Concrete is the most commonly used building material, however, is not always crack free. When cracks occur, a preferable path for corrosion promoting substances (CO2, Cl- ions, etc.) is created and corrosion might take place. For uncracked concrete the corrosion mechanism is clear and corrosion model is relatively mature. However, research on reinforcement corrosion in cracked concrete is rare. The motivation of this research is to reach a better understanding of the physical mechanisms underlying the deterioration process of reinforcement in cracked concrete subjected to cyclic chloride and to propose a reliable method for estimating these processes. Laboratory tests were carried out on central cracked concrete beams, in which corrosion systems with single anode and multiple cathodes with different cover depth were arranged. The beams are subjected to both chloride/water wetting-drying cycle and natural exposures. Results indicate that the corrosion mechanism in cracked concrete is macro-cell corrosion which is mainly under concrete resistance control. The time development of corrosion rate is characterized as a three-phase process: the ascending phase, the descending phase and the equilibrium phase. The equilibrium corrosion state enables the prediction of the residual service life. An unconventional effect that corrosion intensity increased with concrete cover depth was observed in the laboratory tests. In order to confirm and explore this effect, numerical modelling on both the process of chloride/moisture penetration into cracked concrete and the simulation of corrosion state in propagation period was conducted. The mechanisms of chloride transportation into non-saturated cracked concrete is considered as diffusion coupled with convection with flowing moisture, associated with chloride binding which is described by Freundlich and Langmuir binding isotherms. Basic equations were built based on modified Fick’s second law and solved by Alternating-Direction Implicit finite difference method, with required boundary and initial conditions. To figure out the moisture evaporation rate in the crack, laboratory tests were carried out and a half logarithm relationship between the evaporation rate and exposure duration was found. Main parameters for the numerical simulation (diffusion coefficients of chloride and relative humidity, chloride binding capacity and moisture capacity) were estimated by factorial approach. The chloride/moisture penetration process was successfully simulated by the proposed model. The unconventional effect of concrete cover that observed in experimental study was well explained. The numerical simulation of corrosion state after depassivation was carried out with a self- developed FEM program ‘MCRC’ (Macro-cell Corrosion of Reinforcement in Concrete). Measured polarization curves were used as boundary conditions for the numerical modelling; a three-dimensional-location-dependent resistivity field was built to describe the electrolytic properties of the cracked beam. Corrosion potential and current density of both concrete and steel were obtained. Corrosion in cracked concrete was confirmed as under concrete resistance control. The accordance between the numerical and experimental results proved the validity of experiment results, meanwhile confirmed the efficiency of the numerical tools. Based on the chloride/moisture penetration model and the corrosion state model, both the initiation period and propagation period could be estimated.     «

Concrete is the most commonly used building material, however, is not always crack free. When cracks occur, a preferable path for corrosion promoting substances (CO2, Cl- ions, etc.) is created and corrosion might take place. For uncracked concrete the corrosion mechanism is clear and corrosion model is relatively mature. However, research on reinforcement corrosion in cracked concrete is rare. The motivation of this research is to reach a better understanding of the physical mechanisms underlyi...     »

Beton ist der meist verwendete Baustoff, doch ist der Beton nicht immer rissfrei. Wenn Risse auftreten, können korrosionsverursachende Substanzen (CO2, Cl--Ionen, etc.) ungehindert zur Bewehrung gelangen und Korrosion auslösen. Für ungerissenen Beton ist der Korrosionsmechanismus weitestgehend bekannt, während für Korrosion im gerissenen Beton noch viele Fragen unbeantwortet sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, ein besseres Verständnis für die physikalischen Mechanismen des Schädigungsprozesses Korrosion in gerissenen Beton unter zyklische Chloridbeaufschlagung zu gewinnen und eine zuverlässige Methode zur Abschätzung dieses Schädigungsprozesses zu erarbeiten. Es wurden Laborversuche an zentral gerissenen Betonbalken durchgeführt, in denen ein Korrosionssystem mit einer einzelnen Anode und multiplen Kathoden mit unterschiedlichen Betondeckungen angeordnet waren. Die Balken wurden zyklisch mit Chloridlösung und natürlich beaufschlagt. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass der Korrosionsmechanismus in gerissenem Beton dem einer Makrozellkorrosion entspricht, die unter Kontrolle des Elektrolytwiderstandes des Betons liegt. Die zeitliche Entwicklung der Korrosionsrate ist durch drei Phasen charakterisiert: die Aufstiegsphase, die Abstiegsphase und die Gleichgewichtsphase. Der Gleichgewichtszustand der Korrosion ermöglicht die Vorhersage der verbleibenden Lebensdauer. Die Korrosionsintensität steigt mit größer werdender Betondeckung. Zur Untersuchung dieses unerwarteten Effektes wurden numerische Simulationen sowohl des Chlorid/Feuchtigkeitstransport in den gerissenen Beton als auch des Korrosionszustands in der Schädigungsphase durchgeführt. Zur Simulation des Chloridtransportmechanismus in den ungesättigten Beton wurde sowohl die Diffusion gekoppelt mit der Konvektion und die Chloridbindekapazität nach Freundlich und Langmuir berücksichtigt. Die Gleichungen basieren auf dem modifizierten 2. Fick’schen Gesetz, die mit Hilfe der Finiten Differenzen Methode gelöst werden. Zur Bestimmung der Verdunstungsraten im Riss wurden Laborversuche durchgeführt, die als Ergebnis eine halblogarithmische Beziehung zwischen der Verdunstungsrate und Expositionsdauer ergaben. Die wichtigsten Parameter für die numerische Simulation (Chloriddiffusionskoeffizient, relative Luftfeuchtigkeit. Chloridbindekapazität und Feuchtekapazität) wurden durch einen Faktoransatz bestimmt. Der Chlorid/Feuchtigkeitseintrag wurde erfolgreich mit diesem Modell simuliert. Der unerwartete Effekt der Betondeckung auf die Korrosionsintensität konnte erklärt werden. Die numerische Simulation des Korrosionszustandes nach der Depassivierung wurde mit einem selbstentwickelten FEM Programm “MCRC” (Macro-cell Corrosion of Reinforcement in Concrete) untersucht. Als Randbedingung wurden experimentell bestimmte Polarisationskurven verwendet. Zur Beschreibung der elektrolytischen Eigenschaften im gerissenen Beton wurde ein dreidimensionales ortsabhängiges Widerstandsfeld verwendet. Berechnet wurden sowohl das Korrosionspotential als auch die Korrosionsstromdichten. Durch die numerische Simulationen konnte bestätigt werden, dass die Korrosion in gerissenem Beton einer elektrolytischen Kontrolle unterliegt. Die Übereinstimmung der numerischen und experimentellen Ergebnisse beweist die Gültigkeit der experimentellen Ergebnisse und bestätigt die Effizient der Numerik. Basierend auf dem Model des Chlorid/Feuchtigkeitstransports und des Korrosionsmodells können die Initiierungsphase und die Schädigungsphase bestimmt werden.     «

Beton ist der meist verwendete Baustoff, doch ist der Beton nicht immer rissfrei. Wenn Risse auftreten, können korrosionsverursachende Substanzen (CO2, Cl--Ionen, etc.) ungehindert zur Bewehrung gelangen und Korrosion auslösen. Für ungerissenen Beton ist der Korrosionsmechanismus weitestgehend bekannt, während für Korrosion im gerissenen Beton noch viele Fragen unbeantwortet sind. Das Ziel dieser Arbeit ist, ein besseres Verständnis für die physikalischen Mechanismen des Schädigungsprozesses Kor...     »