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

MODELING OF CHLORIDE PENETRATION INTO CONCRETE STRUCTURES UNDER FLEXURAL CYCLIC LOAD AND TIDAL ENVIRONMENT Mr.. iv เมียนวัน เจิ่น : การจําลองการซึมผานของคลอไรดในโครงสรางคอนกรีตภายใตก

Trang 1

การจําลองการซึมผานของคลอไรดในโครงสรางคอนกรีต ภายใตการรับแรงดันแบบวัฏจักรและสภาพแวดลอมแบบน้ําขึ้นน้ําลง

นายเมียนวัน เจิ่น

วิทยานิพนธนี้เปนสวนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรดุษฎีบัณฑิต

สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย

ปการศึกษา 2551 ลิขสิทธิ์ของจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย

Trang 2

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

Trang 3

By Mr Mien Van Tran

Field of study Civil Engineering

Thesis Principal Advisor Associate Professor Boonchai Stitmannaithum, D.Eng

Thesis Co-Advisor 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

(Professor Ekasit Limsuwan, Ph.D)

……… Thesis Principal Advisor (Associate Professor Boonchai Stitmannaithum, D.Eng.)

(Professor Toyoharu NAWA, D.Eng.)

(Associate Professor Phoonsak Pheinsusom, D.Eng)

(Associate Professor Teerapong Senjuntichai, Ph.D)

(Associate Professor Suvimol Sujjavanich, Ph.D)

Trang 4

iv เมียนวัน เจิ่น : 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รวม: 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 ลายมือชื่อนิสิต

สาขาวิชา วิศวกรรมโยธา ลายมือชื่อ อ ที่ปรึกษาวิทยานิพนธหลัก

ปการศึกษา 2551 ลายมือชื่อ อ ที่ปรึกษาวิทยานิพนธรวม

Trang 5

# # 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

Field of study: CIVIL ENGINEERING…… Advisor’s signature: ………

Trang 6

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

Trang 7

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

1.2 The objective of study 2

1.3 The scope of study 3

1.4 Literature review 3

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

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

Trang 8

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

CHAPTER V EXPERIMENTAL VERIFICATION 96

5.1 Experimental program 97

5.2 Experimental results and verifications of model 101

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

Trang 9

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 D tot 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

Trang 10

Table B.5 The results of XRD-Rietveld analysis of sample II-1 133

Table B.9 The results of XRD-Rietveld analysis of sample III-1 .135

Table B.13 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-1 .137

Table B.17 Experimental data of chloride binding isotherms of four cement types 139

Định dạng
Số trang	10
Dung lượng	2,64 MB