PL244098B1 - Sposób aplikacji czujnika szybkości korozji zbrojenia, zwłaszcza w istniejących konstrukcjach żelbetowych - Google Patents

Abstract

Sposób aplikacji czujnika szybkości korozji zbrojenia, zwłaszcza w istniejących konstrukcjach żelbetowych polega na tym, że czujnik zawierający elektrodę badaną (6), elektrodę odniesienia (7) oraz przeciwelektrodę (8) w postaci pasma w kształcie litery C umieszcza się w obudowie (5) z tworzywa sztucznego i zalewa żywicą (9), następnie wyrównuje odsłoniętą na czynniki zewnętrze wspólną powierzchnię czujnika (10) elektrod (6, 7 i 8) i żywicy (9), do klasy chropowatości nie większej niż Ra 0,63, po czym  wyrównuje dno (3) otworu (2) w elemencie betonowym (1) do klasy chropowatości nie większej niż Ra 1,25, a następnie przez mechaniczny docisk płaskich wyrównanych powierzchni betonu (3) i elektrod (6, 7 i 8) w czujniku umożliwiającym przepływu ładunków elektrycznych przez beton pomiędzy elektrodami utrzymuje się naprężenie do stężenia żywicy (11) stabilizującej czujnik korozyjny (4) w otworze (2), po czym wykonuje pomiar polaryzacyjnymi metodami elektrochemicznymi.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób aplikacji czujnika szybkości korozji zbrojenia, zwłaszcza w istniejących konstrukcjach żelbetowych.

Żelbetowe konstrukcje budowlane są narażone na agresywne działanie otoczenia, w którego wyniku następuje ich destrukcja spowodowana między innymi korozją elektrochemiczną zbrojenia. Procesy korozyjne stali zbrojeniowej są bardzo trudne do zauważenia i zidentyfikowania, gdyż przebiegają pod otuleniem betonowym. Dopiero, gdy otulenie pęknie pod wpływem gromadzących się produktów korozji w sposób bezpośredni można stwierdzić zaawansowanie korozji zbrojenia. Ale pojawienie się pęknięć betonu oznacza już bardzo zaawansowaną korozję i konieczność przeprowadzenia remontu konstrukcji. Z tego względu, aby stwierdzić korozję zbrojenia przed destrukcją betonu podejmuje się decyzję o badaniach diagnostycznych. Do tego celu wg Zybura A., Jaśniok M., Jaśniok T.: Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. T. 2. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2011 od ponad trzydziestu lat adoptuje się w konstrukcjach żelbetowych metody wywodzące się z laboratoriów elektrochemicznych, które wykorzystują układ trójelektrodowy, w którym elektrodą badaną jest stalowe zbrojenie elementu żelbetowego, a dodatkowo do powierzchni betonu w postaci głowicy przykłada się elektrodę odniesienia o stałym i znanym potencjale oraz odporną na korozję elektrochemiczną elektrodę pomocniczą. Cały układ podłącza się do potencjostatu i wykonuje się pomiar jedną z metod elektrochemicznych; metodą oporu polaryzacji (LPR) lub metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) lub metodą impulsu galwanostatycznego (GP). Wynikiem pomiarów jest wartość gęstości prądu korozyjnego, która zgodnie z prawem Faradaya określa jednoznacznie aktualną szybkość korozji zbrojenia (określa ubytek masy prętów zbrojeniowych w czasie):

Badania wykonywane za pomocą głowicy na istniejących konstrukcjach żelbetowych jednak mogą być obarczone pewnym błędem, kilkukrotnym, związanym z nieznaną powierzchnią badaną zbrojenia (powierzchnią polaryzacji), której wartość jest kluczowa dla określenia prawidłowej wartości gęstości prądu korozyjnego - Andrade C., Alonso C.: On-site measurements of corrosion rate of reinforcements, Construction and Building Materials, 2001, vol. 15. pp. 141-145.

Rozwiązaniem jest stosowanie głowic z tzw. ringiem ochronnym, co przedstawiono w Feliu S. et al.: Possibilities of the guard ring for electrical signal-confinement in the polarization measurements of reinforcements, Corrosion, 1990, vol. 46. pp. 1015-1020), jednak i w tym przypadku mogą pojawić się błędy pomiarowe z niedoszacowaniem powierzchni polaryzacji.

Z polskiego opisu patentowego PL236339 znany jest sposób ograniczenia i identyfikacji powierzchni polaryzacji pręta zbrojeniowego w pomiarach polaryzacyjnych szybkości korozji zbrojenia, zwłaszcza w konstrukcjach żelbetowych, w którym przez nacięcie otuliny betonowej i wypełnienie bruzdy żywicą ogranicza się w znacznym stopniu zasięg polaryzacji, ale podobnie jak w przypadku metod z „ringiem ochronnym” w pewnych warunkach można nie doszacować powierzchnię polaryzacji.

Rozwiązaniem problemu nieznanego zasięgu polaryzacji w badaniach szybkości korozji zbrojenia w betonie jest stosowanie czujników z niezależnym układem trójelektrodowym pokazanym w np. 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 lub Yu H., Caseres L.: An embedded multi-parameter corrosion sensor for reinforced concrete structures, Materials and Corrosion, 2012, vol, 63. pp. 1011-1016. Elektroda badana ma ograniczone wymiary i jest w całości polaryzowana, więc powierzchnia badana jest znana. Niestety zastosowanie czujnika do badań szybkości korozji zbrojenia jest możliwe wyłącznie w nowo wykonywanych konstrukcjach, a czujniki można umieścić w szalunku przed betonowaniem.

Podejmując próbę zastosowania takich czujników w istniejących konstrukcjach konieczne jest wklejenie czujnika we wcześniej wykonany otwór, jednak warstwa spoiwa między betonem, a elektrodą badaną czujnika zmienia czynniki wywołujące korozję, gdyż stanowi nową barierę odizolowującą agresywny beton od elektrody. Z tego względu uzyskane wyniki szybkości korozji zbrojenia odpowiadałyby tym panującym w spoiwie, a nie w agresywnym betonie.

Rozwiązanie powyższego problemu przedstawiono w polskim opisie patentowym PL235314, gdzie utrzymanie agresywnego betonu w kontakcie z elektrodą badaną (zbrojeniem) realizuje się przez ich wspólne wycięcie z elementu betonowego w postaci rdzenia i po zamocowaniu w rdzeniu elektrody pomocniczej i odniesienia ponownie wkleją się już cały rdzeń (nie tylko elektrody) w otwór po wcześniej wyciętym rdzeniu. Niedogodnością powyższego rozwiązania jest pracochłonność i czasochłonność, gdyż po wycięciu rdzenia konieczne jest jego przetransportowanie do laboratorium, gdzie „uzbraja” się rdzeń w dodatkowe elektrody i znowu transportuje się do obiektu w celu wklejenia.

Zagadnieniem technicznym wymagającym rozwiązania jest opracowanie nowego, innowacyjnego sposobu aplikacji czujnika w istniejących konstrukcjach żelbetowych, który wyeliminowałby dotychczasowe niedogodności znane ze stanu techniki.

Sposób aplikacji czujnika szybkości korozji zbrojenia, zwłaszcza w istniejących konstrukcjach żelbetowych polega na tym, że czujnik zawierający elektrodę badaną, elektrodę odniesienia oraz przeciwelektrodę w postaci pasma w kształcie litery C umieszcza się w obudowie z tworzywa sztucznego i zalewa żywicą, następnie wyrównuje odsłoniętą na czynniki zewnętrze wspólną powierzchnię czujnika elektrod i żywicy, do klasy chropowatości nie większej niż Ra 0,63, po czym wyrównuje dno otworu w elemencie betonowym do klasy chropowatości nie większej niż Ra 1,25, a następnie przez mechaniczny docisk płaskich wyrównanych powierzchni betonu i elektrod w czujniku umożliwiający przepływu ładunków elektrycznych przez beton pomiędzy elektrodami utrzymuje się naprężenie do stężenia żywicy stabilizującej czujnik korozyjny w otworze, po czym wykonuje pomiar polaryzacyjnymi metodami elektrochemicznymi.

Korzystnie, elektroda badana wykonana jest ze stali zbrojeniowej.

Korzystnie, przeciwelektroda wykonana jest z metalu odpornego na korozję elektrochemiczną.

Korzystnie, izoluje się elektrycznie pomiędzy sobą elektrody czujnika przez wypełnienie w postaci żywicy epoksydowej.

Korzystnie, jako żywicę stabilizującą czujnik w otworze stosuje się żywicę epoksydową lub poliestrową.

Korzystnie, jako polaryzacyjne metody elektrochemiczne stosuje się metodę: oporu polaryzacji liniowej (LPR), elektrochemiczna spektroskopię impedancyjna (EIS) lub impulsu galwanostatycznego (GP).

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest realizacja pojedynczych pomiarów lub ciągły monitoring szybkości korozji metodami elektrochemicznymi dla znanej powierzchni elektrody badanej, ponadto aplikacja czujnika w betonie istniejącej konstrukcji bez warstwy spoiwa między elektrodami czujnika, a betonem. Rozwiązanie pozwala na uzyskiwanie w badaniach wartości szybkości korozji charakterystycznych dla aktualnej agresywności betonu konstrukcji, a nie dla warstwy spoiwa.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia schemat sposobu aplikacji czujnika w elemencie płytowym konstrukcji betonowej.

Przykład

W płytowym elemencie żelbetowym 1 wykonano otwór 2 o głębokości równej grubości otulenia betonowego a wg normy PN-EN 1992-1-1:2008 i średnicy 1,5D, którego dno powierzchni betonu 3 wyrównano do chropowatości Ra 1,25 wg normy PN-EN ISO 1302:2004. W czujniku korozyjnym 4, którego obudowę 5 o średnicy D wykonano z tworzywa sztucznego umieszczono elektrodę badaną 6 w postaci wałka wykonanego ze stali zbrojeniowej B500SP, elektrodę odniesienia 7 w postaci wałka grafitowego w odległości 2 mm od elektrody badanej 6 oraz w odległości 3 mm, od elektrody badanej 6 elektrodę pomocniczą 8 w postaci pasma w kształcie litery C z przewodnika odpornego na korozję elektrochemiczną wykonanego ze stali gatunku X5CrNi 18-10. Izolację elektryczną wszystkich elementów czujnika zapewniono przez wypełnienie obudowy 5 żywicą epoksydową 9, której wspólną powierzchnię 10 z elektrodami 6, 7 i 8 wyrównano do chropowatości Ra 0,63 wg normy PN-EN ISO 1302:2004, a następnie wyrównano do klasy chropowatości nie większej niż Ra 1,25 wg PN-EN ISO 1302:2004 dno 3 otworu 2 wcześniej wykonanego w elemencie betonowym 1. Do wyrównanej powierzchni betonu 3 przyłożono powierzchnię czujnika 10 i dociśnięto mechanicznie siłą F wywołującą naprężenie na styku powierzchni betonu 3 i powierzchni czujnika 10 równe połowie średniej wytrzymałości betonu na rozciąganie wg normy PN-EN 1992-1-1:2008. Siłę F utrzymywano, aż do uzyskania pełnej wytrzymałości żywicy 11 wypełniającej przestrzeń między betonem otworu 2, a czujnikiem korozyjnym 4. Zamknięcie i wyrównanie otworu 2 wykonano zaprawą naprawczą 12. Połączenie elektrod 6, 7 i 8 czujnika korozyjnego 4 do potencjostatu 13 umożliwia wykonanie badań elektrochemicznych metodą oporu polaryzacji (LPR) lub metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) lub metodą impulsu galwanostatycznego (GP).

Claims (6)

1. Sposób aplikacji czujnika szybkości korozji zbrojenia, zwłaszcza w istniejących konstrukcjach żelbetowych znamienny tym, że czujnik zawierający elektrodę badaną 6, elektrodę odniesienia 7 oraz przeciwelektrodę 8 w postaci pasma w kształcie litery C umieszcza się w obudowie 5 z tworzywa sztucznego i zalewa żywicą 9, następnie wyrównuje odsłoniętą na czynniki zewnętrze wspólną powierzchnię czujnika 10 elektrod 6, 7 i 8 i żywicy 9, do klasy chropowatości nie większej niż Ra 0,63, po czym wyrównuje dno 3 otworu 2 w elemencie betonowym 1 do klasy chropowatości nie większej niż Ra 1,25, a następnie przez mechaniczny docisk płaskich wyrównanych powierzchni betonu 3 i elektrod 6, 7 i 8 w czujniku umożliwiający przepływu ładunków elektrycznych przez beton pomiędzy elektrodami utrzymuje się naprężenie do stężenia żywicy 11 stabilizującej czujnik korozyjny 4 w otworze 2, po czym wykonuje pomiar polaryzacyjnymi metodami elektrochemicznymi.

2. Sposób aplikacji czujnika według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda badana 6 wykonana jest ze stali zbrojeniowej:

3. Sposób aplikacji czujnika według zastrz. 1, znamienny tym, że przeciwelektroda 8 wykonana jest z metalu odpornego na korozję elektrochemiczną.

4. Sposób aplikacji czujnika według zastrz. 1, znamienny tym, że izoluje się elektrycznie pomiędzy sobą elektrody 6, 7 i 8 czujnika przez wypełnienie w postaci żywicy 9 epoksydowej.

5. Sposób aplikacji czujnika według zastrz. 1, znamienny tym, że jako żywicę 11 stabilizującą czujnik w otworze stosuje się żywicę epoksydową lub poliestrową.

6. Sposób aplikacji czujnika według zastrz. 1, znamienny tym, że jako polaryzacyjne metody elektrochemiczne stosuje się metodę: oporu polaryzacji liniowej (LPR), elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS) lub impulsu galwanostatycznego (GP).