Engineering

Experimentellt protokoll att bestämma klorid tröskelvärdet för korrosion i prover tagna från armerade betongkonstruktioner

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 föreslår en metod att mäta en parameter som är mycket relevant för korrosion bedömningar eller förutsägelser av armerad betong strukturer, med den största fördelen med tillåter testning av prover från tekniska strukturer. Detta säkerställer verkliga förhållanden på det stål-betong-gränssnittet, som är avgörande för att undvika artefakter av laboratorium-gjort prover.

Abstract

Åldrandet av armerad betong infrastruktur i de utvecklade länderna ålägger ett brådskande behov av metoder för att på ett tillförlitligt sätt bedöma tillståndet i dessa strukturer. Korrosion av den inbäddade armeringsstål är mest frekventerar orsakar för nedbrytning. Medan det är väl känt att en struktur förmåga att motstå korrosion beror starkt på faktorer såsom de material som används eller ålder är det vanligt att åberopa tröskelvärdena anges i standarderna eller läroböcker. Dessa tröskelvärden för korrosion inledande (C_krit) är oberoende av de faktiska egenskaperna hos en viss struktur, som tydligt begränsar noggrannheten i skick bedömningar och service life förutsägelser. Bruket att använda tabellerade värden kan spåras till bristen på tillförlitliga metoder för att bestämma C_krit på plats och i laboratoriet.

Här presenteras ett experimentellt protokoll att bestämma C_krit för enskilda engineering strukturer eller strukturella medlemmar. Ett antal armerad betong prover tas från strukturer och korrosion laboratorietester utförs. Den största fördelen med denna metod är att det säkerställer verkliga förhållanden om parametrar som är väl känt att kraftigt påverka C_krit, såsom det stål-betong-gränssnittet, som inte kan vara olikt härmade i laboratorium-producerade prover. Samtidigt tillåter den accelerera korrosionsprovningen i laboratoriet tillförlitlig bestämning av C_kritinnan korrosion behandling testade struktur; Detta är en stor fördel över alla gemensamma villkor bedömningsmetoder som endast tillåter uppskattning villkoren för korrosion efter initiering, dvsnär strukturen är redan skadade.

Protokollet ger den statistiska fördelningen av C_krit för testade struktur. Detta fungerar som en grund för probabilistisk prediktionsmodeller för den återstående tiden till korrosion, som behövs för underhållsplanering. Denna metod kan potentiellt användas i materiellt testa av civil infrastruktur, liknar etablerade metoder som används för mekanisk provning.

Introduction

Korrosion av stål i betong, utlöses av inträngning av klorider genom betongen, är den vanligaste orsaken till för tidig nedbrytning av förstärkt och pre stressad betongkonstruktioner och därmed presenterar en av de viktigaste utmaningarna i väg-och vattenbyggnad¹^,²^,³^,⁴. Industriländerna har vanligtvis en stor inventering av åldrande konkreta infrastrukturer, byggdes under andra hälften av förra seklet, och därmed med en historia av flera decenniers exponering för marint klimat eller avisning salter används på vägar. Att kunna tillförlitligt bedöma villkoret för dessa strukturer, dvs, risken för korrosion, utgör grunden för planeringen underhållsarbete och för infrastrukturhantering, i allmänhet.

Den etablerade metoden i teknik för att hantera klorid-inducerad stål korrosion i betong är baserad på en klorid tröskel värde (som också kallas kritiska klorid innehåll, C_krit)¹^,⁵^, ⁶. enligt detta koncept, korrosion initiering är tänkt att ske så snart klorid i betongen på stålytan överskrider tröskeln för C-_krit . Således lita att bedöma skicket på befintliga strukturer och uppskatta återstående livslängd vanligtvis på att bestämma kloridhalten på olika djup i betongen, särskilt på djupet av den inbäddade armeringsstål. Det finns ett antal tillförlitliga och standardiserade metoder för att mäta denna klorid-koncentration i prover av konkreta⁷^,⁸. Jämföra resultaten till C_krit utgör grunden för bedömning av risken för korrosion och planering typen och omfattningen av reparation åtgärder. Detta tillvägagångssätt kräver dock kunskap om C_krit.

Olika internationella standarder och rekommendationer, samt text böcker, föreskriver värden för C_krit¹^,³^,⁹^,¹⁰^,¹¹. Dessa är vanligtvis cirka 0,4% klorid viktprocent av cement, baseras på långvarig erfarenhet eller tidiga studier¹²^,¹³. Men är det väl känt att faktiska motståndet mot C_krit av en viss struktur eller strukturella medlem är starkt influerad av de material som används, vid en ålder av strukturen och av exponering historia och villkor¹ ^, ⁵. således är det allmänt accepterat att erfarenhet från en struktur endast bör tillämpas på andra strukturer med försiktighet.

Trots detta är det gemensamma tekniska praxis att använda tabellerade C_krit värden, oberoende av den faktiska strukturen. Detta kan förklaras genom enorma scatteren av C_krit i litteraturen och genom avsaknaden av tillförlitliga metoder för att bestämma C_krit på plats och i laboratorium⁵. Metoden att använda tabellerade tröskelvärden i hållbarhet bedömningar är i motsats till strukturella överväganden i skick bedömningar av åldrande betongkonstruktioner. I det senare fallet finns det ett antal standardiserade provningsmetoder att bestämma mekaniska egenskaper, såsom styrkan av material i strukturen (betong, armering), som ska användas i beräkningar av det strukturella beteendet.

I detta arbete presenteras ett experimentellt protokoll att bestämma C_krit på prover från engineering strukturer. Metoden är baserad på borrning kärnor av armerad betong i delar av betongkonstruktioner där korrosion ännu inte inlett. Dessa prov överförs till laboratoriet där de utsätts för en accelererad korrosionsprovning för att studera förutsättningarna för korrosion initiering. Den största fördelen med den föreslagna metoden är att proverna stamceller från strukturer och därmed uppvisar verkliga förhållanden rörande ett antal parametrar som är väl känt att kraftigt inflytande C_krit och som inte kan vara olikt härmade i laboratorium-producerade prover. Detta inkluderar typ och ålder av betong (unga laboratorium konkreta kontra mogen webbplats-producerade betong), typ och surface skick förstärkningen stålsätter användes vid konstruktion, och i allmänhet egenskaperna av stål-betong gränssnitt¹⁴. Tillsammans med noggrannheten hos laboratorium mätmetoder tillåter detta tillvägagångssätt tillförlitlig bestämning av C_krit för specifika strukturer eller strukturella medlemmar.

Tillämpning av det föreslagna protokollet säkerhetsteknisk praxis kommer - jämfört med den gemensamma praxisen att använda ett konstant värde för C_krit - förbättra noggrannheten av villkoret bedömningar och prediktiva kraften i modeller för att analysera den återstående livslängd. Den förväntade starka ökningen reparationsarbeten i vår byggd infrastruktur under de kommande decennier¹⁵ utgör ett brådskande behov av sådan förbättring i engineering av korrodera infrastrukturer.

Protocol

1. provtagning på Engineering struktur

Välj testa områden i konkreta struktur genom att beakta kommentaren nedan.
Obs: En testa område är det område där flera prover tas. Ett testområde bör placeras inom en strukturell ledamot (förmodligen från en betong parti), och uppvisar homogena exponering för miljön (exempelvis undvika betydande skillnader i provtagning höjd i kolumner eller väggar). Således kan flera testområden väljas inom ett engineering struktur. Som ett ytterligare krav måste provningsområdet vara fria från korrosionsskador. Detta kan kontrolleras på grundval av resultaten av etablerade inspektionsmetoder, inklusive oförstörande provning såsom potentiella mappning ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸. Observera att chloride penetration kan redan ha inträffat i de strukturella övervägs. Detta påverkar inte giltigheten av den mätmetod som beskrivs här, men kan påverka den tid som behövs för korrosion testning i laboratoriet.
Inom varje test på struktur, Välj platser för provtagning (mätplatser). Välj mätplatser som är fria från vaxkakor, sprickor, spjälkning eller andra tecken på lokalt dålig betong täcker kvalitet eller försämring.
1. Lokalisera armeringsstål barer i betongen med hjälp av en icke-förstörande, handhållen skannerenhet allmänt känd som " förstärkande stål detektor " ¹⁹. Flytta stål detektorn både i horisontell och vertikal riktningar över betong ytan inom provningsområdet och markera (med krita) varje förstärkning stålsätter bommar för tillfälligt på betongytan (grid formen).
2. Välj platser för Kärnborrning kärnor med en diameter av minst 150 mm. Markera och märka dem på betongytan (med krita). Undvik provtagning korsningar av armeringsjärn i kärnan. Välj platser på ett sådant sätt att stärka stål baren kommer att vara så centralt beläget som möjligt inom kärnan.
  Obs: Se till att välja dessa stålstänger som är av intresse för bedömning av strukturen (vanligtvis lagret med det lägsta luckan djupet); Det är särskilt viktigt att skilja mellan vertikalt och horisontellt orienterade barer som har påverkar på korrosion prestanda ²⁰.
3. Att ta hänsyn till variationen inneboende att C _krit, och för att kunna lämna statistiska uppgifter, Välj ett minimum av 5 (helst 10) platser för provtagning inom ett testområde.
4. Överväga strukturella konsekvenser med avseende på antal och placering av kärnor borras från strukturen för att undvika eventuella kritiska begränsning av denna konkurrensstruktur som orsakas av provtagning.
5. Dokumentera positionen för alla prover i de strukturella medlemsstaterna noggrant före provtagningen (fotografier, skisser visar avstånd till kanterna, etc.)
  Obs: Detta kan också omfatta dokumentation av hotellets uppmätta parametrar på dessa motsvarande platser såsom elektrokemiska stål potentialer ¹⁶ ^, ¹⁷ ^, ¹⁸, täcka djup mätningar ¹⁹, eller andra icke-destruktivt testresultat såsom konkreta resistivitet.
Borra de konkreta kärnorna (minsta diameter 150 mm) innehållande segmentet av armeringsstål enligt gemensamma förfaranden och standarder ²¹.
1. Att undvika att skada gränssnittet stål-betong, utföra core-borrningen noggrant (vattenkylda borrning, sharp borrning verktyg, etc.) justera djupet Kärnborrning beroende på konkreta kvaliteten och täcka djupet av den armeringsstål.
  Obs: som en tumregel, längden på kärnan bör vara minst 2 - 3 gånger täcka djupet. Detta tillåter normalt att bryta kärnan ur strukturen utan att skada det stål-betong-gränssnittet.
2. Ta bort flytande vattnet från betongkärna ytan. Märk tydligt kärnan med en vattentät krita markör.
3. Linda in kärnan i en diffusion tät folie att bevara fukt villkoren under transporten till laboratoriet.

2. Provberedning i laboratoriet

Obs: gäller dessa steg för varje prov (core) som tas från strukturen för att förbereda dem för laboratorietestning av korrosion. Detta tjänar till att påskynda den korrosionsprovning som (minska konkreta täcka), samtidigt bevara villkoren i kärnan och ger skydd mot oönskade slutet-effekter (t.ex., spaltkorrosion).

Justera konkreta locket på både framsidan och baksidan av borrade kärnan.
1. Minska konkreta omslaget på framsidan (som är den ursprungligen exponerade sidan) av vattenkylda diamond skärning för att få en slutlig konkreta täcka tjocklek av provet i intervallet 15-20 mm ( figur 1 en -b).
2. Se till att konkreta täcka tjockleken är enhetlig på sida att exponeras. Mäta konkreta omslaget i båda ändar av förstärkningen stål bar (dvs. på den laterala ytan av kärnan) med ett skjutmått. Om det behövs, använda skärning eller polering för att eliminera eventuella skillnader i locket tjocklek överstiger 1 mm.
3. Mäta tjockleken på betongen bakom förstärkningen stålsätter med ett skjutmått eller en linjal på den laterala ytan av kärnan och säkerställa att den är ~ 30-50 mm ( figur 1 b). Om det behövs, skär kärna med vattenkylda diamond skära.
  Obs: Ingen polering krävs på denna sida.
Upprätta en kabelanslutning och skydda förstärkningen stålsätter bar ändarna från falska korrosion initiering under exponeringen testning av följande förfarande figur 1 c.
1. Använd en coring borr med en inre diameter något större (av 2-4 mm) än diametern på förstärkningen stålsätter baren ta bort betongen direkt runt stålet vid varje bar slutet över en längd av högst 10 mm. Scratch rester av cement klistra ansluter sig till den stålytan med hjälp av lämpliga verktyg (metalliska spatel, liten mejsel, etc.)
2. borra ett litet hål i en av ändarna av stålstänger och använda en metallisk självgängande skruv fixar en kabel lug (ansluten till en kopparkabel) till stål bar. Kontrollera att kabel klacken trycks fast mot armeringsstål.
  Obs: Diametern på skruven bör vara något större (t.ex., med 0,1 - 0,2 mm) än den av hålet borras i stål att garantera en tät och fast anslutning.
3. Placera skruven tråden inom armeringsstål och säkerställa att det inte sticker ut den förstärkande stål delen på någon plats eftersom detta sannolikt kommer att påverka de elektrokemiska mätningarna och korrosion beteende.
  Obs: Detta kan säkerställas genom att använda korta skruvarna och genom att uppmärksamma riktning borra hålet (parallellt med axeln av stål). Det är lättare att borra parallellt med axeln av stål bar om skär stål baren är vinkelrät mot baren axel. Det är därför viktigt att armeringsjärn är centralt inom kärna ur, annars skär stål ansiktet inte är vinkelrät mot stål bar axel.
4. Använd inte lödning, punktsvetsning eller liknande tekniker för att upprätta elkabel anslutningen eftersom uppvärmning kan påverka stål eller stål-betong-gränssnittet i provet.
5. Fylla det tomrum som skapats around både stål bar slutar med en tät cement pasta/mortel/injekteringsbruk genom att försiktigt hälla suspensionen i hålen. Också bekläder skruv och lug av kabelanslutningen.
  1. Använd en polymermodifierad cement-baserad produkt för detta för att säkerställa god vidhäftning och slutet skydd.
    Obs: Det finns en rad kommersiella produkter marknadsförs som reparationsbruk eller liknande (se Tabell för material). Det är viktigt att produkten inte innehåller korrosionsinhibitor eller andra ämnen som påverkar elektrokemiska beteendet hos stålet.
  2. Kontrollera detta cement pasta/mortel/injekteringsbruk används och botade ordentligt, dvs enligt leverantören ' anvisningar.
Tillämpas en epoxi-beläggning för att begränsa den exponerade ytan.
1. Före beläggning, tillåta betongytan några dagars torkning vid rumstemperatur och inomhusklimat. Undvika aggressiv (t.ex., i ugnen) eller lång (mer än 1-2 veckor) torkning av kärnan eftersom detta kan ändra mikrostrukturen av betong (sprickor), och därmed påverka testresultaten.
2. Coat den laterala ytan av kärna med ett epoxiharts. Också bekläder förstärkningen stålsätter bar ändar och kabelanslutningen (skruv, kabel lug, etc.) ( figur 1 c - D).
3. Med den samma epoxiharts, också bekläder de slut delarna av exponerade betongytan vid sidan av kärnan, som var tidigare närmast strukturella betongytan ( figur 1 d). Lämna en utsatt (obestruket) längd längs stål baren på denna sida av 60-80 mm.
4. Lämna övre konkreta ansiktet obestruket (dvs, sidan motsatta exponerade sidan, jämför figur 1 d).
  Obs: Den epoxiharts som används bör vara lämplig för applicering på betong (stabil i alkaliska förhållanden, lätt att sprida, t.ex., med en borste, etc.)
5. applicera beläggningen, så att det bildar en tät diffusionsspärr mot den senare exponeringen till den klorid som innehåller lösningen. Se till att beläggningen tjocklek är minst 2 mm. Kontrollera att inga porer och hål är synliga i beläggning. Om det behövs, applicera flera lager av kådan.
6. Protokollet kan pausas här; Linda provet igen i en diffusion tät folie.

3. Korrosionsprovning

förbereda den setup för exponering för lösning.
1. Plats alla prover i en tank, med prov sidan uppvisar 15-20 mm konkreta täcka tjocklek nedåt. Montera proverna på små distanser att tillåta exponering av lösningen till proverna från undersidan ( figur 2).
2. Välj en tank med dimensioner som tillåter ett avstånd mellan de konkreta proverna och mellan proven och tank väggarna minst 4 cm; höjden på tanken är idealiskt i intervallet 15-30 cm.
Förbereda instrumenteringen för dataloggning.
1. Plats en referenselektrod i exponering lösningen ( figur 2).
  Obs: För en referenselektrod, någon typ av stabil referenselektrod lämplig för nedsänkning i exponering lösningen kan användas (till exempel en Ag/Granulatfyllda/KCl _satt referenselektrod). Särskilda åtgärder kan behövas att undvika kontamination av lösningen exponering av elektrolyten av referenselektrod och vice versa.
2. Ansluta alla prover till en automatiserad datalogger, som individuellt kan mäta potentialen av den förstärkande stålstänger vs. vanliga referenselektroden ( figur 2). Använd en datalogger med en ingång impedans som är högre än 10 ⁷ Ohm.
3. Ange mäta intervallet av dataloggen till minst 4 mätningar per dag för varje prov, prioriterat, använda ett intervall på 1 h för varje prov.
Starta exponering för klorid-free lösning.
Obs: Början av exponering för lösning motsvarar tid t ₀ = t = 0, för varje prov.
1. Fyll tanken med vatten (pH inom 6,5-8,0, klorid-fri, kvaliteten på dricksvatten). Se till att vattennivån är sådan att alla nedre sidorna av core proven är i kontakt med lösningen, men att de är inte helt nedsänkt (dvs. med övre provet ansiktet ovanför vattennivån). Upprätthålla kontakten mellan elektrod och exponering referenslösningen ( figur 2).
2. Omedelbart börja dataloggning, dvs mäta potentialen av alla prover vs. referenselektroden.
3. Övervaka potentialerna i över 1-2 veckor och anser att potentialerna förväntas nå stabila värden, i ett område som anger stål passivitet.
  Obs: Detta är vanligtvis cirka -100 till + 200 mV vs. Ag/Granulatfyllda/KCl _sat ¹.
4. i vissa fall proverna anta potentialer klart mer negativ än -100; omedelbart inspektera proverna i detalj (se avsnitt 5). Utför det här steget även om potentialen varierar markant under exponering till klorid-free lösning.
Starta exponering för klorider.
1. Efter 1 - 2 veckor i klorid-free lösning, ersätta exponering lösningen med en beredd lösning av 3,5% NaCl viktprocent. Använda avjoniserat vatten för att förbereda detta natriumkloridlösning. Använda en volym av natriumkloridlösning motsvarar den första klorid-free lösningen (samma djup nedsänkning). Stäng den exponering tanken med lock (rekommenderas) om du vill begränsa avdunstning av lösningen och relaterade ändringar i klorid koncentration.
2. Under klorid exponering, regelbundet (minst en gång per 2 veckor) kontrollera vattennivån med avseende på proverna. Om det behövs, Tillsätt avjoniserat vatten. Gränsen förnya hela exponering lösningen till ett minimum eftersom detta främjar urlakning av betong.
3. Fortsätt övervakning potentialen av proverna och regelbundet (på vardera två gånger i veckan) kontrollera korrosion tillståndet i varje prov genom att utvärdera potentialer inspelade utveckling över tiden för varje prov och genom att betrakta kriteriet för korrosion initiering definitionen i avsnitt 3.5.
4. Efter 60 dagar, öka koncentrationen av NaCl i lösningen på 7% viktprocent. Efter 120 dagar, öka koncentrationen av NaCl i lösningen till 10% av vikten. Efter detta, upprätthålla klorid koncentrationen på denna nivå.
Utvärdera de övervakade potentialerna över tiden för att upptäcka korrosion initiering.
Obs: Under exponering, proverna vanligtvis uppvisar relativt stabil potentialer inom ca +/-30 mV av startvärdena i exponering för klorid-gratis vatten. Denna potentiella utbud kommer att betecknas som " passiv nivå " häri ( figur 3). Det kan vara olika för varje enskilt prov.
1. När du utvärderar de inspelade stål potentialerna under exponering, använda följande kriterium för korrosion initiering för att kontrollera korrosion tillståndet av varje prov. Följande två villkor måste uppfyllas för korrosion initiering (< stark klass = ”xfig”> Figur 3):
  1. Kontrollera om potential minskar med mer än 150 mV från passivummen nivå inom en tidsperiod av 5 dagar eller kortare.
  2. Under de följande 10 dagarna, check om potential förblir stabil på negativa uppnått, minskar ytterligare, eller återvinner med högst 50 mV.
    Obs: För mer bakgrund se information om detta kriterium för detektion av korrosion inledande diskussion.
2. När detta kriterium för korrosion initiering är uppfyllt, omedelbart ta bort provet från exponering lösningen och fortsätt enligt beskrivningen i avsnitt 4. Dokumentera tid att korrosion inledande (t _ini) av exemplet ( figur 3). Fortsätta testet exponering med resterande prover.
3. Om potentiella minskningen från passiv nivå är mindre än 150 mV, noggrant provet över kommande exponeringstiden. Om potential minskar ytterligare och uppnår en stabil nivå, betrakta detta som en förändring i korrosion tillstånd.
  1. Var särskild uppmärksam på sådana prover genom att kontrollera korrosion staten med alternativa mätningar (t.ex., mäta linjär polarization motstånd ²²) eller genom att slutligen analysera dem som beskrivs i avsnitt 4. Om tidpunkten för korrosion inledande inte tydligt hänföras, avvisa provet.
4. Om den potentiella droppe uttalas (överstiger 150 mV inom några dagar), men följt av en ökning av potential under de följande dagarna mot den ursprungliga passiva nivån ( figur 3), lämna provet i exponeringen lösning för ytterligare övervakning.
5. Ägna särskild uppmärksamhet åt situationer där alla potentialer av de prover som exponeras i samma exponering tanken genomgår samtidiga ändringar i potential. Om detta inträffar omedelbart kontrollera referenselektroden, och fixa det eller ersätta det med ett nytt om det behövs.
  Obs: Utbyte av lösningen eller öka klorid koncentrationen vanligtvis leder till förskjutningar i potential. Detta kan relateras till att fastställa olika diffusion potentialer båda knytpunkter lösning/referenselektrod av exponering eller exponering lösning/betong prov ²³. Dessa ändringar påverkar alla prover exponeras i samma tanken likaså. De visar inte ändringar i tillståndet korrosion.
  Obs: Om referenselektroden är instabil eller läcker i lösningen, det ställer ut en drift. Följaktligen visar alla övervakade stål potentialer samma trend över tid. Detta tyder inte ändringar i tillståndet korrosion.

4. Prov analys efter korrosion inledande

Split provet ta bort den stål baren
1. Vid uttag av ett prov från exponering lösningen, split (som i steg 4.1.2) konkreta kärnan för ytterligare analyser och för visuell undersökning av stålytan och betongen i stål-betong-gränssnittet.
2. Skär konkreta kärnan från dess baksida (den som inte utsätts för lösningen) med en vattenkyld diamond klippkniv ( figur 4). Kontrollera att avsnittet är vinkelrät mot den bakre ytan och arrangera i rak linje parallellt med förstärkningen stålsätter baren. För att undvika att skada stålstång Kontrollera att djup skärning är lägre (av ca 10 mm) än konkreta täcka tjockleken på denna sida.
3. Infoga en mejsel eller liknande verktyg och dela upp konkreta kärnan i två halvor; detta kommer dela upp betongen runt den stål baren
4. Försiktigt bort förstärkningen stålsätter bar från betongen; detta lämnar de två halvorna av konkreta provet med avtryck av stål bar ( figur 5 en).
Visuellt undersöka gränssnittet stål-betong.
1. Omedelbart dokument (fotografier, ritningar, etc.) det visuella utseendet av stål-betong-gränssnittet genom att undersöka både stålytan och stål bar avtryck i betongen. Uppmärksamma följande.
2. Dokumentera läge och morfologi av korrosion.
  Obs: Industriområden korrosion insättande vanligtvis lätt kan identifieras av utfällda korrosionsprodukter ( figur 5 en). Markera antal och placering av dessa fläckar. Färgen på korrosionsprodukterna är också av intresse. Vid uppdelning är de oftast mörk/svart/grön. När utsätts för luft, blir de bruna/red.
3. Kontrollera med förlagan för falska korrosion initiering, dvs korrosion som har inletts på eller nära den stål bar slutar. Om så är fallet, avvisa provet och notera att ingen C _krit kan fastställas.
  Obs: Korrosion som initierar under testet på eller nära den stål bar slutar, dvs 15 mm av stål bar ändar, anses falska korrosion initiering. Detta kan bero på skreva situationer, otillräcklig stål bar slutet skyddsåtgärder (t.ex., dålig injekteringsbruk fyllning eller porösa epoxibeläggning) eller eftersom metalliska skruv för kabelanslutningen sticker stål bar (avsnitt 2.2 och 2.3).
4. Dokument håligheter eller porer i betongen. Notera om placeringen av håligheter eller porer sammanfaller med belägenheten av korrosion initiering.
5. Dokumentera eventuella särdrag såsom sprickor, honungskakor, grov ballast, främmande föremål, knyt trådarna, distanser, osv., i betong och deras ståndpunkt när det gäller belägenheten av korrosion initiering.
Mäta kolsyran djupet.
1. Omedelbart efter dokumentation, spraya de split betongytor med fenolftalein lösning och avgöra den kolsyra djup ²⁴.
  Obs: Det är viktigt att notera om kolsyran djup nått stålytan, och om inte, vilken distansera av kolsyran djupet till stål bar. Detta måste anmälas tillsammans med resultaten.
Utföra klorid analyser och bestämma C _krit.
1. Ta bort de delar som var epoxy-överdrag med hjälp av vattenkylda diamond skära ( figur 6 en) på båda halvorna av konkreta kärnan,.
2. Från de erhållna prismorna, ta bort betongen i zonen locket med hjälp av vattenkylda diamond skära ned till 2 mm till stål bar ( figur 6 b). Torka betongen vid 105 ° C över natten.
3. Därefter slipa betongen och samla slipning pulvret; tjockleken på denna slipsteget är 4 mm ( figur 6 c). Detta ger, från vardera hälften av konkreta kärnan, ett urval av betong pulver på djupet av stål baren +/-2 mm.
4. Torr erhållna betong pulver proverna vid 105 ° C till konstant vikt. Analysera koncentrationen av syra-lösliga klorid i det torkade betong pulvret enligt standarder ⁷ ^, ⁸. Beräkna medelvärdet av de två värdena.
  Obs: Resultatet är kloridhalten i procent av vikten av betongen.
5. Om cement innehållet av betong i det särskilda prov som används för klorid analys kan bestämmas (t.ex., med hjälp av lämpliga metoder ²⁵ ^, ²⁶ ^, ²⁷), konvertera kloridhalten till andel av vikten av cement.
6. Dokumentera resultatet av klorid analysen, som är den kritiska kloridhalten C _krit för särskilda provet. Se till att ange om värdet uttrycks i termer av procent i vikt av betong eller vikt cement.
Dokumentera resultaten som en testrapport för varje prov.
1. Rapportera alla dokumenterade effekter från okulärbesiktningen (avsnitt 4.2) tillsammans med testresultaten (inspelade potentialer över tid, tid att korrosion initiering, kolsyran djup och C _krit).

5. Hantera särskilda situationer

om negativ potential före klorid exponering observeras, dvs om stålet potentiella blir tydligt negativ under den inledande exponeringen för klorid-free lösning (avsnitt 3.3), ta särskild hänsyn till följande.
1. Överväga en händelse om falska korrosion inledande.
  1. Kontrollera falska korrosion inledande genom att ta bort stål baren slutar genom att skära i varje stål bar slut betongen från provet (vattenkylda diamond skära). Ta bort upp till ~ 20 mm betong på varje sida.
  2. Åtgärd igen potential av stål genom att placera en referenselektrod med hjälp av en fuktad svamp på exponerade betongytan och genom att elektriskt kontakta den stål bar klippa ansikte
  3. Om potentialen är fortfarande jämförelsevis negativa, avvisa provet.
  4. Om potentialen är i spänna av de passiva nivåerna av andra proverna i samma serie, överväga att åter använda provet för att bestämma C _krit. I detta fall vidare till steg 2.2 i protokollet. Vid rapportering av resultaten, tyder på att detta prov var mindre (kortare utsatt stål bar längd) än de andra.
2. Om falska korrosion initiering kan uteslutas, kontrollera om betongen på stål djup var redan kolsyrade och överväga att fastställa klorid koncentrationen på stål djup. Om kolsyran eller en mycket hög klorid koncentration förklarar inledandet av korrosion vid fuktning, dokumentera detta i betänkandet av testet och Observera att ingen C _krit kan fastställas i detta fall.
  Obs: Detta kan inträffa om betongen på stål djup var redan kolsyrat eller innehöll en tillräcklig mängd klorid att främja korrosion vid fuktning. Detta kan vara fallet när togs prover från en struktur i en torr period, dvs när ingen aktiv korrosion förekommer i strukturen och därmed ingen korrosion kunde upptäckas genom inspektion metoderna som beskrivs i avsnitt 1.

Representative Results

Figur 7 visar typiska stål potentialer övervakas under klorid exponering i laboratoriet. Båda exemplen visar att potentialen kan sjunka avsevärt inom en mycket kort tid, men att korrosionsprocessen inte kan ändå stabilt propagera, vilket blir uppenbart genom en ökning av potential mot dess ursprungliga passiv nivå. I detta protokoll, definieras tiden av korrosion initiering, dvs, den tidpunkt då exponering är stoppad och C_krit bestäms, av en markerade potentiell nedgång följt av 10 dagar av negativ potential (se avsnitt 3.5.2 och Diskussion för mer detaljer).

Det är vanligt att det kan ta flera månader tills stabil korrosion inledande inträffar. Detta beror också på den inledande kloridhalten som redan finns i betongen när proverna tas från strukturerna. I vissa fall av de experiment som hittills genomförts, tog det mer än 1 år tills korrosion initieras.

Figur 8 visar ett exempel på C_krit mätt i 11 prover från en mer än 40 år gamla vägtunnel i de schweiziska Alperna. Alla dessa prover tas från inom ett område på 1-2 m², således förmodligen identiskt producerades och utsatt. I det här exemplet var kloridhalten vid stålytan vid tidpunkten för provtagningen försumbar. Dessutom var kolsyran framsidan fortfarande långt ifrån stålytan.

Figur 9 visar två exempel där stålet potentiella minskade kraftigt efter exponering för klorid-fri lösningen. I en av dessa specifika fall konstaterades under den efterföljande (destruktiva) granskningen av provet att betongen på stål djup redan var kolsyrat. Vid ankomsten av vatten på stålytan, korrosionsprocessen således omedelbart igång. I andra fall, falska korrosion inledande inträffade på en av stål bar ändar.

Figur 1 . Schematisk ritning av de prov som tas från en struktur och behandlat i laboratoriet: (en) betongkärna med en inbäddad del av armeringsstål; (b) att minska konkreta omslaget på den exponerade sidan och på baksidan av vattenkylda diamond skärning; (c) stål bar slutet skydd genom att ta bort några konkreta runt stålet och ersätta den med en tät pasta/cementbruk och efterföljande epoxibeläggning; och (d) epoxi-beläggning på sidokanter och på slutet zonplanerar av exponerade betongytan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2 . Schematisk ritning av installationsprogrammet för korrosionsprovningen i laboratoriet. Detta visar placeringen av proverna i exponering tanken. Distanser används för att säkerställa kontakt till exponering lösning från provet bottenytan. Alla prover är anslutna till en datalogger, mäta potentialen i varje prov vs. en referenselektrod placeras i exponering lösningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3 . Schematisk ritning av möjliga tid-evolutionerna av det stål potentiella som illustrerar kriteriet för korrosion initiering. Vid punkt 1, släppa en potential av mindre än 150 mV från inledande ”passiv nivå” uppstår; på punkt 2, släppa en potential av minst 150 mV uppstår, som följs av repassivation; vid punkt 3, släppa en potential på minst 150 mV uppstår (inom en max. 5 dagar) och negativa potentiella uppnått är ihållande under 10 dagar. På t_ini, att frånträda exponering lösningen provet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4 . Schematisk ritning som illustrerar styckning och uppdelning av konkreta provet efter upptäckt av korrosion initiering. Först skärs ett ”dike” från baksidan, parallellt med stål baren. Genom att sätta en mejsel eller ett liknande verktyg, kan diket användas för att dela upp provet som anges av pilarna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5 . Fotografier som illustrerar provanalys efter korrosion initiering. (en) de två halvorna av provet efter delning och (b), en rost fläck syns på stålets yta efter korrosion har inletts. Fotografier från olika prover. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6 . Schematisk ritning som illustrerar provtagningen för klorid analys efter korrosion initiering: (en) avlägsnande av epoxy-överdrag delar av split konkreta kärnan (lila = skärande plan); (b) avlägsnande av den konkreta luckan ner till 2 mm från stålytan (lila = skärande planet); (c) slipning över en djup intervall på +/-2 mm av stål bar luckan djup (röd = samplade volym). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 7 . Representativt exempel på uppmätta potentiella vs. tid kurvor. Vanligen uttalad potentiella dropparna som kan följas av en potentiell ökning (repassivation) tills stabil korrosion inledande enligt det föreslagna kriteriet slutligen initierar. (en) visar ett fall där potentialen stabiliserar på negativ nivå, och (b) är ett exempel där potentialen fortsätter minska studerade under 10 dagar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8 . Exempel på C_krit mätt i 11 Prover tagna från inom ett litet konkret område i en mer än 40 år gamla vägen Tunnel i de schweiziska Alperna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9 . Exempel på markerade Potential minskar omedelbart vid exponering i klorid-free lösning. I ett fall betongen på stål djup var redan kolsyrat, således vid ankomsten av vatten på stålytan, korrosionsprocessen började genast, vilket leder till en kraftig minskning av potential. I andra fall, falska korrosion inledande inträffade på en av stål bar ändar, som här ledde till en mer gradvis potentiella minskning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

De mest kritiska steg för att lyckas med det föreslagna experimentellt protokollet att bestämma C_krit är de inklusive de åtgärder som vidtagits för att förhindra falska korrosion initiering och andra stål bar slutet effekter. I detta avseende en mängd metoder prövades, bland vilka hittades här redovisade protokollet för att ge de bästa resultat²⁸. I ytterligare tester tillåts detta tillvägagångssätt minskar andelen falska inledande till under 10%. Dels, detta är på grund av beläggning gränsområdet i exponerade betongytan med epoxiharts, vilket ökar längden på transport av klorider genom betongen till stål bar slutar betydligt. Däremot, förbättrar ersätta den ursprungliga betongen runt stål baren i dess ändar med en tät, starkt alkaliska cementbaserade flytgödsel avsevärt korrosionsbeständighet i dessa områden. Sådana system, dvsbeläggning stål bar slutar med ett lager av polymermodifierad cementbaserade material, har visat sig framgångsrika även i andra studier²⁹^,³⁰.

En annan viktig aspekt är kriteriet för korrosion initiering. Detta kriterium bygger på RILEM tekniska kommittén TC-235 som syftar till att rekommendera en Provningsmetod för mätning av C_krit i prover som tillverkas i laboratoriet³¹. Syftet är att det är väl känt att uppkomsten av korrosion av unpolarized stål inbäddade i betong kan ske under en lång period av tid i stället för en väldefinierad instant³⁰^,³². Stål kan börja korrodera vid relativt låg klorid koncentrationer men om dessa inte kan upprätthålla korrosionsprocessen, repassivation kommer att inträffa, vilket blir uppenbart av en potentiell ökning tillbaka till den ursprungliga passiva nivån. Sådana depassivation-repassivation händelser observeras vanligtvis i liknande studier³⁰^,³³^,³⁴. Klorid koncentrationen mätt samtidigt stabil korrosion är mer relevant för praktiken än den tid som de allra första tecknen på eventuella avvikelser från passiv nivå blivit uppenbart. Med det föreslagna kriteriet representerar C_kritklorid koncentrationen vid vilken korrosion initierar och också stabilt propagerar.

En begränsning i metoden är att proverna är relativt små, vilket kan inverka på den results³⁵^,³⁶. För att motverka detta, föreslås för att använda ett relativt högt antal prover (helst 10). Förtroendet beror på den statistiska fördelningen av C_krit i området själva provet. För mer detaljer i detta avseende avser referera³⁶. En ytterligare begränsning är att fukt förhållandena i laboratoriet exponeringen kan skilja sig från de av en faktiska struktur. Slutligen, detektion av korrosion inledande kan vara svårt i fall där potentialen är generellt negativt, såsom i slagg cement eller andra svavelväte som innehåller bindemedel.

Till bäst av vår kunskap är detta den första metoden för C_krit bestämning i engineering strukturer i ett skede innan korrosion. I motsats till empirisk erfarenhet från strukturer, som per definition erhålls efter korrosion initiering, kan denna metod användas att mäta C_krit för specifika strukturer eller strukturella medlemmarna innan korrosion nedbrytning sker ; resultaten kan således användas för att bedöma risken för (framtida) korrosion och förutsäga den återstående tiden till korrosion initiering (service life modellering). Således, denna metod har potential att användas i material testning, liknar etablerade metoder som används för mekanisk provning (tryckhållfasthet, etc.)

Metoden används för närvarande ett antal olika konkreta infrastrukturer i Schweiz. Detta kommer att bredda starkt begränsad⁵ kunskap om statistiska fördelningar av C_krit i strukturer. Dessutom kommer avslöja påverkan av olika faktorer såsom ålder av strukturer, byggmaterial som används, osv, och därmed ge viktig information för civilingenjörer och beslutsfattare i förvaltningen av infrastrukturen.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Arbetet beskrivs här finansierades delvis av det schweiziska federala kontoret för vägar (forskningsprojekt AGB2012/010). Vi erkänner kraftigt ekonomiskt stöd.

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

Experimentellt protokoll att bestämma klorid tröskelvärdet för korrosion i prover tagna från armerade betongkonstruktioner

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.