Studies on corrosion rate of reinforcement in reinforced concrete water tanks

231Ochrona przed Korozją, vol. 56, nr 5

Deterioration of internal linings in the reinforced concrete water tanks ope-rated for over 20 years was observed which alarmed the construction su-pervisory authorities because of a potential risk of reinforcement corrosion and failure of the structure. Corrosion tests were undertaken to present the existing conditions of the reinforcement. The tests were performed on con-crete cores cut out from the structures. The concrete cores which contained fragments of rebars, were placed in a corrosion chamber under precisely specifi ed thermal and humidity conditions. The average conditions existing in a tank fi lled with water and the conditions favourable for the development of corrosion process were simulated in the chamber. The test results demon-strated lack of any reasons for immediate closing down the facility and thus, it could be further operated while simultaneous works preparing the facility for major repair were conducted.Keywords: concrete structures, concrete, corrosion of reinforcement, polari-zation resistancemeasurements, impedance spectroscopy

TOMASZ JAŚNIOKMARIUSZ JAŚNIOKADAM ZYBURA

Katedra Konstrukcji Budowlanych, Politechnika Śląska

Studies on corrosion rate of reinforcement in reinforced concrete water tanks

ochrona przed korozja 5/2013

SYSTEMY – MATERIAŁY – POWŁOKIA N T Y K O R O Z J AXXI Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna

Prosimy cytować jako: Ochr. Przed Koroz., 2013, 56, 5, (227-234)Please cite as: Ochr. Przed Koroz., 2013, 56, 5, (227-234)

Fig. 1. A scheme of water tank structure with marked core sampling sites

1. Introduction

During a periodical technical survey of two underground reinforced concrete tanks for potable water used for over 20 years which were situated in waterworks premis-es in a city in south-west part of Poland, few wall cracks and considerable wear of protective lining of concrete surfaces were found. Because of the potential risk of cor-rosion development in reinforcing steel and failure of the structure that could be caused by the observed deterioration, it was rec-ommended to close down the tanks at once and perform immediately a very expensive major repair. The tanks were founded at a depth of ca. 7.0 m below ground level and covered with a reinforced concrete slab and initial backfi ll. The simultaneous closing down of both tanks was impossible because of the operational purposes, whereas begin-ning the major repair turned out to be diffi -cult on account of economic and procedural reasons (public tenders for construction works were required). The facility adminis-trator had doubts about a right decision and therefore he entrusted the Department of BuildingStructures at the Silesian Univer-sity of Technology with conducting tests to determine the existing technical conditions

of the tanks with particular consideration into the development of corrosion processes of reinforcement rods.

The fi rst stage consisted in the basic tests of reinforcement corrosion — the station-ary potential tests according to the standard [1] and resistivity tests of concrete cover according to the instruction [2].These tests enable nominate, based on the criteria of the code, zones of varying probability of corro-

sion of reinforcement in concrete. The meas-urements showed expected high probability of corrosion occurrence as a result of mois-ture content in walls of the tanks fi lled with water. Potential was in the range of -200 ÷ -350 mV, which according to [1] indicates a 50% probability and resistivity in the range of 5÷20 kΩ·cm, which according to [2] may indicate a medium and a high probability of corrosion.As there were no grounds for drawing the unambiguous conclusions from the results from measuring stationary poten-tial and resistivity of concrete [3], it was then decided to perform the tests on corrosion rate by polarization methods. These tests were conducted on cores cut out from the structure and containing fragments of rein-forcement. A scheme of tank structure with fundamental dimensions and sampling sites are illustrated in Fig. 1. The sampling sites for cores were selected with regard to all specifi c water and moisture conditions, in-cluding the impact of water of high and low hydrostatic pressure and very high moisture content of concrete above the water table. Three cylindrical drills were done in each tank: in lower parts of the walls (specimens Nos 3 and 6) and two drills in upper parts of the walls situated above and below the line

232 Ochrona przed Korozją, vol. 56, nr 5

Fig. 2. The measurement system used in polariza-tion tests: a) a scheme, b) a view – described in the text

Fig.3. The exemplary results from polarization tests on the reinforcement in the specimen No. 2: a) the Nyquist plot (EIS), b) equivalent electrical circuit, c) polarization (LPR) curves

Fig. 4. Averaged from measurements by EIS and LPR method values of corrosion current densities in the reinforcement of cores taken from the tank structures

of water table (specimens Nos 1 and 2 and specimens Nos 4 and 5 respectively).

2. Course of tests

The concrete cores cut out from the struc-ture and containing electromagnetically-localised fragments of reinforcement had a diameter of 104 mm and a height of ca. 200 mm. The specimens were intended for both concrete strength tests and tests of cor-rosion rate of the reinforcement. First of all, the polarization tests on the corrosion rate of the reinforcement were performed us-ing two methods – electrochemical imped-ance spectroscopy (EIS) method and linear polarization resistance (LPR) method. The testing method is shown in Fig. 2 – cf [6]. The measurements were performed with po-tentiostat 1 – Gamry Reference 600 which was connected with a fragment of the rebar 2 present in the concrete core. Head surfaces of cut bars were protected with epoxy resin. A felt washer 3 and a stainless steel circular auxiliary electrode 4 were placed on the up-per part of the specimen. By using a rela-tively large counter electrode whose overall dimensions covered the whole fragment of the rebar, its area being in contact with con-crete was regarded as the area of the work-ing electrode. A custom-made silver chlo-ride reference electrode 5 was placed on the felt inside the auxiliary electrode, through a hole with a diameter of 10 mm. Concrete load 6 was used to obtain a satisfactory con-tact of electrodes applied to the felt.

The environmental test chamber for cor-rosion testing was used to represent the thermal and moisture conditions typical for the tank. The most unfavourable conditions were assumed to occur in concrete with high moisture content at high ambient tempera-ture, e.g. when tanks were emptied and very high external temperature was maintained for a very long time. For the purpose of simulating such conditions, the specimens were kept in a corrosion chamber for a pe-riod of 48 hours at relative humidity level of 100% and at a temperature of 30°C. The prevailing conditions for the operational use cause that concrete is saturated with water at the ground temperature at a depth of ca. 5 m which results from the tank foundations at a depth of ca. 7 m below ground level. In the paper [4] established that the ground temperature at such a depth ranged from 8 to 10°C. As such assumptions were accept-ed, the specimens were placed in the cor-rosion chamber for 48 hours and immersed in water at a temperature of 8°C.In the tests were used water from the tested tanks of pH = 7.1 and content ofCl– – 14.5 mg/l, SO4

2+ – 32 mg/l, Ca2+ – 34.57 mg/l and Mg2+ – 3.83 mg/l.

First of all, the tests were performed at the fi xed range of frequencies of 0.01 Hz ÷ 100 000 Hz by the EIS method using a dis-turbing sinusoidal signal with the potential amplitude of 10 mV in regard to the station-ary potential of the reinforcement. The se-lected test results are shown at the Nyquist plot – Fig. 3a. The results were analysed by applying an equivalent electrical circuit il-lustrated in Fig. 3b, where R1 represents the resistance of liquid phase, while R2 char-acterizes the resistance of a double layer in contact with liquid and solid phases of concrete. The capacity of the double layer is described by parameters Y2, α2 of the con-stant phase element –CPE. Electrochemical properties of steel–concrete interface transi-

tion zone are characterized by CPE of Y3, α3parameters, The double layer in contact with pore water and reinforcing steel is de-scribed by CPE of Y0, α0 parameters, with the parallel combination of charge transfer resistance Rt.

After completing alternating current (EIS) measurements and after stabilization of the potential at the variation level of 0.1 mV/s, the measurements of direct current meas-urement (LPR) started. The reinforcement was polarized at a rate of 1 mV/s within the range of potential changes from –150 mV to +100 mV in regard to the stationary po-tential. The selected results from d.c. testing are shown at the potential–current density plot –Fig. 3c. The analyses of polarization


Table 2. The results from testing reinforcing steel in core concrete by the method of polarization resistance (LPR)

Corenumber

bc[V/dec.]

ba[V/dec.]

Rp[kΩcm2]

Ap[cm2]

icorr[μA/cm2]

T =

30°C

RH

= 9

9.9%

1 0.337 0.052 4.22 49.5 0.462 0.485 0.042 3.51 36.9 0.483 0.080 0.069 5.65 167.5 0.284 0.141 0.069 3.14 26.6 0.645 0.111 0.038 21.2 26.4 0.066 0.141 0.043 8.37 26.3 0.17

T =

8°C

wat

er

1 0.183 0.023 7.06 49.5 0.132 0.066 0.072 4.20 36.9 0.363 0.071 0.066 6.75 167.5 0.224 0.262 0.036 3.12 26.6 0.445 0.170 0.030 6.11 26.4 0.186 0.181 0.036 5.55 26.3 0.23

Table 1. The results from testing reinforcing steel in core concrete by the method of impedance spectroscopy (EIS)

Corenumber

R1[Ω]

R2[kΩ]

Y2[μFsα-1] α2

Y3[mFsα-1] α3

Y0[mFsα-1] α0

Rt[kΩ]

icorr[μA/cm2]

T =

30°C

RH

= 9

9.9%

1 0.075 0.383 0.014 0.791 12.36 0.645 0.284 0.249 0.380 1.042 0.001 0.948 0.083 0.659 22.33 0.735 0.047 0.502 1.061 0.433 0.001 1.086 0.233 0.595 1152 0.999 3.636 0.268 0.468 0.214 0.103 7.703 0.046 0.584 2.473 0.508 0.206 0.920 0.346 2.195 0.693 7.649 0.003 0.788 1.315 0.540 0.438 0.791 0.424 1.106 0.012 4.808 0.160 0.742 3.545 0.700 0.276 0.413 1.099 0.50

T =

8°C

wat

er

1 0.002 0.748 0.023 0.753 14.33 0.605 0.155 0.375 0.644 0.282 0.003 1.459 0.046 0.659 10.85 0.339 0.032 0.481 1.113 0.363 1.639 1.646 0.047 0.695 4.511 0.148 0.009 0.617 0.286 0.314 0.001 1.058 2.895 0.417 23.18 0.000 5.480 0.579 7.880 0.075 130.0 1.318 0.839 0.506 37.22 0.356 18.14 0.399 2158 0.016 0.011 1.856 0.502 0.487 4.071 0.120 5.494 0.717 79.85 0.01

curves were used to determine slope coef-fi cients of straight line segments ba and bkof the polarization curve and the polarization resistance Rp. Then, these values were con-sidered while calculating density of cor-rosion current icorr according to the Stern-Geary equation

. ( )i b b R

b b2 303corr

a k p

a k= + (1)

The equation (1) was also used to calcu-late the densities of corrosion current in EIS measurements assuming that coeffi cients ba and bk determined in the tests by the LPR method and approximating the polariza-tion resistance by the transfer resistance of charge Rt representing corrosion kinetics – Rp ≈ Rt – cf [5].

3. Analysis of test results

The measurement results from six test elements, including various thermal and moisture conditions, are presented in Tables 1 and 2.

An arithmetic mean determined by EIS and LPR methods was regarded as the fi nal value of the current density. The surface of tested electrode required for a proper deter-mination of icorr was measured directly after destroying concrete cores during strength tests.

Fig. 4shows a graphical variability of values of corrosion current densities in the reinforcement in concrete from cores taken from the structure. The development rate of corrosion of the reinforcement from the specimens was evaluated on the basis of cri-teria published in many papers. According to those criteria [7, 8], density of corrosion current which does not exceed the thresh-old values of 0.1÷0.5 μA/cm2 indicates that practically there is no corrosion risk for steel protected by concrete.

The simulation of conditions prevailing in the period of facility operation led to the values of corrosion current densities within

the following range: icorr= 0.09÷0.26 μA/cm2, whereas under conditions in favour of the development of reinforcing steel corro-sion in concrete, such values were consid-erably higher and were within the follow-ing range: icorr= 0.25÷1.41 μA/cm2. It can be observed that all specimens, regardless of their sampling site from the structure, demonstrated a similar distribution of the values icorr,which could indicate that the en-vironmental conditions in both tanks were relatively similar. Taking into account the above criterion (0.1÷0.5 μA/cm2) and the test results, it was found that at a high tem-perature T = 30°C and high relative humid-ity RH ≈ 100%, reinforcing steel in three specimens (Nos 2, 3 and 6) did not face the risk of corrosion, while the corrosion proc-esses in other specimens were occurring at a low rate. However, it should be pointed out that unfavourable thermal and humidity conditions T = 30°C, RH ≈ 100%) created in the laboratory occasionally can appear in the tanks. Regarding the conditions of full immersion in water of 8°C, all the speci-mens demonstrated low values of corrosion current densities which indicated that the

development of corrosion was signifi cantly reduced.

4. Conclusions

The corrosion risk for large-sized rein-forced concrete tanks for potable water was evaluated by performing the polariza-tion tests on the fragments of the reinforce-ment cut out along with the concrete cores from the structure. The tests were carried out in the climatic and corrosion chamber simulating the average conditions existing in the tank fi lled with water and the con-ditions favourable for the development of the corrosion process. The obtained results have led to the conclusions that there is no risk of corrosion if the tanks are fi lled with water, while corrosion can be developed if the tanks are emptied which can be regard-ed as a warning indicating that the surface protection of concrete is necessary. The ad-ditional tests of concretepore watershowed pH > 12.0 and chloride content CCl< 0,2% by weight of cement in concrete. Because pH <11.8 and chloride concentrationCCl> 0,4% constitutes a threat of the reinforce-


ment corrosion [3], so the cover was char-acterized by proper protective properties as regards reinforcing steel. The test results demonstrated no reasons for immediate closing down the facility immediately and thus, it can be further operated while simul-taneous works preparing it for major repair are in progress.

REFERENCESASTM-C 867-91,1. Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete.Materiały informacyjne fi rmy 2. JAMES INSTRUMENTS INC; http://www.ndtjames.com.A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok, 3. Diagno-styka konstrukcji żelbetowych, t. 2, Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, Wydawnictwo Naukowe PWN, War-szawa 2011.B. Biernacka, 4. Półempiryczne równanie opi-sujące naturalne pole temperatury gruntu w rejonie Białegostoku, Budownictwo i In-żynieria Środowiska, Ofi cyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, 1, nr 1, s. 5-9.

A.Sadkowski, J.Flis, Zastosowanie pomiarów 5. impedancyjnych w badaniach korozyjnych, Ochrona przed Korozją 8, 1980, s. 210-217.A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok: Sposób 6. badania szybkości korozji zbrojenia zwłasz-cza w konstrukcjach żelbetowych, Zgłoszenie patentowe P.400059, Politechnika Śląska, 20.07.2012 r.

Information about the authors:Tomasz Jaśniok, PhD, Eng. – assistant profes-sors in the Department of Building Structures at the Silesian University of Technology. He has graduated from the Faculty of Civil Engi-neering at the Silesian University of Technol-ogy. Specialization in electrochemical methods of concrete restoration and corrosion diagnos-tics of reinforced concrete structure by elec-trochemical methods. e-mail: [email protected] Jaśniok, PhD, Eng. – assistant pro-fessors in the Department of Building Struc-tures at the Silesian University of Techno-logy. He has graduated from the Faculty of

Civil Engineering at the Silesian University of Technology. Specialization in electrochemical methods of concrete restoration and corrosion diagnostics of reinforced concrete structure by electrochemical methods. e-mail: [email protected]., DSc, PhD, Eng. Adam Zybura – Head of the Department of Building Structures at the Silesian University of Technology. He has graduated from the Faculty of Civil Engineer-ing at the Silesian University of Technology. He specializes in problems on the durability of concrete structures and mechanisms of chemi-cally active environment impact on reinforced concrete. e-mail: [email protected]

C. Andrade, M.C. Alonso, A. Gonzalez: An 7. Initial Effort to Use the Corrosion Rate Meas-urements for Estimating Rebar Durability, [in:] Berke N.S. et al (eds.): Corrosion Rates of Steel in Concrete, ASTM STP 1065, ASTM, 1990, p. 29-37.C. Andrade: Progress Report 1994-97, 8. Ma-terials and Structures, Vol. 31, 1998, p.153-157.

Otrzymano: 5.03.2013Skierowano do druku: 19.03.2013


W użytkowanych ponad 20 lat żelbetowych zbiornikach wody pitnej powsta-ły uszkodzenia wewnętrznych wypraw, co zaniepokoiło instytucje nadzoru budowlanego, ze względu na zagrożenie korozją zbrojenia i awarią kon-strukcji. W celu wykazania rzeczywistego stanu zbrojenia podjęto badania korozyjne. Badania przeprowadzono na wyciętych z konstrukcji rdzeniach betonowych zawierających fragmenty prętów zbrojeniowych, które umiesz-czano w komorze korozyjnej w ściśle określonych warunkach termiczno-wilgotnościowych. W komorze modelowano przeciętne warunki występujące w zbiorniku napełnionym wodą oraz warunki sprzyjające rozwojowi procesu korozji. Wyniki badań wykazały brak przesłanek do bezzwłocznego wyłącze-nia z eksploatacji obiektu i umożliwiły dalsze użytkowanie z jednoczesnym przygotowaniem do generalnego remontu.Słowa kluczowe: konstrukcje betonowe, korozja zbrojenia, pomiar oporu polaryzacji, spektroskopia impedancyjna

TOMASZ JAŚNIOKMARIUSZ JAŚNIOKADAM ZYBURA

Katedra Konstrukcji Budowlanych, Politechnika Śląska

Badania szybkości korozji zbrojenia żelbetowych zbiorników na wodę

ochrona przed korozja 5/2013

SYSTEMY – MATERIAŁY – POWŁOKIA N T Y K O R O Z J AXXI Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna

Prosimy cytować jako: Ochr. Przed Koroz., 2013, 56, 5, (227-234)Please cite as: Ochr. Przed Koroz., 2013, 56, 5, (227-234)

Rys. 1. Schemat konstrukcji zbiorników na wodę z zaznaczonymi miejscami pobrania rdzeni

1. Wprowadzenie

W trakcie okresowego przeglądu stanu technicznego dwóch użytkowanych ponad 20 lat podziemnych zbiorników żelbeto-wych na wodę pitną znajdujących się w za-kładzie wodociągowym jednego z miast południowo-zachodniej Polski, stwierdzo-no nieliczne zarysowania ścian i znaczne zużycie ochronnych wypraw powierzchni betonowych. Obawiając się, że uszkodzenia te mogły spowodować rozwój procesów ko-rozji stali zbrojeniowej i zagrożenie awarią konstrukcji, zalecono natychmiastowe wy-łączenie zbiorników z użytkowania i nie-zwłoczne wykonanie bardzo kosztownego remontu generalnego. Zbiorniki zostały posadowione ok. 7,0 m pod poziomem terenu i przykryte żelbetową płytą z nad-sypką ziemi. Jednoczesne wyłączenie obu zbiorników było niemożliwe ze względów eksploatacyjnych, natomiast przystąpie-nie do nagłego remontu okazało się trudne z powodów fi nansowych i proceduralnych (konieczne przetargi na roboty budowlane). Zarządca obiektu mając wątpliwości odno-śnie prawidłowej decyzji powierzył Kate-drze Konstrukcji Budowlanych Politechni-ki Śląskiej badania określające rzeczywisty stan techniczny zbiorników ze szczególnym uwzględnieniem zaawansowania procesów korozyjnych wkładek zbrojeniowych.

W pierwszym etapie wykonano podsta-wowe badania korozyjne zbrojenia – poten-cjału stacjonarnego według normy [1] oraz rezystywności otulenia betonowego zgod-nie z instrukcją [2]. Są to badania umożli-wiające wytypowanie, na podstawie nor-mowych kryteriów, stref o zróżnicowanym prawdopodobieństwie wystąpienia korozji zbrojenia w betonie. Pomiary te wykazały spodziewane wysokie prawdopodobieństwo korozji, będące wynikiem znacznego zawil-gocenia ścian zbiorników wypełnianych

wodą. Potencjał mieścił się w przedziale -200÷-350 mV, co według [1] wskazuje na 50% prawdopodobieństwo, natomiast rezy-stywność w przedziale 5÷20 kΩ 0183 cm, co według [2] może wskazywać na średnie i duże prawdopodobieństwo korozji. Po-nieważ wyniki pomiarów potencjału sta-cjonarnego i rezystywności betonu nie dają podstaw do jednoznacznego wnioskowania o zagrożeniu korozyjnym zbrojenia [3], więc zdecydowano się przeprowadzić także badania szybkości korozji metodami pola-ryzacyjnymi. Badania wykonano na wycię-tych z konstrukcji rdzeniach zawierających fragmenty zbrojenia. Schemat konstrukcji zbiornika z zasadniczymi wymiarami i lo-kalizacją miejsc pobrania próbek przedsta-wiono na rys. 1. Dokonując wyboru miejsc pobrania rdzeni starano się uwzględnić wszystkie specyfi czne warunki wodno-wil-gotnościowe, w tym oddziaływanie wody o wysokim i niskim ciśnieniu hydrostatycz-nym oraz bardzo wysoką wilgotność beto-nu nad lustrem wody. W każdym zbiorniku wykonano trzy walcowe odwierty: w dol-nych częściach ścian (próbki nr 3 i 6) oraz dwa odwierty w górnej części ścian, zloka-lizowane nad i pod linią lustra wody (odpo-wiednio próbki nr 1 i 2 oraz 4 i 5).


Rys. 2. Układ pomiaro-wy zastosowany w bada-niach polaryzacyjnych: a) schemat, b) widok – opis w tekście

Rys. 3. Przykładowe wyniki badań polaryzacyjnych zbrojenia w próbce nr 2: a) wykres Nyquista (EIS), b) elektryczny schemat zastępczy, c) krzywe polaryzacji (LPR)

Rys. 4. Uśrednione z pomiarów metodą EIS i LPR wartości gęstości prądu korozyjnego na zbrojeniu rdzeni pobranych z konstrukcji zbiorników

2. Przebieg badań

Wycięte z konstrukcji betonowe rdzenie-zawierające zlokalizowane elektromagne-tycznie fragmenty zbrojenia miały średnicę 104 mm i wysokość ok 200 mm. Próbki były przeznaczone zarówno do badań wy-trzymałościowych betonu jak i szybkości korozji zbrojenia.W pierwszej kolejności przeprowadzono polaryzacyjne badania szybkości korozji zbrojenia stosując dwie metody – elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS) oraz metodę pomiaru oporu polaryzacji (LPR). Sposób przepro-wadzenia badań przedstawiono na rys. 2 – por. [6]. Badania wykonano potencjosta-tem 1 – Gamry Reference 600, który połą-czono z fragmentem pręta zbrojeniowego – 2 znajdującym się w rdzeniu betonowym. Powierzchnie czołowe przeciętych prętów zabezpieczano żywicą epoksydową. Na górnej powierzchni próbki umieszczano podkładkę fi lcową 3 oraz kołową elektrodę pomocniczą 4 z blachy nierdzewnej. Zasto-sowanie stosunkowo dużej przeciwelektro-dy obejmującej gabarytami cały fragment pręta zbrojeniowego pozwoliło przyjąć jego powierzchnię stykającą się z betonem, jako powierzchnię elektrody badanej. W środku elektrody pomocniczej przez otwór średni-cy 10 mm na fi lcu umieszczano indywidu-alnie wykonaną chloro-srebrową elektrodę odniesienia 5. W celu uzyskania dobrego kontaktu przykładanych elektrod do pod-kładki fi lcowej zastosowano betonowy ob-ciążnik 6.

Odwzorowanie warunków termiczno-wil-gotnościowych występujących w zbiorniku przeprowadzono w klimatycznej komorze korozyjnej. Przyjęto, że najbardziej nieko-rzystne warunki panują w betonie silnie za-wilgoconym i przy wysokiej temperaturze otoczenia – np. gdy zbiorniki są opróżnione, a bardzo wysoka temperatura zewnętrzna utrzymuje się przez długi okres czasu. Mo-delując takie warunki, próbki umieszczano w komorze korozyjnej na okres 48 godzin, przy wilgotności względnej powietrza wy-noszącej ok. 100% i temperaturze 30°C. Dominujące warunki użytkowania powo-dują nasycenie betonu wodą przy tempe-raturze panującej w gruncie na głębokości ok. 5 m, co wynika z posadowienia zbiorni-ków na głębokości ok. 7 m ppt. W pracy [4] ustalono, że temperatura w gruncie na tej głębokości waha się w przedziale 8÷10°C. Przyjmując te ustalenia, próbki umiesz-czano w komorze korozyjnej na 48 godzin zanurzone w wodzie o temperaturze 8°C. W badaniach zastosowano wodę pochodzą-cą z badanych zbiorników o pH = 7,1 oraz o zawartości Cl– – 14,5 mg/l, SO4

2+ – 32 mg/l, Ca2+ – 34,57 mg/l oraz Mg2+ – 3,83 mg/l.

W pierwszej kolejności wykonywano badania metodą EIS przy ustalonym za-kresie częstotliwości 0,01 Hz÷100 000 Hz, stosując sinusoidalny sygnał zaburzający o amplitudzie potencjału 10 mV względem potencjału korozyjnego. Wybrane wyniki badań przedstawiono na wykresie Nyquista – rys. 3a. Analizę wyników przeprowadzo-no stosując elektryczny schemat zastępczy zamieszczony na rys. 3b, w którym R1 od-powiada rezystancji fazy ciekłej, natomiast R2 charakteryzuje rezystancję warstwy po-dwójnej w styku fazy ciekłej i stałej beto-nu. Pojemność warstwy podwójnej opisują parametry Y2, α2 elementu stałofazowegoC-PE. Właściwości elektrochemiczne strefy przejściowej na granicy faz stal-beton okre-

śla element CPE o parametrach Y3, α3. Na-tomiast warstwę podwójną w styku cieczy porowej ze stalą zbrojeniową charakteryzu-je element CPE o parametrach Y0, α0 z rów-nolegle połączonym oporem przeniesienia ładunku Rt.

Po zakończeniu pomiarów zmiennoprą-dowych (EIS) i po ustabilizowaniu się po-tencjału na poziomie zmienności 0,1 mV/s, przystępowano do wykonywania pomiarów stałoprądowych (LPR). Zbrojenie polary-zowano z szybkością 1 mV/s w zakresie zmiany potencjału od –150 mV do +100 mV względem potencjału stacjonarnego. Wybrane wyniki badań stałoprądowych pokazano na wykresie potencjał–gęstość prądu – rys. 3c. Na podstawie analizy krzy-


Tablica 2. Wyniki badań stali zbrojeniowej w betonie rdzeni metodą pomiaru oporu polaryzacji (LPR)

Numer próbki

bc[V/dec.]

ba[V/dec.]

Rp[kΩcm2]

Ap[cm2]

ikor[μA/cm2]

T =

30°C

RH

= 9

9,9%

1 0,337 0,052 4,22 49,5 0,462 0,485 0,042 3,51 36,9 0,483 0,080 0,069 5,65 167,5 0,284 0,141 0,069 3,14 26,6 0,645 0,111 0,038 21,2 26,4 0,066 0,141 0,043 8,37 26,3 0,17

T =

8°C

wod

a

1 0,183 0,023 7,06 49,5 0,132 0,066 0,072 4,20 36,9 0,363 0,071 0,066 6,75 167,5 0,224 0,262 0,036 3,12 26,6 0,445 0,170 0,030 6,11 26,4 0,186 0,181 0,036 5,55 26,3 0,23

wych polaryzacji określano współczynniki nachylenia prostoliniowych odcinków krzy-wej polaryzacji ba i bk oraz opór polaryzacji Rp. Następnie wartości te uwzględniano w obliczeniach gęstości prądu korozyjnego ikorwedług zależności Sterna-Geary’ego

, ( )i b b R

b b2 303kor

a k p

a k= + (1)

Według wzoru (1) obliczano także gęsto-ści prądu korozyjnego w pomiarach metodą EIS, przyjmując współczynniki ba i bk okre-ślone w badaniach metodą LPR oraz aprok-symując opór polaryzacji oporem przenie-sienia ładunku Rt reprezentującym kinetykę korozji – Rp ≈ Rt – por. [5].

3. Analiza wyników badań

Wyniki pomiarów uzyskane na sześciu elementach próbnych z uwzględnieniem zróżnicowanych warunków cieplno-wilgot-nościowych zestawiono w tablicach 1 i 2.

Jako ostateczną wartość gęstości prądu przyjęto średnią arytmetyczną wyznaczoną metodami EIS i LPR. Niezbędną do prawi-dłowego określenia ikor powierzchnię elek-trody badanej pomierzono bezpośrednio po zniszczeniu rdzeni betonowych podczas ba-dań wytrzymałościowych.

Na rys. 4 grafi cznie pokazano zmien-ność wartości gęstości prądu korozyjnego na zbrojeniu w betonie rdzeni pobranych z konstrukcji. Ocenę intensywności rozwo-ju korozji zbrojenia w próbkach przeprowa-dzono na podstawie kryteriów [7, 8], zgod-nie z którymi gęstość prądu korozyjnego nie przekraczająca granic 0,1÷0,5 μA/cm2 świadczy o praktycznym braku zagrożenia korozyjnego stali chronionej betonem.

Modelując w komorze warunki dominują-ce w okresie eksploatacji obiektu otrzyma-no gęstości prądu korozyjnego w przedziale ikor = 0,09÷0,26 μA/cm2, natomiast w wa-runkach sprzyjających rozwojowi procesów korozyjnych stali zbrojeniowej w betonie wartości były zdecydowanie większe i mie-ściły się w przedziale ikor= 0,25÷1,41 μA/

Tablica 1. Wyniki badań stali zbrojeniowej w betonie rdzeni metodą spektroskopii impedancyjnej (EIS)

Numer próbki

R1[Ω]

R2[kΩ]

Y2[μFsα-1] α2

Y3[mFsα-1] α3

Y0[mFsα-1] α0

Rt[kΩ]

ikor[μA/cm2]

T =

30°C

RH

= 9

9,9%

1 0,075 0,383 0,014 0,791 12,36 0,645 0,284 0,249 0,380 1,042 0,001 0,948 0,083 0,659 22,33 0,735 0,047 0,502 1,061 0,433 0,001 1,086 0,233 0,595 1152 0,999 3,636 0,268 0,468 0,214 0,103 7,703 0,046 0,584 2,473 0,508 0,206 0,920 0,346 2,195 0,693 7,649 0,003 0,788 1,315 0,540 0,438 0,791 0,424 1,106 0,012 4,808 0,160 0,742 3,545 0,700 0,276 0,413 1,099 0,50

T =

8°C

wod

a

1 0,002 0,748 0,023 0,753 14,33 0,605 0,155 0,375 0,644 0,282 0,003 1,459 0,046 0,659 10,85 0,339 0,032 0,481 1,113 0,363 1,639 1,646 0,047 0,695 4,511 0,148 0,009 0,617 0,286 0,314 0,001 1,058 2,895 0,417 23,18 0,000 5,480 0,579 7,880 0,075 130,0 1,318 0,839 0,506 37,22 0,356 18,14 0,399 2158 0,016 0,011 1,856 0,502 0,487 4,071 0,120 5,494 0,717 79,85 0,01

cm2. Można zauważyć, że wszystkie próbki niezależnie od miejsca pobrania z konstruk-cji wykazywały podobny obraz rozkładu wartości ikor, co może świadczyć o stosun-kowo wyrównanych warunkach środowi-skowych panujących w obu zbiornikach. Uwzględniając wyżej podane kryterium (0,1÷0,5 μA/cm2) oraz wyniki badań moż-na stwierdzić, że w wysokiej temperaturze T = 30°C, przy dużej wilgotności powie-trza RH ≈ 100%, stal zbrojeniowa w trzech próbkach (nr 2, 3 i 6) nie była zagrożona korozją, natomiast w pozostałych próbkach procesy korozyjne przebiegały z niewielką intensywnością. Należy jednak zauważyć, że laboratoryjnie wytworzone niekorzyst-ne warunki termiczno-wilgotnościowe (T = 30°C, RH ≈ 100%) w badanym zbior-niku w rzeczywistości mogą wystąpić spo-radycznie. W warunkach pełnego zanurze-nia w wodzie o temperaturze 8°C wszystkie próbki wykazywały niskie gęstości prądu korozyjnego świadczące o istotnym ograni-czeniu rozwoju korozji.

4. Podsumowanie

Ocenę stanu zagrożenia korozyjnego wielkogabarytowych zbiorników żelbeto-

wych na wodę pitną przeprowadzono stosu-jąc badania polaryzacyjne na fragmentach zbrojenia wyciętych z konstrukcji wraz z rdzeniami betonowymi. Badania zrealizo-wano w komorze klimatyczno-korozyjnej modelując przeciętne warunki występujące w zbiorniku napełnionym wodą oraz warun-ki sprzyjające rozwojowi procesu korozji. Na podstawie uzyskanych wyników stwier-dzono, że przy napełnieniu zbiorników wodą nie istnieje zagrożenie korozją stali zbrojeniowej, natomiast rozwój korozji jest możliwy, gdy zbiorniki zostaną opróżnione, co należy traktować jako ostrzeżenie wska-zujące na konieczność wykonania ochrony powierzchniowej betonu. Przeprowadzone dodatkowo badania cieczy porowej betonu wykazały wartości pH > 12,0 oraz zawar-tość chlorków CCl < 0,2% w stosunku do masy cementu w betonie. Ponieważ dopie-ro pH < 11,8 oraz stężenie chlorków CCl > 0,4% stanowi zagrożenie korozyjne zbroje-nia [3], tak więc otulina charakteryzowała się prawidłowymi właściwościami ochron-nymi względem stali zbrojeniowej. Na pod-stawie wykonanych badań stwierdzono brak przesłanek do bezzwłocznego wyłączenia z eksploatacji obiektu imożliwość dalszego


użytkowania z jednoczesnym przygotowa-niem do generalnego remontu.

LITERATURAASTM-C 867-91,1. Standard Test Method for Half-Cell Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete.Materiały informacyjne fi rmy 2. JAMES INSTRUMENTS INC; http://www.ndtjames.com.A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok, 3. Diagno-styka konstrukcji żelbetowych, t. 2, Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, Wydawnictwo Naukowe PWN, War-szawa 2011.B. Biernacka, 4. Półempiryczne równanie opi-sujące naturalne pole temperatury gruntu w rejonie Białegostoku, Budownictwo i In-żynieria Środowiska, Ofi cyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej, 1, nr 1, s. 5-9.A.Sadkowski, J.Flis, Zastosowanie pomiarów 5. impedancyjnych w badaniach korozyjnych, Ochrona przed Korozją 8, 1980, s. 210-217.

A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok: Sposób 6. badania szybkości korozji zbrojenia zwłasz-cza w konstrukcjach żelbetowych, Zgłoszenie patentowe P.400059, Politechnika Śląska, 20.07.2012 r.C. Andrade, M.C. Alonso, A. Gonzalez: An 7. Initial Effort to Use the Corrosion Rate Meas-

urements for Estimating Rebar Durability, [in:] Berke N.S. et al (eds.): Corrosion Rates of Steel in Concrete, ASTM STP 1065, ASTM, 1990, p. 29-37.C. Andrade: Progress Report 1994-97, 8. Ma-terials and Structures, Vol. 31, 1998, p.153-157.

Informacje o Autorach:Dr inż. Tomasz Jaśniok – adiunkt w Kate-drze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Śląskiej, absolwenci Wydziału Budownictwa Politechniki Śląskiej. Specjalizuje się w me-todach elektrochemicznej regeneracji betonu oraz w diagnostyce korozyjnej konstrukcji żelbetowych metodami elektrochemicznymi. e-mail: [email protected] inż. Mariusz Jaśniok – adiunkt w Katedrze Konstrukcji Budowlanych Politechniki Ślą-skiej, absolwent Wydziału Budownictwa Poli-

techniki Śląskiej. Specjalizuje się w metodach elektrochemicznej regeneracji betonu oraz w diagnostyce korozyjnej konstrukcji żelbeto-wych metodami elektrochemicznymi.e-mail: [email protected]. dr hab. inż. Adam Zybura – kierownik Katedry Konstrukcji Budowlanych Politech-niki Śląskiej, absolwent Wydziału Budow-nictwa Politechniki Śląskiej. Specjalizuje się w problemach trwałości konstrukcji z betonu oraz mechanizmów działania środowiska nie-obojętnego chemicznie na żelbet. e-mail: [email protected]: 5.03.2013Skierowano do druku: 19.03.2013

all -180**amw

56. rok wydawania

/2013 ochrona PL ISSN 0473-7733

liivt36,57y5z1:1111 meg przed korozji Corrosion Protection

ItsiTp ANTYKOROLIA 2013 Chem Systemy — Materialy — Powtoki

Studies on corrosion rate of reinforcement in reinforced concrete water tanks

Documents

Transcript of Studies on corrosion rate of reinforcement in reinforced concrete water tanks