Επιδεκτικότητα σε διάβρωση περιοχών συγκολλήσεων με επικάλυψη σε χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος

Transcript

1 Επιδεκτικότητα σε διάβρωση περιοχών συγκολλήσεων με επικάλυψη σε χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος Π. Κοκκωνίδης, Ε. Ζίτρου, Μ. Δαραμπάρα, Ι. Νικολάου, Π.Ε. Τσακιρίδης, Γ.Δ. Παπαδημητρίου Ε.Μ.Π., Σχολή Μηχανικών Μεταλλείων-Μεταλλουργών, Εργαστήριο Μεταλλογνωσίας Σ. Μουγιάκος Υ.ΠΕ.ΧΩ.ΔΕ, ΚΕΔΕ, Εργαστήριο Μετάλλων Λέξεις κλειδιά: Ατμοσφαιρική διάβρωση, γαλβανικό ζεύγος, χάλυβας οπλισμού, συγκόλληση ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη διάβρωσης συγκολλημένων δοκιμίων χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος S00s, στην περιοχή της συγκόλλησης, κατά την έκθεσή τους σε ατμοσφαιρικό και χλωριούχο περιβάλλον. Για την μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκαν συγκολλήσεις χρησιμοποιώντας τρεις διαφορετικούς τύπους ηλεκτροδίων με δύο διαφορετικές τεχνικές συγκόλλησης. Αρχικώς, επαρκής αριθμός συγκολλημένων δοκιμίων εκτέθηκε στις διαβρωτικές συνθήκες της ατμόσφαιρας για τρεις και έξι μήνες. Η εξέλιξη της διάβρωσης μελετήθηκε με την βοήθεια Οπτικού Μικροσκοπίου (ΟΜ), Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM) και Περίθλασης Ακτίνων-Χ (XRD). Η επίδραση της ατμοσφαιρικής διάβρωσης στις μηχανικές ιδιότητες των συγκολλημένων δοκιμίων μελετήθηκε με την διενέργεια δοκιμών εφελκυσμού. Από τις δοκιμές εφελκυσμού προέκυψε ότι η διάβρωση, η οποία προκαλείται κατά την έκθεση στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον για έξι μήνες, δεν επηρεάζει τις μηχανικές ιδιότητες των προς εξέταση δοκιμίων. Ακολούθως, τα συγκολλημένα δοκίμια υποβλήθηκαν σε δοκιμή κυκλικής πόλωσης με χρήση διάταξης Tafel, με στόχο την εκτίμηση της επιδεκτικότητάς τους στη διάβρωση. Επίσης μελετήθηκε η δημιουργία γαλβανικού στοιχείου μεταξύ του ηλεκτροδίου συγκόλλησης και του χάλυβα Tempcore. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος βρίσκονται συχνά εκτεθειμένοι για μεγάλο χρονικό διάστημα στην ατμόσφαιρα, κατά την μεταφορά και αποθήκευσή τους σε εργοταξιακούς χώρους. Η έκθεση του οπλισμού σκυροδέματος στην ατμόσφαιρα οδηγεί στη δημιουργία προϊόντων διάβρωσης στην επιφάνειά τους. Σήμερα τόσο στην Ελλάδα χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά χάλυβες Tempcore της κατηγορίας S00s (ΕΛΟΤ 97, 996). Ο Κανονισμός Τεχνολογίας Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος (K.T.X., 000) επισημαίνει ότι ο χάλυβας θα πρέπει να προστατεύεται από τη διάβρωση πριν από την ενσωμάτωσή του στο σκυρόδεμα, ενώ κατά την τοποθέτηση στην τελική θέση, ο χάλυβας θα πρέπει να είναι απαλλαγμένος από εμφανείς απολεπίσεις ή αλλοιώσεις, οι οποίες εκτός των άλλων επιταχύνουν το φαινόμενο της διάβρωσης. Αν και είναι γνωστό ότι η εκτεταμένη διάβρωση του οπλισμού σκυροδέματος συνοδεύεται κυρίως από αύξηση του όγκου του υλικού και από μείωση της διατομής του σιδηροπλισμού (Παπαδημητρίου, 000; Αποστολόπουλος και Κερμανίδης, 004), σε ερευνητικό επίπεδο η επίδραση της επιφανειακής διάβρωσης του οπλισμού στις ιδιότητες του σκυροδέματος είναι αμφιλεγόμενο ζήτημα. Περιορισμένος αριθμός μελετών, που πραγματοποιήθηκαν με χρήση προδιαβρωμένων οπλισμών στην ατμόσφαιρα, έδειξαν ότι η παρουσία λεπτού στρώματος προϊόντων διάβρωσης στην επιφάνεια του οπλισμού, είτε δρα ευεργετικά στη συνάφεια οπλισμού/σκυροδέματος, είτε δεν επηρεάζει αρνητικά τις ιδιότητες του οπλισμένου σκυροδέματος (Al-Tayyib και άλλοι, 990; Hanson και Sorensen, 990). Αντίθετα πρόσφατες μελέτες έδειξαν ότι ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006

2 το υψηλό πάχος του στρώματος των προϊόντων διάβρωσης στην επιφάνεια του οπλισμού, είναι δυνατόν να δημιουργήσει προβλήματα, τόσο στην συνάφεια μεταξύ οπλισμού και σκυροδέματος, όσο και στις μηχανικές ιδιότητες της κατασκευής (Novak και άλλοι, 00; Batis και άλλοι, 00). Η ατμοσφαιρική διάβρωση συγκολλημένων χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος δεν έχει μελετηθεί μέχρι σήμερα. Η ατμοσφαιρική διάβρωση του οπλισμού είναι σχετικά αργό φαινόμενο παρά το γεγονός ότι αντικατοπτρίζει άμεσα την πραγματικότητα. Καθώς η χημική σύσταση των ηλεκτροδίων συγκόλλησης και του χάλυβα Tempcore παρουσιάζουν διαφορές, είναι αναμενόμενο να δημιουργείται γαλβανικό ζεύγος. Το τελευταίο αποτελεί σοβαρό προβληματισμό κατά την εφαρμογή των συγκολλήσεων σε χάλυβες οπλισμού μιας και υπάρχει ο φόβος ότι επιταχύνεται η διάβρωση με αποτέλεσμα να μειώνεται η διατομή είτε του σιδηροπλισμού είτε της συγκόλλησης. Αφετέρου, η επιδεκτικότητα των υλικών σε διάβρωση με βελονισμούς, που αποτελεί και την συνηθέστερη μορφή διάβρωσης των κοινών χαλύβων δεν έχει μελετηθεί επαρκώς με αποτέλεσμα να υπάρχει σχετική ασάφεια στην επιδεκτικότητα των διαφόρων περιοχών συγκόλλησης στη διάβρωση. Η παρούσα εργασία, αποτελεί μέρος ενός ερευνητικού έργου, το οποίο έχει ως στόχο την διερεύνηση του σχηματισμού και την σύνθεση των προϊόντων διάβρωσης συγκολλημένων δοκιμίων οπλισμού σκυροδέματος, μετά την έκθεσή του στην ατμόσφαιρα, αλλά και την επίδραση των προϊόντων διάβρωσης στις ιδιότητες του οπλισμένου σκυροδέματος. Για το σκοπό αυτό συγκολλήθηκαν οπλισμοί Tempcore S00s διαμέτρου 4mm με δύο διαφορετικές τεχνικές συγκόλλησης. Εφαρμόστηκε η τεχνική SMAW χρησιμοποιώντας επικαλυμμένα ηλεκτρόδια, τύπου Ε-603 και Ε-90, όπως επίσης και η τεχνική GMAW-MAG (προστατευτική ατμόσφαιρα αερίου), χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια τύπου ER70S-6 (SG3). Εξετάσθηκε ο σχηματισμός των προϊόντων διάβρωσης σε συσχετισμό με την αρχική κατάσταση, προκειμένου να διαπιστωθεί ποια μέθοδος και τεχνική συγκόλλησης παρουσιάζει την μεγαλύτερη ανθεκτικότητα ως προς την έκθεση στις διαβρωτικές συνθήκες της ατμόσφαιρας. Εν συνεχεία, μελετήθηκε η επιδεκτικότητα των ηλεκτροδίων συγκόλλησης και των χαλύβων οπλισμού στην διάβρωση (πολική φόρτιση) και στην ανάπτυξη γαλβανικών ζευγών. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Κατά την πειραματική διαδικασία συγκολλήθηκαν δοκίμια σιδηροπλισμού χάλυβα Tempcore S00s. Η χημική σύσταση καθώς και τα μηχανικά χαρακτηριστικά των χαλύβων οπλισμού δίνονται στους Πίνακες και, αντίστοιχα. Πίνακας. Χημική Σύσταση Χαλύβων Σιδηροπλισμού Tempcore S00s (% κ.β) Διάμετρος Περιεκτικότητα Στοιχείων (% κ.β.) (mm) C Mn Si Ν Ni Cu Cr V S P Πίνακας : Χαρακτηριστικά Χαλύβων Σιδηροπλισμού Tempcore S00s Διάμετρος Μηχανικά Χαρακτηριστικά (mm) Όριο Διαρροής Re (MPa) Όριο Θραύσης Rm (MPa) ± ±. Για τις συγκολλήσεις με επικάλυψη (παράθεση) πραγματοποιήθηκε μήκος ραφής 0d (xd - όπου d η διάμετρος της ράβδου) ενώ ανάμεσα στα δύο πάσα διατηρήθηκε κενό cm (Εικόνα ). Οι συγκολλήσεις πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας δύο τεχνικές: την χειρωνακτική ηλεκτροσυγκόλληση τόξου με επικαλυμμένα ηλεκτρόδια (SMAW) και την ημιαυτόματη ηλεκτροσυγκόλληση τόξου, συνεχόμενου σύρματος και προστατευτικό μίγμα αερίου Ar-CO ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006

3 (GMAW-ΜΑG). Για την τεχνική SMAW χρησιμοποιήθηκαν δύο είδη επικαλυμμένων ηλεκτροδίων με διαφορετικές αντοχές, τύπου Ε603 και Ε90. Για την τεχνική GMAW χρησιμοποιήθηκε το ηλεκτρόδιο ER70S-6 (S-G3). Εικόνα : Συγκόλληση με επικάλυψη (παράθεση) ράβδων οπλισμού σκυροδέματος Η χημική σύσταση των ηλεκτροδίων που χρησιμοποιήθηκαν δίνεται στον Πίνακα 3. Πίνακας 3. Χημική Σύσταση Ηλεκτροδίων Τύπος Περιεκτικότητα Στοιχείων (% κ.β.) Ηλεκτροδίου C Si Mn Cr Ni Mo Ε Ε ER70S-6(SG3) Κατά την πειραματική διαδικασία παράχθηκε επαρκής αριθμός συγκολλημένων δοκιμίων, τα οποία χωρίστηκαν σε τρεις ομάδες ανάλογα με τον τύπο ηλεκτροδίου που χρησιμοποιήθηκε. Αρχικά, επαρκής αριθμός συγκολλημένων δοκιμίων τοποθετήθηκε στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον (περιοχή Αθήνας Πολυτεχνειούπολη Ζωγράφου) για τρεις και έξι μήνες. Τα διαβρωμένα δοκίμια, μετά την κοπή τους σε κάθετη τομή, εγκιβωτίσθηκαν σε πολυεστερική ρητίνη και στην συνέχεια λειάνθηκαν σε χαρτιά καρβιδίου του πυριτίου, ονομαστικής πυκνότητας κόκκων από 0 ως 000. Ακολούθησε το στάδιο της στίλβωσης, σε κατάλληλο ύφασμα με αδαμαντόπαστα 3 μm και στη συνέχεια χημική προσβολή, με στόχο την αποκάλυψη της μικροδομής. Η εξέλιξη της διάβρωσης μελετήθηκε με την βοήθεια Οπτικού Μικροσκοπίου (ΟΜ) και Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM). Η μελέτη του πάχους και η μορφολογία των προϊόντων διάβρωσης, σε συνάρτηση με την ηλικία έκθεσης στην ατμόσφαιρα, πραγματοποιήθηκε στις κάθετες τομές των εξεταζόμενων συγκολλημένων οπλισμών. Η ορυκτολογική σύσταση των προϊόντων διάβρωσης, αφού απομακρύνθηκαν από την επιφάνεια των συγκολλημένων οπλισμών με απόξεση, μελετήθηκε με εφαρμογή της μεθόδου της Περίθλασης Ακτίνων-Χ. Στην συνέχεια τα συγκολλημένα δοκίμια υποβλήθηκαν σε δοκιμή κυκλικής πόλωσης, με χρήση της διάταξης Tafel, με στόχο τη μελέτη της επιδεκτικότητας της συγκολλημένης περιοχής (των διαφόρων τύπων ηλεκτροδίων) στη διάβρωση με βελονισμούς. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στο γεγονός ότι μακριά από το δυναμικό διάβρωσης ισχύει ευθύγραμμη σχέση μεταξύ του δυναμικού και του λογαρίθμου της έντασης διάβρωσης. Δηλαδή οι θεωρητικές καμπύλες πόλωσης ταυτίζονται με τις μετρούμενες, οπότε με προέκτασή τους βρίσκεται η ένταση της διάβρωσης i corr. Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε πρότυπο κελί διάβρωσης με διάλυμα χλωριούχου νατρίου NaCl 0.0Μ, σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρόδιο μέτρησης χλωριούχου αργύρου και ηλεκτρόδιο αναφοράς από πλατίνα. Καθώς η χημική σύσταση ή/και η μικρογραφική δομή των μετάλλων είναι δυνατόν να διαφέρουν, τούτο έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργούνται γαλβανικά στοιχεία στις περιοχές των συγκολλήσεων. Μέτρο της επιδεκτικότητας σε διάβρωση λόγω δημιουργίας γαλβανικού στοιχείου αποτελεί το ηλεκτρικό δυναμικό που αναπτύσσεται. Για τον λόγο αυτό και βασιζόμενοι στα ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006 3

4 αποτελέσματα της ατμοσφαιρικής διάβρωσης και κυκλικής πόλωσης (Tafel) δημιουργήθηκαν γαλβανικά ζεύγη στα οποία μετρήθηκε το γαλβανικό δυναμικό. Τα ζεύγη περιλάμβαναν χάλυβα οπλισμού Tempcore στην αρχική του κατάσταση και ηλεκτρόδιο συγκόλλησης E90 ή ER70S- 6(SG3). Τα δοκίμια εμβαπτίστηκαν σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου NaCl 0.0M σε σταθερή θερμοκρασία 30 ο C για περίπου 0 ημέρες. Από τις δοκιμές καθορίσθηκε ποιο μέταλλο έχει την μεγαλύτερη επιδεκτικότητα σε διάβρωση με αποτέλεσμα να θυσιάζεται πρώτο και κατά συνέπεια να μειώνεται η διατομή του. Τέλος, τα διαβρωμένα συγκολλημένα δοκίμια σε ατμοσφαιρική διάβρωση υποβλήθηκαν σε δοκιμές εφελκυσμού, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο Μετάλλων Κ.Ε.Δ.Ε του Υ.ΠΕ.ΧΩ.Δ.Ε. Η ταχύτητα μετατόπισης της αρπάγης κατά την πειραματική διαδικασία ήταν mm/min. Ο αριθμός των δοκιμίων που ελέχθησαν ήταν τρία για κάθε κατηγορία. 3 ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Με βάση τη χημική σύσταση των χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος (Πίνακας ) και των ηλεκτροδίων συγκόλλησης (Πίνακας 3), είναι δυνατός ο εντοπισμός των διαφόρων στοιχείων που πιθανόν να επηρεάζουν τη συμπεριφορά των εξετασθέντων δοκιμίων χάλυβα, κατά την έκθεσή τους στην ατμόσφαιρα. Η παρουσία χαλκού στους χάλυβες οπλισμού (μεγαλύτερη του 0.%) αναμένεται να εξασφαλίσει σχετικά καλύτερη αντιδιαβρωτική συμπεριφορά. Θα πρέπει να επισημανθεί η παρουσία χρωμίου, νικελίου και μολυβδαινίου στην περίπτωση του ηλεκτροδίου Ε90. Τα στοιχεία αυτά, σε συνδυασμό με την χαμηλότερη περιεκτικότητα σε άνθρακα, αναμένεται να βελτιώσουν την αντιδιαβρωτική συμπεριφορά στην περιοχή της συγκόλλησης. Τέλος, η παρουσία μαγγανίου είναι δυνατόν να ενισχύσει τη δράση του χαλκού ως αντιδιαβρωτικού στοιχείου. 3. Ατμοσφαιρική διάβρωση - Μορφολογία και πάχος προϊόντων διάβρωσης Η μελέτη της αύξησης του στρώματος των προϊόντων διάβρωσης στην περιοχή της συγκόλλησης, κατά την παραμονή τους σε ατμοσφαιρικό περιβάλλον για 3 και 6 μήνες, πραγματοποιήθηκε τόσο μακροσκοπικά (Στερεοσκόπιο), όσο και σε κάθετες τομές με χρήση Οπτικού Μικροσκοπίου (ΟΜ) και Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM). Σημειώνεται ότι όλα τα δοκίμια υποβλήθηκαν σε ατμοσφαιρική διάβρωση χωρίς να έχουν υποστεί οποιαδήποτε επιφανειακή κατεργασία απομάκρυνσης των επιφανειακών οξειδίων τους που δημιουργούνται κατά την παραγωγή τους, δηλαδή βρίσκονται στην αρχική τους κατάσταση. Στην Εικόνα δίνονται, ενδεικτικά, οι μακροσκοπικές φωτογραφίες της επιφάνειας της ζώνης τήξης (Ζ.Τ.) του αρχικού συγκολλημένου δοκιμίου κατά παράθεση με την τεχνική SMAW, με ηλεκτρόδιο τύπου Ε90, όπως επίσης και οι αντίστοιχες μετά από έκθεση 3 και 6 μηνών στην ατμόσφαιρα. Στην Εικόνα 3 δίνονται σε κάθετη τομή οι αντίστοιχες φωτογραφίες από το Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης (SEM). Σε όλες τις περιπτώσεις, αρχικά ανιχνεύεται ένα λεπτό στρώμα οξειδίων συγκόλλησης. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 3α, στο αρχικό δοκίμιο, αμέσως μετά την συγκόλληση, ανιχνεύεται ένα λεπτό στρώμα οξειδίων στην επιφάνεια του μετάλλου συγκόλλησης. Το στρώμα των προϊόντων διάβρωσης αυξάνει ανάλογα με την ηλικία έκθεσης των δοκιμίων, ενώ ταυτόχρονα παρατηρείται απόσπαση και αποκόλληση αυτού, γεγονός το οποίο υποβοηθά στην περαιτέρω προσβολή του υγιούς μετάλλου από τις διαβρωτικές συνθήκες της ατμόσφαιρας. Το πάχος και το είδος των προϊόντων της διάβρωσης που σχηματίζονται εξαρτάται από την μέθοδο συγκόλλησης και από τη χημική σύσταση του ηλεκτροδίου που χρησιμοποιήθηκε. Το πάχος του, κατά μήκος της επιφάνειας, είναι σταθερό, ενώ το στρώμα παρουσιάζεται συνεκτικό και ομοιογενές. Μετά την έκθεση στην ατμόσφαιρα για 3 μήνες (Εικόνα 3β) παρατηρείται ότι το στρώμα των προϊόντων διάβρωσης παρουσιάζει μεγαλύτερο πάχος ενώ μέρος αυτού έχει αποκολληθεί και απομακρυνθεί. Στην επαφή του στρώματος με το υγιές μέταλλο φαίνεται ότι η ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006 4

5 διάβρωση έχει αρχίσει να εισχωρεί στο υγιές μέταλλο. Μετά το πέρας των 6 μηνών (Εικόνα 3γ), το στρώμα των προϊόντων διάβρωσης εισχωρεί σε μεγαλύτερο βάθος. α: Αρχικό Δοκίμιο β: Έκθεση για 3 μήνες γ: Έκθεση για 6 μήνες Εικόνα : Μακροσκοπική άποψη της ζώνης τήξης (Ζ.Τ.) συγκολλημένου δοκιμίου κατά παράθεση με την τεχνική SMAW και ηλεκτρόδιο συγκόλλησης E90 α) στην αρχική κατάσταση, β) μετά από έκθεση στην ατμόσφαιρα για 3 μήνες και γ) για 6 μήνες. α: Αρχικό Δοκίμιο β: Έκθεση για 3 μήνες γ: Έκθεση για 6 μήνες Εικόνα 3: Μικροσκοπική παρατήρηση (SEM) της επιφάνειας της ζώνης τήξης (Ζ.Τ.) σε κάθετη τομή, συγκολλημένου δοκιμίου κατά παράθεση με την τεχνική SMAW και ηλεκτρόδιο συγκόλλησης E90 α) στην αρχική κατάσταση, β) μετά από έκθεση στην ατμόσφαιρα για 3 μήνες και γ) για 6 μήνες. α: Αρχικό Δοκίμιο β: Έκθεση για 3 μήνες γ: Έκθεση για 6 μήνες Εικόνα 4: Μικροσκοπική παρατήρηση (SEM) της επιφάνειας της ζώνης τήξης (Ζ.Τ.) συγκολλημένου δοκιμίου κατά παράθεση με την τεχνική SMAW και ηλεκτρόδιο συγκόλλησης E90 α) στην αρχική κατάσταση, β) μετά από έκθεση στην ατμόσφαιρα για 3 μήνες και γ) για 6 μήνες. ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006

6 Στην Εικόνα 4 δίνονται οι μικρογραφίες στην επιφάνεια του αρχικού συγκολλημένου δοκιμίου κατά παράθεση με την τεχνική SMAW και ηλεκτρόδιο τύπου Ε-90, όπως επίσης και οι αντίστοιχες μετά από έκθεση 3 και 6 μηνών στην ατμόσφαιρα. Στις ηλικίες των τριών και έξι μηνών ανιχνεύονται προϊόντα διάβρωσης, κυρίως υδροξειδίων του σιδήρου, σε όλη την επιφάνεια των συγκολλημένων δοκιμίων. Θα πρέπει να επισημανθεί ότι το αρχικό πάχος οξειδίων στις ράβδους Tempcore είναι σχεδόν το διπλάσιο σε σχέση με το αυτό στις περιοχές συγκόλλησης. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώνεται και από την συγκριτική μελέτη του πάχους των προϊόντων διάβρωσης σε συνάρτηση με την ηλικία έκθεσης για όλες τις τεχνικές συγκόλλησης (Εικόνα ). Πάχος Επιφανειακών Προϊόντων Διάβρωσης (μm) Ε603 Ε90 ER70S-6 (SG-3) Tempcore Χρόνος (μήνες) Εικόνα : Πάχος προϊόντων διάβρωσης συγκολλημένων δοκιμίων κατά παράθεση με διάφορα ηλεκτρόδια συγκόλλησης και χάλυβα οπλισμού Tempcore 3. Ατμοσφαιρική διάβρωση Ορυκτολογική σύσταση προϊόντων διάβρωσης (XRD) Τα παραπάνω αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν και από την ορυκτολογική εξέταση των προϊόντων διάβρωσης με εφαρμογή της μεθόδου Περίθλασης Ακτίνων Χ. Στις Εικόνες -9 δίνονται τα συγκριτικά ακτινογραφήματα των αρχικών οξειδίων συγκόλλησης για τον χάλυβα οπλισμού Tempcore για τα ηλεκτρόδια συγκόλλησης Ε603, Ε90 και ER70S-6 (SG3), όπως επίσης και τα αντίστοιχα των προϊόντων διάβρωσης, μετά την παραμονή στην ατμόσφαιρα για 3 και 6 μήνες. Σε όλες τις περιπτώσεις, στην επιφάνεια των αρχικών δοκιμίων συγκόλλησης εντοπίστηκε στρώμα οξειδίων (οξείδιο συγκόλλησης), η σύσταση του οποίου εξαρτάται από την σύσταση του ηλεκτροδίου συγκόλλησης. Μετά την έκθεση στην ατμόσφαιρα παρατηρήθηκε ότι το στρώμα των οξειδίων μειώνονταν, ενώ ταυτόχρονα εντοπίστηκαν υδροξείδια του σιδήρου, όπως λεπιδοκροκίτης (FeO(OH)) και ακαγκανεϊτης (Fe 3+ (O,OH,Cl)), τα οποία προφανώς προέκυψαν από την μερική ενυδάτωση των αρχικών οξειδίων. Δεδομένου ότι η αντικατάσταση μεγαλύτερου μέρους των οξειδίων από υδροξείδια, με την πάροδο του χρόνου, υποδηλώνει και ταχύτερη εξέλιξη της διάβρωσης, την καλύτερη συμπεριφορά, ως προς την αντοχή στη διάβρωση, παρουσίασε η συγκόλληση με την τεχνική SMAW και ηλεκτρόδιο τύπου Ε-90, ενώ τη χειρότερη η συγκόλληση GMAW με ηλεκτρόδιο τύπου S-G3. ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006 6

7 Μαγνητίτης - FeO. FeO3. Σίδηρος - Fe 3. Αιματίτης - FeO3 4. Λεπιδοκροκίτης- FeO(OH). Ακαγανίτης- Fe+++(O,OH,Cl) 6. Υδρόξυ-οξείδιο σιδήρου- FeO(OH) 7. Βουστίτης - FeO ΕΝΤΑΣΗ (cps) Έκθεση: 6 Mήνες Έκθεση: 3 Mήνες , Αρχικό Οξείδιο θ Εικόνα 6: Προϊόντα διάβρωσης ράβδων οπλισμού Tempcore Fe TiO / Fe 3 Ti 3 O 0. TiO (Anatase) 3. TiO (Rutile) 4. Fe. Fe 3 O 4 6. FeOOH - Lepidocrokite 0 ΕΝΤΑΣΗ (cps) Έκθεση: 6 Μήνες Έκθεση: 3 Μήνες 00, 0 Αρχικό Οξείδιο Συγκόλλησης Εικόνα 7: Προϊόντα διάβρωσης συγκόλλησης με ηλεκτρόδιο E603 (τεχνική SMAW) θ ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006 7

8 00 0. FeSi. FeSiO 3 3. Fe - Iron 4. MnO. Fe O 3 - Hematite 6. FeO - Wustite 7. Fe 3 O 4 - Magnetite. FeO(OH) - Lepidocrokite 9. Fe(O,OH,Cl) - Akaganeite ΕΝΤΑΣΗ (cps) 00 9 Έκθεση: 6 Μήνες Έκθεση: 3 Μήνες Aρχικό Οξείδιο Συγκόλλησης, θ Εικόνα : Προϊόντα διάβρωσης συγκόλλησης με ηλεκτρόδιο E90 (τεχνική SMAW) Fe3O4. Fe 3. FeSiO3 4. MnO. FeO3 6. FeO 7. FeOOH - Akaganeite. FeOOH - Lepidocrokite 9. FeOOH - Goethite ΕΝΤΑΣΗ (cps) 0 9 Έκθεση: 6 Μήνες 7 00 Έκθεση: 3 μήνες 0 4,4 Αρχικό Οξείδιο Συγκόλλησης θ Εικόνα 9: Προϊόντα διάβρωσης συγκόλλησης με ηλεκτρόδιο ER70S-6 (τεχνική GMAW) ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006

9 3.3 Κυκλική Πόλωση (Tafel) Στην Εικόνα 0 δίνεται το διάγραμμα που προέκυψε από την εφαρμογή της μεθόδου κυκλικής πόλωσης, με χρήση της διάταξης Tafel, του συγκολλημένου δοκιμίου με την τεχνική SMAW και ηλεκτρόδιο Ε90, με την τεχνική GMAW και ηλεκτρόδιο ER70S-6 (SG3) και του χάλυβα Tempcore στην εξωτερική θερμικά κατεργασμένη επιφάνεια του. Σε όλες τις περιπτώσεις ο βρόχος υστέρησης που σχηματίζεται είναι θετικός και συνεπώς, τα δοκίμια έχουν την τάση να διαβρωθούν (δεν παθητικοποιούνται) λόγω του ότι το δυναμικό του πρώτου κλάδου της καμπύλης βρίσκεται σε υψηλότερα επίπεδα από το δυναμικό του δεύτερου. Αναλυτικότερα, από τον πρώτο κλάδο της καμπύλης διαπιστώνεται ότι το δυναμικό αυξάνεται σχεδόν γραμμικά υποδεικνύοντας τάση για διάβρωση χωρίς να παρουσιάζει τάση παθητικοποίησης. Λίγο πριν το δυναμικό φθάσει την μέγιστη τιμή του, η ένταση του ρεύματος τείνει να σταθεροποιηθεί, υποδεικνύοντας τάση παθητικοποίησης. Όμως, επειδή ο βρόχος υστέρησης είναι θετικός η διαδικασία παθητικοποίησης αναστέλλεται. Το γεγονός αυτό επιβεβαιώθηκε και από την μελέτη των αντίστοιχων διαβρωμένων δοκιμίων στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. 00 Tempcore (Επιφάνεια) ER 70S-6 (SG3) E90 Δυναμικό E (mv) mv -9mV -67mV -00-7,0-6,0 -,0-4,0-3,0 -,0 Ένταση Ρεύματος (log(a)) Εικόνα 0: Διαγράμματα κυκλικής πόλωσης (Tafel) ηλεκτροδίων συγκόλλησης και της επιφάνειας των ράβδων Tempcore Θα πρέπει να επισημανθεί ότι, από την συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των δοκιμών κυκλικής πόλωσης την καλύτερη συμπεριφορά ως προς την αντοχή στη διάβρωση επέδειξε η επιφάνεια των χαλύβων Tempcore, ακολουθούμενη από το ηλεκτρόδιο Ε90 (SMAW), ενώ τη χειρότερη τα ηλεκτρόδια ER70S-6 (GMAW) και Ε603 (SMAW). Το διάγραμμα που προκύπτει για το ηλεκτρόδιο Ε603 (SMAW) προσεγγίζει αυτό του ηλεκτροδίου ER70S-6 (SG3) και για τον λόγο αυτό δεν συμπεριλαμβάνεται στην Εικόνα3. Παρόλ αυτά, σημειώνεται ότι τα προϊόντα διάβρωσης που σχηματίζονται στην επιφάνεια των χαλύβων Tempcore, εμφανίζουν καλύτερη συμπεριφορά από το ηλεκτρόδιο ER70S-6 (GMAW) αλλά χειρότερη από το ηλεκτρόδιο Ε90 (SMAW). ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006 9

10 3.4 Διάβρωση γαλβανικού ζεύγους Ένας γενικός κανόνας κατά την συγκόλληση των μετάλλων είναι ότι, το μέταλλο συγκόλλησης πρέπει να έχει παραπλήσια χημική σύσταση και μηχανικές ιδιότητες με αυτές του μετάλλου που πρόκειται να συγκολληθεί. Παρόλ αυτά, οι χάλυβες Tempcore χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα υψηλή αντοχή σε σχέση με την χημική τους σύσταση, γεγονός που οφείλεται στην θερμική τους κατεργασία. Αφετέρου, προκειμένου να διατηρηθεί καλή συγκολλησιμότητα στα ηλεκτρόδια συγκόλλησης, η περιεκτικότητα σε άνθρακα διατηρείται σε ιδιαίτερα χαμηλά επίπεδα, ενώ πραγματοποιούνται άλλες προσθήκες κραματικών στοιχείων με στόχο την επίτευξη υψηλής αντοχής. Καθώς η χημική σύσταση των ηλεκτροδίων συγκόλλησης και του χάλυβα Tempcore παρουσιάζουν διαφορές, είναι αναμενόμενο να δημιουργείται γαλβανικό ζεύγος. Το τελευταίο αποτελεί σοβαρό προβληματισμό κατά την εφαρμογή των συγκολλήσεων σε χάλυβες οπλισμού μιας και υπάρχει ο φόβος ότι επιταχύνεται η διάβρωση με αποτέλεσμα να μειώνεται η διατομή είτε του σιδηροπλισμού είτε της συγκόλλησης. Στην Εικ., παρουσιάζεται η εξέλιξη του γαλβανικού δυναμικού που αναπτύσσεται αυθόρμητα κατά την εμβάπτιση σε διάλυμα NaCl (0.0M). Στο γαλβανικό ζεύγος χάλυβας Tempcore (-, άνοδος) και ηλεκτρόδιο συγκόλλησης ER70S-6 (+, κάθοδος), μετρήθηκε θετικό δυναμικό, δηλαδή η πολικότητα σύνδεσης (συμβατική) συμφωνεί με την πραγματική, γεγονός που υποδηλώνει ότι το ηλεκτρόδιο συγκόλλησης θυσιάζεται εις βάρος της ράβδου. Αντίθετα, στο γαλβανικό ζεύγος χάλυβας Tempcore (-, άνοδος) και ηλεκτρόδιο συγκόλλησης Ε90 (+, κάθοδος), μετρήθηκε αρχικά θετικό δυναμικό το οποίο όμως αρκετά σύντομα μετατράπηκε σε αρνητικό. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι ενώ αρχικά ξεκίνησε διαλυτοποίηση του ηλεκτροδίου Ε90, στην συνέχεια εξελίχθηκε σε διάλυση του χάλυβα της ράβδου. Δυναμικό Γαλβανικού Ζέυγους (mv) (-) Tempcore, (+) ER70S-6 (SG3), 3,6mV 0 0 (-) Tempcore, (+) E90, -,6mV -0 Χρόνος (Ημέρες) Εικόνα : Εξέλιξη γαλβανικού δυναμικού μεταξύ ράβδου Tempcore και ηλεκτροδίων συγκόλλησης (Ε90, ER70S-6) σε διάλυμα NaCl 0.0M. Ένα σημαντικό συμπέρασμα που προκύπτει από τα παραπάνω είναι ότι πέραν της αντοχής του ηλεκτροδίου που αποτελεί και την πρωταρχική απαίτηση κατά την επιλογή του, είναι κρίσιμη η σχετική αντοχή του σε διάβρωση σε σχέση με τους χάλυβες οπλισμού που πρόκειται να ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006 0

11 συγκολληθούν. Προκύπτει ότι είναι αναγκαίο να διερευνηθεί σε περισσότερο βάθος η διάβρωση των συγκολλήσεων και να εξετασθεί σε ποιο βαθμό τα προβλήματα που εμφανίζονται επηρεάζουν στην χρονική διάρκεια που εξετάζονται την ασφάλεια των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα. Βέβαια τα φαινόμενα διάβρωσης είναι ιδιαίτερα πολύπλοκα στην πράξη με αποτέλεσμα να είναι πολύ δύσκολο έως αδύνατο να προσομοιαστούν με πειραματικές διατάξεις. 3. Μηχανικά Χαρακτηριστικά Συγκολλήσεων Στon Πίνακα 4 δίνονται τα αποτελέσματα των δοκιμών εφελκυσμού, στα συγκολλημένα δοκίμια κατά παράθεση, σε συνάρτηση με το χρόνο παραμονής στο διαβρωτικό περιβάλλον της ατμόσφαιρας, για τις συγκολλήσεις με την τεχνική SMAW χρησιμοποιώντας επικαλυμμένα ηλεκτρόδια, τύπου Ε-603 και Ε-90, όπως επίσης και για την τεχνική GMAW (προστατευτική ατμόσφαιρα αερίου), χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια τύπου ER70S-6 (SG-3). Πίνακας 4. Μηχανικά χαρακτηριστικά συγκολλημένων δοκιμίων κατά παράθεση στην αρχική τους κατάσταση και μετά από έκθεση τους στην ατμόσφαιρα για 3 και 6 μήνες Χρόνος Έκθεσης (Μήνες) Τύπος Ηλεκτροδίου Όριο Αναλογίας (Ra) (ΜPa) Όριο Διαρροής (Re) (MPa) Όριο Θραύσης (Rm) (MPa) ± ± ±.9 3 Ε ± ± ± ± ± ± ±.9 9. ± ± 3. 3 Ε ± ± ± ± ± ± ± ± ± 3. ER70S ± ± ± 6.0 (SG3) 6. ± ± ±.0 Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων των δοκιμίων που συγκολλήθηκαν κατά παράθεση, διαπιστώνεται ότι σε όλες τις περιπτώσεις, στα αρχικά δοκίμια, η τιμή του ορίου θραύσεως ήταν μεγαλύτερη από τα όρια που ορίζονται από το πρότυπο (Όριο Διαρροής:>00 MPa, Όριο Θραύσης>0 MPa) (ΕΛΟΤ 97, 996), γεγονός το οποίο υποδεικνύει την επιτυχή συγκόλληση των εξετασθέντων δοκιμίων. Όσον αφορά τα δοκίμια που εκτέθηκαν για τρεις και έξι μήνες στην ατμόσφαιρα δεν διαπιστώθηκε σημαντική διαφοροποίηση στις τιμές των μηχανικών ιδιοτήτων, οι οποίες ήταν εντός των ορίων που ορίζει το πρότυπο. Οι τιμές του ορίου διαρροής και θραύσης είναι παραπλήσιες με τις αντίστοιχες των αρχικών δοκιμίων, ενώ κάποιες διαφοροποιήσεις θα πρέπει να αποδοθούν σε σφάλματα κατά την διαδικασία συγκόλλησης. Αντίστοιχα, αποτελέσματα προέκυψαν και για τις μετωπικές συγκολλήσεις. Συνεπώς, γίνεται αντιληπτό ότι το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής διάβρωσης, για χρονικό διάστημα μέχρι και 6 μήνες, δεν επιφέρει ανιχνεύσιμεςμετρήσιμες μεταβολές στις μηχανικές ιδιότητες των συγκολλημένων δοκιμίων. 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Από τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών προέκυψαν τα ακόλουθα συμπεράσματα: Σε όλα τα ηλεκτρόδια συγκόλλησης μετά την έκθεση τους στην ατμόσφαιρα για χρονικό διάστημα μέχρι και 6 μήνες, εντοπίστηκαν υδροξείδια του σιδήρου, όπως λεπιδοκροκίτης - ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006

12 FeO(OH) και ακαγκανεϊτης Fe 3+ (O,OH,Cl), τα οποία προφανώς προέκυψαν από την μερική ενυδάτωση των αρχικών οξειδίων που σχηματίζονται αμέσως μετά το πέρας της συγκόλλησης. Από τα τρία ηλεκτρόδια που εξετάστηκαν τη μεγαλύτερη αντοχή στην ατμοσφαιρική διάβρωση επέδειξε το ηλεκτρόδιο Ε90, γεγονός το οποίο αποδόθηκε στην παρουσία Cr, Ni και Mn στη χημική του σύσταση. Αντίθετα, η χαμηλή περιεκτικότητα σε Mn, σε συνδυασμό με το αυξημένο ποσοστό του C που παρατηρείται στην περίπτωση του ηλεκτροδίου Ε603 έχει ως αποτέλεσμα την μειωμένη αντοχή του στην ατμοσφαιρική διάβρωση. Η δημιουργία γαλβανικών ζευγών στις συγκολλήσεις απέδειξε ότι ανάλογα με την χημική σύσταση των ηλεκτροδίων συγκόλλησης και των χαλύβων οπλισμού, είναι δυνατόν άλλοτε να διαβρώνεται η ράβδος και άλλοτε η περιοχή της συγκόλλησης. Το φαινόμενο της ατμοσφαιρικής διάβρωσης, για χρονικό διάστημα μέχρι και 6 μήνες, δεν επιφέρει ανιχνεύσιμες-μετρήσιμες μεταβολές στις μηχανικές ιδιότητες των συγκολλημένων δοκιμίων. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Al-Tayyib, A.J., Khan, M.S., Allam, I.M., Al-Mana, A.I., 990. Corrosion behavior of pre-rusted bars after placement in concrete, Cement and Concrete Research, 0(6): Αποστολόπουλος X., Κερμανίδης A., 004. Επίδραση της διάβρωσης στις ιδιότητες εφελκυσμού και κόπωσης χαλύβων Tempcore, ο Πανελληνίου Συνεδρίου Μεταλλικών Υλικών, Αθήνα: ΕΜΠ. Batis, G., Rakant, E., Kitinos, E., 00. Study of the corrosion products influence on the concrete steel coherence. Eighth Euroseminar on Microscopy Applied to Buildings Materials, Athens: University of Athens. ΕΛΟΤ 99, 994. Χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος, Β Έκδοση. ΕΛΟΤ 97, 996, Συγκολλήσιμοι χάλυβες οπλισμού σκυροδέματος, Β Αναθεώρηση. Hanson, C.M., Sorensen, B., 990. Threshold concentration of chloride in concrete for the initiation of reinforcement corrosion. In: Corrosion rates of steel in concrete, ASTM STP 06. Philadelphia: American Society for Testing and Materials. Κ.Τ.Χ., 000. Κανονισμός Τεχνολογίας Χαλύβων Οπλισμού Σκυροδέματος, ΦΕΚ 3/Β/ Novak P., Mala R., Joska L., 00. Influence of pre-rusting on steel corrosion in concrete, Cement and Concrete Research, 3(4): Παπαδημητρίου Γ.Δ., 000. Φυσική Μεταλλουργία Σιδήρου και Χάλυβα, Αθήνα: E.Μ.Π. ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, -7 Οκτωβρίου, 006