Nieniszcząca ocena zagrożenia korozyjnego stali zbrojeniowej.PDF

awaRIe budowlane

Nieniszcząca ocena zagrożenia

korozyjnego stali zbrojeniowej

z wykorzystaniem pomiaru

oporności betonu

Mgr inż. Łukasz Sadowski, Instytut budownictwa, Politechnika wrocławska

Prof. Stephen Millard, department of engineering, university of liverpool

1. Wprowadzenie

korozyjnego zbrojenia za pomocą

dwóch metod pomiaru oporności

betonowej otuliny. Wykorzystano

znaną metodę Wennera oraz nową

metodę, która służy do pomiaru

oporności betonu, ale z wykorzy

staniem półogniw miedziowo

siar czanowych jako środkowych

miejsc kontaktu. Najważniejszą

zaletą jest to, że metody te nie

wymagają bezpośredniego połą -

czenia ze zbrojeniem [8].

zówkę, w którym miejscu możemy

spodziewać się korozji ze wzglę -

du na niewielką oporność betonu.

Oporność betonu ρ można wyli -

czyć wg [9] za pomocą równania

Stern’a i Geary’ego:

Korozja stali w betonie jest głów -

ną przyczyną ryzyka utraty inte -

gralności strukturalnej konstrukcji

żelbetowych. Koszty związane

z zarządzaniem i utrzymaniem tych

budowli rosną w ostatnich latach

zdecydowanie i osiągnęły znaczą -

cy poziom w stosunku do ogółu

kosztów związanych z problemami

budownictwa [3, 7]. To powoduje,

że korozja stali zbrojeniowej stała

się najważniejszym problemem

dotykającym przemysł budowla -

ny w ostatnich latach. Zasadne

jest wobec tego wykorzystanie

badań nieniszczących w diagno -

styce korozji zbrojenia w istnieją -

cych konstrukcjach żelbetowych.

Jedyną metodą, która w sposób

bezpośredni może dać wiarygodny

wynik jest metoda pomiaru natę -

żenia prądu korozyjnego [1, 10,

11]. Metoda ta wymaga jednak

połączenia ze stalą zbrojeniową.

Wyróżniamy wiele metod pośred -

nich, takich jak pomiar rozkła -

du potencjału stacjonarnego na

powierzchni konstrukcji żelbetowej

[6], analizę gradientu potencjału

stacjonarnego, pomiar gęstości

prądu korozyjnego, pomiar rezy -

stywności betonowej otuliny [2,

3, 4, 5] czy metody radiograficz -

ne. W niniejszym artykule zawarta

jest próba oceny stanu zagrożenia

(1)

gdzie:

a – stała odległość pomiędzy

miejscami kontaktu [cm]

V – różnica potencjałów [V]

I – natężenie prądu inicjującego

[A]

2. Opis metody Wennera

i nowej metody pomiaru opor-

ności betonowej otuliny

2.1. Metoda Wennera

Metoda ta została opracowa -

na w 1916 roku przez Wennera

i początkowo była wykorzysty

wana do pomia -

ru rezystywności

gruntu [9]. Po raz

pierwszy techni -

kę tę zastosowa -

no w ba daniach

konstrukcji żel

betowych w la

tach siedemdzie

siątych i jest ona

wykorzystywana

do dnia dzisiej -

szego (rys. 1).

Pomiar rezystyw -

ności może dać

jedynie wska -

Dla stałej odległości „a” inicjowany

jest niewielki prąd „I” , który prze -

pływa przez dwa środkowe punk -

ty kontaktu przyrządu z betonem.

Rys. 1. Pomiar w praktyce oporności betonu metodą

Wennera [12, 13]

PRzeglĄd budowlany 5/2008

awaRIe budowlane

beton

R s1

R s2

R s3

R ct

C dl

R ct

zbrojenie

Rys. 2. Schemat obwodu elektrycznego w metodzie

Wennera

Rys. 3. Urządzenie do pomiaru rezystywności betonu

(CNS Equipment)

W wyniku różnicy potencjałów „V”

mierzona jest oporność betonu

(rys. 2). Jest ona regulowana przez

prąd elektryczny, który przepływa

między anodowymi i katodowymi

obszarami zbrojenia. Pomiary są

wykonywane przy użyciu prądu

zmiennego i częstotliwości około

1000 Hz (rys. 3).

Oporność betonu R c wg [4] jest

określona równaniem:

dziewać się korozji. Dla niskich

częstotliwości poniżej 10 Hz war -

tość pojemności elektrycznej C dl

przyjmuje wartości pomijalne. W

praktyce większość przypadków

stosuje prąd o niskiej częstotli -

wości i równanie (3) przyjmuje

postać zależności:

Wartość oporności R cpuls będzie

wobec tego zawierać się pomiędzy

opornością mierzoną nad i poza

zbrojeniem w przypadku pomiaru

aparatem Wennera, który wykorzy -

stuje prąd zmienny (rys. 4b).

Należy przypuszczać, że wartość

bliższa R c nad zbrojeniem oznacza

korozję. Jeśli R cpuls jest zbliżone do

R c poza zbrojeniem, można wnio -

(4)

300

(2)

2.2. Nowa metoda pomiaru opor-

ności betonu

Na rysunku 4 przedstawiono sche -

mat nowej metody pomiaru rezy -

stywności betonu z wykorzysta -

niem prądu stałego. Zastosowano

dwa półogniwa miedziowosiar -

czanowe w środkowych miej -

scach kontaktu. Za ich pomocą

mierzy się różnice potencjałów

(rys. 4a). Przy użyciu elektrody

pomiarowej i elektrody roboczej,

czyli dwóch zewnętrznych miejsc

kontaktu generuje się wzorem

metody impulsu elektrostatyczne -

go niewielki impuls elektryczny.

Częstotliwość użytego prądu to

około 300 Hz. Zastosowany prąd

jest prądem stałym. W wyniku róż -

nicy potencjałów V między uży -

tymi półogniwami otrzymuje się

wartość rezystancji R puls betono -

wej otuliny wg równania:

elektroda

pomiarowa

gdzie:

R s1 , R s2 , R s3 – oporności beto -

nu w poszczególnych gałęziach

obwodu elektrycznego [k Ω ]

elektroda

odniesienia

elektroda

robocza

Jest to wartość, jaką otrzymuje -

my przy absencji stali zbrojeniowej

(rys. 2). Pomiar oporności beto -

nu R c mierzony bezpośrednio nad

stalą zbrojeniową jest bardziej

skomplikowany i można go opisać

zależnością (3):

linie

jednakowych

potencjałów

linie

płynięcia

prądu

beton

R s1

R s3

(3)

R s2

zbrojenie

gdzie:

R ct – opornośc betonu na styku

stali zbrojeniowej i betonu [k Ω ]

C dl – pojemność elektryczna [F]

Rys. 4. Pomiar oporności betonu

nową metodą:

a) schemat przepływu prądu ele

ktrycznego w betonie

b) schemat obwodu elektrycznego

w żelbecie

Jeżeli wartość R ct jest wysoka, to

korozja jest mało prawdopodob -

na. Z drugiej strony, jeśli przyjmu -

je ona niskie wartości można spo -

(5)

PRzeglĄd budowlany 5/2008

awaRIe budowlane

miejsce badania 1

miejsce badania 2

400

Rys. 5. Widok stanowiska pomiarowego

Rys. 6. Badana próbka

c – grubość otuliny (10 mm, 20 mm i 30 mm)

skować o braku korozji. Skompli

kowana może okazać się sytu -

acja, gdy R cpuls będzie dokładnie

pośrodku. Wtedy trudno jest jed -

noznacznie określić, czy stal koro -

duje, czy nie i jaki dokładnie jest

stopień korozji.

Ponadto należy pamiętać, że:

1. beton nie jest w pełni materia -

łem homogenicznym;

2. beton nie jest elektrycznie jed -

nolitym materiałem w szczególno -

ści, jeśli mamy do czynienia z beto -

nem zbrojonym.

Generator prądu zmiennego powi -

nien być podłączony do elektrody

pomiarowej oraz elektrody odnie -

sienia (rys. 5). Natężenie prądu

powinno zawierać się w przedziale

0,01mA i 1mA. W przypadku kon -

tynuowania pracy nad tym urzą -

dzeniem, powinno się wziąć pod

uwagę poniższe wytyczne:

• Podczas pomiaru na obiekcie

należy uprzednio zapoznać się

z rysunkiem rozmieszczenia zbro -

jenia oraz najlepiej zbadać rze -

czywistą średnicę zbrojenia oraz

otulinę. Należy unikać miejsc krzy -

żowania się zbrojenia. Pomiary

wykonywać na prostych odcin -

kach zbrojenia.

• Pomiary powinny być wyko -

nywane w stałej temperaturze

i najlepiej w tym samym cza -

sie. Technika zapewnia pomiar

jedynie w danym momencie

i nie uwzględnia zmieniających

się parametrów środowiska oraz

powierzchni betonu (takich jak

wilgotność, stopień PH itp.).

• Pomiar nie może być wykona -

ny na bardzo mokrych powierz

chniach. Jeśli po wierzchnia jest

zbyt wilgotna, odległość między

miejscami kontaktu powinna być

co najmniej 40 mm [6].

• Należy przed po miarem dokład -

nie oczyścić powierzchnię betonu,

ponieważ mogą istnieć pewne nie -

dokładności związane z kontaktem

między elektrodami a powierzch -

nią.

• Odległość między miejscami

kontaktu „a” powinna być większa

co najmniej 1,5 razy od maksy -

malnej średnicy użytego kruszy

wa, w celu uniknięcia pomiaru

rezystywności pojedynczego ziar -

na kruszywa [2].

Weryfikacji pomiarów dokonano za

pomocą znanej metody polaryzacji

liniowej [1,10]. Zależność między

wartością prądu korozyjnego I corr

a prawdopodobieństwem wystą -

pienia korozji podano w tabeli 1.

cm i średnicy zbrojenia w postaci

pojedynczego pręta ze stali gład -

kiej o średnicy 10 mm. Próbki róż -

niły się grubością otuliny zbrojenia,

która wynosiła 10, 20 i 30 mm

(rys. 6). Dwie z nich były aktywnie

korodujące, natomiast jedna była

próbką pasywną. Zostało to zwe -

ryfikowane na podstawie wartości

pomiaru prądu korozyjnego I corr

znaną metodą polaryzacji liniowej

[1, 10].

Pomiary wykonano w dwóch miej -

scach:

• Miejsce 1 – bezpośrednio nad

zbrojeniem. Zrealizowano po trzy

pomiary: nową metodą, urządze -

niem Wennera oraz przy użyciu

metody polaryzacji liniowej (LPR).

• Miejsce 2 – poza zbrojeniem.

Wykonano trzy pomiary z wykorzy -

staniem urządzenia Wennera.

Wyniki zostały przedstawione

w postaci wykresów w postaci

regresji liniowej wartości otrzy -

manych z pomiarów (rys. 7–9).

Linia regresji powstała z badań

nową metodą w miejscu badania

1 powinna zawierać się pomię -

dzy liniami regresji powstałymi

3. Część eksperymentalna

Badaniu poddano trzy próbki

o wymiarach 40 cm x 30 cm x 10

Tabela 1. Zależność między wartością prądu korozyjnego a praw do

podobieństwem wystąpienia korozji [1]

Wartość prądu korozyjnego I corr

[µA/cm 2 ]

Prawdopodobieństwo wystąpienia korozji

I corr < 0,1

niskie

0,1 < I corr < 0,5

średnie

0,5 < I corr < 1,0

wysokie

I corr > 1,0

bardzo wysokie

PRzeglĄd budowlany 5/2008

awaRIe budowlane

30,0

użyciu nowej metody jest zbliżona

do mierzonej przez aparat Wennera

nad zbrojeniem. Na tej podsta -

wie można wnioskować o szybkiej

korozji stali zbrojeniowej. Zostało

to zweryfikowane za pomocą pola -

ryzacji liniowej LPR. Prąd korozyj -

ny I corr wyniósł 8,47 µA/cm 2 , co wg

Tabeli 1 oznacza bardzo wysokie

prawdopodobieństwo występowa -

nia korozji.

Podczas drugiego pomiaru na

próbce aktywnie korodującej

otrzymana wartość za pomocą

nowej metody mieściła się nadal

pomiędzy wartościami mierzony -

mi aparatem Wennera nad i poza

zbrojeniem (rys. 8). Można wnio -

skować o szybkiej korozji stali

zbrojeniowej, co zostało zweryfi -

kowane za pomocą metody pola -

ryzacji liniowej LPR. Bardzo wyso -

kie prawdopodobieństwo wystę -

powania korozji potwierdza prąd

korozyjny I corr , który wyniósł 7,28

µA/cm 2 . Zaobserwowano istotną

wadę metody. W sytuacji, gdy

stal jest położona głębiej, trud -

niej jest zaobserwować jej wpływ

na wartość otrzymanej oporności.

Warto jest zauważyć, że w rze -

czywistych przypadkach różnica

między wynikami uzyskanymi nad

oraz poza zbrojeniem może być

jeszcze mniejsza. Pozostaje pyta -

nie, jaka powinna być interpretacja

wyników w sytuacji, gdy powyższa

wartość wystąpi poza tym prze -

działem?

Rezultaty otrzymane na trzeciej

próbce pokazują, że nowa meto -

da daje wiarygodne wyniki nawet

wtedy, gdy mamy do czynienia

z próbką w stanie pasywnym.

W tym przypadku wartość uzyska -

na za pomocą nowej metody jest

bliższa wartości wg urządzenia

Wennera poza zbrojeniem i ozna -

cza to, że stal prawdopodobnie nie

koroduje. Niewielki prąd korozyjny

I corr równy 0,46 µA/cm 2 otrzymany

za pomocą LPR potwierdza tą tezę

(tabela 1). Głównym problemem

w przypadku próbek pasywnych

jest wspomniany już fakt, że war -

tości uzyskane za pomocą metody

Wennera są blisko siebie.

25,0

miejsce badania 1 –

metoda Wennera

20,0

miejsce badania 2 –

metoda Wennera

15,0

10,0

miejsce badania 1 –

nowa metoda

5,0

0,0

I corr = 8,47 M A/cm 2

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

t ( o C)

Rys. 7. Średnie wartości z pomiarów na próbce o otulinie 10 mm (próbka

korodująca – I corr = 8,47 µA/cm 2 )

30,0

29,0

miejsce badania 1 –

metoda Wennera

28,0

27,0

miejsce badania 2 –

metoda Wennera

26,0

25,0

miejsce badania 1 –

nowa metoda

24,0

23,0

I corr = 7,28 M A/cm 2

22,0

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

t ( o C)

Rys. 8. Średnie wartości z pomiarów na próbce o otulinie 30 mm (próbka

korodująca – I corr = 7,28 µA/cm 2 )

23,0

22,5

miejsce badania 1 –

metoda Wennera

22,0

21,5

miejsce badania 2 –

metoda Wennera

21,0

20,5

miejsce badania 1 –

nowa metoda

20,0

19,5

I corr = 0,46 M A/cm 2

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

t ( o C)

Rys. 9. Średnie wartości z pomiarów na próbce o otulinie 20 mm (próbka

pasywna – I corr = 0,46 µA/cm 2 )

z badań urządzeniem Wennera

w miejscu 1 oraz w miejscu 2.

znaczne różnice między rezulta -

tami uzyskanymi dzięki metodzie

Wennera nad i poza zbrojeniem.

Może to oznaczać efekt niewiel -

kiej grubości otuliny. Jednocześnie

oporność betonu wyznaczona przy

Wyniki uzyskane podczas pierw -

szego pomiaru okazały się obie -

cujące (rys. 7). Zaobserwowano

PRzeglĄd budowlany 5/2008

awaRIe budowlane

4. Wnioski

wytyczne oraz mieć świadomość

nie tylko zalet, ale przede wszyst -

kim wad, jakie zostały podkreślone

w niniejszym opracowaniu.

state reinforcing steel in concrete. ACI

Materials Journal/ November–December 1998

[6] Moczko A., Łakomy T., Metody

nieniszczącej diagnostyki zagrożenia

korozyjnego stali zbrojeniowej

w konstrukcjach betonowych. Polski Cement,

2002, Nr 2 (18), str. 48–50

[7] Ramniceanu A., Correlation of Corrosion

Measurements and Bridge Conditions with

NBIS Deck Rating. 2004 Blacksburg, Virginia

[8] Sadowski Ł., Współczesne metody

nieniszczącej oceny zagrożenia korozyjnego

żelbetowych konstrukcji budowlanych.

Praca magisterska. Instytut Budownictwa

Politechniki Wrocławskiej 2007

[9] Stern, M. & Geary, A. L., „Electrochemical

Polarization. A Theoretical Analysis of Shape

of Polarization Curves”, Journal of the Electro

chemical Society, Vol. 104, 1957, str. 56–63

[10] Zybura A., Jaśniok T., Diagnostyka

stanu korozyjnego zbrojenia w żelbetowych

obiektach komunikacyjnych. Drogownictwo,

nr 4, 2000, str. 109–116

[11] Zybura A., Jaśniok T., Śliwka A.,

Badanie możliwości ograniczenia korozji

zbrojenia inhibitorami migrującymi. Przegląd

Budowlany 9/2006 str. 40–45

[12] Materiały reklamowe firmy NDT James

Instruments

[13] Materiały reklamowe firmy Proceq

Na podstawie badań i analiz można

stwierdzić, że metoda daje wiary -

godne wyniki zarówno w odnie -

sieniu do próbek aktywnych, jak

i pasywnych. W odniesieniu do

realnych konstrukcji może nastą -

pić interakcja pomiędzy rejonami

korodującymi i niekorodującymi.

Nie zostało to zasymulowane pod -

czas testów laboratoryjnych. Nowa

metoda może być zastosowana do

wyznaczania stopnia korozji stali

zbrojeniowej w konstrukcjach żel -

betowych, bez konieczności bez -

pośredniego połączenia elektrody

ze zbrojeniem. Rezultaty uzyski -

wane za pomocą nowej metody

w połączeniu z metodami uzupeł -

niającymi mogą dać wiarygodny

system wnioskowania o korozji

konstrukcji. Należy jednak krytycz -

nie podchodzić do otrzymanych

wyników i stosować wymienione

BIBLIOGRAFIA

[1] Andrade C., Alonso C., Test methods for

onsite corrosion rate measurement of steel

reinforcement in concrete by means of the

polarization resistance method. Materials and

Structures, Vol. 37, November 2004,

str. 623–643

[2] Gowers K. R., Millard S. G., Measurement

of concrete resistivity for assessment

corrosion severity of steel using Wenner

technique. ACI Materials Journal/ September

– October 1999

[3] Manning, David G., (1995). „Detecting

Defects and Deterioration in Highway

Structures.” National Cooperative Highway

Research Program Synthesis of Highway

Practice, str. 118

[4] Millard S.G., Harrison J. A., Edwards A. J.,

Measurement of the electrical resistivity

of reinforced concrete structures for the

assessment of corrosion risk. ACI Materials

Journal 1989

[5] Monteiro J.M., Morrison F., Frangos W.,

Nondestructive measurement of corrosion

PRODUCENT PREFABRYKATÓW ŻELBETOWYCH I STRUNOBETONOWYCH

Firma Betonex Sp. z o.o.

Jesteśmy prężnie rozwijającym się producentem

prefabrykatów żelbetowych i strunobetonowych.

Wykonujemy elementy dla obiektów przemysłowych,

handlowych i biurowych. Wdrażamy najnowsze

technologie prefabrykacji sprawdzone na rynku

włoskim przez jednego z naszych udziałowców

PRECOMPRESSI VALSUGANA wchodzącego w skład

grupy INDUSTRIE MAURIZIO PERUZZO. Grupa posiada

zakłady produkcyjne we Włoszech, Rumunii i Bułgarii.

W palecie naszych produktów

znajdziecie Państwo:

słupy,

belki i dźwigary sprężone,

sprężone płyty stropowe TT,

płatwie dachowe

ściany i podwaliny

Dla Państwa wygody naszą ofertę

możemy uzupełnić o:

koncepcje i techniczne rozwiązania

konstrukcji prefabrykowanych

projektowanie

dostawy elementów na budowę

kompleksowy montaż obejmujący konstrukcję

oraz obudowę ścian i dachu

43-382 Bielsko-Biała, ul. Ks. J. Londzina 29

tel. +48 033 49 95 100, fax +48 033 49 95 101, e-mail: info@betonex.pl

www.betonex.pl

PRzeglĄd budowlany 5/2008

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: