Wpływ różnej zawartości cementu i wskaźnika wodno-cementowego na głębokość karbonatyzacji i prawdopodobieństwo karbonatyzacji w betonie

Hassan, Mostafa; Amleh, Lamya; Othman, Hesham

doi:10.32047/CWB.2022.27.2.4

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Wpływ różnej zawartości cementu i wskaźnika wodno-cementowego na głębokość karbonatyzacji i prawdopodobieństwo karbonatyzacji w betonie

Autorzy

Hassan Mostafa , Amleh Lamya , Othman Hesham

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://www.cementwapnobeton.pl/

Identyfikatory

DOI

10.32047/CWB.2022.27.2.4

Warianty tytułu

Effect of different cement content and water cement ratio on carbonation depth and probability of carbonation induced corrosion for concrete

Języki publikacji

PL EN

Abstrakty

Infrastruktura jest narażona na oddziaływanie dwutlenku węgla a co za tym idzie karbonatyzację betonu, która w przypadku mostów z żelbetu może powodować korozję stalowego zbrojenia. Dwutlenek węgla ma duży wpływ na głębokość karbonatyzacji betonu. Zawartość cementu i wskaźnik wodno-cementowy mają duży wpływ na głębokość karbonatyzacji betonu. Niniejsze badanie ma na celu zbadanie wpływu zmian klimatycznych na głębokość karbonatyzacji przez rozważenie różnych scenariuszy RCP [ang. Representative Concentration Pathway - reprezentatywnych ścieżek stężenia CO2]. Ponadto zbadano wpływ wytrzymałości betonu na ściskanie na głębokość karbonatyzacji. Dodatkowo zbadano wpływ różnych zawartości cementu na prawdopodobieństwo korozji, wywołanej karbonatyzacją. Rozważane są dwa parametry, a mianowicie zawartość cementu [400 kg/m3, 350 kg/m3 i 250 kg/m3] oraz stosunek wody do cementu [0,45 i 0,55]. W badaniu tym uwzględniono różne stężenia CO2 przy użyciu scenariuszy RCP. Scenariusze RCP [2.6, 4.5, 6 i 8.5] zostały wykorzystane przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu [IPCC], do przedstawienia odpowiednio ścieżki niskiej, średniej i wysokiej emisji. Głębokość karbonatyzacji oszacowano za pomocą równań Yoona i Stewarta. Ponadto zbadano prawdopodobieństwo korozji wywołanej karbonatyzacją za pomocą symulacji Monte Carlo i metody niezawodności pierwszego rzędu, przy różnych zawartościach cementu [FORM] dla RCP 8.5. Określono procentowy wzrost głębokości karbonatyzacji przy użyciu Yoona w porównaniu z równaniami Stewarta, dla mieszanek betonowych o różnych proporcjach wody do cementu i zawartości cementu w latach 2025 i 2100, zarówno dla RCP 2.6, jak i RCP 8.5. Ostatecznie prawdopodobieństwo diokorozji wywołanej karbonatyzacją przeprowadzonej przez FORM dla zawartości cementu 250 kg/m3, wzrosło o 118% w porównaniu z prawdopodobieństwem karbonatyzacji z zawartością cementu wynoszącą 400 kg/m3, dla roku 2100.

Nowadays transportation infrastructure is subjected to a high percentage of carbon dioxide emissions. CO2 greatly affects the carbonation depth of concrete, which can affect the deck for reinforced concrete bridges causing corrosion to steel reinforcement. Cement content and water to cement ratio greatly influence the carbonation depth of concrete. This study aims to investigate the effect of climate change on carbonation depth by considering different Representative Concentration Pathways [RCPs]. In addition, the effect of different compressive strengths on the carbonation depth was investigated in this research. Additionally, the effect of different cement contents on the probability of carbonation-induced corrosion has been investigated. Two parameters are considered, namely, the cement content [400 kg/m3, 350 kg/m3, and 250 kg/m3] and, the water to cement ratio [0.45 and 0.55]. This study RCPs for CO2 concentrations. The RCP [2.6, 4.5, 6, and 8.5] trajectory was used by the Intergovernmental Panel on Climate Change [IPCC], which represents low emission pathways, intermediate emission pathways, and high emission pathways, respectively. Carbonation depth has been estimated using Yoon’s and Stewart’s equations. Furthermore, the probability of carbonation-induced corrosion has been investigated using Monte Carlo simulation and the first-order reliability method at different cement contents for RCP 8.5. The percentage increase in the carbonation depth using Yoon’s compared to Stewart’s equations for concrete mixes which consist of different water to cement ratios and cement content for the years 2025 and 2100 for both RCP 2.6 and RCP 8.5 were calculated. Finally, the probability of carbonation-induced corrosion conducted by FORM for cement content of 250 kg/m3 has been increased by 118% compared to the probability of carbonation including cement content equal to 400 kg/m3 for the year 2100.

Słowa kluczowe

głębokość karbonatyzacji scenariusz RCP zmiana klimatu zawartość cementu stosunek wodno-cementowy prawdopodobieństwo korozji karbonatyzacja FORM symulacja Monte Carlo

carbonation depth representative concentration pathways RCP climate change cement content water-cement ratio corrosion probability carbonation FORM Monte Carlo simulation

Wydawca

Fundacja Cement, Wapno, Beton

Czasopismo

Cement Wapno Beton

Rocznik

2022

Tom

R. 27, nr 2

Strony

126--143

Opis fizyczny

Bibliogr. 31 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Hassan Mostafa

mostafa.hassan@ryerson.ca

Ryerson University, Toronto - Ontario - Canada

autor

Amleh Lamya

Ryerson University, Toronto - Ontario - Canada

autor

Othman Hesham

Ryerson University, Cairo Campus hosted by Universities of Canada in Egypt, New Administrative Capital, Egypt

Bibliografia

1. G.Verbeck, Carbonation of hydrated Portland cement, ASTM Spec. Tech. Publ. 205, 17-36 (1958).
2. F. Bouchaala, C. Payan, V. Garnier, J.P. Balayssac, Carbonation assessment in concrete by nonlinear ultrasound. Cem. Concr. Res. 41, 557-559 (2011).
3. J.M. Chi, R. Huang, C.C. Yang, Effects of carbonation on mechanical properties and durability of concrete using the accelerated testing method. J. Mar. Sci. Technol. 10, 14-20 (2002).
4. T. Bier, J. Kropp, H. Hilsdorf, Formation of silica gel during carbonation of cementitious systems containing slag cement. Procc. 3rd Int. Conf. Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolans in Concrete, Trondheim, Norway; American Concrete Institute: Farmington Hills 1, MI, USA, (1989).
5. V.G. Papadakis, C.G. Vayenas, M.G. Fardis, Fundamental Modeling and Experimental Investigation of Concrete Carbonation. ACI Mater. J. 88 (4), 363-373 (1991).
6. A. Bentur, S. Diamond, N.S. Berke. Steel Corrosion in Concrete. CRC Press: London, UK, ISBN 9781482271898, 158 (1997).
7. C. Alonso, C. Andrade, J.A. Gonzalez, Relation between resistivity and corrosion rate of reinforcements in carbonated mortar made with several cement types. Cem. Concr. Res. 18, 687-698 (1988).
8. D.J. Anstice, C.L. Page, M.M. Page, The pore solution phase of carbonated cement pastes. Cem. Concr. Res. 35, 377-383(2005).
9. X. Wang, M.G. Stewart, M. Nguyen. Impact of climate change on corrosion and damage to concrete infrastructure in Australia. Climatic Change. 110, 941-957 (2012).
10. C. Jones, E. Robertson, V. Arora, P. Friedlingstein, E. Shevliakova, L. Bopp, V. Brovkin, T. Hajima, E. Kato, M. Kawamiya, S. Liddicoat, K. Lindsay, C.H. Reick, C. Roelandt, J. Segschneider, J. Tjiputra, Twenty-first-century compatible CO2 emissions and airborne fraction simulated by CMIP5 earth system models under four Representative Concentration Pathways. J. Climate 26, 4398-4413 (2013).
11. G. Myhre, D. Shindell, F.M. Bréon, W. Collins, J. Fuglestvedt, J. Huang, D. Koch, J.F. Lamarque, D. Lee, B. Mendoza, T. Nakajima, A. Robock, G. Stephens, T. Takemura H. Zhang, Anthropogenic and natural radiative forcing; in Climate Change. The Physical Science Basis (Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom, and New York, NY, USA, 659-740 (2013). https://doi.org/10.1017/CBO9781107415324.018.
12. M. Collins, R. Knutti, J. Arblaster, J.L. Dufresne, T. Fichefet, S.P. Friedling, X. Gao, W.J. Gutowski, T. Johns, G. Krinner, M. Shongwe, C. Tebaldi, A.J. Weaver M. Wehner, Long-term climate change: projections. commitments and irreversibility in Climate Change. The Physical Science Basis (Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change). Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom, and New York, NY, USA, 1029-1136 (2013).
13. D.P. van Vuuren, J. Edmonds, M. Kainuma, K. Riahi, A. Thomson, K. Hibbard, G.C. Hurtt, T. Kram, V. Krey, J.F. Lamarque, T. Masui, M. Meinshausen, N. Nakicenovic, S.J. Smith, S.K. Rose, The representative concentration pathways. An overview of Climatic Change. 109, 5-31 (2011).
14. I.S. Yoon, O. Copuroglu, K.B. Park, Effect of global climatic change on carbonation progress of concrete. Atmos. Environ. 41, 7274-7285 (2007).
15. M.G. Stewart, X. Wang, M.N. Nguyen, Climate change impact and risks of concrete infrastructure deterioration. Eng. Struct. 33, 1326-1337 (2011). https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2011.01.010.
16. K. George, L.H. Ziska, J.A. Bunce, B. Quebedeaux, Elevated atmospheric CO2 concentration and temperature across an urban-rural transect. Atmos. Environ. 41, 7654-7665 (2007).
17. DuraCrete. Modeling of degradation, DuraCrete-probabilistic performance-based durability design of concrete structures, EU-Brite EuRam III. Contract BRPR-CT95-0132. Project BE95-1347/R4-5. 174 (1998).
18. M.A. Sanjuan, C. del Olmo, Carbonation resistance of one industrial mortar used as a concrete coating. Build. Environ. 36(8), 949-953 (2001).
19. F. de Larrard, Concrete mixtures proportioning a scientific approach. London: E & FN Spon, (1999).
20. M.A. Baccay, N. Otsuki, T. Nishida, S. Maruyama, Influence of cement type and temperature on the rate of corrosion of steel in concrete exposed to carbonation. Corrosion 62(6), 811-821 (2006).
21. DuraCrete. Statistical quantification of the variables in the limit state functions. DuraCrete-probabilistic performance-based durability design of concrete structures, EU-Brite EuRam III. Contract BRPR-CT95-0132. Project BE95-1347/R9. 130 (2000).
22. M.G. Stewart, B. Teply, H. Kralova, The effect of temporal and spatial variability of ambient carbon dioxide concentrations on carbonation of RC structures. 9th Int. Conf. Durability of Building Materials and Components. CSIRO. 246 (2002).
23. A. Silva, R. Neves, J. de Brito, Statistical modeling of carbonation in reinforced concrete. Cem. Concr. Comp. 50, 73-81 (2014).
24. B. Mizzi, Y. Wang, R. Paul Borg, Effects of climate change on structures; analysis of carbonation-induced corrosion in Reinforced Concrete Structures in Malta. FIB Conference: Sustainable Concrete: Materials and Structures. 442. (2018). DOI: 10.1088/1757-899X/442/1/012023
25. AS3600. Concrete structures, Sydney: Standards Australia, (2009).
26. I.M. Sobol, A Primer for the Monte Carlo Method, CRC Press, (1994).
27. D.P. Kroese, T. Brereton, T. Taimre, Z.I. Botev, Why the Monte Carlo method is so important today. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Statistics, 6 (6): 386-392 (2014).
28. M.H. Kalos, P.A Whitlock. Monte Carlo Methods. John Wiley & Sons, New York, NY, USA, 2nd ed. (2008).
29. S.K. Choi, R.V. Grandhi, R.A. Canfield, Reliability-Based Structural Design. Springer, New York, USA (2007).
30. A. Hasofer, N. Lind, Exact and invariant second-moment code format. J. Eng. Mech. Div. ASCE (EM1). 21, 100-111 (1974).
31. E. Bastidas-Arteaga, A. Soubra, Reliability Analysis Methods, Michael A. Hicks; Cristina Jommi. ALERT Doctoral School 2014 - Stochastic Analysis and Inverse Modelling. 53-77 (2014).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-d4305473-8347-4712-b81c-3e23423e9e88