Χάρης ΑΠΟΣΤΟΛΟΠΟΥΛΟΣ 1, Ευάγγελος Γ. ΠΑΠΑ ΑΚΗΣ 2, Σωτήρης ΕΜΗΣ 3. Λέξεις κλειδιά: ιάβρωση, Μηχανικές Ιδιότητες, Χάλυβας, Χλωριόντα, Σκυρόδεµα

Transcript

1 ιερεύνηση της ανθεκτικότητας των κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα και της επακόλουθης υποβάθµισης λόγω διάβρωσης οπλισµού από τη δράση χλωριόντων An investigation of the durability of reinforced concrete structures and of their subsequent structural deterioration due to chloride induced corrosion of the reinforcement Χάρης ΑΠΟΣΤΟΛΟΠΟΥΛΟΣ 1, Ευάγγελος Γ. ΠΑΠΑ ΑΚΗΣ 2, Σωτήρης ΕΜΗΣ 3 Λέξεις κλειδιά: ιάβρωση, Μηχανικές Ιδιότητες, Χάλυβας, Χλωριόντα, Σκυρόδεµα ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Παρόλο που η ανθεκτικότητα µιας κατασκευής από οπλισµένο σκυρόδεµα (ΟΣ) φαίνεται ότι διασφαλίζεται µε την τήρηση των κανονισµών, στην πράξη καταγράφονται έντονα φαινόµενα πρόωρης γήρανσης και µείωσης της «ωφέλιµης διάρκειας ζωής» εξ αιτίας της διάβρωσης του σιδηροοπλισµού ιδίως από διείσδυση χλωριόντων. Παρά τις εντατικές έρευνες πάνω στο θέµα, είναι ακόµα δύσκολο για τον µελετητή µηχανικό να προβεί σε µία αξιόπιστη αποτίµηση της δοµικής ακεραιότητας των κατασκευών απο ΟΣ λόγω των συνεπειών της διάβρωσης. Στην παρούσα εργασία, γίνεται προσπάθεια ανάπτυξης µίας µεθόδου εµπειρικής αξιολόγησης, εύκολης στην χρήση της, οικονοµικής και αξιόπιστης, των επιπτώσεων από την δράση των χλωριόντων στην δοµική ακεραιότητα στοιχείων απο ΟΣ. Παρουσιάζονται πειραµατικά αποτελέσµατα αξιολόγησης των µηχανικών ιδιοτήτων «γυµνών» ράβδων οπλισµού και «εγκιβωτισµένων» σε σκυρόδεµα, κάτω από εργαστηριακές συνθήκες επιταχυνόµενης διάβρωσης µε αλατονέφωση. Η σχέση των µηχανικών ιδιοτήτων µε την κατανοµή διείσδυσης των χλωριόντων, αναλύεται και παρουσιάζεται η βάση πιθανής συσχέτισής τους. ABSTRACT : Although the durability of a reinforced concrete structure is safeguarded through standards, evidence of premature structural deterioration, due to chloride induced corrosion, have been widely observed. Despite the large amount of research on this field, it is still difficult for the practitioner engineer to provide a reliable assessment of the residual capacity of structures affected by the 1 Επίκουρος Καθηγητής Τµήµατος Μηχανολόγων Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, charrisa@mech.upatras.gr 2 Αναπληρωτής Καθηγητής Τµήµατος ιαχείρισης Περιβάλλοντος & Φυσικών Πόρων, Πανεπιστήµιο Ιωαννίνων, vgpapa@cc.uoi.gr 3 ρ. Πολιτικός Μηχανικός Ερευνητής, sotirisdemis@hotmail.com, sotiris@demis.gr 1

2 corrosion of the reinforcement elements. In the current study, an attempt on developing a practical, economic, easy to use and yet reliable method to asses the effects of chloride-induced corrosion on the structural deterioration of reinforced concrete structures has been initiated. The results of the mechanical performance of steel bars, bare or embedded in concrete, and exposed in accelerated chloridecorrosion are presented. The relationship between their mechanical properties and the chloride-ion profiles is discussed, and the ground for their possible correlation is investigated. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ένας µεγάλος αριθµός ερευνητικών µελετών υποδεικνύει ότι η διείσδυση χλωριόντων, από άλατα ή θαλασσινό νερό είναι ο κύριος λόγος διάβρωσης του σιδηρού οπλισµού σε κατασκευές από οπλισµένο σκυρόδεµα (CEB, 1989; Holm & Geiker, 1992; Neville, 1995a; Richardson, 2002; Thompson et al, 1997; Tuutti, 1982). Τα χλωριόντα µεταφέρονται µέσω των τριχοειδών πόρων του σκυροδέµατος και των µικρορωγµών, αποπαθητικοποιούν το προστατευτικό φιλµ οξειδίων του χάλυβα, επιταχύνοντας έτσι τις χηµικές αντιδράσεις της διάβρωσης και περαιτέρω υποβάθµισης του σκυροδέµατος. Αρκετές από τις υπάρχουσες µελέτες πάνω στην διάβρωση του οπλισµού αναφέρονται στην επίδρασή της στα µεταλλουργικά χαρακτηριστικά του οπλισµού, όπως η απώλεια µάζας, τα βάθος και η πυκνότητα των βελονισµών (Borgard et al, 1990; Capozucca, 1995; Fang et al, 2004). Πειραµατικά αποτελέσµατα αποδεικνύουν ότι η αύξηση του χρόνου έκθεσης σε διαβρωτικό περιβάλλον, επιφέρει σηµαντική αύξηση στην απώλεια µάζας του οπλισµού, φαινόµενο, που οδηγεί σε αύξηση των αναπτυσσόµενων µηχανικών τάσεων. Πρόσφατα (Apostolopoulos & Papadakis, 2007; Apostolopoulos & Papadakis, 2008), αποδείχθηκε ότι διαβρωµένα δοκίµια χάλυβα παρουσίασαν µείωση των ιδιοτήτων αντοχής τους καθώς και ιδιαίτερα σηµαντική πτώση των ιδιοτήτων ολκιµότητάς τους. Μετά από την έκθεση ράβδων χάλυβα σε επιταχυνόµενη διάβρωση, οι µηχανικές ιδιότητες µειώνονται και κάτω από τα ελάχιστα όρια που θέτουν οι κανονισµοί. Αρκετά πειραµατικά αποτελέσµατα στην βιβλιογραφία αναφέρονται στην διάβρωση «γυµνών» ράβδων οπλισµού κάτω από επιταχυνόµενες συνθήκες αφού η µέθοδος αυτή δίνει γρήγορα αποτελέσµατα (Apostolopoulos & Papadakis, 2007; Apostolopoulos & Papadakis, 2008; Cairns et al, 2005; Fang et al, 2004). Παρόλα αυτά, η χρησιµότητα τέτοιων αποτελεσµάτων τέθηκε υπό αµφισβήτηση µε την αιτιολόγηση ότι µπορεί να υπάρχει απόσταση από τις πραγµατικές συνθήκες των «εγκιβωτισµένων» ράβδων στο σκυρόδεµα. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζεται συνοπτικά ο µηχανισµός διάβρωσης λόγω της δράσης των χλωριόντων. Εξετάζονται οι συνέπειες της διάβρωσης στις µηχανικές ιδιότητες των ράβδων οπλισµού, χρησιµοποιώντας «γυµνά» δοκίµια χάλυβα και «εγκιβωτισµένα» στο σκυρόδεµα, µετά από έκθεση σε διαβρωτικό περιβάλλον αλατονέφωσης. Η κατανοµή της διείσδυσης χλωριόντων αναλύεται 2

3 και συσχετίζεται µε την µείωση των µηχανικών ιδιοτήτων των διαβρωµένων «γυµνών» και «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων σιδηροοπλισµού. ιάβρωση Οπλισµού λόγω της ράσης Χλωριόντων Όπως είναι γνωστό, ο «εγκιβωτισµένος» χάλυβας στο σκυρόδεµα, προστατεύεται από την διάβρωση λόγω ύπαρξης ενός λεπτού στρώµατος οξειδίων του σιδήρου που δηµιουργείται και διατηρείται στην επιφάνεια του λόγω της υψηλής αλκαλικότητας του περιβάλλοντος σκυροδέµατος (τιµές ph γύρω στο 13.5). Αποπαθητικοποίηση του χάλυβα οπλισµού προκύπτει είτε όταν τα χλωριόντα διεισδύσουν στο νερό των πόρων του σκυροδέµατος και φθάσουν την ράβδο οπλισµού, είτε όταν το ph του σκυροδέµατος πέσει κάτω από 9, λόγω της διείσδυσης CO 2 από την ατµόσφαιρα, και της αντίδρασής του µε το Ca(OH) 2, είτε λόγω συνδυασµού των δύο παραπάνω αναφερόµενων µηχανισµών (όπου ο τελευταίος διευκολύνει τον πρώτο). Η διείσδυση των χλωριόντων είναι µια διαδικασία που λαµβάνει χώρα σε πλήρως ή µερικώς γεµάτους πόρους µε νερό. Η ύπαρξη χλωριόντων στο σκυρόδεµα προέρχεται από ενδογενείς παράγοντες (πρόσµικτα ή αδρανή από παραθαλάσσιες περιοχές), τις περισσότερες φορές όµως απο εξωγενείς. Σε ψυχρά κλίµατα, η χρησιµοποίηση αλάτων τήξης χιονιού στους δρόµους είναι µία συνήθης πρακτική. Στις περιπτώσεις αυτές, τα χλωριόντα διαλύονται στο νερό και διεισδύουν αρκετά εύκολα στο σκυρόδεµα καταστρωµάτων γεφυρών και αλλού. Όµοια στα λιµενικά έργα και στις παράκτιες κατασκευές το περιβάλλον είναι πλούσιο σε χλωριούχα άλατα. Τα χλωριόντα, φθάνοντας στην εξωτερική επιφάνεια ενός δοµικού στοιχείου, διεισδύουν στους πόρους του σκυροδέµατος είτε µέσω διάχυσης είτε µέσω τριχοειδούς απορρόφησης του επιφανειακού νερού στο οποίο διαλύονται, είτε µε συνδυασµό των δυο αυτών µηχανισµών. Στις περισσότερες ερευνητικές µελέτες, ο ρυθµός διάχυσης των χλωριόντων στο σκυρόδεµα προσοµοιώνεται από τον 2 ο νόµο του Fick, µη λαµβάνοντας όµως έτσι υπόψη τις φυσικοχηµικές αλληλεπιδράσεις των χλωριόντων µε τον σκληρυµένο τσιµεντοπολτό (Richardson, 2002). Τα χλωριόντα δεσµεύονται από το σκυρόδεµα κατά 30-60% ανάλογα µε την σύσταση και τον τύπο του τσιµέντου (Papadakis, 1999; Papadakis, 2000) µέσω χηµικών διεργασιών που περιλαµβάνουν την δέσµευση χλωριόντων από τα συστατικά της ενυδάτωσης του σκυροδέµατος, ανταλλαγές ιόντων, και την δηµιουργία µιας διπλής ιονοστοιβάδας. Οι Pereira και Hegedus (1984) εξοµοίωσαν την διείσδυση χλωριόντων και τις χηµικές τους αντιδράσεις σε πλήρως κορεσµένο σκυρόδεµα, σύµφωνα µε την ισόθερµη Langmuir και την διάχυση κατά Fick. O Papadakis (2000; et al, 1996a; et al, 1996b) ανέπτυξε µία απλή λύση που επιβεβαιώθηκε πειραµατικά χρησιµοποιώντας αυτή την προσέγγιση µε πιο γενικές συνθήκες. Οι φυσικοχηµικές διεργασίες διάχυσης χλωριόντων, η ρόφηση και δέσµευσή τους από τον τσιµεντοπολτό περιγράφονται από µη γραµµικές διαφορικές εξισώσεις της συγκέντρωσης Cl - στην υγρή φάση, από τις οποίες η συγκέντρωση των δεσµευµένων Cl - στον τσιµεντοπολτό µπορεί να υπολογισθεί αλγεβρικά. Το σύστηµα επιλύεται µε χρήση της µεθόδου πεπερασµένων στοιχείων ή διαφορών, επιτρέποντας έτσι την εκτίµηση του απαιτούµενου χρόνου (κρίσιµη τιµή χρόνου 3

4 διάβρωσης λόγω χλωριόντων) που η συγκέντρωση χλωριόντων στον χάλυβα θα βρεθεί πάνω από το όριο αποπαθητικοποίησης. Το κρίσιµο αυτό όριο προσδιορίζεται µε την µέτρηση της ολικής συγκέντρωσης χλωριόντων στο σκυρόδεµα, µε µέση τιµή 0.4 % (για τσιµέντο τύπου Portland) - 1 % (για ποζολανικά τσιµέντα) του βάρους του τσιµέντου που χρησιµοποιείται (Papadakis 1999; Papadakis, 2000). Στην συνέχεια, η εξέλιξη της διεργασίας της διάβρωσης λαµβάνει χώρα µε ρυθµό που εξαρτάται από την ύπαρξη οξυγόνου και νερού. Για τα πλούσια σε χλωριόντα σκυροδέµατα, σηµαντικού ενδιαφέροντος είναι η ανοδική αντίδραση (Εξισώσεις 1-3), ειδικά όταν η συγκέντρωση χλωριόντων έχει υπερβεί την κρίσιµη τιµή έναρξης της διάβρωσης του οπλισµού (CEB, 1989; Neville, 1995b; Richardson, 2002; Tuutti, 1982). Fe Fe e (1) Fe Cl FeCl 2 (2) FeCl 2 + 2H 2 O Fe(OH) 2 + 2H + + 2Cl - (3) Ακολουθεί µία κυκλική διαδικασία απελευθέρωσης χλωριόντων. Παρόλο που τα προϊόντα της διάβρωσης παράγονται σε ένα συγκεκριµένο σηµείο στην επιφάνεια της ράβδου, στο ίδιο σηµείο παράγονται και ιόντα H + και Cl -. Η αυξανόµενη οξειδωτικότητα της ανοδικής πλευράς βοηθάει στον περιορισµό της διάχυσης των προϊόντων της διάβρωσης και ευνοεί περαιτέρω οξείδωση της χαλύβδινης ράβδου. Ο ρυθµός της διάβρωσης του χάλυβα εξαρτάται από την διαθεσιµότητα οξυγόνου και νερού στην κάθοδο. Το θέµα αυτό όµως δεν είναι αρκετά ξεκάθαρο, αφού, ακόµα και χαµηλά ποσοστά οξυγόνου µπορούν να οδηγήσουν σε σηµαντική διάβρωση µε βελονισµούς. Το φαινόµενο αυτό προκύπτει διότι οι ανοδικές περιοχές είναι τοπικές, ενώ οι αντίστοιχες καθοδικές περιοχές µπορούν να επεκταθούν σε µία ευρύτερη περιοχή. Η επίδραση ακόµα και µικρών ποσοστών παροχής O 2 σε µεγάλες καθοδικές περιοχές είναι αρκετά σηµαντική. Αυτό µπορεί να οδηγήσει σε µία γρήγορη τοπική µείωση της διατοµής της ράβδου και σε σηµαντική υποβάθµιση της ικανότητας του δοµικού στοιχείου από οπλισµένο σκυρόδεµα να µεταφέρει µε ασφάλεια τα φορτία του. Όταν η ποσότητα των προιόντων της διάβρωσης γίνεται εµφανής στην επιφάνεια της ράβδου, το µέγεθος της δοµικής υποβάθµισής της µπορεί να είναι ήδη αρκετά σηµαντικό. Μέχρι σήµερα, δεν έχουν κατανοηθεί πλήρως οι πιθανοί µηχανισµοί της χηµικής αντίδρασης των χλωριόντων µε την ράβδο οπλισµού και το στρώµα παθητικοποίησης. Επιπλέον, τόσο η εκτίµηση του χρόνου εξέλιξης και ο ορισµός του τέλους της «ωφέλιµης διάρκειας ζωής» της κατασκευής λόγω της δράσης των χλωριόντων, επισκιάζονται από αρκετές ασάφειες (Liu et al, 1998; Matsushima et al, 1996; Morinaga, 1991; Seki & Oya, 1996). Εκτιµάται ότι τα αποτελέσµατα 4

5 που παρουσιάζονται στην συνέχεια θα συνεισφέρουν στην κατανόηση και στον ορισµό των παραπάνω χρονικών ορίων. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ Στην παρούσα εργασία ερευνάται η επίδραση της διάβρωσης στην µηχανική συµπεριφορά σε εφελκυσµό «γυµνών» και «εγκιβωτισµένων» στο σκυρόδεµα ράβδων οπλισµού B500c, ελληνικής παραγωγής, ονοµαστικής διαµέτρου 8mm (Ø8). Η διάβρωση των δοκιµίων πραγµατοποιήθηκε σε εργαστηριακό περιβάλλον επιταχυνόµενης διάβρωσης µε αλατονέφωση. Οι µηχανικές ιδιότητες των διαβρωµένων δοκιµίων σε εφελκυσµό συγκρίθηκαν µε τα όρια και τις απαιτήσεις που θέτουν ο ισχύων Κανονισµός Τεχνολογίας Χάλυβα (ΚΤΧ) Τα αποτελέσµατα των µηχανικών δοκιµών των διαβρωµένων «γυµνών» δοκιµίων συγκρίθηκαν µε τα αντίστοιχα «εγκιβωτισµένα» δοκίµια στο σκυρόδεµα. Η διαµόρφωση των δοκιµίων πραγµατοποιήθηκε σύµφωνα µε τις προδιαγραφές για το πείραµα του εφελκυσµού. Οι δοκιµές αλατονέφωσης διεξήχθηκαν σύµφωνα µε την προδιαγραφή ASTM B Το διάλυµα άλατος προετοιµάστηκε µε διάλυση 5 µερών µάζας NaCl σε 95 µέρη αποσταγµένου νερού (µε pη που κυµαίνεται µεταξύ ). Η θερµοκρασία µέσα στον θάλαµο ψεκασµού διατηρήθηκε σε 35 C C. Τα προϊόντα της οξείδωσης καθαρίστηκαν µε τη χρησιµοποίηση σκληρής βούρτσας σύµφωνα µε την προδιαγραφή ASTM G1-90. Τα δοκίµια υποβλήθηκαν σε µηχανικές δοκιµές εφελκυσµού µε ρυθµό σταθερής επιµήκυνσης 2mm/min και καταγράφηκαν: το όριο διαρροής, R p, η εφελκυστική τους αντοχή R u, και η οµοιόµορφη παραµόρφωση. Ο βαθµός διάβρωσης των δοκιµίων εκτιµήθηκε ως η απώλεια µάζας των δοκιµίων αυτών σε σχέση µε τα αντίστοιχα µη διαβρωµένα δοκίµια. Η ποσοστιαία απώλεια µάζας υπολογίστηκε ως M l (%) = ( M un M c ) M un 100, όπου M un και M c είναι οι µετρηθείσες µάζες των µη διαβρωµένων και διαβρωµένων δοκιµίων, αντίστοιχα. Στον παραπάνω υπολογισµό χρησιµοποιήθηκε η ονοµαστική τιµή της διαµέτρου των δοκιµίων. Επίσης, δοκίµια ράβδων χάλυβα B500c και ονοµαστικής διαµέτρου 8mm (Ø8), εγκιβωτίστηκαν σε σκυρόδεµα. Για τον εγκιβωτισµό στο σκυρόδεµα χρησιµοποιήθηκαν κυλινδρικά πλαστικά καλούπια, εσωτερικής διαµέτρου 32 mm και µήκους 340 mm. Το τσιµέντο ήταν τύπου CEM IV (σύµφωνα µε την προδιαγραφή EN-197), µε λόγο νερού προς τσιµέντο (W/C) 0,5 µε θραυστά αδρανή µε µέγιστο κόκκο 4 mm και λόγο αδρανών προς τσιµέντο (A/C) ίσο προς 3. Συνολικά χρησιµοποιήθηκαν 10 δοκίµια. Για την αύξηση της εργασιµότητας του µίγµατος προστέθηκε υπερρευστοποιητής κατά 0.4% του βάρους του τσιµέντου. Μετά την τοποθέτηση των ράβδων οπλισµού και του σκυροδέµατος, τα καλούπια δονήθηκαν για 20 sec χρησιµοποιώντας τράπεζα δόνησης. Μετά από 24 ώρες τα καλούπια αφαιρέθηκαν και τα δοκίµια εισήχθησαν σε νερό, κορεσµένο σε ασβέστη, µε θερµοκρασία 20 o C για 28 ηµέρες. Μετά την αρχική περίοδο ενυδάτωσης, τα δοκίµια χάλυβα/σκυροδέµατος εισήχθησαν στο θάλαµο επιταχυµένης διάβρωσης µε αλατονέφωση για 1 έτος. 5

6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΣΗ Μελετώντας τα αποτελέσµατα, παρατηρήθηκε (βλ. Πίνακα 1) πτώση των µηχανικών ιδιοτήτων των «εγκιβωτισµένων» στο σκυρόδεµα δοκιµίων χάλυβα κάτω από τα όρια που θέτουν οι ισχύοντες κανονισµοί (όριο διαρροής 500 MPa και οµοιόµορφη παραµόρφωση 7.5 %). Συγκρίνοντας τη µέση τιµή των µηχανικών ιδιοτήτων των διαβρωµένων «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων µε τα διαβρωµένα «γυµνά» δοκίµια B500c σε συνθήκες αλατονέφωσης, καταγράφηκε απώλεια µάζας της τάξεως του 2.25 % και 13.5 % των «εγκιβωτισµένων» και «γυµνών» δοκιµίων χάλυβα, αντίστοιχα, βλ. Πίνακα 2. Πίνακας 1: Μηχανικές ιδιότητες διαβρωµένων «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων χάλυβα B500c σε περιβάλλον αλατονέφωσης Απώλεια Μάζας (%) Όριο ιαρροής (MPa) Εφελκυστική Αντοχή (MPa) Οµοιόµορφη Παραµόρφωση (%) Μέση Τιµή 2,25 490,26 < ,76 7,39 < 7.5 SD 1,10 29,6 23,8 1,93 Πίνακας 2: Μηχανικές ιδιότητες «γυµνών» και «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων χάλυβα B500c σε περιβάλλον αλατονέφωσης σε σχέση µε δοκίµια αναφοράς. Μη διαβρωµένα «Γυµνά» «Εγκιβωτισµένα» Όριο ιαρροής Rp (MPa) 621,77 426,38 490,26 Εφελκυστική Αντοχή Rm (MPa) 734,99 566,56 585,76 Οµοιόµορφη Παραµόρφωση (%) 10,31 3,48 7,39 Απώλεια Μάζας (%) - 13,5 2,25 Η παρουσία στρωµάτων οξειδίων στην επιφάνεια «γυµνών» δοκιµίων χάλυβα, που προκάλεσε απώλεια µάζας 13.5 % επέφερε µείωση της τάξεως του 31.4 % και 22.9 % στο όριο διαρροής και στην εφελκυστική αντοχή, αντίστοιχα, βλ. Πίνακα 3. Η απώλεια µάζας 2.25 % των «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων επέφερε περίπου αντίστοιχες µε τις παραπάνω µειώσεις της τάξεως του 21.2 % και 20.3 %, βλ. Πίνακα 3. Πίνακας 3: Πτώση των µηχανικών ιδιοτήτων των διαβρωµένων δοκιµίων χάλυβα B500c (%) σε σχέση µε το υλικό αναφοράς. «Γυµνά» «Εγκιβωτισµένα» Απώλεια Μάζας (%) 13,5 2,25 Όριο ιαρροής Rp 31,4 21,2 Εφελκυστική Αντοχή Rm 22,9 20,3 Εξετάζοντας την επιφάνεια του διαβρωµένου χάλυβα των «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων (Σχήµα 1), παρατηρούνται έντονα σηµεία τοπικού βελονισµού, 6

7 ιδιαίτερα πλησίον των νευρώσεων. Οι βελονισµοί παρατηρήθηκαν αρχικά πλησίον των νευρώσεων του χάλυβα όπου στην συνέχεια µε αύξηση του χρόνου έκθεσης σε διάβρωση, «επεκτάθηκαν» στον ενδιάµεσο των νευρώσεων χώρο, προκαλώντας έτσι εµφανείς κοιλότητες στην επιφάνεια της ράβδου. Εξ αιτίας του ίδιου διαβρωτικού περιβάλλοντος, στα «γυµνά» δοκίµια χάλυβα παρατηρήθηκαν έντονα φαινόµενα απώλειας της διατοµής της ράβδου και δηµιουργία µεγάλων κοιλοτήτων (Σχήµα 2). Η εικόνα αυτή (εν µέρει) έρχεται σε αντίθεση µε την εικόνα των «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων, όπου παρατηρήθηκαν έντονα σηµεία τοπικού βελονισµού. Σχήµα 1: Σηµεία βελονισµού στην επιφάνεια των «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων χάλυβα B500c λόγω διάβρωσης αλατονέφωσης. Σχήµα 2: Κοιλότητες λόγω διάβρωσης στην επιφάνεια «γυµνών» δοκιµίων χάλυβα Β500c Εξετάζοντας την απώλεια µάζας και τις ιδιότητες αντοχής των διαβρωµένων δοκιµίων, παρατηρείται ότι αν και η απώλεια µάζας των «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων στο σκυρόδεµα (2.25 %) αποτελεί 16.6% της απώλειας µάζας των «γυµνών» δοκιµίων (13.55 %) οι αντίστοιχες µειώσεις στην αντοχή των πρώτων φθάνουν περίπου το 67.5 % και 88.6 % του ορίου διαρροής και της εφελκυστικής αντοχής των «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων αντίστοιχα (Σχήµα 3). Μείωση Ιδιοτήτων Αντοχής (%) απλά (γυµνά) 11,4 88,6 % 31,4 22,9 21,2 20,3 13,5 Όριο ιαρροής Εφελκυστική Αντοχή εγκιβωτισµένα 32,5 % 67,5 % Απώλεια Μάζας (%) Σχήµα 3: Επίδραση της απώλειας µάζας στην µείωση των µηχανικών ιδιοτήτων αντοχής των διαβρωµένων «γυµνών» και «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων χάλυβα B500c. 2,25 7

8 Το εύρηµα αυτό, φαίνεται ιδιαίτερα σηµαντικό υπογραµµίζοντας την µεγάλη υποβάθµιση του χάλυβα οπλισµού λόγω διείσδυσης χλωριόντων µέσω του σκυροδέµατος µε τον µηχανισµό όπως προαναφέρθηκε στην ενότητα «ιάβρωση του οπλισµού λόγω της δράσης χλωριόντων». Το προφίλ της διείσδυσης χλωριόντων, σε δείγµατα από το σκυρόδεµα των «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων, ακολουθεί γενικώς την αναµενόµενη µορφή σύµφωνα µε την βιβλιογραφία, µε αρχικά υψηλή συγκέντρωση χλωριόντων στην επιφάνεια του χάλυβα (Σχήµα 4). Συγκέντρωση Χλωριόντων (%) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Βάθος από εξωτερική επιφάνεια (mm) Σχήµα 4: Προφίλ διείσδυσης χλωριόντων στα «εγκιβωτισµένα» δοκίµια χάλυβα B500c Απεικονίζοντας την πτώση των ιδιοτήτων αντοχής (εφελκυστική αντοχή ή όριο διαρροής) των δοκιµίων χάλυβα λόγω της δράσης χλωριόντων, µε το προφίλ της διείσδυσης των χλωριόντων, και χρησιµοποιώντας προσεγγιστικές µεθόδους στατιστικής ανάλυσης, φαίνεται ότι η πτώση των µηχανικών ιδιοτήτων (ΠΜΙ) µπορεί να οριστεί συναρτήσει της συγκέντρωσης Cl - στην εξωτερική επιφάνεια του σκυροδέµατος (Cl - επιφάνεια) και της συγκέντρωσης Cl - στην επιφάνεια του χάλυβα (Cl - χάλυβα), µε άλλα λόγια την κρίσιµη τιµή για την έναρξη της διάβρωσης (Σχήµα 5), ως: ΠΜΙ (%) = Y 0 + A Cl - επιφάνεια + B Cl - χάλυβα (4) Όπου, Y 0, A, B είναι σταθερές όπως προκύπτουν από την στατιστική ανάλυση (Πίνακας 4). Οι εκτιµώµενες, µε τον παραπάνω τρόπο, τιµές µείωσης µηχανικών ιδιοτήτων συσχετίζονται σε έναν αρκετά ικανοποιητικό βαθµό µε τις αντίστοιχες τιµές που υπολογίστηκαν µετά από την έκθεση των δοκιµίων σε αλατονέφωση (Σχήµα 6α). Θέτοντας κάποια τιµή ως κρίσιµο µέγεθος συγκέντρωσης χλωριόντων για έναρξη της διάβρωσης του οπλισµού, για διαφορετικές τιµές συγκέντρωσης χλωριόντων στην εξωτερική επιφάνεια του στοιχείου από οπλισµένο σκυρόδεµα, µπορεί να εκτιµηθεί η πτώση των µηχανικών ιδιοτήτων της ράβδου οπλισµού λόγω της δράσης των χλωριόντων (Σχήµα 6β). 8

9 Μείωση Αντοχής (%) Μείωση Αντοχής (%) ,0 1,5 1,0 Συγκέντρωση Cl- στην εξωτερική επιφάνεια 0,5 0,0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Συγκέντρωση Cl- στην επιφάνεια του χάλυβα ,0 1,5 1,0 Συγκέντρωση Cl- στην εξωτερική επιφάνεια 0,5 0,0 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Συγκέντρωση Cl- στην επιφάνεια του χάλυβα Σχήµα 5: Πτώση µηχανικών ιδιοτήτων χάλυβα οπλισµού λόγω της διάβρωσης από την διείσδυση χλωριόντων Πίνακας 4: Συντελεστές στατιστικής ανάλυσης για την εκτίµηση της πτώσης των µηχανικών ιδιοτήτων διαβρωµένων ράβδων οπλισµού Συντελεστής Μείωση Εφελκυστικής Αντοχής (%) Μείωση Ορίου ιαρροής (%) Y 0 0,51 1,27 A 14,1 14,2 B 4,2 3,4 R 0,94 0,95 Μείωση Αντοχής (%) Όριο ιαρροής (πειραµατικό) Εφελκ. Αντοχή (πειραµατική) Όριο διαρροής (εκτιµώµενο) Εφελκ. Αντοχή (εκτιµώµενη) (α) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Συγκέντρωση Cl- στην εξωτερική επιφάνεια Μείωση Αντοχής (%) Όριο διαρροής (0.4) Εφελκ. Αντοχή (0.4) (β) Όριο διαρροής (0.6) Εφελκ. Αντοχή (0.6) 0 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Συγκέντρωση Cl- στην εξωτερική επιφάνεια Σχήµα 6: Εκτίµηση της πτώσης των µηχανικών ιδιοτήτων ράβδου οπλισµού λόγω της διάβρωσης από την δράση χλωριόντων. 9

10 Η εκτίµηση των αποτελεσµάτων αυτών, απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή. ιότι η αναπτυχθείσα µεθοδολογία, στοχεύει στο να αναγνωρίσει πιθανή (και υπογραµµίζεται η λέξη «πιθανή») συσχέτιση ανάµεσα στην συγκέντρωση χλωριόντων σ ένα δοµικό στοιχείο και στην αντίστοιχη πτώση των µηχανικών ιδιοτήτων της «εγκιβωτισµένης» ράβδου οπλισµού. Η εκτιµώµενη από την Εξίσωση 4 πτώση της αντοχής, αν και βασίστηκε σε συνθήκες εργαστηριακής επιταχυνόµενης διάβρωσης αλατονέφωσης, (Σχήµα 7α), δείχνει ότι υπάρχει η δυνατότητα, µέσω ενός µεγάλου αριθµού πειραµατικών δεδοµένων απο κατανοµές χλωριόντων διαβρωµένων δοµικών στοιχείων και µηχανικών ιδιοτήτων «εγκιβωτισµένων» ράβδων οπλισµού, να προσεγγιστεί η σχέση αυτή µαθηµατικά. Σχήµα 7: Συσχέτιση της υποβάθµισης µηχανικών ιδιοτήτων µε το προφίλ χλωριόντων, διαβρωµένων δοµικών στοιχείων οπλισµένου σκυροδέµατος. Ιδανικά στους υπολογισµούς θα πρέπει να εισαχθεί και η επίδραση του χρόνου (Σχήµα 7β). Μετρήσεις του προφίλ διείσδυσης χλωριόντων και της µείωσης των µηχανικών ιδιοτήτων της ράβδου οπλισµού κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα, σε διαφορετικές χρονικές στιγµές, σε πραγµατικές συνθήκες διάβρωσης και παράλληλα σε ισοδύναµες (από την πλευρά των υλικών και των συνθηκών διάβρωσης) συνθήκες εργαστηριακής διάβρωσης, θα αποτελέσουν την βάση για µία ανάλυση µε µεγαλύτερο συντελεστή βαρύτητας υπολογισµού του κρίσιµου χρόνου παρέµβασης του µελετητή µηχανικού. Η αναγνώριση της βλάβης διάβρωσης (χλωριόντα ή ενανθράκωση) συνδυασµένη µε την έγκαιρη επέµβαση, είναι δυνατόν να αµβλύνουν τις αρνητικές συνέπειες της διάβρωσης λόγω της διείσδυσης χλωριόντων σε ένα δοµικό στοιχείο αρχικά, και µετά από καιρό πιθανόν σε µία ολόκληρη κατασκευή από οπλισµένο σκυρόδεµα. 10

11 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Αν και το θέµα της διάβρωσης του οπλισµού λόγω της δράσης των χλωριόντων έχει µελετηθεί αρκετά, είναι ακόµα δύσκολο για τον µελετητή µηχανικό να προβεί σε µία αξιόπιστη αξιολόγηση της δοµικής ακεραιότητας των κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα λόγω των αρνητικών συνεπειών της διάβρωσης. Στην παρούσα εργασία, γίνεται προσπάθεια ανάπτυξης µίας µεθόδου εµπειρικής αξιολόγησης - εύκολης στην χρήση της και παράλληλα οικονοµικής και αξιόπιστης - των επιπτώσεων από την δράση των χλωριόντων στην δοµική ακεραιότητα κατασκευών οπλισµένου σκυροδέµατος. Παρουσιάστηκαν και αναλύθηκαν τα αποτελέσµατα απώλειας µάζας και µηχανικών ιδιοτήτων ράβδων οπλισµού, «γυµνών» και «εγκιβωτισµένων» σε σκυρόδεµα, κάτω από εργαστηριακές συνθήκες έκθεσης σε επιταχυνόµενη διάβρωση µε αλατονέφωση. Οι κατανοµές διείσδυσης χλωριόντων αναλύθηκαν και έγινε µία προσπάθεια συσχέτισής τους µε την παρατηρούµενη µείωση των µηχανικών ιδιοτήτων. Συγκεκριµένα βρέθηκε ότι: Οι µηχανικές ιδιότητες των «εγκιβωτισµένων στο σκυρόδεµα δοκιµίων χάλυβα, έπεσαν κάτω από τα όρια που θέτει ο ΚΤΧ 2008 για σχετικά µικρές τιµές απώλειες µάζας λόγω διάβρωσης. Η επικάλυψη σκυροδέµατος ενώ γενικά θεωρείται ότι προστατεύει τον χάλυβα, διαπιστώθηκε ότι του προσδίδει σηµαντική µείωση της αντοχής του σε σύγκριση µε γυµνά δοκίµια. Η κατανοµή διείσδυσης χλωριόντων στα «εγκιβωτισµένα» δοκίµια εκτιθέµενα στην αλατονέφωση ακολουθεί την αναµενόµενη µορφή σύµφωνα µε την βιβλιογραφία, µε αρχικά υψηλή συγκέντρωση χλωριόντων στην εξωτερική επιφάνεια του σκυροδέµατος. Η αποµένουσα αντοχή (εφελκυστική αντοχή ή όριο διαρροής) των «εγκιβωτισµένων» δοκιµίων χάλυβα που υποβάλλονται εργαστηριακά σε διάβρωση µε αλατονέφωση, µπορεί να συσχετισθεί µαθηµατικά µε την κατανοµή διείσδυσης των χλωριόντων. Η ποσοστιαία πτώση των µηχανικών ιδιοτήτων µπορεί να οριστεί συναρτήσει της συγκέντρωσης Cl - στην εξωτερική επιφάνεια του σκυροδέµατος (Cl - επιφάνεια) και της συγκέντρωσης Cl - στην επιφάνεια του χάλυβα (Cl - χάλυβα), µε άλλα λόγια την κρίσιµη τιµή για την έναρξη της διάβρωσης. Τα αποτελέσµατα υποδηλώνουν ότι, αν και οι συσχετισµοί έγιναν κάτω από εργαστηριακές συνθήκες, ωστόσο, χρησιµοποιώντας τα αποτελέσµατα συγκέντρωσης από την διείσδυση χλωριόντων και αντίστοιχες µηχανικές ιδιότητες των ράβδων οπλισµού από υπάρχουσες κατασκευές ΟΣ, η µέθοδος αυτή µπορεί να αποτελέσει την βάση για περαιτέρω γενικότερες συσχετίσεις. 11

12 ΑΝΑΦΟΡΕΣ Apostolopoulos, C.A. & Papadakis, V.G., Mechanical behavior of reinforcement stirrups BSt 500 s at corrosive environment. Journal of Materials Engineering and Performance, Vol 16, (2007) 236 Apostolopoulos, C.A. & Papadakis, V.G., Consequences of Steel Corrosion on the Ductility Properties of Reinforcement Bar. Construction and Building Materials, Vol 22, (2008) 2316 Borgard, B., Warren, C., Somayaji, R. & Heidersbach, R., Mechanisms of corrosion of steel in concrete ASTM STP 1065, Philadelphia, (1990) Cairns, J., Plizzari, G.A., Du, Y., Law, D.W. & Franzoni, C., Mechanical properties of corrosion-damaged reinforcement. ACI Mater J, Vol 102, (2005) 256 Capozucca, R., Damage to reinforcement concrete due to reinforcement corrosion, Constr. Build. Mater, Vol 9, (1995) 295 CEB Durable concrete structures, CEB Design Guide Bulletin d' Information No. 182, Lausanne (1989) Fang, C., Lungren, K., Chen, L. & Zhu, C., Corrosion influence on bond in reinforced concrete, Cem. Concr. Res, Vol 34, (2004) Holm, J. & Geiker, M., «Durability of Concrete, G.M. Idorn Intern. Symp», ACI SP- 131, Detroit (1992) Liu, Y. & Weyers, R.E., Modeling the time-to-corrosion cracking in chloride contaminated reinforced concrete structures. ACI Mat. J, Vol 95, (1998) 675 Matsushima, M., Tsutsumi, T., Seki, H. & Matsui, K., Corrosion rate of reinforcement in concrete due to chloride attack, Intern. Congress: Concrete in the Service of Mankind, Dundee In Concrete Repair, Rehabilitation and Protection, Edited by R.K. Dhir and M.R. Jones, E. & F.N. SPON, London (1996) 238 Morinaga, S., Prediction of service lives of reinforced concrete buildings based on corrosion rate of reinforcing steel, in Proceedings of the 5th International Conference on Durability of Building Materials and Components, Brighton, U. K., November (1990) 5-16 Neville, A.M., «Properties of concrete», Longman, Essex (1995α) Neville, A., Chloride attack of reinforced concrete: An overview. Materials and Structures, Vol 28, (1995b) 63 Papadakis, V.G., Fardis, M.N. & Vayenas, C.G., Physicochemical processes and mathematical modeling of concrete chlorination. Chem Engng Sci, Vol 51, (1996a) 505 Papadakis, V.G., Roumeliotis, A.P., Fardis, M.N. & Vayenas, C.G., Mathematical modeling of chloride effect on concrete durability and protection measures in Proceeedings of the International Congress: Concrete in the Service of Mankind, Concrete Repair, Rehabilitation and Protection, Dundee, Scotland, E. & F.N. SPON, June (1996b) Papadakis, V.G., Supplementary cementing caterials in concrete- Activity, durability, and planning. Final Report to European Commission, Project No. ERBFMBICT961387, Danish Technological Institute, Taastrup, January (1999) Papadakis, V.G., Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against carbonation and chloride ingress. Cem Concr Res, Vol 30, (2000)

13 Pereira, C.J., & Hegedus, L.L., Diffusion and reaction of chloride ions in porous concrete, in Proceedings of the 8th International Symposium of Chemical Reaction Engineering, Edinburgh, Scotland (1984) Richardson, M.G., «Fundamentals of durable reinforced concrete», Spon Press, London (2002) Seki, H. & Oya, T., Estimation of service life on concrete bridge, International Congress: Concrete in the Service of Mankind, Dundee In Concrete for Infrastructure and Utilities, Edited by R.K. Dhir and N.A. Henderson, E. & F.N. SPON, London (1996) 75 Thompson, N.G. & Lankard, D.R., Improved Concretes for Corrosion Resistance, Report No. FHWA-RD , US Department of Transportation, Federal Highway Administration, Georgtown Pike, McLean VA (1997) Tuutti, K., Corrosion of Steel in Concrete, Swedish Cem. and Concr. Res. Inst., Fo 4, Stockholm (1982) 13