Μελέτη του χρόνου ζωής κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα υπό εναλλασσόμενες διαβρωτικές συνθήκες

Abstract

The purpose of this thesis was to investigate the effect of alternating conditions of corrosive environment into construction steel, during cycles of immersion and drying in ΝαCl 3,5% solution and their consequence at the life cycle of a construction. Constructions made of reinforced concrete are basically composite constructions of two materials namely concrete and steel. Steel is an industrial product with great, per weight unit, tensile strength but has significant cost and low strength in corrosion and fire. Concrete is a relative cheap material which has great compression strength but low tensile strength and it can be formed in every shape with the appropriate mould. Concrete has also important durability properties and satisfactory performance under high temperature. Constructions made of reinforced concrete are concrete structures with embedded steel rods parallel to the direction of the internal tensile stress. In that way steel contributes to the tensile strength which is deprived from concrete while the second with good compression strength protects steel from adverse external influences (corrosion, fire, etc). During the last years there is an increasing trend of using additional cementitious materials (slag, fly ash, silica fume) to the production of composite cements as it introduces bigger variability in concrete industry and improves several of the concrete properties. Constructions made of concrete and reinforced concrete are generally long lasting in wear. There are several cases where it has been observed important damages and particularly prematuraly. In short wear can be attributed to low construction practice, erroneous choice of materials or influence of corrosive agents. The corrosive environment can cause corrosion either to the concrete or to the embedded steel. Agencies that cause concrete wear is the expansion due to the alcali – aggregates reaction, expansion due to freezing – thawing cycles, the use of antifrost salt, carbonation, the influence of sulfuric ions, influence of sea water and corrosion that is caused from different salts. In the present work the corrosion of the embedded reinforcement is studied in OPC specimens and in specimens with pozzolanic cement (OPC/SLAG) under intense alternating conditions of the corrosive environment. For the manufacturing of the specimens Portland cement is used and Portland cement blended with slag (percentage of cement replacement 35%). The durability of the steel rods into cycles of immersion and drying is examined with several methods. In summary the different methods are: Abstract 10  Evaluation of weight loss of the embedded steel (gravimetric method)  Determination of polarization resistance with linear polarization method and impedance spectrometry  Deterermination of resistivity of the mortar specimens  Measurement of total chlorides (profile) to the mass of the mortars  Computation with finite elements program of chloride profile for the exposure conditions of the experiment for OPC mortar specimens It has been concluded that the use of slag did not improved the properties of the mortar as it was not efficient in corrosion confrontation. Under these alternating corrosive conditions arises acceleration of corrosion 3 – 5 times if compared with results under steady conditions. Specifically:  Rebar corrosion under alternating exposure conditions is bigger than this under steady exposure conditions. Corrosion change is dependant of the binding material.  Slag does not have protective role against corrosion under these conditions. From diagrams 6.19-6.24 it is concluded that reinforcement bars’ corrosion in Portland cement tend to exhibit parabolic growth while specimens with slag tend to exhibit exponential growth.  Measurements with all methods give the same trend: growth of corrosion with time although with different intensity each one. There are slightly bigger values with gravimetric loss in comparison to electrochemical measurements at the time of the experiment, while expanding the time, electrochemical methods give higher mass loss.  Chloride profile does not follow the classic profile according to Fick‘s law of diffusion but it is influenced from the convection of water during the cycles of immersion and drying.  Slag is not effective in corrosion confrontation because the immersion - drying cycles hinder the completion and the efficiency of the Pozzolanic reaction and Friedel’ salt formation. It should be noted that during XRD analysis Friedel' salt was not traced. Abstract 11  Resistivity of the mortars initially increases with time but in continuity decreases for both categories of specimens except from regime of 6 / 18 of immersion – drying cycle. Elements of innovation In the present project it is studied the effect of sea water into constructions made of reinforced concrete. It is also examined rebar corrosion and chloride penetration into specimens made of CEM I and CEM II (35% slag). Future research In the continuity it should be studied the effect of alternating conditions in other mineral (cementitious) materials and possible deterioration of their properties. It should be also examined the change in the diameter of the pores at the mortars under alternating exposure conditions of corrosive environment. It is also proposed the determination of mineral composition of the mortars in order to examine how these are changed with the movement of the sea water.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της επίδρασης εναλλασσόμενων συνθηκών διαβρωτικού περιβάλλοντος - κύκλοι εμβάπτισης / στεγνώματος σε διάλυμα 3,5% κ.β. NaCl - σε χάλυβες οπλισμού και η επίπτωσή τους στη διάρκεια ζωής της κατασκευής. Οι κατασκευές οπλισμένου σκυροδέματος είναι ουσιαστικά σύμμικτες κατασκευές δύο υλικών, του σκυροδέματος και του χάλυβα. Ο χάλυβας είναι βιομηχανικό προϊόν με μεγάλη, ανά μονάδα βάρους, αντοχή σε εφελκυσμό, αλλά έχει σημαντικό κόστος και χαμηλή αντοχή σε διάβρωση και πυρκαγιά. Το σκυρόδεμα είναι σχετικά φθηνό υλικό, το οποίο έχει σημαντική θλιπτική αντοχή, αλλά πολύ μικρή εφελκυστική και μπορεί να μορφωθεί σε οποιοδήποτε σχήμα με το κατάλληλο καλούπι. Επιπλέον έχει μεγάλη ανθεκτικότητα σε διάρκεια και ικανοποιητική συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα, είναι κατασκευές σκυροδέματος με εγκιβωτισμένες χαλύβδινες ράβδους περίπου παράλληλες, στη διεύθυνση των εσωτερικών εφελκυστικών τάσεων. Έτσι, ο χάλυβας συνεισφέρει στην εφελκυστική αντοχή που στερείται το σκυρόδεμα, ενώ το τελευταίο με καλές ιδιότητες σε θλίψη προστατεύει το χάλυβα από δυσμενείς εξωτερικές επιδράσεις (διάβρωση, πυρκαγιά κλπ). Τα τελευταία χρόνια επίσης υπάρχει μια αυξανόμενη τάση χρησιμοποίησης πρόσθετων τσιμεντοειδών υλικών (σκωρία, ιπτάμενη τέφρα, πυριτική παιπάλη) στην παραγωγή σύνθετων τσιμέντων μια και εισάγει μεγαλύτερη ποικιλία στη βιομηχανία παραγωγής σκυροδέματος και βελτιώνει κάποιες από τις ιδιότητες του σκυροδέματος Οι κατασκευές από σκυρόδεμα και οπλισμένο σκυρόδεμα θεωρούνται γενικά ανθεκτικές στη φθορά. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις όπου έχουν παρατηρηθεί σημαντικές φθορές, και μάλιστα πρόωρα. Συνοπτικά, οι φθορές μπορεί να οφείλονται είτε σε χαμηλή ποιότητα κατασκευής, είτε σε εσφαλμένη επιλογή ή χρήση υλικών είτε στην επίδραση διαβρωτικών παραγόντων. Η ύπαρξη του διαβρωτικού περιβάλλοντος μπορεί να προκαλέσει διάβρωση του σκυροδέματος ή του οπλισμού. Οι δράσεις που προκαλούν φθορά στο σκυρόδεμα είναι η διαστολή του λόγω της αντίδρασης αλκαλίων με ενεργά αδρανή (π.χ. αντίδραση αλκαλίων - πυριτικών), ο σχηματισμός ρωγμών λόγω συστολής διαστολής από κύκλους ψύξης - θέρμανσης, η διάβρωση του οπλισμού λόγω ενανθράκωσης ή από χλωριόντα λόγω χρήσης αντιπαγωτικών αλάτων ή επίδρασης του θαλασσινού νερού. Στην παρούσα εργασία εξετάστηκε η διάβρωση των οπλισμών σε δοκίμια με OPC και σε δοκίμια με ποζολανικό τσιμέντο (OPC/SLAG) κάτω από έντονα εναλλασσόμενες συνθήκες του διαβρωτικού περιβάλλοντος. Περίληψη 7 Για την παραγωγή των δοκιμίων χρησιμοποιήθηκαν τσιμέντο Portland και τσιμέντο Portland σε ανάμιξη με σκωρία 35%. Εξετάστηκε η ανθεκτικότητα των ράβδων οπλισμού σε κύκλους εμβάπτισης – στεγνώματος με διάφορες μεθόδους. Συνοπτικά οι μέθοδοι που εξετάστηκαν είναι οι εξής:  Απώλεια βάρους οπλισμών με τη βαρυμετρική μέθοδο  Προσδιορισμός της αντίστασης πόλωσης με τη μέθοδο της γραμμικής πόλωσης και της φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης  Μέτρηση ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης τσιμεντοκονιαμάτων  Μέτρηση συνολικών χλωριόντων στην μάζα της υπό εξέταση τσιμεντοκονίας με αναλυτική χημική μέθοδο  Υπολογισμός με πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων της κατανομής των χλωριόντων που προκύπτουν για τις συνθήκες του πειράματός μας για τα δοκίμια με τσιμέντο OPC Διαπιστώθηκε ότι η χρήση της σκωρίας ως πρόσθετου στην παραγωγή σκυροδέματος δεν είναι αποτελεσματική στην αντιμετώπιση της διάβρωσης. Επίσης κάτω από αυτές τις εναλλασσόμενες συνθήκες διάβρωσης προκύπτει επιτάχυνση της διάβρωσης κατά 3-5 φορές αν συγκριθούν τα αποτελέσματα με αυτά κάτω από σταθερές συνθήκες. Συγκεκριμένα:  Η διάβρωση των οπλισμών υπό εναλλασσόμενες συνθήκες είναι μεγαλύτερη από αυτή υπό σταθερές συνθήκες έκθεσης. Η μεταβολή της διάβρωσης εξαρτάται από το είδος του συνδετικού υλικού.  Η σκωρία δε φαίνεται να έχει προστατευτικό ρόλο έναντι της διάβρωσης κάτω από έντονες εναλλαγές του διαβρωτικού περιβάλλοντος. Από τα διαγράμματα 6.19 – 6.24 προκύπτει ότι οι οπλισμοί στα δοκίμια παρουσιάζουν παραβολική μεταβολή της απώλειας μάζας με το χρόνο. Εάν η απώλεια μάζας υπολογιστεί με βάση τις ηλεκτροχημικές μεθόδους τότε η πορεία της συναρτήσει του χρόνου είναι εκθετική.  Οι μετρήσεις όλων των μεθόδων δίνουν την ίδια τάση, αύξηση της διάβρωσης με το χρόνο, με διαφορετική ένταση η κάθε μια. Έτσι έχουμε μεγαλύτερες τιμές για την απώλεια μάζας που υπολογίζεται βάσει των ηλεκτροχημικών μεθόδων με την πρόοδο του χρόνου ενώ αρχικά οι τιμές της απώλειας μάζας με τη βαρυμετρική μέθοδο είναι μεγαλύτερες. Περίληψη 8  Η κατανομή των χλωριόντων στο βάθος του κονιάματος δεν ακολουθεί γενικώς το νόμο του Fick για τη διάχυση αλλά επηρεάζεται από τη μεταφορά του νερού κατά τους κύκλους εμβάπτισης / στεγνώματος.  Η σκωρία, διαπιστώθηκε ότι δεν είναι αποτελεσματική στην αντιμετώπιση της διάβρωσης πιθανόν γιατί οι κύκλοι εμβάπτισης / στεγνώματος παρεμποδίζουν την ολοκλήρωση και επομένως την αποτελεσματικότητα των ποζολανικών αντιδράσεων, αλλά και το σχηματισμό του άλατος Friedel. Ας σημειωθεί ότι σε αναλύσεις XRD δεν ανιχνεύτηκε το άλας Friedel σε δοκίμια με σκωρία.  Η ειδική ηλεκτρική αντίσταση του κονιάματος καταρχήν αυξάνει και στη συνέχεια μειώνεται με το χρόνο και για τις δύο κατηγορίες δοκιμίων, εκτός από την περίπτωση του κύκλου εμβάπτισης / στεγνώματος 6 / 18. Στοιχεία πρωτοτυπίας της διατριβής Στην εργασία αυτή μελετάται συστηματικά η επίδραση της εφαρμογής θαλασσινού νερού σε κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα και εξετάζεται η διάβρωση των οπλισμών και η διείσδυση των χλωριόντων τόσο σε δοκίμια από τσιμέντο τύπου CEΜ Ι όσο και σε τσιμέντο τύπου CEM II με σκωρία (35%) Μελλοντική έρευνα Στη συνέχεια θα πρέπει να μελετηθεί η επίδραση των εναλλασσόμενων συνθηκών σε άλλα ορυκτά (ή τσιμεντοειδή) πρόσθετα και να εξετασθεί η τυχόν χειροτέρευση των ιδιοτήτων τους. Επίσης θα πρέπει να εξετασθεί η μεταβολή της κατανομής της διαμέτρου των πόρων του κονιάματος κάτω από εναλλασσόμενες συνθήκες έκθεσης σε διαβρωτικό περιβάλλον. Προτείνεται ακόμα να γίνει προσδιορισμός των ορυκτολογικών συστατικών του κονιάματος προκειμένου να μελετηθεί πως αυτά μεταβάλλονται με τη παλινδρομική κίνηση του θαλασσινού νερού