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Paradigm shift needed to forecast corrosion within Civil Engineering Structures

02/05/22-FR-English-NL-footer

Changement de paradigme nécessaire pour prévoir la corrosion dans les structures de génie civil

Corrosion1La cause la plus fréquente de dégradation et de défaillance des structures en béton armé est la corrosion induite par les chlorures de son acier intégré. Il s'agit d'un problème omniprésent et urgent qui nécessite une attention immédiate et une sensibilisation du public.

Un concept sous-jacent de seuil de chlorure est largement utilisé, et tous les modèles existants pour prévoir les performances de corrosion des structures en béton armé exposées à des environnements de chlorure sont basés sur ce concept théorique commun.

Dans Applied Physics Reviews, d'AIP Publishing, des chercheurs de Suisse, des États-Unis, du Canada et de Norvège plaident pour un changement de paradigme dans la science de la prévision des dommages dus à la corrosion dans les structures en béton armé.

Juste avant que la pandémie de COVID-19 ne frappe, le groupe international de scientifiques s'est réuni et a discuté des graves défauts de l'utilisation du concept de seuil de chlorure pour prévoir la corrosion. Ils disent qu'un changement est nécessaire pour relever les défis croissants des structures vieillissantes qui perdent leur fonctionnalité et s'effondrent potentiellement, des émissions de gaz à effet de serre et de l'économie en général.

"La corrosion de l'acier dans le béton est un phénomène complexe", a déclaré Ueli Angst, de l'ETH Zürich en Suisse. "Dans l'environnement généralement très alcalin du béton, où le pH peut être supérieur à 13, l'acier est considéré comme passif, ce qui signifie qu'il est recouvert d'une fine couche d'oxydes protecteurs et que sa vitesse de corrosion est négligeable."

Mais le béton est poreux et, lorsqu'il est exposé à des sels, tels que l'eau de mer ou les sels de voirie, les ions chlorure peuvent éventuellement pénétrer dans le béton et atteindre l'acier. À un moment donné, la couche passive protectrice sera détruite et la corrosion peut commencer. Selon les conditions d'exposition réelles, la corrosion peut se produire à un rythme plus rapide ou plus lent.

En réalité, la corrosion de l'acier dans le béton est un processus continu rarement séparable en phases séquentielles non couplées. Les chercheurs disent que l'accent devrait être mis sur la quantification du taux de corrosion variable dans le temps et dans l'espace à partir du moment où l'acier est placé dans le béton jusqu'à ce qu'il atteigne la fin de sa durée de vie.

Pour y parvenir, une approche multi-échelles et multidisciplinaire combinant les contributions scientifiques et pratiques de la science des matériaux, de la science de la corrosion, de la recherche sur le ciment/béton et de l'ingénierie des structures est nécessaire. Angst et ses collègues proposent que la recherche scientifique s'éloigne du concept de seuil de chlorure.

Corrosion

This figure shows how corrosion models play a role in the life of a structure. Image by Ueli M. Angst, O. Burkan Isgor, Carolyn M. Hansson, Alberto Sagüés, and Mette R. Geiker

"Malgré d'énormes quantités de recherches, aucun seuil de chlorure clair n'a pu être trouvé, et les facteurs d'influence sont complexes", a déclaré Burkan Isgor, de l'Oregon State University. "Malheureusement, la recherche traditionnelle est toujours à la recherche de ce seuil, qui présente un obstacle majeur au développement de modèles fiables de prévision de la corrosion."
NJC.© Info American Institute of Physics (AIP)

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02/05/22-English

Paradigm shift needed to forecast corrosion within Civil Engineering Structures

Corrosion1The most common cause of degradation and failures of reinforced concrete structures is chloride-induced corrosion of its embedded steel. This is a pervasive, urgent problem that requires immediate attention and public awareness.

An underlying concept of a chloride threshold is widely used, and all existing models to forecast corrosion performance of reinforced concrete structures exposed to chloride environments are based on this one common theoretical concept.

In Applied Physics Reviews, from AIP Publishing, researchers from Switzerland, the United States, Canada, and Norway advocate for a paradigm change in the science of forecasting corrosion damage within reinforced concrete structures.

Just before the COVID-19 pandemic hit, the international group of scientists met and discussed the severe flaws in using the chloride threshold concept for forecasting corrosion. They say change is needed to address the growing challenges of aging structures losing functionality and potentially collapsing, greenhouse gas emissions, and the economy at large.

“Corrosion of steel within concrete is a complex phenomenon,” said Ueli Angst, from ETH Zürich in Switzerland. “In the generally very high alkaline environment of concrete, where the pH may be higher than 13, steel is considered passive, which means it is covered by a thin layer of protective oxides and its corrosion rate is negligibly low.”

But concrete is porous, and when exposed to salts, such as seawater or road salts, chloride ions can eventually penetrate the concrete and reach the steel. At some point, the protective passive layer will be destroyed, and corrosion may start. Depending on actual exposure conditions, corrosion may occur at a faster or slower pace.

In reality, steel corrosion within concrete is a continuous process rarely separable into uncoupled, sequential phases. The researchers say the focus should be placed on the quantification of the time- and space-variant corrosion rate from the moment steel is placed within concrete until it reaches the end of its service life.

To achieve this, a multiscale, multidisciplinary approach combining scientific and practical contributions from materials science, corrosion science, cement/concrete research, and structural engineering is needed. Angst and his colleagues propose scientific research evolve away from the chloride threshold concept.

Corrosion

This figure shows how corrosion models play a role in the life of a structure. Image by Ueli M. Angst, O. Burkan Isgor, Carolyn M. Hansson, Alberto Sagüés, and Mette R. Geiker

“Despite huge amounts of research, no clear chloride threshold could be found, and the influencing factors are complex,” said Burkan Isgor, from Oregon State University. “Unfortunately, mainstream research is still in search of this threshold, which presents a major barrier to developing reliable corrosion forecast models.”
NJC.© info American Institute of Physics (AIP)

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02/05/22-NL

Paradigmaverschuiving nodig om corrosie binnen civieltechnische constructies te voorspellen

Corrosion1De meest voorkomende oorzaak van degradatie en defecten van constructies van gewapend beton is door chloride veroorzaakte corrosie van het ingebedde staal. Dit is een alomtegenwoordig, urgent probleem dat onmiddellijke aandacht en publieke bewustwording vereist.

Een onderliggend concept van een chloridedrempel wordt veel gebruikt en alle bestaande modellen om de corrosieprestaties van constructies van gewapend beton die worden blootgesteld aan chloride-omgevingen te voorspellen, zijn gebaseerd op dit ene algemene theoretische concept.

In Applied Physics Reviews, van AIP Publishing, pleiten onderzoekers uit Zwitserland, de Verenigde Staten, Canada en Noorwegen voor een paradigmaverandering in de wetenschap van het voorspellen van corrosieschade in constructies van gewapend beton.

Vlak voordat de COVID-19-pandemie toesloeg, ontmoette en besprak de internationale groep wetenschappers de ernstige tekortkomingen bij het gebruik van het chloridedrempelconcept voor het voorspellen van corrosie. Ze zeggen dat er verandering nodig is om de groeiende uitdagingen aan te pakken van verouderde structuren die functionaliteit verliezen en mogelijk instorten, de uitstoot van broeikasgassen en de economie in het algemeen.

"Corrosie van staal in beton is een complex fenomeen", zegt Ueli Angst van ETH Zürich in Zwitserland. "In de over het algemeen zeer alkalische omgeving van beton, waar de pH hoger kan zijn dan 13, wordt staal als passief beschouwd, wat betekent dat het bedekt is met een dunne laag beschermende oxiden en dat de corrosiesnelheid verwaarloosbaar laag is."

Maar beton is poreus en bij blootstelling aan zouten, zoals zeewater of strooizout, kunnen chloride-ionen uiteindelijk het beton binnendringen en het staal bereiken. Op een gegeven moment zal de beschermende passieve laag worden vernietigd en kan corrosie optreden. Afhankelijk van de werkelijke blootstellingsomstandigheden kan corrosie sneller of langzamer optreden.

In werkelijkheid is staalcorrosie in beton een continu proces dat zelden kan worden gescheiden in ontkoppelde, opeenvolgende fasen. De onderzoekers zeggen dat de nadruk moet worden gelegd op de kwantificering van de corrosiesnelheid in tijd en ruimte vanaf het moment dat staal in beton wordt geplaatst totdat het het einde van zijn levensduur bereikt.

Om dit te bereiken is een multischaal, multidisciplinaire aanpak nodig die wetenschappelijke en praktische bijdragen van materiaalwetenschap, corrosiewetenschap, cement/betononderzoek en bouwtechniek combineert. Angst en zijn collega's stellen voor dat wetenschappelijk onderzoek afwijkt van het concept van de chloridedrempel.

Corrosion

This figure shows how corrosion models play a role in the life of a structure. Image by Ueli M. Angst, O. Burkan Isgor, Carolyn M. Hansson, Alberto Sagüés, and Mette R. Geiker

"Ondanks enorme hoeveelheden onderzoek kon er geen duidelijke chloridedrempel worden gevonden en de beïnvloedende factoren zijn complex", zegt Burkan Isgor van de Oregon State University. "Helaas is het reguliere onderzoek nog steeds op zoek naar deze drempel, die een grote belemmering vormt voor het ontwikkelen van betrouwbare corrosievoorspellingsmodellen."
NJC.© Info American Institute of Physics (AIP)

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