Badania korozyjne żelbetowej belki podsuwnicowej po 60 latach eksploatacji

MARIUSZ JAŚNIOK JACEK KOŁODZIEJ MICHAEL PAMUŁA Katedra Konstrukcji Budowlanych, Politechnika Śląska ochrona przed korozja 4/2015 Prosimy cytować jako: Ochr. Przed Koroz., 2015, 58, 4, (140-146) Please cite as: Ochr. Przed Koroz., 2015, 58, 4, (140-146) DOI: 10.15199/40.2015.4.8 DOI: 10.15199/40.2015.4.8 Badania korozyjne żelbetowej belki podsuwnicowej po 60 latach eksploatacji Rozbiórka żelbetowej konstrukcji estakady suwnicy w zakładzie przemysłowym na Śląsku stała się impulsem do podjęcia badań korozyjnych jednej z belek podsuwnicowych po 60. latach eksploatacji. Badania przeprowadzono w sposób kompleksowy wykorzystując trzy grupy metod. Do wytypowania stref o zróżnicowanym zagrożeniu korozją zastosowano badania potencjału stacjonarnego zbrojenia i rezystywności otuliny betonowej. Do oceny szybkości korozji zbrojenia wykorzystano badania polaryzacyjne metodą impedancyjną i oporu polaryzacji na rdzeniach wyciętych ze zbrojeniem z belki. Natomiast do oceny właściwości ochronnych betonu otuliny względem zbrojenia zastosowano pomiary ph w roztworach modelowych cieczy porowej betonu. Łączna analiza przeprowadzonych badań pokazała, że mimo kilkudziesięciu lat bezpośredniego oddziaływania czynników atmosferycznych badana belka charakteryzuje się niskim poziomem zagrożenia korozją. Słowa kluczowe: konstrukcje betonowe, korozja zbrojenia, badania prawdopodobieństwa korozji, pomiar oporu polaryzacji, spektroskopia impedancyjna, ciecz porowa betonu Corrosion tests of the reinforced concrete crane beam after 60-year operation Demolition of the reinforced concrete structure of a crane trestle in an industrial plant located in Silesia was a catalyst for conducting corrosion test of one of crane beams which had been operated for 60 years. The tests were performed comprehensively by three groups of techniques. Measurements of half-cell potential of reinforcement and resistivity of concrete cover were used for selecting zones of diverse corrosion risk. The polarizations tests on cores with reinforcement cut out from the beam were used to evaluate corrosion rate. ph measurements in model concrete pore solutions were used to evaluate protective properties of cover concrete to reinforcement. Aggregated analysis of the performed tests indicated that the analysed beam had low level of corrosion risk even though it had been exposed to atmospheric conditions for several decades. Keywords: concrete structure, reinforcement corrosion, tests on corrosion probability, polarization resistance measurement, impedance spectroscopy, concrete pore solution 1. Wprowadzenie W trakcie prac związanych rozbudową parkingu na terenie jednego z zakładów przemysłowych na Śląsku podjęto decyzję o demontażu fragmentu estakady suwnicy 1 (Rys. 1a). Estakada składała się z prefabrykowanych żelbetowych belek podsuwnicowych 2 opartych na krótkich wspornikach 3 żelbetowych słupów 4. Zdemontowane po blisko 60. latach eksploatacji prefabrykaty belek i słupów miały zostać poddane recyklingowi. Pojawiła się więc możliwość, aby przed zniszczeniem prefabrykatów kompleksowo ocenić stan korozyjny jednej z belek podsuwnicowych. Przed przystąpieniem do badań korozyjnych odtworzono dokumentację rysunkową zbrojenia belki na podstawie archiwalnych rysunków i pomiarów magnetycznych rozmieszczenia stali zbrojeniowej 5 w betonie (Rys. 1b). Znajomość lokalizacji zbrojenia miała istotne znaczenie przy wyborze miejsc pomiarowych. Zdecydowano się przeprowadzić diagnostykę korozyjną zbrojenia belki w sposób kompleksowy obejmujący najważniejsze zalecane rodzaje badań [1]. W pierwszym etapie podjęto próbę wyznaczenia stref o zróżnicowanym prawdopodobieństwie zagrożenia korozją. W drugim etapie na wyciętych z belki rdzeniach wraz z fragmentami stalowych prętów wykonano badania polaryzacyjne szybkości 1. Introduction During the works on expansion of the parking area at industrial plant facilities in Silesia, a decision was made to dismantle a fragment of the crane trestle 1 (Fig. 1a). The trestle was composed of precast reinforced concrete crane beams 2 supported on short cantilevers 3 of reinforced concrete columns 4. The dismantled precast beam and column units, which had been used for nearly 60 years, were to be recycled. Thus, there was an opportunity for complex evaluation of corrosion level of one of the crane beams before destruction of precast units. Prior to the corrosion tests, technical drawings of the beam reinforcement were reconstructed on the basis of archival sketches and magnetic measurements of reinforcing steel 5 arrangement in concrete (Fig. 1b). Knowing where reinforcement was present, was significant for selecting the measurement points. The decision was made to perform the complex corrosion diagnosis of the beam reinforcement, including the most important and recommended types of tests [1]. The first stage consisted in an attempt to determine the zones of diverse probability of corrosion risk. In the second stage, the corrosion rate of reinforcement was measured by the polarization technique, on cores with steel rebar fragments cut out from 140 Ochrona przed Korozją, ISSN 0473-7733, vol. 58, nr 4/2015

Rys. 1. Prefabrykowana estakada suwnicy: a) ustrój konstrukcyjny, b) badana belka podsuwnicowa Fig. 1. Precast crane trestle: a) construction system, b) tested crane beam Rys. 2. Wyniki łącznej analizy pomiarów potencjałowych i rezystywnościowych w formie map warstwicowych nałożonych na widoczne w aksonometrii powierzchnie belki: a) belka sucha, b) belka mokra Fig. 2. The results from the aggregated analysis of potential and resistivity measurements in the form of contour maps overlained on, visible in the axonometric projection, the beam surfaces: a) dry beam, b) wet beam 2. Determining zones with diverse probability of corrosion risk Two types of tests were conducted to determine the zones with diverse probability of corrosion risk on the beam surface: half-cell potential of the reinforcement and concrete cover resistivity. Potential testing consists in measuring the value of electrical potential on the concrete surface generated by corrosion cells formed on reinforcing steel in concrete. The measurement system consisted of the millivoltmeter with high internal resistance 1 combined with the reference electrode 2 and the working electrode 3 (reinforcement) [2]. Resistivity measurements consisted in measuring current passing between two steel electrodes placed in the probe 5 through holes drilled in the cover, by a current meter 4 [3]. The analysed crane beam had been exposed to the direct impact of atmospheric conditions for nearly 60 years. Therefore, measurements by two techniques were conducted by modelling two extreme humidity conditions. In the first stage, the tests were conducted on a dry beam (present in the production hall with humidity 50%), while the second stage consisted in performing tests on a wet beam, 30 minutes after intense wetting of all concrete surfaces with water. The results from the aggregated analysis of all potential and resistivity measurements in the form of contour maps overlained on the beam surfaces visible in the axonometric projection are illustrated in Fig. 2. As it was expected, values lower than 10 mv/kω cm (Fig. 2a) were obtained for all the surfaces of the dry beam, according to the aggregated criteria of analysing potential and resistivity tests [1]. It indicated low probability of corrosion risk in the reinforcement. For the wet beam (Fig. 2b), apart from the predominant zones with low risk of corrosion (white colour), the zones marked with light grey colour of medium probability (10 35 mv/kω cm) of corrosion risk, and one zone (dark grey colour) with high probakorozji zbrojenia. W trzecim etapie odwzorowując ciecz porową betonu oceniono właściwości ochronne otuliny względem zbrojenia belki na podstawie pomiaru ph. 2. Wyznaczanie stref o zróżnicowanym prawdopodobieństwie zagrożenia korozją W celu wyznaczenia na powierzchni belki stref o zróżnicowanym prawdopodobieństwie zagrożenia korozją przeprowadzono dwa rodzaje badań: potencjału stacjonarnego zbrojenia i rezystywności otuliny betonowej. Badania potencjałowe polegają na pomiarze na powierzchni betonu wartości potencjału elektrycznego generowanego przez ogniwa korozyjne powstające na stali zbrojeniowej w betonie. Układ pomiarowy składa się z miliwoltomierza o dużym oporze wewnętrznym 1 połączonego z elektrodą odniesienia 2 i elektrodą badaną 3 (zbrojeniem) [2]. Natomiast badania rezystywnościowe polegają na pomiarze miernikiem 4 prądu przepływającego między umieszczonymi w sondzie 5 dwiema stalowymi elektrodami wprowadzonymi do otworów wywierconych w otulinie [3]. Badana belka podsuwnicowa przez blisko 60 lat eksploatacji była narażona na bezpośrednie oddziaływanie czynników atmosferycznych, dlatego też badania obiema metodami zdecydowano się przeprowadzić symulując dwa skrajne warunki wilgotnościowe. W pierwszym etapie wykonano badania na belce suchej (znajdujące się w hali o wilgotności powietrza ~50%), natomiast w drugim etapie na belce mokrej po około 30. minutach od silnego zwilżenia wszystkich powierzchni betonu wodą. Wyniki łącznej analizy pomiarów potencjałowych i rezystywnościowych w formie map warstwicowych nałożonych na widoczne w aksonometrii powierzchnie belki przedstawiono na rys. 2. Zgodnie z przewidywaniem, na wszystkich powierzchniach belki suchej, według łącznych kryteriów analizy badań potencjałowych i rezystywnościowych [1], uzyskano wartości poniżej 10 mv/ kω cm (Rys. 2a). Wskazuje to na niskie prawdopodobieństwo wystąpienia korozji zbrojenia. Natomiast w przypadku belki mokrej (Rys. 2b), poza dominującymi strefami o niskim prawdopodobieństwie korozji (kolor biały) ujawniły się strefy w kolorze jasnosza- the beam. In the third stage, protective properties of cover to beam reinforcement were evaluated on the basis of ph measurement by modelling concrete pore solution. Ochrona przed Korozją, ISSN 0473-7733, vol. 58, nr 4/2015 141

rym o średnim prawdopodobieństwie korozji (10 35 mv/kω cm) oraz jedna strefa (kolor ciemnoszary) o wysokim prawdopodobieństwie korozji (powyżej 35 mv/kω cm) na powierzchni czołowej belki. Przeprowadzone badania potencjałowe i rezystywnościowe na belce mokrej ujawniły miejsca, które w trakcie opadów atmosferycznych mogły charakteryzować się podwyższonym ryzykiem korozji zbrojenia. Oględziny powierzchni czołowej belki w ciemnoszarej strefie największego prawdopodobieństwa korozji potwierdziły wyniki badań. Można tam było zaobserwować zarysowania betonu oraz rdzawe wycieki. Natomiast wytłumaczeniem średniego prawdopodobieństwa korozji na całej górnej powierzchni belki (Rys. 2b) jest fakt, że w przeciwieństwie do powierzchni bocznych i dolnych, woda nie miała możliwości spływu i dyfuzyjnie wnikała w otulinę zmniejszając jej rezystywność. 3. Badania polaryzacyjne szybkości korozji zbrojenia rdzeni wyciętych z belki Badania polaryzacyjne szybkości korozji zbrojenia w konstrukcjach żelbetowych zaleca się wykonywać na wyciętych walcowych rdzeniach zawierających fragmenty stalowego zbrojenia [4 7]. Wówczas w warunkach laboratoryjnych można wykonać pomiary w układzie trójelektrodowym na prętach zbrojeniowych w nienaruszonym kontakcie z betonem rdzenia. W ogólnym przypadku wycięcie rdzenia z konstrukcji żelbetowej musi być poprzedzone analizą zagrożenia powstałego lokalnym uszkodzeniem. W przypadku analizowanej belki podsuwnicowej, która była elementem przeznaczonym do recyklingu, to miejsce wycięcia rdzeni wiązało się jedynie z ograniczeniami technicznymi przy wycinaniu. Pierwotnie zakładano, że jeden rdzeń zostanie wycięty ze strefy o największym prawdopodobieństwie korozji zbrojenia, a drugi ze strefy o prawdopodobieństwie najmniejszym. Jednakże wycięcie rdzenia przy bocznej krawędzi powierzchni czołowej belki (kolor ciemnoszary na rys. 2b), gdzie beton był zarysowany, groziło niebezpieczeństwem rozpadnięcia się rdzenia w trakcie lub zaraz po wycięciu. Natomiast wycięcie rdzenia z górnej powierzchni belki (kolor jasnoszary na rys. 2b) groziło zaklinowaniem koronki wiercącej w strefie o bardzo dużym zagęszczeniu zbrojenia (por. Rys. 1b), a także kłopotami z oderwaniem naciętego rdzenia. Jedynym rozwiązaniem technicznym, jednakże uniemożliwiającym analizę rdzeni ze stref o różnym poziomie zagrożenia korozją, było wycięcie obu rdzeni ze środnika dwuteowej belki. Przyjęto założenie, że środnik będzie przecinany na wylot, a ustalone badaniami magnetycznymi precyzyjne miejsce wycięcia zagwarantuje przecięcie jak najmniejszej liczby prętów zbrojeniowych. Mała liczba, a najlepiej pojedynczy fragment pręta wycięty z rdzeniem zwiększa dokładność wnioskowania o zagrożeniu korozją, gdyż wtedy powierzchnia badana jest stosunkowo mała. Na rys. 3a pokazano widok belki podsuwnicowej z dwoma otworami w środniku, z których wycięto rdzenie. Rdzenie miały długość 400 mm, a przecięte zbrojenie znajdowało się przy dwóch powierzchniach kołowych walca. Do badań polaryzacyjnych podzielono każdy rdzeń na 3 próbki, przy czym środkowa dłuższa próbka bez zbrojenia była przeznaczona do badań wytrzymałościowych. Ostatecznie badaniom polaryzacyjnym poddano 4 zewnętrzne próbki (Rys. 3b) o średnicy φ 94 mm i zróżnicowanych wysokościach 90 120 mm. Próbka nr 1 zawierała dwa krzyżujące się pręty gładkie 1 średnicy φ 10 mm, natomiast w próbkach nr 2, 3 i 4 znajdowały się pojedyncze pręty gładkie 2 średnicy φ 8 mm. Otulina betonowa prętów mierzona do najbliższej powierzchni kołowej walca była zróżnicowana i wynosiła odpowiednio 4 mm, 36 mm, 20 mm i 48 mm dla próbek o numerach od 1 do 4. bility of corrosion risk (above 35 mv/kω cm) became apparent on the end face of beam. The measured potential and resistivity on the wet beam revealed a place, where the risk of reinforcement corrosion was greater during the atmospheric precipitation. The visual inspection of the beam end face in the dark grey zone with the highest probability of corrosion risk confirmed the test results. Concrete cracks and rusty leaks could be observed there. The medium probability of corrosion in the whole upper part of the beam surface (Fig. 2b) can be explained by the fact that, in contrary to side and bottom surfaces, water could not flow and penetrated the cover by diffusion, which reduced its resistivity. 3. Polarization measurement of corrosion rate in the reinforcement of cores cut out from the beam The polarization measurements of corrosion rate in the reinforced concrete structures are recommended to be conducted on cutout cylindrical cores with fragments of steel reinforcement [4 7]. Then, the measurements in a three-electrode system can be conducted under laboratory conditions in rebars with undisturbed contact with core concrete. Generally, cutting the core out of the reinforced concrete structure has to be preceded by analysing the risk caused by the local damage. For the analysed case of the crane beam, which was the element intended for recycling, the place of cutting out cores was only limited by technical issues during cutting. It was originally assumed that one core could be cut out from the zone with the highest probability of the reinforcement corrosion, and the second one from the zone with the lowest probability of the corrosion. However, cutting out the core at the lateral edge of the end face of the beam (marked with dark grey colour in Fig. 2b), where concrete was cracked, could create a risk of the core breaking apart into pieces during the operation of its cutting out, or immediately after it. On the other hand, cutting out the core from the upper part of the beam (marked with light grey colour in Fig 2b) could possibly lead to wedging of the bit drilling in the zone with very dense reinforcement (cf Fig. 1b), and the problems with detaching the nicked core. The only technical solutions, however excluding the analysis of cores from zones with different probability of corrosion risk, was to cut out both cores from the web of an I-beam. It was assumed that the web would be cut inside out, and the cutting place precisely determined by magnetic measurements would guarantee that the lowest possible number of rebars were cut through. A small number, and preferably a single bar element cut out with the core, increases the precision of evaluating the corrosion risk as the tested surface is relatively small. Fig. 3a illustrates the projection of the crane beam with two holes in the web, from where cores were cut out. The length of cores was 400 mm, and the cut reinforcement was at two circular surfaces of cylinder. For the purpose of polarization measurements, each core was divided into 3 specimens, and the longest, middle specimen without reinforcement was intended for strength tests. Finally, 4 outer specimens (Fig. 3b) with a diameter of φ94 mm and different heights of 90 120 mm underwent polarization tests. The specimen No. 1 contained two crossing smooth bars 1 with a diameter of φ10 mm, while the specimens Nos 2, 3 and 4 contained singular smooth bars 2 with a diameter of φ8 mm. Concrete cover of bars measured to the nearest circular cylinder surface varied, and for the specimens with numbers 1 to 4, it was 4 mm, 36 mm, 20 mm and 48 mm respectively. Polarization testing of the reinforcement in four specimens was conducted by two techniques: electrochemical impedance spectro- 142 Ochrona przed Korozją, ISSN 0473-7733, vol. 58, nr 4/2015

Rys. 3. Badania polaryzacyjne zbrojenia w betonie: a) miejsca wycięcia rdzeni z belki podsuwnicowej, b) rdzenie betonowe podzielone na próbki, c) trójelektrodowy układ pomiarowy Fig. 3. Polarization tests on concrete reinforcement a) place of core cutting out from the crane beam, b) concrete cores divided into specimens, c) a three-electrode measurement system Badania polaryzacyjne na zbrojeniu czterech próbek przeprowadzono dwiema metodami: elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) oraz pomiaru oporu polaryzacji (LPR). W celu nawiązania do badań prawdopodobieństwa korozji zbrojenia badania polaryzacyjne wykonano symulując również dwa skrajne warunki wilgotnościowe. W pierwszym wariancie pomiary zrealizowano na próbkach suchych (w powietrzu o wilgotności ~50%), natomiast w drugim wariancie na próbkach mokrych po dwugodzinnym zanurzeniu w wodzie wodociągowej do połowy grubości otuliny. Układ pomiarowy dostosowany do badań prętów zbrojeniowych w betonie walcowych próbek pokazano na rys. 3c. Elektrodą badaną był stalowy pręt zbrojeniowy 3. Na górnej powierzchni betonowej próbki poprzez wilgotną podkładkę filcową 4 umieszczono kołową elektrodę pomocniczą 5 ze stali odpornej na korozję. Przez otwór w środku kołowej blachy 5 wprowadzono elektrodę odniesienia Cl / AgCl,Ag 6. Aby zapewnić dobry kontakt elektryczny między elektrodą pomocniczą 5 i betonem próbki zastosowano betonowy balast 7, który równocześnie zapewniał stabilizację elektrody odniesienia scopy (EIS) and linear polarization resistance (LPR). Polarization tests were performed by modelling two extreme humidity conditions in order to make references to probability tests on the reinforcement corrosion risk. In the first scenario, dry specimens (moisture content in the air 50%) were examined, and in the second scenario the tests were performed on wet specimens immersed up to half of the cover width in tap water for two hours. The measurement system adjusted to rebar testing in concrete of cylindrical specimens is presented in Fig. 3c. Steel rebar 3 was a working electrode. A circular counter electrode made of stainless steel 5 was placed on a wet felt washer 4 in the upper surface of the specimen. Cl /AgCl,Ag reference electrode 6 was placed through a hole in the middle of the circular sheet metal 5. Concrete ballast 7 was used to ensure the sufficient contact between the counter electrode 5 and specimen concrete. It also provided stabilization to the reference electrode 6. All the electrodes were connected to potentiostat 8 Gamry Reference 600. First of all, the tests were performed at the fixed range of frequencies of 0.01 Hz 1 MHz by the EIS method using a disturbing sinu- Rys. 4. Wyniki badań polaryzacyjnych zbrojenia w próbkach nr 1, 2, 3, 4: a), b) wykresy Nyquista (EIS) dla próbki suchej i mokrej, c) elektryczny schemat zastępczy, d), e) krzywe polaryzacji (LPR) dla próbki suchej i mokrej Fig. 4. The results from polarization tests on the reinforcement in the specimens Nos 1, 2, 3,4: a), b) the Nyquist plots (EIS) for dry and wet specimen, c) equivalent electrical circuit, d), e) polarization (LPR) curves for dry and wet specimen Ochrona przed Korozją, ISSN 0473-7733, vol. 58, nr 4/2015 143

6. Wszystkie elektrody podłączono z potencjostatem 8 Gamry Reference 600. W pierwszej kolejności wykonywano badania metodą EIS przy ustalonym zakresie częstotliwości 0,01 Hz 1 MHz, stosując sinusoidalny sygnał zaburzający o amplitudzie potencjału 10 mv względem potencjału korozyjnego. Po zakończeniu pomiarów zmiennoprądowych (EIS) i po ustabilizowaniu się potencjału na poziomie zmienności 0,1 mv/s, przystępowano do wykonywania pomiarów stałoprądowych (LPR). Zbrojenie polaryzowano z szybkością 1 mv/s w zakresie zmiany potencjału od 150 mv do +50 mv względem potencjału stacjonarnego, przerywając pomiar po przejściu rozkładu punktów przez zerową wartość na osi prądu w skali liniowej. Na rys. 4 zamieszczono komplet wyników badań polaryzacyjnych zbrojenia na wszystkich czterech próbkach, z podziałem na wyniki uzyskane na próbkach suchych i mokrych. Na rys. 4a i 4b przedstawiono wyniki pomiarów impedancyjnych na płaszczyźnie zespolonej, natomiast na rys. 4d i 4e krzywe polaryzacji w układzie współrzędnym potencjał E prąd I w skali liniowej. Analizę wyników badań impedancyjnych przeprowadzono stosując elektryczny schemat zastępczy zamieszczony na rys. 4c [8], w którym R 1 odpowiada rezystancji fazy ciekłej, natomiast R 2 i R 2a charakteryzują rezystancję warstwy podwójnej w styku fazy ciekłej i stałej betonu. Pojemność warstwy podwójnej opisują parametry Y 2, α 2 i Y 2a, α 2a elementów stałofazowych CPE. Właściwości elektrochemiczne strefy przejściowej na granicy faz stal beton określa element CPE o parametrach Y 3, α 3. Natomiast warstwę podwójną w styku cieczy porowej ze stalą zbrojeniową charakteryzuje element CPE o parametrach Y 0, α 0 z równolegle połączonym oporem przeniesienia ładunku R t. Wyniki analizy badań impedancyjnych zamieszczono w tablicy 1. Natomiast na podstawie analizy krzywych polaryzacji wyznaczono potencjał korozyjny E kor względem elektrody Cl /AgCl,Ag oraz opór polaryzacji R p w quasi-liniowym zakresie wokół zerowej wartości prądu. Następnie według zależności Sterna-Geary ego obliczono gęstości prądu korozyjnego i kor = B/R t A p oraz i kor = B/R p A p, przyjmując współczynnik B = 26 mv soidal signal with the potential amplitude of 10 mv in regard to the corrosion potential. When a.c.(eis) measurements were completed and the potential was stabilised at the variation level of 0.1 mv/s, d.c. measurements (LPR) began. The reinforcement was polarised at the rate of 1 mv/s within the potential change from -150 mv to +50 mv with regard to half-cell potential, interrupting the measurement when distributed points passed zero value on current axis on the linear scale. Fig. 4 presents a set of results from polarization measurements of the reinforcement in all four specimens, grouped into results obtained for dry and wet specimens. Figs 4a and 4b show results from impedance measurement on the complex plane, while figs 4d and 4e illustrate polarization curves in the coordinate system of potential E current I in the linear scale. The results from impedance tests were analysed by applying an equivalent electrical circuit illustrated in Fig. 4c [8], where R 1 represents the resistance of liquid phase, while R 2 and R 2a characterize the resistance of a double layer in contact with liquid and solid phases of concrete. The capacity of the double layer is described by parameters Y 2, α 2 and Y 2a, α 2 of the constant phase elements CPE. Electrochemical properties of steel concrete transition zone are characterized by CPE of Y 3, α 3 parameters. The double layer in contact with pore solution and reinforcing steel is described by CPE of Y 0, α 0 parameters, with the parallel combination of charge transfer resistance R t. The results from impedance measurement analysis are presented in Table 1. The analysis of polarization curves was used to determine the corrosion potential E cor to Cl /AgCl,Ag electrode, and the polarization resistance R p in a quasi-linear range around zero value of current. Then, the values of corrosion current density i cor = B/R t A p and i cor = B/R p A p were calculated according to the Stern-Geary equation, adopting the coefficient B = 26 mv and the areas of reinforcement polarization A p measure after crushing specimens in a testing machine. An arithmetic mean from i cor and i cor was regarded as the final value of current density i cor. The quantification results are presented in Table 2. Tablica 1. Wyniki analizy badań stali zbrojeniowej w betonie próbek metodą spektroskopii impedancyjnej Table 1. The analysis of reinforcing steel tests in specimen concrete by the method of impedance spectroscopy Próbka / Specimen sucha / dry mokra / wet R 1 [Ω] R 2 [kω] Y 2 [μfs α-1 ] α 2 R 2a [kω] Y 2a [μfs α-1 ] α 2a Y 3 [mfs α-1 ] α 3 Y 0 [μfs α-1 ] 1 0 3,939 104,00 0,427 9,014 0,4229 0,575 1,675 0,476 0,0108 0,712 6,729 2 0 3,151 44,210 0,511 5,809 0,4317 0,649 2,702 0,680 0,0010 0,825 9,535 3 0 4,317 29,270 0,503 11,05 0,3798 0,653 5,375 0,841 0,0217 0,696 5,669 4 0 2,664 42,150 0,535 5,955 0,5589 0,619 7,398 0,987 0,0026 0,727 10,28 1 0 3,212 0,3857 0,677 4,337 0,0061 0,758 2,787 0,470 75,280 0,488 1,732 2 0 3,045 37,690 0,501 3,537 0,5025 0,651 4,507 0,694 0,0011 0,818 5,367 3 0 2,369 34,080 0,499 4,452 0,4963 0,675 4,610 0,704 0,0103 0,700 2,559 4 0 8,702 0,0039 0,733 3,540 14,250 0,510 2,436 0,564 0,1913 0,870 1,769 Tablica 2. Wyniki analizy badań stali w próbkach metodą oporu polaryzacji i obliczenia gęstości prądu korozyjnego Table 2. The analysis of tests on steel in the specimen by polarization resistance technique and calculations of corrosion current density Próbka / Specimen sucha / dry mokra / wet E kor [mv] R p [kω] A p [cm 2 ] i kor [μa/cm 2 ] i kor [μa/cm 2 ] α 0 i kor [μa/cm 2 ] 1-185,9 8,574 48,16 0,08 0,06 0,07 2-181,3 6,553 21,36 0,13 0,19 0,16 3-60,9 8,382 24,05 0,19 0,13 0,16 4-52,7 6,971 22,77 0,11 0,16 0,14 1-236,3 3,112 48,16 0,31 0,17 0,24 2-343,9 4,687 21,36 0,23 0,26 0,24 3-215,9 3,774 24,05 0,42 0,29 0,35 4-104,3 4,822 22,77 0,65 0,24 0,44 R t [kω] 144 Ochrona przed Korozją, ISSN 0473-7733, vol. 58, nr 4/2015

Rys. 5. Rozkład wartości ph w cieczy porowej betonu w kierunku grubości otulenia zbrojenia belki Fig. 5. Distribution of ph values in concrete pore solution towards the thickness of reinforcement cover for the beam i powierzchnie polaryzacji zbrojenia A p pomierzone po zmiażdżeniu próbek w maszynie wytrzymałościowej. Jako ostateczną wartość gęstości prądu korozyjnego i kor przyjęto średnią arytmetyczną z i kor i i kor. Wyniki obliczeń zamieszczono w tablicy 2. Analizując widma impedancyjne na rys. 4a i 4b można zauważyć w zakresie wysokoczęstotliwościowym charakteryzującym beton, że w próbkach suchych silnie spłaszczone półokręgi są większe niż analogiczne fragmenty widm próbek mokrych. Wynika to z większej rezystancji suchego betonu. Natomiast w końcówce zakresu niskoczęstotliwościowego widma próbek suchych i mokrych nieznacznie różnią się nachyleniami. Z kolei krzywe polaryzacji próbek mokrych (Rys. 4e) są wyraźnie przesunięte w kierunku bardziej ujemnych potencjałów niż analogiczne krzywe próbek suchych (Rys. 4d). Ponadto wszystkie krzywe polaryzacji mają na początku zakresu katodowego charakterystyczne dla polaryzacji stali w betonie zawinięcie wynikające z ładowania warstwy podwójnej na zbrojeniu. Z analizy wartości gęstości prądu korozyjnego i kor w tablicy 2 wynika, że w próbkach suchych nie ma zagrożenia korozją (i kor < 0,2 μa/cm 2 ). W próbkach mokrych, zagrożenie korozyjne zbrojenia występuje, jednak na stosunkowo niskim poziomie [2]. 3. Badania właściwości ochronnych betonu otulenia względem zbrojenia belki W ostatnim etapie oceny zagrożenia korozją zbrojenia belki podsuwnicowej wykonano badania właściwości ochronnych otuliny. W tym celu po zakończeniu pomiarów polaryzacyjnych pobrano z każdej próbki rozdrobniony beton warstwami o grubości 2 mm do poziomu górnej powierzchni zbrojenia. Z rozdrobnionego betonu po zmieszaniu z wodą destylowaną w proporcjach 1:1 sporządzono wyciągi wodne, które w przybliżeniu odwzorowywały w poszczególnych warstwach otuliny ciecz porową betonu. Łącznie w 54. wyciągach wodnych wykonano pomiary ph, których wyniki dla wszystkich czterech próbek zestawiono na rys. 5. Uwzględniając na wykresie (Rys. 5) poziom graniczny ph = 11,8, poniżej którego następuje dekompozycja warstewki pasywnej na stali zbrojeniowej w betonie, jedynie w próbce nr 1 o niedopuszczalnie cienkiej 4 mm otulinie, istniało realne zagrożenie korozją zbrojenia, ponieważ ph = 11,47. W pozostałych próbkach, przy znacznie grubszych otulinach (20 48 mm), ph cieczy porowej w bezpośrednim sąsiedztwie zbrojenia mieściło się w bezpiecznym przedziale 12,40 12,55 niegrożącym korozją. 4. Podsumowanie Ocenę stanu zagrożenia korozyjnego żelbetowej belki podsuwnicowej po blisko 60. latach eksploatacji, przeprowadzono stosując The analysis of impedance spectra in Figs 4a and 4b shows that within the range of high frequencies characteristic for concrete, semicircles were more flattened in dry specimens compared to similar fragments of spectra of wet specimens. It was caused by greater resistance of dry concrete. At the end of low-frequency range, slopes of spectra of dry and wet specimens were slightly different. Polarization curves of wet specimens (Fig. 4a) were clearly shifted towards more negative potentials compared to similar curves of dry specimens (Fig. 4d). Moreover, at the beginning of the cathodic range, the shape of all polarization curves is typical for polarization of steel in concrete, and results from charging a double layer on the reinforcement. The analysis of values of corrosion current density i cor shown in Table 2, indicates there is no risk of corrosion in the dry specimens (i cor < 0.2 μa/cm 2 ). And there is a risk of reinforcement corrosion, but at relatively low level [2]. 3. Tests on protective properties of cover concrete to the beam reinforcement In the final stage of evaluating the corrosion risk for the crane beam reinforcement, protective properties of the cover were tested. For that purpose, 2 mm layers of crushed concrete up to the upper surface of the reinforcement were collected from each specimen when polarization measurements were completed. Water extracts were prepared by mixing crushed concrete with distilled water in 1:1 ratio. These water extracts simulated concrete pore solution in individual layers of the cover. ph was measured in the total number of 54 water extracts. The results for all four specimens are presented in Fig. 5. The diagram (Fig. 5) included the limiting ph level = 11.8 below which a passive layer on reinforcing steel in concrete was decomposed. The serious risk of corrosion reinforcement was identified only in the specimen No. 1 with an unacceptably thin cover of 4 mm because ph = 11.47. In other specimens with considerably thicker covers (20 48 mm), ph of pore solution in the adjacent vicinity of the reinforcement was within the safe range of 12.40 12.55 which did not present a risk of corrosion. 4. Conclusions The corrosion risk for the reinforced concrete crane beam after nearly 60 years of operation, was evaluated by means of the com- Ochrona przed Korozją, ISSN 0473-7733, vol. 58, nr 4/2015 145

kompleksową diagnostykę korozyjną żelbetu. W pierwszym etapie wykonano badania prawdopodobieństwa wystąpienia korozji zbrojenia w betonie za pomocą pomiarów potencjałowych i rezystywnościowych. Łączna analiza wyników tych badań umożliwiła wyznaczenie na powierzchni belki stref o zróżnicowanym poziomie zagrożenia korozją. W drugim etapie, na wyciętych z belki rdzeniach betonowych z fragmentami stalowych prętów wykonano badania polaryzacyjne metodą impedancyjną (EIS) i oporu polaryzacji (LPR). Prowadząc pomiary w dwóch skrajnych warunkach wilgotnościowych otrzymano gęstości prądu korozyjnego wskazujące na rozwój korozji zbrojenia jedynie w betonie silnie zawilgoconym. W trzecim ostatnim etapie przeprowadzono badania właściwości ochronnych betonu otuliny względem zbrojenia belki. Wykonane w roztworach modelowych cieczy porowej pomiary rozkładu wartości ph wskazały na niewielki zasięg frontu karbonatyzacji betonu (ph < 11,8), który tylko w jednej na cztery badane próbki stwarzał realne zagrożenie korozją zbrojenia. Reasumując, mimo blisko 60 lat bezpośredniego oddziaływania czynników atmosferycznych, badana belka podsuwnicowa charakteryzowała się niskim poziomem zagrożenia korozją. Przyczyn tej korzystnej sytuacji należy najprawdopodobniej upatrywać w przypadkowo powstałej ochronie powłokowej betonu. Powłoka na betonie mogła być efektem smarowania substancjami olejnymi wewnętrznych powierzchni deskowania przed ułożeniem mieszanki betonowej, w celu ułatwienia wyjęcia prefabrykatu z formy. LITERATURA / REFERENCES 1. A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych, t. 2, Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011. 2. C. Andrade: Progress Report 1994-97, Materials and Structures, 31, 1998, p. 153-157. 3. A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok, Przegląd Budowlany nr 1, 2013, s. 46-51. 4. T. Jaśniok, M. Jaśniok, Ochr. przed Koroz., 2014, 57, 6, s. 225-229. Informacje o Autorach: Dr hab. inż. Mariusz Jaśniok adiunkt w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej, absolwent Wydziału Budownictwa Politechniki Śląskiej. Specjalizuje się w metodach elektrochemicznej regeneracji betonu oraz w diagnostyce korozyjnej konstrukcji żelbetowych metodami elektrochemicznymi. e-mail: mariusz.jasniok@polsl.pl Mgr inż. Jacek Kołodziej, mgr inż. Michael Pamuła doktoranci w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej. Zajmują się problemami diagnostyki korozyjnej żelbetu. e-mail: jacek.kolodziej@polsl.pl, michael.pamula@polsl.pl prehensive diagnosis of reinforced concrete corrosion. The first stage consisted in testing the corrosion probability in concrete reinforcement by potential and resistivity measurements. Zones of diverse level of corrosion risk on the beam surface were determined on the basis of analysing the aggregated results from the above measurements. In the second stage, polarization tests by the method of impedance spectroscopy (EIS) and linear polarization resistance (LPR) were conducted on the cores with steel rebar fragments cut out from the beam. The measurements of corrosion current density under two extreme humidity conditions indicated that corrosion could only expand on concrete with high moisture content. In the third final stage, protective properties of the cover concrete to the beam reinforcement were tested. Distribution of ph values measured in the model pore solutions indicated only a narrow range of carbonation front in concrete (ph < 11.8) which carried a real corrosion risk for one in four tested specimens. To sum it up, the analysed crane beam demonstrated a low level of corrosion risk despite the fact that it had been directly exposed to atmospheric conditions for nearly 60 years. Coincidentally formed coat protection of concrete was the probable reason for that favourable situation. The coat on concrete could be formed as a result of lubricating inner shuttering areas with oily substances before placing concrete mix to facilitate the removal of the precast unit from a mould. 5. T. Jaśniok, M. Jaśniok, A. Zybura, Ochr. przed Koroz., 2013, 56, 5, s. 227-234. 6. M. Jaśniok, A. Śliwka, A. Zybura, Ochr. przed Koroz., 2010, 53, 4-5, s. 220-224. 7. M. Jaśniok, T. Jaśniok, A. Zybura, Inżynieria i Budownictwo 5-6, 2010, s. 249-253. 8. C.A. Scuderi, T.O. Mason, H.M. Jennings, Journal of Material Science, 26, No. 2, 1991, p. 349-353. About the authors: Dr hab. inż. Mariusz Jaśniok [PhD. DSc. Eng.] assistant professor in the Department of Building Structures at Silesian University of Technology. Specialization in electrochemical techniques of concrete restoration and corrosion diagnostics of reinforced concrete structure by electrochemical techniques. e-mail: mariusz.jasniok@polsl.pl Mgr inż. Jacek Kołodziej [MSc], mgr inż. Michael Pamuła [MSc] PhD students in the Department of Building Structures at Silesian University of Technology. They specialize in problems with diagnosis of reinforced concrete corrosion. e-mail: jacek.kolodziej@polsl.pl, michael.pamula@polsl.pl Otrzymano/ Received: 22.02.2015 Przyjęto / Accepted: 10.03.2015 146 Ochrona przed Korozją, ISSN 0473-7733, vol. 58, nr 4/2015

I-.--- -- n Protection ' 4 4 Beizona zawsze na powierzchni ANTYKOROZJA 2 Systemy - Materialy - P0