Chloride binding and time-dependent surface chloride content models for fly ash concrete

Abstract

Corrosion of embedded rebars is a classical deterioration mechanism of reinforced concrete structures exposed to chloride environments. Such environments can be attributed to the presence of seawater, deicing or sea-salts, which have high concentrations of chloride ion. Chloride ingress into concrete, essential for inducing rebar corrosion, is a complex interaction between many physical and chemical processes. The current study proposes two chloride ingress parameter models for fly ash concrete, namely: 1) surface chloride content under tidal exposure condition; and 2) chloride binding. First, inconsistencies in surface chloride content and chloride binding models reported in literature, due to them not being in line with past research studies, are pointed out. Secondly, to avoid such inconsistencies, surface chloride content and chloride binding models for fly ash concrete are proposed based upon the experimental work done by other researchers. It is observed that, proposed models are simple, consistent and in line with past research studies reported in literature.

Keywords

binding isotherms / chloride ingress / concrete / fly ash / surface chloride content

References

[1] Schiessl P, Raupach M. Influence of concrete composition and microclimate on the critical chloride content in concrete. In: Page C L, Treadaway K W J, Bamforth P B, eds. Corrosion of reinforcement in concrete. London (UK): Elsevier Applied Science, 1990, 49–58

[2] Glass G K, Buenfeld N R. The presentation of the chloride threshold level for corrosion of steel in concrete. Corrosion Science, 1997, 39(5): 1001–1013

[3] Zhang J Y, Lounis Z. Nonlinear relationships between parameters of simplified diffusion-based model for service life design of concrete structures exposed to chlorides. Cement and Concrete Composites, 2009, 31(8): 591–600

[4] Kayyali O A, Qasrawi M S. Chloride binding capacity in cement-fly-ash pastes. Journal of Materials in Civil Engineering, 1992, 4(1): 16–26

[5] Cheewaket T, Jaturapitakkul C, Chalee W. Long term performance of chloride binding capacity in fly ash concrete in a marine environment. Construction & Building Materials, 2010, 24(8): 1352–1357

[6] Saetta A V, Scotta R V, Vitaliani R V. Analysis of chloride diffusion into partially saturated concrete. ACI Structural Journal, 1993, 90(5): 441–451

[7] Song H W, Lee C H, Ann K Y. Factors influencing chloride transport in concrete structures exposed to marine environments. Cement and Concrete Composites, 2008, 30(2): 113–121

[8] Bastidas-Arteaga E, Chateauneuf A, Sanchez-Silva M, Bressolette P, Schoefs F. A comprehensive probabilistic model of chloride ingress in unsaturated concrete. Engineering Structures, 2011, 33(3): 720–730

[9] Bertolini L. Steel corrosion and service life of reinforced concrete structures. Structure and Infrastructure Engineering, 2008, 4(2): 123–137

[10] O’Neill Iqbal P, Ishida T. Modeling of chloride transport coupled with enhanced moisture conductivity in concrete exposed to marine environment. Cement and Concrete Research, 2009, 39(4): 329– 339

[11] Baroghel-Bouny V, Thiéry M, Wang X. Modelling of isothermal coupled moisture−ion transport in cementitious materials. Cement and Concrete Research, 2011, 41(8): 828–841

[12] Johannesson B F. A theoretical model describing diffusion of a mixture of different types of ions in pore solution of concrete coupled to moisture transport. Cement and Concrete Research, 2003, 33(4): 481–488

[13] Samson E, Marchand J. Modeling the effect of temperature on ionic transport in cementitious materials. Cement and Concrete Research, 2007, 37(3): 455–468

[14] Martin-Perez B, Zibara H, Hooton R D, Thomas M D A. A study of the effect of chloride binding on service life predictions. Cement and Concrete Research, 2000, 30(8): 1215–1223

[15] Ann K Y, Ahn J H, Ryou J S. The importance of chloride content at the concrete surface in assessing the time to corrosion of steel in concrete structures. Construction & Building Materials, 2009, 23(1): 239–245

[16] Chalee W, Jaturapitakkul C, Chindaprasirt P. Predicting the chloride penetration of fly ash concrete in seawater. Marine Structures, 2009, 22(3): 341–353

[17] Petcherdchoo A. Time dependent models of apparent diffusion coefficient and surface chloride for chloride transport in fly ash concrete. Construction & Building Materials, 2013, 38: 497–507

[18] Yuan Q, Shi C, De Schutter G, Audenaert K, Deng D. Chloride binding of cement-based materials subjected to external chloride environment − a review. Construction & Building Materials, 2009, 23(1): 1–13

[19] Dhir R K, ElMohr M A K, Dyer T D. Chloride binding in GGBS concrete. Cement and Concrete Research, 1996, 26(12): 1767–1773

[20] Ishida T, Miyahara S, Maruya T. Chloride binding capacity of mortars made with various Portland cements and mineral admixtures. Journal of Advanced Concrete Technology, 2008, 6(2): 287–301

[21] Mangat P S, Limbachiya M C. Effect of initial curing on chloride diffusion in concrete repair materials. Cement and Concrete Research, 1999, 29(9): 1475–1485

[22] Luping T, Gulikers J. On the mathematics of time-dependent apparent chloride diffusion coefficient in concrete. Cement and Concrete Research, 2007, 37(4): 589–595

[23] Zibara H. Binding of external chlorides by cement pastes. Dissertation for the Doctoral Degree. Toronto: University of Toronto, 2001

[24] Glass G K, Buenfeld N R. The influence of chloride binding on the chloride induced corrosion risk in reinforced concrete. Corrosion Science, 2000, 42(2): 329–344

[25] Amey S L, Johnson D A, Miltenberger M A, Farzam H. Predicting the service life of concrete marine structures: An environmental methodology. ACI Structural Journal, 1998, 95(2): 205–214

[26] Costa A, Appleton J. Chloride penetration into concrete in marine environment- Part I: Main parameters affecting chloride penetration. Materials and Structures, 1999, 32(218): 252–259

[27] Pack S W, Jung M S, Song H W, Kim S H, Ann K Y. Prediction of time dependent chloride transport in concrete structures exposed to a marine environment. Cement and Concrete Research, 2010, 40(2): 302–312

[28] Bentz E C, Evans C M, Thomas M D A. Chloride diffusion modelling for marine exposed concretes. In: Page C L, Bamforth P B, Figg J W, eds. Corrosion of Reinforcement in Concrete Construction. Cambridge (UK): The Royal Society of Chemistry Publication, 1996, 136–145

[29] Tang L P, Nilsson L O. Chloride binding-capacity and binding isotherms of opc pastes and mortars. Cement and Concrete Research, 1993, 23(2): 247–253

[30] Neville A. Chloride attack of reinforced-concrete—an overview. Materials and Structures, 1995, 28(176): 63–70

[31] Thomas M D A, Hooton R D, Scott A, Zibara H. The effect of supplementary cementitious materials on chloride binding in hardened cement paste. Cement and Concrete Research, 2012, 42(1): 1–7

[32] Martin-Perez B, Pantazopoulou S J, Thomas M D A. Numerical solution of mass transport equations in concrete structures. Computers & Structures, 2001, 79(13): 1251–1264

[33] Dhir R K, Jones M R. Development of chloride-resisting concrete using fly ash. Fuel, 1999, 78(2): 137–142

[34] Arya C, Buenfeld N R, Newman J B. Factors influencing chloride-binding in concrete. Cement and Concrete Research, 1990, 20(2): 291–300

[35] Byfors K, Hansson C M, Tritthart J. Pore solution expression as a method to determine the influence of mineral additives on chloride binding. Cement and Concrete Research, 1986, 16(5): 760–770

[36] Page C L, Short N R, Eltarras A. Diffusion of Chloride-Ions in Hardened Cement Pastes. Cement and Concrete Research, 1981, 11(3): 395–406

[37] Baroghel-Bouny V, Wang X, Thiery M, Saillio M, Barberon F. Prediction of chloride binding isotherms of cementitious materials by analytical model or numerical inverse analysis. Cement and Concrete Research, 2012, 42(9): 1207–1224

[38] Shafei B, Alipour A, Shinozuka M. Prediction of corrosion initiation in reinforced concrete members subjected to environmental stressors: A finite‐element framework. Cement and Concrete Research, 2012, 42(2): 365–376

[39] Thomas M D A, Matthews J D. Performance of pfa concrete in a marine environment—10-year results. Cement and Concrete Composites, 2004, 26(1): 5–20

[40] McPolin D, Basheer P A M, Long A E, Grattan K T V, Sun T. Obtaining progressive chloride profiles in cementitious materials. Construction & Building Materials, 2005, 19(9): 666–673

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg