Engineering

Eksperimentel protokol til at bestemme chlorid tærskelværdien for korrosion i prøver udtaget af jernbeton strukturer

Published: August 31, 2017 doi: 10.3791/56229

Ueli M. Angst¹, Carolina Boschmann¹, Matthias Wagner², Bernhard Elsener^1,3

¹Institute for Building Materials, ETH Zurich, ²Tecnotest AG, ³Department of Chemical and Geological Science, University of Cagliari

Summary

Vi foreslår en metode til at måle en parameter, der er yderst relevant for korrosion vurderinger eller forudsigelser af jernbeton strukturer, med den største fordel ved tillader undersøgelse af prøver fra engineering strukturer. Dette sikrer reelle betingelser på grænsefladen stål-beton, som er afgørende for at undgå artefakter af laboratorium-made proever.

Abstract

Ældning af jernbeton infrastruktur i de udviklede lande pålægger et presserende behov for metoder til at pålideligt vurdere tilstanden af disse strukturer. Korrosion af den integrerede forstærkende stål er den hyppigste årsag til nedbrydning. Mens det er velkendt, at en struktur evne til at modstå korrosion afhænger kraftigt faktorer såsom de anvendte materialer eller alder, det er almindelig praksis at basere sig på værdier tærsklen i standarder eller lærebøger. Disse tærskelværdier for korrosion indledning (C_crit) er uafhængig af de faktiske egenskaber af en bestemt struktur, som klart begrænser nøjagtigheden af betingelse vurderinger og service liv forudsigelser. Praksis med at bruge tabelform værdier kan spores tilbage til manglen på pålidelige metoder til at bestemme C_crit på stedet og i laboratoriet.

Her præsenteres en eksperimentel protokol til at bestemme C_crit for individuelle engineering strukturer eller strukturelle medlemmer. Et antal jernbeton stikprøver er taget fra strukturer og korrosion laboratorieundersøgelser er udført. Den største fordel ved denne metode er, at det sikrer reelle betingelser vedrørende parametre, der er velkendt for stor indflydelse på C_crit, såsom stål-beton grænseflade, hvilke ikke kan være repræsentativt efterlignede i laboratorie-fremstillede prøver. På samme tid tillader accelereret korrosion test i laboratoriet pålidelig bestemmelse af C_critforud korrosion indledningen på den testede struktur; Dette er en stor fordel i forhold til alle almindelige tilstand vurderingsmetoder, der kun tillader estimering betingelserne for korrosion efter indledningen, dvs., når strukturen er allerede beskadiget.

Protokollen giver den statistiske fordeling af C_crit for den testede struktur. Dette tjener som grundlag for probabilistiske forudsigelse modeller for den resterende tid til korrosion, der er nødvendig for vedligeholdelse planlægning. Denne metode kan potentielt bruges i materiale prøvning af civile infrastrukturer, svarende til etablerede metoder til mekanisk prøvning.

Introduction

Korrosion af stål i beton, udløst af penetration af chlorider gennem beton, er den hyppigste årsag til for tidlig forringelse af forstærkede og forspændte betonkonstruktioner, og dermed udgør en af de vigtigste udfordringer i anlægsteknik¹^,²^,³^,⁴. Industrialiserede lande har typisk en stor beholdning af aging konkrete infrastrukturer, bygget i anden halvdel af sidste århundrede, og dermed med en historie af flere årtiers udsættelse for marine klima eller afisning salte anvendes på veje. At være i stand til pålideligt vurdere tilstanden af disse strukturer, dvs., at risikoen for korrosion, danner grundlag for planlægning vedligeholdelsesarbejder og infrastrukturforvaltning, i almindelighed.

Den etablerede tilgang i teknik til håndtering af chlorid-induceret stål korrosion i beton er baseret på en chlorid tærskel værdien (også kaldt kritiske chlorid indhold, C_crit)¹^,⁵^, ⁶. efter dette koncept, korrosion indledning menes at opstå som koncentrationen af klorid i beton på den stål overflade overstiger C_crit tærskel. Således stole vurdere tilstanden af eksisterende strukturer og anslå det resterende levetid typisk på bestemmelse af indholdet af klorid på forskellige dybder i beton, især på en dybde af den integrerede styrke stål. Der findes en række pålidelige og standardiserede metoder til at måle denne chlorid koncentration i prøver af konkrete⁷^,⁸. Sammenligne resultaterne til C_crit danner grundlag for vurdering af risiko for korrosion, og planlægning af typen og omfanget af reparation foranstaltninger. Men denne metode kræver kendskab til C_crit.

Forskellige internationale standarder og anbefalinger, samt tekst bøger, akselblade værdier for C_crit¹^,³^,⁹^,¹⁰^,¹¹. Disse er typisk omkring 0,4% chlorid af vægten af cement, baseret på lang tids erfaring eller tidlige undersøgelser¹²^,¹³. Det er imidlertid velkendt, at den faktiske modstand mod C_crit af en bestemt struktur eller strukturelle medlem er stærkt påvirket af de materialer, i en alder af strukturen, og af eksponering historie og betingelser¹ ^, ⁵. således er det almindeligt anerkendt, at erfaringer fra én struktur bør kun anvendes til andre strukturer med forsigtighed.

På trods af dette er det fælles tekniske praksis for at bruge tabelform C_crit værdier, uafhængigt af den faktiske struktur. Dette kan forklares ved den enormt scatter af C_crit i litteraturen og manglen på pålidelige metoder til at bestemme C_crit på stedet og i laboratoriet⁵. Tilgang til brug af tabelform tærskelværdier i holdbarhed vurderinger er i modsætning til strukturelle overvejelser i forbindelse med condition vurderinger af aging betonkonstruktioner. I sidstnævnte tilfælde findes der en række standardiserede prøvningsmetoder til bestemmelse mekaniske egenskaber, som styrken af materialer i strukturen (beton, armeringsstål), der skal anvendes ved beregningen af den strukturelle opførsel.

I dette arbejde præsenteres en eksperimentel protokol til at bestemme C_crit på prøver taget fra engineering strukturer. Metoden er baseret på boring kerner af jernbeton i dele af betonkonstruktioner hvor korrosion endnu ikke er indledt. Disse prøver er overført til det laboratorium, hvor de udsættes for en accelereret korrosion test for at undersøge betingelserne for korrosion indledning. Den største fordel af den foreslåede metode er at prøverne stammer fra strukturer og dermed udstille virkelige forhold vedrørende en række parametre, der er velkendt for meget indflydelse C_crit og der kan ikke være repræsentativt efterlignede i laboratorie-fremstillede prøver. Dette omfatter type og alder af beton (unge laboratorium konkrete versus modne site-produceret beton), den type og overflade tilstand af den styrke stål anvendes på tidspunktet for opførelsen, og i almindelighed egenskaber af stål-beton interface¹⁴. Sammen med nøjagtigheden af laboratoriet målemetoder tillader denne tilgang pålidelig bestemmelse af C_crit for specifikke strukturer eller strukturelle medlemmer.

Anvendelse af den foreslog protokol i teknisk praksis vil - sammenlignet med den almindelige praksis med at bruge en konstant værdi for C_crit - øge nøjagtigheden af betingelse vurderinger og den prædiktive magt modeller til at analysere de resterende levetid. Den forventede stærk stigning i reparationsarbejder af vores indbyggede infrastruktur over de kommende årtier¹⁵ udgør et presserende behov for denne forbedring i teknik af korrosion infrastrukturer.

Protocol

1. prøveudtagning Engineering struktur

Vælg test områder i den konkrete struktur under hensyntagen til bemærkningen nedenfor.
Bemærk: En test område er det område, hvorfra flere prøver vil blive taget. Et testområde bør være placeret i en strukturel medlem (formentlig fra én konkrete batch) og udstille homogene eksponering til miljøet (for eksempel, undgå væsentlige forskelle i prøvetagning højde i kolonner eller vægge). Således kan flere testområder vælges inden for en teknisk struktur. Som et yderligere krav skal prøvestrækningen være fri for korrosionsskader. Dette kan verificeres, baseret på resultaterne af etablerede inspektionsmetoder, herunder ikke-destruktiv afprøvning som potentielle kortlægning ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸. Bemærk at chlorid penetration allerede kan være opstået i de strukturelle medlem under overvejelse. Dette påvirker ikke gyldigheden af Prøvemetoden her, men kan påvirke den nødvendige tid til korrosion test i laboratoriet.
Hver prøveområdet struktur, vælge placeringen af prøveudtagning (prøveudtagning steder). Vælg prøveudtagning placeringer, der er fri for honningtavler, revner, afskalning eller andre tegn på lokalt dårlig beton dække kvalitet eller forringelse.
1. Find den forstærkende stål stænger i beton ved hjælp af en ikke-destruktiv, håndholdt scanningsenhed almindeligvis kendt som " forstærkende stål detektor " ¹⁹. Flytte stål-detektor, begge i vandrette og lodrette retninger over beton overfladen inden for testområdet og mark (ved hjælp af kridt) hver styrkelse stål bar midlertidigt på betonoverfladen (gitter shape).
2. Vælg placeringer til kerne-boring af kerner med en diameter på mindst 150 mm; Markere og mærke dem på betonoverfladen (ved hjælp af kridt). Undgå prøveudtagning vejkryds for at styrke barer i kernen. Vælg placeringerne på en sådan måde at den stål armeringsstål bliver så centralt beliggende som muligt inden for kernen.
  Bemærk: Sørg for at vælge disse stålstænger, som er af interesse for vurdering af struktur (normalt lag med den laveste dække dybde); Det er især vigtigt at skelne mellem lodret og vandret orienterede barer som dette har indflydelse på korrosion ydeevne ²⁰.
3. For at tage højde for variabiliteten iboende til C _crit, og at blive købedygtig levere statistiske data, Vælg et minimum af 5 (ideelt 10) steder for prøveudtagning et prøveområdet.
4. Overveje strukturelle konsekvenser med hensyn til antal og placering af kerner boret fra strukturen for at undgå eventuelle kritiske svækkelse af strukturen forårsaget af prøveudtagning.
5. Dokumenterer holdning af alle prøver inden for den strukturelle medlem præcist før prøvetagning (fotografier, skitser viser afstande til kanter, osv.)
  Bemærk: Dette kan også omfatte dokumentation af on-site målte parametre på tilsvarende steder såsom elektrokemiske stål potentialer ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸, dække dybde målinger ¹⁹, eller andre ikke-destruktiv testresultater såsom konkrete resistivitet.
Bore de konkrete kerner (mindste diameter 150 mm) indeholdende segment af armeringsstål ifølge fælles procedurer og standarder ²¹.
1. Til at undgå at beskadige grænsefladen stål-beton, udføre core-boring omhyggeligt (vandkølet boring, skarpe boring værktøjer m.v.) justere dybden af kerne-boring afhængigt af den konkrete kvalitet og dækslet dybden af den armeringsstål.
  Bemærk: som en tommelfingerregel, længden af kernen skal være mindst 2 - 3 gange den dække dybde. Dette tillader normalt, bryde kerne af struktur uden at beskadige den stål-beton grænseflade.
2. Fjerne den flydende vand fra den konkrete core overflade. Tydeligt mærke kernen med en vandtæt kridt markør.
3. Wrap kernen i en diffusion stramme folie til at bevare fugt betingelser under transporten til laboratoriet.

2. Prøve forberedelse i laboratoriet

Bemærk: anvende disse trin på hver prøve (kerne) taget fra strukturen for at forberede dem på korrosion laboratorietest. Dette tjener til at fremskynde korrosion test (reducere konkrete cover), samtidig bevare betingelser i kernen og giver beskyttelse mod uønskede ende-effekter (fx, revne korrosion).

Juster den konkrete dækning på både forsiden og bagsiden af boret kernen.
1. Reducer konkrete dækslet på forsiden (som er den oprindeligt udsatte side) af vandkølede diamant skæring for at opnå en endelige beton dække tykkelse af prøven i rækken af 15-20 mm ( figur 1 en -b).
2. Sørg for at den konkrete dække tykkelse er ensartet på siden for at blive udsat. Måle den konkrete dækning i begge ender af den styrke stål bar (dvs. på den laterale ansigt af kernen) med en skydelære. Hvis det er nødvendigt, bruge skære eller polering værktøjer til at fjerne eventuelle forskelle i dækning tykkelse på 1 mm.
3. Måle tykkelsen af beton bag den styrke stål med en skydelære eller en lineal på den laterale ansigt af kernen og sikre, at det er ~ 30-50 mm ( figur 1 b). Hvis det er nødvendigt, skære kerne med vandkølede diamant skæring.
  Bemærk: Ingen polering er påkrævet på denne side.
Oprette en kablet forbindelse og beskytte den styrkelse stål bar ender fra falske korrosion indledningen under eksponeringen test af følgende procedure figur 1 c.
1. Brug en coring boremaskine med en indre diameter lidt større (af 2-4 mm) end diameteren af den styrke stål bar at fjerne beton direkte rundt stål på hver bar ende over en længde på højst 10 mm. bunden resterne af cement pasta fastholdelsen af den stål overflade med hjælp af passende værktøjer (metallisk spatel, lille mejsel, osv.)
2. bore et lille hul i en af enderne af de stålstænger og bruge en metallisk selvskærende skrue til at lave et kabel lug (tilsluttet et kobberkabel) til stål bar. Sørg for, at kablet lug trykkes fast mod den forstærkende stål.
  Bemærk: Diameter af skruen skal være lidt større (f.eks. af 0,1 - 0,2 mm) end ene hul boret i stål til at sikre en stram og fast forbindelse.
3. Placer gevind i den forstærkende stål, og sikre, at det ikke rager den forstærkende ståldelen på ethvert sted, da dette vil sandsynligvis påvirke de elektrokemiske målinger og korrosion opførsel.
  Bemærk: Dette kan sikres, ved hjælp af korte skruer og ved at betale opmærksomhed til retning af bore hullet (parallel med aksen af stål). Det er lettere at bore parallelt med akse af stål bar, hvis den overskårne ansigt af stål bar er vinkelret på linjen akse. Det er således vigtigt, at armeringsstænger er centralt beliggende i kernen, ellers skæres stål ansigtet er ikke vinkelret på stål bar akse.
4. Bruger ikke lodning, punktsvejsning eller lignende teknikker til at etablere elektriske kabelforbindelsen, fordi varmen kan påvirke stål eller stål-beton grænseflade i prøven.
5. Udfylde hullet lavet around både stål bar ender med en tæt cement pasta/mørtel/injektionsmørtel af omhyggeligt hælde gylle i hullerne. Også pels skrue og lug af kabelforbindelsen.
  1. Brug en polymer modificeret cement-baserede produkt til dette for at sikre god overholdelse og slutningen beskyttelse.
    Bemærk: Der findes en række kommercielle produkter markedsføres som reparation morterer eller lignende (Se Tabel af materialer). Det er vigtigt, at produktet ikke indeholder en korrosionsinhibitor eller andre stoffer påvirker elektrokemiske funktionsmåden af stålet.
  2. Kontroller denne cement pasta/mørtel/injektionsmørtel anvendes og kureret ordentligt, dvs, ifølge leverandøren ' s instruktioner.
Anvender en epoxy-belægning for at begrænse den eksponerede overflade område.
1. Forud for anvendelsen af belægningen, tillade betonoverfladen et par dage til at tørre ved stuetemperatur og indeklima. Undgå aggressive (f.eks. i ovnen) eller lang (mere end en 1-2 uger) udtørring af kernen, som dette kan ændre mikrostruktur af beton (revner), og dermed påvirke testresultaterne.
2. Pels den laterale overflade af kerne med en epoxyharpiks. Også pels den styrkelse stål bar ender og kabelforbindelse (skrue, kablet lug, etc.) ( figur 1 c - D).
3. Med den samme epoxy-harpiks, også pels ende dele af udsatte beton overfladen på siden af kernen, som var tidligere tættest på strukturelle betonoverfladen ( figur 1 d). Forlade en udsat (ubestrøget) længde langs den stål bar på denne side af 60-80 mm.
4. Forlade de øverste beton ansigt ubestrøget (dvs., i siden modsat den udsatte side, Sammenlign figur 1 d).
  Bemærk: Den epoxyharpiks bruges bør være egnede til anvendelse på beton (stabil i basisk betingelser, let at sprede, fx med en pensel, osv.)
5. gælder belægningen, således at det danner en stram diffusionsspærre mod de senere eksponering til kaliumchlorid indeholdende løsning. Sikre, at belægningen tykkelse er mindst 2 mm. Check, ingen porer og huller er synlige i belægningen. Hvis det er nødvendigt, anvender flere lag af harpiksen.
6. Protokol kan afbrydes midlertidigt her; wrap prøven igen i en diffusion stramme folie.

3. Korrosion Test

Forbered den setup for eksponering til løsning.
1. Sted alle prøver i en tank med prøven side udstiller 15-20 mm beton dække tykkelse vender nedad. Montere prøverne på små afstandsstykker tillade eksponering af løsningen til prøverne fra deres undersiden ( figur 2).
2. Vælger en tank med dimensioner tillader en afstand mellem de konkrete prøver og mellem prøverne og tank vægge af mindst 4 cm højden af tanken er ideelt i størrelsesordenen 15-30 cm.
Forberede instrumentering til datalogning.
1. Sted en referenceelektrode i opløsningen eksponering ( figur 2).
  Bemærk: For en referenceelektrode, enhver form for stabile referenceelektrode velegnet til fordybelse i opløsningen eksponering kan være brugt (for eksempel en Ag/AgCl/KCl _sad referenceelektrode). Særlige foranstaltninger kan være nødvendigt at undgå forurening af eksponering løsning af elektrolyt-referenceelektrode og vice versa.
2. Tilsluttes en automatiseret datalogger, som kan individuelt måler potentialer af den forstærkende stålstænger vs den fælles referenceelektrode ( figur 2) alle prøver. Bruge en datalogger med en højere end 10 Indgangsimpedans ⁷ Ohm.
3. Sat måling intervallet af datalogger til mindst 4 målinger pr. dag for hver prøve; fortrinsvis, bruge et interval på 1 time til hver prøve.
Starte eksponering for chlorid-gratis løsning.
Bemærk: I begyndelsen af eksponering for løsning svarer til tiden t ₀ = t = 0, for hver enkelt prøve.
1. Fyld tanken med vand fra hanen (pH på 6,5-8,0, chlorid-fri, drikkevandets kvalitet). Sørg for, at vandstanden er sådan at alle lavere sider af kerne prøver er i kontakt med løsning, men at de er ikke helt nedsænket (dvs, med den øverste prøve ansigt over vandet niveau). Enhver kontakt mellem den reference elektrode og eksponering løsning ( figur 2).
2. Straks starte logføring af data, dvs., måle potentialer af alle prøver vs referenceelektrode.
3. Overvåge potentialer for over 1-2 uger og overveje at potentialer der forventes at nå stabile værdier i et interval, der angiver stål passivitet.
  Bemærk: Dette er typisk omkring -100 til + 200 mV vs Ag/AgCl/KCl _sat ¹.
4. i nogle tilfælde prøverne antager potentialer klart mere negativ end -100; straks inspicere prøver mere detaljeret (Se afsnit 5). Udføre dette trin også hvis potentialet varierer markant under eksponering til chlorid-gratis løsning.
Starte eksponering for chlorider.
1. Efter 1 - 2 uger i klorid-gratis løsning, erstatte eksponering løsning med en indstillet opløsning af 3,5% NaCl vægtprocent. Bruge deioniseret vand til at forberede denne chloridopløsning. Bruge et volumen svarende til den oprindelige chlorid-gratis løsning (samme dybden af nedsænkning) chloridopløsning. Luk eksponering tank med låg (anbefalet) at begrænse fordampningen af løsningen og relaterede ændringer i klorid koncentration.
2. Under chlorid eksponering, regelmæssigt (mindst en gang pr. 2 uger) kontrollere vandstanden med hensyn til prøverne. Hvis det er nødvendigt, tilsættes deioniseret vand. Grænse fornyer hele eksponering løsning til et minimum, fordi dette fremmer udvaskning af betonen.
3. Fortsæt overvågning potentialer af prøverne og regelmæssigt (på hver to gange om ugen) kontrollere tilstanden korrosion af hver prøve ved at vurdere potentialer registreres udviklingen over tid af hver prøve og ved at betragte kriteriet for korrosion indledning defineret i afsnit 3.5.
4. Efter 60 dage, øge koncentrationen af NaCl i løsningen på 7% efter vægt. Efter 120 dage, øge koncentrationen af NaCl i løsningen på 10% efter vægt. Efter dette, opretholde chlorid koncentration på dette niveau.
Evaluere de overvågede potentialer over tid for at afsløre korrosion indledning.
Bemærk: Under eksponeringen, prøverne udstiller typisk relativt stabile potentialer inden for ca + /-30 mV af de oprindelige værdier for eksponering for chlorid-gratis vand. Denne potentielle vifte vil blive omtalt som " passive niveau " heri ( figur 3). Det kan være forskellige for hver enkelt prøve.
1. Når de evaluerer de optagede stål potentialer under eksponeringen, bruge følgende kriterium for korrosion indledning til at kontrollere tilstanden korrosion af hver prøve. De følgende to betingelser skal være opfyldt for korrosion indledning (< stærk class = "xfig"> Figur 3):
  1. Check, hvis potentiale falder med mere end 150 mV fra passive niveau inden for en frist af 5 dage eller kortere.
  2. i de følgende 10 dage, check hvis potentiale er fortsat stabil på den opnåede negativt niveau falder yderligere, eller genopretter med højst 50 mV.
    Bemærk: For mere baggrund oplysninger om dette kriterium til påvisning af korrosion indledning Se diskussion.
2. Når dette kriterium for korrosion indledning er tilfreds, straks fjerne prøven fra eksponering løsning og fortsætte som beskrevet i afsnit 4. Dokumentere tid til korrosion indledning (t _ini) af denne prøve ( figur 3). Fortsat eksponering test med de resterende prøver.
3. Hvis den potentielle fald fra den passive niveau er mindre end 150 mV, observere prøven tæt over de kommende eksponeringstid. Hvis potentialet falder yderligere og opnår et stabilt niveau, betragte dette som en ændring i korrosion tilstand.
  1. Være særlig opmærksomme på sådanne prøver ved at kontrollere tilstanden korrosion med alternative målinger (f.eks. måling af lineære polarisering modstand ²²) eller ved at endelig analysere dem som beskrevet i afsnit 4. Hvis tidspunktet for korrosion indledning kan klart tilskrives, afviser prøven.
4. Hvis den potentielle drop udtales (overstiger 150 mV inden for et par dage), men efterfulgt af en stigning i potentiale i de følgende dage mod den oprindelige passiv niveau ( figur 3), forlader prøven i eksponeringen løsning til yderligere overvågning.
5. Lægge særlig vægt på situationer, hvor alle potentialer af prøverne udsat i den samme eksponering tank gennemgå samtidige ændringer i potentiale. Hvis dette sker, omgående kontrollere referenceelektrode, og ordne det eller erstatte det med en ny, hvis det er nødvendigt.
  Bemærk: Udveksle løsningen eller stigende klorid koncentration typisk fører til forskydninger i potentiale. Dette kan være relateret til oprettelse af forskellige diffusion potentialer på begge knudepunkter af eksponering løsning/referenceelektrode eller eksponering løsning/beton prøve ²³. Disse ændringer påvirker alle prøver udsat i den samme kampvogn på samme måde. De angiver ikke ændringer i tilstanden korrosion.
  Bemærk: Hvis referenceelektrode er ustabil eller lækager i løsningen, vil det udviser en drift. Som følge heraf vil alle overvågede stål potentialer viser samme tendens over tid. Dette indikerer ikke ændringer i tilstanden korrosion.

4. Prøve analyse efter korrosion indledning

Split prøve at fjerne den stål bar
1. Ved udbetaling af en prøve fra eksponering løsning, split (som i trin 4.1.2) konkrete kernen for yderligere analyser og visuel undersøgelse af den stål overflade og beton på stål-beton grænseflade.
2. Skære beton kernen fra dets bageste side (den ene ikke udsat for løsningen) med en vandkølet diamond kniven ( figur 4). Sørg for, at afsnittet er vinkelret på den bageste overflade og justeret parallelt med den styrkelse stål bar. For at undgå at beskadige den stål bar Kontroller, dybden af skæring er lavere (af ca. 10 mm) end beton dække tykkelsen på denne side.
3. Indsætter en mejsel eller en ligedannet værktøj og splitte den konkrete kerne i to halvdele; dette vil opdele beton omkring den stål bar
4. Forsigtigt fjerne den styrkelse stål bar fra betonen; dette efterlader de to halvdele af det konkrete eksempel med aftryk af stål bar ( figur 5 en).
Visuelt undersøge stål-beton grænseflade.
1. Straks dokument (fotografier, tegninger, osv) det visuelle udseende af stål-beton interface ved at undersøge både den stål overflade og stål bar sikkerhedsmærker i betonen. Være opmærksom på følgende.
2. Dokumentere placering og morfologi af korrosion.
  Bemærk: Kvadratnetsreference korrosion indledningsmeddelelsen som regel let kan identificeres af udfældet korrosion produkter ( figur 5 en). Markere antallet og placeringen af disse steder. Farven på korrosion produkter er også af interesse. De er typisk ved spaltning, mørke/sort/grønlig. Når de udsættes for luft, de bliver brune/red.
3. Check prøven for falsk korrosion indledning, dvs., korrosion, der har indledt på eller tæt på det stål bar ender. Hvis dette er tilfældet, afviser prøven og Bemærk at ingen C _crit kan bestemmes.
  Bemærk: Korrosion, der initierer under prøven på eller tæt på det stål bar slutter, dvs., inden for 15 mm stål bar ends, betragtes som falsk korrosion indledning. Dette kan skyldes sprække situationer, utilstrækkelig stål bar ende beskyttelsesforanstaltninger (fx, dårlige fuger påfyldning eller porøse epoxy belægning), eller fordi metalliske skrue kabelforbindelsen stikker stål bar (afsnit 2.2 og 2.3).
4. Dokument hulrum eller porerne i betonen. Tage til efterretning om placeringen af hulrum eller porer falder sammen med placering af korrosion indledning.
5. Dokumentere nogen særlige kendetegn som revner, honningtavler, grove aggregater, fremmedlegemer, binde ledninger, afstandsstykker, osv., i betonen og deres holdning med hensyn til placering af korrosion indledning.
Måle karbonatisering dybde.
1. Umiddelbart efter dokumentation, spray split Beton overflader med phenolphtalein løsning og bestemme karbonatisering dybde ²⁴.
  Bemærk: Det er afgørende at bemærke om karbonatisering dybde nåede den stål overflade, og hvis ikke, hvad afstanden af recarbonering dybde til stål bar. Dette oplyses sammen med resultaterne.
Udføre chlorid analyser og fastslå C _crit.
1. På begge halvdele af den konkrete core, fjerne de dele, der var epoxy-belagt med vandkølede diamant skæring ( figur 6 en).
2. Fra de opnåede prismer, fjerne beton i zonen cover med vandkølede diamant skære ned til 2 mm stål bar ( fig. 6 b). Tør beton ved 105 ° C natten.
3. Efterfølgende, slibe beton og indsamle den slibning pulver, tykkelsen af denne slibning skridt er 4 mm ( figur 6 c). Dette giver, fra hver halvdelen af den konkrete kerne, en stikprøve af beton pulver på en dybde af stål bar +/-2 mm.
4. Tør de opnåede konkrete pulver prøver ved 105 ° C til en konstant vægt. Analysere den syre-opløselige chlorid koncentration i tørrede beton pulveret standarder ⁷ ^, ⁸. Beregne gennemsnittet af de to værdier.
  Bemærk: Resultatet er chlorid indhold som en procentdel af vægten af konkrete.
5. Hvis cement indhold af beton i den specifikke prøve bruges til chlorid analyse kan fastlægges (f.eks. ved hjælp af egnede metoder ²⁵ ^, ²⁶ ^, ²⁷), konvertere chlorid indhold til procentdel af vægten af cement.
6. Dokumenterer resultatet af chlorid analyse, som er kritiske chlorid indhold C _crit for den specifikke prøve. Sørg for at angive, hvis værdien er udtrykt i procent af vægten af beton eller cement.
Dokumenterer resultaterne som en kontrolrapport for hver prøven.
1. Alle dokumenterede virkninger fra besigtigelse (afsnit 4.2) sammen med testresultater (indspillet potentialer over tid, tid til korrosion indledning, kulsyre dybde og C _crit).

5. Håndtere specielle situationer

Hvis negativ potentialer inden chlorid eksponering er overholdt, dvs., hvis den potentielle stål bliver klart negative under den indledende eksponering til chlorid-gratis løsning (punkt 3.3), give særlig opmærksomhed til den følgende.
1. Overveje en begivenhed af falske korrosion indledning.
  1. Bekræft falsk korrosion indledning ved at fjerne den stål bar slutter ved at skære i hver stål bar ende beton fra stikprøven (vandkølet diamant skæring). Fjerne op til ~ 20 mm beton på hver side.
  2. Foranstaltning igen potentiale af stål ved at placere en referenceelektrode ved hjælp af en fugtet svamp på udsatte beton overfladen og ved elektrisk henvendelse den stål bar klippe ansigt
  3. Hvis potentiale er stadig forholdsvis negative, afviser prøven.
  4. Hvis potentiale er i rækken af de passive niveauer af de andre prøver af den samme serie, overveje genbrug af prøven for at bestemme C _crit. I dette tilfælde fortsætte til trin 2.2 i protokollen. Ved rapportering af resultater, tyder på, at dette eksempel var mindre (kortere eksponeret stål bar længde) end de andre.
2. Hvis falsk korrosion indledningen kan udelukkes, kontrollere, om beton på stål dybden var allerede kulsyreholdige og overveje bestemmelse af chlorid koncentrationen på en stål dybde. Hvis kulsyre eller en meget høje chlorid koncentration forklarer indledningen af korrosion ved fugtning, dokumentere dette i betænkningen af testen og Bemærk at ingen C _crit kan bestemmes i denne sag.
  Bemærk: Dette kan forekomme, hvis beton på stål dybden var allerede kulsyreholdige og/eller indeholdt en tilstrækkelig mængde af chlorid at fremme korrosion ved befugtning. Dette kan være tilfældet, når prøverne blev taget fra en struktur i en tør periode, dvs., når ingen aktiv korrosion foregik i struktur og dermed ingen korrosion kunne påvises ved inspektion metoderne beskrevet i afsnit 1.

Representative Results

Figur 7 viser typiske stål potentialer overvåges under chlorid eksponering i laboratoriet. Begge eksempler viser, at potentialet kan falde betydeligt inden for meget kort tid, men at korrosion proces ikke kan endnu stabilt udbrede, som bliver tydeligt gennem en stigning af potentiale mod sin første passiv niveau. I denne protokol, er tidspunktet for korrosion indledning, dvs., det tidspunkt, hvor eksponeringen er stoppet og C_crit bestemmes, defineret af en markant potentielle drop efterfulgt af 10 dage af negative potentialer (se punkt 3.5.2 og Diskussionen for flere detaljer).

Det er almindeligt, at det kan tage flere måneder, indtil stabil korrosion indledning opstår. Dette afhænger også af den oprindelige chlorid indhold allerede er til stede i betonen når prøverne er taget fra strukturerne. I nogle tilfælde af eksperimenter hidtil udført, tog det mere end 1 år indtil korrosion indledt.

Figur 8 viser et eksempel på C_crit målt i 11 prøver taget fra mere end 40 år gamle vejtunnel i de schweiziske alper. Alle disse prøver var taget fra inden for et område med 1-2 m², således formentlig identisk produceret og udsat. I dette eksempel var chlorid indhold på den stål overflade på tidspunktet for prøveudtagningen ubetydelig. Derudover var karbonatisering front stadig langt fra den stål overflade.

Figur 9 viser to eksempler, hvor de potentielle stål faldt kraftigt ved udsættelse for den chlorid-gratis løsning. I en af disse særlige tilfælde konstateredes under efterfølgende (nedbrydende) behandlingen af prøven der beton på stål dybden var allerede kulsyre. Ved ankomsten af vand på den stål overflade, korrosion proces således straks begyndte. I andre tilfælde, falske korrosion indledning opstod på en af stål bar ender.

Figur 1 . Skematisk tegning af prøven taget fra en struktur og behandles i laboratoriet: (en) konkrete kerne med en integreret stykke forstærkende stål; (b) reducere konkrete coveret på den udsatte side og på bagsiden af vandkølede diamant skæring; (c) stål bar ende beskyttelse ved at fjerne nogle konkrete rundt stål og erstatte det med en tæt cement pasta/mørtel og efterfølgende epoxy belægning; og (d) epoxy-belægning på lateral ansigter og slutningen zoner af udsatte betonoverfladen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2 . Skematisk tegning af opsætningen for korrosion Test i laboratoriet. Viser placeringen af prøverne i eksponering tank. Afstandsstykkerne bruges til at sikre kontakt til eksponering løsning fra bunden prøveoverfladen. Alle prøver er tilsluttet en datalogger, måling af potentialet i hver prøve vs en referenceelektrode placeret i opløsningen eksponering. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3 . Skematisk tegning af mulige tid-udviklingstendenser i stål potentielle, der illustrerer kriteriet for korrosion indledning. I punkt 1, en potentiel falde med mindre end 150 mV fra oprindelige "passiv niveau" opstår; under punkt 2, forbi et potentiale på mindst 150 mV opstår, som er efterfulgt af repassivation; i punkt 3, drop et potentiale på mindst 150 mV opstår (indenfor en max. 5 dage) og den opnåede negative potentielle niveau fastholdes over 10 dage. På t_ini, trække eksemplet fra eksponering løsning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4 . Skematisk tegning illustrerer opskæring og opdeling af den konkrete prøve efter påvisning af korrosion indledning. Først, en "grøft" er skåret fra den bageste side, parallelt med den stål bar. Ved at indsætte en mejsel eller en ligedannet værktøj, kan skyttegrav bruges til at opdele prøven, som er angivet med pilene. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5 . Fotografier, der illustrerer analysen efter korrosion indledning. (en) de to halvdele af prøven efter opdeling, og (b) en rust spot er synlig på stålet overflade efter korrosion indledning. Fotografier fra forskellige prøver. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6 . Skematisk tegning illustrerer stikprøver af chlorid analyse efter korrosion indledning: (en) fjernelse af epoxy-belagt dele af split konkrete core (lilla = beskæringsplaner); (b) fjernelse af konkrete dækslet ned til 2 mm fra den stål overflade (lilla = beskæringsplanet); (c) slibning over en dybde interval på +/-2 mm stål bar dække dybde (rød = stikprøven volumen). Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 7 . Repræsentative eksempler på målte potentielle vs tid kurver. De typisk udtalt potentielle dråber, der kan følges op af en potentiel stigning (repassivation) indtil stabil korrosion indledning ifølge den foreslåede kriterium endelig indleder. (en) viser en sag, hvor potentialet stabiliserer på det negative niveau, og (b) er et eksempel hvor potentialet fortsat faldende i den undersøgte periode på 10 dage. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8 . Eksempel på C_crit Measured i 11 prøver taget fra inden for et lille konkrete område i et mere end 40 år gamle vej Tunnel i de schweiziske alper. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9 . Eksempler på markerede potentiale falder umiddelbart efter eksponering i klorid-gratis løsning. I ét tilfælde, beton på stål dybden var allerede kulsyreholdige, således ved ankomsten af vand på den stål overflade, korrosion proces begyndte straks, fører til et skarpt fald i potentiale. I andre tilfælde, falske korrosion indledning opstod på en af stål bar ender, som her førte til en mere gradvis potentielle fald. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

De mest kritiske trin for succes af den foreslåede forsøgsplan til at bestemme C_crit er dem, herunder foranstaltninger til at forhindre falske korrosion indledning og andre stål bar ende effekter. I denne forbindelse en række tiltag blev testet, blandt hvilke de her rapporterede protokol blev fundet til at give de bedste resultater²⁸. I yderligere test, er denne tilgang tilladt faldende sats i falsk indledningen til under 10%. På den ene side, dette er på grund af belægning grænseområdet i den udsatte betonoverflade med epoxy-harpiks, som øger længden af transport af chlorider gennem beton til stål bar slutter betydeligt. På den anden side forbedrer erstatter den oprindelige beton omkring den stål bar i dens ender med en tæt, stærkt alkalisk cementbundne gylle betydeligt korrosionsbestandighed i disse områder. Sådanne systemer, dvs., belægning stål bar ender med et lag af en polymer modificeret cementbundne materialer, har vist sig vellykket også i andre undersøgelser²⁹^,³⁰.

Et andet vigtigt aspekt er kriteriet for korrosion indledning. Dette kriterium er baseret på RILEM tekniske udvalg TC-235, der havde til formål at anbefale en metode til måling af C_crit i prøver fremstillet i laboratoriet³¹. Rationalet er at det er velkendt at debut af korrosion af unpolarized stål indlejret i beton kan foregå over en lang periode af tid i stedet for en veldefineret instant³⁰^,³². Stål kan starte korrosion ved relativt lave chlorid koncentrationer, men hvis disse ikke er i stand til at opretholde korrosion proces, repassivation vil forekomme, som fremgår af en potentiel stigning tilbage til den oprindelige passiv niveau. Sådanne depassivation-repassivation begivenheder er typisk observeret i tilsvarende undersøgelser³⁰^,³³^,³⁴. Chlorid-koncentration, målt i en periode med stabil korrosion er mere relevante for praksis end den tid, hvor de første tegn på mulige afvigelser fra de passive niveau bliver synlige. Med den foreslåede kriterium repræsenterer C_critchlorid koncentration som korrosion initierer og også stabilt overfører.

En begrænsning af metoden er, at prøverne er relativt små, som kan have indflydelse på resultaterne³⁵^,³⁶. For at modvirke dette, er det foreslået for at bruge et relativt højt antal prøver (ideelt 10). Niveau af tillid afhænger af den statistiske fordeling af C_crit i testområdet faktiske. For flere detaljer i den forbindelse henvise til reference³⁶. En yderligere begrænsning er, at fugtforhold i laboratoriet eksponering kan afvige fra dem af en faktiske struktur. Endelig, påvisning af korrosion indledningen kan være vanskeligt i tilfælde, hvor potentialet er generelt negativt, såsom i slaggen cement eller andre sulfid indeholdende bindemidler.

Til bedste af vores viden er dette den første metode til C_crit bestemmelse i engineering strukturer på et tidspunkt forud for korrosion indledning. I modsætning til empiriske erfaringer fra strukturer, som er pr. definition fremstillet efter korrosion indledning, kan denne metode bruges til at måle C_crit for specifikke strukturer eller strukturelle medlemmer før korrosion nedbrydning sker ; resultaterne kan således bruges til at vurdere risikoen for (fremtidig) korrosion og at forudsige den resterende tid til korrosion indledning (service liv modellering). Således, denne metode har potentiale til at blive brugt i materiale prøvning, svarende til etablerede metoder til mekanisk prøvning (trykstyrke, osv.)

Metoden er i øjeblikket anvendes til en række forskellige konkrete infrastrukturer i Schweiz. Dette vil udvide stærkt begrænset⁵ viden om statistiske fordelinger af C_crit i strukturer. Derudover vil det afsløre påvirkning af forskellige faktorer som alder af bygningskonstruktioner, byggematerialer, der anvendes, osv, og dermed give vigtige oplysninger for civilingeniører og beslutningstagere i infrastrukturforvaltningen.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Arbejdet beskrevet her blev delvist finansieret af den schweiziske føderale veje Office (forskningsprojekt AGB2012/010). Vi anerkender meget økonomisk støtte.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Engineering

Eksperimentel protokol til at bestemme chlorid tærskelværdien for korrosion i prøver udtaget af jernbeton strukturer

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.