Ανάπτυξη και σχεδιασµός µιας νέας, γρήγορης και µη καταστρεπτικής µεθόδου για τον έλεγχο της ποιότητας των επικαλύψεων στο σκυρόδεµα

Transcript

1 Ανάπτυξη και σχεδιασµός µιας νέας, γρήγορης και µη καταστρεπτικής µεθόδου για τον έλεγχο της ποιότητας των επικαλύψεων στο σκυρόδεµα Σ. Συροπούλου Πολιτικός Μηχανικός,Φοιτήτρια ιδακτορικού, Imperial College, Λονδίνο N. R. Buenfeld Καθ. σε κατασκεύες από Σκυρόδεµα στο τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, Imperial College, Λονδίνο Λέξεις κλειδιά:εµπέδηση εναλλασσόµενου ρεύµατος, επικαλύψεις, ηλεκτρική αντίσταση, µη καταστρεπτική µέθοδος ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Η ηλεκτρική αντίσταση µιας επικάλυψης είναι ένδειξη του προστατευτικού της ρόλου, ειδικά της αντίστασής της στη διάχυση των ιόντων. Οι µετρήσεις βασιζόµενες στην εµπέδηση εναλλασσόµενου ρεύµατος είναι ταχείς, µη καταστροφικές και προηγούµενες εργαστηριακές µετρήσεις χρησιµοποιώντας µια απλή γεωµετρία πειραµατικής διάταξης έδειξε ότι µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να ξεχωρίσει την ηλεκτρική αντίσταση της επικάλυψης από αυτήν του σκυροδέµατος, χωρίς να χρειαστεί να αποκολληθούν τα δύο υλικά. Το γεγονός αυτό δηµιουργεί τις βάσεις για την ανάπτυξη µιας επί τόπου µεθόδου για τον χαρακτηρισµό των επικαλύψεων στο σκυρόδεµα. Αυτή η εργασία αναφέρεται σε µετρήσεις εµπέδησης εναλλασσόµενου ρεύµατος πάνω σε επικαλυπτόµενα δείγµατα από σκυρόδεµα χρησιµοποιώντας µια πειραµατική διάταξη, η οποία µπορεί να χρησιµοποιηθεί για επί τόπου µετρήσεις. Τρεις διαφορετικές επικαλύψεις ερευνήθηκαν ένα σιλάνιο, µια πολυουρεθανική και µια εποξική επικάλυψη. Η δυνατότητα αυτής της µεθόδου να παρέχει δύο διαφορετικές ενδείξεις για το σκυρόδεµα και την επικάλυψη παρουσιάζεται. Επίσης, παρουσιάζονται αποτελέσµατα µετρήσεων για το πάχος της επικάλυψης, τη διάρκεια της µέτρησης και το ποσοστό υγρασίας των δειγµάτων. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι επικαλύψεις εφαρµόζονται όλο και περισσότερο σε κατασκευές από σκυρόδεµα, δηµιουργώντας ένα φράγµα µεταξύ του σκυροδέµατος και του εξωτερικού περιβάλλοντος, το οποίο περιέχει βλαβερά για το σκυρόδεµα στοιχεία, όπως χλωρίδια, σουλφίδια και διοξείδιο του άνθρακα. Οι πειραµατικές µέθοδοι για τον έλεγχο των επικαλύψεων είναι απροσδόκητα περιορισµένες. Μόνο ένας µικρός αριθµός από εργαστηριακές πειραµατικές µεθόδους (CIRIA 1987 & 1993, Basheer 1997) χρησιµοποιείται σήµερα για τον έλεγχο των επικαλύψεων σε δείγµατα από σκυρόδεµα, οι οποίες όµως έχουν αναπτυχθεί για απλό σκυρόδεµα. Σε πολλές περιπτώσεις, τα πειράµατα αυτά πραγµατοποιούνται σε δοκίµια που λαµβάνονται από τις διάφορες κατασκευές. Είναι εµφανής, λοιπόν, η έλλειψη µη καταστρεπτικών πειραµατικών µεθόδων για επικαλύψεις στο σκυρόδεµα που να µπορούν να πραγµατοποιηθούν επί τόπου (SHRP 1992, Whiting 1984, Basheer 1993, 2000, 2001). Η ανάπτυξη και ο σχεδιασµός µιας τέτοιας µεθόδου, είναι το αντικείµενο αυτής της εργασίας. 1

2 Ιδανικά µία µη καταστρεπτική µέθοδος θα πρέπει να µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τα εξής: εκτίµηση της εφαρµογής της επικάλυψης (πάχος, ποιότητα, κτλ.) επαναληπτικότητα των αποτελεσµάτων µετρήσεις για την εκτίµηση της παρούσας κατάστασης των επικαλύψεων καθώς και της µείωσης της αποτελεσµατικότητας τους µε τη συνεχή εκθεσή τους στο περιβάλλον Πειραµατικές µέθοδοι για την απορρόφηση νερού (όπως οι µέθοδοι ISAT BS 1996 & CLAM- Basheer 1993) έχουν χρησιµοποιηθεί εργαστηριακά σε επικαλύψεις στο σκυρόδεµα, αλλά παρουσιάζουν µεγάλη ευαισθησία στην περιεκτικότητα σε υγρασία του δείγµατος την στιγµή της µέτρησης, παράγοντας που εξαρτάται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Η πιο κοντινή µέθοδος σε αυτήν που παρουσιάζεται σε αυτήν την εργασία αναπτύχθηκε στις Ηνωµένες Πολιτείες (USA SHRP 1992). Βασίζεται στη µέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης των σφραγίσεων. ύο λωρίδες από αγώγιµη βαφή απλώνονται στην επιφάνεια του σκυροδέµατος και αφού τις στεγνώσει ο ερευνητής, βρέχει την περιοχή ανάµεσα τους και µετρά την αύξηση της ηλεκτρικής αντίστασης καθώς η επιφάνεια στεγνώνει. Τα µειονεκτήµατα της µεθόδου είναι πως µπορεί να χρησιµοποιηθεί µόνο για σφραγίσεις και όχι για διαποτισµούς και επικαλύψεις (SHRP 1992). Το σηµαντικότερο, όµως, είναι πως καµία από τις υπάρχουσες µεθόδους δεν δίνει τη δυνατότητα να ξεχωρίσει κανείς τις προστατευτικές ιδιότητες της επικάλυψης από αυτήν του σκυροδέµατος. Αυτή είναι µια µεγάλη αδυναµία των µεθόδων αυτών, αφού αποκλείουν την χρήση τους για τις περισσότερες από τις προαναφερθείσες λειτουργίες που θα έπρεπε να µπορούν να πραγµατοποιήσουν. O καθηγητής Buenfeld έχει αναπτύξει µια εργαστηριακή πειραµατική µέθοδο για τον έλεγχο της αντίστασης διάφορων επικαλύψεων στη διάχυση των χλωριδίων στο σκυρόδεµα. Η µέθοδος αυτή βασίζεται στη µέτρηση της εµπέδησης εναλλασσόµενου ρεύµατος συναρτήσει της συχνότητας, σε δείγµατα που έχουν επικαλυφθεί και έχουν τοποθετηθεί σε ένα κελί διάχυσης (Buenfeld 1998). Βρέθηκε ότι το φάσµα της εµπέδησης χωρίζεται σε δύο επιµέρους φάσµατα, πολύ υψηλών και µετρίων συχνοτήτων, που αντιπροσωπεύουν την εµπέδηση του σκυροδέµατος και της επικάλυψης αντίστοιχα (Zhang 1997). Επίσης βρέθηκε ότι µια επικαλυπτόµενη επιφάνεια από σκυρόδεµα αντιστοιχεί σ ένα ηλεκτρικό κύκλωµα, το οποίο αποτελείται από Ζarc-Cole στοιχεία, γνωστά στο χώρο του ηλεκτρισµού. Με αυτόν τον τρόπο, οι διηλεκτρικές και όχι µόνο ιδιότητες των υλικών που εξετάζονται, µπορούν να αναλυθούν. Από όσες διηλεκτρικές ιδιότητες εξετάστηκαν, η ηλεκτρική αντίσταση έδειξε τα πιο ενδιαφέροντα αποτελέσµατα και ο συσχετισµός της µε την αντίσταση των επικαλύψεων στην είσοδο χλωριδίων στο σκυρόδεµα, όπως µετρήθηκε από το κελί διάχυσης, ήταν πολύ ικανοποιητική (Buenfeld 1998, Zhang). Αυτό ήταν αναµενόµενο, αφού η αγωγιµότητα µιας επικαλυπτόµενης επιφάνειας από σκυρόδεµα γίνεται µέσω ιόντων και όχι ηλεκτρονίων, όπως συµβαίνει µε τον συµβατικό ηλεκτρισµό, και πιο συγκεκριµένα µέσω του υδατικού διαλύµατος των πόρων του σκυροδέµατος. Βέβαια, σε πολλές περιπτώσεις, απλούστερες µέθοδοι µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την µέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης κάποιου υλικού, αλλά µε τη µέθοδο της εµπέδησης εναλλασσόµενου ρεύµατος µπορεί κανείς να µετρήσει ξεχωριστά τις ιδιότητες των δύο υλικών, χωρίς να χρειαστεί να αποσπαστεί το ένα υλικό από το άλλο. Αυτή η εργασία παρουσιάζει την εµπέδηση εναλλασσόµενου ρεύµατος σαν µία τεχνική που µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τον χαρακτηρισµό των επικαλύψεων στο σκυρόδεµα και δίνει επιλεγµένα αποτελέσµατα από την έρευνα που πραγµατοποιείται για την ανάπτυξη και τον σχεδιασµό αυτής της τεχνικής σε µία επί τόπου, µη καταστρεπτική µέθοδο. 2

3 2 ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΕΜΠΕ ΗΣΗΣ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΟΥ ΡΕΥΜΑΤΟΣ 2.1 Εµπέδηση Mε τον όρο εµπέδηση ορίζουµε τη σύνθετη αντίσταση που προβάλλει ένα κύκλωµα εναλλασσόµενου ρεύµατος το οποίο δεν αποτελείται µόνο από ωµική αντίσταση, αλλά και από πηνίο ή/και πυκνωτή ή συνδυασµούς αυτών. Η εµπέδηση είναι συνάρτηση της συχνότητας και ισούται µε το πηλίκο της τάσης δια την ένταση, δηλαδή: Z (ω) = v (ω) / i (ω) (1) v (ω) = V m sin (ωt) (2) i (ω) = I m sin (ωt + θ) (3) όπου V m και I m είναι το πλάτος της τάσης και της έντασης αντίστοιχα,θ είναι η διαφορά φάσης των δύο µεγεθών και ω η κυκλική συχνότητα. ω = 2πf (f in Hertz) (4) 2.2 Γραφική απεικόνιση εµπέδησης Η εµπέδηση εκφράζεται ως µιγαδικός αριθµός: Z (ω) = Z + jz (5) Αυτοί οι αριθµοί µπορούν να αναπαρασταθούν σε ένα σύστηµα ορθογώνιων αξόνων. Συµβατικά, ο Z αναγράφεται στον οριζόντιο άξονα και ο Z στον κάθετο άξονα. Από τα µαθηµατικά, ο Ζ ονοµάζεται πραγµατικός αριθµός και ο Ζ φανταστικός (j -1). Η απεικόνιση των µετρήσεων εµπέδησης σε ένα φάσµα συχνοτήτων, παράγουν ένα διάγραµµα που αποτελείται από πολλά σηµεία τα οποία σχηµατίζουν ένα ηµικυκλικό γράφηµα (γραφική αναπαράσταση Nyquist) στην περίπτωση µετρήσεων που αφορούν ένα κύκλωµα, το οποίο αποτελείται από αντίσταση και πυκνωτή παράλληλα (Σχ. 1). Η διάµετρος του ηµικυκλίου ισούται αριθµητικά µε την τιµή της αντίστασης, ενώ η απόσταση του πρώτου σηµείου του ηµικυκλίου από την αρχή των αξόνων ισούται µε την τιµή της αντίστασης σε σειρά. Η τιµή του πυκνωτή µπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση: C p = ω T / R p (6) 3

4 όπου ω T είναι η συχνότητα στο υψηλότερο σηµείο του ηµικυκλίου όπως φαίνεται στο Σχήµα. 1. Rs Rp Cp ωτ ωτ Z'' (Ohms) Rs Rp Z' (Ohms) Σχήµα. 1. Γραφική αναπαράσταση Nyquist για κύκλωµα µε αντίσταση και πυκνωτή παράλληλα 3 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΘΟ ΟΣ 3.1 είγµατα Οι µετρήσεις έγιναν σε δείγµατα χωρίς οπλισµό διαστάσεων 0.4 x 0.4 x 0.15 m, δίνοντας στους ερευνητές µια επιφάνεια 0.16m 2 για την πραγµατοποίησή τους. Το σκυρόδεµα παράχθηκε από κανονικό τσιµέντο Πόρτλαντ, µε w/c=0.45, άµµο, 20mm και 10mm, σε αναλογία µε το τσιµέντο 2.33:1.14:1.66:1. Τα δείγµατα συντηρήθηκαν για τουλάχιστον 28 ηµέρες. Παρέµειναν καλυµµένα µε βρεγµένη λινάτσα και πλαστικά καλύµµατα για να κρατηθεί το περιβάλλον σε 100% σχετική υγρασία. Μεγάλες τρύπες στην επιφάνεια των δειγµάτων τις κλείσαµε µε κονίαµα. 3.2 Επικαλύψεις Τρεις διαφορετικές επικαλύψεις ελέγχθηκαν: ένα σιλάνιο µία εποξική επικάλυψη (εποξική ρητίνη) και µία πολυουρεθανική επικάλυψη Τα δείγµατα επικαλύφθηκαν σε οριζόντια θέση για να εξασφαλιστεί η µέγιστη δυνατή απορρόφηση του υλικού. Όλες οι επικαλύψεις απλώθηκαν σε δύο δόσεις, όπως ακριβώς προβλεπόταν από τους κατασκευαστές αυτών των υλικών. Επίσης, οι πλαϊνές όψεις των δειγµάτων καλύφθηκαν µε εποξική ρητίνη για να αποφευχθεί η εξάτµιση υγρασίας από το σκυρόδεµα. Οι επικαλύψεις αφέθηκαν να στεγνώσουν για τουλάχιστον 14 ηµέρες. 4

5 3.3 Πειραµατική διάταξη Για την ανάπτυξη και τον σχεδιασµό µιας επί τόπου πειραµατικής µεθόδου βασισµένη στη µέτρηση της εµπέδησης (όπου δύο σηµεία επαφής χρειάζονται για την εφαρµογή τάσης εναλλασσόµενου ρεύµατος) δύο πειραµατικές διατάξεις ερευνήθηκαν; µία άµεση όπου συνδέονταν ηλεκτρικά ένα cell στην επιφάνεια του δείγµατος µε τον οπλισµό και µία έµµεση. Στην άµεση πειραµατική διάταξη η αγώγιµη διαδροµή είναι κατά µήκος του δείγµατος από την επιφάνεια ως τον οπλισµό, και ένα µόνο cell χρησιµοποιείται για τη µέτρηση της αντίστασης µεταξύ του cell και του εγκιβωτισµένου οπλισµού, αλλά προβάλλει τον περιορισµό να υπάρχει εκτεθειµένος οπλισµός που δεν είναι επιθυµητό. Η έµµεση διάταξη αναφέρεται σε µετρήσεις µεταξύ δύο cells στην επιφάνεια του δείγµατος σε κάποια απόσταση µεταξύ τους (10cm). Aυτή η προσέγγιση είναι πιο βολική για επί τόπου µετρήσεις αλλά η αγώγιµη διαδροµή είναι λιγότερο ακριβώς καθορισµένη. Σε αυτήν την εργασία παρουσιάζονται αποτελέσµατα που λήφθηκαν µόνο µε την έµµεση πειραµατική διάταξη. Η εµπέδηση µετρήθηκε µεταξύ δύο cells, που περιέχουν ηλεκτρόδια από γραφίτη, µε την εφαρµογή εναλλασσόµενης τάσης (Εικ. 1 & 2). Τα cells παράχθηκαν από πλεξιγκλάς µε στεγανωτικό παρέµβυσµα από συνθετικό καουτσούκ. Για να επιτευχθεί καλή αγωγιµότητα µεταξύ των ηλεκτροδίων και της επιφάνειας του δείγµατος, κορεσµένο διάλυµα Ca(OH) 2 χρησιµοποιήθηκε µέσα στα cells σαν ηλεκτρολύτης. Τα cells συσφίγγονταν πάνω στο δείγµα για να αποφευχθεί διαρροή του διαλύµατος κατά τη διάρκεια της µέτρησης και συνδέονταν µε τον αναλυτή (µηχάνηµα) µε καλώδια πολύ χαµηλής εµπέδησης (Εικ. 1 & 2). Το µηχάνηµα που χρησιµοποιήθηκε για τις µετρήσεις είναι ο Schlumberger 1260 αναλυτής εµπέδησης. Οι µετρήσεις που περιλαµβάνονται σε αυτό το σύγγραµµα είναι για συχνότητες από 20MHz έως 0.1Ηz. Κάθε ολοκληρωµένη µέτρηση διαρκούσε 7 λεπτά. είγµα από σκυρόδεµα Cell από πλεξιγκλάς (100mm x 40mm) που περιέχει ηλεκτρόδιο από γραφίτη βυθισµένο σε κορεσµένο διάλυµα Ca(OH) 2 Σωλήνας συνδεδεµένος µε σύριγγα για την αφαίρεση του διαλύµατος Αναλυτής Καλώδια χαµηλής εµπέδησης εµπέδησης Εικόνα.1. Τα cells πάνω στο δείγµα 5

6 Eικόνα 2. Πειραµατική διάταξη 4 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1 Ερµηνεία σχεδίων Nyquist To Σχήµα 2 δείχνει τη γραφική αναπαράσταση Νyquist της εποξικής επικάλυψης µετά από 24 ώρες συνεχούς επαφής των cells και του διαλύµατος µε την επιφάνεια του δείγµατος. Ένα ξεκάθαρο ηµικυκλικό φάσµα φαίνεται στο Σχήµα 2, το οποίο αντιπροσωπεύει την εµπέδηση της επικάλυψης. Η διάµετρος του ηµικυκλίου είναι αριθµητικά ίση µε την τιµή της ηλεκτρικής αντίστασης της εποξικής επικάλυψης και η τιµή του πυκνωτή εύκολα υπολογίζεται από την τιµή της ω T χρησιµοποιώντας την εξίσωση 6. Πρέπει να σηµειωθεί ότι η περίπλοκη και αβέβαιη αγώγιµη διαδροµή µεταξύ των cells σηµαίνει ότι δεν είναι προς στιγµήν δυνατό να υπολογιστούν η ειδική αντίσταση και η αντίσταση ανά µονάδα εµβαδού της επικάλυψης. Στις χαµηλές συχνότητες, τα δεδοµένα είναι διασκορπισµένα. Ο θόρυβος αυτός είναι αποτέλεσµα των ηλεκτροχηµικών αντιδράσεων που λαµβάνουν χώρα στα ηλεκτρόδια. Αυτές οι αντιδράσεις έχουν σαν αποτέλεσµα να αναπτύσσεται µία εµπέδηση, η οποία καταγράφεται σε χαµηλές συχνότητες (κάτω από 1 Hz). Παρόµοια φαινόµενα σηµειώνονται και σε πολύ υψηλές συχνότητες (πάνω από 10 MHz), εξαιτίας της εµπέδησης των καλωδίων και των συνδετικών αγωγών. Για να αποφευχθούν σηµαντικές παρεµβάσεις από τα τελευταία στις µετρήσεις, το λογισµικό του µηχανήµατος παρέχει τη δυνατότητα να πραγµατοποιηθεί ένα διορθωτικό τεστ, το λεγόµενο null τεστ, το οποίο µετράει την εµπέδηση των καλωδίων, των συνδετικών αγωγών και την εσωτερική εµπέδηση του µηχανήµατος. Αυτές οι πληροφορίες σώζονται και η ανεπιθύµητη εµπέδηση 6

7 αφαιρείται αυτόµατα πλέον από τις µετρήσεις που λαµβάνονται στο εξής. Παρ όλα αυτά, οι µετρήσεις που λαµβάνονται σε πολύ µεγάλες (> 10 MHz) ή πολύ µικρές (< 1 Hz) συχνότητες είναι αναξιόπιστες. 30 Φορά αύξησης συχνότητας ω Τ Z'' (MOhm) Αντίσταση εποξικής επικάλυψης Z' (MOhm) Σχήµα 2. Γραφική αναπαράσταση Nyquist για εποξική επικάλυψη 4.2 ιαχωρισµός υλικών Παλαιότερη έρευνα (McCarter 1988) σχετικά µε τη µέτρηση της εµπέδησης σε υλικά από τσιµέντο, έδειξε ότι η αντίσταση του σκυροδέµατος παρουσιάζεται σε µεγάλες συχνότητες (από περίπου 10ΜΗz µέχρι 0.1 ΜΗz). Το Σχήµα 3 δείχνει τις υψηλές συχνότητες του φάσµατος του Σχήµατος 2. Είναι εµφανής η παρουσία ενός δεύτερου τόξου σε υψηλές συχνότητες, το οποίο αντιπροσωπεύει την εµπέδηση του σκυροδέµατος. Το σχήµα αυτού του τόξου δεν είναι ακριβώς ηµικυκλικό. Στην πραγµατικότητα πρόκειται για ένα ηµικύκλιο που το κέντρο του όµως δεν βρίσκεται πάνω στον οριζόντιο άξονα, αλλά κάτω από αυτόν. Αυτό υπονοεί ότι η τιµή ω T δεν είναι µοναδική αλλά κατανέµεται γύρω από µία µέση τιµή (Macdonald 1987). Στην περίπτωση της εποξικής επικάλυψης, το φάσµα της επικάλυψης και του σκυροδέµατος εν µέρει συµπίπτουν, αλλά η διαφορά των δύο φασµάτων είναι ξεκάθαρη. Αυτός ο διαχωρισµός προκύπτει εξαιτίας των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των δύο υλικών, που σε αυτή την περίπτωση είναι σαφώς διαφορετικές και εµφανίζονται σε διαφορετικές συχνότητες. εν συµβαίνει, όµως, πάντα έτσι. Μία αυξηµένη αντίσταση σκυροδέµατος ή µία µειωµένη αντίσταση επικάλυψης θα τείνει να µετακινήσει το φάσµα προς τις χαµηλότερες ή τις υψηλότερες συχνότητες αντίστοιχα. Σε αυτήν την περίπτωση, ο διαχωρισµός των φασµάτων δεν είναι τόσο ευκρινής. Στο Σχήµα 3 (φάσµα σιλάνιου), ένα µοναδικό σηµείο στο φάσµα υποδηλώνει την ύπαρξη δύο ηµικυκλίων; δεν θα ήταν λοιπόν ασφαλής η υπόθεση ότι εκεί ξεκινά το φάσµα του σιλάνιου. Το πρόβληµα αυτό αντιµετωπίζεται µε το λογισµικό για την ανάλυση ισοδύναµων κυκλωµάτων που είναι διαθέσιµο, που δίνει την δυνατότητα να ξεχωρίσουµε τα δύο φάσµατα σε κάθε 7

8 15 Z'' (kohms) 10 5 epoxy silane Z' (kohms) Σχήµα 3. Τµήµα υψηλής συχνότητας του φάσµατος εποξικής επικάλυψης και σιλάνιου µετά από 24 ώρες συνεχούς έκθεσης σε κορεσµένο διάλυµα Ca(OH) 2. περίπτωση. ιαφορετικά κυκλώµατα µπορούν να επιλεχθούν και το λογισµικό θα προσαρµόζει τις τιµές των στοιχείων των κυκλωµάτων ώστε το ισοδύναµο κύκλωµα να περιγράφει/εξοµοιώνει µε ακρίβεια το σύστηµα υλικών και εποµένως τις µετρήσεις που παίρνονται πάνω σε αυτό. Θεωρητικά, η µέθοδος της εµπέδησης µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τον εντοπισµό - χαρακτηρισµό διαφορετικών στρώσεων µιας επικάλυψης. Για παράδειγµα, έχει αποδειχθεί ότι αυτή η µέθοδος µπορεί να διαχωρίσει αλλοιωµένες από άθικτες στρώσεις της ίδιας επικάλυψης (Buenfeld 2000). Στο Σχήµα 4 (πολυουρεθανική επικάλυψη) φαίνεται κι ένα τρίτο ηµικύκλιο µετά από 21 µέρες έκθεσης σε κορεσµένο διάλυµα Ca(OH) 2. Το ίδιο δείγµα είχε παλιότερα εκτεθεί σε διάλυµα 0.2M NaCl και έχει αποδειχθεί ότι εµβύθιση σε διάλυµα NaCl οδηγεί σε αλλοίωση της πολυουρεθανικής επικάλυψης (Buenfeld 2000). Έτσι, λοιπόν, υπάρχουν ισχυρές βάσεις για να υποθέτουµε ότι το τρίτο ηµικύκλιο στο Σχήµα 4 αντιπροσωπεύει την αλλοιωµένη στρώση της πολυουρεθανικής επικάλυψης. 8

9 80 70 Z'' (kohm) Σκυρόδεµα Αλλοιωµένη στρώση Άθικτη στρώση Z' (kohm) Σχήµα 4. Γραφική αναπαράσταση Nyquist για πολυουρεθανική επικάλυψη µετά από 21 µέρες συνεχούς έκθεσης 4.3 Επίδραση σε κορεσµένο διάρκειας διάλυµα πειράµατος Ca(OH) / 2 ποσοστό ). υγρασίας 4.3 Επίδραση διάρκειας πειράµατος / ποσοστό υγρασίας Η αντίσταση των περισσοτέρων επικαλύψεων µειώνεται κατά την έκθεσή τους σε ένα αγώγιµο διάλυµα. Στο Σχήµα 5 βλέπουµε την επίδραση της έκθεσης σε κορεσµένο διάλυµα Ca(OH) 2 στην αντίσταση των εξεταζόµενων επικαλύψεων. Η αντίσταση και των τριών επικαλύψεων επιδεικνύει µία γρήγορη αρχική πτώση, ιδίως κατά τη διάρκεια των πρώτων 8 ωρών. Η µείωση της αντίστασης είναι πολύ µικρότερη στη συνέχεια και τελικά η αντίσταση σταθεροποιείται, υποδηλώνοντας κατάσταση ισορροπίας. Αυτό δεν υποδηλώνει απαραίτητα ότι το δείγµα έπαψε να απορροφά υγρασία, αλλά µόνο ότι η επικάλυψη είναι κορεσµένη. Στις περισσότερες πρακτικές περιπτώσεις, η κατάσταση υγρασίας της επικάλυψης θα εξαρτάται από το ιστορικό έκθεσής της στο περιβάλλον και για αυτό µία περίοδος προετοιµασίας είναι απαραίτητη για να µειωθεί ο χρόνος που πρέπει τα cells να βρίσκονται πάνω στην επιφάνεια της κατασκευής ή του δείγµατος στο εργαστήριο. Η εκτενής µείωση της αντίστασης της πολυουρεθανικής επικάλυψης πιστεύεται ότι οφείλεται στην πρόσληψη υγρασίας και ιόντων, που αυξάνουν την αγωγιµότητα της επικάλυψης. εν παρατηρήθηκε αλλοίωση από τις µετρήσεις, γεγονός που υποδηλώνει πως το διάλυµα Ca(OH) 2 (σε αντίθεση µε το διάλυµα NaCl που χρησιµοποιήθηκε σε προηγούµενη έρευνα), είναι σχετικά ασφαλές για επικαλύψεις κατάλληλες για το σκυρόδεµα. Πρέπει, όµως, να σηµειωθεί ότι τα αποτελέσµατα αυτής της εργασίας είναι σχετικά βραχυπρόθεσµα και συνεπώς οι επιδράσεις παρατεταµένης έκθεσης σε ένα αλκαλικό διάλυµα δεν µπορούν να εκτιµηθούν µε ακρίβεια και σιγουριά 9

10 1.E+9 logr (logohm) 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E+5 epoxy silane polyurethane 1.E+4 1.E Duration (hrs) Σχήµα 5. ιακυµάνσεις στην αντίσταση των επικαλύψεων κατά τη διάρκεια έκθεσης σε κορεσµένο διάλυµα Ca(OH) Επίδραση πάχους επικάλυψης Τα δείγµατα επικαλύφθηκαν µε δύο στρώσεις (όπως υποδεικνύει ο κατασκευαστής τους) στην µία πλευρά τους και τέσσερις στρώσεις στην άλλη πλευρά (δηλαδή διπλή στρώση επικάλυψης). Το Σχήµα 6 δείχνει τα αποτελέσµατα για την πολυουρεθανική επικάλυψη και για το σιλάνιο. Η αύξηση της δόσης για το σιλάνιο έχει µικρή επίδραση; το σιλάνιο προστατεύει το σκυρόδεµα δηµιουργώντας µια υδροφοβική στρώση πραγµατοποιώντας µια χηµική αντίδραση. Έτσι, είναι αναµενόµενο πως αύξηση της ποσότητας του σιλάνιου δεν θα προκαλέσει επιπλέον βελτίωση της ήδη υπάρχουσας υδροφοβικής στρώσης. Για την πολυουρεθανική επικάλυψη, όµως, η αντίσταση αυξάνεται περίπου 55 φορές (βασιζόµενοι στις τιµές κοντά στην κατάσταση ισορροπίας) όταν διπλασιάσουµε την δόση. Αυτή η δυσανάλογη βελτίωση, πιστεύεται ότι οφείλεται στη δραστική µείωση της πορώδους υφής της επικάλυψης από τη διήθηση της προστιθέµενης ποσότητας του υλικού, που έχει σαν αποτέλεσµα τη δραστική µείωση της διείσδυσης υγρασίας και ιόντων. 10

11 1.E+9 1.E+8 single thickness silane double thickness silane single thickness polyurethane double thickness polyurethane logr (logohm) 1.E+7 1.E+6 1.E+5 1.E time (days) Σχήµα 6. Επίδραση διπλής δόσης στην αντίσταση των εξεταζόµενων επικαλύψεων 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Οι µετρήσεις εναλλασσόµενου ρεύµατος µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την εκτίµηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων στο σκυρόδεµα, γρήγορα και µη καταστρεπτικά. Αυτό είναι ένα σηµαντικό συµπέρασµα εξαιτίας του συσχετισµού της ηλεκτρικής αντίστασης και της αντίστασης στην κίνηση ιόντων κατά µήκος των περισσοτέρων επικαλύψεων στο σκυρόδεµα. Με τη µέθοδο αυτή είναι γενικά δυνατό να καθοριστούν οι ηλεκτρικές ιδιότητες της επικάλυψης και του σκυροδέµατος ξεχωριστά χωρίς να είναι απαραίτητη η αποκόλληση του ενός υλικού από το άλλο.αυτό συµβαίνει γιατί οι ηλεκτρικές ιδιότητες των δύο υλικών είναι συνήθως αρκετά διαφορετικές, ώστε να εµφανίζονται σε διαφορετικές συχνότητες. Τα περισσότερα πλεονεκτήµατα της παλαιότερης εργαστηριακής µεθόδου συνεχίζουν να ισχύουν και για την ανάπτυξη της επί τόπου µεθόδου, παρ όλο που η γεωµετρία της επί τόπου πειραµατικής διάταξης είναι πιο περίπλοκη. εν είναι, όµως, ακόµα δυνατό να καθοριστούν µε ακρίβεια όλες οι ηλεκτρικές ιδιότητες (όπως η ειδική αντίσταση) των εξεταζόµενων υλικών. Η επί τόπου µέθοδος αναγνωρίζει µεταβολές στο πάχος της επικάλυψης, στο ποσοστό υγρασίας και σε αλλοιώσεις. Η ευαισθησία της µεθόδου στο ποσοστό υγρασίας, σηµαίνει ότι στις περισσότερες πρακτικές εφαρµογές, µία περίοδος προετοιµασίας θα είναι απαραίτητη πριν συλλεγούν οι µετρήσεις. 11

12 6 ΑΝΑΦΟΡΕΣ Basheer L., Cleland D.J., Basheer M. και Long A.E., An in-situ method for assessing surface treated concrete, Concrete 2000, Edited by Ravindra K. Dhir and M. Roderick Jones, Published by E & FN Spon., Basheer P.A.M., Basheer L., Cleland D.J. και Long A.E., Surface treatments for concrete: assessment and reported performance, Construction and Building Materials, Vol. 11, Nos. 7-8, 1997, pp Basheer, P.A.M., Robinson D.J., Long, A.E., Andrews, R.J., Development and Validation of An In-Situ accelerated Migration Test, Final report of research project submitted to Engineering and Physical Sciences Research Council, June Basheer P.A.M. και Nolan E, Near-surface moisture gradients and in situ permeation tests, Construction and Building Materials, Vol. 15, 2001, pp British Standards Institute. BS :1996. Testing concrete: Recommendations for the determination of the initial surface absorption of concrete. Buenfeld N.R. και Zhang J.Z., AC Impedance study of sealer- and coating- treated mortar specimens, Advances in Cement Research, Vol. 10, No. 4, Oct. 1998, pp Buenfeld N.R. και Zhang J.Z., Impedance spectroscopy monitoring of a polyurethane coating on mortar exposed to NaCl solution, Journal of Materials Science, Vol. 35, 2000, pp CIRIA, Technical Note 130, Protection of Reinforced Concrete by Surface Treatments, CIRIA Technical Note 140, Standard Tests for Repair Materials and Coatings for Concrete, Part 2: Permeability Tests, Macdonald, J.R., Impedance Spectroscopy, Emphasizing Solid Materials and Systems, John Wiley & Sons, M c Carter, J., Garvin S., Bouzid N., Impedance measurements on cement paste, Journal of Materials Science Letters, Vol. 7, 1988, pp SHRP report-shrp-s/fr , Condition Evaluation of Concrete Bridges Relative to Reinforcement Corrosion, Volume 5: Methods for Evaluating the Effectiveness of Penetrating Sealers, Washington, DC, Whiting D., In-situ measurement of the permeability of concrete to chloride ions, Editor V. M. Malhotra,. In-situ/non-destructive testing of concrete, ACI, SP 82, 1984, pp Zhang J.Z., Development of Test Methods for Assessment of Chloride Diffusion Resistance of Surface Treatments on Concrete, PhD Thesis submitted to the University of London, Zhang J.Z. και Buenfeld N.R., An impedance spectroscopic test for assessing resistance of surface treatments on concrete to chloride ingress, submitted to Corrosion. 12