Badania przyczyn i szybkości korozji zbrojenia w betonie

Niniejsza praca dotyczy zagadnień diagnostyki korozji zbrojenia stali w betonie w zakresie zarówno oceny właściwości ochronnych betonu wobec stali, jak i samej destrukcji korozyjnej zbrojenia.

W rozdziale drugim przedstawiono zagadnienia dotyczące elektrod z elektrochemicznego punktu widzenia, ich potencjału i możliwości wykorzystania. Udowodniono, że zbrojenie jest elektrodą, która w środowisku „zdrowego" betonu o wysokim odczynie bez silnych depolaryzatorów nie będzie korodować. Karbonatyzacja betonu lub penetracja chlorków mogą spowodować depasywację powierzchni zbrojenia i korozję stali. Przedstawiono także skutki, jakie może wywołać zaawansowana korozja zbrojenia, wraz z przykładami.

W rozdziale trzecim opisano przyczyny, które powodują utratę właściwości ochronnych betonu wobec stali. Omówiono mechanizm utraty pasywności powierzchni zbrojenia związany z poszczególnymi rodzajami czynników korozjotwórczych oraz przed-stawiono niejednoznaczne graniczne wartości odczynu cieczy w porach i stężenia jonów chlorkowych, przy których uznaje się, że powinny rozpocząć się procesy korozyjne zbrojenia. Przedstawiono oraz skomentowano metody niszczące i nieniszczące określania odczynu betonu i stężenia w nim chlorków. Sprawdzono w długotrwałych badaniach własnych budzące duże zainteresowanie czujniki potencjometryczne, które wykazały ich słabą skuteczność w określaniu wartości pH czy stężenia chlorków przy zmiennych warunkach wilgotnościowych betonu. Zaprezentowano własne badania eksperckie właściwości ochronnych betonu w rzeczywistych obiektach basenowych.

W rozdziale czwartym zdefiniowano szybkość korozji, którą powiązano z gęstością prądu korozyjnego. Omówiono metody elektrochemiczne, tj. oporu polaryzacji, elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej i impulsu galwanostatycznego, umożliwiające określenie szybkości korozji. Przedstawiono czynniki i ich sposób oddziały-wania na beton, które wpływają na rejestrowane w badaniach elektrochemicznych wielkości elektryczne. Zestawiono obecnie stosowane techniki i urządzenia pomiarowe przy badaniach realizowanych na konstrukcjach. Uwzględniając ich ograniczenia, zaproponowano wykonywanie badań w laboratorium na rdzeniach betonowych wyciętych z konstrukcji zawierających fragmenty drugorzędnego zbrojenia. Opisano indywidualnie zmodyfikowany układ trójelektrodowy wykorzystywany w badanach polaryzacyjnych, w którym przecięte pręty są elektrodą badaną, elektrodą odniesienia jest stała quasi-elektroda umieszczana w otworze wykonanym w próbce, a przeciwelektrodą jest nakładana na pobocznicę rdzenia powłoka przewodząca z autorskim składem mieszaniny. Opisano i omówiono przeprowadzone badania na wyciętych rdzeniach betonowych eksponowanych w komorze klimatycznej.

W rozdziale piątym przedstawiono procedurę określania przedziału czasowego, w którym element żelbetowy przestanie mieć spełnione warunki stanów granicznych. Przedział czasowy ustala się na podstawie dwóch skrajnych wartości gęstości prądu korozyjnego uzyskanych w badaniach polaryzacyjnych prowadzonych na rdzeniach umieszczanych w komorze klimatyczno-korozyjnej w warunkach sprzyjających i niesprzyjających rozwojowi korozji. Zaprezentowano własne badania wykorzystujące powyższą procedurę do określenia aktualnego stanu technicznego obiektów z korodują-cym zbrojeniem. Ponadto zaprezentowano i omówiono długotrwałe badania własne wpływu czynników klimatycznych na mierzoną gęstość prądu korozyjnego. Wyciągnięte z badań wnioski pozwoliły na zaproponowanie rozwiązań czujników korozyjnych umożliwiających pomiar szybkości korozji, przewodności i temperatury na różnych poziomach grubości otulenia betonowego. Taki rodzaj czujników z możliwością wykorzystania w monitorowaniu korozyjnym konstrukcji pozwala na oszacowanie trendu zmian szybkości korozji i podjęcie prawidłowej decyzji o ewentualnym rozpoczęciu koniecznych prac remontowych. 

SPIS TREŚCI

WAŻNIEJSZE OZNACZENIA 9
1. WPROWADZENIE 11

2. POTENCJAŁY ELEKTRODOWE A KOROZJA STALI W BETONIE 14

2.1. Ogniwa elektrochemiczne 14
2.2. Rodzaje elektrod 19
2.2.1. Elektrody gazowe 20
2.2.2. Elektrody odwracalne względem kationu (I rodzaju) 21
2.2.3. Elektrody odwracalne względem anionu (II rodzaju) 23
2.2.4. Stałe elektrody odniesienia 26
2.2.5. Elektrody jonoselektywne i pomiar pH 30
2.3. Zbrojenie jako ogniwo elektrochemiczne 33
2.3.1. Pasywacja powierzchni stali w betonie. Wykresy Pourbaix 33
2.3.2. Stan aktywny — ogniwo korozyjne 39
2.3.3. Korozja w rysie otuliny betonowej 43
2.4. Skutki korozji zbrojenia 46
2.4.1. Zmniejszenie przekroju poprzecznego 46
2.4.2. Utrata właściwości plastycznych i wytrzymałości stali 48
2.4.3. Utrata przyczepności stali do betonu 50

3. PRZYCZYNY KOROZJI ZBROJENIA W BETONIE I ICH IDENTYFIKACJA 52

3.1. Środowiska korozyjne 52
3.2. Depasywacja powierzchni zbrojenia 53
3.2.1. Depasywacja spowodowana karbonatyzacją 53
3.2.2. Depasywacja powierzchni stali jonami chlorkowymi 54
3.2.3. Wartości graniczne agresji środowiska korozyjnego 58
3.3. Metody określania odczynu cieczy w porach betonu 62
3.3.1. Metody niszczące 62
3.3.2. Metody nieniszczące 70
3.4. Metody określania stężenia jonów chlorkowych w betonie 81
3.4.1. Metody niszczące 81
3.4.2. Metody nieniszczące 85
3.5. Badania własne czujników potencjometrycznych 94
3.5.1. Zakres i przebieg badań 95
3.5.2. Wyniki badań i ich analiza 98
3.5.3. Wnioski  102
3.6. Przykłady własnych badań w istniejących konstrukcjach 103
3.6.1. Niecka basenu I 103
3.6.2. Niecka basenu II z plażą 107

4. OKREŚLANIE SZYBKOŚCI KOROZJI ZBROJENIA W BETONIE 111

4.1. Szybkość korozji  111
4.2. Określenie szybkości korozji na podstawie krzywych polaryzacji  113
4.2.1. Podstawy pomiaru 113
4.2.2. Wyznaczanie prądu korozyjnego na podstawie krzywej polaryzacji   114
4.3. Inne elektrochemiczne metody określania szybkości korozji  119
4.3.1. Elektryczne obwody zastępcze 119
4.3.2. Metoda impulsu galwanostatycznego 121
4.3.3. Metoda elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej 125
4.3.4. Wyznaczenie prądu korozyjnego bez krzywej polaryzacji  130
4.4. Czynniki wpływające na szybkość korozji  131
4.4.1. Wpływ przewodności ośrodka (betonu)  131
4.4.2. Wpływ dyfuzji reagentów 137
4.5. Technika wykonywania badań 140
4.5.1. Badania w konstrukcji  141
4.5.2. Badania w laboratorium 151
4.6. Autorska adaptacja układu trójelektrodowego do badań w betonie  153
4.6.1. Budowa układu trójelektrodowego na rdzeniach 155
4.6.2. Badania autorskiej powłoki przewodzącej  157
4.6.3. Badania sprawdzające układu trójelektrodowego 158
4.6.4. Wyniki i analiza badań 160
4.6.5. Wnioski  161

5. METODY OKREŚLANIA MIARODAJNEJ SZYBKOŚCI KOROZJI ZBROJENIA 164

5.1. Zmienność i modelowanie szybkości korozji w czasie 164
5.2. Badania własne zmienności szybkości korozji w betonie 166
5.2.1. Wpływ zmian wilgotności i temperatury na szybkość korozji  166
5.2.2. Wpływ sposobu pomiaru przewodności betonu 174
5.2.3. Wnioski  183
5.3. Określenie miarodajnej szybkości korozji zbrojenia na wyciętych rdzeniach  183
5.3.1. Określenie szybkości korozji zbrojenia na podstawie przewodności betonu 184
5.3.2. Metoda określenia szybkości korozji zbrojenia na podstawie symulacji klimatycznych 186
5.3.3. Ocena nośności konstrukcji żelbetowej w warunkach korozji zbrojenia 188
5.3.4. Wnioski  191
5.4. Przykłady analizy miarodajnej szybkości korozji zbrojenia  192
5.4.1. Zbiorniki na wodę pitną 192
5.4.2. Silosy na cement 198
5.5. Monitorowanie konstrukcji żelbetowych 202
5.5.1. Monitorowanie prawdopodobieństwa korozji zbrojenia 203
5.5.2. Czujniki do pomiaru szybkości korozji zbrojenia 205
5.5.3. Wnioski 211 5.6. Rozwiązania własne czujników korozji zbrojenia 212
5.6.1. Rozwiązania własne czujników korozyjnych w nowych konstrukcjach 212
5.6.2. Rozwiązania własne czujników korozyjnych w istniejących konstrukcjach 216

6. PODSUMOWANIE 227

BIBLIOGRAFIA 232
Publikacje 232
Patenty i zgłoszenia patentowe 252
Normy, wytyczne, instrukcje 254
Materiały firmowe, strony internetowe 254
Prace eksperckie 255
Streszczenie 256