Computer Modeling and Investigation on the Steel Corrosion in Cracked Ultra High Performance Concrete

Untersuchung und numerische Modellierung der Stahlkorrosion in gerissenem Ultrahochfestem Beton

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Heft 21No. 21

Alireza Rafiee

ISBN 978-3-86219-388-2

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SRBaustoffeNr21_A5_druck 21.09.12 11:58 Seite 1

Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau Structural Materials and Engineering Series Heft 21 No. 21 Computer Modeling and Investigation on the Steel Corrosion in Cracked Ultra High Performance Concrete Untersuchung und numerische Modellierung der Stahlkorrosion in gerissenem Ultrahochfestem Beton

Alireza Rafiee

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Diese Arbeit entstand als eine vom Fachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen der Universitt Kassel genehmigte Dissertation. Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Schmidt Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Ekkehard Fehling Tag der mndlichen Prfung: 22. August 2012 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet ber http://dnb.d-nb.de abrufbar. Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2012 ISBN print: 978-3-86219-388-2 ISBN online: 978-3-86219-389-9 URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:0002-33890 2012, kassel university press GmbH, Kassel www.upress.uni-kassel.de Herausgeber Prof. Dr.-Ing. habil. M. Schmidt Prof. Dr.-Ing. E. Fehling Universitt Kassel Universitt Kassel Fachbereich Bauingenieur- Fachbereich Bauingenieur- und Umweltingenieurwesen und Umweltingenieurwesen Institut fr Konstruktiven Ingenieurbau Institut fr Konstruktiven Ingenieurbau Fachgebiet Werkstoffe des Bauwesens Fachgebiet Massivbau und Bauchemie Kurt-Wolters-Str. 3 Mnchebergstr. 7 D-34125 Kassel D-34125 Kassel Tel. +49 (561) 804 2656 Tel. +49 (561) 804 2601 Fax +49 (561) 804 2803 Fax +49 (561) 804 2662 bauing.massivbau@uni-kassel.de baustk@uni-kassel.de www.uni-kassel.de/fb14/massivbau www.uni-kassel.de/fb14/baustoffkunde Printed in Germany

http://dnb.ddb.de/

ACKNOWLEDGEMENTS

I am extremely grateful to Professor Michael Schmidt, who gave me the opportunity to work

on this research project, for his guidance, support and patience throughout my studies at

University of Kassel. I would like to extend my sincere gratitude to my second supervisor

Professor Fehling and another committee member Dr. Stephan for their valuable comments

and advice.

I would like to thank the sponsors of this research project: Institute of Werkstoffe des

Bauwesens und Bauchemie and Amtliche Materialprfanstalt fr das Bauwesen (AMPA)

at University of Kassel.

I would like to recognize my colleagues, especially Christoph Glotzbach, Kai Amrhein, and

Susanne Frhlich, for their help and friendliness. Also, thanks goes to Burkhard Dei, Ulrike

Dumat, Matthias Gehrke, and Sylvia Heinemann, for their assistance with laboratory work.

I am grateful to my parents for their constant support and continuous encouragement. Their

belief in me and their pride in my accomplishments were the motivation and reward for all the

hard work I did. I dedicate this dissertation to my deceased mother, who belived that

education was the only heritage she could give me. I am sure that she would be very proud of

this achievement. Thank you Mom!

Finally, a special thanks goes to my wife, Sahar, for her love and quiet support.

Kassel, August 2012

Alireza Rafiee

Vorwort der Herausgeber

Ein wesentliches Merkmal Ultra-Hochfester Betone ist ihr sehr dichtes Gefge weitgehend

frei von Kapillarporen. Sie sind dadurch praktisch undurchlssig nicht nur fr Wasser sondern

auch fr Alkali- oder Chloridionen aus Meerwasser oder Tausalz. Dies wrde es u.A.

zulassen, die schtzende Betonberdeckung ber der Bewehrung deutlich dnner auszufhren

als bei Normal- oder Hochfestem Beton, was stoffgerechte leichte Konstruktionen mit UHPC

frdern wrde.

Bislang nicht geklrt war allerdings die Frage, wie sich last- oder zwangsbedingte Risse in

bewehrten Bauteilen aus UHPC auf den Korrosionswiderstand auswirken und welche

Rissbreite akzeptiert werden kann, ohne dass die blicherweise verwendeten Stahlfasern

sowie die Stabstahl- oder Mattenbewehrung vorzeitig so korrodieren, dass sich dies auf das

Tragverhalten auswirkt.

Dieser Frage hat sich Herr Dr.-Ing. Alireza Rafiee im Rahmen seiner am Fachgebiet

Werkstoffe des Bauwesens und Bauchemie angefertigten Diskussion angenommen, an dem er

drei Jahre lang als Stipendiat des Fachgebietes ttig war.

Das vorliegende Heft 21 der Schriftenreihe Baustoffe und Massivbau beschreibt die

umfangreichen Untersuchungen und theoretischen Betrachtungen von Herrn Rafiee, die in ein

ingenieurmiges Modell fr den an unterschiedlich breiten und tiefen Rissen zu erwartenden

Korrosionsfortschritt mnden. Besonders wertvoll sowohl fr weitere Untersuchungen als

auch fr die Bemessung und Konstruktion von Bauteilen aus UHPC ist ein

computergesttztes Simulationsprogramm, das nahezu alle korrosionsrelevanten Parameter

abdeckt.

Die Arbeit ist nicht nur wissenschaftlich sehr hochwertig sondern bildet auch eine wichtige

Grundlage fr zuknftige technische Regeln fr die stoffgerechte Bemessung und die

konstruktive Durchbildung von Bauwerken aus UHPC.

Kassel, den 28.8.2012

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Schmidt

ABSTRACT

The main objective of this work is to evaluate the chloride induced corrosion of steel in

cracked UHPC. The work plan was divided into two parts of laboratory experimentations and

computer simulation. At the first step of experimental program, it was tried to investigate the

influence of crack width, concrete curing, cement type, steel fiber length, steel fiber content

and time duration on corrosion intensity of steel fiber. It was revealed that, the crack width of

0.05 mm might be a critical width. When a crack opening is less than a critical width, then

concrete behaves from the viewpoint of durability as a sound concrete. The second step was

to assess and compare some different properties of concrete such as pore size distribution,

water diffusion, water sorption and chloride diffusion during the time lapse as well as

electrical resistivity, compressive strength and Tafel slope parameter for steel reinforcement

in ordinary concrete, HPC and UHPC.

A finite difference code was developed to predict the corrosion potential and corrosion current

distributions in a simplified rectangular concrete specimen with longitudinal reinforcement.

Input parameters were based on available experimental data obtained by the Author as well as

literature. An assessment was performed to evaluate the effects of pore saturation, steel bar

diameter, exposure condition, concrete cover, temperature, and steel fiber length on the

behavior of chloride induced steel corrosion. It was found from the assessment that the water

saturation level of concrete pores and concrete cover depth play a significant role in the steel

corrosion rate. From the viewpoint of reinforcement geometry, the greater steel fiber length as

well as smaller steel bar diameter leads to the more reduction in steel cross section caused by

corrosion. Generally, the corrosion current at the anode rises with a rise in temperature but

UHPC behaves contrary. Furthermore, the worst simulated exposure condition seems to be

wet and dry condition.

In order to simulate the macro cell corrosion of steel in cracked concrete and compare the

results obtained from computer model and reality, validation test was designed, in which the

corrosion current along steel bar in cracked concrete had periodically been measured during

one year. This test demonstrated that the model predicted corrosion currents are in good

agreement with the observed one.

I

TABLE OF CONTENTS

1. INTRODUCTION

1.1 Background 1

1.2 Service-Life Requirements 1

1.3 Scope of Study 2

1.4 disposition of the Thesis ` 2

2. LITERATURE REVIEW