Functionally graded concrete: porosity gradation to enhance durability under carbonation

Abstract The present paper evaluated the potential application of the functionally graded material (FGM) concept to develop more durable concrete to carbonation, one of the main degradation mechanisms of reinforced concrete structures. Accelerated carbonation tests with controlled temperature (27 ( 2°C), CO2 concentration (3 ( 0.5%) and humidity (65 ( 5%) were carried out in homogeneous concretes and with functional gradation in which the porosity of the material was varied across the slices. For the manufacture of graded concrete specimens, concretes with water/cement ratios equal to 0.35, 0.45, and 0.55 were produced, with lower porosity (w/c = 0.35) close to the surface of the specimen. The advance of the carbonation front was evaluated after 8, 9, 10, 14, and 24 weeks of accelerated exposure, using the chemical indicator phenolphthalein. The results show that the functionally graded concrete had a carbonation coefficient (K) slightly higher than that of the concrete with a w/c ratio equal to 0.35 (1.71 and 1.54 mm.week-0.5, respectively) and much lower than concrete with water-cement ratio equal to 0.45 (2.31 mm.week-0.5) and 0.55 (3.78 mm.week-0.5). This demonstrates that functional grading can be an efficient method to increase the durability of concrete elements subject to carbonation. Resumo O presente artigo avalia o potencial de aplicação do conceito de material com gradação funcional (MGF) ao desenvolvimento de concretos mais duráveis frente à carbonatação, um dos principais mecanismos de degradação das estruturas de concreto armado. Ensaios acelerados de carbonatação com temperatura (27 ( 2 °C), concentração de CO 2 (3 ( 0,5%) e umidade (65 ( 5%) controladas foram realizados em concretos homogêneos e com gradação funcional em que a porosidade do material foi variada ao longo dos corpos de prova. Para a confecção dos corpos de prova de concreto com gradação funcional foram utilizados concretos com relações água/cimento iguais a 0,35, 0,45 e 0,55 de forma que tivéssemos uma redução de porosidade à medida que nos aproximássemos da superfície da peça. O avanço da frente de carbonatação foi avaliado após 8, 9, 10, 14 e 24 semanas de exposição acelerada, empregando-se o indicador químico fenolftaleína. A partir dos resultados obtidos observou-se que os concretos com gradação funcional apresentaram coeficiente de carbonatação (K) ligeiramente superior ao do concreto com relação a/c igual a 0,35 (1,71 e 1,54 mm.semana -0,5 , respectivamente) e bastante