Abstract: Concrete cover cracking due to reinforcement corrosion is widely accepted as a limit-state indicator in defining the end of functional service life for existing reinforced concrete (RC) structures undergoing corrosion. Many of the currently available durability prediction models are incapable of providing realistic estimates of remaining service lives of RC structures beyond the corrosion initiation point. Therefore, the need to incorporate the length of the corrosion propagation stage in a comprehensive durability prediction approach has recently received much research attention. Previous research focus however was mostly limited to the case of uniformly corroding reinforcement with only few studies addressing the commonly encountered case of localized rebar corrosion. It was empirically shown in a previous study that localized corrosion can have a mitigating effect on time to concrete cover cracking due to the larger required depth of rebar corrosion penetration (Critical penetration or Xcrit). The present research was focused on developing a model for predicting Xcrit for various degrees of corrosion localization including new cases of highly localized corrosion. Accelerated corrosion testing of controlled anodic regions along axial rebars in sound concrete cylinders suggested that localized corrosion can increase Xcrit by up to about a factor of 10. The effect of corrosion localization on the orientation of corrosion-induced surface cracks was also addressed. Testing of freely corroding pre-cracked RC pipe specimens in a chloride-containing environment indicated that steel corrosion can be localized at intersection regions with the pre-existing cracks and uniformly distributed around the reinforcing steel perimeter. Numerical modeling was undertaken to substantiate the experimentally observed trends on a theoretical basis for various degrees of corrosion localization. A mechanical model was developed to improve understanding of the underlying mechanism responsible for corrosion-induced stresses. A thick-walled multiple-cylinder approach was employed to simulate crack initiation and propagation to account for the residual strength property of concrete after cracking by applying the principles of applied elasticity. For a given concrete cover depth, the amount of Xcrit was shown by modeling to be largely determined by the length of corroding region and the capacity of the induced cracks to accommodate produced rusts. The properties of both concrete-rebar interface and corrosion products were also found to have a significant impact on Xcrit. Based on the model and experimental trends and comparisons with literature data, an improved relationship for the estimation of Xcrit was proposed. An electrochemical model was also formulated to address the possible role of corrosion aggravation due to macrocell coupling in counteracting the mitigating effect of increased Xcrit on time to concrete cover cracking. Findings confirmed that corrosion localization can reasonably be considered a mitigating factor for extending the corrosion propagation stage, and provided more precise quantification to that effect.

O concreto armado era tido, quando da sua concepção inicial, como um material que teria boa durabilidade e uma vida útil elevada, praticamente dispensando reparos. Com a intensificação de seu uso, todavia, começaram a serem observados diversos processos de deterioração que resultaram, nos casos mais críticos, em severos comprometimentos de desempenho ou falhas prematuras. Dentre as manifestações patológicas que mais transtorno e prejuízos causam às estruturas civis, destaca-se a corrosão de armaduras, por sua elevada incidência e potencial de dano. Embora já exista um considerável número de pesquisas acerca deste tema, percebe-se que a ênfase atual se encontra no estudo do processo de iniciação da corrosão, e poucos estudos se voltam para a caracterização da fase de propagação, onde os danos se intensificam. Assim, esta pesquisa tem a finalidade, pela realização de experimentos conjugados com uma análise numérica, de contribuir para que sejam entendidos os efeitos, em termos de prejuízo do desempenho estrutural, da propagação da corrosão em estruturas civis. Para fins desta pesquisa, consideraram-se como efeitos significativos nas propriedades estruturais: a perda da aderência entre o aço e o concreto; a diminuição da área de seção transversal da armadura; a diminuição da resistência à tração do aço; e o aparecimento de tensões de tração devido ao acúmulo dos produtos de corrosão junto às barras. Foi estimulado o desenvolvimento de processos de corrosão em corpos-de-prova de concreto contendo barras de aço, que usa aplicação de corrente constante e exposição a uma solução de cloretos, e os graus de corrosão estudados foram equivalentes a perdas de massa de 0, 2, 5, 10 e 20%. Os resultados obtidos nesta fase experimental foram empregados como referência para uma análise numérica, cuja validação foi feita pela avaliação de vigas moldadas e deterioradas em laboratório pelo processo de corrosão induzido. Os resultados da pesquisa mostram, em suma, que os corpos-de-prova de concreto afetados pela corrosão de armaduras, devido ao ataque por cloretos, com pequenas perdas de massa (da ordem de 2 e 5%) não apresentam danos significativos nas propriedades estruturais, enquanto que nos corpos-de-prova contaminados com graus de corrosão maiores que 10% estes danos são mais evidenciados, e neste caso as estruturas devem ser obrigatoriamente tratadas ou recuperadas nos casos mais críticos. / When reinforced concrete was designed, it was believed to be a material with good durability and great life-cycle, with almost no repairs necessary. With its use intensification, however, it started to be noticed several deterioration processes and, in the most critical cases, these deterioration processes severely compromised the structure performance or leaded to early fails. Among the pathological manifestations which cause more damages to civil structures, it is possible to highlight the reinforcement corrosion due to its great incidence and damage potential. Despite the great amount of researches concerning this issue, the up-to-date emphasis is based on the corrosion initiation process study, and fewer studies focus on the propagation phase characterization, in which damages are intensified. This research aims, trough experimental and numerical analysis, to contribute for a better understanding of the effects, regarding structural performance damage, of corrosion propagation in civil structures. In this research it is considered as important effects on structural proprieties: losses of bond between steel and concrete; the bar cross section reduction; the bar tensile strength reduction; and the development of tension efforts due to rust near the bars. It was stimulated the development of corrosion process in concrete specimens with rebars, which uses constant current impression and chloride solution exposition to accelerate the corrosive process, and the corrosion levels studied were equivalent to bar weight losses of 0, 2, 5, 10 and 20%. The results from this experimental phase were used as reference to numerical analysis, and validated by beams which were cast and deteriorated in laboratory due to inducted corrosion process. The research results show, in a few words, that concrete specimens affected by reinforcement corrosion, due to chloride attack, with low levels of mass losses (approximately 2 and 5%) do not present significant structural properties damages, while in the specimens with corrosion levels higher then 10% these damages are more exposed, and in this case the structures should be obligatory treated or recovered in the most critical cases.

O concreto armado era tido, quando da sua concepção inicial, como um material que teria boa durabilidade e uma vida útil elevada, praticamente dispensando reparos. Com a intensificação de seu uso, todavia, começaram a serem observados diversos processos de deterioração que resultaram, nos casos mais críticos, em severos comprometimentos de desempenho ou falhas prematuras. Dentre as manifestações patológicas que mais transtorno e prejuízos causam às estruturas civis, destaca-se a corrosão de armaduras, por sua elevada incidência e potencial de dano. Embora já exista um considerável número de pesquisas acerca deste tema, percebe-se que a ênfase atual se encontra no estudo do processo de iniciação da corrosão, e poucos estudos se voltam para a caracterização da fase de propagação, onde os danos se intensificam. Assim, esta pesquisa tem a finalidade, pela realização de experimentos conjugados com uma análise numérica, de contribuir para que sejam entendidos os efeitos, em termos de prejuízo do desempenho estrutural, da propagação da corrosão em estruturas civis. Para fins desta pesquisa, consideraram-se como efeitos significativos nas propriedades estruturais: a perda da aderência entre o aço e o concreto; a diminuição da área de seção transversal da armadura; a diminuição da resistência à tração do aço; e o aparecimento de tensões de tração devido ao acúmulo dos produtos de corrosão junto às barras. Foi estimulado o desenvolvimento de processos de corrosão em corpos-de-prova de concreto contendo barras de aço, que usa aplicação de corrente constante e exposição a uma solução de cloretos, e os graus de corrosão estudados foram equivalentes a perdas de massa de 0, 2, 5, 10 e 20%. Os resultados obtidos nesta fase experimental foram empregados como referência para uma análise numérica, cuja validação foi feita pela avaliação de vigas moldadas e deterioradas em laboratório pelo processo de corrosão induzido. Os resultados da pesquisa mostram, em suma, que os corpos-de-prova de concreto afetados pela corrosão de armaduras, devido ao ataque por cloretos, com pequenas perdas de massa (da ordem de 2 e 5%) não apresentam danos significativos nas propriedades estruturais, enquanto que nos corpos-de-prova contaminados com graus de corrosão maiores que 10% estes danos são mais evidenciados, e neste caso as estruturas devem ser obrigatoriamente tratadas ou recuperadas nos casos mais críticos. / When reinforced concrete was designed, it was believed to be a material with good durability and great life-cycle, with almost no repairs necessary. With its use intensification, however, it started to be noticed several deterioration processes and, in the most critical cases, these deterioration processes severely compromised the structure performance or leaded to early fails. Among the pathological manifestations which cause more damages to civil structures, it is possible to highlight the reinforcement corrosion due to its great incidence and damage potential. Despite the great amount of researches concerning this issue, the up-to-date emphasis is based on the corrosion initiation process study, and fewer studies focus on the propagation phase characterization, in which damages are intensified. This research aims, trough experimental and numerical analysis, to contribute for a better understanding of the effects, regarding structural performance damage, of corrosion propagation in civil structures. In this research it is considered as important effects on structural proprieties: losses of bond between steel and concrete; the bar cross section reduction; the bar tensile strength reduction; and the development of tension efforts due to rust near the bars. It was stimulated the development of corrosion process in concrete specimens with rebars, which uses constant current impression and chloride solution exposition to accelerate the corrosive process, and the corrosion levels studied were equivalent to bar weight losses of 0, 2, 5, 10 and 20%. The results from this experimental phase were used as reference to numerical analysis, and validated by beams which were cast and deteriorated in laboratory due to inducted corrosion process. The research results show, in a few words, that concrete specimens affected by reinforcement corrosion, due to chloride attack, with low levels of mass losses (approximately 2 and 5%) do not present significant structural properties damages, while in the specimens with corrosion levels higher then 10% these damages are more exposed, and in this case the structures should be obligatory treated or recovered in the most critical cases.

O concreto armado era tido, quando da sua concepção inicial, como um material que teria boa durabilidade e uma vida útil elevada, praticamente dispensando reparos. Com a intensificação de seu uso, todavia, começaram a serem observados diversos processos de deterioração que resultaram, nos casos mais críticos, em severos comprometimentos de desempenho ou falhas prematuras. Dentre as manifestações patológicas que mais transtorno e prejuízos causam às estruturas civis, destaca-se a corrosão de armaduras, por sua elevada incidência e potencial de dano. Embora já exista um considerável número de pesquisas acerca deste tema, percebe-se que a ênfase atual se encontra no estudo do processo de iniciação da corrosão, e poucos estudos se voltam para a caracterização da fase de propagação, onde os danos se intensificam. Assim, esta pesquisa tem a finalidade, pela realização de experimentos conjugados com uma análise numérica, de contribuir para que sejam entendidos os efeitos, em termos de prejuízo do desempenho estrutural, da propagação da corrosão em estruturas civis. Para fins desta pesquisa, consideraram-se como efeitos significativos nas propriedades estruturais: a perda da aderência entre o aço e o concreto; a diminuição da área de seção transversal da armadura; a diminuição da resistência à tração do aço; e o aparecimento de tensões de tração devido ao acúmulo dos produtos de corrosão junto às barras. Foi estimulado o desenvolvimento de processos de corrosão em corpos-de-prova de concreto contendo barras de aço, que usa aplicação de corrente constante e exposição a uma solução de cloretos, e os graus de corrosão estudados foram equivalentes a perdas de massa de 0, 2, 5, 10 e 20%. Os resultados obtidos nesta fase experimental foram empregados como referência para uma análise numérica, cuja validação foi feita pela avaliação de vigas moldadas e deterioradas em laboratório pelo processo de corrosão induzido. Os resultados da pesquisa mostram, em suma, que os corpos-de-prova de concreto afetados pela corrosão de armaduras, devido ao ataque por cloretos, com pequenas perdas de massa (da ordem de 2 e 5%) não apresentam danos significativos nas propriedades estruturais, enquanto que nos corpos-de-prova contaminados com graus de corrosão maiores que 10% estes danos são mais evidenciados, e neste caso as estruturas devem ser obrigatoriamente tratadas ou recuperadas nos casos mais críticos. / When reinforced concrete was designed, it was believed to be a material with good durability and great life-cycle, with almost no repairs necessary. With its use intensification, however, it started to be noticed several deterioration processes and, in the most critical cases, these deterioration processes severely compromised the structure performance or leaded to early fails. Among the pathological manifestations which cause more damages to civil structures, it is possible to highlight the reinforcement corrosion due to its great incidence and damage potential. Despite the great amount of researches concerning this issue, the up-to-date emphasis is based on the corrosion initiation process study, and fewer studies focus on the propagation phase characterization, in which damages are intensified. This research aims, trough experimental and numerical analysis, to contribute for a better understanding of the effects, regarding structural performance damage, of corrosion propagation in civil structures. In this research it is considered as important effects on structural proprieties: losses of bond between steel and concrete; the bar cross section reduction; the bar tensile strength reduction; and the development of tension efforts due to rust near the bars. It was stimulated the development of corrosion process in concrete specimens with rebars, which uses constant current impression and chloride solution exposition to accelerate the corrosive process, and the corrosion levels studied were equivalent to bar weight losses of 0, 2, 5, 10 and 20%. The results from this experimental phase were used as reference to numerical analysis, and validated by beams which were cast and deteriorated in laboratory due to inducted corrosion process. The research results show, in a few words, that concrete specimens affected by reinforcement corrosion, due to chloride attack, with low levels of mass losses (approximately 2 and 5%) do not present significant structural properties damages, while in the specimens with corrosion levels higher then 10% these damages are more exposed, and in this case the structures should be obligatory treated or recovered in the most critical cases.