بروتوكول تجريبي لتحديد قيمة العتبة كلوريد للتآكل في العينات المأخوذة من هياكل الخرسانة المسلحة
Summary
ونحن نقترح أسلوب لقياس معلمة التي ترتبط ارتباطاً وثيقا لتقييم التآكل أو التنبؤات المتعلقة بهياكل الخرسانة المسلحة، مع الميزة الرئيسية للسماح باختبار عينات من الهياكل الهندسية. وهذا ما يضمن الظروف الحقيقية في واجهة الخرسانة الفولاذ، ذات الأهمية الحاسمة لتجنب القطع الأثرية عينات المصنوعة في المختبرات.
Abstract
شيخوخة البنية التحتية من الخرسانة المسلحة في البلدان المتقدمة النمو يفرض حاجة ملحة إلى أساليب لتقييم حالة هذه الهياكل موثوق بها. تآكل الصلب يعزز المضمنة هي السبب الأكثر تواترا للتدهور. في حين أنه من المعروف جيدا أن قدرة الهيكل على مقاومة التآكل يعتمد بشدة على عوامل مثل المواد المستخدمة أو السن، بل ممارسة شائعة الاعتماد على عتبة القيم المنصوص عليها في المعايير أو الكتب المدرسية. هذه القيم الحدية للشروع في التآكل (جالحرجة) تكون مستقلة عن خصائص بنية معينة، مما يحد بوضوح دقة تقييم حالة وتوقعات الحياة الخدمة الفعلية. ممارسة استخدام جداول القيم يمكن أن يعزى إلى عدم وجود طرق يمكن الاعتماد عليها لتحديد جالحرجة في الموقع وفي المختبر.
ويرد هنا، على بروتوكول تجريبي لتحديد جالحرجة للهياكل الهندسية الفردية أو أعضاء الهيكلية. يتم أخذ عدد من العينات من الخرسانة المسلحة من هياكل ويتم إجراء الفحوص المختبرية التآكل. والميزة الرئيسية لهذا الأسلوب هي أن يضمن الظروف الحقيقية المتعلقة بمعلمات معروفة جيدا للتأثير إلى حد كبير جالحرجة، مثل واجهة الخرسانة الفولاذ، الذي لا يمكن أن يحاكي بالإسم في العينات المنتجة في المختبر. في الوقت نفسه، يسمح اختبار التآكل المتسارع في المختبر موثوقة تصميم جالحرجة قبل الشروع في التآكل في هيكل اختبارها؛ هذا هو ميزة كبيرة على جميع الطرق الشائعة تقييم شرط إلا تسمح بتقدير الظروف للتآكل بعد البدء، أيعند البنية الفعل معطوب.
البروتوكول غلة إحصائية توزيع جالحرجة للهيكل تم اختبارها. وهذا يخدم كأساس لنماذج التنبؤ الاحتمالية للوقت المتبقي للتآكل، الذي يعتبر ضروريا للحفاظ على التخطيط. يمكن استخدام هذا الأسلوب يحتمل أن تكون في اختبار المواد للهياكل الأساسية المدنية، مماثلة للأساليب المحددة المستخدمة لاختبار الميكانيكية.
Introduction
تآكل صلب في الخرسانة، الناجمة عن تغلغل الكلوريدات بالخرسانة وهو السبب الأكثر شيوعاً لتدهور الهياكل الخرسانية معززة وأكد قبل سابق لأوانه، ومما يمثل واحداً من أهم التحديات في الهندسة المدنية1،2،،من34. البلدان الصناعية عادة ما تحتوي مخزون كبير من الشيخوخة البنى التحتية الملموسة، بني في النصف الثاني من القرن الماضي، وبالتالي مع تاريخ لعدة عقود من التعرض للمناخ البحرية أو أملاح مكافحة الجليد المستخدمة على الطرق. أن تكون قادرة على تقييم موثوق بها شرطا لهذه الهياكل، أي، الخطر التآكل، يشكل الأساس لتخطيط أعمال الصيانة وإدارة البنية التحتية، بشكل عام.
ويستند النهج المتبعة في الهندسة لإدارة المستحثة بكلوريد الصلب التآكل في الخرسانة كلوريد عتبة قيمة (يطلق عليها أيضا المحتوى، الحرجة كلوريد جالحرجة)1،5، 6-وفقا لهذا المفهوم، ويعتقد أن تحدث بمجرد تركيز الكلوريد في الخرسانة على السطح الصلب يتجاوز العتبةالحرجة جالشروع في التآكل. وهكذا، تقييم حالة الهياكل القائمة وتقدير مدة الخدمة المتبقية عادة تعتمد على تحديد محتوى الكلوريد في أعماق مختلفة في الملموسة، لا سيما في عمق الصلب يعزز جزءا لا يتجزأ. يوجد عدد من أساليب وموثوقة وموحدة قياس هذا تركيز الكلوريد في عينات ملموسة7،8. مقارنة النتائج على جالحرجة يوفر الأساس لتقييم خطر التآكل، والتخطيط النوع ونطاق تدابير الإصلاح. ومع ذلك، يتطلب هذا النهج المعرفة من جالحرجة.
مختلف المعايير الدولية والتوصيات، فضلا عن نص الكتب، تنص على قيم جالحرجة1،3،9،،من1011. هذه هي عادة حوالي 0.4% كلوريد بوزن أسمنت، استناداً إلى خبرة طويلة الأجل أو أوائل الدراسات12،13. ومع ذلك، من المعروف جيدا أن المقاومة الفعلية ضد جالحرجة لهيكل معين أو الأعضاء الهيكلية يتأثر تأثرا شديدا بالمواد التي يستخدمها، من الهيكل العمر، و تاريخ وظروف التعرض1 , 5-وهكذا، من المقبول عموما أن الخبرة المكتسبة من بنية واحدة ينبغي أن تطبق فقط على هياكل أخرى بحذر.
وبالرغم من ذلك، من الشائع هندسة ممارسة لاستخدام جداول القيمالحرجة ج، مستقلة عن الهيكل الفعلي. ويمكن تفسير هذا مبعثر ضخمة من جالحرجة في الأدب، والافتقار إلى أساليب موثوقة لتحديد جالحرجة في الموقع وفي مختبر5. نهج استخدام قيم العتبة مبوبة في تقييمات المتانة على عكس الاعتبارات الهيكلية في تقييم حالة الشيخوخة هياكل محددة. في هذه الحالة الأخيرة، هناك عدد من أساليب اختبار موحد لتحديد الخصائص الميكانيكية، مثل قوة المواد في الهيكل (ملموسة، يعزز الفولاذ)، لاستخدامها في العمليات الحسابية للسلوك الهيكلي.
ويرد في هذا العمل، على بروتوكول تجريبي لتحديد جالحرجة على عينات مأخوذة من الهياكل الهندسية. ويستند النهج الحفر نوى خرسانة المسلحة في أجزاء من هياكل ملموسة حيث التآكل لم يشرع حتى الآن. يتم نقل هذه العينات إلى مختبر حيث يتعرضون لاختبار تآكل المتسارع لدراسة الشروط اللازمة للشروع في التآكل. والميزة الرئيسية للطريقة المقترحة أن العينات التي تنبع من الهياكل، ومن ثم معرض الظروف الحقيقية المتعلقة بعدد من المعلمات التي معروفة إلى حد كبير تأثير جالحرجة والتي لا يمكن أن يندرج يحاكي في العينات المنتجة في المختبر. وهذا يتضمن النوع وسن الملموسة (الشباب مختبر ملموسة مقابل ناضجة الخرسانة المنتجة في الموقع)، شرط نوع والسطح تعزيزات من الصلب تستخدم وقت البناء، وفي العام خصائص الفولاذ-الخرسانة واجهة14. جنبا إلى جنب مع دقة أساليب القياس المختبرية، يسمح هذا النهج تحديد موثوق جالحرجة لهياكل محددة أو أعضاء الهيكلية.
تعزيز تطبيق البروتوكول المقترح في ممارسة مهنة الهندسة وسوف-مقارنة مع الممارسة الشائعة المتمثلة في استخدام قيمة ثابتة جالحرجة -دقة التقييمات الشرط وقوة النماذج التنبؤية لتحليل تبقى دائرة الحياة. الزيادة القوية المتوقعة في أعمال إصلاح بنيتنا التحتية بنيت على مدى العقود القادمة15 يشكل حاجة ملحة لهذا تحسين في الهندسة من تآكل الهياكل الأساسية.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخطوات الأكثر أهمية لنجاح البروتوكول التجريبي المقترح لتحديد جالحرجة تلك بما في ذلك التدابير المتخذة لمنع بدء التآكل كاذبة وأخرى الصلب بار آثار نهاية. وفي هذا الصدد، تم اختبار مجموعة متنوعة من النهج، بين الذي عثر على المبلغ عنها البروتوكول هنا تسفر عن نتائج أفضل28. يسمح هذا النهج في مزيد من التجارب، خفض معدل استهلال كاذبة إلى أقل من 10 في المائة. من ناحية، وهذا يرجع إلى طلاء المنطقة الحدودية المكشوفة السطح ملموسة مع الراتنج الإيبوكسي، والزيادات التي تنتهي مدة نقل كلوريدات عن طريق ملموسة إلى شريط الصلب إلى حد كبير. من ناحية أخرى، استبدال الخرسانة الأصلي حول شريط الصلب في أطرافه مع الكثيفة، ملاط إسمنتي قلوية عالية يعزز إلى حد كبير المقاومة للتآكل في هذه المجالات. مثل هذه الأنظمة، أيطلاء الصلب بار ينتهي بطبقة من مادة البوليمر تعديل إسمنتي، أثبتت نجاحها كما في غيرها من الدراسات3029،.
ثمة جانب مهم آخر هو المعيار للشروع في التآكل. ويستند هذا المعيار RILEM اللجنة التقنية TC-235 بهدف التوصية بأسلوب اختبار لقياس جالحرجة في العينات المصنعة في المختبر31. والأساس المنطقي أنه من المعروف جيدا أن بداية تآكل صلب أونبولاريزيد جزءا لا يتجزأ من الخرسانة قد تحدث على مدى فترة طويلة من الوقت بدلاً من المعالم فورية30،32. بدء الصلب ينحت بتركيزات منخفضة نسبيا من كلوريد ولكن إذا لم تكن هذه قادرة على الحفاظ على عملية التآكل، سيحدث ريباسيفيشن، الذي يصبح واضحا بزيادة احتمال العودة إلى المستوى السلبي الأولى. ولوحظت هذه الأحداث ديباسيفيشن-ريباسيفيشن عادة في دراسات مماثلة30،،من3334. تركيز كلوريد تقاس في وقت تآكل مستقرة أكثر صلة بالممارسة من الوقت الذي أصبح من الواضح جداً بوادر الانحرافات المحتملة من المستوى السلبي. مع المعيار المقترح، يمثل جالحرجة تركيز كلوريد الذي يبدأ التآكل وتنتشر أيضا ثابت.
حد من الأسلوب أن العينات صغيرة نسبيا، التي قد يكون لها تأثير على ال35،نتائج36. لمواجهة هذه الظاهرة، اقترح استخدام عدد كبير نسبيا من العينات (من الناحية المثالية 10). مستوى الثقة يعتمد على توزيع إحصائية جالحرجة في مجال الاختبار الفعلي. لمزيد من التفاصيل في هذا الصدد، تشير إلى مرجع36. قيداً إضافيا أن ظروف الرطوبة في التعرض المختبر قد تختلف عن هيكل الفعلية. وأخيراً، قد يكون من الصعب في الحالات التي يكون فيها احتمال سلبية عموما، كما هو الحال في الخبث والأسمنت أو غيرها موثقات المحتوية على كبريتيد الكشف عن الشروع في التآكل.
على حد علمنا، هذا هو الأسلوب الأول جالحرجة تصميم الهياكل الهندسية في مرحلة قبل الشروع في التآكل. وعلى النقيض من الخبرة التجريبية من الهياكل، بحكم التعريف التي تم الحصول عليها بعد الشروع في التآكل، يمكن استخدام هذا الأسلوب لقياس جالحرجة لهياكل محددة أو أعضاء الهيكلية قبل حدوث تدهور التآكل ; وبالتالي يمكن استخدام النتائج لتقييم خطر التآكل (المستقبل)، والتنبؤ بالوقت المتبقي لبدء التآكل (خدمة الحياة النمذجة). وهكذا، هذا الأسلوب لديه القدرة على أن تكون المواد المستخدمة في الاختبار، مماثلة للأساليب المتبعة المستخدمة لاختبار الميكانيكية (قوة ضاغطة، إلخ.)
الأسلوب مطبق حاليا على عدد من البنى التحتية الملموسة مختلفة في سويسرا. هذا سيتم توسيع معرفة التوزيعات الإحصائية من جالحرجة في هياكل محدودة للغاية5 . وعلاوة على ذلك، سوف تكشف عن تأثير عوامل مختلفة مثل السن الهياكل، ومواد البناء المستخدمة، إلخ، وهكذا توفر معلومات هامة للمهندسين المدنيين وصناع القرار في إدارة البنية التحتية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ومولت جزئيا العمل الموصوف هنا “المكتب الفدرالي السويسري للطرق” (مشروع بحثي AGB2012/010). إلى حد كبير نعترف بالدعم المالي.
Materials
| Stranded wire | cross section at least 0.50 mm²; ideally copper wire, tin plated | ||
| Self-tapping metal screw | any suitable self-tapping screw, typically of length 4-5 mm and diameter around 2.5 mm | ||
| Ring cable lug | suitable to connect screw and cable | ||
| SikaTop Seal-107 | Sika | two-part polymer modified cementitious waterproof mortar slurry | |
| Epoflex 816 L | Adisa | epoxy coating | |
| Exposure tank | any suitable tank (e.g. rako box) with a lid; sufficiently large for exposing the samples | ||
| Reference electrode | Any stable reference electrode suitable for continuous immersion in sodium chloride solution | ||
| Tap water | |||
| Sodium chloride | |||
| Data logger | any device able to monitor the potentials of all samples vs. the reference electrode at the specified interval (input impedance >10E7 Ohm) |
References
- Bertolini, L., Elsener, B., Pedeferri, P., Redaelli, E., Polder, R. B. . Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis, Repair. 2nd edn. , (2013).
- . . Development of an holistic approach to ensure the durability of new concrete construction. , (1997).
- . Condition control and assessment of reinforced concrete structures exposed to corrosive environments. Fédération Internationale du Béton (fib). , (2011).
- Angst, U. M., et al. Present and future durability challenges for reinforced concrete structures. Mater. Corros. 63 (12), 1047-1051 (2012).
- Angst, U., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, &. #. 2. 1. 6. ;. Critical chloride content in reinforced concrete – A review. Cem. Concr. Res. 39 (12), 1122-1138 (2009).
- Breit, W., et al. Zum Ansatz eines kritischen Chloridgehaltes bei Stahlbetonbauwerken. Beton- und Stahlbetonbau. (5), 290-298 (2011).
- . European Standard EN14629: Products and systems for the protection and repair of concrete structures – Test methods – Determination of chloride content in hardened concrete. European Committee for Standardization. , (2007).
- . ASTM C1152 Standard Test Method for Acid-Soluble Chloride in Mortar and Concrete. ASTM International. , (2012).
- . SIA 269/2:2011 Erhaltung von Tragwerken – Betonbau. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein SIA. , (2011).
- Draft, Draft recommendation for repair strategies for concrete structures damaged by reinforcement corrosion. Mater Struct. 27, 415-436 (1994).
- Broomfield, J. P. . Corrosion of Steel in Concrete: Understanding, Investigation and Repair. 2nd edn. , (2006).
- Richartz, W. Die Bindung von Chlorid bei der Zementerhärtung. Zement-Kalk-Gips. 10, 447-456 (1969).
- Vassie, P. Reinforcement corrosion and the durability of concrete bridges. Proc. Inst. Civ. Eng. Part 1. 76, 713-723 (1984).
- Angst, U. M., et al. The steel-concrete interface. Mater. Struct. 50 (2), 143 (2017).
- Polder, R. B., Peelen, W. H. A., Courage, W. M. G. Non-traditional assessment and maintenance methods for aging concrete structures – technical and non-technical issues. Mater. Corros. 63 (12), 1147-1153 (2012).
- . Standard Test Method for Corrosion Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete. ASTM International. , (2015).
- Planung, SIA 2006:2013 Planung Durchführung und Interpretation der Potenzialmessung an Stahlbetonbauten. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein SIA. , (2013).
- . B3: Merkblatt für Elektrochemische Potentialmessungen zur Detektion von Bewehrungsstahlkorrosion. Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung DGZfP. , (2014).
- . B2: Merkblatt zur zerstörungsfreien Betondeckungsmessung und Bewehrungsortung an Stahl- und Spannbetonbauteilen. Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung DGZfP. , (2014).
- Soylev, T. A., François, R. Quality of steel-concrete interface and corrosion of reinforcing steel. Cem. Concr. Res. 33 (9), 1407-1415 (2003).
- . European Standard EN 12504-1:2009 – Testing concrete in structures. Cored specimens. Taking, examining and testing in compression. European Committee for Standardization. , (2009).
- Andrade, C., et al. Test methods for on-site corrosion rate measurement of steel reinforcement in concrete by means of the polarization resistance method. Mater Struct. 37 (273), 623-643 (2004).
- Angst, U., Vennesland, &. #. 2. 1. 6. ;., Myrdal, R. Diffusion potentials as source of error in electrochemical measurements in concrete. Mater Struct. 42 (3), 365-375 (2009).
- . European Standard EN 14630: Products and systems for the protection and repair of concrete structures – Test methods – Determination of carbonation depth in hardened concrete by the phenolphthalein method. European Committee for Standardization. , (2006).
- Gulikers, J., Andrade, C., Kropp, J. Testing and Modelling the Chloride Ingress into Concrete. RILEM Proceedings PRO 19. , (2000).
- . ASTM C1084 Standard Test Method for Portland-Cement Content of Hardened Hydraulic-Cement Concrete. ASTM International. , (2013).
- Boschmann Käthler, C., Angst, U. M., Wagner, M., Elsener, B. Image analysis for determination of cement content in concrete to improve accuracy of chloride analyses. Cem Concr Res. , (2017).
- Angst, U., Wagner, M., Elsener, B., Leemann, A., Nygaard, P. v. Method to determine the critical chloride content of existing reinforced structures. VSS report no. 677. , (2016).
- Lambert, P., Page, C. L., Vassie, P. R. W. Investigations of reinforcement corrosion: Part 2 – Electrochemical monitoring of steel in chloride-contaminated concrete. Mater. Struct. 24 (143), 351-358 (1991).
- Angst, U. M., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, &. #. 2. 1. 6. ;. Chloride induced reinforcement corrosion: Electrochemical monitoring of initiation stage and chloride threshold values. Corros. Sci. 53 (4), 1451-1464 (2011).
- . . RILEM technical committee 235-CTC. , (2015).
- Angst, U., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, &. #. 2. 1. 6. ;. Chloride induced reinforcement corrosion: Rate limiting step of early pitting corrosion. Electrochim Acta. 56 (17), 5877-5889 (2011).
- Boubitsas, D., Tang, L. The influence of reinforcement steel surface condition on initiation of chloride induced corrosion. Mater Struct. 48 (8), 2641-2658 (2015).
- Pacheco, J. Corrosion of steel in cracked concrete – chloride microanalysis and service life predictions. TU Delft. , (2015).
- Li, L., Sagüés, A. A. Chloride corrosion threshold of reinforcing steel in alkaline solutions – Effect of specimen size. Corros. 60 (2), 195-202 (2004).
- Angst, U., Rønnquist, A., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, &. #. 2. 1. 6. ;. Probabilistic considerations on the effect of specimen size on the critical chloride content in reinforced concrete. Corros. Sci. 53 (1), 177-187 (2011).
