Assessment of chloride corrosion in steel fibre reinforced cementitious composites
Authors:   , Vieira Mylene de Melo 
Published: July 2023

High performance steel fibre reinforced cementitious composites (HPSFRCCs) show enhanced structural performance and durability. The improved properties favour its use in agressive conditions (such as marine environment) prone to corrosion. Despite the remarkable advances in the knowledge about corrosion of conventional reinforced concrete structures, questions still remain about its effects on the durability of HPSFRCC. The governing mechanisms of corrosion, the presence of cracks, the high steel fibre content, and the long-term chloride exposure still need to be properly evaluated. Given the increased application of HPSFRCC with structural responsibility and the high steel fibre content commonly used in the mixes, it is of great importance to understand the main mechanisms governing the chloride corrosion and its effects on the durability of the real-scale structures constructed with the material. To overcome these barriers and the uncertainty mentioned, this doctoral thesis adresses the following key issues: the effect of chlorides in uncracked HPSFRCCs under constant conditions; the influence of chloride corrosion in uncracked HPSFRCCs under wet-dry cycles with chlorides; the effect of corrosion in pre-cracked HPSFRCCs subjected to the same cycles and the proposal of a simplified model to consider the structural effects of corrosion. The first subject concerns the assessment of chloride corrosion on the aesthetic aspect and on the mechanical behaviour of HPSFRCCs by means of an accelerated test. For that, HPSFRCCs specimens with and without chlorides added to the mixes and with different fibre contents were tested. The preliminary experimental programme shows that, in general, the chlorides produce a level of surface corrosion with aesthetic consequences but have small influence on the mechanical performance. In the second subject, the influence of cycles was assessed in accelerated tests with uncracked HPSFRCCs prisms. The results reveal that, for uncracked HPSFRCCs elements, the corrosion affects the surface aspect but has no influence on the post-cracking response. The third subject focuses on the analysis of pre-cracked HPSFRCCs prisms under cyclic chloride exposure, considering different pre-crack widths and fibre contents. The study shows that the corrosion affects significantly the mechanical behaviour of the fibres for all specimens. The last subject covers a proposal of a simplified model to consider the effect of corrosion in the ULS design of HPSFRCC elements under cyclic chloride exposure. The model proposed was capable of reproducing the influence of the corrosion process over the cycles, being compatible with the current philosophy proposed in codes for the design of HPSFRCC structures.

Los compuestos cementicios de alta resistencia reforzados con fibra de acero (CCARRFA) muestran un mayor rendimiento estructural y durabilidad. Las mejoras en las propiedades del CCARRFA debido a la inclusión de fibras de acero favorecen su uso en condiciones agresivas (tales como el ambiente marino) propensas a la corrosión. A pesar de los notables avances en el estudio de la corrosión de estructuras de hormigón armado, aún quedan cuestiones sin resolver respecto a sus efectos en la durabilidad del CCARRFA. En relación a ello, los mecanismos que gobiernan la corrosión, la presencia de fisuras, el alto contenido de fibra de acero y la exposición prolongada a los cloruros deben ser evaluados adecuadamente.
Dado el aumento de la utilización de CCARRFA con responsabilidad estructural y el alto contenido de fibra de acero comúnmente utilizado en las mezclas, resulta de gran importancia comprender los principales mecanismos que gobiernan la corrosión, así como sus efectos en la durabilidad de estructuras a escala real construidas con este material. Para superar estas barreras y las incertidumbres mencionadas, esta tesis doctoral tratará los siguientes aspectos clave: el efecto de los cloruros en CCARRFA no fisurado en condiciones constantes; la influencia de la corrosión por cloruros en CCARRFA no fisurado sometido a ciclos de mojado y secado con cloruros; el efecto de la corrosión en CCARRFA fisurados sometidos a los mismos ciclos y una propuesta de modelo simplificado para considerar los efectos estructurales de la corrosión.
El primer aspecto aborda la evaluación de la corrosión por cloruros desde un punto de vista estético y del comportamiento mecánico del CCARRFA mediante un ensayo acelerado. Para ellos, se han ensayado probetas de CCARRFA con y sin cloruros añadidos a las mezclas con diferentes contenidos de fibra. La campaña experimental preliminar mostró que, en general, los cloruros producen un nivel de corrosión superficial con consecuencias estéticas, pero con poca influencia en el comportamiento mecánico. En el segundo aspecto, se evaluó la influencia de los ciclos en ensayos acelerados en probetas de CCARRFA no fisuradas. Los resultados revelaron que en los elementos de CCARRFA no fisurados la corrosión afecta al aspecto superficial pero no influye en la respuesta post-fisuración.
El tercer aspecto trata el análisis de probetas de CCARRFA fisuradas con diferentes anchos de fisura y contenidos de fibra sometidas a una exposición cíclica de cloruros. El estudio muestra que la corrosión afecta significativamente al comportamiento mecánico de las fibras de todas las probetas. El último aspecto se centra en la propuesta de uno modelo simplificado que considera el efecto de la corrosión en el diseño en ELU de elementos de CCARRFA bajo una exposición cíclica de cloruros. El modelo propuesto es capaz de reproducir el efecto del proceso de la corrosión a lo largo de los ciclos, siendo compatible con la actual filosofía propuesta en códigos para el diseño de estructuras de CCARRFA.