Sorptivity and the estimation of water penetration into unsaturated concrete

Abstract

Uptake of water (and therefore ions) by unsaturated, hardened concrete may be characterised by the sorptivity. This is a simple parameter to determine and is increasingly being used as a measure of concrete resistance to exposure in aggressive environments. The complete process is described by a nonlinear diffusion equation, with the hydraulic diffusivity a strongly nonlinear function of the degree of saturation of the concrete. Accurate analytical approximations to the solution of this equation, as well as numerical solutions for general conditions, exist when the diffusivity function is known. Unfortunately, it is not an easy function to determine, requiring accurate information on the water penetration profile. A simple alternative which estimates the diffusivity from sorptivity and porosity measurements is presented for an assumed exponential dependence of diffusivity on water saturation. Predicted water penetration profiles corresponding to this estimated diffusivity are shown to be accurate by comparison with published experimental results.

Résumé

L'entrée de l'eau (et par conséquent, des ions) dans le béton non saturé peut être caractérisée par la sorptivité. C'est un paramètre simple à déterminer, utilisé souvent pour décrire la résistance du béton à un environnement corrosif. Le phénomène est décrit par l'équation de diffusion non linéaire, où la diffusivité de l'eau est une fonction non linéaire de la teneur en eau du béton. Des approximations analytiques précises existent pour résoudre cette équation, ainsi que des solutions numériques pour des conditions aux limites générales, quand la diffusivité est une fonction connue. Malheureusement cette fonction est difficile à déterminer et nécessite des mesures précises de profils de pénétration de l'eau. Une autre alternative simple consiste à estimer la diffusivité à partir de mesures de sorptivité et de porosité, en partant d'une relation exponentielle de la diffusivité avec l'eau de saturation. La prévision des profils de teneur en eau utilisant cette diffusivité est en accord avec les profils expérimentaux publiés.