Badania chemiczne betonu oraz korozji zbrojenia w konstrukcji

Korozja zbrojenia jest jedną z głównych przyczyn niszczenia konstrukcji żelbetowych i ogromnym zagrożeniem dla konstrukcji sprężonych. Odpowiednio wczesne rozpoznanie procesu korozji stali zbrojeniowej, jej przyczyn i szybkości rozwoju, pozwala zastosować właściwe techniki ochronne oraz w porę zaplanować remont konstrukcji. Dostępne są przyrządy i zestawy pomiarowe do badań podstawowych oraz zestawy do badań zaawansowanych umożliwiających ocenę zagrożenia korozyjnego zbrojenia w konstrukcji.

Badania chemiczne betonu

Karbonatyzacja betonu. Pod wpływem zawartego w atmosferze dwutlenku węgla (CO2) i znajdującej się w porach betonu wilgoci, przypowierzchniowa warstwa betonu ulega stopniowemu procesowi karbonatyzacji. Front karbonatyzacji stopniowo przemieszcza się w głąb betonu, a główną reakcją zachodzącą w tym procesie jest reakcja dwutlenku węgla z wodorotlenkiem wapnia rozpuszczonym w cieczy porowej betonu. W wyniku tej reakcji dochodzi do powstania węglanu wapnia (CaCO3), który obniża alkaliczność betonu (zobojętnia beton), co z kolei prowadzi do stopniowej utraty właściwości ochronnych betonu względem stali. Odczyn świeżego betonu wynosi pH 11,8÷12,6. Przyjmuje się, iż spadek zasadowości betonu do pH 10÷11.8 powoduje utratę stabilności warstewki pasywnej na stali. Przy dalszym spadku pH betonu warstewka pasywna na stali ulega rozpadowi i w konsekwencji powstają dogodne warunki do zapoczątkowania i rozwoju procesu korozji ogólnej zbrojenia.

Pomiar głębokości karbonatyzacji (głębokości zobojętnienia betonu) dokonuje się najczęściej poprzez natryśnięcie na świeży przełom betonu preparatu wskaźnikowego.

  • Zgrubną informację na temat głębokości karbonatyzacji i zagrożenia zbrojenia korozją, można uzyskać stosując test fenoloftaleinowy (oznaczenie zgodne z normą PN-EN 14630:2007) – wskaźnik ten to alkoholowy roztwór fenoloftaleiny, który zabarwia się na kolor czerwono-fioletowy, przy wartościach pH wyższych od pH 8.5÷9.5. Nieco dokładniejsze wskazania można uzyskać stosując roztwór tymoloftaleiny, który zabarwia się na kolor granatowy, przy wartościach pH wyższych od pH 9.3÷10.5.
  • Rainbow-Test (Test tęczowy do określania pH betonu - ulotka informacyjna PDF). Najdokładniejszym z dostępnych obecnie testów wskaźnikowych jest Test tęczowy (kompozycja płynów wskaźnikowych Rainbow Indicator), który pozwala ocenić zasięg (głębokość) i intensywność (profil) procesu karbonatyzacji, dzięki przebarwianiu się na różne kolory w zakresie od pH 5 do pH 13.

Przykłady preparatów wskaźnikowych stosowanych do badania głębokości i profilu karbonatyzacji betonu oraz oceny zagrożenia korozyjnego zbrojenia w betonie

Skażenie betonu szkodliwymi solami.
Chlorki. Chlorki w konstrukcjach betonowych mogą pochodzić z soli stosowanych do zimowego utrzymania dróg, z wody morskiej, wody gruntowej, ścieków komunalnych. Przekroczenie dopuszczalnego stężenia chlorków na głębokości zbrojenia, prowadzi do zainicjowania i rozwoju bardzo groźnej odmiany korozji stali tzw. korozji wżerowej.
Siarczany. Na skutek opadów „kwaśnych deszczy”, siarczanów z wody morskiej, z procesów przemysłowych lub ze ścieków oraz np. z gipsu w kruszywie – w betonie dochodzi do korozji siarczanowej, której produkty krystalizując zwiększają swoją objętość, co w efekcie prowadzi do rozsadzania betonu, powstawania rys i zobojętniania otuliny.
Azotany. Azotany występują w betonie jako łatwo rozpuszczalne związki, co prowadzi do zwiększenia porowatości betonu i stwarza znaczne problemy w prowadzeniu napraw.

Ocena zawartości i rozkładu szkodliwych soli w przekroju betonowym.
Do oznaczenia zawartości jonów chlorkowych, siarczanowych i azotanowych wymagane jest pobranie z konstrukcji zwiercin betonu. Zwierciny pobiera się z określonej głębokości przy użyciu wiertła ∅16. Późniejsza analiza chemiczna pozwala ustalić uśrednione stężenie poszczególnych jonów dla określonej warstwy i głębokości, z której pobrano zwierciny. Oznaczenie zawartości jonów ze zwiercin pobranych w danym miejscu pomiarowym z kilku kolejnych głębokości, pozwala natomiast określić zmianę ich stężenia (profil stężenia) po głębokości konstrukcji.

Przykładami metod pomiaru zawartości szkodliwych soli w betonie, które stosowane są zarówno w warunkach laboratoryjnych jak i w warunkach polowych są: metoda miareczkowa, fotometryczna, kolorymetryczna.

Badania chemiczne betonu i zagrożenia korozyjnego zbrojenia

  • pomiar głębokości karbonatyzacji określony testem fenoloftaleinowym
  • określenie głębokości i profilu karbonatyzacji betonu przy użyciu testu tęczowego
  • pomiar stężenia szkodliwych dla betonu/żelbetu soli - chlorków, siarczanów, azotanów na danej głębokości w betonie
  • określenie głębokości skażenia (profilu) betonu szkodliwymi solami (jonami chlorkowymi, siarczanowymi, azotanowymi) – pomiar stężenia szkodliwych soli na różnych głębokościach w betonie
  • określenie trwałości konstrukcji żelbetowej na podstawie wyznaczonego współczynnika dyfuzji chlorków w betonie
  • pomiar ubytków korozyjnych na zbrojeniu w mikro-odkuwkach

Badania pomocnicze pozwalające określić właściwości ochronne betonu względem zbrojenia oraz jakość zabezpieczeń antykorozyjnych

  • lokalizacja prętów zbrojeniowych i pomiar grubości ich otuliny metodami nieniszczącymi
  • ocena makroskopowa betonu na podstawie odwiertów
  • pomiar wytrzymałości betonu na ściskanie w warstwie przypowierzchniowej metodą pull-out
  • ocena jednorodności betonu w warstwie przypowierzchniowej metodą sklerometryczną
  • pomiar przyczepności (wytrzymałości na odrywanie) metodą „pull-off”
  • nieniszczący pomiar wodoszczelności betonu / powłok w warunkach polowych metodą GWT
  • nieniszczący pomiar grubości powłok na betonie metodą ultradźwiękową - przyrząd Positector

Badania korozji zbrojenia

Opis metod pomiarowych poniżej zdjęć ...

Przyrządy do badań chemicznych betonu oraz badań pomocniczych

  • detektor zbrojenia – do wykrywania i lokalizacji prętów zbrojeniowych oraz pomiaru grubości ich otuliny (np. przyrząd Profometer, Elcometer 331, Ferroscan) - więcej informacji ...
  • wiertnica z koronkami – do wykonywania przewiertów kontrolnych, oceny makroskopowej głębszych partii betonu oraz pobierania próbek rdzeniowych od pomiaru wytrzymałości betonu na ściskanie
  • podręczny zestaw do badań chemicznych umożliwiający m.in. pomiar głębokości karbonatyzacji (np. roztwór fenoloftaleiny lub tymoftaleiny lub test tęczowy – Rainbow Test), pomiar stężenia chlorków (np. zestaw RCT), siarczanów i azotanów (np. przy użyciu odczynników firmy Aquamerck)
  • zestaw do pomiaru wytrzymałości betonu na ściskanie w warstwie przypowierzchniowej metodą „pull-out” (poprzez wyrywanie osadzonego w betonie stalowego trzpienia np. zestaw CAPO-Test) - więcej informacji ...
  • zestaw do oceny jednorodności betonu w warstwie przypowierzchniowej metodą sklerometryczną (np. młotek Schmidta typu „N” i „M”) - więcej informacji ...
  • zestaw do pomiaru przyczepności (wytrzymałości na odrywanie betonu, powłok, wypraw, wykładzin) metodą „pull-off” (poprzez odrywanie przyklejonego do powierzchni stalowego stempla np. zestawy BOND-Test, Dyna, Erichsen) - więcej informacji ...
  • zestaw do nieniszczącego pomiaru wodoprzepuszczalności betonu oraz powłok wodoszczelnych w warunkach polowych (np. zestaw GWT) - więcej informacji ...
  • zestaw do nieniszczącego pomiaru grubości powłok na betonie – metodą ultradźwiękową (np. przyrząd POSITECTOR) lub w sposób niszczący poprzez nacięcie powłoki specjalistycznym nożem i pomiar grubości powłoki przez lupkę z podziałką (np. przyrząd PIG)
Powiązane akty prawne, normy, zalecenia:
  • PN-EN 1504 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych
  • Katalog zabezpieczeń powierzchniowych drogowych obiektów inżynierskich, część I ‑ Wymagania. IBDiM, Żmigród, 2002
  • Instrukcja ITB Nr 351/98 Zabezpieczanie przed korozją konstrukcji betonowych i żelbetowych
  • Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych: Zalecenia dotyczące oceny jakości betonu „in-situ” w istniejących konstrukcjach mostowych. IBDiM, Wrocław, 1998
  • PN-88/B-01807 - Antykorozyjne zabezpieczenia w budownictwie. Konstrukcje betonowe i żelbetowe. Zasady diagnostyki konstrukcji

Metody elektrochemiczne wykrywania (mapowania) obszarów korodującego zbrojenia oraz szacowania tempa korozji zbrojenia w konstrukcjach betonowych:

  • metoda potencjometryczna (badanie potencjometryczne stanu korozji zbrojenia, half-cell potentials, norma ASTM-C 876-91) - pomiar potencjału stacjonarnego (korozyjnego) i jego gradientu,
  • metoda opornościowa (electrical resistance) - pomiar rezystywności (oporności elektrycznej) betonu otuliny,
  • metoda polaryzacyjna (galvanostatic pulse technique) - pomiar gęstości prądu korozyjnego.

Każdą z wymienionych powyżej metod elektrochemicznych badania korozji zbrojenia, można stosować indywidualnie, jednak ze względu na ich pośredni charakter, wysoką dokładność oceny zagrożenia korozyjnego zbrojenia uzyskuje się dopiero przy jednoczesnej analizie wyników z kilku metod.

Przykładem zestawów pomiarowych pozwalających na jednoczesny pomiar oraz późniejszą połączoną analizę rozkładu na powierzchni konstrukcji potencjału korozyjnego, oporności otuliny i gęstości prądu korozyjnego są np. zestawy GalvaPulse i GECOR.

Sam pomiar polega na kolejnym przykładaniu elektrody do zwilżonej wodą powierzchni betonu w naniesionych wcześniej punktach pomiarowych, przy czym urządzenie pomiarowe należy uprzednio połączyć z wybranym i wcześniej odkutym prętem zbrojeniowym. W tak powstałym układzie elektrycznym rejestrowana jest wartość napięcia i rezystywności betonu, a do metody polaryzacyjnej dodatkowo gęstość prądu korozyjnego Icorr i oporu polaryzacji Rp, które są uzależnione od aktywności korozyjnej znajdującego się pod elektrodą zbrojenia. Uzyskane wyniki są automatycznie przenoszone do pamięci miernika. Badania poprzedza kalibracja elektrody pomiarowej oraz sprawdzenie ciągłości zbrojenia.

Dla uściślenia uzyskiwanych wyników wykonuje się także badania uzupełniające, które obejmują w pierwszym rzędzie ocenę stopnia karbonatyzacji przypowierzchniowej warstwy betonu oraz stężenia występujących w niej jonów Cl-. Dodatkowo w wybranych punktach pomiarowych wykonuje się odkrywki zbrojenia, mające na celu zweryfikowanie uzyskanych wyników z rzeczywistym stanem prętów zbrojeniowych.
Powyższe metody elektrochemiczne pozwalają ustalić w jakim stopniu zbrojenie w konstrukcji jest chronione przed korozją:

Etap 1 - zbrojenie jest nadal chronione przed korozją
Etap 2 - korozja na zbrojeniu już się rozpoczęła ale jest na bardzo wczesnym etapie, kiedy to na powierzchni konstrukcji nie są jeszcze widoczne rysy korozyjne i rdzawe wykwity
Etap 3 - mamy do czynienia z procesem korozji zbrojenia połączonym z uszkodzeniami otuliny, powyższe badania pozwolą wskazać obszary na konstrukcji gdzie ten proces przebiega najintensywniej, co może pomóc ustalić jej przyczyny i podjąć właściwe działania naprawcze

Zastosowania zaawansowanych metod wykrywania obszarów korozji zbrojenia w konstrukcjach betonowych:
  • lokalizowanie obszarów w początkowej fazie procesu korozji zbrojenia, gdy efekty procesu korozji nie uwidoczniły się jeszcze na powierzchni betonu (m.in. brak rys i rdzawych wykwitów)
  • ocena stopnia zagrożenia korozyjnego zbrojenia
  • szacowanie tempa korozji zbrojenia
  • monitoring konstrukcji żelbetowych pod kątem występowania obecności korozji
  • sprawdzenie efektywności re-alkalizacji i elektrochemicznego usuwania jonów chlorkowych
  • kontrola aktywności korozyjnej w miejscach wykonanych napraw
Metoda mapowania zagrożenia korozyjnego nadaje się szczególnie do oceny stanu technicznego takich konstrukcji jak:
  • garaże podziemne, parkingi wielopoziomowe - spodnie powierzchnie stropów
  • obiekty mostowe - spodnie powierzchnie przęseł, podpory
  • zbiorniki, silosy, baseny kąpielowe
  • hale, budynki - żelbetowe ściany, stropy, pokrycia dachowe
  • morskie obiekty hydrotechniczne - pirsy, mola, falochrony
Ta strona korzysta z plików cookies zgodnie z ustawieniami twojej przeglądarki Rozumiem