SPIS TREŚCI Badania impedancyjne stali w dużych elementach żelbetowych... 84

Transkrypt

1 II ki Fuel OM

2 SPIS TREŚCI WAŻNIEJSZE OZNACZENIA WPROWADZENIE Zarys problemu Cel i zakres monografii DEGRADACJA I DIAGNOSTYKA KOROZYJNA ŻELBETU Degradacja konstrukcji żelbetowych Korozja żelbetu Depasywacja stali w betonie Stan aktywny zbrojenia w betonie Metody diagnostyki korozyjnej zbrojenia w betonie Klasyfikacja metod diagnostycznych Badania właściwości ochronnych betonu Ocena prawdopodobieństwa wystąpienia korozji zbrojenia Badania polaryzacyjne szybkości korozji zbrojenia w betonie Problemy interpretacyjne badań polaryzacyjnych stali w betonie INTERPRETACJA I ADAPTACJA BADAŃ IMPEDANCYJNYCH STALI W BETONIE Cechy widm impedancyjnych stali w betonie, zaprawie i zaczynie Przyczyny problemów interpretacyjnych Kształty widm impedancyjnych spasywowanej stali w zaczynie cementowym Kształty widm impedancyjnych korodującej stali w betonie Porównanie typowych widm impedancyjnych stali w zaprawie cementowej Objętościowe cechy widm impedancyjnych Elektrodowe cechy widm impedancyjnych Wpływ hydratacji cementu na kształt widm impedancyjnych stali Podsumowanie Adaptacja pomiarów impedancyjnych w żelbecie Analiza przepływu prądu zmiennego przez beton Duże wymiary elektrod badanych stalowego zbrojenia Technika elektrody ekranującej w badaniach metodą EIS Sposoby wykrywania lokalnej korozji zbrojenia w betonie Badania impedancyjne stali w dużych elementach żelbetowych Pomiary na wielkogabarytowych elementach żelbetowych Autorskie badania impedancyjne na konstrukcjach żelbetowych BADANIE I MODELOWANIE UKŁADU STAL CIECZ POROWA BETONU W POMIARACH IMPEDANCYJNYCH Model 2D układu stal ciecz porowa betonu Główne założenia modelu Zasięg polaryzacji na powierzchni zbrojenia Elementarny schemat zastępczy

3 Zakres i metodyka badań Badania impedancyjne stali zbrojeniowej w roztworach wodnych Badania próbek stali w naczyńku pomiarowym Badania modeli zbrojenia z użyciem podłużnych elektrod pomocniczych Analiza badań doświadczalnych Porównanie badań w naczyńku pomiarowym i na modelach zbrojenia Analiza wyników badań modeli zbrojenia Wnioski z badań Ocena szybkości korozji zbrojenia w cieczy porowej według modelu 2D Koncepacja metody symultanicznego dopasowywania widm Zastosowanie modelu 2D do analizy wyników badań impedancyjnych Ocena zgodności widm modelowych z doświadczalnymi Podsumowanie BADANIE I MODELOWANIE UKŁADU STAL BETON W POMIARACH IMPEDANCYJNYCH Model 3D układu stal beton Ogólne założenia modelu Trasowanie ścieżek przewodzenia prądu Współczynniki geometrii układu Całkowita impedancja układu Autorska aplikacja do analizy badań impedancyjnych zbrojenia w betonie Przebieg badań doświadczalnych Cel i zakres badań Elementy próbne Metodyka pomiarów Metodyka analizy wyników badań według modelu 3D Zasady analizy widm impedancyjnych z uwzględnieniem geometrii układu Sposób uwzględnienia wpływu wilgotności betonu w modelu 3D ANALIZA WPŁYWU GEOMETRII UKŁADU STAL BETON NA KSZTAŁTY WIDM IMPEDANCYJNYCH Wpływ średnicy zbrojenia Układ pomiarowy i jego modelowe odwzorowanie Ocena porównawcza otrzymanych widm impedancyjnych Analiza obliczeniowa pomiarów według modelu 3D Wpływ grubości otulenia betonowego Układ pomiarowy i jego modelowe odwzorowanie Ocena porównawcza otrzymanych widm impedancyjnych Analiza obliczeniowa pomiarów według modelu 3D Wpływ szerokości przeciwelektrody Układ pomiarowy i jego modelowe odwzorowanie Ocena porównawcza otrzymanych widm impedancyjnych Analiza obliczeniowa pomiarów według modelu 3D Wpływ długości przeciwelektrody Układ pomiarowy i jego modelowe odwzorowanie Ocena porównawcza otrzymanych widm impedancyjnych Analiza obliczeniowa pomiarów według modelu 3D

4 Wpływ długości zbrojenia Układ pomiarowy i jego modelowe odwzorowanie Ocena porównawcza otrzymanych widm impedancyjnych Analiza obliczeniowa pomiarów według modelu 3D Wpływ ograniczonego zasięgu polaryzacji zbrojenia Układ pomiarowy i jego modelowe odwzorowanie Ocena porównawcza otrzymanych widm impedancyjnych Analiza obliczeniowa pomiarów według modelu 3D Podsumowanie badań i wyjaśnienie przyczyn obserwowanych trendów PODSUMOWANIE BIBLIOGRAFIA Normy, instrukcje i zgłoszenie patentowe Materiały informacyjne Streszczenie

5 CONTENTS IMPORTANT SYMBOLS INTRODUCTION Problem outline Purpose and scope of the monograph CORROSION DEGRADATION AND DIAGNOSIS OF REINFORCED CONCRETE Degradation of reinforced concrete structures Corrosion of reinforced concrete Steel depassivation in concrete Active state of concrete reinforcement Methods of corrosion diagnosis of concrete reinforcement Classification of diagnostic methods Testing protective properties of concrete Evaluation of the probability of occurrence of reinforcement corrosion Polarization tests on corrosion rate of concrete reinforcement Problems on interpreting polarization tests on steel in concrete INTERPRETATION AND ADAPTATION OF IMPEDANCE TESTS ON STEEL IN CONCRETE Features of impedance spectra of steel in concrete, mortar and paste Causes of interpretation problems Shapes of impedance spectra of passivated steel in cement paste Shapes of impedance spectra of corrodible steel in concrete Comparison of typical impedance spectra of steel in cement mortar Bulk-related features of impedance spectra Electrode-related features of impedance spectra Effect of cement hydration on shapes of impedance spectra in steel Summary Adaptation of impedance measurements in reinforced concrete elements Analysis of alternating current flow through concrete Large dimensions of working electrodes steel reinforcement The guard ring technique in EIS tests Methods for detecting local corrosion in concrete reinforcement Impedance tests on steel in large reinforced concrete elements Measurements on large-sized reinforced concrete elements Original impedance tests on reinforced concrete structures TESTS AND SIMULATION OF STEEL CONCRETE PORE WATER SYSTEM IN IMPEDANCE MEASUREMENTS D model of steel concrete pore water system Main assumptions of the model... 96

6 Polarization range for reinforcement surface area Elementary equivalent electrical circuit Scope and methodology of tests Impedance tests on reinforcing steel in aqueous solutions Testing steel specimens in a measuring vessel Testing reinforcement models using longitudinal counter electrodes Analysis of experimental tests Comparison of tests performed in a measuring vessel and in reinforcement models Analysis of test results for reinforcement models Test conclusions Assessment of reinforcement corrosion rate in pore liquid acc. to 2D model Method concept of simultaneous fitting of spectra Application of 2D model for analysing impedance test results Conformity assessment of model spectra and experimental spectra Summary TESTS AND SIMULATION OF STEEL CONCRETE SYSTEM IN IMPEDANCE MEASUREMENTS D model of steel concrete system General assumptions for model Routing of electrical conductive paths Factors for system geometry Total impedance of the system Original software for analysing impedance tests on concrete reinforcement Course of experimental tests Purpose and scope of tests Test elements Methodology of measurements Analysis of test results acc. to 3D model Principles on impedance spectra analysis including system geometry Method for including the effect of concrete moisture content in 3D model ANALYSIS OF THE EFFECT OF STEEL CONCRETE SYSTEM GEOMETRY ON SHAPES OF IMPEDANCE SPECTRA Effect of reinforcement diameter Measurement system and its model representation Comparative assessment of obtained impedance spectra Computational analysis of measurements acc. to 3D model Effect of concrete cover thickness Measurement system and its model representation Comparative assessment of obtained impedance spectra Computational analysis of measurements acc. to 3D model Effect of counter electrode width Measurement system and its model representation Comparative assessment of obtained impedance spectra Computational analysis of measurements acc. to 3D model 168

7 Effect of counter electrode length Measurement system and its model representation Comparative assessment of obtained impedance spectra Computational analysis of measurements acc. to 3D model Effect of reinforcement length Measurement system and its model representation Comparative assessment of obtained impedance spectra Computational analysis of measurements acc. to 3D model Effect of a limited range of reinforcement polarization Measurement system and its model representation Comparative assessment of obtained impedance spectra Computational analysis of measurements acc. to 3D model Summarizing tests and explaining reasons for observed trends SUMMARY. 210 BIBLIOGRAPHY Standards, instructions and a patent application 224 Information materials Abstract

8 MODELOWANIE UKŁADU STAL BETON W POMIARACH SZYBKOŚCI KOROZJI ZBROJENIA METODĄ SPEKTROSKOPII IMPEDANCYJNEJ Streszczenie Na wstępie monografii opisano przebieg degradacji korozyjnej żelbetu z dokładniejszym opisem przyczyn, przebiegu i skutków procesu korozji stali zbrojeniowej w betonie. Następnie przedstawiono uzasadnione mechanizmem depasywacji stali metody diagnostyki korozyjnej zbrojenia w betonie. Uwzględniając podział na dwie grupy metod diagnostycznych, scharakteryzowano badania właściwości ochronnych betonu względem stali, które umożliwiają ustalenie przyczyn korozji zbrojenia oraz badania elektrochemiczne umożliwiające ocenę intensywności procesów korozyjnych zachodzących na stali w betonie. W ramach badań elektrochemicznych opisano sposoby oceny prawdopodobieństwa wystąpienia korozji zbrojenia oraz grupę metod polaryzacyjnych umożliwiających pomiar szybkości korozji stali w betonie. Koncentrując się na badaniach polaryzacyjnych, omówiono problemy pomiarowe występujące w betonie, stosowane techniki identyfikacji powierzchni badanej zbrojenia osłoniętego betonem, a także urządzenia pomiarowe stosowane do badań polaryzacyjnych zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych. W trzecim rozdziale, skupiając uwagę na metodzie elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej jako najbardziej zaawanasowanej spośród metod polaryzacyjnych stosowanych w diagnostyce korozyjnej żelbetu, opisano ją w kontekście badań elektrochemicznych stali w betonie. Scharakteryzowano cechy widm impedancyjnych stali w zaczynie, zaprawie i betonie, które powiązano głównie ze zmianami elektrochemicznych właściwości tych materiałów. Omówiono problem adaptacji pomiarów impedancyjnych do badań wielkogabarytowych konstrukcji żelbetowych. Zwrócono uwagę na bardzo duże wymiary elektrod badanych (zbrojenia) w porównaniu z klasycznymi badaniami elektrochemicznymi w naczyńku pomiarowym. Ponadto oceniono przydatność techniki elektrody ekranującej do ograniczania zasięgów polaryzacji na stali zbrojeniowej oraz sposobów wykrywania lokalnej korozji zbrojenia w betonie.

9 226 Przedstawiono przykłady badań impedancyjnych na wielkogabarytowych elementach żelbetowych oraz autorskie badania impedancyjne na zbrojeniu rdzeni wyciętych z konstrukcji betonowych. W kolejnym rozdziale podjęto próbę zbudowania i doświadczalnej weryfikacji modelu elektrochemicznego do analizy badań impedancyjnych długich wkładek zbrojeniowych w betonie, przy czym beton odwzorowano roztworem wypełniającym jego pory. Przedstawiono założenia autorskiego modelu 2D, który odwzorowuje układ trójelektrodowy złożony z: zanurzonej w roztworze elektrolitu długiej stalowej wkładki zbrojeniowej jako elektrody badanej, prostokątnej przeciwelektrody z blachy ze stali nierdzewnej oraz elektrody odniesienia o stałym i znanym potencjale. Jako model dwuwymiarowy, ze względu na pominięcie mało istotnego wymiaru w kierunku prostopadłym do podłużnej osi zbrojenia, jest zbudowany z równolegle połączonych jednakowych elektrycznych schematów zastępczych. Następnie opisano badania doświadczalne zasięgów polaryzacji zmiennoprądowej na modelach zbrojenia w roztworach symulujących ciecz porową betonu, które umożliwiły weryfikację modelu 2D. Zbadano trzy najczęściej występujące w konstrukcjach żelbetowych stany elektrochemiczne zbrojenia otoczonego przez beton otulenia, tj. pasywację, korozję ogólną wywołaną utratą właściwości ochronnych przez całe otulenie oraz korozję lokalną, występującą w zarysowanych strefach betonu. Ostatecznie, korzystając z autorskiej koncepcji symultanicznego dopasowywania widm powiązanej z modelem 2D, wyznaczono szybkości korozji modeli zbrojenia w roztworach cieczy porowej betonu. W następnym rozdziale przedstawiono drugi autorski model 3D do analizy pomiarów impedancyjnych zbrojenia w betonie oraz opisano metodykę badań doświadczalnych umożliwiających weryfikację jego poprawności. Model ten w przeciwieństwie do modelu 2D odwzorowuje właściwości elektrochemiczne niejednorodnej struktury betonu i dodatkowo przestrzenny rozkład prądów polaryzacji pomiędzy płaską powierzchnią przeciwelektrody a walcową powierzchnią elektrody badanej. Omówiono założenia trójwymiarowego modelu układu stal beton, który opisuje zbliżoną do występującej w konstrukcji żelbetowej złożoną geometrię trójelektrodowego układu pomiarowego. Modelowany układ składa się z elektrody badanej w kształcie długiej wkładki zbrojeniowej osadzonej w betonie, na którego powierzchni umieszczono prostokątną przeciwelektrodę ze stali nierdzewnej wraz z elektrodą odniesienia. Charakterystyczną cechą modelu 3D jest elastyczne podążanie siatki węzłów betonowych elementów bryłowych i stalowych elementów powierzchniowych za zmianą geometrii układu pręt zbrojeniowy beton przeciwelektroda. Najistotniejszymi parametrami modelu są współczynniki geometrii stali i betonu, dzięki którym jest możliwa

10 227 symulacja wpływu zmian geometrii badanego układu na kształty widm impedancyjnych stali w betonie. Współczynniki geometrii charakteryzują teoretyczne ścieżki przewodzenia prądu wyznaczane pomiędzy przeciwelektrodą a powierzchnią stali zbrojeniowej. Po przypisaniu każdej ścieżce przewodzenia jednakowego elementarnego elektrycznego schematu zastępczego analiza badań impedancyjnych stali w betonie według modelu 3D jest zbliżona do klasycznej analizy według pojedynczego elektrycznego schematu zastępczego. W ostatnim rozdziale założenia modelu 3D poddano doświadczalnej weryfikacji. Eksperymentalnie zbadano wpływ sześciu parametrów geometrii trójelektrodowego układu stal beton na kształty otrzymywanych widm impedancyjnych. Każdorazowo przyjmując jako zmienną tylko jeden z parametrów układu, przeanalizowano wpływ średnicy zbrojenia, grubości otulenia betonowego, szerokości i długości prostokątnej przeciwelektrody. Ponadto zbadano wpływ długości pojedynczego pręta w betonie i wymuszonego ograniczenia zasięgu (powierzchni) polaryzacji stali. Z przeprowadzonych analiz wynika, że przejście z modelu klasycznego w formie pojedynczego schematu zastępczego na model 3D nie tylko nie pogarsza zgodności dopasowania widm, lecz także dodatkowo umożliwia przewidywanie tendencji zmian kształtów widm impedancyjnych przy zmianach geometrii układu. Stwierdzone lokalne niezgodności widm modelowych z doświadczalnymi wynikały głównie z niemożliwości zapewnienia identycznych właściwości elektrochemicznych w porównywanych elementach, a także ze zróżnicowanej i nierównomiernej wilgotności betonu. W dalszej perspektywie, po rozbudowie do układów wieloprętowych, model 3D może być narzędziem wspomagającym analizę badań impedancyjnych zbrojenia w wielkogabarytowych konstrukcjach betonowych.

11 MODELLING OF STEEL CONCRETE SYSTEM IN MEASUREMENTS OF REINFORCEMENT CORROSION RATE BY IMPEDANCE SPECTROSCOPY METHOD Abstract The introduction to this monograph describes a course of corrosion degradation of reinforced concrete and a wider scope of causes, course and consequences of the corrosion process of reinforcing steel in concrete. Then, the diagnostic methods of concrete reinforcement corrosion are demonstrated and explained on the grounds of the mechanism of steel depassivation. Taking into account the division into two groups of diagnostic methods, the tests on concrete protective properties with regard to steel are characterized. Such tests can determine the reasons for reinforcement corrosion and can provide the performance of electrochemical tests to evaluate the intensity of corrosion processes of steel in concrete. As part of the electrochemical tests, the methods for assessing the probability of occurrence of reinforcement corrosion and a group of polarization methods for measuring corrosion rate of steel in concrete were described. Focusing upon the polarization tests, the measurement problems arising in concrete, the employed techniques of identifying the surface area of reinforcement covered with concrete and the measuring tools to test reinforcement polarization in reinforced concrete structures were discussed. The third chapter focuses on the method of electrochemical impedance spectroscopy as the most advanced polarization method of the all the methods employed in the corrosion diagnosis of reinforced concrete. This method was presented in the context of electrochemical tests on steel in concrete. The features of steel impedance spectra in cement paste, cement mortar and concrete were characterised and they predominantly related to the electrochemical changes in the properties of these materials. The problem on adjusting impedance measurements to the tests on large-sized reinforced concrete structures was also discussed. The attention was paid to large dimensions of working electrodes (reinforcement) in comparison to traditional electrochemical tests

12 229 conducted in a measuring vessel. Moreover, the assessment of the usefulness of the guard ring technique for limiting the polarization ranges for reinforcing steel and of the methods for detecting local corrosion of concrete reinforcement was conducted. The exemplary impedance tests on large-sized reinforced concrete elements as well as original impedance tests on reinforcement cut out from concrete structures of cores were described. The next chapter shows an attempt to develop and verify experimentally the electrochemical model to analyse impedance tests on long reinforcement rods in concrete. For this purpose, concrete was represented by a solution filling its pores. The assumptions of an original 2D model which represents a three-electrode system composed of a long reinforcement rod immersed in an electrolyte solution acting as a working electrode, a rectangular counter electrode made of stainless steel and a reference electrode having a constant and known potential are presented, too. This model being a twodimensional model, as dimension towards perpendicular direction to the reinforcement longitudinal axis was neglected, because of its little significance, is composed of the identical equivalent electrical circuits in parallel combination. Then, a description of experimental tests on alternating current polarization ranges for reinforcement models in model solutions of concrete pore water that were used to verify the 2D model, is provided. The most common three electrochemical states of reinforcement surrounded with cover concrete that exist in reinforced concrete structures were tested. They were passivation, general corrosion induced by the loss of protective properties of the whole cover and local corrosion occurring in cracked concrete zones. Finally, using the original concept of simultaneous fitting of spectra related to the 2D model, the corrosion rate of reinforcement models in concrete pore water solutions were determined. The next chapter shows the second original 3D model used to analyse the impedance measurements of concrete reinforcement and it also describes experimental test methodology to verify the correctness of these measurements. Contrary to the 2D model, this model represents the electrochemical properties of a non-homogeneous concrete structure, and additionally the spatial distribution of polarization currents between the flat surface area of the counter electrode and the cylindrical surface area of the working electrode. The assumptions of a three-dimensional model of steel concrete system are also discussed. This model describes a complex geometry of a threeelectrode measurement system, which is similar to the geometry of the reinforced concrete structure. The model system is composed of a working electrode in the shape of a long reinforcement rod set in concrete at whose surface area there is a rectangular counter electrode made of stainless steel and a reference electrode. A typical feature of

13 230 the 3D model includes a flexible shift of grid nodes of concrete solid elements and steel surface elements towards the change in the geometry of rebar concrete counter electrode system. Geometric factors for steel and concrete are the most significant parameters of the model, which can be used to simulate the effects of changes in the tested system geometry on the shapes of impedance spectra of steel in concrete. Geometric factors characterize the theoretical conductive paths determined between the counter electrode and the surface area of reinforcing steel. Assigning the identical elementary electrical equivalent circuit to each conductive path results in the analysis of the impedance tests on steel in concrete according to the 3D model. This is similar to the typical analysis according to a single electrical equivalent circuit. The last chapter deals with the experimental verification of the assumptions of the 3D model. The effect of six parameters of the three-electrode steel concrete system geometry on the shapes of obtained impedance spectra was experimentally tested. The effects of reinforcement diameter, concrete cover thickness, and the width and length of rectangular counter electrode were analysed while changing only one parameter of the system each time. Additionally, the effect of a single rebar length in concrete and the forced limitation of polarization range (surface area) for steel were examined. The conducted analyses showed that the transfer from the typical model in the form of a single electrical equivalent scheme into the 3D model not only deteriorated the conformity of spectra adjustment, but it provided the possibility of forecasting the trends for changing the shapes of impedance spectra while introducing changes to the system geometry. The local incompatibilities between the model spectra and the experimental spectra resulted mainly from the lack of possibilities for providing the identical electrochemical properties in compared elements and also from the diversified and nonuniform moisture content in concrete. In further perspective, the 3D model expanded to a multi-rebar systems can be employed as a tool supporting the analysis of impedance tests on the reinforcement in large-sized concrete structures.