Zmienność szybkości korozji zbrojenia w betonie przy stałych warunkach termiczno-wilgotnościowych

TOMASZ JAŚNIOK MARIUSZ JAŚNIOK ochrona przed korozja 6/2012 Politechnika Śląska, Katedra Konstrukcji Budowlanych Zmienność szybkości korozji zbrojenia w betonie przy stałych warunkach termiczno-wilgotnościowych Szybkość korozji zbrojenia w konstrukcjach poddanych wpływom czynników atmosferycznych jest zmienna w czasie. Dotychczasowe próby modelowania tego parametru w funkcji temperatury i wilgotności powietrza oraz zawartości jonów chlorkowych w betonie uwzględniały wszystkie te czynniki jednocześnie [1 3]. Takie podejście może powodować pewne nieprawidłowości w interpretacji wyników badań. W niniejszej pracy podjęto próbę analizy zmienności szybkości korozji prętów zbrojeniowych wraz z parametrami determinującymi jej wartość przy stałej wilgotności i temperaturze betonu otaczającego zbrojenie w początkowym stadium korozji. Słowa kluczowe: beton, stal zbrojeniowa, badania korozji zbrojenia, pomiar oporu polaryzacji, elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna Variability of corrosion rate of the reinforcement in concrete at constant thermal and humidity conditions The rate of corrosion of the reinforcement in structures subjected to the infl uence of atmospheric factors is variable in time. Previous attempts to model this parameter as a function of temperature and humidity and the content of chloride ions in concrete have taken into account all these factors simultaneously [1 3]. Such an approach may cause some irregularities in the interpretation of test results. This paper attempts to analyze the variability of rebar corrosion rate along with the parameters which determine its value at constant humidity and temperature of the concrete surrounding the reinforcement in the initial stage of corrosion. Keywords: concrete, reinforcing steel, corrosion tests of reinforcement, linear polarization resistance, electrochemical impedance spectroscopy 1. Wprowadzenie Analizując postęp korozji zbrojenia elementów żelbetowych rozważa się najczęściej bezpośrednie przyczyny wywołujące stan aktywny zbrojenia stężenie jonów chlorkowych oraz wartość ph betonu w pobliżu zbrojenia [4]. Postępowanie takie jest słuszne w badaniach laboratoryjnych, w których można zapewnić stałą temperaturę i wilgotność powietrza. Natomiast szybkość korozji wyrażona za pośrednictwem gęstości prądu korozyjnego w warunkach terenowych charakteryzuje się dużą zmiennością w czasie uzależnioną od czynników klimatycznych. Przedstawione w pracy [1] i [2] badania terenowe szybkości korozji zbrojenia elementów żelbetowych potwierdzają zmienny charakter gęstości prądu korozyjnego i kor w czasie (rys. 1), ale nie dają odpowiedzi, który z czynników wywołujących lub sprzyjających korozji powoduje najistotniejsze różnice. W pracy [2] na podstawie pięcioletnich badań wykonanych na ok. 3000 elementach próbnych zawierających domieszki roztworów chlorków, które poddawano wpływom czynników atmosferycznych, opracowano empiryczny wzór ujmujący wpływ stężenia wolnych jonów chlorkowych, temperatury oraz oporu otuliny betonowej na wartość gęstości prądu korozyjnego ln 1,08i = 8,37 + 0,618ln 1,69Cl 3034/T 0,000105 R c + 2,32t -0,215 (1) W powyższym wzorze i jest gęstością prądu korozyjnego w μa/cm 2, Cl stężeniem chlorków w kg/m 3, T temperaturą przy powierzchni stali w K, R c rezystancją otulenia betonowego w Ω, natomiast t czasem korozji w latach. Można zauważyć, że przy założeniu stałej wartości stężenia chlorków, temperatury i oporu betonu, gęstość prądu korozyjnego najwyższą wartość osiąga przy inicjacji korozji, a następnie wykładniczo maleje w czasie. Precyzyjne określenie tendencji zmian gęstości prądu korozyjnego, którego wartość zgodnie z prawem Faraday a jest proporcjonalna do ubytku masy jonów żelaza wyniesionych z sieci krystalicznej metalu, jest podstawą do szacowania zarówno redukcji przekroju poprzecznego prętów zbrojeniowych w betonie jak i objętości produktów korozji, których nadmiar może powodować pękanie lub odpadanie otuliny betonowej. Celem pracy jest próba określenia zależności gęstości prądu korozyjnego od czasu w początkowym stadium korozji zbrojenia w betonie przy ustabilizowanych warunkach klimatycznych i korozyjnych (elementy próbne były eksponowane w komorze korozyjnej). Analizę oparto na cyklicznie wykonywanych badaniach metodą pomiaru oporu polaryzacji (LPR) i metodą spektroskopii impedancyjnej (EIS), w których monitorowano zmiany podstawowych parametrów elektrochemicznych charakteryzujących przebieg reakcji elektrodowych. Przedstawiony artykuł zawiera wyniki pierwszego etapu szerszych badań ujmujących wpływ czynników środowiskowych na szybkość korozji zbrojenia. 2. Zakres i metodyka badań Badania przeprowadzono na 3 cylindrycznych elementach próbnych z betonu C20/25 o wysokości 140 mm i średnicy podstawy 100 mm (rys. 2a). W próbkach umieszczono pojedynczy pręt zbrojeniowy 1 ze stali B500SP średnicy 8 mm oraz usytuowane równolegle do niego pasmo blachy 2 ze stali nierdzewnej szerokości 25 mm. Pręt był zaopatrzony w zabezpieczające przed korozją szczelinową izolatory z tworzywa sztucznego 3 w miejscu wyprowadzenia metalowego końca z betonu. Ponadto w próbce betonowano indywidualnie wykonane elektrody chloro-srebrowe 4 z szotem szklanym usta- 282 Ochrona przed Korozją, vol. 55, nr 6

Rys. 1. Zależność gęstości prądu korozyjnego od czasu: a) w okresie roku wg [1], b) w okresie 4 lat wg [2] Fig. 1. Corrosion current density dependence of the time: a) during the year according to [1], b) within 4 years according to [2] bilizowanym w odległości ok. 3 mm od pręta 1. Dodatkowo w elemencie umieszczono czujnik 5, umożliwiający pomiar średniej wilgotności względnej betonu na odcinku 110 mm oraz czujnik temperatury 6 z sensorem znajdującym się w pobliżu pręta 1. Badania polaryzacyjne wykonano w układzie trójelektrodowym (rys. 2b), w którym pręt zbrojeniowy 1 pełnił rolę elektrody badanej (pracującej), pasmo blachy 2 elektrody pomocniczej polaryzującej równomiernie całą powierzchnię pręta, a elektroda chlorosrebrowa 4 była elektrodą odniesienia. Wszystkie wymienione elektrody łączono z potencjostatem 7. Natomiast czujniki 5 i 6 (rys. 2a) połączono z miernikiem 8 mierząc przed każdym badaniem wilgotność i temperaturę betonu. Elementy próbne po trzymiesięcznym okresie dojrzewania umieszczono w klimatyzowanej komorze korozyjnej (rys. 2c) wyposażonej w układ cyklicznego zanurzania elementów próbnych w 3% roztworze NaCl. Okres eksponowania próbek w roztworze trwał 3,5 godziny, a suszenie 68,5 godziny. Powtarzające się cykle trwały do uzyskania w kontrolnych pomiarach gęstości prądu korozyjnego powyżej 1 μa/cm 2, która może świadczyć o zaawansowaniu korozji zbrojenia. Po okresie inicjacji korozji stali próbki betonowe pozostawiano w klimatyzowanej komorze korozyjnej przy ustabilizowanej temperaturze równej 20 C (±0,2 C) i wilgotności względnej 90% (±3%). 3. Wyniki i analiza badań Badania EIS realizowano przy ustalonym zakresie częstotliwości 0,01 Hz 100 000 Hz, stosując sinusoidalny sygnał zaburzający o amplitudzie potencjału 10 mv względem potencjału korozyjnego. Na rys. 3a przedstawiono przykładowe wyniki tych badań na wykresie Nyquista. Po zakończeniu pomiaru zmiennoprądowego (EIS) i kilkuminutowej obserwacji stabilności potencjału stacjonarnego, przystępowano do wykonywania pomiarów stałoprądowych (LPR). Zbrojenie polaryzowano z szybkością 1 mv/s w zakresie zmiany potencjału od 150 mv do +100 mv względem potencjału korozyjnego. Przykładowe wyniki badań stałoprądowych w postaci wykresu zależności potencjał-gęstość prądu korozyjnego przedstawiono na rys. 3c. Na rys. 4 w stosunku do każdego elementu próbnego przedstawiono wykresy zmienności w czasie gęstości prądu korozyjnego i kor obliczanego z zależności Sterna-Gearego [1] bb a k ikor = (2) 2,303( ba+ bk) Rp w której R p jest oporem polaryzacji, natomiast b k i b a są współczynnikami Tafela wyznaczanymi z wykresu krzywej polaryzacji uzyskanej w badaniach stałoprądowych LPR. Zmienność w czasie wyżej wymienionych parametrów przedstawiono na rys. 4, na którym umieszczono także wartości potencjału korozyjnego E kor mierzonego względem elektrody chlorosrebrowej oraz rozkłady wartości oporu przeniesienia ładunku R t wyznaczonego w pomiarach EIS metodą iteracyjnego dopasowania według schematu zastępczego z rys. 3b. Zasadniczo wielkość R t reprezentująca kinetykę korozji różni się od oporu polaryzacji R p, aczkolwiek przy pewnych założeniach upraszczających można obie wielkości przyrównać [5] i wprowadzić do zależności (2). W każdym elemencie próbnym gęstość prądu korozyjnego wykazywała tendencję do zmniejszania wartości w czasie, z jed- Badania korozyjne zbrojenia realizowano przez okres trzech miesięcy w odstępach tygodniowych, wykonując w pierwszej kolejności pomiary metodą spektroskopii impedancyjnej (EIS), a następnie metodą pomiaru oporu polaryzacji (LPR) za pomocą potencjostatu Gamry Reference 600. Przed każdym badaniem korozyjnym wykonywano pomiar wilgotności i temperatury betonu w pobliżu pręta zbrojeniowego. Rys. 2. Układ pomiarowy stosowany w badaniach korozyjnych opis w tekście Fig. 2. The measuring system used in corrosion tests the description in the text Ochrona przed Korozją, vol. 55, nr 6 283

Rys. 3. Przykładowe wyniki badań polaryzacyjnych zbrojenia w próbce nr 2: a) wykres Nyquista (EIS), b) elektryczny schemat zastępczy, c) krzywa polaryzacji (LPR) Fig. 3. Exemplary results of polarizationtestsof the reinforcementof the sample No. 2: a) Nyquist plot (EIS),b) electricalequivalentcircuit, c) polarization curve (LPR) Rys. 4. Wartości parametrów elektrochemicznych uzyskanych w cyklicznych badaniach szybkości korozji zbrojenia trzech elementów próbnych opis w tekście Fig. 4. Values of electrochemicalparameters obtained in the cyclic tests of the reinforcement corrosion rate of three specimens the description in the text noczesnym wzrostem wartości potencjału korozyjnego (rys. 4). Ta tendencja ma także swoje odzwierciedlenie na rys. 3c, gdzie jest widoczne sukcesywne przesuwanie krzywych polaryzacji w stronę wyższych potencjałów i mniejszych gęstości prądu wraz z upływem czasu badań. Względna zmiana wartości i kor w całym okresie badań wyniosła od 50% (próbka nr 1) do 71% (próbka nr 3). Próbując określić funkcyjną zależność gęstości prądu korozyjnego od czasu najlepsze dopasowanie trendu uzyskano przy zastosowaniu funkcji wykładniczej. Jednak w każdym elemencie próbnym w równaniach funkcji trendu współczynniki przy liczbie e oraz w wykładniku przy zmiennej t są różne, gdyż zróżnicowane były szybkości zmian i początkowe wartości gęstości prądu korozyjnego. Istotny wpływ na charakterystykę zmienności gęstości prądu korozyjnego miał opór polaryzacji R p określany w pomiarach LPR oraz opór przeniesienia ładunku R t przez granicę faz metal ciecz porowa betonu wyznaczony w pomiarach EIS. W analizowanych badaniach (rys. 4) parametry R t i R p wyznaczone w kolejnych cyklach pomiarowych wykazywały zgodne tendencje wzrostowe w funkcji czasu, co implikuje spadkiem intensywności procesów korozyjnych na zbrojeniu w betonie. Względne zmiany powyższych parametrów były pra- wie identyczne i mieściły się przedziale od 47% (próbka nr 1) do 75% (próbka nr 3). Kolejnymi parametrami wpływającymi na wartości gęstości prądu były współczynniki Tafela. Niska wartość współczynnika b k we wszystkich elementach próbnych (w przedziale między 22 a 47 mv/dek.) sugeruje brak utrudnień w przebiegu reakcji depolaryzacji tlenowej, a stosunkowo mała zmienność tego parametru w czasie może świadczyć o swobodnym dostępie tlenu i wody do powierzchni pręta zbrojeniowego przez cały okres badań. Natomiast zdecydowanie większa wartość współczynnika b a przy stosunkowo małej jego zmienności (w porównaniu do wartości R p i R t ) przemawia za 284 Ochrona przed Korozją, vol. 55, nr 6

kontrolą procesu korozji zbrojenia reakcją roztwarzania żelaza. Prawdopodobnie produkty korozji powstałe w procesie korozji lub tylko częściowo uszkodzona warstwa pasywna na powierzchni metalu utrudniały swobodny przebieg tej reakcji elektrodowej. 4. Podsumowanie Wykonane badania monitorujące przebieg procesu korozji zbrojenia w początkowym jego stadium przy stabilnych warunkach termiczno-wilgotnościowych wskazują na wykładniczy spadek w czasie szybkości korozji. Stosunkowo mała zmienność współczynników Tafela może sugerować, że reakcje elektrodowe przez cały okres badań miały jednakowe warunki do przebiegu na powierzchni stali. Natomiast sukcesywnie zwiększające się wartości oporów R p i R t wraz z bezwzględnie dużą wartością współczynnika b a pozwalają przypuszczać, że spadek szybkości korozji w czasie jest związany ze stopniowym ograniczeniem powierzchni czynnej metalu. Proces ten zachodzi wskutek gromadzenia się produktów korozji wraz z nieznacznym odbudowywaniem się warstewki pasywnej na pręcie, przy braku dopływu kolejnych jonów chlorkowych. LITERATURA 1. C. Andrade, C. Alonso, J. Sarria: Corrosion rate evolution in concrete structures exposed to the atmosphere, Cement & Concrete Composites 24, 2002, pp. 55-64. 2. T. Liu, R.W. Weyers: Modelling the dynamic corrosion process in chloride contaminated concrete structures, Cement and Concrete Research Vol. 28, No. 3, 1998, pp. 365-379. 3. M.A. Sanjuan: Effect of curing temperature on corrosion of steel bars embedded in calcium aluminate mortars exposed to chloride solution, Corrosion Science 41, 1999, pp. 335-350. 4. J. Kubicki, A. Zybura: Wpływ korozji stali zbrojeniowej na trwałość konstrukcji żelbetowych, Ochrona przed Korozją 6/1998, s. 154-161. 5. A. Sadkowski, J. Flis: Zastosowanie pomiarów impedancyjnych w badaniach korozyjnych, Ochrona przed Korozją 8/1980, s. 210-217. Pracę wykonano w ramach projektu badawczego POIG.01.01.02-10-106/09-03 Innowacyjne środki i efektywne metody poprawy bezpieczeństwa i trwałości obiektów budowlanych i infrastruktury transportowej w strategii zrównoważonego rozwoju. Informacje o Autorach: Dr inż. Tomasz Jaśniok, dr inż. Mariusz Jaśniok adiunkci w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej; specjalizują się w zagadnieniach zaawansowanej diagnostyki korozyjnej konstrukcji żelbetowych. e-mail:tomasz.jasniok@polsl.pl e-mail: mariusz.jasniok@polsl.pl Wynalazki 2011, nr 18 (983) Sposób modyfikacji żeliwa chromowego Twórcy: Kopyciński Dariusz, Guzik Edward Firma: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków Zgłoszenie 390524, s. 16 2011, nr 19 (984) Sposób otrzymywania wodnej dyspersji z modyfikowanego plastizolu poli(chlorku winylu) i powłok ochronnych utwardzanych i żelowanych w podwyższonej temperaturze Twórcy: Makarewicz Edwin Firma: Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy Zgłoszenie 390580, s. 14-15 Proces technologiczny izolowania zewnętrznego rur stalowych Twórcy: Mrzygłód Władysław, Bernd Gabriela, Bagiński Marek Firma: IZOSTAL SA, Zawadzkie Zgłoszenie 390659, s. 24 2011, nr 20 (985) Sposób wytwarzania wyrobów metalowych o wysokich własnościach mechanicznych Twórcy: Korbel Andrzej, Bochniak Włodzimierz, Pieła Krzysztof Firma: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków Zgłoszenie 390785, s. 9 Sposób modyfikacji elektroizolacyjnego lakieru nasycającego poliestroimidowego w celu zwiększenia odporności na wyładowania niezupełne Twórcy: Górnicka Barbara, Czołowska Barbara, Górecki Lech Firma: Instytut Elektrotechniki, Warszawa Zgłoszenie 390759, s. 14 Sposób otrzymywania tlenku cynku o wysokim stopniu zdyspergowania z układów emulsyjnych Twórcy: Kołodziejczak-Radzimska Agnieszka, Jesionowski Teofil Firma: Politechnika Poznańska, Poznań Zgłoszenie 390792, s. 15-16 Mikrokapsułki polimerowe zawierające związki fosforowe, sposób ich otrzymywania i ich zastosowanie jako środków ograniczających palność polistyrenu suspensyjnego Twórcy: Jankowski Piotr, Legocka Izabella, Kijowska Dorota, Górecka Ewa Firma: Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego, Warszawa Zgłoszenie 390750, s. 18 Wodny roztwór do bezprądowego wytwarzania ochronnych, bezchromowych powłok fosforanowych na magnezie i jego stopach Twórcy: Przywóski Andrzej, Babul Tomasz, Nakonieczny Aleksander Firma: Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa Zgłoszenie 390767, s. 19 2011, nr 21 (986) Sposób przygotowania odlewu do obróbki z minimalizacją naddatków Twórcy: Gessner Andrzej Firma: Politechnika Poznańska, Poznań Zgłoszenie 390852, s. 12 Sposób wytwarzania powłok kompozytowych na aluminium i jego stopach Twórcy: Wistuba Henryk, Służałek Grzegorz Firma: Uniwersytet Śląski w Katowicach, Katowice Zgłoszenie 390877, s. 27 Sposób wytwarzania powłok kompozytowych na aluminium i jego stopach Twórcy: Służałek Grzegorz, Wistuba Henryk Firma: Uniwersytet Śląski w Katowicach, Katowice Zgłoszenie 390876, s. 27 Sposób modyfikacji wodnych jonometrycznych dyspersji poliuretanowych Twórcy: Kozakiewicz Janusz, Grott Alicja, Ofat Izabela, Osawaru Osazuwa Firma: Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego, Warszawa Zgłoszenie 390867, s. 25 Sposób ochrony przed korozją zbiorników stalowych oraz zbiornik stalowy chroniony antykorozyjnie Twórcy: Topol Jan, CZ Firma: TO- POL Jan, Prague, CZ Zgłoszenie 394465, s. 36 Sposób badania i/lub monitorowania procesów destrukcyjnych w konstrukcjach stalowych poddanych obciążeniom Twórcy: Gołaski Leszek, Goszczyńska Barbara, Świt Grzegorz, Trąmpczyński Wiesław Firma: Politechnika Świętokrzyska, Kielce Zgłoszenie 394641, s. 41 2011, nr 22 (987) Stal pancerna na blachy o wysokiej ciągliwości i sposób utwardzania blach Twórcy: Likus Wincenty, Jungiewicz Joanna, Szczęch Stanisław Firma: HSW Huta Stali Jakościowych SA, Stalowa Wola Zgłoszenie 391366, s. 15 Sposób polepszenia żaroodporności wysokochromowych stopów żelaza Twórcy: Gil Aleksander, Wyrwa Jan, Rękas Mieczysław Firma: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków Zgłoszenie 391047, s. 16 2011, nr 23 (988) Sposób wytwarzania octanu etylu Twórcy: Klimkiewicz Roman, Trawczyński Janusz Firma: Politechnika Wrocławska, Wrocław Zgłoszenie 393736, s. 14 Sposób wytwarzania materiału elastomerowego o ograniczonej palności i samowygaszającego się podczas spalania w powietrzu Twórcy: Janowska Grażyna, Rybiński Przemysław, Kucharska Jastrząbek Agnieszka Firma: Politechnika Łódzka, Łódź Zgłoszenie 391147, s. 21 Sposób wytwarzania nanonapełniacza zmniejszającego palność polimerów Twórcy: Zielecka Maria, Bujnowska Elżbieta, Jeziórska Regina, Cyruchin Krystyna, Pytel Anna, Wenda Magdalena Firma: Instytut Chemii Przemysłowej im. prof. Ignacego Mościckiego, Warszawa Zgłoszenie 391081, s. 21 Sposób polepszenia żaroodporności stali wysokochromowej Twórcy: Gil Aleksander, Wyrwa Jan, Dąbek Jarosław, Rękas Mieczysław Firma: Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Kraków Zgłoszenie 391128, s. 22 Ochrona przed Korozją, vol. 55, nr 6 285

ocliinona WYDA ped korozją WNICTW SIGMA-NOT 55. rok yiy6awania c7píd ujiownictwo Przemysłowe me Prace-specjalistyz 1 ;taka L _ beton _ zabezpieczenie. 1. antykorozyjne 1YD bedil I UtflUIIU lekkie obudowy oboty żelbetowe powłoki ogniooch olacje?iniekcje ę Losiadamy cert :2000 y ka 42 - remat wydania: Trwalość budowli