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Tesis:

Uncertainties of corrosion service life modelling and its Parameters

  • Autor: PEREIRA PEDROSA, Filipe Alexandre

  • Título: Uncertainties of corrosion service life modelling and its Parameters

  • Fecha: 2022

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: SIN DEPARTAMENTO DEFINIDO

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72230/

  • Director/a 1º: ANDRADE PERDRIX, María del Carmen

  • Resumen: Due to its economic consequences, predicting reinforced concrete (RC) deterioration through modelling is gaining interest. Nonetheless, not many models in the literature focus on the crack propagation period, considering only the time until corrosion becomes active. The truth is that some models and the related input parameters have been incorrect, incomplete, or unsuitable, as they are only capable of adequately predicting for the experiments which they were fitted to. This is due to the fact that corrosion initiation and propagation are associated with uncertainties. The problem is that these are usually not quantifed or analysed. It is therefore necessary to take uncertainties into account, as it is pointless developing ultra precise models if uncertainty is high. Regarding the existent modelling attempts of corrosion induced cracking, it has not been found the consideration of the corrosion rate effect, which, on the other hand, was experimentally demonstrated to be a key issue, more than 20 years ago. Another common criticism about these studies is that they are often based in accelerated laboratory tests that may not be applicable to f e ld conditions. On this background, there is clearly a need for studies that validate and analyse existing models and their uncertainty with respect to data from the field. This thesis aims to do this with a series of carbonation models. For this purpose, several cores were extracted from existing RC specimens, in order to obtain their microstructural characteristics. These experimental data allowed a sensitivity analysis of every considered model and the validation of their predictions. Due to scarcity in existing literature, another objective of this study is to investigate and characterize the variability of corrosion rate, concrete resistivity and corrosion induced cracking, both in time and space. This was done by means of descriptive statistics, estimations of probability density functions and possible correlations. For this analysis, data were collected from three sources: two RC slabs in a laboratory environment; a T-beam and column exposed since 1990 to outdoor conditions; and identical new specimens subjected to accelerated corrosion tests. The necessity for studies of corrosion induced cracking that consider multiple corrosion rates, and include natural field conditions, is also undeniable. This thesis aims to determine the relationship between corrosion rate and concrete cracking, while also evaluating the agreement between impressed accelerated tests and natural outdoors corrosion. For this purpose, numerous RC specimens were subjected to accelerated corrosion in galvanostatic conditions with distinct electrical currents each, in order to monitor the cracking of every specimen. Some were cast purposely identical to the T-beam and column exposed since 1990 to natural corrosion, in order to allow for comparisons. The results obtained show that while the range of predictions for all carbonation models was very high, Tuutti’s was the least inaccurate. Resistivity and Häkkinen’s model were the most feasible. Most of the models were found to be very sensitive to some parameters, like moisture conditions, that were also the most prone to uncertainty by themselves. Knowing the sensitivity of a model to its parameters helps to identify on which input variables should efforts be concentrated. All models disregard the infuence of chloride ingress and the fact that carbonation is negligible in dry concrete. Further studies can be pivotal to improve promising models, like the one based on resistivity. The variability obtained for corrosion rate and resistivity was considerable, even for small specimens or brief periods of time. Corrosion rates showed a greater spatial variability when compared to concrete resistivity, particularly when there was active corrosion. Resistivity measurements taken through several locations showed a strong correlation that, as would be predicted, decreased with distance. As a result, the concrete resistivity’s spatial autocorrelation was established. Contrarily, there was no association between the nearby data of the corrosion rates. For any probability-based model to be effective, a deeper understanding of the behaviour of the variables is essential. Crack width growth was modelled as a two stage bilinear process. An empirical relation was found between the cracking rate and the corrosion rate for the first stage. With this new-found relation, a formula relating crack width evolution through time with the corrosion rate was presented. This study shows that it is crucial to take into account the strong infuence of the corrosion rate on the crack width/steel attack ratio variation. Except for this influence, the cracking of accelerated tests were found to be representative of the one generated by a natural corrosion process. This study presents new insights in the process of corrosion induced cracking, including the basis for a new empirical model for crack width progression. It also explains how accelerated and natural corrosion tests relate to one another, characterizes carbonation models’ errors, and also the variability of some corrosion parameters. This will hopefully lead to future improvements in service life modelling. RESUMEN Debido a sus consecuencias económicas, la predicción del deterioro del hormigón armado (HA) mediante modelización está ganando interés. Sin embargo, no hay muchos modelos en la literatura que se centren en el periodo de propagación de la fisura, considerando únicamente el tiempo hasta que la corrosión se activa. Lo cierto es que algunos modelos y los correspondientes parámetros de entrada han sido incorrectos, incompletos o inadecuados, ya que solo son capaces de predecir adecuadamente para los experimentos a los que se ajustaron. Esto se debe a que el inicio y la propagación de la corrosión están asociados a incertidumbres. El problema es que estas no suelen cuantificarse ni analizarse. Por lo tanto, es necesario tener en cuenta las incertidumbres, puesto que no tiene sentido desarrollar modelos ultra precisos si la incertidumbre es alta. En cuanto a los intentos existentes de modelización de la fisuración inducida por la corrosión, no se ha encontrado la consideración del efecto de la velocidad de corrosión, que, por otra parte, se demostró experimentalmente que era una cuestión clave, hace más de 20 años. Otra crítica común sobre estos estudios es que a menudo se basan en ensayos acelerados de laboratorio que pueden no ser aplicables a las condiciones de campo. En este contexto, es evidente la necesidad de realizar estudios que validen y analicen los modelos existentes y su incertidumbre con respecto a los datos de campo. Esta tesis pretende hacerlo con una serie de modelos de carbonatación. Para ello, se extrajeron varios testigos de especímenes de HA existentes, con el fin de obtener sus características microestructurales. Estos datos experimentales permitieron un análisis de sensibilidad de cada modelo considerado y la validación de sus predicciones. Debido a la escasez en la literatura existente, otro objetivo de este estudio es investigar y caracterizar la variabilidad de la velocidad de corrosión, la resistividad del hormigón y la fisuración inducida por la corrosión, tanto en el tiempo como en el espacio. Esto se hizo mediante estadísticas descriptivas, estimaciones de funciones de densidad de probabilidad y posibles correlaciones. Para este análisis, se recogieron datos de tres procedencias: dos losas de HA en un entorno de laboratorio; una viga en T y un pilar expuestos desde 1990 a las condiciones exteriores; y especímenes idénticos nuevos sometidos a ensayos de corrosión acelerada. También es innegable la necesidad de realizar estudios sobre la fisuración inducida por la corrosión que consideren múltiples velocidades de corrosión y también condiciones naturales. Un objetivo de esta tesis es determinar la relación entre la velocidad de corrosión y la fisuración del hormigón, al mismo tiempo que se evalúa la concordancia entre los ensayos acelerados impresos y la corrosión natural al aire libre. Para ello, se han sometido numerosas probetas de hormigón armado a la corrosión acelerada en condiciones galvanostáticas con distintas corrientes eléctricas cada una, con el fin de monitorizar la fisuración de cada probeta. Algunas fueron fabricadas intencionadamente de forma idéntica a las vigas en T y a los pilares expuestos desde 1990 a la corrosión natural, con el fin de poder realizar comparaciones. Los resultados obtenidos muestran que, aunque el rango de predicciones de todos los modelos de carbonatación fue muy elevado, el de Tuutti fue el menos inexacto. Los modelos de resistividad y Häkkinen fueron los más factibles. La mayoría de los modelos resultaron ser muy sensibles a algunos parámetros, como las condiciones de humedad, que también eran los más propensos a la incertidumbre por sí mismos. Conocer la sensibilidad de un modelo a sus parámetros ayuda a identificar en qué variables de entrada deben concentrarse esfuerzos. Todos los modelos evaluados ignoran la influencia de la presencia de cloruros y el hecho de que la carbonatación es insignificante en el hormigón seco. Otros estudios pueden ser fundamentales para mejorar modelos prometedores, como el basado en la resistividad. La variabilidad obtenida para la velocidad de corrosión y la resistividad fue considerable, incluso para especímenes pequeños o periodos de tiempo breves. Las velocidades de corrosión mostraron una mayor variabilidad espacial en comparación con la resistividad del hormigón, especialmente cuando había corrosión activa. Las mediciones de resistividad realizadas en diversos puntos mostraron una fuerte correlación que, como era de esperar, disminuía con la distancia. En consecuencia, se estableció la autocorrelación espacial de la resistividad del hormigón. Por el contrario, no hubo ninguna correlación entre los datos cercanos de las velocidades de corrosión. Para que cualquier modelo basado en la probabilidad sea eficaz, es esencial una comprensión más profunda del comportamiento de las variables. El crecimiento del ancho de fisura se modelizó como un proceso bilineal de dos etapas. Se encontró una relación empírica entre la tasa de fisuración y la tasa de corrosión para la primera etapa. Con esta nueva relación, se presentó una fórmula que relaciona la evolución del ancho de fisura con la velocidad de corrosión en el tiempo. Este estudio muestra que es crucial tener en cuenta la fuerte influencia de la velocidad de corrosión en la variación de la relación ancho de fisura/ataque del acero. Exceptuando esta influencia, las fisuras de los ensayos acelerados resultaron ser representativas de las generadas por un proceso de corrosión natural. Este estudio presenta nuevos conocimientos sobre el proceso de fisuración inducida por la corrosión, incluyendo la base de un nuevo modelo empírico para la progresión del ancho de fisura. También explica cómo se relacionan los ensayos de corrosión acelerada y natural, caracteriza los errores de los modelos de carbonatación, y también la variabilidad de algunos parámetros de corrosión. Es de esperar que esto conduzca a futuras mejoras en la modelización de la vida útil.