Predicting the service life of reinforced concrete structures by monitoring the electrical resistivity of concrete

The alkaline pore solution of concrete protects the embedded carbon steel reinforcement against corrosion, but the protection is lost when the alkalinity of the pore solution is neutralized by the carbon dioxide present in the atmosphere. This process is known as carbonation. When the carbonation front reaches the same depth as the reinforcement, it causes the on-set of reinforcement corrosion. However, the residual service life of carbonated reinforced concrete structures depends on the rate of the corrosion process. The measurement of concrete electrical resistivity is suggested as a possible method to investigate the reinforcement corrosion, but some limitations are reported in literature. Based on the current state of the art, it was considered necessary to perform further experimental tests in laboratory and in situ as well as numerical simulations. The main aim of the PhD project was to study the possibility of using the monitoring of concrete electrical resistivity at different concrete cover depths to obtain the corrosion rate of carbon steel reinforcement with different concrete cover thicknesses and predicting the residual service life (or time to repair) of carbonated reinforced concrete structures. The corrosion rate of carbon steel reinforcement was investigated in carbonated concrete specimens exposed at climate-controlled conditions (different relative humidity and temperatures), wet-dry cycles and outdoor in unsheltered area (the atmosphere of Milano). At the same time, corrosion potential of reinforcement and electrical resistivity of concrete were measured with both external probe placed on the surface of concrete and embedded probe placed at the same depth as the reinforcement. A correlation was found only between reinforcement corrosion rate and concrete electrical resistivity when the electrical resistivity of concrete is measured at the same depth as the reinforcement. Furthermore, the correlation between corrosion rate and concrete electrical resistivity (C-R correlation) obtained in the climate-controlled conditions agrees with that obtained in wet-dry cycles and outdoor exposures. Contradictory results were found in literature on the role of concrete composition on the C-R correlation. Experimental tests performed on reinforced concrete specimen with different cement types, water to cement ratios and amount of aggregate have shown that the C-R correlation is concrete composition independent. Reinforced concrete structures built a long time ago are characterized by a wide distribution of concrete cover thickness, thus the corrosion rate has to be evaluated at different concrete cover depths. Experimental tests on rebar with different concrete cover thicknesses during outdoor exposure in unsheltered area showed significant higher corrosion rate on the deepest rebar than that on the shallowest rebar. In the same period, the electrical resistivity of concrete at the same depth as the deepest rebar was significant lower than that at the shallowest rebar. Although both reinforcement corrosion rate and concrete electrical resistivity depend on the concrete cover depth, the use of the C-R correlation to convert the electrical resistivity measured at the same depth as the reinforcement gave comparable corrosion rate to that measured with the linear polarization resistance technique. The possibility of measuring the electrical resistivity of concrete at different concrete cover depths in new and pre-existing reinforced concrete structures was investigated. No probes suggested in literature were found suitable, thus a probe made of multi half ring electrodes (MHRE) was designed, optimized with numerical simulations and, then, experimentally tested. When using the probe of MHRE in pre-existing reinforced concrete structures, the probe has to be post-embedded in drilled hole and a contact material (grout or mortar) is required to fix the probe and to guarantee the electrolytic contact. The influence of the contact material on the electrical resistivity measurement of concrete was studied by means of experimental tests and numerical simulations using a finite element model. The results have shown that the effect of contact material depends on the ratio between the electrical resistivity of contact material and pre-existing concrete, the thickness of the contact material and the geometry of the probe. At last, a methodology to obtain the corrosion rate of reinforcement with different concrete cover thicknesses in carbonated reinforced concrete structures by means of measurement of concrete electrical resistivity is presented. It can also be used to estimate the corrosion propagation time. The accuracy of the propagation time increases when reducing the interval between two consecutive measurements. In case of estimating the propagation time, a precautionary scenario that takes into account the dispersion of the experimental data was suggested. The presented methodology was applied on field, in the reinforced concrete structures of G. Meazza stadium in Milano, in order to evaluate the effectiveness of the current preventive measures against corrosion propagation and to plan the future maintenance activities.

La soluzione alcalina presente nei pori del calcestruzzo protegge le armature in acciaio al carbonio dalla corrosione, ma la protezione decade quando l'alcalinità della soluzione nei pori è neutralizzata dall'anidride carbonica presente nell'atmosfera. Questo processo è noto come carbonatazione. Quando il fronte di carbonatazione raggiunge la stessa profondità dell'armatura, si innesca la corrosione dell'armatura. Tuttavia, la vita residua delle strutture in calcestruzzo armato carbonatate dipende dalla velocità del processo di corrosione. La misura della resistività elettrica del calcestruzzo è stata suggerita come un possibile metodo per studiare la corrosione delle armature, ma alcune limitazioni sono riportate in letteratura. Sulla base dell'attuale stato dell'arte, è stato ritenuto necessario eseguire ulteriori prove sperimentali in laboratorio e in campo nonché simulazioni numeriche. Lo scopo principale del progetto di dottorato di ricerca è stato quello di studiare la possibilità di utilizzare il monitoraggio della resistività elettrica del calcestruzzo svolto a diverse profondità di copriferro al fine di ottenere la velocità di corrosione delle armature in acciaio al carbonio con diversi spessori di copriferro e prevedere la vita residua di servizio (o tempo prima degli interventi di ripristino) di strutture in calcestruzzo armato carbonatate. La velocità di corrosione dell'armatura è stata studiata in provini di calcestruzzo carbonati esposti a condizioni climatiche controllate (diversa umidità relativa e temperatura), cicli di asciutto-bagnato e all'esterno in un'area non protetta dalla pioggia (atmosfera di Milano). Allo stesso tempo, il potenziale di corrosione dell'armatura e la resistività elettrica del calcestruzzo sono stati misurati sia con sonde posizionate sulla superficie del calcestruzzo sia con sonde poste alla stessa profondità dell'armatura. Una correlazione è stata trovata solo tra la velocità di corrosione dell'armatura e la resistività elettrica del calcestruzzo quando la resistività elettrica del calcestruzzo è misurata alla stessa profondità dell'armatura. Inoltre, la correlazione tra la velocità di corrosione e la resistività elettrica del calcestruzzo (correlazione C-R) ricavata in condizioni climatiche controllate concorda con quella ottenuta nei cicli di asciutto-bagnato e nelle esposizioni in ambiente esterno. Risultati contraddittori sono stati trovati in letteratura per quanto riguarda il ruolo della composizione del calcestruzzo sulla correlazione C-R. Prove sperimentali svolte su provini in calcestruzzo armato con diversi tipi di cemento, rapporti acqua-cemento e quantità di aggregati hanno dimostrato che la correlazione C-R è indipendente dalla composizione del calcestruzzo. Le strutture in calcestruzzo armato costruite molto tempo fa sono, in genere, caratterizzate da un'ampia distribuzione dello spessore del copriferro, pertanto la velocità di corrosione deve essere valutata a diverse profondità di copriferro. Le prove sperimentali svolte su armature con diversi spessori di copriferro nel corso dell'esposizione in ambiente estereno in un'area non protetta dalla pioggia hanno mostrato una velocità di corrosione significativamente più elevata sulla barra d'armatura più profonda rispetto a quella meno profonda. Nello stesso periodo, la resistività elettrica del calcestruzzo alla stessa profondità dell'armatura più profonda era significativamente inferiore rispetto alla resistività elettrica a livello dell'armatura più superficiale. Sebbene sia la velocità di corrosione dell'armatura sia la resistività elettrica del calcestruzzo dipendono dalla profondità del copriferro,l'uso della correlazione C-R per convertire la resistività elettrica misurata alla stessa profondità dell'armatura ha fornito una velocità di corrosione comparabile a quella misurata con la tecnica di resistenza di polarizzazione lineare. La possibilità di misurare la resistività elettrica del calcestruzzo a diverse profondità di copriferro in strutture di calcestruzzo armato nuove e pre-esistenti è stata studiata. Nessuna sonda suggerita in letteratura consente la misura della resistività elettrica del calcestruzzo in una struttura pre-esistente, pertanto è stata progettata, ottimizzata con simulazioni numeriche e, successivamente, sperimentalmente provata una sonda composta da elettrodi a multi semi anello (MHRE). Nel caso di applicazione della sonda MHRE in strutture pre-esistenti di calcestruzzo armato, la sonda deve essere post-installata in un foro riempito con materiale di contatto (boiacca o malta) in modo da fissare la sonda e garantire il contatto elettrolitico. L'influenza del materiale di contatto sulla misura della resistività elettrica del calcestruzzo è stata studiata sia con prove sperimentali sia con simulazioni numeriche utilizzando un modello ad elementi finiti. I risultati hanno mostrato che l'effetto del materiale di contatto dipende dal rapporto tra la resistività elettrica del materiale di contatto e il calcestruzzo pre-esistente, lo spessore del materiale di contatto e la geometria della sonda. Infine, è stata presentata una metodologia per stimare la velocità di corrosione di armature con diversi spessori di copriferro in strutture di calcestruzzo armato carbonatate attraverso la misura della resistività elettrica del calcestruzzo. La metodologia proposta può anche essere usata per stimare il tempo di propagazione della corrosione. La precisione del tempo di propagazione aumenta quando si riduce l'intervallo tra due misure consecutive. In caso di stima del tempo di propagazione, è stato suggerito uno scenario precauzionale che tenga conto della dispersione dei dati sperimentali.La metodologia presentata è stata applicata in campo nelle strutture di calcestruzzo armato dello stadio G. Meazza di Milano al fine di valutare l'efficacia delle attuali misure preventive contro la propagazione della corrosione e di pianificare le future attività di manutenzione.