Okre lenie stopnia zaawansowania procesów korozyjnych zbrojenia kielichowej konstrukcji dworca w Katowicach

Transkrypt

1 nu na podstawie bada nieniszcz cych jest zadowalaj ca w zakresie ± %, to mo na przyj (rys. b), e wp yw temperatury okre- la mo na t metod w zadowalaj cym stopniu do temperatury 6 C. Niestety stan powierzchni betonu wygrzanego do temp. 8 C nie pozwala ju na takie oszacowania, rozbie no pomi dzy wynikami pomiaru wytrzyma o- ci na ciskanie dla betonu zwyk ego mo e przekracza nawet % (rys. b).. Wnioski i perspektywy Pomiar twardo ci powierzchniowej przy u yciu sklerometru Schmidta typu N mo e stanowi efektywn metod oceny wp ywu temperatury na beton w konstrukcji. Nieniszcz cy charakter prowadzonych pomiarów oraz atwo ich wykonywania stanowi o popularno ci stosowania tej techniki do oceny stanu betonu. Warunkiem prowadzenia prawid owej oceny uszkodze betonu spowodowanych dzia aniem tempera- tury metod sklerometryczn jest okre lenie wspó czynnika koryguj cego dla betonu nieuszkodzonego dzia aniem temperatury w oparciu o przyj t krzyw regresji. Stopie odwzorowania wytrzyma o ci na ciskanie na podstawie bada twardo- ci powierzchniowej zale y od prawid owo ci przyj tych za o e. Wed ug autorów niezwykle interesuj ce by yby badania o szerszym zakresie prowadz ce do wyznaczenia zale no ci pokazuj cych relacje mi dzy wytrzyma o ci na ciskanie a warto ci liczby odbicia w funkcji temperatury. W niedalekiej przysz o ci planowane s badania, w których okre lany b dzie wp yw temperatury na wyznaczane metodami niszcz cymi, cz ciowo niszcz cymi oraz nieniszcz cymi w a ciwo ci betonów ró ni cych si sk adem pod wzgl dem jako- ciowym i ilo ciowym. BIBLIOGRAFIA [] Présentation des techniques de diagnostic de l état d un béton soumis à un incendie, décembre 5, n 6, Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Paris, France, p. [] Instrukcja ITB, Warszawa 977 [] PN-EN 5-: Badania betonu w konstrukcjach Cz : Badanie nieniszcz ce Oznaczanie liczby odbicia [] Nagrodzka-Godycka K., Badanie w a ciwo ci betonu i elbetu w warunkach laboratoryjnych, Arkady, W-wa 999 INFORMACJE O AUTORACH Dr in. Izabela Hager, absolwentka Politechniki Krakowskiej (998), stopie doktora Ecole Nationale des Ponts et Chaussées, Francja (), zatrudniona w Politechnice Krakowskiej w Katedrze Technologii Materia ów Budowlanych i Ochrony Budowli na stanowisku adiunkta naukowo-dydaktycznego, zainteresowania naukowe: wp yw temperatury po arowej na beton oraz inne materia y budowlane, ihager@pk.edu.pl. Dr in. Tomasz Tracz, absolwent Politechniki Krakowskiej (999), zatrudniony w Politechnice Krakowskiej w Katedrze Technologii Materia ów Budowlanych i Ochrony Budowli na stanowisku adiunkta naukowo-dydaktycznego, zainteresowania naukowe: zdolno transportowa betonu i innych materia ów dla mediów ciek ych i gazowych, ttracz@pk.edu.pl Adres do korespondencji: dr in. Izabela Hager, Katedra Technologii Materia ów Budowlanych i Ochrony Budowli Wydzia In ynierii L dowej, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Ko ciuszki, ul. Warszawska, -55 Kraków. Okre lenie stopnia zaawansowania procesów korozyjnych zbrojenia kielichowej konstrukcji dworca w Katowicach Dr in. Mariusz Ja niok, dr in. Tomasz Ja niok, prof. dr hab. in. Adam Zybura 8 W zwi zku z planowan przebudow dworca kolejowego w Katowicach przeprowadzono ocen stanu technicznego konstrukcji obejmuj c mi dzy innymi badania zagro enia korozj zbrojenia kielichowych s upów u ytkowanych przez ponad lat. Badania laboratoryjne wykonano na zewn trznych cz ciach pobranych z obiektu betonowych rdzeni, które zawiera y fragmenty pr tów zbrojeniowych. Szybko korozji zbrojenia przy nienaruszonym kontakcie z otulin wyznaczono na podstawie pomiarów oporu polaryzacji liniowej i spektroskopii impedancyjnej. S owa kluczowe: konstrukcje elbetowe, s upy kielichowe, badania korozji zbrojenia w betonie, pomiar oporu polaryzacji, elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna.

2 Determination of progression degree of the reinforcement corrosion processes of the goblet construction of the railway station building in Katowice Because of planned conversion of the railway station building in Katowice technical state assessment of the construction including tests of the reinforcement corrosion risk of the goblet columns used over years among other things were carried out. Laboratory tests on the structure cores outside parts, which cores contained fragments of the reinforcement bars were performed. On the basis of the linear polarisation resistance and the electrochemical impedance spectroscopy measurements, the corrosion rate of the reinforcement with untouched steel-concrete cover interface was determined. Key words: concrete structures, goblet columns, tests of the reinforcement corrosion in concrete, linear polarization resistance, electrochemical impedance spectroscopy.. Wprowadzenie Planuj c przebudow dworca kolejowego w Katowicach zamierza si zachowa charakterystyczne kielichowe elementy konstrukcyjne, które maj unikalne walory architektoniczne []. Szesna cie elementów kielichowych, usytuowanych w dwóch rz dach stanowi przekrycie budynku g ównego (rys. ). Ka dy element o wymiarach w rzucie 8 8 m jest podparty jednym, umieszczonym centralnie s upem. S upy w dolnej cz ci maj sta y przekrój kwadratowy o boku cm i grubo ci cianki 5 cm (rys., przekrój B-B). Powy ej stropu po redniego, przekrój s upa ulega zmianie i w najwy szym miejscu przyjmuje kszta t obróconego o k t 5 kwadratu z bokiem 5 cm i grubo ci cianki cm (rys., prze- Badania zagro enia korozj zbrojenia przeprowadzono mi dzy innymi na wyci tych ze skrajnego elementu kielichowego czterech rdzeniach walcowych zawieraj cych fragmenty stalowych pr tów (rys. ). Dwa rdzenie pobrano z pow oki oraz dwa rdzenie z górnej cz ci s upa. Pomiary wykonano metodami polaryzacyjnymi polegaj cymi na przepuszczeniu przez badany o rodek impulsu potencja owego (liniowo zmiennego metoda LPR lub sinusoidalnego w szerokim spektrum cz stotliwo ci metoda EIS), powoduj cego wytr cenie ze stanu równowagi uk adu stal beton i rejestracji odpowiedzi w urz dzeniu pomiarowym [, ]. W pierwszym etapie, modeluj c beton wilgotny, zamierzano wytwokrój C-C). W s upach centralnych zamocowano wspornikowo ebra promieniste, szeroko ci cm i wysoko ci 7 cm (rys., przekrój A-A). Na promienistych ebrach i obwodowych belkach wie cz cych (7 cm) opieraj si cztery pow oki paraboliczno-hiperboliczne grubo ci 6 mm. W celu okre lenia mo liwo ci dalszego u ytkowania ponad -letnich elementów kielichowych podj to mi dzy innymi badania zagro- enia korozj zbrojenia. Badania elektrochemiczne przeprowadzono metod spektroskopii impedancyjnej i polaryzacji liniowej na zbrojeniu znajduj cym si w wyci tych z konstrukcji rdzeniach betonowych. W artykule przedstawiono wyniki bada wykonanych w jednym, skrajnym elemencie kielichowym.. Zakres i metodyka bada A-A 6 +,7, C-C 95-5 B-B Rys.. Kielichowa konstrukcja dworca w Katowicach opis w tek cie Fig.. Goblet construction of the railway station building in Katowice description in the text 9

3 5 5 P Rys.. Stanowisko do bada polaryzacyjnych dla zbroje rdzenia Fig.. Stand for polarization tests on the reinforcement of the cores Pomiary impedancyjne (EIS) przeprowadzono zarówno na próbkach nas czonych wod, jak i suchych. Pomiary wykonywano przy ustalorzy najkorzystniejsze warunki do wyst pienia procesów korozyjnych na powierzchni zbrojenia. Bezpo rednio przed pomiarami wszystkie rdzenie umieszczono w wodzie przez okres godzin. Na nas czonych wod rdzeniach przeprowadzono w pierwszej kolejno ci badania zmiennopr dowe (EIS), a nast pnie badania sta opr dowe (LPR). W drugim etapie modelowano beton bardzo suchy, stwarzaj c warunki sprzyjaj ce maksymalnemu spowolnieniu procesów korozyjnych. Na wybranych rdzeniach wykonano powtórnie jedynie pomiary impedancyjne, które s mniej wra liwe na s ab przewodno elektryczn rodowiska. Odpowiedni nisk wilgotno betonu uzyskano w wyniku naturalnego schni cia betonu przez 8 godzin w stosunkowo wysokiej temperaturze powietrza wynosz cej 5 C. Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku. Przeci ty pr t nawiercano od czo a w taki sposób, aby mo liwe by o jego pod czenie do potencjostatu (za pomoc tzw. wtyku bananowego). Do naczynia z wod wodoci gow w o ono elektrod pomocnicz z perforowanej blachy nierdzewnej, a nast pnie rdze betonowy. Poziom wody si ga oko o mm ponad podstaw rdzenia. Na górnej powierzchni betonu za po rednictwem wilgotnego filcu lub alternatywnie w wodzie w pobli u elektrody pomocniczej poprzez tzw. kapilar uggina, umieszczono chloro-srebrow elektrod odniesienia 5.. Wyniki i analiza pomiarów polaryzacyjnych metodami EIS i LPR a) - Z im [k cm ] b) Z im [k cm ] su su 5 7 su su nym zakresie cz stotliwo ci, Hz, stosuj c sinusoidalny sygna zaburzaj cy o amplitudzie potencja u mv wzgl dem potencja u korozyjnego. Na rysunku przedstawiono rozk ady widm impedancyjnych na wykresie Nyquista, przy czym rysunek a jest powi kszeniem fragmentu wykresu z rysunku b. Do analizy widm impedancyjnych przyj to elektryczny schemat zast pczy wed ug rysunku c. W schemacie modeluj cym uk ad stal-beton poszczególne elementy oznaczaj : R e rezystancja cieczy porowej w otulinie, R por rezystancja porów (betonu), CPE por element sta ofazowy charakteryzuj cy pojemno otuliny betonowej, R t rezystancja przeniesienia adunku, CPE element sta ofazowy charakteryzuj cy pojemno warstwy podwójnej na granicy faz metal ciecz porowa, Z D impedancja Warburga. Wyniki analizy pomiarów EIS zamieszczono w tabeli, w której zestawiono: zinwenta Rys.. Widma impedancyjne dla zbroje rdzenia betonowych Fig.. Impedance spectrums of the reinforcement of the concrete cores c) R e CPE por R por R t CPE Z D 5 6 Z re [k cm ] 7 5 Tabela. Wyniki analizy pomiarów impedancyjnych Table. Results of impedance tests analysis Numer A p Y Y p R e + R p R t CR rdzenia [cm ] [mv] [ Fs /cm ] [nfs /cm ] p [k cm /s / ] [k cm ] [k cm ] [ A/cm ] [mm/rok] ,5 55 5, 68,,8,56 6,97 6,5,,5 6, 55 69,8 6,8,5,8 6, 5,8,9,5 su 6, + 5,768,,5 79,68 9,779 9,8,98, 8, ,,,65,8 6,6,9 7,, su 8, ,6 7,7,78 8,957 5,8,7,,,8 5 78,95 7,7,678, 8,66, 7,86,9

4 [mv] Tabela. Wyniki analizy pomiarów polaryzacji liniowej Table. Results of linear polarization tests analysis Numer rdzenia rdze nr rdze nr rdze nr rdze nr Log i [A/cm ] Rys.. Krzywe polaryzacji zbrojenia rdzeni betonowych Fig.. Polarization curves of the reinforcement of the concrete cores ryzowane po rozkruszeniu betonu sumaryczne powierzchnie A p pobocznicy pr tów, potencja korozyjny okre lony wzgl dem elektrody Ag AgCl, parametry Y i Y p, i bezwymiarowe wspó czynniki i p wyst puj ce w definicji impedancji elementu sta ofazowego CPE, tj. Z CPE = Y - (j ), gdzie j jest jednostk urojon, a cz stotliwo ci k tow. Ponadto w tablicy zamieszczono warto ci wspó czynnika Warburga, sumaryczn warto rezystancji fazy sta- ej otuliny R p i rezystancji cieczy porowej R e oraz warto rezystancji przeniesienia adunku R t, która jest odwrotnie proporcjonalna do szybko cozji. W ostatnich kolumnach tablicy uj to g sto pr du korozyjnego oraz wska nik szybko cozji CR (corrosion rate), stanowi ce miar zagro enia korozj zbrojenia. Analizuj c rozk ad punktów pomiarowych na wykresie Nyquista mo na zauwa y, e wszystkie widma zbrojenia rdzeni zawilgoconych (nr,, i ) s silnie sp aszczone, co mo e wskazywa na rozwój procesów korozyjnych. Widma zbro- a k r p A p R p CR [mm/rok] [mv] [mv] [mv] [ ] [cm ] [k cm ] [ A/cm ] ,5,9,, ,,6,9, ,66,5 6,76,9 59 9,8,8,, Warto ci g sto ci pr du korozyjnego oraz wska nika CR otrzymane metod spektroskopii impedancyjnej stosunkowo dobrze zgadza y si z warto ciami wyznaczonymi metod polaryzacji liniowej. Wobec powtórzenia si tych wyników nale y uzna, e w warunkach skrajnie wilgotnych zbrojenie konstrukcji mo e by zagro one korozj. Natomiast porównanie warto- ci g sto ci pr du i wska nika CR okre lonych metod spektroskopii impedancyjnej w rdzeniach nawil onych i wysuszonych (nr i su pow oka oraz nr i su s up) wskazuje, e warunki suche istotnie ograniczy y mo liwo rozwoju korozji zbrojenia. Po wykonaniu pomiarów polaryzacyjnych zewn trzne cz ci rdzeni rozkruszono w maszynie wytrzyma o ciowej i wyj to fragmenty pr tów zbrojeniowych. Na powierzchni cz - ci pr tów wyst powa y produkty korozji, które najprawdopodobjenia rdzeni suchych (su i su) maj przebieg bardziej pionowy i w przypadku rdzenia nr su nast pi o wyra ne przesuni cie w kierunku dodatnich warto ci impedancji rzeczywistej, wiadcz ce o wzro- cie rezystywno ci wysuszonego betonu []. W przypadku rdzenia su, równie odnotowano wzrost rezystywno ci betonu, ale pomiar wykonano przez cie sz warstw betonu (po obróceniu badanego rdzenia o 8 ). Ka dorazowo na danym rdzeniu, po zako czeniu pomiaru zmiennopr dowego i kilkuminutowej obserwacji stabilno ci potencja u stacjonarnego, przyst powano do wykonywania pomiaru sta opr dowego. Zbrojenie polaryzowano z szybko ci mv/s w zakresie zmiany potencja u od 5 mv do +5 mv od potencja u korozyjnego. Wyniki bada sta opr dowych przeprowadzonych na wilgotnych rdzeniach przedstawiono w tabeli, w której a i k s wspó czynnikami Tafela nachylenia krzywych polaryzacji, a R p jest oporem polaryzacji liniowej. Najwy sz szybko korozji otrzymano na zbrojeniu rdzenia nr - pobranego ze s upa, natomiast w pozosta ych rdzeniach warto ci g sto ci pr du korozyjnego by y zbli one. Wzrost szybko cozji w próbce nr mia raczej charakter przypadkowy i wynika z lokalnie mocniejszego zaawansowania procesów korozyjnych zbrojenia. Kszta t krzywych we wszystkich próbkach by zbli ony, lecz w rdzeniach nr mo na mówi o kontroli anodowej (ze wzgl du na bezwzgl dnie wy sze warto ci tafelowskich nachyle anodowych), a w rdzeniu nr mamy do czynienia z kontrol mieszan (rys. ). Kontrola katodowa, wynikaj ca z ograniczonego dost pu tlenu, w analizowanym przypadku wskazywa a na stosunkowo szczelny beton, dodatkowo powierzchniowo pokryty nalotem pochodz cym z oddzia ywania przemys owego rodowiska. Kontrola anodowa mog a by spowodowana gromadzeniem na powierzchni pr tów produktów korozji, które stwierdzono po zniszczeniu próbek.. Podsumowanie 5

5 niej by y wynikiem d ugotrwa ego zamakania betonu na skutek bardzo z ego stanu pokrycia dachu. Uzyskanie podobnych wyników w innych elementach kielichowych pozwoli o stwierdzi, e istnieje mo liwo dalszego u ytkowania tej oryginalnej konstrukcji dworca pod warunkiem niedopuszczenia do nadmiernego zawilgocenia. BIBLIOGRAFIA [] SUD Architectes Polska, Dworzec PKP w Katowicach. ARCHIVOLTA ()/9, pa dziernik-grudzie 9, s. 9 [] Andrade C., Alonso C., Corrosion rate monitoring in the laboratory and on-site, Construction and Building Materials Vol., No. 5, 996, p. 5 8 [] 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 65, p. 8 [] Ford S. J., Shane J. D., Manson T. O., Assignment of features in Impedance Spectra of the Cement-Paste/Steel System, Cement Concrete Research, Vol. 8, No., 998, p INFORMACJE O AUTORACH Prof. dr hab. in. Adam Zybura kierownik Katedry Konstrukcji Budowlanych Politechniki Ocena wp ywu stanu betonu l skiej; zajmuje si problematyk trwa o ci konstrukcji budowlanych oraz modelowania procesów degradacjozyjnej elbetu. Dr in. Mariusz Ja niok, dr in. Tomasz Ja niok adiunkci w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki l skiej; specjalizuj si w zagadnieniach zaawansowanej diagnostykozyjnej konstrukcji elbetowych. Adres do korespondencji: Katedra Konstrukcji Budowlanych, Politechnika l ska, ul. Akademicka 5, - Gliwice. w konstrukcji na szybko procesu korozji zbrojenia w obiektach mostowych Dr in. Tomasz akomy W artykule zaprezentowano wybrane wyniki i wnioski z bada polowych oraz obserwacji z przegl dów dziesi ciu drogowych obiektów mostowych wybudowanych w dwóch wyra nie ró nych okresach czasu, oko o roku 95 oraz oko o roku 975. W trakcie bada analizowano przebieg w warunkach rzeczywistych oraz zale no ci mi dzy procesami karbonatyzacji, wnikania chlorków a szybko ci korozji zbrojenia. Okre lono równie wp yw cech wytrzyma o ciowych betonu oraz uwarunkowa konstrukcyjnych, eksploatacyjnych i rodowiskowych na szybko korozji zbrojenia w konstrukcjach mostowych. S owa kluczowe: beton, stal zbrojeniowa, karbonatyzacja, chlorki, korozja, mosty. Influence of concrete condition in structure on steel corrosion in reinforced concrete bridges In this paper in-situ test results and observations from site inspections of ten road bridges were presented. These bridges were erected in two significantly different time spans: around year 95 and around year 975. Progress of carbonation, chloride ingress and steel corrosion in real conditions and relationships among these processes were analyzed. Concrete compressive strength, applied construction solutions as well as working and environmental conditions were also taken into account. Key words: concrete, steel, rebars, carbonation, chloride, corrosion, bridges. 5. Wprowadzenie Na skutek oddzia ywania agresywnych czynników rodowiska zewn trznego i zachodz cych pod ich wp ywem reakcji wewn trz struktury betonu, konstrukcje betonowe ulegaj procesowi degradacji. W szczególnie niekorzystnej sytuacji znajduj si obiekty komunikacyjne, które nara one s nie tylko na wp yw czynników rodowiska naturalnego, ale równie na oddzia ywanie zanieczyszcze przemys owych oraz soli odladzaj cych wykorzystywanych w zimowym utrzymaniu dróg [], [], [], []. Za g ówne przyczyny niszczenia betonowych obiektów komunikacyjnych w Polsce uznaje si korozj mrozow oraz korozj stali zbrojeniowej. Rozwój procesu korozji stali zbrojeniowej prowadzi do obni enia trwa o ci obiektu, a w zaawansowanym stadium równie do obni enia jego no no ci