the contact surface between concrete and reinforcement, bond, is one of the most important aspects to consider and it is the basis of the structural performance of reinforced concrete. Bond must assure anchorage of reinforcement and transmit shear stresses as a consequence of the different stresses along a structural element As a consequence of corrosion, the bond development may be affected and hence the transfer of longitudinal stresses. This PhD Thesis deals with ultimate limit state bond behaviour in structural concrete with corrode steel bars. The main objective is to obtain a realistic and reliable model for the assessment of bond within the context of structural safety verifications of reinforced concrete members with corroded steel bars. In that context, an experimental programme of eccentric pull-out tests were conducted, with different specimens, ones without corrosion and others subjected to accelerated or natural corrosion with different corrosion degrees. This type of bond test reproduces in a realistic and reliable way bond stresses in the anchorage zone. Moreover, for conducting these tests it was necessary to develop both a test procedure and also a data acquisition system including the use of an embedded fibre-optic sensing system with fibre Bragg grating sensors to obtain the representative parameters of bond strength in structural concrete with corroded steel bars. Furthermore, the compilation of data from bond studies with corroded steel bars from scientific literature, including tests conducted in the present study, along with the identification of the relevant variables influencing bond behaviour for both corroded and non-corroded steel bars was used to obtain a realistic and reliable formulation for bond assessment in corroded and non-corroded steel bars by multiple linear regression analysis. The proposed formulation was validated with a number of statistical criteria and compared to other models from scientific literature. Moreover, an analysis of the influencing variables of the proposed formulation has been performed. Also, a simplified and efficient numerical model has been obtained and validated with several tests performed in this PhD Thesis for simulating the bond in corroded and non-corroded steel bars. Finally, a proposal for the assessment of corrosion-damaged beams with stress field models including bond assessment with the proposed formulation is presented. The conclusions raised in this work have allowed a realistic and reliable bond assessment in corroded steel bars. Furthermore, bond assessment has been included within the context of structural safety verifications in corrosion-damaged reinforced concrete elements.