Summary
我们提出了一种方法来测量的参数, 这是高度相关的腐蚀评估或预测钢筋混凝土结构, 主要优势, 允许测试的样品从工程结构。这确保了在钢-混凝土界面的实际条件, 这是至关重要的, 以避免实验室制造的样品的工件。
Abstract
发达国家钢筋混凝土基础设施的老化, 迫切需要对这些结构的状况进行可靠评估的方法。钢筋锈蚀是最常见的降解原因。众所周知, 结构耐腐蚀的能力在很大程度上取决于使用的材料或年龄等因素, 但通常的做法是依赖标准或教科书中规定的阈值。这些阈值的腐蚀启动 (C暴击) 是独立于特定结构的实际属性, 这清楚地限制了条件评估和使用寿命预测的准确性。使用列表值的做法可以追溯到缺乏可靠的方法来确定C暴击on-site 和实验室。
这里给出了一个用于确定单个工程结构或结构构件的C暴击的实验协议。从结构中抽取了一些钢筋混凝土试样, 并进行了实验室腐蚀试验。该方法的主要优点是, 它确保了有关参数的真实条件, 而这是众所周知的非常影响C暴击的, 如钢-混凝土界面, 不能代表性模仿实验室生产的样品。同时, 实验室的加速腐蚀试验允许在测试结构的腐蚀开始之前, 可靠地确定C暴击;这是一个主要的优势比所有的通用条件评估方法, 只允许估计的条件, 腐蚀后启动,即, 当结构已经损坏。
该协议生成测试结构的C暴击的统计分布。这是一个基础的概率预测模型的剩余时间, 以腐蚀, 这是需要的维修规划。这种方法有可能用于民用基础设施的材料测试, 类似于用于机械测试的既定方法。
Introduction
钢筋在混凝土中的腐蚀, 由氯化物通过混凝土的渗透引起, 是钢筋混凝土结构过早退化的最常见原因之一, 因此在土木工程1,2,3,4。工业化国家通常有大量的老化混凝土基础设施的库存, 建于上个世纪下半叶, 因此有几十年的历史, 暴露于海洋气候或道路上使用的除冰盐。能够可靠地评估这些结构的状况,即, 腐蚀的风险, 构成了规划维护工作和基础设施管理的基础。
在混凝土中氯离子腐蚀的管理工程中建立的方法是基于氯化物阈值 (也称为临界氯含量, C暴击)1,5,6. 根据这个概念, 在钢表面的混凝土中氯化物浓度超过了C暴击阈值时, 就认为会发生腐蚀萌生。因此, 评估现有结构的状况和估计剩余的使用寿命通常依赖于确定不同深度的混凝土中的氯化物含量, 特别是在埋入钢筋的深度。有许多可靠和标准化的方法来测量混凝土样品中的氯化物浓度7,8。将结果与C暴击进行比较, 为评估腐蚀风险提供依据, 并对修复措施的类型和范围进行规划。但是, 此方法需要了解C暴击。
不同的国际标准和建议, 以及教科书, 规定的值为C暴击1,3,9,10,11。这些典型地是大约0.4% 氯化物由水泥的重量, 根据长期经验或早期的研究12,13。然而, 众所周知, 对某一结构或结构成员的C的暴击的实际电阻受到使用的材料、结构的年龄和曝光历史和条件的强烈影响1,5. 因此, 人们普遍认为, 一个结构的经验只应谨慎地适用于其他结构。
尽管如此, 使用表格式的C暴击值是常见的工程实践, 与实际结构无关。这可以通过文献中的C暴击的巨大散布来解释, 也没有可靠的方法来确定c暴击on-site 和实验室中的5。在耐久性评估中使用列表阈值的方法与在老化混凝土结构的状态评估中的结构考虑因素是不同的。在后一种情况下, 有许多标准化的测试方法, 以确定机械性能, 如材料的强度, 在结构 (混凝土, 钢筋), 用于计算的结构行为。
在这项工作中, 提出了一个实验协议来确定从工程结构中抽取的样本的C暴击。该方法是基于钢筋混凝土的钻孔芯, 在混凝土结构部分的腐蚀尚未启动。这些样品被转移到实验室, 在那里他们受到加速腐蚀试验, 以便研究腐蚀起始的条件。所提出的方法的主要优点是, 样本从结构中产生, 从而在许多已知的参数中表现出真实的条件, 而这很大程度上影响了C暴击, 不能代表性在实验室生产的样品中模仿。这包括混凝土的类型和年龄 (年轻实验室混凝土与成熟工地生产的混凝土), 建筑时使用的钢筋的类型和表面条件, 以及一般钢-混凝土的性能接口14。与实验室测量方法的准确性一起, 此方法允许对特定结构或结构成员的C暴击进行可靠的确定。
建议的协议在工程实践中的应用将-与使用C暴击的常量值的一般做法相比, 可以提高条件评估的准确性和模型的预测能力, 以分析剩余的使用寿命。在未来的几十年里, 我们所建造的基础设施的维修工程预计将有强劲的增长15 , 这就迫切需要在腐蚀基础设施工程方面进行这种改进。
Protocol
1. 工程结构上的取样
- 在具体结构中选择 测试区域 , 方法是考虑下面的注释.
注意: 测试区域 是要从中抽取多个示例的区域。测试区应位于一个结构成员 (想必是从一个具体批次), 并表现出均匀暴露于环境中 (例如, 避免在柱或墙上的取样高度有显著差异)。因此, 可以在一个工程结构中选择几个测试区域。作为一个额外的要求, 测试区需要没有腐蚀损伤。这可以根据已建立的检测方法的结果进行验证, 包括可能的映射 16 、 17 、 18 等无损测试。注意, 在考虑中的结构成员中可能已经发生了氯离子渗透。这并不影响这里描述的测试方法的有效性, 但可能会影响实验室腐蚀测试所需的时间. - 在结构上的每个测试区域中, 选择取样位置 ( 取样位置 )。选择无蜂窝、裂缝、剥落或其他当地劣质混凝土保护层质量或劣化迹象的取样地点。
- 通过非破坏性、手持式扫描设备 (俗称和 #34) 定位混凝土中钢筋的位置; 钢筋检测器和 #34; 19 。在试验区内的混凝土表面, 在水平和垂直方向上移动钢质检测器, 并在混凝土表面 (网格形状) 临时标记 (使用粉笔) 每个钢筋.
- 选择钻芯的位置, 其直径至少为 150 mm;在混凝土表面上标记和标注 (使用粉笔)。避免在芯内的钢筋取样相交。选择的位置, 以这样的方式, 钢筋将在中心位置尽可能在核心.
注意: 确保选择那些对结构进行评估的钢棒 (通常是覆盖深度最低的层);区分垂直和水平方向的条形图尤其重要, 因为这对腐蚀性能有影响 20 . - 要考虑到 "C" 暴击 所固有的可变性, 并能够提供统计数据, 请选择至少 5 (理想的 10) 位置, 以便在测试区域内进行取样.
- 考虑 结构含义 关于从结构中钻取的内核的数量和位置, 以避免取样引起的结构的任何严重削弱.
- 在取样前准确地记录结构成员中所有样本的位置 (照片、显示距离到边缘的草图 等 )
注: 这也可能包括在相应位置的 on-site 测量参数的文档, 如电化学钢电位 16 , 17 , 18, 覆盖深度测量 19 , 或其他无损检测结果, 如混凝土电阻率.
- 根据通用程序和标准 21 , 钻取包含钢筋段的混凝土芯 (最小直径为 150 mm)。
- 为了避免损坏钢-混凝土界面, 请仔细执行核心钻孔 (水冷钻孔、锐钻工具、 等 ), 根据具体质量和覆盖深度调整钻芯深度。加固钢.
注意: 作为一个经验法则, 核心的长度至少应该是覆盖深度的 2-3 倍。这通常允许打破核心的结构, 而不损害钢-混凝土界面. - 将液态水从混凝土的核心表面除去。用防水粉笔标记标明核心.
- 将核心包裹在扩散致密箔中, 以保持运送到实验室的水分条件.
- 为了避免损坏钢-混凝土界面, 请仔细执行核心钻孔 (水冷钻孔、锐钻工具、 等 ), 根据具体质量和覆盖深度调整钻芯深度。加固钢.
2。实验室样品制备
注意: 将这些步骤应用于从结构中抽取的每个取样 (核心), 以便为实验室腐蚀测试做好准备。这有助于加速腐蚀测试 (减少混凝土保护层), 同时保持核心的条件, 并提供保护免受不必要的最终效果 ( 例如 , 缝隙腐蚀).
- 在钻孔内核的正面和背面调整具体的覆盖范围 。
- 通过水冷的金刚石切割来减少前端 (原来是暴露的一侧) 的混凝土保护层, 以便在 15-20 mm ( 图 1 a 范围内获得样品的最终混凝土保护层厚度。-b ).
- 确保在侧面暴露的混凝土保护层厚度是均匀的。用卡尺测量钢筋两端的混凝土保护层 ( 即 , 在芯面的侧面)。如果需要, 使用切割或抛光工具来消除覆盖厚度超过 1 mm 的任何差异.
- 用卡尺或直尺在核心的侧面测量钢筋背后的混凝土的厚度, 并确保它是 ~ 30-50 mm ( 图 1 b )。如果需要, 用水冷钻石切割的核心.
注: 这一侧不需要抛光.
- 在曝光测试过程中, 通过以下步骤建立电缆连接并保护钢筋结束 不受假腐蚀的影响 图 1 c 。
- 使用内径稍大 (2-4 mm) 的取心钻头, 使其在每条杆端的钢筋周围直接移除混凝土的直径, 最大长度为 10 mm. 粘附在水泥糊上的划痕残余物 钢表面在适当的工具 (金属刮刀, 小凿子, 等 ) 的帮助下,
- 在钢筋的一端钻一个小孔, 并使用金属攻螺钉固定电缆把手 (连接到铜线) 到钢棒上。确保电缆把手牢牢地压在钢筋上.
注: 螺钉的直径应稍大 ( 例如 , 由 0.1-0.2 mm), 而不是在钢中钻孔的一个孔, 以保证紧密牢固的连接. - 将螺钉螺纹放在钢筋内, 确保它不会在任何地方凸出钢筋, 因为这可能会影响电化学测量和腐蚀行为.
注意: 这可以通过使用短螺丝和注意钻孔的方向 (平行于钢轴) 来保证。如果钢筋的切割面与棒轴垂直, 则更容易与钢筋轴线平行钻削。因此重要的是, 钢筋是集中位于核心内, 否则切割钢面不垂直于钢筋轴. - 不使用焊接、点焊或类似技术来建立电缆连接, 因为加热可能会影响试样中的钢或钢-混凝土界面.
- 填充创建的间隙 around 两个钢筋结束与一个密实的水泥糊/砂浆/灌浆小心浇筑到孔中的泥浆。还要涂上电缆连接的螺钉和凸耳。
- 使用聚合物改性的水泥基产品, 以确保良好的附着力和结束保护.
注: 有一系列商业产品被销售作为修理灰浆或相似 (参见 材料表 )。重要的是, 该产品不含腐蚀抑制剂或任何其他影响钢的电化学行为的物质. - 确保此水泥浆/砂浆/浆液的应用和固化正确, 即 根据供应商和 #39 的说明.
- 使用聚合物改性的水泥基产品, 以确保良好的附着力和结束保护.
- 应用 环氧涂层 来限制暴露的表面区域。
- 在应用涂层之前, 允许混凝土表面在室温和室内环境中干燥几天。避免攻击性 ( 例如 , 在烤箱中) 或长 (超过 1-2 周) 干燥的核心, 因为这可能会改变混凝土的微观结构 (开裂), 从而影响测试结果.
- 用环氧树脂涂覆芯面的侧面。也外套钢筋两端和电缆连接 (螺钉, 电缆把手, 等 ) ( 图 1 c-d )。
- 使用相同的环氧树脂, 也要将暴露的混凝土表面的端部涂在核心的侧面, 这是以前最靠近结构的混凝土表面 ( 图 1 d )。在 60-80 mm 的这一侧, 将裸露的 (未涂) 的长度沿钢筋放在钢棒上.
- 将上面的混凝土表面涂上 ( 即 , 相对于暴露侧的一侧, 比较 图 1 d ).
注: 所使用的环氧树脂应适用于混凝土 (在碱性条件下稳定, 易于传播, 例如 , 用刷子, 等 ) - 应用涂层, 使其形成一个扩散致密的屏障, 朝向以后的曝光含氯溶液。确保涂层厚度至少为2毫米. 检查涂层中是否有气孔和孔。如果需要, 应用树脂的几层.
- 可以在此暂停协议; 在扩散致密箔中再次包装样品.
3。腐蚀测试
- 为暴露于解决方案而准备 安装程序.
- 将所有的样品放在一个水箱中, 试样侧面展示了 15-20 毫米的混凝土保护层厚度朝下。将示例安装在小的垫片上, 以允许从其底部向样品暴露溶液 ( 图 2 ).
- 选择具有尺寸的罐体, 允许在混凝土样品之间和样品和至少4厘米的罐壁之间的距离; 坦克的高度是理想地在范围 15-30 cm.
- 准备用于 数据记录的检测。
- 在曝光解决方案中放置一个参照电极 ( 图 2 )。 注: 对于参考电极, 任何类型的稳定的参考电极适用于浸泡在曝光解决方案可以使用 (例如 Ag/氯化/氯化钾 sat 参考电极)。可能需要采取特殊措施, 以避免参照电极的电解液和 反之 对暴露溶液的污染.
- 将所有示例连接到自动数据记录器, 可以单独测量钢筋的电位 vs. 公共参考电极 ( 图 2 )。使用输入阻抗大于 10 7 欧姆的数据记录器.
- 将数据记录器的测量间隔设置为每个样本的每天至少4测量; 优先, 每个示例使用 1 h 的间隔.
- 开始接触无氯溶液.
注意: 对于每个示例, 暴露于解决方案的开始时间对应于 t 0 = t = 0。- 在水箱中填充自来水 (pH 值在 6.5-8.0, 无氯化物, 饮用水质量)。确保水位是这样的, 所有的核心样品的下侧与解决方案, 但他们没有完全沉浸 ( 即 , 上面的样本面以上的水位)。保持参考电极与曝光液的接触 ( 图 2 ).
- 立即启动数据记录, 即 , 测量所有样本与参考电极的电位.
- 监视电位超过 1-2 周, 并考虑潜在电位达到稳定值, 在一个范围内表示钢的被动性.
注: 通常, 这是大约-100 到 +200 mV 与 Ag/氯化/氯化钾 坐 1 . - 在某些情况下, 样本的潜在电位明显大于-100; 立即检查示例 (参见5节)。如果在接触无氯溶液时电位有明显变化, 也要执行这一步骤.
- 开始接触氯化物。
- 在无氯溶液中使用 1-2 周后, 用重量 3.5% NaCl 的制备溶液取代暴露溶液。用去离子水来配制这个氯化物溶液。使用的氯化物溶液的体积等于最初的无氯溶液 (浸泡深度相同)。关闭暴露罐盖 (推荐), 以限制溶液的蒸发和氯化物浓度的相关变化.
- 在氯化物暴露期间, 定期 (至少每2周一次) 检查水位是否与样品有关。如果需要, 添加去离子水。将整个曝光方案的更新限制在最低限度, 因为这会促进混凝土的浸出.
- 继续监测样品的电位, 并定期 (每周两次) 检查每个样品的腐蚀状况, 评估每个样品的时间变化, 并考虑腐蚀起始的标准在3.5 节中定义.
- 在60天后, 将溶液中的氯化钠浓度提高到7% 的重量。120天后, 将溶液中的氯化钠浓度提高到10% 的重量。在此之后, 保持这一水平的氯化物浓度.
- 通过时间来评估被监视的电位, 以检测腐蚀起始.
注: 在曝光过程中, 样品在接触无氯水的初始值中通常呈现相对稳定的电位, 大约为30毫伏。此潜在范围将被称为和 #34;p 无级别和 #34; 在此 ( 图 3 )。它可能是不同的每个单独的样本。- 在评估曝光过程中记录的钢电位时, 请使用以下 腐蚀起始判据 检查每个试样的腐蚀状态。以下两个条件需要满足腐蚀启动 (强类 = "xfig">> 图 3 ):
- 检查电位是否在5天或更短的时间内从被动电平中减少150毫伏.
- 在接下来的10天内, 检查是否在达到负水平上的电位保持稳定, 进一步减少, 或最多恢复 50 mV.
注: 有关此检测腐蚀起始判据的更多背景信息, 请参见 讨论 .
- 一旦满足此腐蚀起始标准, 立即从暴露解决方案中删除该示例, 然后按照4节中的说明进行操作。记录此示例 ( 图 3 ) 中的腐蚀起始时间 ( t ini )。继续使用剩余的样本进行曝光测试.
- 如果从被动电平的电位下降小于 150 mV, 在即将到来的曝光时间仔细观察样品。如果电位进一步下降并达到稳定水平, 则将其视为腐蚀状态的变化。
- 通过使用替代测量 ( 例如 、测量线性偏振电阻 22 ) 或最后根据4节中所述的方法对其进行分析, 来特别注意此类样品。如果腐蚀起始的时间不能明确地被归因于, 拒绝样品.
- 如果潜在的下降是显式的 (在几天内超过 150 mV), 但随后在接下来的几天中对初始被动电平的电位增加 ( 图 3 ), 请将样本留在曝光用于进一步监视的解决方案.
- 特别注意在同一暴露罐中暴露的样品的所有电位同时发生电位变化的情况。如果出现这种情况, 请立即检查参考电极, 并在需要时对其进行修复或更换.
注: 交换溶液或增加氯化物浓度通常会导致电位的变化。这可能与建立不同的扩散电位在接触溶液/参考电极或暴露溶液/混凝土样品的接合点 23 。这些变化会影响同一槽内的所有样品。它们并不表示腐蚀状态的变化.
注意: 如果参考电极不稳定或泄漏到溶液中, 它将表现出漂移。因此, 所有被监测的钢势都会随着时间的推移显示出相同的趋势。这并不表示腐蚀状态的变化.
- 在评估曝光过程中记录的钢电位时, 请使用以下 腐蚀起始判据 检查每个试样的腐蚀状态。以下两个条件需要满足腐蚀启动 (强类 = "xfig">> 图 3 ):
4。腐蚀启动后的样品分析
- 拆分示例以删除钢筋.
- 在从曝光溶液中提取样品后, 拆分 (如步骤 4.1.2) 混凝土芯, 用于进一步分析和为钢表面和混凝土在钢-混凝土界面上的目视检查.
- 用水冷的金刚石切割刀片 ( 图 4 ) 将混凝土芯从它的后侧 (未暴露于解决方案的一个) 切下。确保截面垂直于后表面, 并与钢筋平行排列。为避免损坏钢筋, 请确保切割深度低于这一侧的混凝土保护层厚度 (约10毫米).
- 插入凿子或类似的工具, 并将混凝土芯分成两半; 这将在钢筋周围划分混凝土.
- 将钢筋从混凝土中轻轻移除; 这使得混凝土样品的两个半部分与钢筋的印记 ( 图 5 a ).
- 直观地检查钢-混凝土界面。
- 立即记录 (照片、图纸、 等 ) 钢-混凝土界面的外观, 通过检查混凝土中的钢表面和钢筋的印迹。注意以下内容.
- 记录腐蚀的位置和形貌.
注: 腐蚀起始点通常可以通过沉淀腐蚀产品 ( 图 5 a ) 轻松识别。标记这些斑点的数量和位置。腐蚀产品的颜色也很有趣。通常, 在分裂时, 它们是深色的/黑色的/绿色的。当暴露在空气中时, 它们变成褐色/红色. - 检查试样是否有假腐蚀, 即: , 已启动或接近钢筋的腐蚀结束。如果是这种情况, 请拒绝该示例, 并注意不可以确定 C 暴击 。 注: 在试验过程中或接近钢筋端的腐蚀, 即 , 在钢筋末端的15毫米以内, 被认为是假腐蚀的开始。这可能是由于缝隙的情况, 不足的钢筋端保护措施 ( 如 , 劣质灌浆填料或多孔环氧涂层), 或因为电缆连接的金属螺丝凸出钢筋 (2.2 和2.3 节).
- 在混凝土中记录空隙或孔隙。注意空隙或孔隙的位置是否与腐蚀起始位置一致.
- 记录任何独特的特征, 如裂缝, 蜂窝, 粗骨料, 异物, 领带线, 垫片, 等 ., 在具体和他们的位置关于腐蚀起始的位置.
- 测量碳化深度.
- 紧接在文档之后, 用酚酞溶液喷洒劈裂的混凝土表面, 并确定碳化深度 24 。 注: 重要的是要注意碳化深度是否达到了钢材表面, 如果没有的话, 碳化深度与钢筋的距离是什么。这必须与结果一起报告.
- 执行氯化物分析并确定 C 暴击 。
- 在混凝土芯的两个半部分上, 通过水冷的金刚石切割 ( 图 6 a ) 去除环氧涂层的部件.
- 从所获得的棱镜中, 通过将水冷金刚石切割为 2 mm 到钢筋 ( 图 6 b ) 将覆盖区域中的混凝土移除。将混凝土在105和 #176 上烘干, 过夜.
- 随后, 研磨混凝土并收集研磨粉; 此研磨步骤的厚度为 4 mm ( 图 6 c )。这从混凝土核心的每一半产生, 一个混凝土粉末的样品在钢棒的深度 +/-2 毫米.
- 将所获得的混凝土粉末样品在105和 #176 中烘干; C 到恒定重量。根据标准 7 , 8 对干粉状混凝土粉中的酸溶性氯化物浓度进行分析。计算两个值的平均值.
注: 结果是氯含量作为混凝土重量的百分比. - 如果在用于氯化物分析的特定样品中的水泥含量可以确定 ( 例如 , 通过适当的方法 25 , 26 , 27 ), 将氯化物含量转换为水泥的比重.
- 记录氯化物分析的结果, 这是特定示例的关键氯化物含量 C 暴击 。确保用混凝土重量或水泥重量的百分比来表示值.
- 将结果作为测试报告记录给每个示例.
- 将来自视觉检查 (4.2 节) 的所有文档效果连同测试结果一起报告 (随时间推移记录的电位、腐蚀起始时间、碳化深度和 C 暴击 )。
5。处理特殊情况
- if 在氯化物暴露之前的负电位 被观察到, 即 , 如果在初始暴露于无氯溶液中的钢势变得明显为负值 (3.3 节),对下列事项给予特别考虑。
- 考虑 假腐蚀启动 的事件。
- 通过在每个钢筋端从试样 (水冷式金刚石切割) 中切割出的混凝土来验证假腐蚀的起始。每边移除20毫米混凝土.
- 再次测量钢的电位, 将参考电极放置在暴露的混凝土表面上的湿海绵的帮助下, 并通过电接触钢棒的切口面.
- 如果可能仍然是相对负的, 则拒绝该示例.
- 如果电位位于同一序列的其他样本的被动级别范围内, 请考虑重用该示例以确定 C 暴击 。在这种情况下, 请继续执行该协议的步骤2.2。在报告结果时, 表明此样品比其他试样更小 (较短的外露钢筋长度).
- 如果可以排除错误的腐蚀启动, 请检查是否已在钢材深度上的混凝土已经 碳酸 , 并考虑确定在钢深度的氯化物浓度。如果碳化或很高的氯化物浓度解释了润湿腐蚀的起始, 请在测试报告中记录这一点, 并注意在这种情况下, 不能确定 C 暴击 。 注: 这可能发生, 如果混凝土在钢深度已经是碳酸并且/或者包含足够的氯化物促进腐蚀在润湿。这种情况可能是从一个干燥时期的结构中抽取样品, 即 , 当结构中没有发生活性腐蚀时, 因此不能通过1节所述的检验方法来检测腐蚀.
- 考虑 假腐蚀启动 的事件。
Representative Results
图 7显示了在实验室氯化物暴露期间监测到的典型钢电位。这两个例子都表明, 电位可能在很短的时间内明显下降, 但腐蚀过程可能还没有稳定传播, 这变得明显通过增加潜在的初始被动水平。在本协议中, 腐蚀起始时间、即、停止曝光的时间和C暴击是由有标记的潜在下降定义的, 后跟10天的负电位 (请参见3.5.2 和讨论有关详细信息)。
这是常见的, 它可能需要几个月, 直到稳定的腐蚀引发发生。这也取决于从结构中抽取样品时, 混凝土中已经存在的初始氯化物含量。到目前为止, 在某些情况下进行的实验, 它花了超过1年, 直到腐蚀开始。
图 8显示了一个C暴击的例子, 该示例是在瑞士阿尔卑斯山的40年以上的公路隧道中采集的11样本中进行测量的。所有这些样本都是从 1-2 m2的区域中抽取的, 因此可能相同地产生和暴露。在这个例子中, 在取样时钢表面的氯化物含量是微不足道的。此外, 碳化锋仍然远离钢表面。
图 9显示了两个例子, 当接触到无氯溶液时, 钢势会明显降低。在其中一个具体事例, 它是在随后 (破坏性) 检查样品发现了混凝土在钢深度已经是碳酸的。当水到达钢表面时, 腐蚀过程便立即开始。在另一种情况下, 在其中一个钢筋末端发生了假腐蚀。
图 1.从结构中抽取的样品的示意图, 并在实验室中处理: (一个) 与嵌入的钢筋的混凝土芯;(b) 通过水冷式金刚石切割减少外露侧和背面的混凝土保护层;(c) 钢棒端面保护, 方法是将钢筋周围的一些混凝土拆除, 并用密实的水泥浆/砂浆和随后的环氧涂层代替;以及 (d) 在外露混凝土表面的侧面和端面上的环氧涂层。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2.实验室中腐蚀试验装置的示意图。这显示了样品在曝光槽中的位置。垫片用于确保接触到暴露溶液从底部样品表面。所有样品都连接到一个数据记录器, 测量每个样品与暴露溶液中所放置的参考电极的电位。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3.示意图绘制了可能的时间演变的钢势, 说明了腐蚀起始的标准.在1点, 从初始 "被动电平" 发生的电位下降小于 150 mV;在点 2, 一个潜在的下降, 至少 150 mV 发生, 其次是钝化;在点 3, 一个潜在的下降至少 150 mV 发生 (在最大的5天内) 和达到负电位水平持续超过10天。在tini中, 从暴露解决方案中撤回该示例。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4.示意图说明了在检测到腐蚀引发后混凝土试样的切割和劈裂.首先, 一条 "沟槽" 从后侧切入, 与钢筋平行。通过插入凿子或类似的工具, 沟槽可以用来分割样品, 如箭头所示。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5.照片说明了腐蚀开始后的样品分析。(a) 拆分后试样的两个半部分, (b) 腐蚀开始后在钢表面可见锈迹。来自不同样品的照片。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6.示意图说明在腐蚀引发后氯化物分析的取样: (a) 拆分混凝土芯的环氧涂层部分 (紫色 = 切割面);(b) 将混凝土保护层从钢表面移除2毫米 (紫色 = 切割平面);(c) 磨削深度间隔为 2 mm 的钢筋覆盖深度 (红色 = 取样体积)。请单击此处查看此图的较大版本.
图 7.已测量的潜在与时间曲线的代表性示例.通常发出的潜在的下降, 随后可能会增加 (钝化), 直到稳定的腐蚀开始根据建议的标准, 最终启动。(a) 显示了在负水平上可能稳定的情况, 并且 (b) 是一个示例, 在10天的研究期间, 潜在的持续下降。请单击此处查看此图的较大版本.
图 8.示例C暴击在瑞士阿尔卑斯山的40年以上的公路隧道中, 从一个小的混凝土区域内抽取的11样本中进行测量.请单击此处查看此图的较大版本.
图 9.当暴露在无氯溶液中时, 有明显电位的例子会立即减少.在一个案例中, 混凝土在钢的深度已经碳化, 因此, 当水到达钢表面, 腐蚀过程立即开始, 导致急剧下降的潜力。在另一种情况下, 在一个钢筋端部发生了假腐蚀, 这导致了一个更渐进的电位下降。请单击此处查看此图的较大版本.
Discussion
为确定C暴击而建议的实验协议的成功最关键的步骤是包括为防止假腐蚀引发和其他钢筋末端效果而采取的措施。在这方面, 对各种方法进行了测试, 其中发现这里所报告的协议能产生最好的结果28。在进一步的测试中, 这种方法允许将假起始率降低到10% 以下。一方面, 这是由于涂层的边界面积的暴露在混凝土表面与环氧树脂, 这增加了运输的长度, 通过混凝土到钢筋两端的钢棒结束。另一方面, 用高密度、高碱性的胶凝浆代替钢筋的两端的原混凝土, 大大提高了这些地区的耐蚀性。这种系统,即, 涂层钢筋结束与一层高分子改性胶凝材料, 已证明成功也在其他研究29,30。
另一个重要的方面是腐蚀起始的标准。此标准基于 RILEM 技术委员会 TC-235, 其目的是建议在实验室31中制造的样本中测试C暴击的检测方法。其基本原理是众所周知, 埋在混凝土中的偏振钢的腐蚀可能会在很长一段时间内发生, 而不是一个定义良好的即时3032。钢可能开始腐蚀在相对地低氯化物集中, 但, 如果这些不能够承受腐蚀过程, 钝化将发生, 变得明显由一个潜在的增量回到最初的被动水平。此类钝化钝化事件通常在类似的研究中观察30,33,34。在稳定腐蚀时测定的氯化物浓度比从被动水平上的潜在偏差的最初迹象变得明显的时间更切合实际。使用所建议的标准, C暴击代表了腐蚀引发的氯化物浓度, 并且稳定地传播。
该方法的一个限制是样本相对较小, 这可能会对结果产生影响35,36。为了抵消这一点, 建议使用相对较高的样本数 (理想情况下为 10)。置信度取决于实际测试区域中的C暴击的统计分布。有关这方面的详细信息, 请参阅参考36。另外一个限制是, 实验室暴露的水分条件可能与实际结构不同。最后, 在潜在的一般为负的情况下, 如在矿渣水泥或其他含硫化物的粘合剂中, 对腐蚀起始的检测可能是困难的。
尽我们所知, 这是第一个在腐蚀开始前的阶段在工程结构中C暴击的方法。对比经验从结构, 是由定义在腐蚀开始以后获得, 这个方法可以用于测量C暴击为具体结构或结构成员在腐蚀之前发生的退化;这样的结果可以用来评估 (未来) 腐蚀的风险, 并预测剩余的腐蚀起始时间 (使用寿命模型)。因此, 这种方法有可能用于材料测试, 类似于用于机械测试的既定方法 (压缩强度,等)
该方法目前适用于瑞士的许多不同的混凝土基础设施。这将扩大对结构中C暴击的统计分布的严重限制的5知识。此外, 它将揭示不同的因素, 如结构的年龄, 使用的建筑材料,等的影响, 从而为土木工程师和 decision-makers 的基础设施管理提供重要的信息。
Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这里描述的工作部分由瑞士联邦路办公室 (研究项目 AGB2012/010) 资助。我们非常感谢财政支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Stranded wire | cross section at least 0.50 mm²; ideally copper wire, tin plated | ||
| Self-tapping metal screw | any suitable self-tapping screw, typically of length 4 - 5 mm and diameter around 2.5 mm | ||
| Ring cable lug | suitable to connect screw and cable | ||
| SikaTop Seal-107 | Sika | two-part polymer modified cementitious waterproof mortar slurry | |
| Epoflex 816 L | Adisa | epoxy coating | |
| Exposure tank | any suitable tank (e.g. rako box) with a lid; sufficiently large for exposing the samples | ||
| Reference electrode | Any stable reference electrode suitable for continuous immersion in sodium chloride solution | ||
| Tap water | |||
| Sodium chloride | |||
| Data logger | any device able to monitor the potentials of all samples vs. the reference electrode at the specified interval (input impedance >10E7 Ohm) |
References
- Bertolini, L., Elsener, B., Pedeferri, P., Redaelli, E., Polder, R. B. Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis, Repair. 2nd edn. , WILEY-VCH. (2013).
- Development of an holistic approach to ensure the durability of new concrete construction. , British Cement Association. Crowthorne, UK. (1997).
- Condition control and assessment of reinforced concrete structures exposed to corrosive environments. Fédération Internationale du Béton (fib). , (2011).
- Angst, U. M., et al. Present and future durability challenges for reinforced concrete structures. Mater. Corros. 63 (12), 1047-1051 (2012).
- Angst, U., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, Ø Critical chloride content in reinforced concrete - A review. Cem. Concr. Res. 39 (12), 1122-1138 (2009).
- Breit, W., et al. Zum Ansatz eines kritischen Chloridgehaltes bei Stahlbetonbauwerken. Beton- und Stahlbetonbau. (5), 290-298 (2011).
- European Standard EN14629: Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test methods - Determination of chloride content in hardened concrete. European Committee for Standardization. , (2007).
- ASTM C1152 Standard Test Method for Acid-Soluble Chloride in Mortar and Concrete. ASTM International. , (2012).
- SIA 269/2:2011 Erhaltung von Tragwerken - Betonbau. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein SIA. , (in German) (2011).
- Draft, Draft recommendation for repair strategies for concrete structures damaged by reinforcement corrosion. Mater Struct. 27, RILEM TC 124-SRC 415-436 (1994).
- Broomfield, J. P. Corrosion of Steel in Concrete: Understanding, Investigation and Repair. 2nd edn. , CRC Press. (2006).
- Richartz, W. Die Bindung von Chlorid bei der Zementerhärtung. Zement-Kalk-Gips. 10, (in German) 447-456 (1969).
- Vassie, P. Reinforcement corrosion and the durability of concrete bridges. Proc. Inst. Civ. Eng. Part 1. 76, 713-723 (1984).
- Angst, U. M., et al. The steel-concrete interface. Mater. Struct. 50 (2), 143 (2017).
- Polder, R. B., Peelen, W. H. A., Courage, W. M. G. Non-traditional assessment and maintenance methods for aging concrete structures - technical and non-technical issues. Mater. Corros. 63 (12), 1147-1153 (2012).
- Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete. ASTM International. , ASTM C876 (2015).
- Planung, SIA 2006:2013 Planung Durchführung und Interpretation der Potenzialmessung an Stahlbetonbauten. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein SIA. , (in German) (2013).
- B3: Merkblatt für Elektrochemische Potentialmessungen zur Detektion von Bewehrungsstahlkorrosion. Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung DGZfP. , (in German) (2014).
- B2: Merkblatt zur zerstörungsfreien Betondeckungsmessung und Bewehrungsortung an Stahl- und Spannbetonbauteilen. Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung DGZfP. , (in German) (2014).
- Soylev, T. A., François, R. Quality of steel-concrete interface and corrosion of reinforcing steel. Cem. Concr. Res. 33 (9), 1407-1415 (2003).
- European Standard EN 12504-1:2009 - Testing concrete in structures. Cored specimens. Taking, examining and testing in compression. European Committee for Standardization. , (2009).
- Andrade, C., et al. Test methods for on-site corrosion rate measurement of steel reinforcement in concrete by means of the polarization resistance method. Mater Struct. 37 (273), 623-643 (2004).
- Angst, U., Vennesland, Ø, Myrdal, R. Diffusion potentials as source of error in electrochemical measurements in concrete. Mater Struct. 42 (3), 365-375 (2009).
- European Standard EN 14630: Products and systems for the protection and repair of concrete structures - Test methods - Determination of carbonation depth in hardened concrete by the phenolphthalein method. European Committee for Standardization. , (2006).
- Gulikers, J. Testing and Modelling the Chloride Ingress into Concrete. RILEM Proceedings PRO 19. Andrade, C., Kropp, J. , (2000).
- ASTM C1084 Standard Test Method for Portland-Cement Content of Hardened Hydraulic-Cement Concrete. ASTM International. , (2013).
- Boschmann Käthler, C., Angst, U. M., Wagner, M., Elsener, B. Image analysis for determination of cement content in concrete to improve accuracy of chloride analyses. Cem Concr Res. , (2017).
- Angst, U., Wagner, M., Elsener, B., Leemann, A., Nygaard, P. v Method to determine the critical chloride content of existing reinforced structures. VSS report no. 677. , Swiss Federal Roads Office. (in German) (2016).
- Lambert, P., Page, C. L., Vassie, P. R. W. Investigations of reinforcement corrosion: Part 2 - Electrochemical monitoring of steel in chloride-contaminated concrete. Mater. Struct. 24 (143), 351-358 (1991).
- Angst, U. M., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, Ø Chloride induced reinforcement corrosion: Electrochemical monitoring of initiation stage and chloride threshold values. Corros. Sci. 53 (4), 1451-1464 (2011).
- RILEM technical committee 235-CTC. , (2015).
- Angst, U., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, Ø Chloride induced reinforcement corrosion: Rate limiting step of early pitting corrosion. Electrochim Acta. 56 (17), 5877-5889 (2011).
- Boubitsas, D., Tang, L. The influence of reinforcement steel surface condition on initiation of chloride induced corrosion. Mater Struct. 48 (8), 2641-2658 (2015).
- Pacheco, J. Corrosion of steel in cracked concrete - chloride microanalysis and service life predictions. TU Delft. , The Netherlands. (2015).
- Li, L., Sagüés, A. A. Chloride corrosion threshold of reinforcing steel in alkaline solutions - Effect of specimen size. Corros. 60 (2), 195-202 (2004).
- Angst, U., Rønnquist, A., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, Ø Probabilistic considerations on the effect of specimen size on the critical chloride content in reinforced concrete. Corros. Sci. 53 (1), 177-187 (2011).
