Impact of interacting deterioration phenomena on concrete

Abstract

Concrete structures are constantly exposed to various deteriorating phenomena, most of which are associated with different environmental or weather conditions. The deteriorating impact of these phenomena mainly results in reduced service lives of the concrete structures. Under ordinary circumstances, the vast majority of all concrete structures become exposed to a combination of deteriorating attacks. These attacks often occur concurrently within the same environment, and therefore, the effect of the combined loads must be taken into consideration in order to provide more accurate durability and service life calculations.

The main objective of this research was to investigate the impact of the interaction between different deterioration parameters on concrete. The research focused on pairing three forms of deterioration: frost deterioration, carbonation and chloride penetration. Another aim was to investigate whether the outcome of the test results is affected by mix proportion and concrete properties, such as water/cement ratio, amount of air and usage of various binding materials.

Experimental testing was performed to numerous test specimens, which were cast from different types of concretes and mortars. The test equipment used for the experimental testing included the so-called PROOVE'it^© rapid chloride migration (RCM) test equipment by Germann Instruments. The equipment is designed for the ASTM C 1202-97 or AASTHO T 277-831 test methods, which are similar to the NT BUILD 492 method used in this research. Additionally, several climate chambers were utilized in order to produce the right exposure climate for the test specimens. These included weather rooms with varying relative humidity (RH) of 65 % and 95 %, in addition to chambers producing repeated freezing and thawing cycles and constant CO₂-levels for exposure to accelerated carbonation.

According to the results of the experimental testing, the increased level of internal deterioration (RDM) increased both carbonation and chloride migration surprisingly little. A possible reason for this could be the direction of the internal deterioration. It can be assumed, that the frost deterioration caused horizontal cracking in the specimens, instead of vertical cracking. The test results also indicated that exposure to carbonation prior to chloride ingress remarkably reduced the ability to resist chloride migration (D_nssm) of all mortars. Additionally, the results indicate that the concrete and mortar types used in the research were perhaps a bit too durable.

Betonirakenteet altistuvat jatkuvasti erilaisille rapauttaville ilmiöille, joista useimmat liittyvät erilaisiin ympäristö- tai sääolosuhteisiin. Kyseisten ilmiöiden rapauttavat vaikutukset johtavat lähinnä betonirakenteiden käyttöiän lyhenemiseen. Tavallisissa olosuhteissa suurin osa betonirakenteista altistuu samanaikaisesti useille rapauttaville ilmiöille. Nämä ilmiöt esiintyvät usein samanaikaisesti samassa ympäristössä, jonka takia niiden synergistinen vaikutus on otettava huomioon, jotta saataisiin tarkemmat kestävyys- ja käyttöikälaskelmat.

Tämän tutkimuksen päätavoitteena oli tutkia erilaisten rapauttavien parametrien yhteisvaikutusta betonissa. Tutkimuksessa keskityttiin yhdistelemään pakkasrapautumista, karbonatisoitumista ja kloridien tunkeutumista pareittain keskenään. Tavoitteena oli myös tutkia betonin suhteituksen ja ominaisuuksien, kuten vesi/sementti-suhteen, ilmamäärän ja erilaisten sideaineiden käytön, mahdollisia vaikutuksia koetuloksiin.

Laboratoriokokeet suoritettiin käyttämällä lukuisia koekappaleita, jotka valettiin useista erilaisista betoneista ja laasteista. Koeistuksessa käytettiin esimerkiksi Germann Instrumentsin valmistamaa PROOVE'it^© testauslaitetta, jolla voidaan tutkia kloridimigraatiota. Laite on suunniteltu ASTM C 1202-97 tai AASTHO T 277-831 koemenetelmille, jotka ovat samankaltaiset kuin NT BUILD 492 menetelmä, jota käytettiin tässä tutkimuksessa. Lisäksi kokeissa käytettiin useita erilaisia sääkaappeja, joilla muodostettiin koekappaleille oikeanlaiset altistusympäristöt. Näihin kuuluivat kaksi säähuonetta, joissa ilman suhteellinen kosteus oli 65 % ja 95 %, sekä jäätymis-sulamis- että karbonatisoitumiskaappi.

Kokeelliset tulokset osoittivat, että koekappaleiden korkeammat sisäiset vaurioitumisasteet (RDM) lisäsivät karbonatisoitumista ja kloridimigraatiota yllättävän vähän. Mahdollinen syy tähän voi olla sisäisen rapautumisen suunta. Voidaan olettaa, että pakkasrapautuminen aiheutti vaaka- eikä pystysuuntaista halkeilua koekappaleissa. Koetuloksista pystyi myös päättelemään, että altistus karbonatisoitumiselle ennen kloridirasitusta vähensi huomattavasti kaikkien laastityyppien kykyä vastustaa kloridimigraatiota (D_nssm). Tulokset viittaavat lisäksi siihen, että tutkimuksessa käytetyt betoni- ja laastityypit olivat kenties hieman liian kestäviä.