Protokół doświadczalny do oznaczania wartości progowej chlorków dla korozji w próbkach pobranych z konstrukcji żelbetowych

Summary

Proponujemy metodę pomiaru parametru, który jest bardzo istotny dla oceny korozji lub przewidywania konstrukcji żelbetowych, z główną zaletą pozwalającą na testowanie próbek z konstrukcji inżynierskich. Zapewnia to rzeczywiste warunki na styku stali i betonu, które są kluczowe dla uniknięcia artefaktów próbek wytworzonych w laboratorium.

Abstract

Starzenie się infrastruktury żelbetowej w krajach rozwiniętych narzuca pilną potrzebę metod wiarygodnej oceny stanu tych konstrukcji. Korozja osadzonej stali zbrojeniowej jest najczęstszą przyczyną degradacji. Chociaż powszechnie wiadomo, że odporność konstrukcji na korozję zależy w dużym stopniu od takich czynników, jak użyte materiały lub wiek, powszechną praktyką jest poleganie na wartościach progowych określonych w normach lub podręcznikach. Te wartości progowe inicjacji korozji (C_crit) są niezależne od rzeczywistych właściwości danej konstrukcji, co wyraźnie ogranicza dokładność ocen stanu i prognoz żywotności. Praktyka stosowania wartości tabelarycznych może wynikać z braku wiarygodnych metod określania krytycznego współczynnika C na miejscu i w laboratorium.

Tutaj przedstawiono eksperymentalny protokół do określania wartości C_crit dla poszczególnych konstrukcji inżynierskich lub elementów konstrukcyjnych. Z konstrukcji pobiera się szereg próbek żelbetowych i przeprowadza się laboratoryjne badania korozyjne. Główną zaletą tej metody jest to, że zapewnia ona rzeczywiste warunki dotyczące parametrów, o których wiadomo, że mają duży wpływ na C_crit, takich jak granica faz stal-, której nie można reprezentatywnie naśladować w próbkach wytworzonych laboratoryjnie. Jednocześnie przyspieszony test korozyjny w laboratorium pozwala na wiarygodne określenie C_crit przed inicjacją korozji na badanej konstrukcji; Jest to główna zaleta w porównaniu ze wszystkimi powszechnie stosowanymi metodami oceny stanu, które pozwalają na oszacowanie warunków korozji dopiero po jej zainicjowaniu, tj. gdy konstrukcja jest już uszkodzona.

Protokół podaje statystyczny rozkład krytycznego C dla badanej struktury. Służy to jako podstawa dla probabilistycznych modeli predykcyjnych dla pozostałego czasu do korozji, który jest potrzebny do planowania konserwacji. Metoda ta może być potencjalnie stosowana w testach materiałowych infrastruktury lądowej, podobnie jak uznane metody stosowane w badaniach mechanicznych.

Introduction

Korozja stali w, wywołana przenikaniem chlorków przez, jest najczęstszą przyczyną przedwczesnej degradacji konstrukcji z betonu zbrojonego i sprężonego, a tym samym stanowi jedno z najważniejszych wyzwań w inżynierii lądowej^1,2,3,4. Kraje uprzemysłowione zazwyczaj mają duży zapas starzejącej się infrastruktury, zbudowanej w drugiej połowie ubiegłego wieku, a więc z kilkudziesięcioletnią historią narażenia na klimat morski lub sole odladzające stosowane na drogach. Możliwość wiarygodnej oceny stanu tych konstrukcji, tj. ryzyka korozji, stanowi podstawę do planowania prac konserwacyjnych i ogólnie do zarządzania infrastrukturą.

Sprawdzone podejście w inżynierii do zarządzania korozją stali w wywołaną chlorkami opiera się na wartości progowej chlorków (określanej również jako krytyczna zawartość chlorków, C_crit)^1,5,6. Zgodnie z tą koncepcją uważa się, że inicjacja korozji następuje, gdy tylko stężenie chlorków w na powierzchni stali przekroczy próg _Ccrit. W związku z tym ocena stanu istniejących konstrukcji i oszacowanie pozostałego okresu użytkowania zazwyczaj opierają się na określeniu zawartości chlorków na różnych głębokościach w, w szczególności na głębokości osadzonej stali zbrojeniowej. Istnieje wiele wiarygodnych i znormalizowanych metod pomiaru stężenia chlorków w próbkach betonu^7,8. Porównanie wyników z C_crit stanowi podstawę do oceny ryzyka korozji oraz planowania rodzaju i zakresu działań naprawczych. Takie podejście wymaga jednak znajomości C_crit.

Różne międzynarodowe standardy i zalecenia, a także podręczniki, określają wartości dla C_crit^1,3,9,10,11. Są to zazwyczaj około 0,4% chlorku w masie cementu, na podstawie długotrwałego doświadczenia lub wczesnych badań^12,13. Wiadomo jednak, że rzeczywista odporność na trafienia C określonej konstrukcji lub elementu konstrukcyjnego jest silnie uzależniona od użytych materiałów, wieku konstrukcji oraz historii ekspozycji i warunków^1,5. W związku z tym ogólnie przyjmuje się, że doświadczenia z jednej struktury powinny być stosowane tylko do innych struktur z ostrożnością.

Pomimo tego, powszechną praktyką inżynierską jest używanie tabelarycznych wartości _krytycznych C, niezależnie od rzeczywistej struktury. Można to wytłumaczyć ogromnym rozproszeniem _{C crit} w literaturze i brakiem wiarygodnych metod do określania _{C crit} na miejscu i w laboratorium⁵. Podejście polegające na stosowaniu tabelarycznych wartości progowych w ocenach trwałości jest przeciwieństwem rozważań konstrukcyjnych w ocenach stanu starzejących się konstrukcji. W tym drugim przypadku istnieje szereg znormalizowanych metod badawczych w celu określenia właściwości mechanicznych, takich jak wytrzymałość materiałów w konstrukcji (, stal zbrojeniowa), które można wykorzystać w obliczeniach zachowania konstrukcyjnego.

W tej pracy przedstawiono eksperymentalny protokół określania C_crit na próbkach pobranych z konstrukcji inżynierskich. Podejście to opiera się na wierceniu rdzeni żelbetowych w częściach konstrukcji, w których korozja jeszcze się nie rozpoczęła. Próbki te są przekazywane do laboratorium, gdzie poddawane są przyspieszonemu testowi korozji w celu zbadania warunków inicjacji korozji. Główną zaletą proponowanej metody jest to, że próbki pochodzą ze struktur, a zatem wykazują rzeczywiste warunki dotyczące szeregu parametrów, o których wiadomo, że mają duży wpływ na C_crit i których nie można reprezentatywnie naśladować w próbkach wyprodukowanych w laboratorium. Obejmuje to rodzaj i wiek betonu (młody laboratoryjny kontra dojrzały produkowany na miejscu), rodzaj i stan powierzchni stali zbrojeniowej użytej w momencie budowy oraz ogólne właściwości interfejsu stal-stal-class<="xref">14. W połączeniu z dokładnością laboratoryjnych metod pomiarowych, podejście to pozwala na wiarygodne określenie C_crit dla określonych konstrukcji lub elementów konstrukcyjnych.

Zastosowanie sugerowanego protokołu w praktyce inżynierskiej - w porównaniu z powszechną praktyką używania stałej wartości dla C_crit - zwiększy dokładność oceny warunków i moc predykcyjną modeli do analizy pozostałego okresu użytkowania. Spodziewany znaczny wzrost liczby prac naprawczych zbudowanej przez nas infrastruktury w nadchodzących dziesięcioleciach¹⁵ stwarza pilną potrzebę takiego ulepszenia w inżynierii korodującej infrastruktury.

Protocol

1. Pobieranie próbek na strukturze inżynierskiej

1. Wybierz obszary testowe w konstrukcji, biorąc pod uwagę poniższą uwagę.
   UWAGA: Obszar testowy to obszar, z którego zostanie pobranych kilka próbek. Obszar testowy powinien znajdować się w obrębie jednego elementu konstrukcyjnego (przypuszczalnie z jednej partii betonu) i wykazywać jednorodne narażenie na działanie środowiska (na przykład unikać znacznych różnic w wysokości pobierania próbek w kolumnach lub ścianach). W ten sposób w ramach jednej struktury inżynierskiej można wybrać kilka obszarów testowych. Dodatkowym wymogiem jest to, że obszar testowy musi być wolny od uszkodzeń spowodowanych korozją. Można to zweryfikować na podstawie wyników ustalonych metod kontroli, w tym badań nieniszczących, takich jak mapowanie potencjałów^16,17,18. Należy pamiętać, że przenikanie chlorków mogło już nastąpić w rozważanym elemencie konstrukcyjnym. Nie ma to wpływu na ważność opisanej tutaj metody badawczej, ale może mieć wpływ na czas potrzebny na przeprowadzenie badania korozyjnego w laboratorium.
2. W każdym obszarze testowym na konstrukcji wybierz miejsca pobierania próbek (lokalizacje pobierania próbek). Wybierz miejsca pobierania próbek, które są wolne od plastrów miodu, pęknięć, odprysków lub innych oznak lokalnie niskiej jakości pokrycia lub jego pogorszenia.
   1. Zlokalizuj stalowe pręty zbrojeniowe w za pomocą nieniszczącego, ręcznego urządzenia skanującego, powszechnie znanego jako "wykrywacz stali zbrojeniowej"¹⁹. Przesunąć detektor stali zarówno w kierunku poziomym, jak i pionowym po powierzchni betonu w obszarze badania i zaznaczyć (kredą) każdy pręt zbrojeniowy tymczasowo na powierzchni betonu (kształt siatki).
   2. Wybrać miejsca do wiercenia rdzeniowego rdzeni o średnicy co najmniej 150 mm; Zaznacz je i oznacz na powierzchni betonu (za pomocą kredy). Należy unikać pobierania próbek przecięć prętów zbrojeniowych w rdzeniu. Wybierz lokalizacje w taki sposób, aby stalowy pręt zbrojeniowy był jak najbardziej centralnie umieszczony w rdzeniu.
      UWAGA: Upewnij się, że wybrałeś te pręty stalowe, które są interesujące dla oceny konstrukcji (zwykle warstwa o najmniejszej głębokości otuliny); Szczególnie ważne jest rozróżnienie prętów zorientowanych pionowo i poziomo, ponieważ ma to wpływ na odporność na korozję²⁰.
   3. Aby uwzględnić zmienność nieodłącznie związaną z C_crit i móc dostarczyć dane statystyczne, wybierz co najmniej 5 (najlepiej 10) lokalizacji do pobierania próbek na obszarze testowym.
   4. Należy rozważyć implikacje strukturalne w odniesieniu do liczby i położenia rdzeni wywierconych z konstrukcji, aby uniknąć jakiegokolwiek krytycznego osłabienia konstrukcji spowodowanego pobieraniem próbek.
   5. Przed pobraniem próbek należy dokładnie udokumentować położenie wszystkich próbek w członie konstrukcyjnym (fotografie, szkice pokazujące odległości do krawędzi itp.)
      UWAGA: Może to również obejmować dokumentację parametrów mierzonych na miejscu w odpowiednich lokalizacjach, takich jak potencjały stali elektrochemicznej^16,17,18, pomiary głębokości pokrywy¹⁹ lub inne wyniki badań nieniszczących, takich jak rezystywność betonu.
3. Wywierć rdzenie betonowe (minimalna średnica 150 mm) zawierające segment ze stali zbrojeniowej zgodnie z powszechnie stosowanymi procedurami i normami²¹.
   1. Aby uniknąć uszkodzenia powierzchni styku stal-, wiercenie rdzeniowe należy wykonywać ostrożnie (wiercenie chłodzone wodą, ostre narzędzia wiertnicze itp.) Dostosuj głębokość wiercenia rdzeniowego w zależności od jakości betonu i głębokości pokrywy ze stali zbrojeniowej.
      UWAGA: Z reguły długość rdzenia powinna być co najmniej 2-3 razy większa od głębokości pokrywy. Zwykle pozwala to na wyłamanie rdzenia z konstrukcji bez uszkodzenia powierzchni styku stalowo-.
   2. Usuń ciekłą wodę z powierzchni rdzenia betonu. Wyraźnie oznacz rdzeń wodoodpornym markerem kredowym.
   3. Owiń rdzeń folią szczelną dyfuzyjnie, aby zachować warunki wilgotności podczas transportu do laboratorium.

2. Przygotowanie próbki w laboratorium

Uwaga: Zastosuj te kroki do każdej próbki (rdzenia) pobranej z konstrukcji, aby przygotować ją do laboratoryjnych testów korozyjnych. Służy to przyspieszeniu testu korozyjnego (zmniejszenie pokrywy), przy jednoczesnym zachowaniu warunków panujących w rdzeniu i zapewnieniu ochrony przed niepożądanymi skutkami końcowymi (np. korozją szczelinową).

1. Wyreguluj pokrywę zarówno z przodu, jak i z tyłu wierconego rdzenia.
   1. Zmniejszyć otulinę po stronie czołowej (która jest stroną pierwotnie odsłoniętą) za pomocą cięcia diamentowego chłodzonego wodą w celu uzyskania końcowej grubości otuliny próbki w zakresie 15 - 20 mm (Rysunek 1a - b).
   2. Upewnij się, że grubość otuliny jest jednolita po stronie, która ma być odsłonięta. Zmierz pokrywę na obu końcach stalowego pręta zbrojeniowego (tj. na bocznej powierzchni rdzenia) za pomocą suwmiarki. W razie potrzeby użyj narzędzi tnących lub polerskich, aby wyeliminować wszelkie różnice w grubości powłoki przekraczające 1 mm.
   3. Zmierz grubość betonu za stalą zbrojeniową za pomocą suwmiarki lub linijki na bocznej powierzchni rdzenia i upewnij się, że wynosi ~ 30 - 50 mm (Rysunek 1b). W razie potrzeby przyciąć rdzeń za pomocą cięcia diamentowego chłodzonego wodą.
      UWAGA: Po tej stronie nie jest wymagane polerowanie.
2. Ustanowić połączenie kablowe i zabezpieczyć końce prętów zbrojeniowych ze stali zbrojeniowej przed fałszywą inicjacją korozji podczas badania narażenia, postępując zgodnie z następującą procedurą: Rysunek 1c.
   1. Za pomocą wiertła rdzeniowego o średnicy wewnętrznej nieco większej (o 2 - 4 mm) niż średnica pręta zbrojeniowego należy usunąć bezpośrednio wokół stali na każdym końcu pręta na długości maksymalnie 10 mm. Zarysować resztki zaczynu cementowego przylegające do powierzchni stalowej za pomocą odpowiednich narzędzi (metalowa szpachelka, małe dłuto itp.)
   2. Wywierć mały otwór w jednym z końców stalowych prętów i za pomocą metalowej samogwintującej przymocuj końcówkę kablową (podłączoną do miedzianego) do stalowego pręta. Upewnij się, że końcówka kablowa jest mocno dociśnięta do stali zbrojeniowej.
      UWAGA: Średnica powinna być nieco większa (np. o 0,1 - 0,2 mm) niż średnica otworu wywierconego w stali, aby zagwarantować szczelne i solidne połączenie.
   3. Umieść gwint w stali zbrojeniowej i upewnij się, że nie wystaje on ze stalowej części zbrojeniowej w żadnym miejscu, ponieważ prawdopodobnie wpłynie to na pomiary elektrochemiczne i zachowanie korozyjne.
      UWAGA: Można to zapewnić za pomocą krótkich i zwracając uwagę na kierunek wiercenia otworu (równolegle do osi stali). Łatwiej jest wiercić równolegle do osi pręta stalowego, jeśli powierzchnia cięcia pręta stalowego jest prostopadła do osi pręta. Dlatego ważne jest, aby pręty zbrojeniowe były umieszczone centralnie w rdzeniu, w przeciwnym razie cięta powierzchnia czołowa stalowa nie jest prostopadła do osi pręta stalowego.
   4. Nie używaj, zgrzewania punktowego ani podobnych technik do tworzenia połączenia elektrycznego, ponieważ nagrzewanie może wpływać na stal lub interfejs stal-w sample.
   5. Wypełnij szczelinę utworzoną wokół obu końców prętów stalowych gęstą pastą cementową/zaprawą/zaprawą, ostrożnie wlewając gnojowicę do otworów. Pokryj również i końcówkę połączenia kablowego.
      1. W tym celu należy użyć produktu na bazie cementu modyfikowanego polimerami, aby zapewnić dobrą przyczepność i ochronę końcową.
         UWAGA: Istnieje szereg produktów komercyjnych sprzedawanych jako zaprawy naprawcze lub podobne (patrz Tabela materiałów). Ważne jest, aby produkt nie zawierał inhibitora korozji ani żadnych innych substancji wpływających na zachowanie elektrochemiczne stali.
      2. Upewnij się, że ta zaczyn cementowy/zaprawa/zaprawa cementowa jest prawidłowo nałożona i utwardzona, tj. zgodnie z instrukcjami dostawcy.
3. Nałożyć powłokę epoksydową, aby ograniczyć odsłoniętą powierzchnię.
   1. Przed nałożeniem powłoki należy odczekać, aż powierzchnia betonu wyschnie przez kilka dni w temperaturze pokojowej i klimacie wewnętrznym. Należy unikać agresywnego (np. w piecu) lub długiego (ponad 1 - 2 tygodnie) suszenia rdzenia, ponieważ może to zmienić mikrostrukturę betonu (pękanie), a tym samym wpłynąć na wyniki badań.
   2. Pokryj boczną powierzchnię rdzenia żywicą epoksydową. Pokryj również końce prętów zbrojeniowych ze stali zbrojeniowej i połączenie kablowe (śruba, końcówka kablowa itp.) (Rysunek 1c - D).
   3. Tą samą żywicą epoksydową pokryj również końcowe części odsłoniętej powierzchni betonu po stronie rdzenia, która wcześniej znajdowała się najbliżej powierzchni betonu konstrukcyjnego (Rysunek 1d). Pozostaw odsłoniętą (niepowlekaną) długość wzdłuż stalowego pręta po tej stronie 60 - 80 mm.
   4. Pozostaw górną powierzchnię niepokrytą (tj. stroną przeciwną do odsłoniętej, porównaj Rysunek 1d).
      UWAGA: Zastosowana żywica epoksydowa powinna nadawać się do aplikacji na (stabilna w warunkach alkalicznych, łatwa do rozprowadzania np. pędzlem itp.)
   5. Nałożyć powłokę tak, aby tworzyła szczelną dyfuzyjnie barierę przed późniejszym narażeniem na roztwór zawierający chlorki. Upewnij się, że grubość powłoki wynosi co najmniej 2 mm. Sprawdź, czy w powłoce nie są widoczne żadne pory i. W razie potrzeby nałóż kilka warstw żywicy.
   6. W tym miejscu można wstrzymać działanie protokołu; ponownie owinąć próbkę w folię szczelną dyfuzyjnie.

3. Test korozyjny

1. Przygotuj zestaw do wystawienia na działanie roztworu.
   1. Umieścić wszystkie próbki w zbiorniku, tak aby strona próbki miała grubość pokrywy 15 - 20 mm skierowaną w dół. Zamontuj próbki na małych przekładkach, aby umożliwić wystawienie roztworu na próbki od spodu (Rysunek 2).
   2. Należy wybrać zbiornik o wymiarach pozwalających na zachowanie odległości między próbkami betonu oraz między próbkami a ściankami zbiornika wynoszącej co najmniej 4 cm; wysokość zbiornika powinna mieścić się w przedziale 15 - 30 cm.
2. Przygotuj instrumentację do rejestrowania danych.
   1. Umieść elektrodę referencyjną w roztworze ekspozycyjnym ( Rysunek 2).
      UWAGA: W przypadku elektrody referencyjnej można użyć dowolnego rodzaju stabilnej elektrody referencyjnej nadającej się do zanurzenia w roztworze ekspozycyjnym (na przykład elektrody referencyjnej Ag/AgCl/KCl_sat). Mogą być konieczne specjalne środki w celu uniknięcia zanieczyszczenia roztworu ekspozycyjnego elektrolitem elektrody odniesienia i odwrotnie.
   2. Podłącz wszystkie próbki do automatycznego rejestratora danych, który może indywidualnie mierzyć potencjał prętów ze stali zbrojeniowej w porównaniu ze zwykłą elektrodą referencyjną (Rysunek 2). Użyj rejestratora danych o impedancji wejściowej wyższej niż 10⁷ Ohm.
   3. Ustaw interwał pomiarowy rejestratora danych na co najmniej 4 pomiary dziennie dla każdej próbki; preferencyjnie użyj interwału 1 godziny dla każdej próbki.
3. Rozpocznij ekspozycję na roztwór bezchlorkowy.
   Uwaga: Początek ekspozycji na roztwór odpowiada czasowi t₀ = t = 0 dla każdej próbki.
   1. Napełnij zbiornik wodą z kranu (pH w granicach 6,5 - 8,0, bez chlorków, jakość wody pitnej). Upewnij się, że poziom wody jest taki, że wszystkie dolne strony rdzenia próbki stykają się z roztworem, ale nie są całkowicie zanurzone (tj. górna powierzchnia próbki znajduje się powyżej poziomu wody). Utrzymuj kontakt między elektrodą odniesienia a roztworem ekspozycyjnym ( Rysunek 2).
   2. Natychmiast rozpocznij rejestrację danych, tj. pomiar potencjałów wszystkich próbek w stosunku do elektrody referencyjnej.
   3. Monitoruj potencjały przez ponad 1 - 2 tygodnie i weź pod uwagę, że oczekuje się, że potencjały osiągną stabilne wartości, w zakresie wskazującym na pasywność stali.
      UWAGA: Zazwyczaj jest to około -100 do +200 mV w porównaniu z Ag/AgCl/KCl_sat¹.
   4. W niektórych przypadkach próbki przyjmują potencjały wyraźnie bardziej ujemne niż -100; należy natychmiast zbadać próbki bardziej szczegółowo (patrz sekcja 5). Wykonaj ten krok również wtedy, gdy potencjał zmienia się znacznie podczas ekspozycji na roztwór bezchlorkowy.
4. Rozpocznij ekspozycję na chlorki.
   1. Po 1 - 2 tygodniach w roztworze bezchlorkowym zastąp roztwór ekspozycyjny przygotowanym roztworem 3,5% NaCl wagowo. Użyj wody dejonizowanej do przygotowania tego roztworu chlorku. Użyć objętości roztworu chlorku równej początkowemu roztworowi bezchlorkowemu (ta sama głębokość zanurzenia). Zamknąć zbiornik ekspozycyjny pokrywką (zalecane), aby ograniczyć parowanie roztworu i związane z tym zmiany stężenia chlorków.
   2. Podczas narażenia na chlorki należy regularnie (co najmniej raz na 2 tygodnie) sprawdzać poziom wody w odniesieniu do próbek. W razie potrzeby dodaj wodę dejonizowaną. Ogranicz odnawianie całego roztworu ekspozycyjnego do minimum, ponieważ sprzyja to wypłukiwaniu betonu.
   3. Kontynuować monitorowanie potencjałów próbek i regularnie (dwa razy w tygodniu) sprawdzać stan korozji każdej próbki, oceniając zarejestrowane zmiany potencjałów każdej próbki w czasie i biorąc pod uwagę kryterium inicjacji korozji określone w ppkt 3.5.
   4. Po 60 dniach zwiększyć stężenie NaCl w roztworze do 7% wagowo. Po 120 dniach zwiększyć stężenie NaCl w roztworze do 10% wagowo. Następnie utrzymuj stężenie chlorków na tym poziomie.
5. Oceń monitorowane potencjały w czasie, aby wykryć inicjację korozji.
   Uwaga: Podczas ekspozycji próbki zazwyczaj wykazują stosunkowo stabilny potencjał w zakresie około +/- 30 mV od początkowych wartości ekspozycji na wodę wolną od chlorków. Ten potencjalny zakres będzie tutaj określany jako "poziom pasywny" (Rysunek 3). Może być różny dla każdej pojedynczej próbki.
   1. Oceniając zarejestrowany potencjał stali podczas ekspozycji, należy zastosować następujące kryterium inicjacji korozji w celu sprawdzenia stanu korozji każdej próbki. Następujące dwa warunki muszą być spełnione dla zainicjowania korozji (Rysunek 3):
      1. Sprawdź, czy potencjał zmniejsza się o więcej niż 150 mV od poziomu pasywnego w okresie 5 dni lub krótszym.
      2. W ciągu kolejnych 10 dni sprawdź, czy potencjał pozostaje stabilny na osiągniętym poziomie ujemnym, czy dalej spada, czy odzyskuje maksymalnie 50 mV.
         UWAGA: Więcej informacji na temat tego kryterium wykrywania inicjacji korozji można znaleźć w Dyskusji.
   2. Gdy to kryterium inicjacji korozji zostanie spełnione, należy natychmiast usunąć próbkę z roztworu ekspozycyjnego i postępować zgodnie z opisem w sekcji 4. Udokumentuj czas do zainicjowania korozji (t_ini) tej próbki (Rysunek 3). Kontynuować badanie narażenia z pozostałymi próbkami.
   3. Jeżeli spadek potencjału w stosunku do poziomu pasywnego jest mniejszy niż 150 mV, należy uważnie obserwować próbkę w nadchodzącym czasie ekspozycji. Jeśli potencjał dalej spada i osiąga stabilny poziom, należy to uznać za zmianę stanu korozji.
      1. Zwróć szczególną uwagę na takie próbki, sprawdzając stan korozji za pomocą alternatywnych pomiarów (np. pomiar rezystancji polaryzacji liniowej²²) lub ostatecznie analizując je zgodnie z opisem w sekcji 4. Jeżeli nie można jednoznacznie określić czasu rozpoczęcia korozji, należy odrzucić próbkę.
   4. Jeśli spadek potencjału jest wyraźny (przekraczający 150 mV w ciągu kilku dni), ale następuje wzrost potencjału w ciągu następnych dni w kierunku początkowego poziomu pasywnego (Rysunek 3), należy pozostawić próbkę w roztworze ekspozycyjnym do dalszego monitorowania.
   5. Należy zwrócić szczególną uwagę na sytuacje, w których wszystkie potencjały próbek wystawionych w tym samym zbiorniku ekspozycyjnym ulegają jednoczesnym zmianom potencjału. W takim przypadku należy natychmiast sprawdzić elektrodę odniesienia i w razie potrzeby zamocować ją lub wymienić na nową.
      UWAGA: Wymiana roztworu lub zwiększenie stężenia chlorków zazwyczaj prowadzi do przesunięć potencjału. Może to być związane z ustaleniem różnych potencjałów dyfuzji na obu złączach roztworu ekspozycyjnego/elektrody referencyjnej lub roztworu ekspozycyjnego/próbki betonu²³. Zmiany te w podobny sposób wpływają na wszystkie próbki wystawione w tym samym zbiorniku. Nie wskazują one na zmiany stanu korozji.
      UWAGA: Jeśli elektroda referencyjna jest niestabilna lub przecieka do roztworu, będzie wykazywać dryft. W związku z tym wszystkie monitorowane potencjały stali będą wykazywać ten sam trend w czasie. Nie wskazuje to na zmiany stanu korozji.

4. Analiza próbki po rozpoczęciu korozji

1. Podziel próbkę, aby usunąć stalowy pręt.
   1. Po pobraniu próbki z roztworu ekspozycyjnego, należy podzielić (jak w kroku 4.1.2) rdzeń betonowy w celu dalszych analiz i oględzin powierzchni stalowej i betonu na styku stal-
   .
   2. Przetnij betonowy rdzeń od jego tylnej strony (tej, która nie jest wystawiona na działanie roztworu) za pomocą chłodzonego wodą diamentowego ostrza tnącego (Rysunek 4). Upewnij się, że sekcja jest prostopadła do tylnej powierzchni i wyrównana równolegle do stalowego pręta zbrojeniowego. Aby uniknąć uszkodzenia pręta stalowego, należy upewnić się, że głębokość cięcia jest mniejsza (o około 10 mm) niż grubość otuliny po tej stronie.
   3. Włóż dłuto lub podobne narzędzie i podziel betonowy rdzeń na dwie połowy; spowoduje to podzielenie betonu wokół stalowego pręta.
   4. Delikatnie wyjmij stalowy pręt zbrojeniowy z betonu; w ten sposób dwie połówki próbki betonu pozostaną odciskami pręta stalowego (Rysunek 5a).
2. Przyjrzyj się wizualnie interfejsowi stalowo-betonowemu.
   1. Natychmiast udokumentuj (zdjęcia, rysunki itp.) wizualny wygląd styku stal-, badając zarówno powierzchnię stalową, jak i odciski prętów stalowych w. Zwróć uwagę na następujące kwestie.
   2. Udokumentuj lokalizację i morfologię korozji.
      UWAGA: Miejsce (miejsca) inicjacji korozji można zwykle łatwo zidentyfikować po wytrąconych produktach korozji (Rysunek 5a). Zaznacz liczbę i położenie tych miejsc. Interesujący jest również kolor produktów korozji. Zazwyczaj po rozłupaniu są ciemne/czarne/zielonkawe. Pod wpływem powietrza stają się brązowo-czerwone.
   3. Sprawdzić próbkę pod kątem fałszywej inicjacji korozji, tj. korozji, która rozpoczęła się na końcach pręta stalowego lub w ich pobliżu. W takim przypadku należy odrzucić próbkę i zauważyć, że nie można określić _{wartości krytycznej} C.
      UWAGA: Korozja, która rozpoczyna się podczas badania na końcach prętów stalowych lub w ich pobliżu, tj. w odległości 15 mm od końców prętów stalowych, jest uważana za fałszywą inicjację korozji. Może to być spowodowane szczelinami, niewystarczającymi zabezpieczeniami końcówek prętów stalowych (np. słabym wypełnieniem fugą lub porowatą powłoką epoksydową) lub tym, że metalowa śruba do połączenia kablowego wystaje z pręta stalowego (sekcje 2.2 i 2.3).
   4. Udokumentuj puste przestrzenie lub pory w. Zwróć uwagę, czy lokalizacja pustek lub porów pokrywa się z lokalizacją (miejscami) inicjacji korozji.
   5. Należy udokumentować wszelkie charakterystyczne cechy, takie jak pęknięcia, plastry miodu, grube kruszywa, ciała obce, druty łączące, przekładki itp., w oraz ich położenie w odniesieniu do miejsca (miejsc) inicjacji korozji.
3. Zmierz głębokość nasycania dwutlenkiem węgla.
   1. Natychmiast po dokumentacji spryskaj rozłupane powierzchnie betonowe roztworem fenoloftaleiny i określ głębokość karbonatyzacji²⁴.
      UWAGA: Kluczowe jest, aby zwrócić uwagę, czy głębokość karbonatyzacji sięgała powierzchni stali, a jeśli nie, jaka jest odległość głębokości karbonatyzacji od pręta stalowego. Informacja ta musi zostać zgłoszona wraz z wynikami.
4. Wykonaj analizy chlorków i określ C _crit .
   1. Na obu połówkach rdzenia usuń części, które były pokryte żywicą epoksydową za pomocą cięcia diamentowego chłodzonego wodą (Rysunek 6a).
   2. Z otrzymanych pryzmatów usunąć w strefie osłonowej za pomocą chłodzonego wodą diamentu tnącego do 2 mm do pręta stalowego (Rysunek 6b). Wysuszyć w temperaturze 105 °C przez noc.
   3. Następnie zmielić i zebrać proszek do szlifowania; grubość tego etapu szlifowania wynosi 4 mm (Rysunek 6c). W ten sposób uzyskuje się, z każdej połowy rdzenia, próbkę proszku na głębokości pręta stalowego +/- 2 mm.
   4. Otrzymane próbki proszku wysuszyć w temperaturze 105 °C do stałej masy. Przeanalizuj stężenie chlorków rozpuszczalnych w kwasach w wysuszonym proszku zgodnie z normami^7,8. Oblicz średnią z dwóch wartości.
      UWAGA: Wynikiem jest zawartość chlorków w procentach wagowych betonu.
   5. Jeśli można określić zawartość cementu w w konkretnej próbce używanej do analizy chlorków (np. za pomocą odpowiednich metod^25,26,27), przelicz zawartość chlorków na procent wagowy cementu.
   6. Należy udokumentować wynik analizy chlorków, który jest krytyczną zawartością chlorków C_crit dla konkretnej próbki. Upewnij się, że wskazałeś, czy wartość jest wyrażona w procentach wagowych betonu, czy w masie cementu.
5. Należy udokumentować wyniki w postaci raportu z badań dla każdej próbki.
   1. Należy przedstawić wszystkie udokumentowane skutki kontroli wzrokowej (ppkt 4.2) wraz z wynikami badań (zarejestrowane potencjały w czasie, czas do rozpoczęcia korozji, głębokość karbonatyzacji i C_crit).

5. Postępowanie w sytuacjach specjalnych

1. W przypadku zaobserwowania ujemnych potencjałów przed ekspozycją na chlorki, tj. jeżeli potencjał stali staje się wyraźnie ujemny podczas początkowego narażenia na roztwór wolny od chlorków (sekcja 3.3), należy zwrócić szczególną uwagę na następujące kwestie.
   1. Rozważmy zdarzenie fałszywej inicjacji korozji.
      Sprawdzić, czy doszło do
      1. fałszywej inicjacji korozji, usuwając końcówki prętów stalowych, przecinając z próbki na każdym końcu pręta stalowego (cięcie diamentowe chłodzone wodą). Usunąć do ~ 20 mm betonu z każdej strony.
      2. Ponownie zmierz potencjał stali, umieszczając elektrodę odniesienia za pomocą zwilżonej gąbki na odsłoniętej powierzchni betonu i stykając się elektrycznie z przeciętą powierzchnią pręta stalowego.
      3. Jeżeli potencjał jest nadal stosunkowo ujemny, należy odrzucić próbkę.
      4. Jeśli potencjał mieści się w zakresie poziomów pasywnych innych próbek z tej samej serii, rozważ ponowne użycie próbki do wyznaczenia C_krytycznego. W takim przypadku przejdź do kroku 2.2 protokołu. Przedstawiając wyniki, należy wskazać, że ta próbka była mniejsza (krótsza odsłonięta długość pręta stalowego) niż pozostałe.
   2. Jeśli można wykluczyć fałszywą inicjację korozji, należy sprawdzić, czy na głębokości stali był już nasycony dwutlenkiem węgla i rozważyć określenie stężenia chlorków na głębokości stali. Jeżeli nasycenie dwutlenkiem węgla lub bardzo wysokie stężenie chlorków wyjaśnia rozpoczęcie korozji po zwilżeniu, należy to udokumentować w sprawozdaniu z badania i pamiętać, że w tym przypadku nie można określić zawartości C_krytycznej.
      UWAGA: Może się to zdarzyć, jeśli na głębokości stali był już nasycony dwutlenkiem węgla i/lub zawierał wystarczającą ilość chlorku, aby sprzyjać korozji po zwilżeniu. Może to mieć miejsce w przypadku, gdy próbki zostały pobrane z konstrukcji w okresie suchym, tj. gdy w konstrukcji nie występowała czynna korozja, a zatem nie można było wykryć korozji za pomocą metod kontroli opisanych w sekcji 1.

Results

Rysunek 7 przedstawia typowe potencjały stali monitorowane podczas ekspozycji na chlorki w laboratorium. Oba przykłady pokazują, że potencjał może znacznie spaść w bardzo krótkim czasie, ale proces korozji może nie rozprzestrzeniać się jeszcze stabilnie, co staje się widoczne poprzez wzrost potencjału do początkowego poziomu pasywnego. W tym protokole czas inicjacji korozji, tj. czas, w którym zatrzymuje się ekspozycję i określa się wartość krytyczną C, jest definiowany przez wyraźny spadek potencjału, po którym następuje 10 dni ujemnych potencjałów (więcej szczegółów znajduje się w sekcji 3.5.2 i w Dyskusji).

Często zdarza się, że może minąć kilka miesięcy, zanim nastąpi stabilna inicjacja korozji. Zależy to również od początkowej zawartości chlorków już obecnych w w momencie pobierania próbek z konstrukcji. W niektórych przypadkach dotychczas przeprowadzonych eksperymentów, potrzeba było więcej niż 1 roku do momentu zainicjowania korozji.

Rysunek 8 pokazuje przykład C_crit mierzonego w 11 próbkach pobranych z ponad 40-letniego tunelu drogowego w Alpach Szwajcarskich. Wszystkie te próbki zostały pobrane z obszaru 1 - 2 m² , a więc przypuszczalnie identycznie wyprodukowane i odsłonięte. W tym przykładzie zawartość chlorków na powierzchni stali w momencie pobierania próbek była znikoma. Dodatkowo front nasycania dwutlenkiem węgla był nadal daleko od powierzchni stali.

Rysunek 9 pokazuje dwa przykłady, gdzie potencjał stali znacznie spadł po wystawieniu na działanie roztworu bezchlorkowego. W jednym z tych konkretnych przypadków, to właśnie podczas późniejszego (niszczącego) badania próbki stwierdzono, że na głębokości stali był już nagazowany. Po dotarciu wody do powierzchni stali natychmiast rozpoczął się proces korozji. W drugim przypadku doszło do fałszywej inicjacji korozji na jednym z końców pręta stalowego.

Rysunek 1. Schematyczny rysunek próbki pobranej z konstrukcji i poddanej obróbce laboratoryjnej: a) rdzeń betonowy z osadzonym kawałkiem stali zbrojeniowej; b) zmniejszenie otuliny po stronie odsłoniętej i po stronie tylnej poprzez cięcie diamentowe chłodzone wodą; c) zabezpieczenie końcówki pręta stalowego poprzez usunięcie części betonu wokół stali i zastąpienie go gęstą zaczynem cementowym, a następnie nałożeniem powłoki epoksydowej; oraz d) powłoka epoksydowa na powierzchniach bocznych i w strefach końcowych odsłoniętej powierzchni betonu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Rysunek schematyczny stanowiska do badania korozyjnego w laboratorium. Pokazuje to rozmieszczenie próbek w zbiorniku ekspozycyjnym. Przekładki służą do zapewnienia kontaktu z roztworem ekspozycyjnym od dolnej powierzchni próbki. Wszystkie próbki są podłączane do rejestratora danych, który mierzy potencjał każdej próbki w porównaniu z elektrodą referencyjną umieszczoną w roztworze ekspozycyjnym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Schematyczny rysunek możliwych ewolucji w czasie potencjału stali, który ilustruje kryterium inicjacji korozji. W punkcie 1 następuje spadek potencjału o mniej niż 150 mV w stosunku do początkowego "poziomu pasywnego"; w pkt 2 następuje spadek potencjału o co najmniej 150 mV, po którym następuje repasywacja; w punkcie 3 następuje spadek potencjału o co najmniej 150 mV (w ciągu max. 5 dni), a osiągnięty ujemny poziom potencjału utrzymuje się przez 10 dni. Na tym_samym etapie pobrać próbkę z roztworu ekspozycyjnego. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Schematyczny rysunek ilustrujący cięcie i rozłupywanie próbki betonu po wykryciu inicjacji korozji. Najpierw wycina się "rów" od tylnej strony, równolegle do pręta stalowego. Wkładając dłuto lub podobne narzędzie, wykop może być użyty do rozszczepienia próbki zgodnie ze wskazówkami strzałek. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5. Fotografie ilustrujące analizę próbki po zainicjowaniu korozji. (a) Dwie połówki próbki po rozszczepieniu oraz (b) po zainicjowaniu korozji na powierzchni stali widoczna jest plama rdzy. Fotografie z różnych próbek. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6. Schematyczny rysunek ilustrujący pobieranie próbek do analizy chlorków po zainicjowaniu korozji: (a) usunięcie pokrytych żywicą epoksydową części rozłupanego rdzenia (fioletowy = płaszczyzny cięcia); b) usunięcie otuliny do 2 mm od powierzchni stalowej (fioletowy = płaszczyzna cięcia); c) mielenie w przedziale głębokości +/-2 mm głębokości pokrywy pręta stalowego (kolor czerwony = objętość pobranej próbki). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7. Reprezentatywne przykłady mierzonych krzywych potencjału w funkcji czasu. Zazwyczaj wyraźne spadki potencjału, po których może nastąpić wzrost potencjału (repasywacja), aż do momentu, gdy w końcu rozpocznie się stabilna inicjacja korozji zgodnie z sugerowanym kryterium. (a) pokazuje przypadek, w którym potencjał stabilizuje się na poziomie ujemnym, oraz (b) jest przykładem, w którym potencjał nadal maleje w badanym okresie 10 dni. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 8. Przykład C_crit mierzony w 11 próbkach pobranych z małego obszaru w ponad 40-letnim tunelu drogowym w Alpach Szwajcarskich. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9. Przykłady znacznego potencjału zmniejsza się natychmiast po ekspozycji w roztworze bezchlorkowym. W jednym przypadku na głębokości stali był już nagazowany, więc po dotarciu wody do powierzchni stali natychmiast rozpoczął się proces korozji, co doprowadziło do gwałtownego spadku potencjału. W drugim przypadku na jednym z końców pręta stalowego wystąpiła fałszywa inicjacja korozji, co w tym przypadku doprowadziło do bardziej stopniowego spadku potencjału. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

Najbardziej krytycznymi krokami dla powodzenia sugerowanego protokołu eksperymentalnego w celu określenia C_crit są te obejmujące środki podjęte w celu zapobieżenia fałszywej inicjacji korozji i innym skutkom końcowym prętów stalowych. W związku z tym przetestowano różne podejścia, wśród których stwierdzono, że opisany tutaj protokół daje najlepsze wyniki²⁸ . W dalszych testach takie podejście pozwoliło na zmniejszenie odsetka fałszywych inicjacji do poziomu poniżej 10%. Z jednej strony wynika to z pokrycia powierzchni granicznej odsłoniętej powierzchni betonu żywicą epoksydową, co znacznie wydłuża transport chlorków przez do końców prętów stalowych. Z drugiej strony, zastąpienie oryginalnego betonu wokół stalowego pręta na jego końcach gęstą, silnie alkaliczną zaczynem cementowym znacznie zwiększa odporność na korozję w tych obszarach. Takie systemy, tj. pokrywanie końców prętów stalowych warstwą materiału cementowego modyfikowanego polimerem, sprawdziły się również w innych badaniach^29,30.

Kolejnym ważnym aspektem jest kryterium inicjacji korozji. Kryterium to opiera się na komitecie technicznym RILEM TC-235, który miał na celu zalecenie metody testowej pomiaru C_crit w próbkach wyprodukowanych w laboratorium³¹. Uzasadnieniem jest to, że dobrze wiadomo, że początek korozji stali niespolaryzowanej osadzonej w może mieć miejsce w długim okresie czasu, a nie w ściśle określonym momencie^30,32. Stal może zacząć korodować przy stosunkowo niskich stężeniach chlorków, ale jeśli nie są one w stanie wytrzymać procesu korozji, nastąpi repasywacja, która staje się widoczna jako potencjalny wzrost z powrotem do początkowego poziomu pasywnego. Takie zdarzenia depasywacji-repasywacji są zwykle obserwowane w podobnych badaniach 30,33,34. Stężenie chlorków mierzone w czasie stabilnej korozji jest bardziej istotne w praktyce niż czas, w którym pojawiają się pierwsze oznaki potencjalnych odchyleń od poziomu pasywnego. Przy sugerowanym kryterium C_crit reprezentuje stężenie chlorków, przy którym korozja inicjuje się, a także stabilnie się rozprzestrzenia.

Ograniczeniem metody jest to, że próbki są stosunkowo małe, co może mieć wpływ na wyniki^35,36. Aby temu przeciwdziałać, sugeruje się stosowanie stosunkowo dużej liczby próbek (najlepiej 10). Poziom ufności zależy od statystycznego rozkładu C_crit w rzeczywistym obszarze testowym. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w pozycji^{referencyjnej 36}. Dodatkowym ograniczeniem jest to, że warunki wilgotności w ekspozycji laboratoryjnej mogą różnić się od warunków panujących w rzeczywistej strukturze. Wreszcie, wykrycie inicjacji korozji może być trudne w przypadkach, gdy potencjał jest na ogół ujemny, na przykład w cementach żużlowych lub innych spoiwach zawierających siarczki.

Zgodnie z naszą najlepszą wiedzą, jest to pierwsza metoda wyznaczania C_crit w konstrukcjach inżynierskich na etapie przed inicjacją korozji. W przeciwieństwie do empirycznych doświadczeń z konstrukcjami, które z definicji uzyskuje się po zainicjowaniu korozji, metoda ta może być stosowana do pomiaru _{C crit} dla określonych konstrukcji lub elementów konstrukcyjnych przed wystąpieniem degradacji korozyjnej; Wyniki można zatem wykorzystać do oceny ryzyka (przyszłej) korozji oraz do przewidywania czasu pozostałego do zainicjowania korozji (modelowanie żywotności). W związku z tym metoda ta ma potencjał do zastosowania w badaniach materiałowych, podobnie jak uznane metody stosowane do badań mechanicznych (wytrzymałość na ściskanie itp.)

Metoda ta jest obecnie stosowana do wielu różnych infrastruktur w Szwajcarii. Poszerzy to^{mocno ograniczoną 5} wiedzę na temat rozkładów statystycznych C_crit w strukturach. Ponadto ujawni wpływ różnych czynników, takich jak wiek konstrukcji, użyte materiały budowlane itp., a tym samym dostarczy ważnych informacji dla inżynierów budownictwa i decydentów w zarządzaniu infrastrukturą.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Przekrój drutu			co najmniej 0,50 mm² najlepiej drut miedziany, ocynowany
Wkręt			do metalu dowolny odpowiedni wkręt samogwintujący, zwykle o długości 4 - 5 mm i średnicy około 2,5 mm
Pierścieniowa końcówka			odpowiednia do połączenia i
SikaTop Seal-107			dwuskładnikowa wodoodporna zaprawa cementowa modyfikowana polimerami
Epoflex 816 L	Powłoka epoksydowa	Adisa
		ekspozycyjny	dowolny odpowiedni zbiornik (np. skrzynka Rako) z pokrywą;  wystarczająco duży do naświetlania próbek
Elektroda			referencyjna Dowolna stabilna elektroda referencyjna odpowiednia do ciągłego zanurzania w roztworze chlorku sodu
			z kranu
Chlorek
Rejestrator			dowolne urządzenie zdolne do monitorowania potencjałów wszystkich próbek w stosunku do elektrody odniesienia w określonym przedziale czasu (impedancja wejściowa >10E7 Ohm)