RILEM DRAFT RECOMMENDATION

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PRO JET DE RECOMMANDATION DE LA RILEM

CONCRETE PERMANENT COMMITTEE COMMISSION PERMANENTE DU Bi~TON

Measurement of hardened concrete carbonation depth

CPC-18

Mesure de la profondeur de carbonatation du b6ton durci

Les textes que nous pr6sentons ici sont des projets que, par leur publication, nous soumettons ~i la critique. La r~daction des textes finaux sera r6alis~e d'apr~s le projet, compte tenu de cette critique./The texts presented hereunder are drafts which are published in order to be submitted to comments. The final texts will be drawn from the drafts with regard to the possible comments.

0025-5432/84/06 435 06/$ 2.60/ �9 GAUTHIER-VILLARS 435

Vol. 17 - N ~ 102 - Mat~riaux et Constructions

Mesure de la profondeur de carbonatat ion du b ton durci

S O M M A I R E

1. But et port~e.

2. D~finition. 3. Mat~riaux d'essai.

4. Essais de laboratoire, 4.1 I~prouvettes, type, fabrication cure et conservation. 4.2 Essais, 4.3 R~sultats d'essai et rapport.

5. Essai des structures en place. 5,1 Eprouvettes. 5.2 Essais, 5.3 R~sultats d'essai et rapport.

1. BUT ET PORTEE

La m6thode d'essai consiste & d~terminer au moyen d'un indicateur la profondeur de la couche carbonat~e ,h la surface du b~ton durci.

Cette m6thode peut 6tre ex~cut~e en utilisant des ~prou- vettes fabriqu~es en laboratoire ou des ~prouvettes pr~le- v~es sur des structures en place (~prouvettes de chantier).

Darts le cas d'essais utilisant des ~prouvettes de chan- tier, les exigences de precision des mesures sont en g~n~ral moins s~v~res que pour les ~prouvettes de laboratoire. Sauf indication contraire, dans les pages suivantes, les suggestions fakes pour les essais de laboratoire doivent ~,tre interpr~t~es en cons6quence.

2. Di~FINITION

Le dioxyde de carbone qui p~n~tre ~ la surface du b~ton peut rdagir avec les constituants alcalins contenus dans la p~te de ciment, surtout Ca(OH)2. Ce processus (carbonata- tion) conduit ~ une r~duction de la valeur du pH de la solution des pores & environ 9. La profondeur de la couche de surface carbonat~e est appel~e la profondeur de carbo- natation ok. La r~duction du pH peut 6tre rendue visible par le changement de couleur d'un indicateur ad~quat (1).

3. M A T E R I A U X D'ESSAI

Une solution de ph~nolphtal~ine ~ 1 ~ dans 70~o d'al- cool ~thylique convient pour la d~termination de la profon- deur de carbonatation. La ph~nolphtal~ine vire au rouge

(1) Cette m~thode avec indicateur ne permet cependant pas de d~terminer si la r(~duction du pH peut ~tre le r~sultat d'influences autres que I'absorption de C02 (par exemple SO2, HCI ou autres gaz acides).

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au contact de mat6riaux dont le pH est sup6rieur ~ 9,2 et demeure incolore ~ de faibles valeurs de pH. D'autres indicateurs qui peuvent changer de couleur dans le domaine mod~r~ment alcalin sont par exemple la thy- molphtal~ine et I'alizarine jaune R.

4. ESSAIS DE LABORATOIRE

4.1 Eprouvet tes, type, fab r i ca t ion , cure et conser- vat ion

Conviennent des prismes en b~ton de section minimale 100 x 100 mm qui peuvent ~tre fendus en Iongueurs d'en- viron 50 mm, pour chaque date d'essai. Les dimensions 40 x 40 x 160 mm sont recommand~es pour les prismes en mortier dont une tranche d'environ 20 mm est d~tach~e r chaque date d'essai.

Au cours de la preparation des ~prouvettes, il est impor- tant d'~viter ,~ la surface du b6ton tout effet non souhai- table qui pourrait fausser les mesures. Par exemple, les agents de d~moulage utilis~s doivent ~tre maintenus au minimum. Normalement, les m~thodes de fabrication et de cure des ~chantillons (Recommandation RILEM CPC-3) devraient ~tre utilis~es. Le type de cure choisi (dur~e de conservation sous l'eau, ~tendue du s6chage en conserva- tion ~ I'air, durcissement acc~l~r~, etc.) doit ~tre d~fini et suivi avec precision au cours des essais.

Les conditions climatiques de conservation (humidit6 relative, niveau de la concentration en CO2, etc.) doivent ~tre d~finies avec precision. Normalement la conservation doit ~tre rdalis~e dans les conditions suivantes : concentra- tion en CO2 d'environ 0,03~o en volume, temperature de 20~ et humidit~ relative de 65 ~. En dehors de la conserva- tion normale en laboratoire, le stockage ~ I'ext6rieur sous couverture ou ~ d~couvert peut convenir. Des essais courts avec une concentration plus ~lev~e de CO2 ne sont pas g~n~ralement recommandds. L'air dolt ~tre en mesure d'atteindre sans entrave et en permanence la surface d'es- sai. Pour cette raison, il faut qu'il y ait un espace libre d'au moins 20 mm autour des ~prouvettes.

4.2 Essais

Les dates d'essai suivantes sont recommand~es : 7; 28; 90; 180 jours; 1; 1,5; 2; 3 ans, apr6s le d~but de I'exposi- tion au CO2. En cas de recherche plus sp6cialis6e, des dates suppl6mentaires peuvent ~tre n~cessaires.

Afin de mesurer la profondeur de carbonatation des ~prouvettes de laboratoire, une tranche est d~tach~e par 6clatement avant chaque essai. La tranche doit ~tre assez ~paisse pour emp~cher tout risque de p6n6tration du dioxyde de carbone ~ partir de la surface terminale qui affecterait les mesures observ6es ~ partir des surfaces lat6- rales. La profondeur de carbonatation est mesur~e sur la

RILEM Draft Recommendation CPC-18

Measurement of hardened concrete carbonation depth

CONTENTS

1. Aim and scope.

2. Definition. 3. Test materials.

4. Laboratory tests. 4.1 Specimens; type, making, curing and storage. 4.2 Testing. 4.3 Test results and test report.

5. Testing completed structures. 5.1 Specimens. 5.2 Testing. 5.3 Test results and test report.

1. AIM AND SCOPE

, The method of testing consists in determining the depth of the carbonated layer on the surface of hardened concrete by means of an indicator. This method can be carried out, using specimens made in the laboratory or on specimens taken from completed structures (site speci- mens).

In the case of tests using site specimens, the require- ments for accuracy of measurement are in general less severe than for laboratory specimens. Unless otherwise stated in the fol lowing pages, the suggestions given for laboratory tests should be interpreted accordingly.

2. DEFINITION

Carbon dioxide which penetrates the surface of concrete can react with alkaline components in the cement paste, mainly Ca(OH)2. This'process (carbonation) leads to a reduction of the pH-value of the pore solution to about 9. The depth of the carbonated surface layer is called the depth of carbonation dk.

The reduction of the pH-value can be made visible by the colour change of a suitable indicator (1).

3. TEST MATERIALS

A solution of 1~ phenolphthalein in 70~ ethyl alcohol is suitable for determining the depth of carbonation. Phe-

(1) This indicator method does not make it possible however to determine whether the reduction of the pH-value may have resulted from influences other than the absorption of C02 (e.g. SO2, HCI or other acidic gases).

nolphthalein turns red on contact with materials wi th pH- values over 9.2 and remains uncoloured at low pH-values. Alternative indicating agents which change colour in the mildly alkaline region are, for example, thymolphthalein and alizarine yellow R.

4. LABORATORY TESTS

4.1 Specimens; type making, curing and storage

Concrete prisms with a cross section of at least 100x100 mm that can be split into lengths of roughly 50 mm, for each date of testing, are suitable. For mortar prisms 40 x 40 x 160 mm are recommended from which a slice of roughly 20 mm is split off at each date of testing.

During specimen preparation, it is important to avoid any unwanted effects on the concrete surface which could impair measurement. For example, stripping agents used must be kept to a minimum. Normally the methods for making and curing samples (RILEM Recommendation CPC-3) should be used. The kind of curing chosen (dura- tion of water storage, extent of drying by air storage, accelerated hardening, etc.) must be precisely defined and followed during the tests.

Climatic conditions of storage (relative humidity, amo~Jnt of CO2 concentration, etc.) must be precisely defi- ned. Normally the storage should be under the condition of roughly 0.03~o of CO2 concentration, a temperature of 20~ and a relative humidity of 65~o. Apart from normal laboratory storage, outdoor storage under cover or without cover may be suitable. Short tests using higher concentra- tion of CO2 are not generally recommended. Air must be able to reach the test surface unhindered at all times. For this reason a free space of at least 20 mm is necessary around the specimens.

4.2 Testing

The fol lowing dates of testing are recommended: 7; 28; 90; 180 days; 1; 1.5; 2; 3 years, after the first exposure to CO2. In the case of more specialised investigation, additio- nal dates may be necessary.

In order to measure the depth of carbonation in labora- tory specimens, a slice is broken off for each test. The slice must be thick enough to avoid any chance of carbon dioxide penetration from the end surface and affecting the observed measurements from the side surfaces. The depth

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surface fra?chement cass4e. Les d4coupages ~ la scie ne conviennent pas toujours.

La surface cass~e est imm(~diatement d4barrass4e de la poussi~re ainsi que des particules d4tach4es apr~s rupture et ensuite on y pulv4rise la solution d'indicateur. Si seule une faible coloration apparaR sur la surface trait4e ou si elle ne se colore pas du tout, il est permis de r(~p4ter I'essai de pulv4risation apr~}s s~chage de la surface. II faut 4viter la formation de canaux d'4coulement sur la surface d'essai. Afin de stabiliser temporairement la coloration, une r4sine peut ~tre pulv4ris~e apr~s le s(~chage.

La profondeur de carbonatation est mesur4e 24 heures apr6s la pulv(~risation de la solut ion d'indicateur. La pr4ci- sion de la mesure doit ~tre ,~ 0,2 mm pr~}s au cas o0 la profondeur de carbonatation est inf4fieure ~ 3 mm et ;~ 0,5 mm pros au cas oO la profondeur de carbonatation est sup4rieure ~ 3 mm. Les profondeurs de carbonatation inf4rieures & 0,5 mm ne sont pas diff4renci4es.

Si le front de carbonatation ne court pas en droite ligne parall~lement & la surface (fig. 1), la profondeur de carbonatation doit ~tre d4termin4e de la mani~re suivante :

Au cas o0 le front de carbonatation pr4sente I'aspect de la figure 2, une moyenne graphique et le maximum doivent ~tre enregistr4s. Si le front de carbonatation court parall41ement & la surface, except~ des zones carbonat4es plus profondes comme dans la figure 3, la profondeur maximale d e carbonatation doit alors ~tre donn6e ainsi que la profondeur normale. Dans ce Gas aucune mOyenne n'est & calculer.

II ne faut pas prendre en compte les profondeurs plus grandes de carbonatation dans les zones d'angle des 4prou- vettes de laboratoire o0 le dioxyde de carbone a p4n4tr~ de deux cSt4s & la fois.

Dans le cas de b4tons avec des granulats de dimension maximale 41ev4e, il faut prendre soin de ne mesurer la carbonatation que dans la p,~te de ciment durcie.

4.3 R&sul ta ts d ' e s s a i e t r a p p o r t

La profondeur moyenne de carbonatation est donn4e pour chaque ~prouvette. La profondeur moyenne de carbo- natation pour les 4prouvettes de laboratoire inclut les valeurs de tous les cht4s. Si la profondeur de carbonatation sur la surface aras6e diff6re sensiblement de celles sur les autres surfaces, il convient de le noter. Les zones de transition qui ont perdu leur coloration apr6s 24 heures doivent ~tre jug6es comme carbonat4es.

Le rapport doit comporter :

(a) Donndes gdndrales

- - composit ion de b6ton ;

- - cure (type, dur4e) ;

- - c o n d i t i o n s climatiques (humidit4 relative, temp4ra- ture, vitesse du vent, orientation durant le Stockage I'ext4rieur, concentration de CO2).

(b) Donn~es d'essai

- - age du b4ton;

- - forme et dimensions de la surface de b6ton soumise I'essai ;

- - indicateur;

- - appareil de mesure;

- - p r o f o n d e u r moyenne de la carbonatation ~ 0,5 mm pros avec d6tails sur I'allure du front de carbonatation

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selon la figure 1 : r4guli4re; figure 2 : irr6guli6fe d, et dkmax; figure 3 : r4guli6re d, et dkmax;

- - le cas 4ch6ant, indiquer la profondeur de carbonata- t ion sur la surface aras6e;

- - precision des mesures et/ou tol4rance.

5. ESSAI DES STRUCTURES EN PLACE

5.1 I~prouvet tes

La d4termination de la profondeur de carbonatation s'effectue le plus commod6ment en utilisant des carottes pr41ev4es sur les structures en place, Le diam~tre des carottes doit ~tre d'au minimum 50 mm. Dans les essais d'estimation approximative de la profondeur moyenne de carbonatation sous diff4rentes orientations, des 4prouvet- tes peuvent ~tre aussi pr~lev4es de la surface au burin, et on mesure alors la profondeur de carbonatation, soit sur un fragment, soit ~ la cassure.

5 . 2 E s s a i s

La d~termination de la profondeur de carbonatation des carottes doit s'effectuer imm6diatement apr~s le pr{}R}ve-

FORHE A

(1)

FORbIE B

(2 )

F 0 Pd,.IE C

(3) F igures 1, 2, 3 d&finissant la profondeur de carbonatat ion

se lon les formes (a), (b), (c).

of carbonation is measured on the freshly broken surface. Saw-cuts are not always suitable.

The broken surface is immediately cleaned of dust and loose particles after breaking, and then sprayed with indica- tor solution. If only a weak colouration or none at all appears on the treated surface, it is admissible to repeat the spray test after the surface has dried. The formation of f low channels on the test surface is to be avoided, in order to stabilize the colouration temporarily, a resin may be sprayed after drying.

The depth of carbonation is measured 24 hours after spraying the indicator solution. The precision of the measu- rement must be to the nearest 0.2 mm in cases where the carbonation depth is less than 3 mm, and to the nearest 0.5 mm in cases where the depth of carbonation is more than 3 mm. Carbonation depths less than 0,5 mm are not differentiated.

If the carbonation front does not run as a straight line parallel to the surface (fig. 1), the depth of carbonation must be determined in the following way:

In the case of the carbonation front running as in figure 2, a graphical average and the maximum should be recorded. If the carbonation front runs parallel to the sur- face, apart from isolated deeper carbonated areas, as in figure 3, then the maximum depth of carbonation must be given as well as the normal depth. In this case no average is to be calculated.

Greater depths of carbonation in the corner areas of laboratory specimens, where carbon dioxide has penetra- ted from two sides at once, should be ignored.

In the case of concretes with large-sized maximum aggre- gates, care must be taken to measure the carbonation only i'n the hardened cement paste.

4 .3 Tes t resul ts and tes t r e p o r t

The average depth of carbonation is reported for each specimen.

The average depth of carbonation for laboratory speci- mens includes values from all sides. If the depth of carbona- tion on the floated surface varies considerably from those on the other surfaces, this should be noted. Transition areas, which have lost their colouring after 24 hours are to be judged as carbonated.

The test report must include

(a) General data

- - Concrete mix.

- - Curing (type, duration).

- - C l i m a t i c conditions (relative humidity, temperature, wind speed, orientation during storage outdoors, concen- tration of CO2).

(b) Test data

- - Age of concrete.

- - Form and size of concrete surface tested.

- - Indicator.

- - Measuring apparatus.

- -Average depth of carbonation dk to the nearest 0.5 mm with details of how the carbonation front runs

Rilem Draft Recommendation CPC-18

FORM A

(1

FORb! B

'

(2)

FORH C

(3)

Fig. 1, 2, 3 defining the depth of carbonation according for form (a), (b), (c).

according to figure 1 : regularly; figure 2: irregularly d, und dk max; figure 3: regularly dk and dk max.

- -Where relevant record the depth of carbonation on the floated surface.

- - Precision of measurement and/or tolerance.

5. TESTING COMPLETED STRUCTURES

5.1 S p e c i m e n s

The determination of the depth of carbonation is most conveniently carried out using drilled cores taken from completed structures. The diameter of such a drilled core should be at least 50 mm. In tests for rough estimation of the average depth of carbonation in different orientations specimens may also be broken by chisel from the surface, and the depth of carbonation then measured either on the fragment or at the fracture surface.

5 .2 T e s t i n g

The determination of the depth of carbonation in drilled cores should be carried out immediately after drilling. If

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ment. Si pour des raisons particuli6res on ne peut ~viter un stockage plus long, les 6prouvettes doivent ~tre stock6es jusqu'au moment des mesures dans des conteneurs r6sis- tants au CO2.

II convient de mesurer la profondeur de carbonatation sur des surfaces d~tach6es des 6chantil lons ,5 angle droit par rapport ,~ la surface d'un 61~ment de structure. Les mesures effectu~es sur la surface ext~rieure des carottes conviennent moins.

5 . 3 R ~ s u l t a t s d ' e s s a i e t r a p p o r t

La profondeur de carbonatation doit ~tre sp6cifi~e & 1 mm pr~s.

Le rapport doit, outre les points mentionn~s en 4.3, contenir les d6tails suivants :

- - identif ication de la structure;

- - lieu du carottage et orientation de la surface expos6e au CO2 dans le b&timent (vertical ou horizontal) ;

- - date du pr616vement et de I'essai;

- -~va lua t ion g~n~rale du b~ton (structure du b~ton, pores des granulats).

a longer storage is unavoidable for special reasons, the specimens must be stored until they can be measured in CO2-free containers.

It is appropriate to measure the depth of carbonation on surfaces split off the samples at right angles to the surface of a structural member. Measurements carried out on the outer surface of drilled cores are less appropriate.

5.3 Tes t resu l ts and tes t r e p o r t

The depth of carbonation should be specified to the nearest 1 mm.

The test report must contain, in addit ion to the points mentioned in 4.3, the fo l lowing details:

- - Identif ication of the structure.

- - Location of dril l ing and the orientation of the surface exposed to CO2 in the bui lding (vertical or horizontal).

- - Date of dril l ing and of test.

- - General assessment of the concrete (structure of the concrete, aggregates, pores).

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