Modeling of chloride penetration onto concrete structures under flexual cyclic load and tidal environment

การจําลองการซึมผานของคลอไรดในโครงสรางคอนกรีต ภายใตการรับแรงดันแบบวัฏจักรและสภาพแวดลอมแบบน้ําขึ้นน้ําลง นายเมียนวัน เจิ่น วิทยานิพนธนี้เปนสวนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรดุษฎีบัณฑิต สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย ปการศึกษา 2551 ลิขสิทธิ์ของจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย MODELING OF CHLORIDE PENETRATION INTO CONCRETE STRUCTURES UNDER FLEXURAL CYCLIC LOAD AND TIDAL ENVIRONMENT Mr MIEN VAN TRAN A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy Program in Civil Engineering Department of Civil Engineering Faculty of Engineering Chulalongkorn University Academic Year 2008 Copyright of Chulalongkorn University Thesis Title By Field of study Thesis Principal Advisor Thesis Co-Advisor Modeling of chloride penetration into concrete structures under flexural cyclic load and tidal environment Mr Mien Van Tran Civil Engineering Associate Professor Boonchai Stitmannaithum, D.Eng Professor Toyoharu NAWA, D.Eng Accepted by the Faculty of Engineering, Chulalongkorn University in Partial Fulfillment of Requirements for the Doctoral Degree ……………………………………Dean of the Faculty of Engineering (Associate Professor Boonsom Lerdhirunwong, Dr.Ing) THESIS COMMITTEE ………………………………………… Chairman (Professor Ekasit Limsuwan, Ph.D) ………………………………………… Thesis Principal Advisor (Associate Professor Boonchai Stitmannaithum, D.Eng.) ………………………………………… Thesis Co-Advisor (Professor Toyoharu NAWA, D.Eng.) ………………………………………… Member (Associate Professor Phoonsak Pheinsusom, D.Eng) ………………………………………… Member (Associate Professor Teerapong Senjuntichai, Ph.D) ………………………………………… Member (Associate Professor Suvimol Sujjavanich, Ph.D) iv เมียนวัน เจิน่ : การจําลองการซึมผานของคลอไรดในโครงสรางคอนกรีตภายใตการรับแรงดัด แบบวัฏจักรและสภาพแวดลอมแบบน้ําขึ้นน้ําลง (MODELING OF CHLORIDE PENETRATION INTO CONCRETE STRUCTURES UNDER FLEXURAL CYCLIC LOAD AND TIDAL ENVIRONMENT) อ ที่ปรึกษาวิทยานิพนธหลัก : รศ.ดร บุญไชย สถิตมั่นในธรรม, อ ที่ปรึกษา วิทยานิพนธรว ม: ศ.ดร โทโยฮารุ นาวา, 157 หนา ในสภาพแวดลอมทางทะเลความเสียหายของโครงสรางคอนกรีตเสริมเหล็กโดยมากเกิดจากคลอไรด ซึ่งทําใหเกิด การสึกกรอนของเหล็กเสริมโครงสราง โดยสภาพความเสียหายของโครงสรางคอนกรีตนั้นจะขึ้นอยูกับทั้งน้ําหนักบรรทุก และสภาพแวดลอมกระทํารวมกัน เมื่อโครงสรางคอนกรีตรับน้ําหนักบรรทุกจนเกิดการแตกราวในโครงสรางคอนกรีต อัน เปนผลใหการซึมผานของคลอไรดเขาไปยังโครงสรางคอนกรีตมีอัตราเพิ่มสูงขึ้นอยางรวดเร็วจะทําใหอายุการใชงานของ โครงสรางคอนกรีตเสริมเหล็กลดลงอยางมีนัยสําคัญ ในอดีตมีการศึกษาดานพฤติกรรมเชิงกลของโครงสรางคอนกรีตและ การเสื่อมสภาพของโครงสรางคอนกรีตแลวเปนจํานวนมาก อยางไรก็ตามแบบจําลองที่เสนอขึ้นเหลานั้นมิไดพิจารณาผล จากการกระทําของน้ําหนักบรรทุกทางกลและสภาพแวดลอมรวมกันแตอยางใด วัตถุประสงคของงานวิจัยนี้คือการพัฒนาแบบจําลองการซึมผานของคลอไรดเขาสูเนื้อคอนกรีตภายใตการรับแรง ดัดแบบวัฎจักรและสภาพแวดลอมแบบน้ําขึ้นน้ําลง แบบจําลองนี้ตั้งอยูบนพื้นฐานทางทฤษฎีและผลการทดสอบการซึม ผานของคลอไรด ปริมาณคลอไรดและการรับแรงดัดแบบวัฎจักร โดยแรงดัดแบบวัฎจักรในการทดสอบใชแรงดัดจาก ระดับรอยละ50 ถึงรอยละ80 ของกําลังดัด แบบจําลองการแตกราวเสมือนไดรับการปรับปรุงเพื่อทํานายการเสียรูปจากการ ลาของคานคอนกรีตภายใตแรงดัด การทดสอบใชซีเมนตสี่ชนิดในการตรวจสอบความสามารถในการจับยึดคลอไรดอิออน (Chloride Binding Isotherms) สภาพแวดลอมแบบน้ําขึ้นน้ําลงจําลองโดยการทดสอบในสภาพเปยก 12 ชั่วโมง และ แหง 12 ชั่วโมง ผลการทดสอบความสามารถในการจับยึดคลอไรดอิออนแสดงใหเห็นถึงความสัมพันธแบบเชิงเสนระหวางผล การทดสอบระยะสั้นและระยะยาว ทั้งนี้ซีเมนตปอตแลนดชนิดธรรมดา (OPC) มีความสามารถในการจับยึดคลอไรดอิออน (Bind Chloride Ions) สูงสุด ขณะที่ซีเมนตประเภทความรอนต่ํามีการจับยึดคลอไรดอิออนนอยที่สุด แบบจําลองที่เสนอ ขึ้นใหมนี้แสดงใหเห็นวาการรับแรงดัดแบบทําซ้ําทําใหคลอไรดซึมผานคอนกรีตมากขึ้น ระดับการรับแรงดัดที่สูงขึ้นยิ่งทํา ใหการซึมผานของคลอไรดเร็วขึ้น การทํานายโดยแบบจําลองสอดคลองเปนอยางดีกับผลการทดสอบเมื่อใชพารามิเตอร ความหนาแนนการแตกราว (μ) และพารามิเตอรดานการบิดงอ (τ) ภาควิชา วิศวกรรมโยธา สาขาวิชา วิศวกรรมโยธา ปการศึกษา 2551 ลายมือชื่อนิสิต ลายมือชื่อ อ ที่ปรึกษาวิทยานิพนธหลัก ลายมือชื่อ อ ที่ปรึกษาวิทยานิพนธรวม v # # 4871874721 MAJOR CIVIL ENGINEERING KEYWORDS: MODEL / CHLORIDE PENETRATION / CONCRETE / FLEXURAL CYCLIC LOAD / TIDAL ENVIRONMENT MIEN VAN TRAN: MODELING OF CHLORIDE PENETRATION INTO CONCRETE STRUCTURES UNDER FLEXURAL CYCLIC LOAD AND TIDAL ENVIRONMENT ADVISOR: ASSOC.PROF BOONCHAI STITMANNAITHUM, D.ENG CO-ADVISOR: PROF TOYOHARU NAWA, D.ENG., 157 pp In marine environment, the deterioration of concrete structures is mainly due to chloride induced corrosion With real concrete structures, the deterioration is controlled by the combination of mechanical load and climatic load The mechanical load results cracks in concrete structures The cracks accelerate the chloride penetration into concrete structures As a result, the service life of concrete structures will be reduced considerably There were many models proposed to predict the deterioration of concrete structures However, these models are not reliable due to not having simultaneous combination of mechanical and climatic loads In this research, a model, which simulates the chloride ingress into plain concrete, using different cement types, under flexural cyclic load and tidal environment, was proposed This model is based on theoretical analysis and experiments of chloride diffusion test, chloride content test and flexural cyclic loading test Flexural cyclic load is applied from 50% to 80% of to ultimate bending load Fictitious crack model is adopted to predict fatigue crack growth of plain concrete beam under flexural fatigue Experimental results show the linear relation between results of short-term and long-term test of chloride diffusion coefficient Of the four common cement types, Ordinary Portland cement is the best cement type using for concretes in term of the chloride induced corrosion resistance because of the highest capacity to bind chloride ions The proposed model shows that the flexural cyclic load accelerates chloride penetration into concrete The higher the flexural load level, SR, the faster chloride penetration occurred The model predictions fit well with experimental results when the crack density parameter, μ, and the tortuosity parameter, τ, are introduced Department: CIVIL ENGINEERING……… Field of study: CIVIL ENGINEERING…… Academic year: 2008……………………… Student’s signature: ……………………… Advisor’s signature: ……………………… Co-advisor’s signature: …………………… vi ACKNOWLEDEMENTS JICA is most sincerely thanked for funding this Ph.D project through AUN/SEED-Net program Without the financial support given to me by JICA, this project would never have become about I wish to express my honest gratitude to my advisor, Assoc.Prof Boonchai Stitmannaithum, to the staff and my colleagues at Department of Civil Engineering (CU) for their guidance, encouragement and support during my research I also wish to express my gratitude to Prof Toyoharu NAWA for interesting discussions, as well as for helping me improve my model, and for his support of a useful year of doing research in his Laboratory at Hokkaido University, Japan Furthermore, I would like to express my gratitude to Assoc.Prof Kiyofumi KURUMISAWA and to my friends at Resources and Eco Materials Engineering Laboratory, Hokkaido University, Japan, for their help and friendliness Finally, I would like to thank my sending institution – HoChiMinh City University (HCMUT) and host institution - Chulalongkorn University (CU) for giving me the opportunity to study Ph.D degree under AUN/SEED-Net program TABLE OF CONTENTS Page Abstract (Thai) iv Abstract (English) v Acknowledgements vi Table of contents vii List of Tables ix List of Figures xi CHAPTER I INTRODUCTION .1 1.1 Introduction 1.2 The objective of study 1.3 The scope of study 1.4 Literature review 1.5 Methodology 24 1.6 Originality and expected results of research 26 1.7 Concluding remarks 27 CHAPTER II DEVELOPMENT OF MODEL .28 2.1 Prediction of mechanical and physical properties of concrete 28 2.2 Fatigue and fatigue deformation of plain concrete beam under flexural cyclic load .32 2.3 Prediction of chloride diffusion coefficient under fatigue 41 2.4 Prediction of chloride penetration into concrete under flexural cyclic load and tidal environment .43 2.5 Concluding remarks 57 CHAPTER III CHLORIDE BINDING ISOTHERMS OF CEMENTS 58 3.1 Procedures for determination of chloride binding isotherms of cements .58 3.2 Propose chloride binding isotherms of cements .62 3.3 Concluding remarks 73 viii CHAPTER IV CHLORIDE PENETRATION INTO CONCRETE STRUCTURES UNDER FLEXURAL CYCLIC LOAD AND TIDAL ENVIRONMENT 74 4.1 Designed mechanical and physical properties of concretes 74 4.2 Prediction of fatigue crack growth under flexural cyclic load 75 4.3 Prediction of chloride diffusion coefficient under fatigue 79 4.4 Prediction of chloride penetration under fatigue and tidal environment 83 4.5 Concluding remarks 95 CHAPTER V EXPERIMENTAL VERIFICATION .96 5.1 Experimental program 97 5.2 Experimental results and verifications of model 101 5.3 Concluding remarks .118 CHAPTER VI CONCLUSIONS .119 6.1 Conclusions 119 6.2 Applications of results 120 6.3 Limitations .121 6.4 Recommendations 122 REFERENCES 123 APPENDIX 127 BIOGRAPHY 157 ix LIST OF TABLES Table 2.1 Parameters of plain concrete 39 Table 3.1 Chemical and physical properties of various cement types .59 Table 3.2 The estimated contents of types of cement used to cast cubic specimen 60 Table 4.1 Designed mechanical and physical properties of concrete 74 Table 4.2 Input parameters of numerical analysis of fatigue deformations .76 Table 4.3 Prediction of Dtot of plain concrete in the tension zone with the number of cycles .82 Table 4.4 Input parameters used in the numerical analysis of chloride penetration into plain concrete using different cements and exposed to tidal environment 85 Table 4.5 Input parameters used in the numerical analysis of chloride penetration into plain concrete subjected to coupling flexural cyclic loads and tidal cycles 88 Table 4.6 Input parameters used to predict the initial corrosion time of the concrete exposed to tidal cycles and flexural cyclic load .91 Table 5.1 Mixture proportions used in research 97 Table 5.2 Diffusion coefficient values given by short-term test, concrete cured at 28 days 101 Table 5.3 Diffusion coefficient values given by long-term test, concrete cured at 28 days 102 Table 5.4 Best fitted values of D28 and m for concrete mixtures 104 Table 5.5 Mechanical and physical properties of concrete .105 Table 5.6 Flexural cyclic loads applied to concrete beams with different load levels 106 Table 5.7 Cyclic flexural behavior of plain concrete beams of different mixture proportions 107 Table 5.8 Predictions of crack widths and experimental crack widths 109 Table 5.9 The effects of flexural cyclic load on chloride diffusion coefficients 112 Table B.1 The results of XRD-Rietveld analysis of sample I-1 131 x Table B.2 The results of XRD-Rietveld analysis of sample I-2 131 Table B.3 The results of XRD-Rietveld analysis of sample I-3 132 Table B.4 The results of XRD-Rietveld analysis of sample I-4 132 Table B.5 The results of XRD-Rietveld analysis of sample II-1 .133 Table B.6 The results of XRD-Rietveld analysis of sample II-2 .133 Table B.7 The results of XRD-Rietveld analysis of sample II-3 .134 Table B.8 The results of XRD-Rietveld analysis of sample II-4 .134 Table B.9 The results of XRD-Rietveld analysis of sample III-1 135 Table B.10 The results of XRD-Rietveld analysis of sample III-2 135 Table B.11 The results of XRD-Rietveld analysis of sample III-3 136 Table B.12 The results of XRD-Rietveld analysis of sample III-4 136 Table B.13 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-1 137 Table B.14 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-2 137 Table B.15 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-3 138 Table B.16 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-4 138 Table B.17 Experimental data of chloride binding isotherms of four cement types 139 143 Figure B5 EPMA result of cement paste made of cement type I and w/c=0.4 Figure B6 EPMA result of cement paste made of cement type III and w/c=0.4 144 APPENDIX C: Matlab source code for predicting fatigue deformation of concrete beam % function fatiguecrack % This program computes the crack width at the specific cycle number % Fc is compression strength of concrete (MPa) % Ft is tension strength of concrete (MPa) % Pmax is maximum flexural load (N) % P is applied flexural load (N) % SR is the flexural load level % E is the elastic modulus of conrete (GPa) % SU is the flexural stress (MPa) % M is the moment due to bending (N.mm) % B is the width of concrete beam (mm) % h is the height of concrete beam (mm) % L is the span of concrete beam (mm) % Wmax is the maximum crack width at which concrete beam will be fracture(mm) % x1 and x2 is material parameters depending on Wmax % W is CMOD at the bottom of beam (mm) % C is the number of cycle format short; Fc=input('The compression strength (MPa):'); Pmax=input('The maximum flexural load (N):'); SR=input('The flexural load level:'); Wmax=input('The initial maximum crack width (mm):'); B=input('width of beam (mm):'); h=input('The height of beam (mm):'); L=input('The span of beam (mm):'); C=input('The number of cycle:'); 145 P=SR*Pmax; M=P*L/6; SU=P*L/(B*h*h); E=4.7*sqrt(Fc); if (0