DK171925B1 - Fremgangsmåde til bestemmelse af korrosionshastigheden i armeret beton - Google Patents

Description

DK 171925 B1

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til bestemmelse af korrosionshastigheden i f.eks. armeret beton.

Fra engelsk patentansøgning nr. 2.200.459 er det kendt at anvende en korrosionsdetekterende sonde omfattende en guard-5 ring til styring af retningerne af de elektriske strømme til armeringen. Ud fra korrosionsstrømmen er det ved hjælp af denne sonde muligt at måle korrosionshastigheden. Målingen tager imidlertid forholdsvis lang tid.

Fra US patentskrift nr. 5.259.944 kendes en korrosionsmåler 10 til bestemmelse af korrosionshastigheden ved en måling af polarisationsmodstanden. Der tilføres målestrøm fra et mod-elektrodesystem.

Endvidere er det kendt at foretage korrosionsmålinger ved en galvanostatisk pulsmetode. Måletiden i det enkelte målepunkt 15 vil derved kunne reduceres. Dette er imidlertid ikke tilstrækkeligt til at kunne måle korrosionshastigheden.

Formålet med opfindelsen er at anvise, hvorledes en måling af korrosionshastigheden vil kunne foretages hurtigere og mere nøjagtigt end hidtil kendt.

20 Dette formål er ifølge opfindelsen opnået ved, at der i forbindelse med en referenceelektrode og en strømtæthedsstyret modelektrode anvendes en galvanostatisk pulsmetode.

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegningen, som viser det elektrokemiske kredsløb 25 med et elektrodearrangement til ved hjælp af fremgangsmåden ifølge opfindelsen at bestemme korrosionshastighed af arme-ring i beton.

En stålarmering indstøbt i beton vil normalt ikke korrodere som følge af, at der dannes en beskyttende jernoxidfilm, der 30 passiverer stålet under alkaliske forhold. Passiveringen kan 2 DK 171925 B1 imidlertid ødelægges ved, at chlorider trænger ind i betonen, og som følge af karbonatisering, hvorved der starter en korrosion. Under korrosion af stål sker der en elektrokemisk proces, der bevirker, at der dannes korroderende og passive 5 steder på metaloverfladen. Ved anoden er reaktionerne

Fe=Fe+++ 2e~ (metalopløsning, aktiv korrosion) 3 Fe + H20= Fe304+8H++8e' (dannelse af passivt lag) .

De frigivne elektroner ledes gennem stålet til en lokal katode, hvor de deltager i oxygenreduktionsreaktionen 10 02+2H20+4e*=40H"

Disse reaktioner fører til dannelse af områder med forskellige elektrokemiske potentialer og resulterer i elektriske korrosionsstrømme i armeringen. Ved at måle potentialerne og korrosionsstrømmene er det i princippet muligt at bestemme 15 korrosionsområderne og vurdere korrosionshastighederne. Hvis omgivelserne ikke ændres, vil fremtidige korrosionsfejl desuden kunne vurderes. I praksis har beton altid revner, flager og tilslagspartikler, der ikke er i ensartet kontakt med armeringen, og som påvirker diffusionskarakteristikkerne. Må-20 linger af elektriske karakteristikker kan derfor kun give en indikation af korrosionstilstanden.

På den anden side er disse målinger baseret på ikke-destruk-tive metoder, hvilket gør det muligt at opnå information om de processer, der forløber under betonoverfladen. Korrosions-25 graden af indstøbte stålarmeringer er imidlertid til stadighed genstand for bekymring.

To målemetoder vil blive beskrevet med hensyn til fordele og ulemper, idet en kortlægning af halvcellepotentialet vil blive sammenlignet med måleresultater opnået ved den gal-30 vanostatiske pulsmetode.

DK 171925 B1 3

Kortlægning af halvcellenotentialet (EKP-målina).

Denne målemetode er siden 50'erne blevet anvendt til vurdering af betonbroer. Ved denne metode måles det elektrokemiske potentiale af en armering i forhold til en referenceelektrode 5 på betonoverfladen. For at sikre en god kontakt med referenceelektroden er betonoverfladen forinden blevet vædet. Flere typer referenceelektroder kan komme på tale, eksempelvis kob-ber/kobbersulfat (CSE), sølv/sølvchlorid eller kalomel elektroder (SCE). Potentialerne måles ved hjælp af et højimpedan-10 set voltmeter, og resultaterne vurderes ved hjælp af en computer og tolkes ved hjælp af ASTM 876-87, der er en amerikansk standard.

Det er vanskeligt at tolke måleresultater mellem -200 og -300mV vs. CSE. Endvidere er en vurdering af absolutte poten-15 tialer vanskelig. En vurdering af potentialgradienter er en mere hensigtsmæssig procedure. Måleresultaterne præsenteres i form af et ækvipotentialkort, hvor mistænkelige korrosions-områder vil kunne identificeres. De elektrokemiske potentialer påvirkes imidlertid af flere faktorer, såsom kvaliteten 20 af betondæklaget, især dets fugtindhold samt karbonatisering og kloridindtrængning. Også oxygentilgangen påvirker potentialet af det passive stål. Et lavt oxygenindhold resulterer i et fald i potentialet. I våd beton kan der som følge af lav oxygentilgang opstå tilstande, der resulterer i at potentia-25 let falder til særlig lave værdier. Passivt stål kan følgelig også udvise lave potentialer svarende til potentialet for korroderende stål. Passive områder under lave luftningsforhold vil derfor fejlagtigt kunne blive klassificeret som korroderende områder. En yderligere ulempe ved denne metode er, 30 at resultaterne kun giver en indikation af, om korrosion er termodynamisk mulig, og ikke en indikation af korrosionshastigheden.

Disse ulemper kan afhjælpes ved hjælp af den galvanostatiske pulsmetode. Denne metode er baseret på en hurtig ikke-de- DK 171925 B1 4 struktiv polarisationsteknik. En kortvarig anodisk strømpuls tilføres galvanostatisk fra en modelektrode anbragt på betonoverfladen sammen med en referenceelektrode af samme type som beskrevet i forbindelse med potentialkortlægning. Den anodi-5 ske strømimpuls resulterer i en ændring i armeringens elektrokemiske potentiale, der registreres ved hjælp af en datalogger. Armeringen polariseres anodisk i forhold til sit frie korrosionspotentiale.

Polariseringsgraden af armeringen afhænger imidlertid af kor-10 rosionstilstanden. Armeringen er let at polarisere i den passive tilstand, svarende til at der er en stor forskel mellem det frie korrosionspotentiale og det polariserede potentiale. Denne forskel er væsentligt mindre for en korroderende armering. Den galvanostatiske pulsmetode kan derved give en mere 15 detaljeret information om korrosionenstilstanden.

Udover den mere detaljerede kvalitative information om klassifikation af passive og korroderende områder giver denne metode også mulighed for kvantitativ vurdering, idet den muliggør en beregning af korrosionsstrømmen. Hvis arealet af 20 den polariserede armering er kendt, kan man ud fra korrosionsstrømmen beregne korrosionshastigheden.

Potentialerne registreret på overfladen indbefatter et ohmsk spændingsfald, der selvsagt må elimineres.

Ved tilførsel af en konstant strøm Iapp til armeringen kan det 25 polariserede potentiale Vt af armeringen udtrykkes ved vt=IapptRpf1-exP(-tRpcdi) 1 + Rn3 hvor

Rp = polarisationsmodstanden

Cdl = dobbeltlagskapaciteten 30 Rq = den ohmske modstand i betonen.

DK 171925 B1 5

For at vurdere værdierne af Rp og Cdl i forhold til den ohmske modstand Rn, kan ligningen omskrives til

In “In (IjrøpRp) -t/Rj,Cal hvor Vmax er steady state potentialet. Ved en logaritmisk af-5 bildning af Vt som funktion af tiden t fremkommer der en ret linie.

Ved en extrapolation af denne rette linie til t=0 under anvendelse af mindste kvadraters metode opnås en afskæring svarende til ln(IappRp) og en hældning på l/RpCdl. Det resterende 10 overpotentiale svarer da til det ohmske spændingsfald IappRQ. Efter bestemmelse af polarisationsmodstanden Rp ved denne metode kan korrosionsstrømmen Icorr beregnes ud fra Stern-Gearys ligning.

Ico rr^/Bp 15 hvor B er en empirisk værdi, der for aktivt korroderende stål er 25 mV og for passivt stål er 50 mV.

Der er udført målinger på konstruktioner i våde og anaerobe omgivelser. I sådanne omgivelser kunne halvcellepotential målinger (EKP) føre til forkerte tolkninger af korrosionstil-20 standen.

Ved galvanostatiske pulsmålinger blev en konstant anodisk strømimpuls på 80-100 μΑ tilført til armeringen fra en modelektrode af rustfrit stål. Strømkilden var forbundet til dataloggeren, og styret af denne.

25 Potentialmålinger blev udført ved hjælp af en sølv/sølv-klo-rid referenceelektrode og registreret i dataloggeren sammen med potentialændringerne som følge af impulstilførslerne.

6 DK 171925 B1

Potentialændringerne blev registreret med mellemrum på minimum 27 msek og opsamlet i dataloggeren.

Der blev foretaget målinger på en 24 år gammel bærende bjælke. Polarisationstransienten, som er forskellen mellem halv-5 cellepotentialet (det fri korrosionspotentiale) og stabiliseringspotentialet Vmax fra den galvanostatiske pulsmetode, blev registreret flere forskellige steder og afbildet som funktion af positionen i bjælkens længderetning. Varierende polarisa-tionstransienter blev registreret hen langs bjælken, og det 10 viste sig, at der var store forskelle ved enderne og mindre forskelle i midtersektionen. Dette svarer til, at korrosionen er stærkere i midten end ved enderne.

En visuel inspektion bekræftede måleresultaterne. Efter fjernelse af betonen blev det nemlig påvist, at korrosionen af 15 armeringen i midtersektionen var stærkere end ved enderne. Ud fra halvcellepotentialmålingerne var det imidlertid ikke muligt at konstatere disse korrosionsforskelle.

For at opnå en bedre kvantificering af korrosionsaktiviteten blev den effektive polarisationsmodstand bestemt ud fra 20 pulsmålingerne, under antagelse af, at det er det samme areal, som polariseres.

Det er imidlertid ikke muligt at beregne korrosionshastigheden ud fra polarisationsmodstanden alene, eftersom det polariserede armeringsareal ikke er veldefineret. Endvidere kan 25 varierende betons resistivitet og armeringsdensitet påvirke resultaterne. For at opnå en sand polarisationsmodstand, som kan omsættes til korrosionshastighed, er det derfor nødvendigt at sikre en ensartet fordeling af polarisationsstrømmene indenfor det afgrænsede armeringsområde.

30 Fig. 1 viser et blokdiagram med elektrodearrangementet til bestemmelse af korrosionshastigheden ved den galvanostatiske pulsmetode. 1 er en måleelektrode af sølv/sølvchlorid. Via en DK 171925 B1 7 buffer 11 i form af en operationsforstærker er denne måleelektrode 1 forbundet til det øvrige målekredsløb. Omkring måleelektroden l er der en rundtgående modelektrode 2, og omkring modelektroden 2 er der nogle yderligere rundtgående 5 elektroder. Man ønsker nu at kunne styre strømmen fra modelektroden 2 ned mod armeringen 12 i betonen.

Den valgte strøm udsendes fra modelektroden 2, og spændingen ved modelektroden 2 måles ved hjælp af et dertil sluttet kredsløb 7. Ved hjælp af dette kredsløb 7 påtrykkes en om-10 kringliggende og dertil sluttet tilbagekoblingselektrode 3 det samme potentiale, som måles ved elektroden 2. Derefter måles strømmen i tilbagekoblingselektroden 3, og en spænding proportional med denne strøm tilføres til den ene indgang af en til kredsløbet 7 sluttet differensforstærker 9.

15 Udgangssignalet af differensforstærkeren 9 styrer en dertil sluttet strømgenerator 10, der sender en strøm ned gennem en dertil sluttet korrigerende elektrode (guardring) 5. Spændingen ved elektroden 5 måles ved hjælp af et dertil sluttet kredsløb 8. Ved hjælp af dette kredsløb 8 påtrykkes en dertil 20 sluttet ringformet tilbagekoblingselektrode 4, der er placeret indvendigt i forhold til elektroden 5, samme potentiale som elektroden 5. Strømmen i tilbagekoblingselektroden 4 måles og skaleres med forholdet mellem arealerne af elektroderne 3 og 4, hvorefter en dertil svarende skaleret spænding 25 fra kredsløbet 8 tilføres til den anden indgang af differensforstærkeren 9.

Denne konstruktion vil automatisk indstille sig, således at der er samme strømtæthed ved elektroderne 3 og 4, uanset hvor stor en strøm der leveres af den korrigerende elektrode 5.

30 Modelektroden 2 har fortrinsvis et areal på 16 cm2, tilbagekoblingselektroden 3 et areal på 3 cm2, tilbagekoblingselektroden 4 et areal på 3,7 cm2 og den korrigerende elektrode 5 et areal på 38 cm2.

8 DK 171925 B1

Et antal elektroniske kontakter sikrer, at der ikke løber strøm i elektroderne, når der ikke skal måles.

Tilbagekoblingselektroderne kan bestå af korroderende metal. Endvidere kan modelektroden og dertil hørende tilbagekob-5 lingselektroder eventuelt være opdelt i segmenter.

Claims (6)

1. Fremgangsmåde til bestemmelse af korrosionshastigheden i f.eks. armeret beton, kendetegnet ved, at korrosi- 5 onshastigheden bestemmes ved, at der i forbindelse med en referenceelektrode og en strømtæthedsstyret modelektrode (2) anvendes en galvanostatisk pulsmetode.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den strømtæthedsstyrede elektrode (2) består af korrode- 10 rende metal.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at modelektroden er omgivet af en guardelektrode (5) .

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1-3, kendetegnet 15 ved, at såvel modelektroden (2) som guardelektroden består af korroderende metal.

5. Fremgangsmåde ifølge krav 1-4, kendetegnet ved, at modelektroden og/eller guardelektroden er opdelt i segmenter. 20

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1-5, kendetegnet ved, at den første impuls i et måleforløb kan indstilles, således at den afviger væsentligt fra de efterfølgende impulser. 25