Modelling of chloride transport in non-saturated concrete : from microscale to macroscale

Resumen

Corrosion of steel bars embedded in concrete has a great influence on structural performance
and durability of reinforced concrete. Chloride penetration is considered to be a primary cause
of concrete deterioration in a vast majority of structures. Therefore, modelling of chloride penetration
into concrete has become an area of great interest.
The present work focuses on modelling of chloride transport in concrete. The differential
macroscopic equations which govern the problem were derived from the equations at the microscopic
scale by comparing the porous network with a single equivalent pore whose properties are
the same as the average properties of the real porous network. The resulting transport model,
which accounts for diffusion, migration, advection, chloride binding and chloride precipitation,
consists of three coupled differential equations. The first equation models the transport of chloride
ions, while the other two model the flow of the pore water and the heat transfer. In order
to calibrate the model, the material parameters to determine experimentally were identified.
The differential equations were solved by means of the finite element method. The classical
Galerkin method was employed for the pore solution flow and the heat transfer equations, while
the streamline upwind Petrov Galerkin method was adopted for the transport equation in order
to avoid spatial instabilities for advection dominated problems. The finite element codes are
implemented in Matlab® . To retrieve a good understanding of the influence of each variable
and parameter, a detailed sensitivity analysis of the model was carried out.
In order to determine the diffusive and hygroscopic properties of the studied concretes, as
well as their chloride binding capacity, an experimental analysis was performed. The model was
successfully compared with experimental data obtained from an offshore oil platform located in
Brazil. Moreover, apart from the main objectives, numerous results were obtained throughout
this work. For instance, several diffusion coefficients and the relation between them are discussed.
It is shown how the electric field set up between the ionic species depends on the gradient of the
species’ concentrations. Furthermore, the capillary hysteresis effects are illustrated by a proposed
model, which leads to the determination of several microstructure properties, such as the pore
size distribution and the tortuosity-connectivity of the porous network. El fenómeno de corrosión del acero de refuerzo embebido en el hormigón ha tenido gran
influencia en estructuras de hormigón armado, tanto en su funcionalidad estructural como en
aspectos de durabilidad. La penetración de cloruros en el interior del hormigón esta considerada
como el factor principal en el deterioro de la gran mayoría de estructuras. Por lo tanto, la modelización
numérica de dicho fenómeno ha generado gran interés.
El presente trabajo de investigación se centra en la modelización del transporte de cloruros
en el interior del hormigón. Las ecuaciones diferenciales que gobiernan los fenómenos a nivel
macroscópico se deducen de ecuaciones planteadas a nivel microscópico. Esto se obtiene comparando
la red porosa con un poro equivalente, el cual mantiene las mismas propiedades de la red
porosa real. El modelo está constituido por tres ecuaciones diferenciales acopladas que consideran
el transporte de cloruros, el flujo de la solución de poro y la transferencia de calor. Con estas
ecuaciones se tienen en cuenta los fenómenos de difusión, migración, advección, combinación y
precipitación de cloruros. El análisis llevado a cabo en este trabajo ha definido los parámetros
necesarios para calibrar el modelo. De acuerdo con ellas, se seleccionaron los ensayos experimentales
a realizar.
Las ecuaciones diferenciales se resolvieron mediante el método de elementos finitos. El método
clásico de Galerkin se empleó para solucionar las ecuaciones de flujo de la solución de
poro y de la transferencia de calor, mientras que el método streamline upwind Petrov-Galerkin
se utilizó para resolver la ecuación de transporte de cloruros con la finalidad de evitar inestabilidades
espaciales en problemas con advección dominante. El código de elementos finitos
está implementado en Matlab® . Con el objetivo de facilitar la comprensión del grado de influencia
de cada variable y parámetro, se realizó un análisis de sensibilidad detallado del modelo.
Se llevó a cabo una campaña experimental sobre los hormigones estudiados, con el objeto de
obtener sus propiedades difusivas, químicas e higroscópicas. El modelo se contrastó con datos
experimentales obtenidos en una plataforma petrolera localizada en Brasil. Las simulaciones
numéricas corroboraron los datos experimentales. Además, durante el desarrollo de la investigación
se obtuvieron resultados paralelos a los planteados inicialmente. Por ejemplo, el análisis de
diferentes coeficientes de difusión y la relación entre ellos. Así como también se observó que el
campo eléctrico establecido entre las especies iónicas disueltas en la solución de poro depende del
gradiente de concentración de las mismas. Los efectos de histéresis capilar son expresados por el
modelo propuesto, el cual conduce a la determinación de una serie de propiedades microscópicas,
tales como la distribución del tamaño de poro, además de la tortuosidad y conectividad de la
red porosa.