Degradation Modelling of Concrete and Reinforced Concrete Structures Due to Carbonation, Chloride Ingress and Alkali-Silica Reaction

Abstract

V dnešní době patří beton mezi nejvíce vyráběný materiál ve světě. Vlastnosti betonu a železobetonu se mohou zhoršovat z několika důvodů, v našem případě se zaměříme na karbonataci, vnikání chloridů a alkalicko-křemičitou reakci. Přítomnost oxidu uhličitého v atmosféře, stejně tak výskyt chloridů z rozmrazovacích solí nebo slané vody a určitá úroveň alkálií v cementu - všechny tyto faktory mají vliv na konstrukční provozuschopnost a životnost betonových a železobetonových konstrukcí. Tato práce se věnuje modelování degradace dvou oblastí. První z nich je oblast, kde chemo-mechanické modely popisují období iniciace a průběh koroze výztuže způsobené karbonatací nebo chloridy. Výpočty zohledňují návrh betonové směsi, využití přímesí, krycí vrstvu, šířku trhlin a podmínky okolního prostředí. Sdružená úloha je řešena ve třech fázích. První z nich je plastický model s poškozením, který predikuje vznik trhlin před vniknutím agresivních látek. Druhá fáze využívá 1D transportního modelu, který predikuje dobu vzniku trhliny v krycí vrstvě, dobu odpadnutí krycí vrstvy a efektivní plochu oceli. V poslední třetí fázi se stanovuje mechanickou analýzou únosnost konstrukce v závislosti na stavu koroze výztuže. Druhá oblast se zabývá chemicko-mechanickou expanzí způsobenou alkalicko-křemičitou reakcí, s přihlédnutím k její kinetice, podmínkám okolního prostředí, obsahu alkálií, reaktivní části kameniva a stavu napětí. Validace byly provedeny na několika realných konstrukcích zatížených chloridy a karbonatací, například na betonové vzpěře předpjatého mostu a mostu Nougawa v Japonsku. Bylo provedeno několik validací pro volnou expanzi způsobenou ASR a pro případ, že je takovéto expanzi zabráněno. Využití a porovnání ASR modelu je demonstrováno na betonové gravitační přehradě.

Abstract: Concrete is the most man-made material in today's world. Concrete and reinforced concrete may deteriorate due to several reasons, the focus here is devoted to carbonation, chloride ingress or alkali-silica reaction. The presence of carbon dioxide in the atmosphere, available chlorides from de-icing salts or salt water and certain level of alkalis in the cement - all those factors have an impact on structural serviceability and life design of concrete and reinforced concrete structures. The thesis presents two modelling areas of deterioration. The rst area belongs to a chemo-mechanical tasks covering initiation and propagation periods of chloride and carbonation steel corrosion, taking into account concrete mix design, supplementary cementitious materials, concrete cover, crack width and environmental conditions. The strategy for solving this coupled problem stems from three stages. First, a short-term fracture-plastic constitutive model predicts cracking prior to the carbonation and chloride ingress. Second, 1D model of carbonation and chloride ingress yields the time of concrete cracking, spalling and the eective steel area. Third, mechanical analysis assesses the load-bearing capacity of a structure in dependence on the state of reinforcement corrosion. The second area addresses a chemo-mechanical expansion for alkali-silica reaction (ASR), taking into account its kinetics, environmental conditions, alkali content, reactive part of aggregates and stress-state. Validation for carbonation and chloride ingress covers several real examples, such as a concrete strut of a prestressed bridge and Nougawa bridge in Japan. Validation for ASR covers free sample expansion and constrained members. Performance of the model is demonstrated on a concrete gravity dam, set as a benchmark example.