Μηχανική συμπεριφορά διαβρωμένων χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος

Abstract

Reinforced concrete is currently the most common material used for the construction of the load bearing elements of structures. Although this composite material performs exceptionally well, it has been noted that during the life span of reinforced concrete structures, which often exceeds 100 years, a gradual damage accumulation takes place. One of the most influential factors of this damage has been attributed to the corrosion of steel reinforcement. Recently, the degradation of the load bearing ability of steel reinforcement has been an issue under research by several researchers worldwide. Yet to date, the technological importance of this degradation caused by corrosion damage cannot be assessed to a satisfactory degree, mainly due to the lack of relevant experimental studies. Similarly, the physical mechanisms which contribute to the degradation have not been totally resolved. In the framework of the current PhD thesis, a systematic study of the mechanical behaviour of concrete reinforcing steel bars, corroded both in their natural environment (embedded in concrete) and by means of laboratory accelerated corrosion, was performed. By comparing the mass loss as a function of time recorded during the laboratory corrosion tests with the respective mass loss recorded from naturally corroded samples, an empirical acceleration factor was derived for laboratory corrosion damage compared to natural corrosion damage. Reinforcing steel grades S400* and S500s*, which have been used in the recent past for the reinforcement of concrete structures in Greece, as well as steel grade B500c**, which from the end of 2006 is used almost exclusively, were tested. To obtain a sufficient experimental database more than 500 tensile tests on corroded and non-corroded samples were performed. The tensile tests performed have shown only a slight degradation of the strength properties of the corroded steel bars. However, the reduction of the cross sectional area of the corroded bars lead to an increase of the applied stress, as the loads applied to which steel bars in structures are constant over time. This leads to a significant reduction of the safety factors applied during design. On the contrary, a significant reduction of the material’s ductility properties was recorded. Elongation to failure and strain energy density are crucial properties in the case of alternating loading during earthquakes. In order to understand the physical mechanisms which contribute to the recorded degradation of the mechanical properties, an extensive metallographic investigation as well as an investigation of the fracture surfaces of corroded material was performed. From this investigation it was concluded that corrosion damage is uniform without pitting, while along the bars’ length areas more severe corrosion damage was noted. Furthermore, the investigation of the fracture surfaces showed ductile fracture characteristics even of the most severely corroded specimens. It can therefore be concluded that the degradation of the tensile properties of corroded material is caused mainly by the non-uniformity of the corrosion damage and therefore of the cross sectional area along the longitudinal axis of the bars. This leads to a local stress concentration as well as to the depression of the uniform elongation during the tensile testing of the material

Το οπλισμένο σκυρόδεμα αποτελεί στις μέρες μας το πιο διαδεδομένο υλικό για την κατασκευή του φέροντος οργανισμού κτιριακών κατασκευών. Παρά την εξαιρετική επίδοση του οπλισμένου σκυροδέματος ως φέροντος υλικού, διαπιστώθηκε ότι στη διάρκεια ζωής των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, η οποία συχνά ξεπερνά τα 100 χρόνια, παρατηρείται μια βαθμιαία συσσώρευση βλάβης, ένας από τους κύριους παράγοντες της οποίας εντοπίζεται στη διάβρωση του σιδηροπλισμού. Tα τελευταία χρόνια το πρόβλημα της υποβάθμισης της φέρουσας ικανότητας του οπλισμού σκυροδέματος λόγω βλάβης διάβρωσης έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον αρκετών ερευνητών παγκοσμίως. Όμως, μέχρι σήμερα ούτε η τεχνολογική σημασία της υποβάθμισης αυτής μπορεί να εκτιμηθεί ικανοποιητικά, κυρίως λόγω της έλλειψης σχετικών συστηματικών μελετών αλλά και επαρκών πειραματικών δεδομένων, ούτε οι φυσικοί μηχανισμοί που συμβάλλουν στην παρατηρούμενη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων έχουν γίνει πλήρως κατανοητοί. Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μια συστηματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος διαβρωμένων τόσο στο φυσικό τους περιβάλλον εντός του σκυροδέματος όσο και σε συνθήκες εργαστηριακής επιταχυμένης διάβρωσης. Με βάση τη σύγκριση της απώλειας μάζας σε συνάρτηση με το χρόνο έκθεσης στο διαβρωτικό μέσο που καταμετρήθηκε στο εργαστήριο, με την απώλεια μάζας δειγμάτων υλικού τα οποία είχαν διαβρωθεί φυσικά σε κατασκευές, κατέστη δυνατή η εξαγωγή ενός εμπειρικού Περίληψη 6 συντελεστή επιτάχυνσης της βλάβης διάβρωσης όταν το υλικό διαβρώνεται με τη μέθοδο της αλατονέφωσης σε σχέση με τη βλάβη φυσικής διάβρωσης. Κατά την παρούσα εργασία εξετάστηκαν οι χάλυβες S400 και S500s, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν ευρύτατα για κατασκευές του φέροντος οργανισμού κτιρίων στην Ελλάδα κατά το πρόσφατο παρελθόν, καθώς και ο χάλυβας B500c ο οποίος από τα τέλη του 2006 χρησιμοποιείται στην Ελλάδα σχεδόν αποκλειστικά. Για την εξασφάλιση μια επαρκούς πειραματικής βάσης, πραγματοποιήθηκαν περισσότερες από 500 δοκιμές εφελκυσμού σε διαβρωμένα και μη διαβρωμένα δοκίμια. Οι μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού έδειξαν ότι οι ιδιότητες αντοχής του διαβρωμένου υλικού παρουσιάζουν μικρή μόνο υποβάθμιση. Παρά ταύτα, η μείωση της διατομής των ράβδων του σιδηροπλισμού λόγω βλάβης διάβρωσης οδηγεί σε αύξηση των εφαρμοζόμενων τάσεων, αφού το βάρος των δομικών στοιχείων των κατασκευών προφανώς δεν μεταβάλλεται. Αυτό έχει ως συνέπεια τη σημαντική μείωση των συντελεστών ασφαλείας. Αντίθετα με τις ιδιότητες αντοχής, παρατηρήθηκε μια σημαντική μείωση στην παραμόρφωση θραύσης του διαβρωμένου υλικού. Η παραμόρφωση θραύσης και η ειδική ενέργεια παραμόρφωσης είναι κρίσιμες τεχνολογικές ιδιότητες σε συνθήκες σεισμού. Για την κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που συμβάλλουν στην παρατηρούμενη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων, διεξήχθη εκτενής μεταλλογραφική μελέτη καθώς και μελέτη των επιφανειών θραύσης του διαβρωμένου υλικού.