New insights on the fundamentals and modeling of the external sulfate attack in concrete structures

Abstract

The external sulfate attack (ESA) is a complex degradation process typically compromising the durability of underground foundations, nuclear or industrial waste containments and tunnel linings exposed to sulfate solutions. The structures affected usually remain covered its entire service life, which compromises the detection of this phenomenon before severe material degradation has occurred. Once diagnosed, the large size and criticality of the typical structures affected greatly limit the efficiency of the remedial actions. Consequently, monitoring of the evolution of the structural behavior is often the only applicable measure. This scenario places the development of reliable tools to assist the design of sulfate-resisting concrete structures and assess the risk of ESA in existing properties as key challenges for structural durability. The present thesis aims to advance knowledge in this field by presenting important contributions in three different research lines: numerical modeling of the ESA, role of porosity during the attack and the relevance of reproducing field-like conditions on ESA assessments. Advances on the ESA numerical modelization led to the development of a chemo-transport-mechanical model and a simplified assessment methodology. The former simulates the effects of ionic transport, chemical reactions, degradation mechanisms and the mechanical response of the structure. The validations performed indicate that the model captures the importance of the location of the ettringite formed within the pore network and provides a fair quantification of the overall expansions. The simplified assessment methodology evaluates the risk of failure during the ESA based on the aggressiveness of the media, the reactivity and mechanical properties of the material and the geometric characteristics and service life of the element under attack, without resorting to complex iterative algorithms. Unlike current design guidelines, the application of this simplified procedure allows the definition of flexible and optimized precautionary measures for each application. The second research line involved an extensive experimental program that led to the formulation of a conceptual model to explain the role of porosity during the ESA. The results obtained indicate that high durability against the attack might be achieved by limiting the penetration of sulfates or increasing the capacity of the matrix to accommodate expansive products. Both approaches correspond to opposing pore characteristics of the matrix: the former is usually associated with low porosities while the latter requires matrices with high porosities. These results question the common perception that high porosities are always negative for ESA durability and open up the possibility to design sulfate-resisting materials by increasing the capacity of the matrix to accommodate expansive phases. The third research line evaluates the influence of early sulfate exposure and the effects of confinement on the ESA by two experimental programs. The first study suggests that the delayed exposition to sulfates commonly adopted in accelerated laboratory tests might lead to imprecise damage estimations for structures cast in situ. In these cases, it is recommended to expose the samples to sulfates shortly after casting. The second study suggests that assessing sulfate resistance on specimens in free-expanding conditions might not be representative of the behavior of real structures where the attack is developed in combination with confining conditions. Results indicate that compressive stresses generated by confinement interact with the normal development of the attack by limiting or delaying the appearance of micro-cracks and reducing the amount of ettringite crystals exerting expansive pressures.

El ataque sulfático externo (ASE) es un proceso de degradación complejo que afecta principalmente la durabilidad de estructuras de cimentación, contenedores de residuos nucleares o industriales y revestimientos de túneles. Dichas estructuras suelen permanecer enterradas toda su vida útil, lo que compromete la detección del fenómeno antes de que se hayan desarrollado altos niveles de degradación. Una vez detectado, el tamaño e importancia estratégica de las estructuras afectadas limitan las opciones de reparación y su eficacia. Debido a ello, habitualmente la única acción posible consiste en la monitorización de la evolución del comportamiento estructural. Este escenario sitúa el desarrollo de herramientas para el diseño de estructuras resistentes a sulfatos y la evaluación del fenómeno en propiedades existentes como desafíos clave para la durabilidad de estructuras enterradas. Esta tesis doctoral aspira a profundizar el conocimiento en torno a esta temática mediante contribuciones relevantes en tres líneas de investigación: la modelización numérica del ASE, el rol de la porosidad durante el ataque y la relevancia de reproducir condiciones de campo en la evaluación del ASE. Avances en el campo de la modelización numérica han dado lugar a un modelo avanzado y una metodología de evaluación simplificada del ASE. El primero se basa en la simulación de procesos de transporte iónico, reacciones químicas, mecanismos de degradación y respuesta mecánica de la estructura. Las validaciones realizadas indican que el modelo refleja la importancia de la localización de la etringita dentro de la red porosa y proporciona estimaciones ajustadas de las expansiones generadas. La metodología de evaluación simplificada mide el riesgo de fallo estructural basándose en la agresividad del medio, la reactividad y propiedades mecánicas del material y las características geométricas y vida útil del elemento atacado, sin recurrir a algoritmos iterativos. A diferencia de las guías de diseño actuales, su aplicación permite la definición de medidas preventivas ajustadas a cada aplicación. La segunda línea de investigación ha dado lugar a un modelo conceptual que explica el rol de la porosidad durante el ASE. Los resultados obtenidos indican que se pueden alcanzar altas resistencias al ataque mediante la limitación de la penetración de sulfatos en la estructura o incrementando la capacidad de la matriz de acomodar fases expansivas. Los dos enfoques se corresponden a características porosas opuestas de la matriz. La primera se suele asociar a bajas porosidades mientras que la segunda se maximiza en porosidades altas. Los resultados obtenidos cuestionan la idea de que porosidades altas siempre son negativas para la durabilidad ante el ASE y abre la posibilidad de diseñar materiales resistentes a sulfatos incrementando la capacidad de acomodar fases expansivas. La tercera línea de investigación evalúa la influencia de la exposición temprana a sulfatos y los efectos del confinamiento en el ASE. Resultados referentes al primer estudio indican que una exposición tardía a los sulfatos como la empleada en la mayoría de ensayos acelerados puede conllevar a estimaciones incorrectas del daño generado en estructuras fabricadas in situ. El segundo estudio, referente a los efectos del confinamiento, sugiere que el uso de probetas en condiciones de expansión libre puede no ser adecuado para reproducir los efectos del ASE en estructuras donde el ataque se desarrolla en condiciones confinadas. Las tensiones de compresión generadas interactúan con el desarrollo normal del ataque limitando o retardando la aparición de micro-fisuras y reduciendo la cantidad de cristales de etringita creciendo en condiciones confinadas y por ende, ejerciendo presiones expansivas.