PL247809B1 - Sposób pomiaru szybkości korozji stalowego zbrojenia, zwłaszcza w betonowych konstrukcjach budowlanych - Google Patents

Abstract

Sposób pomiaru szybkości korozji stalowego zbrojenia, zwłaszcza w betonowych konstrukcjach budowlanych polega na tym, że w obudowie z tworzywa sztucznego umieszcza się bezpośrednio pod elementem pomiarowym w postaci badanej elektrody (5) odsłoniętym na korozyjne działanie betonu, identyczny element (6) odizolowany elektrycznie od tego elementu i od betonu, oba ich końce podłącza się do korozymetru (7), wykonuje pomiar oporu elektrycznego elementu (5) i kompensuje wpływ temperatury przy pomiarze oporu elementu (6), następnie równolegle do elementu pomiarowego (5) nie dalej niż 10 mm umieszcza się przeciwelektrodę (8) oraz stalą elektrodę odniesienia (9) o stałym potencjale podczas polaryzacji prądem zewnętrznym, przy czym elementy (8) i (9) izoluje się elektrycznie i łączy z elektrodą badaną (5) do potencjostatu (10), po czym wykonuje pomiar polaryzacyjną metodą elektrochemiczną.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru szybkości korozji stalowego zbrojenia w betonie, zwłaszcza w konstrukcjach budowlanych.

Betonowe konstrukcje budowlane znajdujące się w agresywnym środowisku są narażone na korozję betonu oraz na korozję elektrochemiczną stalowych prętów zbrojeniowych. Destrukcja tych materiałów może doprowadzić do uszkodzeń, a nawet do awarii konstrukcji budowlanych. Szczególnie niebezpieczna jest korozja zbrojenia, gdyż betonowe otulenie prętów przez długi czas zasłania rozwijającą się korozję. Dodatkowym utrudnieniem jest brak informacji o momencie rozpoczęcia procesów korozyjnych zbrojenia oraz ich intensywności. Ostatecznie bardzo trudny jest do stwierdzenia, a tym bardziej do przewidzenia moment, w którym konstrukcja będzie wykazywała stan awaryjny.

Najskuteczniejszą metodą kontroli procesów korozyjnych zbrojenia jest ich ciągły monitoring. W najprostszych rozwiązaniach korzysta się z długoletnich doświadczeń nabytych podczas monitorowania podziemnych konstrukcji stalowych (najczęściej rurociągów). Znanymi i sprawdzonymi metodami są techniki korozymetryczne wymienione m.in. w Stochaj P: Zastosowanie korozymetrii rezystancyjnej w odniesieniu do kryteriów ochrony katodowej gazociągów, Nafta-Gaz, 5/2012, s, 298-305, gdzie do monitoringu szybkości korozji zbrojenia konstrukcji żelbetowych wykorzystywana jest tylko korozymetria rezystancyjna. Czujniki rezystancyjne podłączone do korozymetru umieszcza się w monitorowanych obiektach możliwie jak najbliżej zbrojenia konstrukcji. W czujnikach znajdują się elementy pomiarowe wykonane ze stali niestopowej jakościowej, które w wyniku zachodzących procesów korozyjnych zwiększają stopniowo swoją rezystancję elektryczną. Zmiana rezystancji czujników (AR) związana jest ze zmniejszeniem przekroju poprzecznego (zlS) elementów pomiarowych wskutek korozji - zjawiska opisanego w pracy: Czarnecki L., Łukowski P., Garbacz A., Chmielewska B., Ćwiczenia laboratoryjne z chemii budowlanej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1999. Przy założeniu stałej rezystywności stali (r) oraz niezmiennej długości elementu pomiarowego (L), zależność tę można przedstawić w formie:

r L AR = —AS

W miarę postępu korozji zbrojenia wykonuje się kolejne odczyty wartości oporu i na podstawie różnicy wyników określa się ubytek przekroju zlS (a po uwzględnieniu gęstości stali p oblicza się ubytek masy Am), po czym na podstawie poniższego wzoru ńm

Atp oblicza średnią szybkość korozji CR_m (corrosion ratę) w założonym okresie, gdzie:

A powierzchnia styku elementu pomiarowego z betonem t czas oddziaływania agresywnego betonu na element pomiarowy

W celu kompensacji wpływu temperatury na opór korodującego elementu pomiarowego, według Jankowski J., Sokolski W.: Korozymetria rezystancyjna jako dogodny sposób oceny skuteczności ochrony katodowej, X Krajowa Konferencja Pomiary Korozyjne w Ochronie Elektrochemicznej, Jurata 2008, mierzy się stosunek rezystancji tego elementu, który jest eksponowany na wpływy betonu do rezystancji takiego samego elementu, który znajduje się w czujniku, jednak jest dokładnie odizolowany od betonu.

Zaletą czujników korozymetrycznych jest pomiar całkowitego ubytku przekroju ujmującego wszelkiego rodzaju spadki i wzrosty szybkości korozji, która jest zależna od zmian wilgotności betonu, temperatury, stężenia substancji agresywnych itp. Niedogodnością jest brak możliwości określenia początku rozpoczęcia procesów korozyjnych zbrojenia, ich intensywności, kiedy ubytki przekroju zlS są jeszcze bardzo małe. W konstrukcjach betonowych początkowe stadium korozji zbrojenia jest momentem podejmowania zabiegów prewencyjnych, kiedy ich koszty są stosunkowo niewielkie.

Metodami umożliwiającymi określenie chwilowej (aktualnej) szybkość korozji są polaryzacyjne metody elektrochemiczne, które zaadaptowano do złożonych warunków panujących w elementach żelbetowych. Jako najbardziej efektywne w warunkach żelbetu wymienia się: metodę oporu polaryzacji

PL 247809 Β1 liniowej (LPR), metodę elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) oraz metodę impulsu galwanostatycznego (GP). W metodach tych wykorzystuje się układ trójelektrodowy, w którym elementem pomiarowym jest próbka wykona ze stali, elektrodą pomocniczą jest przodownik odporny na korozję, a elektrodą odniesienia elektroda o stałym i znanym potencjale podczas badań polaryzacyjnych. Wszystkie elektrody podłącza się do potencjostatu. Wynikiem pomiarówjest gęstość prądu korozyjnego ikor, która na podstawie prawa Faradaya pozwala określić szybkość korozji

M ^cr-2^‘“”· gdzie

M jest masą molową żelaza, z jest liczbą ładunkową reakcji roztwarzania żelaza,

F jest stałą Faradaya.

Czujniki o konstrukcji opartej na układzie trój elektrodowym są coraz powszechniej stosowane jak opisano w Duffó G.S., Farina S.B. Development of an embeddable sensor to monitor the corrosion process of new and existing reinforced concrete structures, Construction and Building Materials. 2009. vol. 23. pp. 2746-2751; Dong S.G. et al. Effective monitoring of corrosion in reinforcing Steel in concrete constructions by a multifunctional sensor, Electrochimica Acta. 2011. vol. 56. pp. 1881-1888. Niedogodnością tego rodzaju czujników jest konieczność wykonywania bardzo częstych pomiarów tak, aby zarejestrować zmienność szybkości korozji i oszacować całkowity ubytek korozyjny w długim okresie eksploatacji konstrukcji. Częstotliwość pomiarów, pojedynczy pomiar metodami elektrochemicznymi trwa kilka lub kilkanaście minut, co wymaga zastosowania wydajnego źródła zasilania. Metody elektrochemiczne nie rejestrują prądów błądzących destrukcyjnie oddziaływujących na zbrojenie w konstrukcji, co jest możliwe za pomocą czujników elektrooporowych.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest nowy sposób pomiaru szybkości korozji, w którym za pomocą jednego czujnika możliwy jest pomiar zarówno całkowitego ubytku korozyjnego zbrojenia uśredniający warunki korozyjne panujące w betonie jak i aktualnej (chwilowej) szybkości korozji chrakteryzującej aktualne warunki korozyjne związane z wilgotnością betonu, temperaturą, stężeniem substancji agresywnych itp. Informacje o średniej szybkości korozji oraz o amplitudzie i częstotliwości zmian chwilowych szybkości korozji dają obraz agresywności betonu wobec zbrojenia.

Sposób pomiaru szybkości korozji stalowego zbrojenia, zwłaszcza w betonowych konstrukcjach budowlanych polega na tym, że w obudowie z tworzywa sztucznego umieszcza się bezpośrednio pod elektrodą badaną odsłoniętą na korozyjne działanie betonu, korzystnie w kształcie litery C, identyczną drugą elektrodę co do kształtu, wymiarów i materiału, z którego została wykonana, odizolowaną elektrycznie za pomocą wypełnienia w postaci żywicy epoksydowej od tej elektrody i od betonu, oba ich końce podłącza się do korozymetru, wykonuje pomiar oporu elektrycznego elektrody badanej i drugiej elektrody, a następnie z różnicy pomiarów kompensuje się wpływ temperatury na wartość oporu elektrody badanej, który umożliwia obliczenie ubytku przekroju elektrody badanej i określenie całkowitej szybkości korozji, w dalszej kolejności równolegle do elektrody badanej nie dalej niż 10 mm umieszcza się elektrodę pomocniczą oraz elektrodę odniesienia o stałym potencjale podczas polaryzacji prądem zewnętrznym, przy czym elektrodę pomocniczą i elektrodę odniesienia izoluje się elektrycznie żywicą epoksydową i łączy z elektrodą badaną do potencjostatu, po czym wykonuje pomiar polaryzacyjną metodą elektrochemiczną, korzystnie metodą oporu polaryzacji liniowej (LPR), lub metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) lub metodą impulsu galwanostatycznego (GP), a następnie wyznacza się gęstość prądu korozyjnego ikor i oblicza chwilową szybkość korozji CR.

Korzystnie w sposobie pomiaru szybkości korozji według wynalazku elektroda badana wykonana jest ze stali niestopowej jakościowej w kształcie otwartej figury geometrycznej, korzystnie w kształcie litery C.

Korzystnie w sposobie pomiaru szybkości korozji według wynalazku elektroda pomocnicza wykonana jest z metalu odpornego na korozję elektrochemiczną.

Korzystnie w sposobie pomiaru szybkości korozji według wynalazku izoluje się elektrycznie elementy stalowego zbrojenia stosując wypełnienie w postaci żywicy epoksydowej, która nie może pokrywać zewnętrznych powierzchni elektrod: badanej, elektrody pomocniczej i elektrody odniesienia stykających się z agresywnym betonem elementu konstrukcyjnego.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość realizacji pomiarów na tym samym stalowym elemencie pomiarowym, zarówno metodami elektrochemicznymi określającymi chwilową szybkość korozji przy aktualnej wilgotności i temperaturze agresywnego betonu, jak i metodą elektrooporową określającą całkowity ubytek korozyjny przekroju elementu pomiarowego w okresie działania czujnika.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia schemat układu elementów czujnika w betonie dowolnego elementu konstrukcji wraz z sposobem połączenia do korozymetru i potencjostatu.

Przykład

Czujnik szybkości korozji 1 stalowego zbrojenia zamocowano do strzemiona 2 przed betonowaniem belkowego elementu konstrukcji 3. Obudowę 4 czujnika szybkości korozji 1 w kształcie prostopadłościanu bez jednej ściany wykonano z tworzywa sztucznego, w której umieszczono element pomiarowy w postaci elektrody badanej 5 w kształcie litery C wykonanej ze stali S275J2G3, a pod elektrodą badaną 5 w odległości 3 mm umieszczono identyczną drugą elektrodę 6 co do kształtu, wymiarów i materiału, z którego została wykonana. Oba końce elektrody badanej 5 i drugiej elektrody 6 podłączono przewodami do korozymetru 7. Równolegle od elektrody badanej 5 w odległości 3 mm umieszczono elektrodę pomocniczą 8 ze stali odpornej na korozję gatunku X5CrNi18-10 pełniącą w polaryzacyjnych pomiarach elektrochemicznych rolę elektrody pomocniczej, a w odległości 2 mm od elektrody badanej 5 umieszczono wałek grafitowy pełniący rolę elektrody odniesienia 9 w badaniach tego samego rodzaju. Elektrody: elektrodę badaną 5, elektrodę pomocniczą 8 i elektrodę odniesienia 9 łączy się za pomocą przewodów z potencjostatem 10. Izolację elektryczną drugiej elektrody 6 od otoczenia oraz izolację elektryczną wszystkich elektrod czujnika od siebie zapewnia wypełnienie 11 żywicą epoksydową, która nie może pokrywać zewnętrznych powierzchni elektrody badanej 5, elektrody pomocniczej 8 i elektrody odniesienia 9 stykających się z betonem 12 elementu konstrukcyjnego. Następnie we wcześniej ustalonych odstępach czasu wykonuje się za pomocą korozymetru 7 pomiar rezystancji elektrody badanej 5 i kompensuje się wpływ temperatury na korozję przez różnicę oporów elektrody badanej 5 i drugiej elektrody 6, a następnie wylicza się całkowity ubytek przekroju (także średnią szybkość korozji CR_m). Następnie wykonuje się pomiar jedną z metod elektrochemicznych LPR, EIS lub GP w układzie trójelektrodowym z elektrodami: elektrodą badaną 5, elektrodą pomocniczą 8 i elektrodą odniesienia 9, a następnie wyznacza się gęstość prądu korozyjnego ikor i oblicza chwilową szybkość korozji CR.

W rozwiązaniu według wynalazku w czujniku szybkości korozji stalowego zbrojenia zwłaszcza w betonowych konstrukcjach budowlanych umieszcza się (element pomiarowy) elektrodę badaną 5 wykonaną ze stali niestopowej jakościowej odsłoniętej na działanie korozyjnego środowiska betonu oraz identyczny element odizolowany od zewnętrznego środowiska połączone przewodami do korozymetru 7 w celu wykonania pomiaru oporu elektrycznego obu elementów, ponadto umieszcza się elektrodę pomocniczą 8 w postaci metalicznego przewodnika odpornego na korozję elektrochemiczną i stałą elektrodę odniesienia 9 o stałym potencjale podczas polaryzacji prądem zewnętrznym, połączone wraz (elementem pomiarowym) elektrodę badaną 5 przewodami do potencjostatu 10 w celu wykonania pomiaru jedną z polaryzacyjnych metod elektrochemicznych tj. oporu polaryzacji liniowej (LPR), elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS) lub impulsu galwanostatycznego (GP).

Claims (4)

1. Sposób pomiaru szybkości korozji stalowego zbrojenia, zwłaszcza w betonowych konstrukcjach budowlanych znamienny tym, że w obudowie z tworzywa sztucznego umieszcza się bezpośrednio pod elektrodą badaną (5) odsłoniętą na korozyjne działanie betonu, korzystnie w kształcie litery C, identyczną drugą elektrodę (6) co do kształtu, wymiarów i materiału, z którego została wykonana, odizolowaną elektrycznie za pomocą wypełnienia (11) w postaci żywicy epoksydowej od tej elektrody i od betonu, oba ich końce podłącza się do korozymetru (7), wykonuje pomiar oporu elektrycznego elektrody badanej (5) i drugiej elektrody (6), a następnie z różnicy pomiarów kompensuje się wpływ temperatury na wartość oporu elektrody badanej (5), który umożliwia obliczenie ubytku przekroju elektrody badanej (5) i określenie całkowitej szybkości korozji, w dalszej kolejności równolegle do elektrody badanej (5) nie dalej niż 10 mm umieszcza się elektrodę pomocniczą (8) oraz elektrodę odniesienia (9) o stałym potencjale podczas polaryzacji prądem zewnętrznym, przy czym elektrodę pomocniczą (8)

PL 247809 Β1 i elektrodę odniesienia (9) izoluje się elektrycznie żywicą epoksydową (11) i łączy z elektrodą badaną (5) do potencjostatu (10), po czym wykonuje pomiar polaryzacyjną metodą elektrochemiczną, korzystnie metodą oporu polaryzacji liniowej (LPR), lub metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) lub metodą impulsu galwanostatycznego (GP), a następnie wyznacza się gęstość prądu korozyjnego ikor i oblicza chwilową szybkość korozji CR.

2. Sposób pomiaru szybkości korozji według zastrz. 1 znamienny tym, że elektroda badana (5) wykonana jest ze stali niestopowej jakościowej w kształcie otwartej figury geometrycznej, korzystnie w kształcie litery C.

3. Sposób pomiaru szybkości korozji według zastrz. 1 znamienny tym, że elektroda pomocnicza (8) wykonana jest z metalu odpornego na korozję elektrochemiczną.

4. Sposób pomiaru szybkości korozji według zastrz. 1 znamienny tym, że izoluje się elektrycznie elementy stalowego zbrojenia stosując wypełnienie w postaci żywicy epoksydowej (11), która nie może pokrywać zewnętrznych powierzchni elektrod: badanej (5), elektrody pomocniczej (8) i elektrody odniesienia (9) stykających się z agresywnym betonem (12) elementu konstrukcyjnego.