Ograniczenie zasięgu polaryzacji izolatorem w pomiarach elektrochemicznych szybkości korozji stalowego zbrojenia w betonie

Transkrypt

1 Tomasz Jaśniok Mariusz Jaśniok Katedra Konstrukcji Budowlanych, Politechnika Śląska / Department of Building Structures at the Silesian University of Technology Prosimy cytować jako / Please cite as: Ochrona przed Korozją 59 (4) : DOI: / DOI: / Ograniczenie zasięgu polaryzacji izolatorem w pomiarach elektrochemicznych szybkości korozji stalowego zbrojenia w betonie Artykuł prezentuje autorski sposób ograniczenia zasięgu prądów polaryzacyjnych na stalowym zbrojeniu w betonie w trakcie pomiarów szybkości korozji. Badania przeprowadzono w wyciągu wodnym z rozdrobnionego betonu, który zobojętniono dwutlenkiem węgla, aby odwzorować beton silnie skarbonatyzowany. Pomiary wykonano w układzie trójelektrodowym dwiema metodami EIS i LPR. Elektrodą badaną był pojedynczy gładki pręt zbrojeniowy ze stali gatunku St3S, a elektrodą referencyjną Cl / AgCl,Ag. Zastosowano dwa rodzaje elektrod pomocniczych pasmową i kołową, obie wykonane ze stali odpornej na korozję. W celu ograniczenia zasięgu polaryzacji zbrojenia do roztworu wraz z elektrodą kołową wprowadzono izolator z rury PCV. Przyjęty pierścieniowy kształt izolatora jest odwzorowaniem w konstrukcji żelbetowej efektu nacięcia całej grubości otuliny zbrojenia i wypełnienia powstałej szczeliny izolatorem elektrycznym równocześnie sklejającym uszkodzony beton. Badania polaryzacyjne wykonano w trzech wariantach, tj. stosując elektrodę pasmową oraz elektrodą kołową z ograniczeniem i bez ograniczenia rurą PCV. Analiza porównawcza uzyskanych wyników wykazała, że zastosowany pierścieniowy izolator w około 50% ogranicza rozpływ prądów polaryzacyjnych w stosunku do elektrody kołowej bez ograniczenia, co może wskazywać na skuteczność proponowanej metody. Słowa kluczowe: konstrukcje betonowe, stal zbrojeniowa, korozja zbrojenia, zasięg polaryzacji, metoda oporu polaryzacji, LPR, elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna, EIS Range of polarization limited by a dielectric during electrochemical measurements of corrosion rate of steel reinforcement in concrete This paper describes an original method for limiting the range of polarization currents over the steel reinforcement in concrete while measuring corrosion rate. The tests were conducted in the aqueous extract containing powdered concrete neutralised with carbon dioxide to model strongly carbonated concrete. The measurements were carried out in a three-electrode system using two methods: EIS and LPR. A single smooth rebar of St3S steel was a working electrode, and Cl /AgCl,Ag was used as a reference electrode. Two types of counter electrodes were used, that is a disk and spade electrodes, both made of stainless steel. A nonconductive PVC pipe and a disk electrode were placed into the solution to limit the polarization range in reinforcement. Ring shape of a dielectric was to model the conditions of reinforced concrete structure when the reinforcement cover was cut through its thickness and the resulting crack was filled with an insulator which simultaneously fixed the damaged concrete. Three variants of polarization measurements were performed with a spade electrode, and a disk electrode with or without a PVC pipe. The analysis of results demonstrates that the ring-shaped dielectric restricted the propagation of polarization current by ca. 50% compared to the the disk electrode without the PVC pipe, which could indicate that the proposed method is effective. Keywords: concrete structures, reinforcing steel, reinforcement corrosion, linear polarization resistance, LPR, electrochemical impedance spectroscopy, EIS Informacje o Autorach: Dr inż. Tomasz Jaśniok adiunkt w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej, absolwent Wydziału Budownictwa Politechniki Śląskiej. Specjalizuje się w diagnostyce korozyjnej konstrukcji żelbetowych metodami elektrochemicznymi. tomasz.jasniok@polsl.pl. Dr hab. inż. Mariusz Jaśniok adiunkt w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej, absolwent Wydziału Budownictwa Politechniki Śląskiej. Zajmuje się problemami elektrochemicznej regeneracji betonu, ochroną powłokową zbrojenia w betonie oraz diagnostyką korozyjną konstrukcji żelbetowych metodami elektrochemicznymi. mariusz.jasniok@polsl.pl Otrzymano / Received: Przyjęto / Accepted: About the Authors: Dr inż. Tomasz Jaśniok [PhD. Eng.] assistant professor in the Department of Building Structures at the Silesian University of Technology, a graduate of the Faculty of Civil Engineering. He specializes in corrosion diagnostics of reinforced concrete structures by electrochemical methods. tomasz.jasniok@polsl.pl Dr hab. inż. Mariusz Jaśniok [PhD. DSc. Eng.] assistant professor in the Department of Building Structures at the Silesian University of Technology. He specializes in issues related to electrochemical methods of concrete restoration and corrosion diagnostics of reinforced concrete structures by electrochemical methods. mariusz.jasniok@polsl.pl Ochrona przed Korozją, ISSN , e-issn , vol. 59, nr 4/

2 1. Wprowadzenie Bezpieczne użytkowanie szczególnie odpowiedzialnych konstrukcji żelbetowych pociąga za sobą konieczność stosowania coraz bardziej zaawansowanych technicznie metod diagnostycznych [14], [3]. Ponieważ żelbet jako kompozyt betonu i stali, z punktu widzenia elektrochemii można rozpatrywać jako układ metalu zanurzonego w roztworze cieczy porowej betonu [15], dlatego większość metod diagnostyki korozyjnej żelbetu zostało zaadaptowanych z elektrochemii. Niestety ze względu na niejednorodność struktury betonu, a przede wszystkim brak dostępu do badanych prętów zbrojeniowych, bezpośrednie przeniesienie technik pomiarowych z laboratoriów elektrochemicznych na rzeczywiste konstrukcje jest niemożliwe. Konieczne są liczne modyfikacje istniejących metod badawczych lub wprowadzanie nowych rozwiązań umożliwiających techniczną realizację pomiarów na obiektach. Najbardziej zaawansowanym badaniem w diagnostyce korozyjnej żelbetu jest pomiar szybkości korozji zbrojenia. Do tego celu w praktyce wykorzystuje się głównie trzy metody polaryzacyjne: pomiaru oporu polaryzacji (LPR), spektroskopii impedancyjnej (EIS) i impulsu galwanostatycznego (GP) [5]. Największym problemem badawczym jest tutaj brak znajomości powierzchni polaryzacji zbrojenia, niezbędnej do wyznaczenia gęstości prądu korozyjnego. Poprawną interpretację pomiaru dodatkowo komplikuje fakt, że zbrojenie nie jest wyizolowanym stalowym elementem, lecz układem równoległych i krzyżujących się prętów, często ułożonych w warstwach. Opisany wyżej złożony problem badawczy pozornie został rozwiązany poprzez zastosowanie do badań polaryzacyjnych na konstrukcjach zintegrowanych głowic pomiarowych [10, 12, 13] (Rys. 1a). Opracowano głowicę złożoną z elektrody referencyjnej 1 i dwóch przeciwelektrod: podstawowej wewnętrznej 2 w kształcie koła i dodatkowej zewnętrznej 3 w kształcie pierścienia. Dzięki takiemu rozwiązaniu w trakcie pomiarów polaryzacyjnych wykonywanych potencjostatem 6 współpracującym z kontrolerem potencjału 7, rozpływ prądów wychodzących z przeciwelektrody wewnętrznej 2 jest ograniczany przez prądy wypływające z przeciwelektrody zewnętrznej 3. Na tej podstawie zakłada się, że powierzchnia polaryzacji zbrojenia 4, czyli elektrody badanej, jest ograniczona do rzutu obrysu obwodu przeciwelektrody wewnętrznej. Według pracy Andrade-Alonso [1] metoda ringu ochronnego dobrze sprawdza się jedynie w przypadku korozji równomiernej zbrojenia, natomiast zawodzi w przypadku korozji lokalnej i pasywacji stali. Alternatywną metodą pozbawianą wielu z opisanych wyżej wad są badania polaryzacyjne na fragmentach zbrojenia wyciętych wraz z betonowym rdzeniem z konstrukcji [16] (Rys. 1b). Jedynym mankamentem metody jest konieczność lokalnego uszkodzenia konstrukcji i brak możliwości badania najbardziej wytężonych, newralgicznych stref konstrukcji, ze względu na niebezpieczeństwo doprowadzenia do awarii. Dużą zaletą metody jest możliwość prowadzenia badań w warunkach laboratoryjnych z uwzględnieniem symulacji wpływów termiczno-wilgotnościowych. Ponadto po zakończonych pomiarach istnieje możliwość rozkruszeniu betonu rdzenia i bezpośrednie pomierzenie badanych powierzchni fragmentów zbrojenia 4, co w sposób jednoznaczny rozwiązuje problem identyfikacji powierzchni polaryzacji zbrojenia. Tą metodą w kraju wykonano już kilka ekspertyz obiektów budowlanych, których wyniki omówiono w pracach [7 9]. Obok wymieniowych wyżej dwóch sprawdzonych w praktyce technik identyfikacji powierzchni polaryzacji zbrojenia w betonie na uwagę zasługuje jeszcze metoda zmiennej powierzchni przeciwelektrody [1]. Jej idea polega na wykonaniu serii badań w jednym punkcie pomiarowym, przy czym każdy kolejny pomiar ze skokowo zwiększającą się powierzchnią przeciwelektrody. Analizując łącznie wszystkie wyniki pomiarów można teoretycznie wyznaczyć gęstość prądu korozyjnego. W opisanej metodzie oprócz uciążliwości związanych z koniecznością wykonania kilku pomiarów w tym samym miejscu dochodzi ponownie dyskutowany wyżej problem niepewności i braku kontroli rozchodzenia się prądów polaryzacyjnych w betonie. 1. Introduction Safe use of particularly significant reinforced concrete structures requires more and more technologically advanced diagnostic methods [14], [3]. Regarding electrochemistry, concrete-steel composite reinforced concrete, can be considered as metal immersed in the concrete pore solution [15]. For that reason, the majority of methods of diagnosing corrosion in reinforced concrete were embraced from electrochemistry. However, it is unlikely to adopt measurement techniques used in electrochemical laboratories directly into the real structures due to heterogeneous structure of concrete, and predominantly the lack of access to the tested rebars. The existing research methods require modifications or introduction of new solutions to conduct measurements on objects. Measuring corrosion rate of reinforcement is the most advanced examination to diagnose reinforced concrete corrosion. In practice, we can use three polarization techniques: linear polarization resistance (LPR), electrochemical impedance spectroscopy, and galvanostatic pulse (GP) [5]. The key research issue is unknown polarized area of the reinforcement, required to determine corrosion current density. Additionally, the fact that the reinforcement is the arrangement of parallel and crossing bars often placed in layers, and not a separated steel element, complicates the right interpretation of the measurement. This complicated issue, described above, seemed to be solved by employing integrated measuring heads for polarization measurements on the structures [10, 12, 13] (Fig. 1a). The head was developed, which consisted of the reference electrode 1 and two counter electrodes: the inner basic electrode 2 in the shape of a disk, and the extra outer electrode 3 in the shape of a ring. As a result of that solution, current flowing from the inner counter electrode 2 is restricted by current flowing from the outer counter electrode 3 while measuring polarization with the the potentiostat 6 which cooperates with the potential controller 7. The above is underlying the assumption that the boundary of the polarized reinforcement area 4 or the working electrode, is confined to the circumference outline of the inner counter electrode. According to the paper Andrade-Alonso [1], the method of the guard ring is successful only if the reinforcement corrosion is uniform, and is unreliable in case of local corrosion and steel passivation. An alternative method, which avoids many of the above disadvantages, is measuring polarization over the fragments of the reinforcement with the concrete core cut out from the structure [16] (Fig. 1b). The only drawback is local destruction of the structure and no possibility to examine its crucial zones due to a risk of possible failure. The option of conducting tests in laboratories, where effects of heat and humidity can be simulated, is a considerable advantage of this method. Moreover, when the measurements are completed, the concrete core can be powdered to measure the tested areas of fragments of the reinforcement 4, which explicitly solves the problem on identifying the polarized reinforcement area. This method was used in Poland to prepare a few expert opinions for civil structures, the results of which were discussed in the papers [7 9]. Apart from the above techniques of identifying the polarized area of reinforcement in concrete, which was verified in practice, there is another technique worth mentioning, that is, changing surface area of the counter electrode [1]. Its principle embodied a series of measurements at one point, each consecutive measurement was made with discretely increasing area of the counter electrode. In theory, corrosion current density can be determined by analysing all measurement results. Besides some inconveniences of making a few measurements at the same point, the described method includes some uncertainties and a lack of control over polarization current distribution in concrete. 116 Ochrona przed Korozją, ISSN , e-issn , vol. 59, nr 4/2016

3 2. Założenia metody ograniczenia zasięgu polaryzacji pierścieniowym izolatorem Poszukując dalszych udoskonaleń lub nowych rozwiązań technicznych umożliwiających coraz lepsze identyfikowanie badanej powierzchni zbrojenia osłoniętego betonem, opracowano autorską metodę [6] ograniczania zasięgu prądów polaryzacyjnych za pomocą pierścieniowego izolatora (Rys. 1c). Według założeń metody pierścieniowy izolator 5 w betonowej otulinie zbrojenia można otrzymać po wypełnieniu ciekłą substancją izolującą szczeliny powstałej w wyniku nacięcia betonu koronką do wycinania rdzeni. Wykonując nacięcie nie należy przecinać prętów zbrojeniowych 4, dzięki czemu opisana metoda dobrze nadaje się do stosowania w newralgicznych miejscach konstrukcji. Zastosowanie żywicy jako materiału izolującego pozwala równocześnie na sklejenie lokalnie uszkodzonej betonowej otuliny. Wewnętrzna średnica pierścieniowego izolatora musi odpowiadać średnicy kołowej przeciwelektrody 2 umieszczanej wraz elektrodą referencyjną 1 na powierzchni betonu. W ten sposób rozkład linii prądowych na grubości otuliny powinien zostać ograniczony, a zasięg polaryzacji pręta zbrojeniowego bardziej kontrolowany. W niniejszym artykule w celu uniknięcia potencjalnych zakłóceń pomiarowych związanych z niejednorodnością betonu, doświadczalną weryfikację tej metody przeprowadzono w zobojętnionym przez CO 2 wyciągu wodnym z betonu, jako modelu cieczy porowej skarbonatyzowanego betonu. 3. Stanowisko pomiarowe i przebieg badań Badania przeprowadzono na stanowisku pomiarowym pokazanym na rys. 2. Roztwór modelujący zobojętnioną ciecz porową otrzymano z rozdrobnionego betonu klasy C20/25 wykonanego z cementu CEM I 42,5 R przesianego przez sito o oczkach 0,2 mm. Do sproszkowanego betonu dodano wodę destylowaną w stosunku wagowym 1:1. Po 48 godzinach odsączono ciecz uzyskując wyciąg wodny charakteryzujący się ph = 12,4 oraz przewodnością 8 ms/cm. Następnie roztwór zobojętniano gazowym CΟ 2, obniżając ph do poziomu 9,3 oraz przewodność do wartości 0,32 ms/cm. Na dnie pojemnika 1 z tworzywa sztucznego umieszczono stalowy pręt zbrojeniowy średnicy 12 mm ze stali St3S, który w układzie pomiarowym pełnił rolę elektrody badanej 2. Jako elektrodę referencyjną 3 zastosowano Cl /AgCl,Ag, którą ustabilizowano bezpośrednio nad prętem w środku jego długości. W badaniach zastosowano dwa typy elektrod pomocniczych: pasmową 4 i kołową 5. Elektroda pasmowa 4 z blachy ze stali odpornej na korozję miała długość 500 mm i została umieszczona w odległości 30 mm od badanego pręta 2 równolegle do jego długości. Długość elektrody pasmowej odpowiadała długości badanego pręta, co miało zapewnić w trakcie pomiarów jego równomierną polaryzację. Natomiast elektrodę kołową 5 średnicy 75 mm, również ze stali odpornej na korozję, usytuowano w środku rozpiętości elektrody badanej 2. Pierścieniowy izolator 6, został wykonany z fragmentu rury PCV o wysokości 40 mm, której wewnętrzna średnica odpowiadała średnicy kołowej przeciwelektrody 5. Poza zasadniczym układem trójelektrodowym podłączonym do po- 2. Assumptions of the method of limiting polarization range with a ring-shaped dielectric In search for new improvements or technical solutions to identify more accurately the tested area of reinforcement covered with concrete, an original method was developed [6] to restrict the range of polarization currents by means of the ring-shaped dielectric (Fig. 1c). Under the method assumptions, the ring-shaped dielectric 5 in the concrete cover of reinforcement could be prepared by filling the crack, left after cutting concrete with the grinding head, with insulating liquid. As rebars 4 should not be cut through, this method is suitable for crucial points of the structure. Resin as an insulating material can at the same time fix concrete cover for which local damage is observed. The inner diameter of the ring-shaped dielectric should correspond to the diameter of a disk counter electrode 2 placed with the reference electrode 1 on the concrete surface. It is the method of restricting the arrangement of current lines across the cover thickness, and controlling at a greater degree the range of rebar polarization. Experimental verification of the method presented in this paper was performed in the aqueous extract containing concrete, neutralised with CO 2, which was simulating pore solution in carbonated concrete to avoid measurement disturbances caused by concrete heterogeneity. 3. A test stand and a course of tests Measurements were made at a test stand illustrated in Fig. 2. The model solution neutralised with the pore solution was prepared from powdered concrete of class C20/25 made of cement CEM I 42,5 R, passed through the sieve of 0.2 mm mesh size. Distilled water was added to concrete powder in a 1:1 weight ratio. Liquid was filtrated after 48 hours, and aqueous extract with ph = 12.4 and conductivity of 8 ms/cm was obtained. Then, the solution was neutralised with CΟ 2 gas which reduced ph to 9.3 and conductivity to 0.32 ms/cm. The steel rebar with a diameter of 12 mm, made of steel St3S, which was used in the measurement system as the working electrode 2, was placed on the bottom of the plastic container 1. Cl /AgCl,Ag electrode was used as the reference electrode 3 placed directly over the bar in the middle of its length. Two types of counter electrodes a spade electrode 4 and a disk electrode 5, were used in the tests. The spade electrode 4 with a length of 500 mm, made of stainless steel, was placed at a distance of 30 mm from the tested bar 2, parallel to its length. Length of the spade electrode corresponded to the tested bar length to ensure the uniform polarization during measurements. The disk electrode 5 with a diameter of 75 mm, also made of stainless steel, was placed in the middle of the working electrode 2 length. The ring-shaped dielectric 6 was made of a fragment of 40 mm high PVC pipe, whose inner diameter corresponded to the diameter of the disk counter electrode 5. Apart from the three-electrode system connected to the potentiostat 9, the additional reference electrode 7 connected to the independent millivoltmeter 8 was placed right Rys. 1. Sposoby kontrolowania powierzchni polaryzacji prętów w betonie w pomiarach szybkości korozji zbrojenia: a) metoda ringu ochronnego, b) badanie na fragmentach zbrojenia w rdzeniu betonowym wyciętym z konstrukcji [16], c) metoda ograniczenia zasięgu polaryzacji pierścieniowym izolatorem [6] Fig. 1. Methods of controlling polarized areas of bars in concrete and measuring reinforcement corrosion rate: a) guard ring method, b) tests on fragments of reinforcement cut out from the structure [16], c) a method for limiting the polarization range by the ring-shaped dielectric [6] Ochrona przed Korozją, ISSN , e-issn , vol. 59, nr 4/

4 Rys. 2. Stanowisko pomiarowe do doświadczalnej weryfikacji metody z zastosowaniem pierścieniowego izolatora w roztworze modelowym cieczy porowej: a) układ z przeciwelektrodą pasmową, b) układ przeciwelektrodą kołową, c) układ z przeciwelektrodą kołową osłoniętą pierścieniowym izolatorem opis w tekście Fig. 2. A test stand for experimental verification of the method using the ring-shaped dielectric in the model pore solution: a) a setup with the spade counter electrode, b) a setup with the disk counter electrode, c) a setup with the disk counter electrode covered with the ring-shaped dielectric described in the text tencjostatu 9 bezpośrednio nad jednym z końców elektrody badanej 2 umieszczono dodatkową elektrodę referencyjną 7 podłączoną do niezależnego miliwoltomierza 8. Jej zadaniem był pomiar potencjału na końcu długiej elektrody badanej 2 w trakcie polaryzacji. Był to pomiar kontrolny istotny w numerycznych symulacjach rozkładu potencjału przedstawionych w rozdziale 5 artykułu. W badaniach weryfikujących metodę z zastosowaniem pierścieniowego izolatora wykonano pomiary metodami EIS i LPR w trzech układach pokazanych na rys. 2. Jako referencyjny przyjęto układ na rys. 2a z elektrodą pasmową 4, która miała zapewnić pełny zasięg polaryzacji całej długości pręta 2. Drugi układ pomiarowy z kołową przeciwelektrodą 5 pokazany na rys. 2b, miał uwzględniać typową głowicę pomiarową stosowaną w pomiarach polaryzacyjnych na konstrukcjach. Natomiast trzeci układ pomiarowy widoczny na rys. 2c był modyfikacją układu drugiego poprzez wprowadzenie pierścieniowego izolatora 6 z rury PCV. Analiza porównawcza wyników uzyskanych w trzech opisanych układach miała dać odpowiedź dotyczącą efektywności proponowanego rozwiązania. Badania polaryzacyjne na każdym z układów pomiarowych rozpoczynano od pomiarów impedancyjnych. Przed każdym pomiarem pręty były polerowane mechanicznie i odtłuszczane acetonem. Pomiary metodą EIS, po ustabilizowaniu potencjału stacjonarnego, realizowano je w trybie potencjostatycznym w zakresie częstotliwości 10 mhz 10 khz przy amplitudzie 10 mv względem potencjału korozyjnego zbrojenia. Następnie ponownie polerując i odtłuszczając powierzchnię badanego pręta wykonywano pomiary stałoprądowe metodą LPR. Po ustabilizowaniu potencjału polaryzację prowadzono z szybkością 1 mv/s w zakresie zmiany potencjału od 150 mv do +100 mv względem potencjału stacjonarnego. Pomiary polaryzacyjne wykonywano potencjostatem 9 Gamry Reference Wyniki i analiza badań Wyniki badań metodą pomiaru oporu polaryzacji (LPR) i spektroskopii impedancyjnej (EIS) zamieszczono wraz z uproszczoną analizą na rys. 3. W celu graficznego zróżnicowania otrzymanych wyników, każdemu układowi pomiarowemu przypisano inny odcień szarości krzywych i widm (Rys. 3a). Przebieg krzywych polaryzacji w zakresie potencjału 150 mv do +100 mv zamieszczono na rys. 3c, natomiast ich zakres quasi-liniowy na rys. 3d. Na podstawie nachylenia krzywej polaryzacji przy potencjale korozyjnym wyznaczono opory polaryzacji R p dla każdego układu. Jak można zauważyć największym nachyleat one end of the working electrode 2. That electrode was to measure potential at the end of the long working electrode 2 during polarization. It was the control measurement significant for numerical simulations of potential distributions described in chapter 5 of this paper. For measurements in the tests verifying the method using the ringshaped dielectric, EIS and LPR techniques were applied in three setups illustrated in Fig. 2. The reference setup shown in Fig. 2a included the spade electrode 4 to ensure the full range of polarization along the whole bar length 2. The other setup with the disk counter electrode 5, illustrated in Fig. 2b, encompassed a standard measuring head used during polarization measurements on the structures. The last measurement system, as presented in Fig. 2c, was a version of the previous system modified by introducing the ring-shaped dielectric 6 made of PVC pipe. The comparative analysis of results from three setups described above, was to provide the answer whether the proposed solution was effective. Polarization measurements in each of the measurement systems began by measuring impedance. The bars were mechanically polished and degreased with acetone prior to each measurement. When stationary potential was stabilised, EIS technique was applied in the potentiostatic mode at frequencies within the range of 10 mhz 10 khz, with 10 mv amplitude over corrosion potential of the reinforcement. Then, the bar was polished again and degreased with acetone to perform d.c. measurements with LPR technique. When potential was stabilised, polarization was performed at a scanning rate of 1 mv/s in the potential range from 150 mv to +100 mv over the stationary potential. Polarization was measured using the potentiostat 9 Gamry Reference Test results and their analysis Fig. 3 illustrates the results obtained from linear polarization resistance (LPR) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and their simplified analysis. Curves and spectra from different measuring systems are shown in other shades of grey to contrast the results (Fig. 3a). Polarization curves versus potential within the range from 150 mv to +100 mv are presented in Fig. 3c, and their quasi-linear range in Fig. 3d. Values of polarization resistance R p for each measuring system were determined from the slope of the polarization curve at the corrosion potential. The maximum slope to the horizontal axis, 118 Ochrona przed Korozją, ISSN , e-issn , vol. 59, nr 4/2016

5 Rys. 3. Wyniki i analiza pomiarów polaryzacyjnych w trzech badanych układach pomiarowych: a) schematyczny widok badanych układów wraz z legendą do wykresów, b) wykres Nyquista (EIS) z wartościami oporu przeniesienia ładunku R t, c) krzywe polaryzacji liniowej (LPR), d) wartości oporu polaryzacji R p w zakresie quasi-liniowym (LPR) Fig. 3. Results from polarization measurements and their analysis for three measuring systems: a) a schematic view of tested systems and diagram symbols, b) the Nyquis plot (EIS) with values of charge transfer resistance R t, c) linear polarization curves (LPR), d) values of polarization resistance R p in the quasi-linear range (LPR) niem względem osi poziomej wykresu i automatycznie największym oporem polaryzacji R p,3 = 78 Ω charakteryzuje się krzywa układu nr 3 z pierścieniowym izolatorem, a najmniejszym R p,1 = 18 Ω krzywa układu nr 1 z przeciwelektrodą pasmową. W przypadku układu nr 1 należy oczekiwać polaryzacji całej powierzchni badanego pręta, stąd też przy założeniu równomiernej korozji stalowego pręta w skarbonatyzowanej cieczy porowej, pozostałe wartości oporu polaryzacji (R p,2 i R p,3 ) można odnieść do wartości uzyskanej w układzie nr 1. Obliczając ilorazy R p,1 / R p,2 i R p,1 /R p,3 można uzyskać informację, jaki procent powierzchni badanego pręta zbrojeniowego został spolaryzowany w danym układzie. W przypadku pomiarów metodą LPR przeciwelektrodą kołową (układ nr 2) obliczeniowy zasięg polaryzacji powierzchni pręta zbrojeniowego wynosił 40% jego długości. Natomiast przeciwelektroda z pierścieniowym izolatorem (układ nr 3) ograniczyła zasięg polaryzacji do 23% długości pręta. Bardzo podobne zasięgi polaryzacji uzyskano w przypadku badań impedancyjnych (Rys. 3b). Pokazane na wykresie Nyquista widma układają się w charakterystyczny sposób, a umowne średnice spłaszczonych półokręgów są wyraźnie zróżnicowane. Najmniejszą średnicą charakteryzuje się widmo otrzymane dla układu nr 1, natomiast największą widmo dla układu nr 3. Umowną średnicę półokręgów w badanych układach można utożsamiać z oporem przeniesienia ładunku R t przez granicę faz stal roztwór. Jak łatwo zauważyć największym oporem R t charakteryzował się układ nr 3 z pierścieniowym izolatorem. Przez analogię do analizy pomiarów stałoprądowych obliczając odpowiednie stosunki oporów przeniesienia ładunków można ocenić zasięgi polaryzacji w poszczególnych układach. W układzie nr 1 zakłada się, że powierzchnia pręta zbrojeniowego jest polaryzowana w 100%, natomiast w układzie nr 2 otrzymano obliczeniowy zasięg na poziomie 32%, a w układzie nr 3 na poziomie 18% długości pręta zbrojeniowego. Jak można zauważyć obliczone zasięgi polaryzacji w układach nr 2 i nr 3 na podstawie oporu polaryzacji R p i oporu przeniesienia ładunku R t są zbliżone. Ciekawy wniosek wypływa również z analizy porównawczej wyników badań między samymi układami nr 2 i 3, z pominięciem układu nr 1. Obliczając stosunki R p,2 /R p,3 = 58% i R t2 /R t3 = 57% można stwierdzić, że niezależnie od metody badawczej (LPR lub EIS) pierścieniowy izolator osłaniający przeciwelektrodę kołową ograniczył w przeprowadzonym eksperymencie zasięg polaryzacji o około połowę w porównaniu do samej przeciwelektrody kołowej. Oczywiście nie można tych wniosków na tym etapie badań uogólniać. and automatically, the highest polarization resistance R p,3 = 78 Ω was observed for the curve from the measuring system No. 3 with the ringshaped dielectric, and the lowest R p,1 = 18 Ω was determined for the curve from the measuring system No. 1 with the spade counter electrode. In the measuring system No. 1, the whole tested surface of the bar was likely to be polarized. Thus, other values of polarization resistance (R p,2 and R p,3 ) could be related to the value from the system No. 1 under assumption that uniform corrosion was developed in the steel bar in the carbonated pore solution. Calculated ratios R p,1 /R p,2 and R p,1 /R p,3 may provide information on percentage of polarized surface of the tested rebar in a given measuring system. For LPR measurements with the disk counter electrode (system No. 2), the calculated range of the polarized rebar surface covered 40% of its length. The counter electrode with the ring-shaped dielectric (system No. 3) reduced the polarization range to 23% of the bar length. Impedance measurements delivered very similar results regarding polarization ranges (Fig. 3b). Spectra on the Nyquist plot are arranged in a specific way, and conventional diameters of flattened semi circles clearly differ from each other. The measured spectrum for the system No. 1 had the smallest diameter, and the largest one was observed for the spectrum for the system No. 3. The conventional diameter of semi circles from the tested system can be identified with the transfer resistance R t of charge through the steel-solution phase boundary. The highest resistance R t was observed for the system No. 3 with the ringshaped dielectric. The polarization range for each measuring system can be easily calculated from the proper ratios of charge transfer resistance by analogy with the analysed d.c. measurements. For the system No. 1, 100% of the rebar surface was assumed to be polarized, whereas the polarization range for the system No. 2 was calculated at the level of 32%, and for the system No. 3 at the level of 18% of the rebar length. The polarization ranges of the systems Nos. 2 and 3 calculated from the polarization resistance R p and charge transfer resistance R t are similar. An interesting conclusion can be derived by comparing results obtained for the systems Nos. 2 and 3, excluding the system No. 1. The calculated ratios R p,2 /R p,3 = 58% and R t2 /R t3 = 57% indicate that, regardless of the used method (LPR or EIS), the polarization range in our experiment was reduced by about 50% when the ring-shaped dielectric covering the disk counter electrode was applied, compared to the system consisting of only the disk counter electrode. However, it is still too early to generalize these conclusions. Ochrona przed Korozją, ISSN , e-issn , vol. 59, nr 4/

6 5. Symulacje rozkładu potencjału W celu wyjaśnienia wyników przeprowadzonego eksperymentu podjęto próbę wykonania numerycznych symulacji rozkładu potencjału między zasadniczymi układami pomiarowymi nr 2 i 3. W modelowaniu zasięgu polaryzacji zastosowano metodę różnic skończonych [11], którą oparto na podstawowych prawach i zasadach elektrostatyki w stałym polu elektrycznym [4]. W modelu uwzględniono trzy materiały, gdzie właściwości elektryczne stali węglowej pręta oraz stali nierdzewnej przeciwelektrody przyjęto jak dla przewodników metalicznych (przewodność σ s = 10 8 S/m, względna przenikalność elektryczna ε s = 1,0 [4]. Przewodność zastosowanej w badaniach cieczy porowej σ cp = 0,032 S/m zmierzono konduktometrem, a względną przenikalność elektryczną przyjęto jak dla wody ε w = 80,1 [4]. Natomiast warstwę tlenkową na powierzchni pręta aproksymowano nieokreślonym materiałem o grubości t = 1 mm (Rys. 4a), którego względną przenikalność elektryczną ε p przyjęto arbitralnie równą 1, a przewodność elektryczną σ p oszacowano metodą prób. W tym celu prowadzono symulacje rozkładu potencjału przy różnych wartościach σ p, do momentu aż wartość potencjału na końcu pręta osiągnęła w przybliżeniu wartość 10 mv z badań eksperymentalnych. Ostatecznie w modelowaniu rozkładu potencjału przyjęto σ p = 1,0 S/m, przy którym obliczony potencjał na końcu pręta był równy 9,2 mv (Rys. 4b). Modelowanie zasięgu polaryzacji w modelu trójwymiarowym ograniczono jedynie do dwóch układów pomiarowych nr 2 i 3, a izolator aproksymowano nacięciem w materiale (cieczy). Przyjęta w modelu różnica potencjałów 150 mv odpowiadała maksymalnemu wychyleniu potencjału w badaniach stałoprądowych. Wyniki rozkładu potencjału w postaci linii ekwipotencjalnych przedstawiono na rys. 4b i c. Linie ekwipotencjalne określono w przekrojach podłużnych i poprzecznych, a płaszczyzny przekrojów zlokalizowano w środku symetrii pręta i pierścienia izolującego. Można zauważyć, że rozkład potencjału bez ograniczenia przepływu prądu (Rys. 4b) jest równomierny, ale z tendencją do wyraźnego i stopniowego zanikania wraz ze wzrostem odległości od przeciwelektrody. Potencjał na końcu pręta równy ok. 10 mv stanowi zaledwie 6 7% potencjału przykładanego do przeciwelektrody, natomiast potencjał przy powierzchni pręta bezpośrednio pod przeciwelektrodą jest poniżej 90 mv. Zastosowanie izolatora ograniczającego przepływ prądu bardzo wyraźnie zmieniło obraz rozkładu potencjału w cieczy. Chociaż przy powierzchni pręta bezpośrednio pod przeciwelektrodą wartość potencjału jest zbliżona do schematu bez ograniczenia przepływu prądu, to wraz ze wzrostem odległości od przeciwelektrody ograniczenie przepływu prądu jest znacznie większe. Obliczony na końcu pręta potencjał (4,1 mv) jest prawie dwa razy mniejszy niż w schemacie na rys. 4b i pokrywa się z pomierzonym potencjałem podczas badań. Podobnie linie ekwipotencjalne 15, 30 i 45 mv znajdują się bliżej środka przeciwelektrody o odpowiednio 58%, 46% i 37%. Uzyskane wyniki symulacji rozkładu potencjału pokazują również, że w warunkach korozji równomiernej na stali zbrojeniowej wprowadzenie pierścieniowego izolatora 5. Simulations of potential distribution An attempt was made to run numerical simulations of potential distribution between the fundamental measuring systems Nos. 2 and 3 to explain the experimental results. The polarization range was simulated by means of the finite difference method [11] based on the fundamental laws and rules of electrostatics in the electrostatic field [4]. The model included three materials, and electrical properties of common steel in the bar, and stainless steel in the counter electrode were defined as for metallic conductors (conductivity σ s = 10 8 S/m, dielectric constant ε s = 1.0 [4]. Conductivity of pore solution used in the test σ cp = S/m was measured with a conductometer, and dielectric constant was defined as for water ε w = 80.1 [4]. Oxide layer on the bar surface was approximated with an undefined material of thickness t = 1 mm (Fig. 4a), whose dielectric constant ε p was defined arbitrarily to be equal to 1, while conductivity σ p was defined by a trial and error method. For that purpose, potential distributions at different σ p, values were simulated until the approximated value 10 mv from the experimental tests was achieved at the end of the bar. Finally, for the simulated potential distribution σ p = 1.0 S/m was defined, at which the calculated potential at the bar end was 9.2 mv (Fig. 4b). The polarization range in a 3D model was simulated only for two measuring systems Nos. 2 and 3, and the dielectric was approximated by a cut in the material (liquid). The difference in potentials defined for the model as 150 mv corresponded to the maximum potential deflection during the direct current measurements. Equipotential lines of the potential distribution are shown in Figs. 4b and c. The equipotential lines were defined in longitudinal section and cross section, and section planes were placed at the centre of the symmetry between the bar and the non-conductive ring. It could be observed that potential distribution at unrestricted current flow (Fig. 4b), is uniform with a tendency towards clear and gradual disappearance with the increasing distance from the counter electrode. Potential at the bar end is ca. 10 mv and contributes to only 6 7% of the potential applied to the counter electrode, whereas potential at the bar surface, directly beneath the counter electrode is lower than 90 mv. The dielectric restricting the current flow considerably affected potential distribution in the liquid. Although the potential value at the bar surface directly beneath the electrode, is similar to the system with unrestricted current flow, limitation of the current flow increases with the increasing distance from the counter electrode. Potential calculated at the bar end (4.1 mv) is nearly half the value of the system shown in Fig. 4b and corresponds to potential measured during the tests. Similarly, the equipotential lines of 15, 30 and 45 mv are lined up closer to the counter electrode centre by 58%, 46% and 37%, respectively. The results obtained from the simulated potential distribution also demonstrate that, under the conditions of uniform corrosion of reinforcing steel, the polarization range measured during the tests on reinforcement corrosion is considerably limited by the ring-shaped dielectric placed close to the counter electrode. Rys. 4. Wyniki symulacji rozkładu potencjału w modelach trójwymiarowych uzyskanych metodą różnic skończonych: a) bez ograniczenia przepływu prądu (układ nr 2), b) przepływ prądu ograniczony pierścieniowym izolatorem (układ nr 3) opis w tekście Fig. 4. Results from simulations of potential distribution in the 3D models by means of the finite difference method: a) without restricted current flow (the system No. 2), b) current flow restricted with the non-conductive ring (the system No. 3) described in the text 120 Ochrona przed Korozją, ISSN , e-issn , vol. 59, nr 4/2016

7 przy przeciwelektrodzie znacząco ogranicza zasięg polaryzacji w badaniach korozyjnych zbrojenia. 6. Podsumowanie 6. Conclusions Przedstawiona w artykule metoda z zastosowaniem pierścieniowego The described method using the ring-shaped dielectric is a new concept of controlling partially the distribution range of polarization cur- izolatora jest nową koncepcją częściowego kontrolowania zasięgu rozchodzenia się prądów polaryzacyjnych w badaniach szybkości korozji rents measured during the tests on the corrosion rate of the reinforcement in concrete. This method is cheaper than the guard ring method zbrojenia w betonie. W porównaniu do metody ringu ochronnego jest tańsza w zastosowaniu, ponieważ nie wymaga specjalistycznej głowicy as it does not require the professional measuring head with a twinned pomiarowej z podwójną przeciwelektrodą oraz dodatkowej elektroniki counter electrode or any electronics operating with the potentiostat. współpracującej z potencjostatem. Natomiast w porównaniu do badań However, in comparison to the tests performed on the reinforcement na zbrojeniu w wyciętych betonowych rdzeniach, nie wymaga przecinania zbrojenia konstrukcji i dlatego może być stosowana w dowolnym the reinforcement structure and can be applied at any point of the struc- in cut-out concrete cores, this method does not require cutting through miejscu na konstrukcji. ture. Jak większość rozwiązań technicznych metoda z zastosowaniem The method with the ring-shaped dielectric, as many technical solutions, also has some drawbacks. It is required to make a local cut pierścieniowego izolatora ma swoje wady. Wymagane jest lokalne nacięcie całej grubości otuliny, które jednak przed pomiarem musi zostać through the cover thickness, which has to be fix before the measurements. Moreover, the experiment does not explicitly confirm that polar- sklejone. Ponadto jak wynika z przeprowadzonej weryfikacji doświadczalnej nie można mówić o jednoznacznie zdefiniowanym ograniczeniu zasięgu polaryzacji na zbrojeniu. Aczkolwiek w porównaniu do ditions of uniform bar corrosion, the polarization range was restricted ization range on the reinforcement can be limited. Regarding the con- pomiarów kołową przeciwelektrodą bez pierścieniowego izolatora, with both methods (EIS and LPR) by about 50% when compared to the w warunkach równomiernej korozji pręta, ograniczenie zasięgu polaryzacji obiema metodami (EIS i LPR) wyniosło około 50%. Warto dielectric. It is worth mentioning that manufacturers of special heads measurements with the disk counter electrode without the ring-shaped podkreślić, że w popularnej metodzie ringu ochronnego producenci with twinned counter electrodes, used in the common guard ring specjalistycznych głowic z podwójnymi przeciwelektrodami również method, are not able to restrict completely or define clearly the polarization range. nie są wstanie całkowicie ograniczyć, ani jednoznacznie zdefiniować zasięgu polaryzacji. Literatura / references [1] Andrade Carmen, Cruz Alonso Corrosion rate monitoring in the laboratory and on-site. Construction and Building Materials 10 (5): [2] Andrade Carmen, Cruz Alonso On-site measuremnts of corrosion rate of reinforcements. Construction and Building Materials 15: [3] Drobiec Łukasz, Radosław Jasinski, Adam Piekarczyk Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali. Warszawa: PWN. [4] Griffiths David J Podstawy elektrodynamiki. Warszawa: PWN. [5] Jaśniok Mariusz, Tomasz Jaśniok Metody diagnostyki zagrożenia korozyjnego zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych. Zaawansowane badania elektrochemiczne (cz. IV). Przegląd Budowlany, nr 7 8 : [6] Jaśniok Mariusz, Tomasz Jaśniok Sposób ograniczenia i identyfikacji powierzchni polaryzacji pręta zbrojeniowego w pomiarach polaryzacyjnych szybkości korozji zbrojenia zwłaszcza w konstrukcjach żelbetowych. Zgłoszenie patentowe P [7] Jaśniok Mariusz, Tomasz Jaśniok, Adam Zybura Badania korozyjnego zagrożenia zbrojenia kielichowej konstrukcji budynku dworca kolejowego w Katowicach. Inżynieria i Budownictwo, nr 5 6 : [8] Jaśniok Mariusz, Andrzej Śliwka, Adam Zybura Zastosowanie pomiarów polaryzacyjnych do oceny stanu zbrojenia żelbetowej podpory wiaduktu. Ochrona przed Korozją, nr 4-5 : [9] Jaśniok Tomasz, Mariusz Jaśniok, Adam Zybura Badania szybkości korozji zbrojenia żelbetowych zbiorników na Wodę. Ochrona Przed Korozją 56 (5) : Wirtualna czytelnia Wydawca Ochrony przed Korozją - Wydawnictwo SIGMA-NOT udostępnia Klientom Portalu Informacji Technicznej nową funkcjonalność. Wirtualna Czytelnia jest nowoczesnym narzędziem umożliwiającym prenumeratorom czasopism Wydawnictwa SIGMA-NOT szybki i wygodny dostęp do elektronicznych wersji publikacji prenumerowanych czasopism. Użytkownik Wirtualnej Czytelni może m.in. przeglądać, wyszukiwać publikacje, dodawać do publikacji notatki oraz zaznaczać interesujące go treści. Dodatkowo, publikacje można porządkować poprzez odkładanie na wirtualne półki użytkownik może skorzystać z wbudowanych typów półek oraz tworzyć własne - np. Praca magisterska, Referat itp. Zapraszamy stałych bywalców Portalu i nowych klientów do korzystania z Wirtualnej Czytelni. [10] Lemoine L., F. Wenger, J. Galland Study of the Corrosion of Concrete Reinforcement by Electrochemical Impedance Measurement. W [in:] Berke N.S. et al. (eds.): Corrosion Rates of Steel in Concrete, ASTM STP 1065, ASTM. [11] Majchrzak Ewa, Bohdan Mochnacki Metody numeryczne. Podstawy teoretyczne, aspekty praktyczne i algorytmy. Gliwice: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej. [12] Matsuoka K., H. Kihira, S. Ito, T. Murata Corrosion Monitoring for Reinforcing Bars in Concrete. W [in:] Berke N.S. et al. (eds.): Corrosion Rates of Steel in Concrete, ASTM STP 1065, [13] Montemor M.F., M.P. Simões, M.G.S. Ferreira Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: From the fundamentals to the monitoring techniques. Cement and Concrete Composites 25 (4-5 SPEC): doi: /s (02) [14] Zybura Adam, Mariusz Jaśniok, Tomasz Jaśniok O trwałości, diagnostyce i obserwacji konstrukcji żelbetowych. Inżynieria i Budownictwo 66 (10): [15] Zybura Adam, Mariusz Jaśniok, Tomasz Jaśniok Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, t. 2. Warszawa: PWN. [16] Zybura Adam, Mariusz Jaśniok, Tomasz Jaśniok Sposób badania szybkości korozji zbrojenia zwłaszcza w konstrukcjach żelbetowych. Zgłoszenie patentowe P