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    ABSTRACT: Restoration or seismic upgrading of historic structures requires special attention in terms of type and implementation modes. In particular, in cases where steel elements are coupled to the walls of tuff. The paper presents a case study of realization of steel arches in support tufa masonry. After about ten years, steel arches are suffering about corrosion problems leading to plaster cracking. Half-cell potential of steel, relative humidity and chloride content tests have been performed in order to understand causes that triggered corrosion process. Cold spray technology treatment of steel has been performed in order to protect steel and dehumidifying and breathable plaster has been used in order to promote drying of the walls of tufa.
    EUROSTEEL 2014 – 7th international conference on steel and composite structures; 09/2014
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    EUROCORR2014. European Corrosion Congress, Pisa; 09/2014
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    ABSTRACT: In this study, the corrosion behaviour of annealed and not annealed AISI 444 ferritic stainless steel in tap water with and without addition of selected concentrations of chloride ions was investigated. Cyclic potentiodynamic macro (large area) and micro (small area) polarization measurements (CPP), salt spray test, SEM and EDS analysis were employed to evaluate the pitting and crevice corrosion susceptibility of annealed and not annealed AISI 444. The results obtained indicate that annealing does not improve the resistance to pitting and crevice corrosion. Moreover, micro CPP indicates local susceptibility to pitting on both annealed and not annealed materials; such susceptibility was not evident from macro polarization tests.
    Corrosion Science 06/2014; · 3.62 Impact Factor
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    Antonio Bossio, Bellucci F., Acierno S., Pecce M.
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    ABSTRACT: Bar corrosion in Reinforced Concrete (RC) structures is a major cause of degradation leading to deterioration before design life is attained. Due to the presence of degradation, recent codes have adopted the concept of structures’ durability and service life. The consequences of reinforcement corrosion are the reduction of bars cross section, the formation of corrosion products leading to loss of bond and to the cracking of concrete cover and subsequent spalling. These problems require an interdisciplinary approach involving both material science and structural design competencies. Focusing on corrosion control of bars in RC structures, the paper presents main results about investigation on durability of EPS-based lightweight concretes. The aim of the work is to evaluate the EPS (Expanded polystyrene) effects on durability of RC structures in case of rehabilitation. Three different concrete mixture (a normal-weight concrete and two different mixtures of lightweight concretes with different percentages of EPS) have been exposed to 3.5% wt sodium chloride solution and electrical current in order to obtain an accelerated corrosion corresponding to a penetration rate of about 100 µm/year. The behavior in terms of durability of the concrete with EPS additions was evaluated considering time to cracking and the loss of bar cross-section.
    RILEM International workshop on performance-based specification and control of concrete durability, Zagabria Croazia; 06/2014
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    ABSTRACT: Reinforced concrete (RC) is a widely used material since about 100 years, but even if its diffusion is quite recent, some historical and cultural heritage constructions are made of RC. The early degradation of RC structures due to carbonation and chlorides attacks, even after few years from construction, has led to intervene on them. To preserve the historical RC structures and evaluate degradation level, non destructive tests (NDT) measures aimed at mid- and long-term monitoring are required. The experimental phase onsite should be coupled to specific theoretical models, previously developed, to estimate the bar corrosion degree and concrete degradation, for effective structural safety evaluations. The main focus of the paper is the comparison of three different NDTs on laboratory prototypes to provide a combined tool, needed especially in the case of historical structures where the only source of knowledge are NDTs. Half-cell potential measurement and corrosion rate measurement provide an insight on the health of steel reinforcement, while Ultrasound waves rate monitoring completes the knowledge on concrete state.
    2nd International conference on protection of Historical constructions, Antalya, Turchia; 05/2014
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    ABSTRACT: Il calcestruzzo è uno dei materiali da costruzione più resistenti e duraturo. L’accoppiamento di calcestruzzo e acciaio ha consentito di realizzare sezioni sempre più snelle e capaci di sopportare sollecitazioni di trazione. In condizioni di normale esercizio il calcestruzzo è un ambiente che conferisce all’acciaio uno stato detto di passività che ne preserva lo stato di conservazione. Quando però, l’ambiente circostante modifica le caratteristiche chimiche del calcestruzzo insorgono condizioni che distruggono lo strato superficiale di ossido protettivo sulle barre innescando il processo di corrosione delle barre che determina, come conseguenza, un degrado anche del calcestruzzo circostante. I processi di degrado che interessano il calcestruzzo possono essere di carattere fisico (cicli di gelo-disgelo), meccanico (urti, abrasioni, erosioni), chimico (reazioni alcali-aggregati, attacco acido, solfatico), biologico (azione del fouling) e strutturale (sovraccarichi, sollecitazioni cicliche). Frequentemente alcuni processi si sovrappongono, dando luogo ad azioni sinergiche. Nelle strutture armate, invece, il calcestruzzo è rinforzato con armature di acciaio: in questo caso il fenomeno di degrado più frequente è la corrosione, indotta soprattutto dalla presenza di ioni cloruro, Cl-, che deponendosi sulle aree anodiche non consentono la formazione di ossidi passivanti, e dall’anidride carbonica, CO2, che modifica il pH del calcestruzzo determinando condizioni ambientali (pH<9) che innescano il processo di ossidazione dell’acciaio. La presenza di cloruri solubili provenienti, ad esempio, da sali disgelanti (si pensi che solo negli Stati Uniti d’America ogni anno ne vengono usati 15 milioni di tonnellate e altri 4÷5 milioni sono utilizzati in Canada [1]), l’esposizione ad ambienti marini e la perdita di alcalinità del calcestruzzo dovuta alla carbonatazione (provocata dalla penetrazione dell’anidride carbonica) possono distruggere il film passivante di ossido che protegge le armature inducendo il fenomeno della corrosione [2]. L’attacco corrosivo costituisce la forma di degrado del calcestruzzo armato maggiormente più diffuso e pericoloso. Infatti, spesso, la sicurezza delle costruzioni è compromessa anche perché spesso i danni provocati non sono evidenti dall’esterno. Se da un lato i processi di degrado del calcestruzzo provocano il danneggiamento, più o meno ampio, del copriferro, riducendone le caratteristiche protettive, dall’altro, l’attacco corrosivo porta a fessurazioni o distacchi causati dall’azione espansiva dei prodotti di corrosione. La corrosione delle barre di armatura rappresenta la causa maggiore di degrado delle strutture in calcestruzzo armato. Il processo di corrosione, se non adeguatamente prevenuto e/o contrastato, conduce ad una serie di problematiche legate alla durabilità del manufatto intero. Si pensi, ad esempio, alla fessurazione del copriferro dovuta all’espansione dei prodotti della corrosione [3], la perdita di sezione trasversale della barra e la riduzione dell’aderenza all’interfaccia tra acciaio e calcestruzzo circostante [4] che può spingersi fino a valori tali da determinare il disancoraggio delle armature. Il risultato di tali effetti sulle strutture è la diminuzione della vita utile di servizio e della capacità portante dell’intera struttura [5-6]. La corrosione è, quindi, di fatto, la principale causa di danneggiamento, degrado e crollo delle strutture in calcestruzzo armato. La corrosione delle armature e la conseguente degradazione del calcestruzzo circostante rappresenta, pertanto, un problema reale di sicurezza pubblica e deve essere considerata con speciale attenzione. È fondamentale, pertanto, ai fini della determinazione del processo di degradazione, avere una stima della velocità di penetrazione del processo corrosivo. Fino alla seconda metà del secolo scorso non esistevano codici che fornivano indicazioni dirette al progettista in merito alla durabilità delle strutture in calcestruzzo armato. Il concetto di durabilità era basato su un’idea approssimativa della vita utile della struttura e i criteri erano affidati al progettista. Il conseguente degrado precoce di tali strutture ha portato a dover intervenire sulle strutture esistenti con alti costi di manutenzione e riparazione. A partire dagli anni novanta del secolo scorso sono state sviluppate delle norme europee che forniscono ai progettisti indicazioni preziose per la realizzazione di strutture durevoli. In particolare la UNI EN 206-1 e l’Eurocodice 2, in campo europeo, si limitano a proporre dei valori limite sul rapporto acqua/cemento, dello spessore di copriferro e del contenuto minimo di cemento che, in funzione delle condizioni di esposizione ambientale, sono intesi a garantire una vita utile di progetto di 50 o 100 anni in relazione all’importanza dell’opera. Queste raccomandazioni, seppur contribuiscano notevolmente, rispetto al passato, a chiarire i criteri di realizzazione e messa in opera di strutture durevoli si sono, tuttavia, rilevate inefficaci in condizioni ambientali molto aggressive (soprattutto in presenza di ioni cloruro). Oggigiorno, la prevenzione e il monitoraggio delle infrastrutture in calcestruzzo armato rappresentano un’importante e affascinante sfida nel campo dell’ingegneria strutturale e dei materiali che non possono prescindere l’una dall’altra nella realizzazione di opere durevoli. Le tecniche di indagine rappresentano, di conseguenza, uno strumento cruciale per la salvaguardia del patrimonio esistente. Tecniche di diagnosi non distruttive (NDT) basate su metodi elettrochimici per la misura della velocità della corrosione e del potenziale di libera corrosione, usati per monitorare, già da principio, l’evolversi delle condizioni di sviluppo del processo corrosivo, al fine di poter predire la vita residua della struttura e di poter programmare interventi di restauro o ripristino conservativo, con conseguente risparmio economico e aumento della sicurezza pubblica [7-8-9-10] sono innovative ed economiche, e restituiscono indicazioni chiare e precise dello stato di degrado generale dei manufatti in calcestruzzo armato. I danni subiti dall’acciaio nel calcestruzzo possono essere valutati utilizzando il metodo di semi-cella, la tecnica di polarizzazione in corrente continua (DC), o con la tecnica di impedenza a corrente alternata (AC) [11-12]. Inoltre, esistono tecniche di indagine non distruttiva anche per la stima del degrado del calcestruzzo (velocità degli ultrasuoni). Ogni anno ingenti investimenti sono fatti in termini di prevenzione dei fenomeni di corrosione o di restauro e ristrutturazione di strutture danneggiate, tanto che in Italia, nel campo delle strutture in calcestruzzo armato, gli investimenti per la conservazione e il ripristino delle strutture esistenti hanno ormai superato quelli per la costruzione di edifici nuovi. Negli Stati Uniti d’America, ad esempio, nel 1996 sono stati spesi circa due bilioni di dollari per riparare i danni accorsi ai ponti autostradali, e tale costo cresce ad una velocità di 500 milioni di dollari l’anno [13]. Secondo un rapporto dell’organizzazione americana del World Corrosion Organization (WCO) il costo mondiale della corrosione è di circa 2,2 trilioni di dollari, una cifra superiore al 3% del Prodotto Interno Lordo (PIL) mondiale [14]. In Italia, uno studio condotto dal CRESME (Centro Ricerche Economiche Sociali di Mercato per l’Edilizia e il territorio), stima che tale costo si aggira intorno al 4,5÷5% del PIL, pari a 70 mila milioni di euro. L’idea del presente lavoro è di poter fornire ai professionisti uno strumento analitico per la previsione della vita utile delle strutture e per l’individuazione del periodo ottimale degli interventi di manutenzione sulle strutture in calcestruzzo armato. Pertanto, un primo obiettivo è stato lo sviluppo di modelli analitici e FEM che rappresentino l’avanzamento del processo di corrosione dalla messa in opera di una struttura fino al raggiungimento degli stati limite ne che compromettono la sicurezza e la fruibilità. Nella prima fase di studio sono stati elaborati modelli analitici per il calcolo del consumo di barra in relazione ai parametri chimico-fisici, costitutivi e geometrici, dei materiali e degli elementi strutturali al fine di poter prevedere il meccanismo di innesco e sviluppo del processo di fessurazione e espulsione del copriferro, che partendo dall’indagine della causa (corrosione) restituiscono l’entità dell’effetto (consumo di sezione resistente o diminuzione di aderenza). L’obiettivo della ricerca è quello di modellare il processo di innesco, propagazione e apertura della fessura in elementi strutturali in calcestruzzo armato, valutare l’effetto dei principali parametri del calcestruzzo e delle barre di armatura sul comportamento meccanico del calcestruzzo. Nel primo capitolo saranno presentati i concetti generali del processo di corrosione, le cause e le forme di corrosione più diffuse per le strutture in calcestruzzo armato al fine di individuare i parametri generali fondamentali per la realizzazione di calcestruzzi durevoli e le tecniche di protezione aggiuntiva che possono essere utilizzate al fine di garantire la vita utile attesa. Nel secondo capitolo sono presentati i modelli analitici e FEM, sviluppati parametricamente, per la modellazione del processo di innesco e propagazione della fessura, che restituiscono il valore di barra consumatasi affinché si arrivi alla fessurazione del copriferro. Tali modelli, consentono, quindi, di calcolare la sezione residua ancora in esercizio in strutture degradate e, al contempo, consentono di realizzare manuali di manutenzione per le strutture che prevedano il tempo di intervento in relazione alla classe di esposizione dell’opera (che ne determina tipologia e velocità di attacco). Nel terzo capitolo sono descritte metodologie progettuali e di messa in opera dei materiali che consentono di eseguire una corretta progettazione del mix-design del calcestruzzo, una corretta esecuzione delle operazioni di getto, vibrazione, scassero e maturazione di un’opera. Nel quarto capitolo sono proposti, ai fini dimostrativi, esempi di calcolo risolti e commentati, al fine di poter applicare i modelli analitici presentati al capitolo due e poter cogliere a pieno le indicazioni di progettazione emessa in opera riportate al capitolo 3. Nel quinto capitolo sono infine presentati esercizi applicativi, in parte risolti, riguardanti le problematiche affrontate nel volume.
    Edited by Giuseppe Rosa, 01/2014; Wolters Kluwer Italia S.r.l.., ISBN: 978-88-6750-160-1
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    ABSTRACT: Il processo di corrosione delle armature di strutture in calcestruzzo armato interessa l’aspetto estetico, strutturale ed economico di ogni manufatto in calcestruzzo armato. Il processo di corrosione, dovuto agli agenti aggressivi, prevalentemente anidride carbonica e ioni cloruro, che dall’esterno attraversano il copriferro e raggiungono le barre di armatura, provoca la formazione di ossidi voluminosi. L’espansione degli ossidi genera una pressione sul calcestruzzo circostante che conduce, dapprima, alla fessurazione del copriferro, e poi alla sua completa espulsione (spalling) lasciando le barre sottostanti prive di protezione e, quindi, esposte direttamente all’azione degli agenti aggressivi. Il presente lavoro, in un’ottica causa-effetto, considerando anche i risultati ottenuti da precedenti modellazioni con il Metodo agli Elementi Finiti (FEM), propone un sistema di equazioni di equilibrio e compatibilità degli spostamenti per calcolare il consumo di barra che conduce alla fessurazione del copriferro. In ottica inversa, sono state realizzate simulazioni FEM al fine di correlare la dimensione della fessura sulla superficie del copriferro e la quantità di barra consumatasi. Il duplice approccio (causa-effetto ed effetto-causa) costituisce un buon supporto in fase progettuale (prevedere il tempo di vita utile della struttura e programmare gli interventi di ripristino) e in fase di diagnostica su strutture esistenti (acquisire la sezione di barra ancora in esercizio). Infine, è stata considerata la deformabilità del calcestruzzo a compressione e sono state realizzate analisi FEM per valutare l’influenza della non linearità del calcestruzzo.
    Pietro Pedeferri e la scuola di corrosione e protezione dei materiali al Politecnico di Milano; 09/2013
  • Antonio Bossio
    RemTech 2013; 09/2013
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    ABSTRACT: Il calcestruzzo armato (c.a.) è un materiale utilizzato da circa 100 anni. Il precoce degrado manifestatosi ha portato ad intervenire prematuramente sulle strutture. Sebbene la diffusione di strutture in c.a. sia abbastanza recente, esistono anche costruzioni in c.a. appartenenti al patrimonio storico e culturale. Al fine di salvaguardare il loro valore storico, è necessario realizzare interventi poco invasivi. È, quindi, necessaria la valutazione delle caratteristiche dei materiali mediante prove non distruttive per valutare il livello di degrado dei materiali. L'utilizzo di prove elettrochimiche richiede la rimozione di piccolissime porzioni di copriferro e consente di valutare, indirettamente, il valore della penetrazione di corrosione. Studi precedenti hanno fornito modelli analitici per valutare l’innesco e la propagazione della fessura in relazione a differenti parametri geometrici e costitutivi dei materiali. Il presente articolo vuole essere un nuovo strumento a disposizione dei professionisti per la valutazione della vulnerabilità delle strutture esistenti. In particolare, il modello proposto, riconduce alla riduzione di barra (diametro o sezione), in relazione all’apertura della fessura misurata in situ. I grafici riportati garantiscono una correlazione tra apertura delle fessure e perdita di sezione dell’armatura in relazione alle dimensioni geometriche degli elementi in calcestruzzo armato.
    Giornate Nazionali sulla Corrosione e Protezione - X Edizione; 07/2013
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    ABSTRACT: Evaluation of RC structures cannot leave aside from adequate structural monitoring, as clearly stated in main international building codes. Internal reinforcement corrosion due to carbonation, chlorides and sulphides attacks is one of the main causes of degradation of RC structures. An adequate monitoring of corrosion process requires minimally invasive non destructive tests (NDT) to evaluate level of degradation reached by the materials composing the structures. This experimental phase should be coupled with specific theoretical models, herein proposed. Present analytical model allows to evaluate the crack initiation, thus to schedule maintenance operations avoiding the appearance of the effects of corrosion, thus leading to obvious economic and programmatic benefits. Conversely, in the case of existing/deficient structures, presenting corrosion effect, the analytical model can be coupled with NDT to estimate the corrosion degree and concrete degradation, for effective safety evaluations. Measurement of corrosion rate and open circuit potential are minimally invasive monitoring techniques, leading to adequate knowledge level to perform structural analyses, including efficiently the effect of corrosion.
    First International Conference on Concrete Sustainaility; 05/2013
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    ABSTRACT: Evaluation of RC structures can not leave aside from adequate structural monitoring, as clearly stated in main international building codes. Internal reinforcement corros ion due to carbonation, chlorides and sulphides attacks is one of the main causes of degradation of RC structures. An adequate monitoring of corrosion process requires minimally invasive non destructive tests (NDT) to evaluate level of degradation reached by the materials composing the structures. This experimental phase should be coupled with specific theore tical models, herein proposed. Present analytical model allows to evaluate the crack initiation, thus to schedule maintenance operations avoiding the appearance of the effects of corrosion, thus leading to obvious economic and programmatic benefits. Conversely, in the case of existing/deficient structures , presenting corrosion eff ect, the analytical model can be coupled with NDT to estimate the corrosion degree and concrete degrada tion, for effective safety evaluations. Measurement of corrosion rate and open circuit potential are minimally invasive monitoring techniques, leading to adequate knowledge level to perform structural analyses, including efficiently the effect of corrosion.
    1st International Conference on Concrete Sustainability; 01/2013
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    ABSTRACT: Reinforced concrete (RC) is a widely used material since about 100 years. The early degradation of RC structures has led to intervene on them. Main causes of degradation are carbonation, chlorides and sulphides attacks. Even if diffusion of RC structures is quite recent, however historical and cultural heritage constructions are also made of RC. To preserve the historic value of such structures could require minimally invasive measures aimed at long-term safeguarding, if they are well designed; but it is important to evaluate material characteristics. For this purpose it is necessary to use non destructive tests (NDT) to evaluate the level of degradation reached by the materials composing the structures. Main electrochemical NDT are measurement of corrosion rate and open circuit potential. The use of such techniques requires the removal of small portions of concrete cover only. They, indirectly, allowthe valueof corrosion penetration to be evaluated. Previous studies provided analytical models to assess crack initiation and propagation according to different values of concrete strength, concrete cover, bar diameter and type of aggregates. Such models better perform for new buildings because historic structures are usually expected to present a visible crack pattern. This paper presents another tool in the box of practitioners to assess and evaluate the vulnerability of existing structures. In particular proposed model provides bar reduction in terms of diameter or cross sectional area, depending on actual crack opening. Outputs of the paper are design charts providing direct correlation between crack width and steel reinforcement loss depending on few geometrical dimensions of RC elements.
    Journal of Heritage Conservation. 01/2013; 34:36-40.
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    ABSTRACT: Structural assessment is not possible without an adequate structural health monitoring, as stated in recent codes. Corrosion is one of the main causes of degradation of reinforced concrete structures. The present work is part of a wider research project aiming at the evaluation of degradation process; in particular, herein, a theoretical model is coupled to non destructive tests (NDT) results. Proposed methods can be applied to new structures (to predict crack initiation) and to existing structures (to define time of rehabilitation), allowing for maintenance planning (three-year plans) and a good management of resources. Minimally invasive investigative techniques, such as mapping of bars potential, linear polarization and NDT on concrete deepen the knowledge on structural degradation. The proposed analytical model allows to evaluate bar reduction based on simple surface measures of crack opening.
    II Convegno di Ingegneria Forense e V Convegno su CRolli, Affidabilità Strutturale, Consolidamento; 11/2012
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    ABSTRACT: Reinforced concrete (RC) is a widely used material since about 100 years. The early degradation of RC structures has led to intervene on them. Main causes of degradation are carbonation, chlorides and sulphides attacks. Even if diffusion of RC structures is quite recent, however, historical and cultural heritage constructions are also made of RC. To preserve the historic value of such structures could require minimally invasive measures aimed at long-term safeguarding, if they are well designed; but it is important to evaluate material characteristics. For this purpose it is necessary to use non destructive tests (NDT) to evaluate level of degradation reached by the materials composing the structures. Main electrochemical NDT are: measurement of corrosion rate and open circuit potential. The use of such techniques requires the removal of small portions of concrete cover only. They, indirectly, allow the value of corrosion penetration to be evaluated. Previous studies provided analytical models to assess crack initiation and propagation according to different values of concrete strength, concrete cover, bar diameter and type of aggregates. Such models seem to better perform for new buildings because historic structures are usually expected to present a visible crack pattern. This paper presents another tool in the box of practitioners to assess and evaluate the vulnerability of existing structures. In particular proposed model provides bar reduction in terms of diameter or cross sectional area, depending on actual crack opening. Outputs of the paper are design charts providing direct correlation between crack width and steel reinforcement loss depending on few geometrical dimensions of RC elements.
    8th International Conference on Structural Analysis of Historical Constructions; 10/2012
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    ABSTRACT: Degradation of Reinforced Concrete (RC) Structures is a main economical problem, affecting emerging and industrialized countries. Some studies report that it costs 3÷4% of the Gross Domestic Product (GDP). The reinforcement corrosion is a major cause of degradation for structures and infrastructures throughout the world leading to their premature deterioration before their design life was attained. Different types of attack affects structures, in different ways and times and the worst consequences are: (i) reduction of the cross section of the reinforcement and thus reduction of strength capacity, (ii) formation of corrosion products that lead to loss of bond with the concrete, (iii) appearance of cracks in the concrete cover and consequent detachment thus leading to aesthetic and further durability issues. These problems require an interdisciplinary approach involving both material science and structural design competencies. Focusing on the bond behavior, the aim of this paper is to evaluate how internal lateral pressure, caused by corrosion products expansion until concrete cover spalling, influences the bond between concrete and steel. A detailed analysis is proposed on the effect of corrosion both on the mechanical interlock and on the transverse pressure influencing relevant bond properties of steel reinforcement bars in concrete structures. Main theoretical results are supported by experimental laboratory tests on this key topic.
    4th International Symposium Bond in Concrete; 06/2012
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    ABSTRACT: Due to the presence of degradation on reinforced concrete structures, recent codes have adopted the concept of structures’ durability and service life. The corrosion of reinforcement, which is a major cause of degradation, is not mainly related to the appearance of structures, but to structural safety. The consequences of corrosion of reinforcement are: (i) reduction of the cross section of the reinforcement, (ii) formation of corrosion products leading to loss of bond with concrete, (iii) appearance of cracks in the concrete cover and subsequent spalling. A mechanical analytical model to evaluate the stresses in the concrete surrounding the reinforcement bars is proposed. A refined model is then proposed to evaluate the non linear development of stresses inside concrete and crack propagation when reinforcement bars start to corrode. The relationships between the cracking development (mechanical) and the reduction of the steel section (electrochemical) are provided.
    2nd Workshop The New Boundaries of Structural Concrete 2011; 09/2011
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    ABSTRACT: Due to the presence of degradation on reinforced concrete structures, the concept of durability and service life of structures has been introduced in recent codes. The corrosion of reinforcement, a major cause of degradation, is not mainly related the appearance of structures, but to the structural safety. The consequences of corrosion of reinforcement are: (i) reduction of the cross section of the reinforcement, (ii) formation of corrosion products leading to loss of bond with concrete, (iii) appearance of cracks in the concrete cover and subsequent spalling.
    18th Congresso C. T. E. - 2010; 11/2010

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