Corrosion of PT Tendons in Presenceof Deficient Grout

K.K.Krishna Vigneshwaran and K.Lau, Florida International UniversityI. Lasa and M. Paredes, FDOT‐SMO2014 PTI Convention Norfolk, VA

• Several Bridges in Florida are documented to corrosion of Post tension tendons in 1990’s.

• In early 2000 Corrosion attributed to void formation due to bleed water and chloride was found.

• Subsequent specifications in FL include low bleed grout requirements.

• However, corrosion problems persists.

• Investigation of recent PT corrosion and repair issues are on‐going. This presentation overviews the findings from field and laboratory explorations of deficient grout in tendons.

Introduction‐ Corrosion of PT Tendons

Grout Segregation• Grout segregation characterized as:

• A. Wet plastic • B. Sedimented Silica• C. White chalky 

Corrosion attributed to wet plastic grout but not necessarily to void presence.Grout segregation created environment with dissimilar pore water chemistry  and physical properties. 

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10

20

30

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50

60

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100

0

1000

2000

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5000

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8000

9000

10000

40210L I

40210L II

40210L III

40210L IV

40210L V

NEW

Moisture Co

ntent %

Concen

tration (ppm

)

SO42‐

NO32‐Cl‐

Na+

K+

Ca2+

7

8

9

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11

12

13

0.01

0.1

1

4021

0L I

4021

0L II

4021

0L III

4021

0L IV

4021

0L V

pH

Total Chloride Co

nten

t / m

g Cl‐g d

ry‐1

I

II

III

IV

V

Corrosion at Low Elevation Anchor Caps

0

0.1

0.2

0.3

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0.6

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0.8

0.9

1

0 20 40 60 80

Cumulative Fractio

n

Moisture Content, %

Hard Grout

Deficient Grout

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.001 0.01 0.1 1 10

Cumulative Fractio

n

Chloride Content, lb/yd3

Hard Grout

Deficient Grout

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1 10 100 1000 10000

Cumulative Fractio

n

Sulfate Content, ppm

Hard Grout

Deficient Grout

• At least five other bridges contained grout with some form of deficiency.• Extent of grout deficiencies vary greatly by bridge.• Grout leachate remains alkaline. 

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

10 11 12 13 14

Cumulative Fractio

n

pH 

Hard Grout

Deficient Grout

Grout Condition of Recently Inspected Florida PT Bridges

1

10

100

1000

10000

0 20 40 60 80 100

Sulfa

te Con

tent, p

pm

Moisture Content, %

Hard Grout

Deficient Grout 0.01

0.1

1

10

100

0 10 20 30 40 50

Chlorid

e Co

nten

t, lb/yd3

Moisture Content, %

Hard Grout

Deficient Grout

• High chlorides found in some bridges (but thought to be unrelated to segregation).

• Deficient grout shows higher moisture and free sulfate concentrations.

• Compilation of data from research in aqueous environments show more negative potentials and increases icorr for [SO4

2‐]/[OH‐] > 0.1.

Lau et al. 2013 NACE Corrosion2013 : paper 2602

Laboratory Corrosion Testing in Solution

0

0.1

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0.3

0.4

0.5

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0.8

0.9

1

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000

Cumulative Fractio

n

[SO42‐]/[OH‐]

Hard Grout

Deficient Grout

Gouda, 1970

Acha et al, 1990

Al‐Tayyib et al, 1988

Lau et al, 2012

Sulfate Content in Field‐Extracted Grout 

• Corrosion observed in bridges when [SO42‐]/[OH‐] exceeds 0.1.

• But in presence of deficient grout.• Important role of moisture/grout condition.• Comparable limits suggested in the literature for corrosion in aqueous environments.

Mockup Tendons with Sulfates Additions in Mix Water

• 15 ft tendon mockup cast with varying sulfates and chlorides addition to the mix water. 

• 0 %, ~0.09%,~0.9%,~5.5% sulfates by cement weight.

• 0.08% , 0.2 % chlorides by cement weight.• (Grout was past expiration and mix had excess water).

• Crevice and Non crevice steel probes were embedded in the grout.

• The tendons were inclined at 30°.•Top portion of tendon appear to have greater degree of grout deficiency. Pore water chemistry to be tested after sample autopsy.

TOP

BOTTOM

1

5

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

a b a b a b a b a b a b a b a b a b a b a b a b a b a b a b

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5

Control 20,000 ppm sodium sulfate 150,000 ppm sodium sulfate

Rs /oh

m• Corrosion potentials were measured by voltmeter at regular intervals.• Corrosion current of embedded steel probes measured by LPR.• Grout solution resistance measured along tendon elevation. 

GROUT SOLUTION RESISTANCE 

TOP TOP TOPBOT BOT BOT

Grout deficiency appears more severe at high elevation (TOP).• Generally, deficient grout at high elevations have lower solution resistance.

• (Moisture content and sulfate content in pore water to be determined.)

‐500

‐450

‐400

‐350

‐300

‐250

‐200

‐150

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0 50 100 150 200

Corroison Po

tential /mV C

SE

Time /dys

Non Crevice‐ Top PortionControlLow ChloridesHigh ChloridesLow SulfatesMedium SulfatesHigh Sulfates

‐500

‐450

‐400

‐350

‐300

‐250

‐200

‐150

‐100

0 50 100 150 200

CorroisonPo

tential /mV C

SETime /dys

Crevice ‐ Top PortionControlLow ChloridesHigh ChloridesLow SulfatesMedium SulfatesHigh Sulfates

• Potentials indicative of possible active corrosion in top portion of tendon with both enhanced sulfates and chlorides .

• Active corrosion also apparent for steel with crevice including control condition.

Corrosion Potential‐ Deficient Grout

Results shown in the graphs are averages of several sensor readings.

‐500‐450‐400‐350‐300‐250‐200‐150‐100

0 50 100 150 200Corroison Po

tential /mV C

SE

Time /dys

Non Crevice‐ Bottom Portion

Control

Low Chlorides

High Chlorides

Low Sulfates

Medium Sulfates

High Sulfates ‐500‐450‐400‐350‐300‐250‐200‐150‐100

0 50 100 150 200CorroisonPo

tential /mV C

SE

Time /dys

Crevice ‐ Bottom Portion

Control

Low Chlorides

High Chlorides

Low Sulfates

Medium Sulfates

High Sulfates

• Potentials indicative of passive corrosion condition for steel in lower portion of tendon for enhanced sulfate cases. Possibility of active corrosion condition for 0.2% chloride case.

• Similar behavior for steel with crevice.

Corrosion Potential‐ Hardened Grout

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0.01

0.1

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10

100

0 50 100 150 200

Current D

ensity/uA

cm‐2

Time /dys

No Crevice ‐ Top PortionControlLow ChloridesHigh ChloridesLow SulfatesMedium SulfatesHigh Chlorides

• Higher corrosion current density in top portion of tendon with suspected deficient grout than in bottom portion with hardened grout.

• Some indication of greater current density for steel in grout with enhanced chloride and sulfate concentrations.

Results indicate importance of grout condition in corrosion activity.

Corrosion Current Density‐ Role of Grout Condition

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0.01

0.1

1

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100

0 50 100 150 200

Current D

ensity /uAcm

‐2

Time /dys

No Crevice ‐Bottom PortionControlLow ChloridesHigh ChloridesLow SulfatesMedium SulfatesHigh Sulfates

Corrosion Current Density‐ Role of Crevice 

0.001

0.01

0.1

1

10

100

0 50 100 150 200

CorrosionCu

rrentD

ensity/uA

cm‐2

Time /dys

Crevice ‐Top PortionControlLow ChloridesHigh ChloridesLow SulfatesMedium SulfatesHigh Sulfates

• Expected severe corrosion condition in of steel with crevices and enhanced chloride and sulfate concentrations not strongly manifested in results to date. Testing continues.

0.001

0.01

0.1

1

10

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0 50 100 150 200

Current D

ensity/uA

cm‐2

Time /dys

No Crevice ‐ Top PortionControlLow ChloridesHigh ChloridesLow SulfatesMedium SulfatesHigh Chlorides

Conclusions

• At least five Florida bridges have been identified to contain deficient grout analogous to grout associated with severe corrosion. 

• Amount and level of severity of deficient grout vary significantly from bridge to bridge.

• Deficient grout contain high moisture content, >20%.• Leachate from deficient grout contain enhanced sulfate ion concentrations.• Sulfate to hydroxyl ratio exceeded 0.1 where corrosion has been observed.• Initial lab testing of large scale tendon mockups with enhanced chloride and sulfate concentrations in mix water show some indication of corrosion activity.

• Initial testing results indicate importance of grout condition in corrosion activity.

Acknowledgements

• The staff at the FDOT State Materials Office and contractors involved in this work are acknowledged here. The opinions and findings are those of the authors and not necessarily those of the supporting agencies.

• The assistance by Samanbar Permeh and Roberto Rodriguez is much appreciated.

• Acknowledgment is made to Dr. H.R. Hamilton and his students at UF for assistance in casting of the mockup tendons.

Questions?