Analiza porównawcza badań zasięgów polaryzacji zmiennoprądowej na stali zbrojeniowej w warunkach pasywacji i korozji

Transkrypt

1 MARIUSZ JAŚNIOK Politechnika Śląska, Gliwice Analiza porównawcza badań zasięgów polaryzacji zmiennoprądowej na stali zbrojeniowej w warunkach pasywacji i korozji W pracy przedstawiono wyniki badań metodą EIS zasięgów polaryzacji zmiennoprądowej na modelach zbrojenia w roztworach symulujących ciecz porową betonu. Zbadano trzy najczęściej występujące w konstrukcjach żelbetowych stany elektrochemiczne zbrojenia otoczonego przez beton otuliny, tj. pasywację, korozję ogólną wywołaną utratą właściwości ochronnych przez całą otulinę oraz korozję lokalną występującą w zarysowanych strefach betonu. Ocenę zasięgów polaryzacji na modelach zbrojenia przeprowadzono stosując 3 elektrody pomocnicze. Stwierdzono zależności między długością elektrody pomocniczej a pomierzoną wartością rezystancji przeniesienia ładunku. Rzeczywistą szybkość korozji stali wyznaczono w naczynku pomiarowym. Praca stanowi kontynuację, w ujęciu zmiennoprądowym, badań [2] zasięgu polaryzacji stałoprądowej na zbrojeniu. Słowa kluczowe: diagnostyka konstrukcji żelbetowych, korozja zbrojenia, elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna, zasięg polaryzacji Comparative analysis of the alternating current polarization ranges tests on the reinforcing steel under the passivation and the corrosion conditions Test results of alternating current polarization ranges on the reinforcement models in solutions simulating the concrete pore liquid performed by EIS method were presented in the paper. Three electrochemical states of the reinforcement surrounded with the concrete cover that occur frequently in reinforced concret: passivation, uniform corrosion caused by loss of protective properties by the whole concrete cover and the local corrosion occurring in the cracked zones of concrete were tested. Three counter electrodes were used to asses infl uence of polarization ranges on the reinforcement models. Dependencies between the length of counter electrode and the charge transfer resistance were found. A real value of corrosion rate of steel was determined in the measuring vessel. The paper is a continuation of the direct current polarization range tests [2] on the reinforcement, but in the alternating current version. Key words: diagnostic of reinforced concrete structures, reinforcement corrosion, electrochemical impedance spectroscopy, polarization range 1. Wprowadzenie Zewnętrzne czynniki środowiskowe, takie jak CO 2 i Cl, szczególnie w strefach zarysowania betonu 1 (rys. 1a), stanowią poważne zagrożenie trwałości konstrukcji żelbetowych [1]. Dlatego ważnym aspektem utrzymania w dobrym stanie technicznym, szczególnie odpowiedzialnych obiektów inżynierskich (np. mostów, chłodni kominowych, ścian oporowych, itp.) jest wiedza na temat stopnia zagrożenia korozyjnego zbrojenia tych konstrukcji, zanim skutki postępującej degradacji żelbetu ujawnią się w postaci zarysowań, rdzawych wycieków lub odspajającej się i odpadającej otuliny. Jedną z rozwijanych obecnie nieniszczących, zaawansowanych metod diagnostycznych, umożliwiających ilościową ocenę intensywności procesów korozyjnych na zbrojeniu jest metoda elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej [3 8]. Ogólny przegląd elektrochemicznych metod diagnostycznych stosowanych na konstrukcjach żelbetowych przedstawiono w artykułach [9 12]. Jednakże wykonanie pomiarów metodą EIS na rzeczywistym obiekcie żelbetowym wymaga specyficznych rozwiązań technicznych [3, 4, 12]. Podobnie jak w ujęciu klasycznym (w naczynku pomiarowym) pomiary na elemencie konstrukcji np. na belce żelbetowej stropu (rys. 1b) wykonuje się w układzie trójelektrodowym. Elektrodami badanymi są osłonięte betonem otuliny pręty zbrojenia podłużnego 2, połączone strzemionami 3. Elektrodą odniesienia 4 (rys. 1c) jest elektroda o stałym i znanym potencjale, np. Cu/CuSO 4. Elektrodę pomocniczą 5 najczęściej wykonuje się w postaci krążka z blachy ze stali nierdzewnej lub z siatki z drutu tytanowego pokrytego cienką warstwą platyny lub złota [12]. Elektroda pomocnicza wraz z elektrodą odniesienia umieszczana jest w obudowie sondy pomiarowej 6 (rys. 1b) i w trakcie pomiaru przykładana do powierzchni betonu. Podobnie jak w pomiarach laboratoryjnych wszystkie elektrody podłączone są do potencjostatu 7, który steruje sygnałem zaburzającym potencjał zbrojenia, automatycznie rejestrując jego odpowiedź. Jednakże największym, do końca nierozwiązanym problemem dotyczącym interpretacji wyników pomiarów polaryzacyjnych na zbrojeniu, jest brak możliwości bezpośredniej oceny zasięgu L polaryzacji rys. 1c. Jak wiadomo w przypadku klasycznych badań laboratoryjnych w naczynku pomiarowym ten problem nie istnieje, ponieważ równomiernie polaryzowana jest cała, znana powierzchnia badanej próbki metalu. Jednym ze sposobów szacowania powierzchni polaryzacji jest ograniczenie rozkładu prądów zewnętrzną elektrodą ekranującą (tzw. guard ring) usytuowaną wokół sondy pomiarowej [3, 4, 12]. Drugim, alternatywnym sposobem jest zastosowanie metody zmiennej powierzchni przeciwelektrody, tj. użycie kilku elektrod pomocniczych o różnej długości i oszacowanie rzeczywistej szybkości korozji zbrojenia w betonie poprzez porównanie wyników pomiarów uzyskanych tymi elektrodami [12, 13]. Ten drugi sposób postępowania jest przedmiotem rozważań w niniejszej pracy. Przedstawione w artykule wyniki badań zmiennoprądowych na modelach zbrojenia w różnych warunkach imitujących środowisko cieczy porowej betonu, są kontynuacją wykonanych wcześniej metodą pomiaru oporu polaryzacji analogicznych badań stałoprądowych opisanych w pracy [2]. 2. Zakres i metodyka badań Wykonując pomiary zasięgów polaryzacji zmiennoprądowej uwzględniono trzy najczęściej występujące w konstrukcjach żelbetowych stany elektrochemiczne stali zbrojeniowej osłoniętej betonem otuliny [1, 2], tj. stan pasywny gdy substancje agresywne z otoczenia znajdują się jedynie w ze- 35

2 Rys. 1. Pomiary szybkości korozji zbrojenia metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej na konstrukcjach żelbetowych: a) lokalizacja miejsca pomiarowego w środku rozpiętości belki stropowej w strefie zarysowanej, b) schemat pomiaru metodą EIS na podłużnym zbrojeniu belki, c) hipotetyczny rozkład prądów polaryzacji na zbrojeniu w trakcie pomiaru opis w tekście Fig. 1. Measurements of the reinforcement corrosion rate by electrochemical impedance spectroscopy method on the reinforced concrete structures: a) location of the measurement place in the middle of beam span of floor in the cracked zone, b) scheme of measurement by EIS method on the longitudinal reinforcement of beam, c) hypothetical distribution of polarization currents on the reinforcement during the measurement description in the text wnętrznych strefach otuliny i nie dotarły jeszcze do powierzchni stali zbrojeniowej, korozja ogólna wywołana utratą właściwości ochronnych przez całą otulinę zbrojenia, korozja lokalna spowodowana wnikaniem agresywnych substancji poprzez rysy w rozciąganej strefie elementu żelbetowego. Stan elektrochemiczny stali zbrojeniowej w konstrukcjach żelbetowych determinują właściwości chemiczne roztworu zawartego w porach otuliny betonowej. Roztwór porowy jest pozostałością po niezwiązanej wodzie zarobowej, którą użyto do wykonania mieszanki betonowej. Do roztworu porowego przechodzą alkaliczne składniki cementu, czego efektem jest silnie zasadowy odczyn (ph > 12,6), stwarzający warunki pasywacji stali w betonie. Jednakże do cieczy porowej, poprzez sieć porów kapilarnych i żelowych wnikają również agresywne czynniki z otoczenia konstrukcji, które w konsekwencji mogą doprowadzić do rozwoju korozji ogólnej lub lokalnej na zbrojeniu. Dlatego w przedstawianych badaniach zasięgów polaryzacji zmiennoprądowej na zbrojeniu, w celu uniknięcia niejednorodności związanych ze strukturą betonu otuliny, oddziaływanie cieczy porowej odwzorowano roztworami wodnymi. Badania wykonano na specjalnie przygotowanych elektrodach podłużnych imitujących zbrojenie konstrukcji żelbetowych. W badaniach zastosowano dwa typy elektrod rys. 2. Pierwszą elektrodę (rys. 2a) wykonano w formie wypolerowanego pręta 1 ze stali zbrojeniowej o średnicy φ12 mm, gatunku St3S i długości 500 mm. Drugą elektrodę badaną (rys. 2b) o średnicy φ16 mm i długości 500 mm złożono z trzech połączonych elementów. Połączenia między elementami wykonano nagwintowanym trzpieniem, nakręcanym wraz z gumowymi uszczelkami 2 zapobiegającymi korozji szczelinowej. Elementy skrajne 3 o długości 235 mm wykonano ze stali nierdzewnej gatunku OH18N9, natomiast odcinek środkowy 4 o długości 30 mm ze stali zbrojeniowej St3S. Bardziej szczegółowe rysunki budowy elektrod zamieszczono w pracy [2]. Po umieszczeniu elektrod podłużnych w roztworach wodnych otrzymano trzy modele badawcze: Model 1, w którym stan pasywny stali zbrojeniowej odwzorowano na elektrodzie ze stali St3S (rys. 2a) w roztworze mieszaniny wodorotlenków 0,06 M KOH + 0,2 M NaOH + 0,001 M Ca(OH) 2 o ph = 13,4, który według [14] dobrze odwzorowuje ciecz porową betonu nieskarbonatyzowanego i niezawierającego jonów Cl. Model 2, w którym równomierną korozję stalowego pręta wywołano umieszczając elektrodę ze stali St3S (rys. 2a) w wodzie wodociągowej o ph = 7,6, modelującej ciecz porową betonu silnie zobojętnionego (karbonatyzacja może doprowadzić do ph = 8,3). Model 3, w którym korozję lokalną (symulującą procesy korozyjne zbrojenia w rysie) wywołano zanurzając w wodzie wodociągowej elektrodę (rys. 2b) złożoną z elementów nierdzewnych i odcinka stali zbrojeniowej St3S. Badania przeprowadzono analogicznie jak w pracy [2], stosując zróżnicowane elektrody pomocnicze rys. 3. Zastosowano elektrodę pasmową 1 o długości L = 100 mm (rys. 3a), elektrodę pasmową 2 o długości L = 300 mm (rys. 3b) oraz elektrodę liniową 3 o długości L = 500 mm, biegnącą wzdłuż całej elektrody badanej 4 (rys. 3). Elektrody pasmowe wykonano z perforowanej blachy nierdzewnej, natomiast elektrodę liniową z drutu tytanowego o średnicy φ 1,6 mm pokrytego 3 μm warstwą platyny. W środku długości elektrody badanej 4 umieszczono elektrodę odniesienia 5 (Ag/ AgCl). Pomiary impedancyjne wykonywano komputerowym potencjostatem 6. Równolegle do badań wykonywanych na modelach zbrojenia w roztworach symulujących ciecz porową betonu, przeprowadzono pomiary rzeczywistej szybkości korozji dwóch gatunków stali (St3S i OH18N9), użytych do zamodelowania tego zbrojenia. Badania przeprowadzono w typowym na- Rys. 2. Elektrody badane modelujące zbrojenie konstrukcji żelbetowych por. [2] opis w tekście Fig. 2. Tested electrodes modeling the reinforcement of reinforced concrete structures comp. [2] description in the text 36

3 Rys. 3. Widok stanowisk badawczych do polaryzacji zmiennoprądowej metodą EIS modeli zbrojenia w roztworach symulujących ciecz porową betonu por. [2] opis w tekście Fig. 3. View of test stations for alternating current polarization by EIS method of the reinforcement models in solutions simulating the pore liquid of concrete comp. [2] description in the text czynku pomiarowym rys 4. Elektrodą badaną 1 była próbka stali w kształcie krążka o średnicy φ 10 mm i grubości 4 mm. Próbkę umieszczono w uchwycie z uszczelką 2, która ograniczyła do 1 cm 2 powierzchnię czynną elektrody. Elektrodą pomocniczą 3 była tytanowa płytka mm pokryta 3 μm warstwą platyny. Do badań zastosowano elektrodę odniesienia 4, przykładaną do elektrody badanej za pośrednictwem kapilary Ługgina 5. Naczynko pomiarowe wypełniano identycznymi jak w badaniach modeli zbrojenia roztworami symulującymi ciecz porową betonu. Wszystkie pomiary polaryzacyjne wykonano, znajdującym się na wyposażeniu Katedry Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej w Gliwicach, komputerowym zestawem z elektroniczną kartą PC4/300 Potentiostat/Galvanostat/ZRA do badań stałoprądowych, impedancyjnych i szumowych. Karta ta stanowi podstawę systemu komputerowego Framework Electrochemical Measurement System firmy Gamry Inc., który zawiera m.in. specjalistyczną aplikację EIS300 (Electrochemical Impedance Spectroscopy System) do przeprowadzenia i analizy pomiarów impedancyjnych. Przed pomiarami powierzchnię elektrod modelujących zbrojenie i próbek stali polerowano mechanicznie, odtłuszczano w acetonie i suszono. Każdy pomiar wykonywano co najmniej 3 razy. Każdorazowo badania rozpoczynano od stabilizacji potencjału korozyjnego zbrojenia względem elektrody odniesienia (ok. 60 minut), po czym wykonywano pomiar widma impedancyjnego, przy ustalonym zakresie częstotliwości 0, Hz, stosując sinusoidalny sygnał zaburzający o amplitudzie potencjału 10 mv względem potencjału stacjonarnego. 3. Badania próbek stali w naczynku pomiarowym Na rys. 5 przedstawiono na wykresie Nyquista rozkłady widm impedancyjnych otrzyma- Rys. 4. Schemat badań polaryzacji zmiennoprądowej metodą EIS w naczyńku pomiarowym stali zbrojeniowej w roztworach modelujących ciecz porową betonu por. [2] opis w tekście Fig. 4. Scheme of alternating current tests by EIS method in the measurement vessel of reinforcing steel in solutions modeling the pore liquid of concrete comp. [2] description in the text Rys. 5. Zestawienie na wykresie Nyquista widm impedancyjnych otrzymanych w wyniku równomiernej polaryzacji próbek stali w roztworach modelujących ciecz porową: a) stali OH18N9 w wodzie wodociągowej o ph = 7,6 oraz stali St3S w roztworze zasadowym o ph = 13,4, b) stali St3S w wodzie wodociągowej o ph = 7,6 Fig. 5. Impedance spectrums as compared in the Nyquist s diagram obtained as a result of uniform polarization of steel specimens in solutions modeling the pore liquid: a) OH18N9 steel in natural water of ph = 7,6 and St3S steel in hydroxide solution of ph = 13,4, b) St3S steel in natural water of ph = 7,6 37

4 nych w warunkach równomiernej polaryzacji stali. Widma na rys. 5a mają charakter silnie pojemnościowy i wysoką impedancję, co wskazuje na spasywowanie stali St3S w roztworze zasadowym oraz stali nierdzewnej OH18N9 w wodzie wodociągowej. Natomiast widma pokazane na rys. 5b charakteryzują się ponad 100. krotnie niższą (niż na rys. 5a) impedancją oraz charakterystycznym prawie pełnym półokręgiem o małej średnicy w całym zakresie częstotliwości, wskazującym na korozję stali St3S w wodzie wodociągowej. Analizę uzyskanych widm impedancyjnych przeprowadzono przyjmując elektryczny schemat zastępczy zamieszczony na rys. 5, w którym parametr R e charakteryzuje rezystancję elektrolitu, R t jest rezystancją przeniesienia ładunku połączoną równolegle z elementem stałofazowym CPE o współczynniku empirycznym α 1. Impedancja elementu stałofazowego CPE określona jest zależnością Z = A( j) -, w której wielkość 1/A charakteryzuje pojemność warstwy podwójnej na stali wyrażoną w [Fs α 1 ], ω = 2πf jest częstotliwością kątową, f częstotliwością [s 1 ], natomiast j jednostkę urojoną. Komplet wyników pomiarów zestawiono w tablicy 1, w której E kor oznacza potencjał korozyjny, natomiast R t jest uśrednioną wartością z trzech niezależnych pomiarów, a i kor uśrednioną gęstością prądu korozyjnego obliczoną ze wzoru Sterna-Gearego (1) typu wstawiono schematyczny rysunek ilustrujący długość i kształt odpowiedniej elektrody pomocniczej. Za pomocą każdej elektrody pomocniczej wykonano po 3 badania, łącznie 18 pomiarów impedancyjnych. Na rys. 6a charakter rozkładu punktów pomiarowych na wykresie Nyquista, a także wysokie wartości impedancji wskazują na spasywowanie stali St3S w roztworze zasadowym. Silnie pojemnościowe widma stanowiące fragmenty dużych, lekko spłaszczonych półokręgów zwiększają swoją umowną średnicę wraz ze spadkiem długości zastosowanej elektrody pomocniczej. Na płaszczyźnie zespolonej pokazanej na rys. 6b kształt widm impedancyjnych jest zupełnie inny. W przypadku ekspozycji stali St3S w wodzie wodociągowej widma przypominają prawie pełne półokręgi, a rejestrowane wartości impedancji są blisko 100. krotnie mniejsze niż w przypadku pokazanym na rys. 6a, co wskazuje na procesy korozyjne. Analogicznie jak w modelu 1 (rys. 6a) wraz ze wzrostem długości elektrody pomocniczej zmniejszeniu ulega umowna średnica półokręgu widma, która charakteryzuje rezystancję przeniesienia ładunku. Przedstawiony na trzecim wykresie Nyquista (rys. 6c) rozkład punktów pomiarowych dla elektrody złożonej model 3, ma nieco innych charakter od wykresu na rys. 6b. Podobnie jak w modelu 2 otrzymane widma mają We wzorze (1) przyjęto według [15, 16] w przypadku korozji współczynnik B = 26 mv, natomiast w przypadku pasywacji B = 52 mv. Ponieważ w naczynku pomiarowym była zapewniona równomierna polaryzacja elektrody badanej, więc wartości rezystancji przeniesienia ładunku R t, odwrotnie proporcjonalnej do szybkości korozji, charakteryzowały rzeczywistością intensywność procesów korozyjnych w roztworach odwzorowujących ciecz porową betonu. Uzyskane wyniki potwierdziły zakładane na wstępie występowanie stanu pasywnego stali St3S w roztworze wodorotlenków i stali OH18N9 w wodzie wodociągowej oraz korozji ogólnej stali zbrojeniowej St3S w wodzie wodociągowej. 4. Badania modeli zbrojenia z użyciem podłużnych elektrod pomocniczych Na rys. 6 zestawiono porównawczo w układzie współrzędnych zespolonych Z.real Z.imag na wykresie Nyquista rozkłady widm impedancyjnych uzyskanych dla trzech modeli zbrojenia. W celu jednoznacznej identyfikacji widm na wykresach, każdemu punktowi pomiarowemu otrzymanemu jedną z trzech elektrod pomocniczych, przypisano odpowiedni symbol graficzny, tj. trójkąty elektrodzie liniowej oraz kwadraty i kółka odpowiednio dłuższej i krótszej elektrodzie pasmowej. Ponadto na wszystkich wykresach w obszarze koncentracji punktów pomiarowych jednego Rys. 6. Zestawienie na wykresie Nyquista widm impedancyjnych uzyskanych w wyniku polaryzacji zmiennoprądowej modeli zbrojenia w roztworach symulujących ciecz porową betonu w warunkach: a) pasywacji, b) korozji równomiernej, c) korozji lokalnej Fig. 6. Impedance spectrums as compared in the Nyquist s diagram obtained as a result of alternating current polarization of the reinforcement models in solutions simulating the pore liquid of concrete in conditions of: a) passivation, b) uniform corrosion, c) local corrosion 38

5 kształty niepełnych spłaszczonych półokręgów, znajdują się w bliskiej odległości względem siebie, a rząd wielkości pomierzonych impedancji jest równie niski, co wskazuje na korozję najprawdopodobniej krótkiego odcinka stali zbrojeniowej St3S. Interesująca jest w tym przypadku zależność między długością elektrody pomocniczej a umowną średnicą półokręgu widma. Przyjmując do analizy charakterystyk procesu korozyjnego elektryczny schemat zastępczy zamieszczony na rys. 6, otrzymano bardzo zbliżone wartości rezystancji przeniesienia ładunku r t [Ω], wykazując analogiczną jak w poprzednich modelach tendencję związaną z wpływem podłużnej elektrody pomocniczej na mierzone wartości impedancji. W tym przypadku (rys. 6c) wraz ze wzrostem długości elektrody pomocniczej również maleje rezystancja przeniesienia ładunku r t, ale uzyskane różnice poszczególnych wartości są minimalne. Komplet wyników analizy widm impedancyjnych zamieszczono w tablicy 2. Oznaczone małymi literami parametry r e i r t są odpowiednio rezystancją elektrolitu i rezystancją przeniesienia ładunku, ale w odniesieniu do całej powierzchni polaryzacji, natomiast r t jest wartością uśrednioną z trzech niezależnych pomiarów. Sposób wyznaczenia parametrów R t oraz i kor podanych w dwóch ostatnich kolumnach tablicy 2 opisano w następnym rozdziale artykułu. Pozostałe charakterystyki procesu korozyjnego, tj. E kor, 1/A, α są analogiczne jak w tablicy Porównanie badań w naczynku pomiarowym i na modelach zbrojenia Zakładając, że w przypadku tytanowej elektrody pomocniczej o długości odpowiadającej długości podłużnej elektrody badanej nastąpi równomierna polaryzacja stali, w przedostat- Tablica 1. Wyniki pomiarów impedancyjnych stali przy równomiernej polaryzacji Table 1. Test results of impedance measurements of steel at uniform polarization Stal St3S St3S OH18N9 Roztwór zasadowy ph = 13,4 woda ph = 7,6 woda ph = 7,6 E kor 1/A R e R t R t i kor Stan [mv] [μfs -1 ] [k cm 2 ] [k cm 2 ] [k cm 2 ] [μa/cm 2 ] ,5 0,835 0,11 244, ,6 0,812 0,23 251, ,1 0,858 0,20 214, ,761 0,021 3, ,742 0,310 2, ,815 0,485 3, ,7 0,782 0,35 197, ,8 0,780 0,27 255, ,0 0,759 0,25 233,0 236,3 0,22 pasywny 3,00 8,67 korozja ogólna 228,3 0,23 pasywny Tablica 2. Wyniki analizy widm impedancyjnych modeli zbrojenia Table 2. Analysis results of impedance spectrums of the reinforcement models Model Układ elektrochemiczny Elektroda pomocnicza E kor 1/A r e r t r t R t i corr [mv] [μfs -1 ] [ ] [ ] [ ] [k cm 2 ] [ A/cm 2 ] St3S roztwór zasadowy ph = 13,4 St3S woda ph = 7,6 OH18N9 St3S OH18N9 woda ph = 7,6 L = 500 mm rys. 3c L = 300 mm rys. 3b L = 100 mm rys. 3a L = 500 mm rys. 3c L = 300 mm rys. 3b L = 100 mm rys. 3a L = 500 mm rys. 3c L = 300 mm rys. 3b L = 100 mm rys. 3a ,008 0,875 0, ,009 0,909 0, ,010 0,907 0, ,009 0,910 0, ,009 0,913 0, ,009 0,911 0, ,008 0,897 0, ,008 0,899 0, ,008 0,897 0, ,014 0,765 0,61 12, ,009 0,820 0,44 10, ,004 0,870 1,90 11, ,040 0,648 4,70 14, ,020 0,680 3,10 16, ,040 0,650 2,55 14, ,018 0,640 11,35 28, ,015 0,650 10,30 24, ,020 0,630 10,00 24, ,030 0,855 0, ,050 0,900 0, ,053 0,975 0, ,028 0,790 0,30 23, ,038 0,767 0,60 23, ,060 0,715 0, ,029 0,650 1, ,033 0,600 0, ,020 0,650 0, ,6 0, ,0 0, ,8 0,13 11,4 2,15 12,11 15,3 2,88 9,02 25,9 4,88 5,33 23,0 5,78 4,50 23,4 5,89 4,42 24,0 6,03 4,31 39

6 niej kolumnie tablicy 2 obliczono uśrednione z trzech pomiarów rzeczywiste rezystancje przeniesienia ładunku R t [kωcm 2 ], jako iloczyny r t [Ω] i powierzchni polaryzacji A p [cm 2 ]. W przypadku modelu 1 i modelu 2 powierzchnia A p = 188,4 cm 2, natomiast w przypadku modelu 3 powierzchnia jest większa i wynosi A p = 251,2 cm 2. W ostatniej kolumnie tablicy 2 ujęto, również uśrednione z trzech pomiarów, wartości gęstości prądu korozyjnego i kor, wyliczone ze wzoru (1). Porównanie wyników badań w naczynku pomiarowym (tablica 1) i na modelach zbrojenia (tablica 2) przeprowadzono względem rezystancji przeniesienia ładunku R t. W modelu 1 odwzorowującym zbrojenie w stanie pasywnym pomierzona rezystancja przeniesienia ładunku R t = 272,6 kωcm 2 była bardzo zbliżona do wartości R t = 236,3 kωcm 2 uzyskanej w naczynku pomiarowym. W wypadku zainicjowania korozji ogólnej (model 2) rezystancja przeniesienia ładunku pomierzona na elektrodzie podłużnej R t = 2,15 kωcm 2 była również zbliżona do rezys tancji R t = 3,00 kωcm 2 wyznaczonej w naczynku pomiarowym, aczkolwiek względna procentowa różnica jest tu nieco większa niż w porównaniu dotyczącym modelu 1. Rezystancji przeniesienia ładunku otrzymanej w modelu 3, symulującym lokalną korozję zbrojenia, nie można bezpośrednio porównać z wynikami uzyskanymi w naczynku pomiarowym. Zgodnie z tezą postawioną w pracy [2] i zweryfikowaną wynikami badań stałoprądowych można przyjąć, że szybkość korozji elektrody podłużnej zastosowanej w tym modelu odpowiada sumie szybkości korozji na poszczególnych odcinkach zróżnicowanych materiałowo. Założono, że udział szybkości korozji stali St3S i OH18N9 jest proporcjonalny do powierzchni pobocznicy elementów elektrody wykonanych z tych stali [2]. Uwzględniając powierzchnię odcinka ze stali St3S wynoszącą 6% oraz odcinków ze stali OH18N9 stanowiących 94% całkowitej powierzchni elektrody, na podstawie wyników badań w naczynku pomiarowym oszacowano całkowitą rezystancję przeniesienia ładunku złożonej elektrody podłużnej, jako odwrotnie proporcjonalną do szybkości korozji, otrzymując (2) Wynik szacunkowych obliczeń odbiega jednak od wartości R t = 5,78 kωcm 2 uzyskanej w badaniach modelu 3. Przyczyna tej rozbieżność tkwi zapewne w przyjęciu do wyznaczenia rzeczywistej rezystancji elektrody złożonej z pary metali wyrażenie (2), wielkości rezystancji obu gatunków stali wyznaczonych przy ich potencjałach korozyjnych, zamiast przy potencjale pary tych metali. Generalną przyczynę pewnych rozbieżności w wynikach badań uzyskanych w naczynku pomiarowym i na modelach zbrojenia należałoby upatrywać w nierównomiernym wypolerowaniu dużych walcowych powierzchni badanych elektrod podłużnych rys 2. Jak wiadomo zapewnienie idealnie wypolerowanej i odtłuszczonej powierzchni 1 cm 2 małej próbki stali przygotowanej do badań w naczynku pomiarowym jest nieporównywalnie łatwiejsze. 6. Analiza wyników badań modeli zbrojenia Zmierzając do wyznaczenia miarodajnego zasięgu spolaryzowania wkładek, umożliwiającego prawidłowe oszacowanie szybkości korozji modeli zbrojenia, rezystancję przeniesienia ładunku R t(l) otrzymaną za pośrednictwem elektrod pasmowych odniesiono do rezystancji przeniesienia ładunku R t(l=500) wyznaczonej podczas polaryzacji pomocniczą elektrodą liniową por. [2]. W tablicy 3 zamieszczono wartości ilorazu (3) dotyczące każdego z trzech modeli, z rozróżnieniem w dwóch kolumnach wyników uzyskanych dla obu elektrod pomocniczych. Zakładając, że w jednakowych warunkach elektrochemicznych rezystancja przeniesienia ładunku zależy od rzeczywistej powierzchni spolaryzowanej, wyznaczono umowny zasięg polaryzacji prętów l p = κ EIS l 0, (4) gdzie l 0 oznacza długość elektrody badanej modelującej zbrojenie. Tablica 3. Oszacowanie umownego zasięgu polaryzacji zmiennoprądowej na modelach zbrojenia w roztworach symulujących ciecz porową betonu Table 3. Estimation of the assumed alternating current polarization range on the reinforcement models in solution simulating the pore liquid of concrete Model Elektroda pomocnicza L = 100 mm L = 300 mm κ EIS Schemat polaryzacji κ EIS Schemat polaryzacji 1 0, , l p=350 l 0=500 l p=380 l 0= , , l p=220 l =500 0 l p=370 l = , , l p=480 l =500 0 l p=490 l =

7 Wzdłuż umownego zasięgu l p intensywność działania polaryzacji na pręty jest teoretycznie taka sama jak w badaniach wykonanych przeciwelektrodą liniową. Wyniki oszacowania w formie poglądowych rysunków zamieszczono w tablicy Wnioski z badań Badania impedancyjne w naczynku pomiarowym wykazały, że rezystancję przeniesienia ładunku określoną pomocniczą elektrodą liniową o długości odpowiadającej długości elektrody badanej można w przybliżeniu traktować jako rzeczywistą miarę odwrotności szybkości korozji. W badaniach zasięgu polaryzacji zmiennoprądowej na modelach zbrojenia w roztworach symulujących ciecz porową betonu, stwierdzono zależność między długością elektrody pomocniczej a pomierzoną wartością rezystancji przeniesienia ładunku. Obliczone umowne zasięgi prądów polaryzacji w warunkach pasywacji (model 1) są większe od długości elektrod pomocniczych. W przypadku krótszej elektrody pasmowej uzyskano zasięg 350 mm, natomiast w przypadku dłuższej elektrody pasmowej uzyskano zasięg o 30 mm większy. W przypadku spasywowanej stali zbrojeniowej (model 1) pomierzona rezystancja przeniesienia ładunku była 100. krotnie wyższa od rezystancji uzyskanej podczas polaryzacji stali w warunkach korozji ogólnej (model 2). Obliczone zasięgi prądów polaryzacji w warunkach korozji ogólnej (model 2) są również większe od długości elektrody pomocniczej, aczkolwiek w obu przypadkach o porównywalną długość odcinka poza gabarytem elektrody pomocniczej. W przypadku krótszej elektrody pasmowej zasięg polaryzacji był większy o 120 mm od długości tej elektrody, natomiast w przypadku dłuższej elektrody pasmowej o 70 mm. W warunkach korozji lokalnej (model 3) zasięgi polaryzacji w zasadzie nie zależą od długości zastosowanej elektrody pomocniczej i mają bardzo zbliżone wartości, osiągające w obu przypadkach prawie całą długość modelu zbrojenia. Jednak obliczony w tym przypadku zasięg nie spełnia wymagań wynikających z założenia stałej szybkości korozji, gdyż obejmuje zarówno środkowy odcinek stanowiący ognisko korozji jak i części, na których korozja nie występuje. Ponadto można domniemywać, że najsilniejsza koncentracja prądów polaryzacyjnych wystąpi na krótkim, niespasywowanym odcinku ze stali St3S. Z tego powodu wyznaczony w modelu 3. bardzo umowny zasięg polaryzacji l p nie może być miarodajny do szacowania szybkości korozji lokalnej. 8. Podsumowanie Przedstawione badania zasięgów polaryzacji zmiennoprądowej na modelach zbrojenia w roztworach symulujących ciecz porową betonu są pierwszym etapem kompleksowych badań stało i zmiennoprądowych wykonywanych w ramach Projektu Badawczego KBN, a służących udoskonalaniu i rozwijaniu metod zaawansowanej diagnostyki korozyjnej zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych. W kolejnym etapie przeprowadzone zostaną analogiczne pomiary na betonowych elementach próbnych zbrojonych pojedynczymi wkładkami, a także na elementach żelbetowych dodatkowo poddanych obciążeniom mechanicznym wywołującym zarysowanie, sprzyjające szybkiemu wnikaniu agresywnych czynników do betonu. Ostatnim etapem badań będzie wykonanie pomiarów impedancyjnych na betonowych elementach próbnych zbrojonych czterema krzyżującymi się prętami, co w sposób zasadniczy utrudnia interpretację wyników, a jednocześnie istotnie przybliża pomiary laboratoryjne do rzeczywistych warunków badawczych występujących na konstrukcjach żelbetowych. Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach jako projekt badawczy nr 4 T07E LITERATURA 1. Zybura A.: Zabezpieczanie konstrukcji żelbetowych metodami elektrochemicznymi, Monografia, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice Jaśniok T., Zybura A.: The course of the polarization process during electrochemical tests on reinforcement corrosion, Archives of Civil Engineering, 2007, LIII, pp Matsuoka K., Kihira H., Ito S., Murata T.: Corrosion Monitoring for Reinforcing Bars in Concrete, Corrosion Rates of Steel in Concrete, ASTM STP 1065, pp Lemoine L., Wenger F., Galland J.: Study of the Corrosion of Concrete Reinforcement by Electrochemical Impedance Measurement, Corrosion Rates of Steel in Concrete, ASTM STP 1065, pp Videm K.: Phenomena disturbing electrochemical corrosion rate measurements for steel in alkaline environments, Electrochimica Acta 2001, 46, pp Sagoe-Crensil K.K., Glasser F.P., Irvine J.T.S.: Electrochemical characteristic of reinforced concrete corrosion as determined by impedance spectroscopy, Br. Corr. Journal, 1992, 27, 2, pp Mansfeld F.: Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) as a new tool for investigation methods of corrosion protection, Electrochemica Acta, 1990, Vol. 35, No. 10, pp Siwiec B., Królikowski A.: Impedancyjne badanie korozji stali zbrojeniowej w skarbonizowanym betonie, Ochrona przed Korozją, 1995, nr 2, s Flis J.: Ocena szybkości korozji stalowego zbrojenia metodą elektrochemiczną, Ochrona przed Korozją, 1996, nr 8, s Zybura A., Jaśniok T.: Diagnostyka stanu korozyjnego zbrojenia w żelbetowych obiektach komunalnych, Drogownictwo, 2000, nr 4, s Jaśniok M., Jaśniok T.: Metody diagnostyki zagrożenia korozyjnego zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych. Podstawowe badania elektrochemiczne (cz. III). Przegląd Budowlany, 2007, nr 6, s Jaśniok M., Jaśniok T.: Metody diagnostyki zagrożenia korozyjnego zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych. Zaawansowane badania elektrochemiczne (cz. IV). Przegląd Budowlany, nr 7-8, 2007, s Andrade C., Alonso C.: Corrosion rate monitoring in the laboratory and on-site, Construction and Building Materials Vol.10, No.5, 1996, pp Tullmin M., Mammoliti L., Sohdi R., Hansson C.M., Hope B.B.: The Passivation of Reinforcing Steel Exposed to Synthetic Pore Solution and the Effect of Calcium-Nitrite Inhibitor, Cement Concrete and Aggregates, 1995, Vol. 17, No. 2, pp Feliu V., Gonzalez J.A., Andrade C., Feliu S.: Equivalent circuit for modelling the steelconcrete interface. I. Experimental evidence and theoretical prediction, Corrosion Science, 1998, Vol. 40, No.6, pp Flis J., Pickering H.W., Osseo-Asare K.: Interpretation of impedance data for reinforcing steel in alkaline solution containing chlorides and acetates, Electrochimica Acta, 1998, Vol. 43, Nos 12-13, pp Informacje o Autorze Dr inż. Mariusz Jaśniok jest adiunktem w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Zajmuje się zagadnieniami trwałości konstrukcji żelbetowych, szczególnie elektrochemiczną rehabilitacją betonu oraz elektrochemiczną diagnostyką zagrożenia korozyjnego stali zbrojeniowej w betonie. Adres do korespondencji: Katedra Konstrukcji Budowlanych Wydział Budownictwa Politechnika Śląska Gliwice, ul. Akademicka 5 tel. (0-32) mariusz.jasniok@polsl.pl 41

8 51 WYDAWN!CTW SlGMANOT PL ISSN rokwyclawama ochrona przed korozjq cena 29,50 zi (w tym O" VAT) 1/2008 rzed korozjg wnietwie