Natural corrosion in reinforced concrete structures

Doctoral thesis, 2021

Korroderande armering är den vanligaste skadetypen i armerad betong. Korrosionsskador försämrar säkerheten och förkortar livslängden hos betongkonstruktioner, och korrosionsprocessens komplexitet gör bedömningar av säkerheten utmanande. Detta beror delvis på svårigheterna i att tolka resultat från accelererade laboratorieförsök med pålagd spänning för att korta korrosionstiden, för att förstå hur korrosion utvecklas i verkliga konstruktioner.
Användningen av pålagd spänning resulterar i skillnader i typ och distribution av korrosionsprodukter jämfört med naturlig korrosion.
Studier av naturligt korroderade provkroppar är en nödvändig del för att överbrygga skillnaderna mellan den kunskap som erhållits från artificiellt korroderade provkroppar och tillämpning av denna på verkliga konstruktioner.
I detta arbete studerades den strukturella effekten av kloridinducerad, naturlig korrosion hos betongkonstruktioner.
Specifikt undersöktes tre forskningsfrågor. Först studerades vidhäftningshållfastheten hos naturligt korroderade släta armeringsstänger med hjälp av 3-punkts böjnings- och utdragsprov. Provkroppar togs från en bro som byggdes på 1930-talet. Vidhäftningshållfastheten som uppmättes i dessa prover var signifikant högre än den som erhölls i försök på liknande armeringsstänger i provkroppar producerade i laboratorier. Effekten av korroderande armeringsstål på vidhäftningshållfasthet påverkades av gjutposition och närvaro av armeringsbyglar. Finita elementanalyser användes för att ytterligare undersöka sambandet mellan vidhäftning och glidning. Resultaten tydliggjorde hur balkarnas bärning påverkades av förlusten av vidhäftningshållfasthet när armeringsstålet flöt. Den andra frågan undersökte korrosionsprodukternas fördelning och egenskaper vid gränsytan mellan stål och betong - detta är relevant för att bedöma korrosionsskador i befintliga konstruktioner.
Neutronskanning och röntgen användes för att erhålla kvalitativa och kvantitativa data om korrosion i en naturligt korroderad provkropp, inklusive volymförhållandet mellan stål och rost.
I jämförelse med en artificiellt korroderad provkropp påvisades skillnader i korrosionsprodukternas fördelning. Slutligen studerades korrelationen mellan tvärgående sprickors sprickbredd och korrosionsskador. Data sammanställdes från experiment tillgängliga i litteraturen.
I de utvalda studierna ingick balkar, förspräckta i 3-punktsböjning, utsatta för klorider i laboratoriemiljö. Ingen korrelation mellan sprickvidd och korrosion kunde påvisas, men gropfrätningar fanns med större sannolikhet i närheten av tvärgående sprickor. Sammanfattningsvis belyser detta arbete korrosionsprocessens komplexitet. En grundläggande förståelse av de material- och miljöegenskaper som påverkar denna process är nödvändig för att korrekt kunna bedöma befintliga konstruktioner. Försök på naturligt korroderade konstruktioner är ett grundläggande steg mot att förvärva denna kunskap.

The major threat to the durability of reinforced concrete structures is corrosion of the reinforcement bars. Corrosion generally initiates after aggressive substances, such as chlorides, reach the reinforcement bars, and decrease safety and durability of the structure.
This work focuses on natural, chloride-induced corrosion. In research, it is common to instead make use of induced currents to reduce the time needed for reinforcing steel to corrode. However, differences in type and distribution of corrosion products between natural and artificial corrosion are expected.
To study natural corrosion, tests specimens were taken from a decommissioned bridge, built in 1935. The effect of natural corrosion on the bond of plain bars, an old type of reinforcement bars in used up to the 1950s, was studied. Three-point bending and pull-out tests were conducted on specimens cut from the edge beams of the bridge. The study highlighted how the older materials and casting techniques used at the construction of the bridge affected the structural and bond behaviour of the specimens. The casting position of the bars (top-cast or bottom-cast) changed the effect of corrosion on bond-slip behaviour, with the bond of bottom-cast bar being more sensitive to the presence of corrosion products. Additionally, multimodal neutron and X-ray tomography was used to study the difference in composition and distribution of the corrosion products between a natural corroded specimen (from the same bridge) and an artificially corroded specimen. Corrosion was observed to start at macro-scopic voids at the steel/concrete interface in the naturally corroded specimen. Finally, data from experiments on the effect of transverse cracks on corrosion rate and distribution were compiled from literature, and statistical methods were used to investigate the relation between surface crack width and corrosion damages. The surface crack width of transverse cracks did not influence neither corrosion rate nor distribution.
To conclude, this works highlights the complexity of the corrosion process, and the importance of studying naturally corroded specimens, as a way to connect results inferred from well-defined laboratory specimens to the more complex reality of existing structures.