NIENISZCZĄCE BADANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ ZBROJENIA W KONSTRUKCJACH ŻELBETOWYCH

Transkrypt

1 REFERATY /NIENISZCZĄCE BADANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ ZBROJENIA R-48 NIENISZCZĄCE BADANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ ZBROJENIA Mariusz JAŚNIOK Tomasz JAŚNIOK Adam ZYBURA Omówiono najczęściej stosowane w ocenie zagrożenia korozją zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych badania nieniszczące, które podzielono na dwie grupy. Pierwszą grupę badań stanowiły pomiary elektrochemiczne stosowane w diagnostyce korozyjnej żelbetu. Przedstawiono metody oceny prawdopodobieństwa zagrożenia korozją na podstawie pomiarów potencjału stacjonarnego zbrojenia i pomiaru rezystywności otuliny betonowej. Ponadto skrótowo scharakteryzowano metody polaryzacyjne umożliwiające wyznaczenie gęstości prądu korozyjnego charakteryzującego szybkość korozji zbrojenia. Drugą grupę badań stanowiły metody ciągłego monitorowania zagrożenia korozją w konstrukcjach żelbetowych. Omówiono systemowe rozwiązania czujników pomiarowych wprowadzanych do nowo wznoszonych konstrukcji lub umieszczanych na monitorowanych konstrukcjach istniejących. Wyjaśniono zasady realizacji badań i podstawy ich interpretacji wzorowane na typowych pomiarach elektrochemicznych stosowanych w diagnostyce korozyjnej żelbetu. NON-DESTRUCTIVE TESTING OF CORROSION REINFORCEMENT HAZARD IN THE REINFORCED CONCRETE STRUCTURES The most commonly non-destructive testing used in the assessment of corrosion hazard of reinforcement in concrete structures, divided into two groups, were discussed. The first group of the tests were electrochemical measurements used in diagnostics of the reinforced concrete structures. A probabilistic hazard assessment methods based on measurements of corrosion potential of the reinforcement and resistivity measurements of concrete cover were discussed. In addition, the polarization methods to determine the corrosion current density characterizing the rate of corrosion of the reinforcement were briefly characterized. The second group of the tests were the methods of continuous monitoring of corrosion hazard in reinforced concrete. System solutions of sensors placed on the newly built structure or placed on the existing monitored ones were discussed. The rules for the implementation of tests and the base of their interpretation, modelled on typical electrochemical measurements used in the diagnostic of reinforced concrete corrosion, were explained. 189

2 R-48 REFERATY /NIENISZCZĄCE BADANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ ZBROJENIA NIENISZCZĄCE BADANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ ZBROJENIA Mariusz JAŚNIOK Tomasz JAŚNIOK Adam ZYBURA 1. Wprowadzenie Konstrukcje żelbetowe są narażone na oddziaływanie czynników środowiskowych powodujących stopniową degradację korozyjną stalowego zbrojenia w betonie [1]. Procesy korozyjne zbrojenia mają charakter elektrochemiczny i dlatego do ich oceny wykorzystuje się metody stosowane w elektrochemii. Ocenę jakościową prawdopodobieństwa zagrożenia korozją można zrealizować za pomocą badań potencjału stacjonarnego zbrojenia oraz badań rezystywności otulenia betonowego. Ocenę ilościową zagrożenia korozją realizuje się zaawansowanymi metodami polaryzacyjnymi, umożliwiającymi wyznaczenie gęstości prądu korozyjnego, charakteryzującego szybkość korozji zbrojenia. Wymienione metody pomiarowe, po odpowiedniej adaptacji, można zastosować do ciągłego monitorowania zagrożenia korozją konstrukcji żelbetowych. 2. ELEKTROCHEMICZNE BADANIA zagrożenia korozją zbrojenia Pomiary potencjału stacjonarnego polegają na ustaleniu wartości potencjału elektrycznego generowanego przez ogniwo korozyjne na powierzchni betonu. Układ pomiarowy (rys. 1a) składa się z miliwoltomierza (miernika) 1 o dużym oporze wewnętrznym ( 10 M) połączonego z elektrodą odniesienia 2 i elektrodą badaną 3 (prętem zbrojeniowym). Wykonując badania potencjału stacjonarnego Est zagrożenie korozyjne zbrojenia ocenia się względem elektrody Cu CuSO4 na podstawie normowego kryterium [2]: E st < -350mV występowanie korozji z prawdopodobieństwem 95%, 350mV E st -200mV możliwość korozji z prawdopodobieństwem 50%, E st > -200mV małe 5% prawdopodobieństwo korozji. Zagrożenie korozyjne zbrojenia można szacować także na podstawie pomiaru rezystywności otulenia betonowego. Pomiar ten określa w zasadzie stan wilgotności otulenia, który ma istotny wpływ na przewodność jonową cieczy porowej betonu, a tym samym funkcjonowanie lokalnego ogniwa korozyjnego. W układzie pomiarowym pokazanym na rys. 1b mierzony jest opór stawiany przez beton przepływającemu prądowi między dwiema elektrodami 4 umieszczonymi w wywierconych w otuleniu betonowym gniazdach. Wykonując badania rezystywności otulenia betonowego zagrożenie korozyjne zbrojenia szacuje się porównując otrzymane wyniki z wartościami granicznymi [3]: < 10 kcm prawdopodobieństwo korozji uznaje się za duże, 10 < 20 kcm prawdopodobieństwo korozji jest nieznaczne, 20 kcm prawdopodobieństwo korozji jest bardzo małe. Rys. 1. Schematy układów pomiarowych: a) potencjału stacjonarnego zbrojenia, b) rezystywności otulenia betonowego opisy w tekście Najbardziej precyzyjne informacje dotyczące stanu pasywacji lub szybkości procesów korozyjnych na zbrojeniu w betonie można otrzymać na podstawie badań polaryzacyjnych. Pomiary realizowane są potencjostatem 1 w tzw. układzie trójelektrodowym (rys. 2), w którym elektrodą badaną 2 jest zbrojenie, natomiast elektroda referencyjna 3 wraz z elektrodą pomocniczą 4 umieszczane są na powierzchni betonu w głowicy pomiarowej. 190

3 REFERATY /NIENISZCZĄCE BADANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ ZBROJENIA R-48 Rys. 2. Schemat pomiaru polaryzacyjnego stali zbrojeniowej w betonie opis w tekście W konstrukcjach żelbetowych stosowane są trzy rodzaje pomiarów polaryzacyjnych: oporu polaryzacji liniowej LPR (Linear Polarization Resistance), spektroskopii impedancyjnej EIS (Electrochemical Impedance Spectroscopy), impulsu galwanostatycznego GP (Galvanostatic Pulse). Wszystkie trzy metody polegają na wyprowadzeniu elektrody badanej (zbrojenia) ze stanu równowagi za pomocą odpowiedniego sygnału elektrycznego. Analiza odpowiedzi stalowego zbrojenia na zadany elektryczny sygnał zaburzający umożliwia między innymi wyznaczenie oporu polaryzacji, który jest odwrotnie proporcjonalny do gęstości prądu korozyjnego ikor. Zasadniczo przyjmuje się, że zbrojenie w betonie jest spasywowane, gdy ikor nie przekracza 0,1 0,2 μa/cm 2 por. [3]. Gęstości prądu o wyższych wartościach wskazują na rozwój procesów korozyjnych. 3. METODY CIĄGŁEGO MONITOROWANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ Najprostszą metodą, analogiczną do monitorowania działania ochrony katodowej stalowych rurociągów, jest ciągły pomiar potencjału stacjonarnego. W tego rodzaju badaniach elektrody odniesienia betonuje się w otulinie albo stabilizuje przy jej powierzchni. Technicznie opisany pomiar można realizować czujnikiem Corro-Watch [4] rys. 3a, który oprócz elektrody odniesienia 1 zawiera cztery pręty 2 usytuowane na różnych poziomach i wykonane z tego samego gatunku stali, co zbrojenie konstrukcji. Przejawem utraty właściwości ochronnych otulenia wobec stali i rozpoczęcia procesów korozyjnych jest wyraźne obniżenie się potencjału stacjonarnego na kolejnych elektrodach położonych na coraz większych głębokościach otulenia rys. 3c. Czujniki Corro-Watch można montować tylko na nowo wznoszonych konstrukcjach. Bardzo podobnym rozwiązaniem jest czujnik CorroRisk [5]. Modyfikacja rozwiązania polega na umieszczaniu elektrod stalowych w wywierconych otworach na coraz większych głębokościach, bez konieczności ich zabetonowywania. Taki sposób aplikacji czujników pozwala na ich stosowanie w istniejących obiektach rys. 3b. Uzyskiwane wyniki (rys. 3c) i możliwy zakres ich interpretacji jest analogiczny jak w przypadku czujnika Corr-Watch. Rys. 3. Czujniki do badań korozyjnych: a) Corro-Watch [4], b) Corro-Risk [5], c) wykres potencjału poszczególnych elektrod stalowych w funkcji czasu [4] opis w tekście Powyższe rozwiązania monitoringu korozji umożliwiają uzyskanie informacji o zagrożeniu, natomiast monitoring szybkości korozji zbrojenia w betonie konstrukcji można realizować metodą korozymetrii rezystancyjnej. W metodzie tej odpowiednio dobrane czujniki rezystancyjne umieszcza się w monitorowanych obiektach możliwie jak najbliżej zbrojenia rys. 4. Czujniki te, zawierające elementy pomiarowe wykonane z tego samego gatunku stali co monitorowane zbrojenie, w wyniku zachodzących procesów korozyjnych zwiększają stopniowo swoją rezystancję elektryczną. Zmiana rezystancji czujników związana jest ze zmniejszaniem przekroju elementów pomiarowych w wyniku ich korozji. Z różnicy dwóch kolejnych odczytów rezystancji można określić ubytek metalu i przeliczyć go na średnią szybkość korozji w danym okresie [6]. Rys. 4. Schemat badań metodą korozymetrii rezystancyjnej por. [6] 191

4 R-48 REFERATY /NIENISZCZĄCE BADANIA ZAGROŻENIA KOROZJĄ ZBROJENIA Rys. 5. Czujnik do badań polaryzacyjnych w betonie [7] opis w tekście Inną zasadę niż opisaną wyżej przedstawiono w pracy [7], gdzie w okolicę zbrojenia wprowadzano czujniki zawierające elementy (pręty) ulegające korozji 1, wyposażone w dwie elektrody pomocnicze 2 ze stali nierdzewnej oraz elektrody odniesienia 3 rys. 5. Budowa czujnika zapewnia prawidłowość wykonywania dowolnych badań polaryzacyjnych bez problemów związanych z określeniem polaryzowanej powierzchni elektrody badanej. Trudniejszym zagadnieniem jest wykonanie ciągłego monitorowania korozyjnego w konstrukcjach nieprzystosowanych do tego celu podczas ich wznoszenia. Pewną propozycją jest zastosowanie czujnika Corro-Eye [4], przykręcanego lub przeklejanego do powierzchni betonu. Czujnik przystosowany jest do prowadzenia badań polaryzacyjnych, natomiast wymagane w tego rodzaju badaniach ograniczenie polaryzowanej powierzchni badanej zrealizowano za pomocą elektrody ekranującej 1 rys. 6. Corro-Eye zawiera ponadto elektrodę pomocniczą 2, a elektrodę odniesienia 3 betonuje się we wcześniej wykonanej bruździe. Rys. 6. Schemat czujnika do badań polaryzacyjnych mocowanego na powierzchni betonu wykorzystującego metody polaryzacyjne opis w tekście Literatura Zybura A., Jaśniok M., Jaśniok T.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, t.2, PWN, Warszawa 2011, s ASTM-C Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete. C. Andrade, C. Alonso: Corrosion rate monitoring in the laboratory and on-site, Construction and Building Materials Vol.10, No.5, 1996, str Materiały informacyjne firmy Germann Instruments Materiały informacyjne firmy FORCE Technology. Materiały informacyjne firmy SPZP Corrpol sp. z o.o. J.P.Broomfield, K. Davies, K. Hladky: Permanent Corrosion Monitoring in New and Existing Reinforced Concrete Structures, Materials Performance Vol. 39, No. 7, 2000, s Pracę wykonano w ramach projektu badawczego POIG /09-03 Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju. 192

5