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

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

นายเมียนวัน เจิ่น

วิทยานิพนธนี้เปนสวนหนึ่งของการศึกษาตามหลักสูตรปริญญาวิศวกรรมศาสตรดุษฎีบัณฑิต
สาขาวิชาวิศวกรรมโยธา ภาควิชาวิศวกรรมโยธา
คณะวิศวกรรมศาสตร จุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย
ปการศึกษา 2551
ลิขสิทธิ์ของจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย


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


Thesis Title
By
Field of study
Thesis Principal Advisor
Thesis Co-Advisor

Modeling of chloride penetration into concrete structures under
flexural cyclic load and tidal environment
Mr. Mien Van Tran
Civil Engineering
Associate Professor Boonchai Stitmannaithum, D.Eng.
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

…………………………………………. Chairman
(Professor Ekasit Limsuwan, Ph.D)

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

…………………………………………. Thesis Co-Advisor
(Professor Toyoharu NAWA, D.Eng.)

…………………………………………. Member
(Associate Professor Phoonsak Pheinsusom, D.Eng)

…………………………………………. Member
(Associate Professor Teerapong Senjuntichai, Ph.D)

…………………………………………. Member
(Associate Professor Suvimol Sujjavanich, Ph.D)


iv

เมียนวัน เจิน่ : 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รว ม: 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
สาขาวิชา วิศวกรรมโยธา
ปการศึกษา 2551

ลายมือชื่อนิสิต
ลายมือชื่อ อ. ที่ปรึกษาวิทยานิพนธหลัก
ลายมือชื่อ อ. ที่ปรึกษาวิทยานิพนธรวม


v
# # 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.

Department: CIVIL ENGINEERING………
Field of study: CIVIL ENGINEERING……
Academic year: 2008……………………….

Student’s signature: ……………………….
Advisor’s signature: ……………………….
Co-advisor’s signature: ……………………


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.


TABLE OF CONTENTS
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
2.5 Concluding remarks ........................................................................................57

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

3.3 Concluding remarks ........................................................................................73


viii

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

4.5 Concluding remarks ........................................................................................95

CHAPTER V EXPERIMENTAL VERIFICATION .....................................................96
5.1

Experimental program ....................................................................................97

5.2 Experimental results and verifications of model ...........................................101
5.3 Concluding remarks .......................................................................................118

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


ix

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 Dtot 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

x

Table B.2

The results of XRD-Rietveld analysis of sample I-2. ...............................131

Table B.3

The results of XRD-Rietveld analysis of sample I-3. ...............................132

Table B.4

The results of XRD-Rietveld analysis of sample I-4. ...............................132

Table B.5

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

Table B.6

The results of XRD-Rietveld analysis of sample II-2...............................133

Table B.7

The results of XRD-Rietveld analysis of sample II-3...............................134

Table B.8

The results of XRD-Rietveld analysis of sample II-4...............................134

Table B.9

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

Table B.10 The results of XRD-Rietveld analysis of sample III-2. ............................135
Table B.11 The results of XRD-Rietveld analysis of sample III-3. ............................136
Table B.12 The results of XRD-Rietveld analysis of sample III-4. ............................136
Table B.13 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-1. ............................137
Table B.14 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-2. ............................137
Table B.15 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-3. ............................138
Table B.16 The results of XRD-Rietveld analysis of sample IV-4. ............................138
Table B.17 Experimental data of chloride binding isotherms of four cement types. ..139