Έναρξη, εξέλιξη και συνέπειες διάβρωσης οπλισµού κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα

Transcript

1 Έναρξη, εξέλιξη και συνέπειες διάβρωσης οπλισµού κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα Χ.Α. Αποστολόπουλος Λέκτορας, Τµήµα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών Ε.Γ. Παπαδάκης ρ. Χηµικός Μηχανικός, Ε.Γ. Παπαδάκης & Συνεργάτες Τεχνολογία & Ανθεκτικότητα Κατασκευών, Επιστηµονικό Πάρκο Πατρών Α.Ε. Λέξεις κλειδιά: Ανθεκτικότητα, ιάβρωση, ιάρκεια ζωής, Ολκιµότητα, Οπλισµένο σκυρόδεµα, Χάλυβας ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Σε όλες τις κατασκευές από σκυρόδεµα, εκτός από τα συνήθη προβλήµατα αντοχής παρουσία ή όχι σεισµικής δραστηριότητας, µπορεί να εφαρµοσθούν διάφορες περιβαλλοντικές δράσεις, που µειώνουν σηµαντικά την ωφέλιµη διάρκεια ζωής τους. Η πλέον συνήθης περίπτωση φθοράς είναι η διάβρωση των χαλύβδινων ράβδων οπλισµού, ως επακόλουθο της ενανθράκωσης ή/ και της διείσδυσης χλωριόντων. Ενώ αυτοί οι µηχανισµοί έναρξης της διάβρωσης έχουν εκτενώς µελετηθεί και προσοµοιωθεί µαθηµατικά, για την διεργασία αυτής καθ αυτής της διάβρωσης δεν υπάρχουν ευρέως αποδεκτά µοντέλα προσοµοίωσης του ρυθµού της, και επιπλέον δεν είναι σαφές στην βιβλιογραφία πιο είναι το ποσοστό εκείνο διάβρωσης που σηµατοδοτεί το τέλος της ωφέλιµης ζωής της κατασκευής. Στην παρούσα εργασία, περιγράφονται εν συντοµία οι µηχανισµοί έναρξης και εξέλιξης της διάβρωσης του οπλισµού και καταγράφονται τα πιο αξιόπιστα µοντέλα πρόβλεψης. Στην συνέχεια δίνονται αποτελέσµατα πειραµατικών µετρήσεων σχετικά µε τις συνέπειες της διάβρωσης στις µηχανικές ιδιότητες του χάλυβα και κατ επέκταση στην φέρουσα ικανότητα της κατασκευής. Πέρα από την προφανή αποµείωση της διατοµής χάλυβα κατά την διεργασία της διάβρωσης και την παρατηρούµενη απώλεια αγκύρωσης, µετρήθηκε µια ταχεία µείωση των ιδιοτήτων ολκιµότητας του χάλυβα, τέτοια που για µικρά ποσοστά διάβρωσης οδηγεί τον χάλυβα κάτω από τα όρια των κανονισµών. Η παρούσα εργασία έτσι συνεισφέρει στην συνολική και ποσοτική πρόβλεψη της ωφέλιµης ζωής των κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η καλή επιτελεστικότητα (επίδοση, performance) του σκυροδέµατος στην χρήση, συµπεριλαµβανοµένης της ανθεκτικότητας, είναι το δεύτερο σηµαντικό χαρακτηριστικό µετά από τις συνηθισµένες απαιτήσεις σε µηχανικές ιδιότητες, όπως η αντοχή. Εντούτοις, τις τελευταίες δεκαετίες τα προβλήµατα της ανεπαρκούς ανθεκτικότητας των κατασκευών, ειδικά του οπλισµένου σκυροδέµατος, βρίσκονται σε µια δραµατική αύξηση. Αυτό έχει όχι µόνο σηµαντικές οικονοµικές επιπτώσεις, επειδή οι δαπάνες επισκευής των επιδεινωµένων κατασκευών είναι σχεδόν ίσες µε το κόστος της κατασκευής νέων, αλλά επιφέρει και σοβαρά βιοµηχανικά, περιβαλλοντικά και κοινωνικά προβλήµατα λόγω της µείωσης της αξιοπιστίας και της ασφάλειας. Η διάρκεια ζωής του σκυροδέµατος (service lifetime) είναι η χρονική περίοδος κατά τη διάρκεια της οποίας η επιτελεστικότητα της κατασκευής διατηρείται σε επίπεδο συµβατό µε την εκπλήρωση των απαιτήσεων της κατασκευής, υπό τον όρο ότι αυτή συντηρείται κατάλληλα. Η δυνατότητα µιας κατασκευής να αντιστέκεται ενάντια στις περιβαλλοντικές επιδράσεις χωρίς η επιτελεστικότητά της να πέφτει κάτω από ένα ελάχιστο αποδεκτό όριο καλείται ανθεκτικότητα. Τρεις ακόλουθοι κύριοι παράγοντες καθορίζουν την ανθεκτικότητα του 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006 1

2 σκυροδέµατος: η αρχική σύνθεση (ποιότητα και σχετική ποσότητα των συστατικών σκυροδέµατος), ο σχεδιασµός, η υλοποίηση και η συντήρηση της κατασκευής, και οι συγκεκριµένες περιβαλλοντικές συνθήκες που εκτίθεται σε όλη την διάρκεια ζωής της. Η φθορά του σκυροδέµατος και του χάλυβα στην χρήση είναι κάθε απώλεια επιτελεστικότητας, και µπορεί να είναι το αποτέλεσµα ποικίλων µηχανικών, φυσικών, χηµικών ή βιοχηµικών διεργασιών. Η διάβρωση του χαλύβδινου οπλισµού είναι το σοβαρότερο πρόβληµα ανθεκτικότητας των κατασκευών από οπλισµένο σκυρόδεµα [1-5]. Επιδρά όχι µόνο στην εµφάνιση της κατασκευής, αλλά σηµαντικότερα στην αντοχή και την ασφάλειά της, λόγω της µείωσης της διατοµής των ράβδων και της αποτίναξης της επικάλυψης σκυροδέµατος που τις περιβάλλει. Οι διάφορες µορφές φθοράς που εντοπίζονται σε κατασκευές που υπόκεινται σε διάβρωση του χάλυβα δείχνουν ότι είναι απαραίτητο να επέµβουµε για τη στατική αποκατάσταση αυτών των κατασκευών. Αυτή η επέµβαση (είτε πριν είτε µετά το σεισµό) είναι επιτακτική στην περίπτωση πολλών κτιρίων που είναι ήδη σε χρήση και π.χ. είναι χώροι µεγάλων συναθροίσεων όπως σχολεία, ξενοδοχεία, κλπ. Ένα από τα πιο σύνθετα θέµατα που ερευνάται από διεθνείς επιστηµονικές οµάδες που συµµετέχουν στη στατική αποκατάσταση τέτοιων κατασκευών είναι η ακριβής γνώση των πραγµατικών µηχανικών χαρακτηριστικών των κύριων δοµικών υλικών, όπως ο χάλυβας και το σκυρόδεµα, καθώς επίσης και οι µηχανισµοί που προκαλούν την υποβάθµιση των µηχανικών ιδιοτήτων [6-8]. Τα τελευταία χρόνια, αν και η πραγµατική αποµένουσα αντοχή των γηρασµένων κατασκευών σκυροδέµατος έχει προσελκύσει ιδιαίτερη προσοχή, αποµένει αρκετή εργασία για να γίνουν πλήρως κατανοητά και αποδεκτά διάφορα φαινόµενα που υπεισέρχονται. Πρέπει να σηµειωθεί ότι µέχρι τώρα, έχουν πραγµατοποιηθεί σχετικά λίγες εργασίες [4] για την ερµηνεία των επιδράσεων της διάβρωσης στις µηχανικές ιδιότητες των χαλύβδινων ράβδων οπλισµού και ως εκ τούτου στην υποβάθµιση των φερόντων φορτίων ενός στοιχείου ενισχυµένου σκυροδέµατος. Τέτοιες έρευνες περιορίζονται στην µείωση της αρχικής διατοµής του χαλύβδινου οπλισµού, σε µικρο- και µακρο-ρηγµατώσεις του σκυροδέµατος και στην αποτίναξη της επικάλυψης. Οι ανωτέρω εκτιµήσεις όµως δεν ερµηνεύουν απόλυτα τις συνέπειες της διάβρωσης στη µηχανική συµπεριφορά των χαλύβδινων οπλισµών. Οι περισσότερες από τις διαθέσιµες µελέτες για τη διάβρωση αναφέρονται σε µεταλλουργικά θέµατα της διάβρωσης όπως η απώλεια µάζας, το βάθος και η πυκνότητα βελονισµού (pitting), κλπ. [6-8]. Οι Maslehuddin et al. [9] αξιολογώντας την επίδραση της ατµοσφαιρικής διάβρωσης στις µηχανικές ιδιότητες των ράβδων χάλυβα, κατέληξαν στο συµπέρασµα ότι για µια περίοδο 16 µηνών έκθεσης, η οξείδωση είχε µια ασήµαντη επίδραση στην επιτελεστικότητα και τη µέγιστη αντοχή σε εφελκυσµό των ράβδων χάλυβα. Απ την άλλη µεριά, ο Almusallam [10] αξιολόγησε την επίδραση του βαθµού διάβρωσης των ράβδων χάλυβα στο σκυρόδεµα, που εκφράζεται ως η απώλεια µάζας επί τοις εκατό, στις µηχανικές ιδιότητές τους. Τα αποτελέσµατα έδειξαν µια στενή σχέση µεταξύ των χαρακτηριστικών αστοχίας των ράβδων χάλυβα και των πλακών µε τον διαβρωµένο οπλισµό. Παρατηρήθηκε µια απότοµη αστοχία των πλακών σε κάµψη όταν ο βαθµός διάβρωσης του οπλισµού, που εκφράστηκε ως απώλεια µάζας επί τοις εκατό, υπερβαίνει το 13%. Κατά συνέπεια, µια γηρασµένη κατασκευή οπλισµένου σκυροδέµατος κατά τη διάρκεια ζωής της έχει σωρεύσει ζηµία στα φέροντα φορτία από τη φθορά διάβρωσης που υπέφερε. Αυτή η σωρευµένη φθορά προκαλεί µια υποβάθµιση των µηχανικών ιδιοτήτων των χαλύβδινων ράβδων οπλισµού. Εντούτοις, η υποβάθµιση αυτή αγνοείται από τους ισχύοντες κανονισµούς, στη στατική αποκατάσταση τέτοιων κατασκευών. Στην παρούσα εργασία, αναλύονται και προσοµοιώνονται µαθηµατικά οι σοβαρότεροι µηχανισµοί που οδηγούν στη διάβρωση του χάλυβα. Μετρούνται και αναλύονται περαιτέρω µερικές από τις συνέπειες της διάβρωσης του χάλυβα στις µηχανικές ιδιότητες των ράβδων οπλισµού. Συγκρίθηκαν οι ελαστικές ιδιότητες του διαβρωµένου υλικού έναντι των απαιτήσεων που τίθενται στα πρότυπα για την χρήση χαλύβων στις κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος. Η παρούσα προσέγγιση συµβάλει προς την προσοµοίωση της συνολικής διεργασίας φθοράς, συµπεριλαµβανοµένων των περιόδων επώασης και εξέλιξης της διάβρωσης, και συνεπώς στην ποσοτική προσέγγιση της συνολικής διάρκειας ζωής του σκυροδέµατος. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006

3 ΕΠΩΑΣΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΙΑΒΡΩΣΗΣ Όλοι οι φυσικοί και µηχανικοί µηχανισµοί που προκαλούν φθορά στο σκυρόδεµα, εκτός από τα άµεσα φορτία και τις επιβαλλόµενες παραµορφώσεις, παρουσιάζουν την επίδρασή τους κατά τη διάρκεια του πρώτου έτους. Οι χηµικοί και βιοχηµικοί µηχανισµοί αρχίζουν στην πράξη από την αρχή, εντούτοις, τα καταστρεπτικά αποτελέσµατά τους παρατηρούνται αρκετά µετά το πρώτο έτος. Στο οπλισµένο σκυρόδεµα, οι σοβαρότεροι µηχανισµοί φθοράς είναι εκείνοι που οδηγούν στη διάβρωση του οπλισµού, η οποία εµφανίζεται µετά από την αποπαθητικοποίηση λόγω της διείσδυσης CO ή χλωριόντων. Είναι εποµένως απαραίτητο, εάν απαιτείται µια µακροχρόνια πρόβλεψη διάρκειας ζωής, οι προσπάθειες προσοµοίωσης να στραφούν προς τους µηχανισµούς επώασης (εκκίνησης) και εξέλιξης της διάβρωσης. Στο σκυρόδεµα, οι ράβδοι οπλισµού προστατεύονται από τη διάβρωση από µια λεπτή στοιβάδα οξειδίου που σχηµατίζεται και διατηρείται στην επιφάνειά τους λόγω του ιδιαίτερα αλκαλικού περιβάλλοντος σκυροδέµατος (τιµές ph περίπου 1.6). Η αλκαλικότητα αυτή οφείλεται στο Ca(OH) που παράγεται κατά τη διάρκεια της ενυδάτωσης του τσιµέντου. Η αποπαθητικοποίηση των ράβδων οπλισµού, Σχ. 1, εµφανίζεται είτε όταν χλωριόντα διεισδύουν µέσω του νερού πόρων φθάνοντας στις ράβδους ή όταν η τιµή του ph του σκυροδέµατος που περιβάλλει τις ράβδους πέφτει κάτω από 9, λόγω της διάχυσης του ατµοσφαιρικού CO και της αντίδρασής του µε το Ca(OH) της µάζας του σκυροδέµατος (ενανθράκωση), ή από έναν συνδυασµό αυτών των δύο µηχανισµών, στους οποίους ο δεύτερος µηχανισµός επιταχύνει τον πρώτο. Ο πρώτος µηχανισµός (διείσδυση χλωριόντων) υπερισχύει στα θαλάσσια περιβάλλοντα, στις παράκτιες περιοχές, και όταν άλατα τήξης χιονιού έρχονται σε επαφή µε την επιφάνεια σκυροδέµατος (πεζοδρόµια και καταστρώµατα γεφυρών, δάπεδα χώρων στάθµευσης, κλπ.). Στις αστικές και τις βιοµηχανικές περιοχές, όπου η περιβαλλοντική ρύπανση συνεισφέρει σε µια σηµαντική συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα, επικρατεί η εισαγωγή της διάβρωσης µέσω ενανθράκωσης. Ενανθράκωση ph < 9 ιείσδυση χλωριόντων Cl - > κρίσιµη τιµή Σκυρόδεµα ιάλυση του προστατευτικού στρώµατος Ράβδος οπλισµού Εξέλιξη της διάβρωσης, παρουσία O και H O Σχήµα 1. Μηχανισµοί εισαγωγής στην διάβρωση του χάλυβα σκυρόδεµατος. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006 3

4 .1 ιάβρωση του οπλισµού που εισάγεται µέσω ενανθράκωσης Η ενανθράκωση του σκυροδέµατος είναι µια σύνθετη φυσικοχηµική διεργασία [11,1], περιλαµβάνοντας αέρια, υδατικά και στερεά αντιδραστήρια. Τα στερεά που αντιδρούν µε CO περιλαµβάνουν όχι µόνο το Ca(OH), αλλά και το κύριο συστατικό αντοχής του τσιµεντοπολτού, το CSH (ένυδρο πυριτικό ασβέστιο), κ.α. Το νερό είναι πάντα παρόν σε µεγαλύτερες ή µικρότερες ποσότητες στους πόρους του σκληρού τσιµεντοπολτού και διαδραµατίζει έναν βασικό ρόλο στην διεργασία της ενανθράκωσης. Ο ρόλος του νερού είναι διπλός: πρώτα φράζει τους πόρους και εµποδίζει έτσι τη διάχυση του CO µέσω αυτών, και δεύτερον, παρέχει ένα µέσο για την αντίδραση µεταξύ του CO και του Ca(OH). Οι ανωτέρω ποιοτικές εκτιµήσεις µπορούν να εξηγήσουν γιατί το ποσοστό της ενανθράκωσης έχει αναφερθεί να φτάνει ένα µέγιστο µε αυξανόµενη σχετική υγρασία περιβάλλοντος. Σε πολύ χαµηλά επίπεδα σχετικής υγρασίας, το CO µπορεί να διαχυθεί γρήγορα, αλλά οι περισσότεροι πόροι είναι ξηροί και ο ρυθµός της αντίδρασης της ενανθράκωσης είναι πολύ αργός. Σε υψηλά επίπεδα υγρασίας, όλοι σχεδόν οι πόροι γεµίζουν µε το νερό, συνεπώς η διάχυση του CO γίνεται πολύ αργή. Οι Papadakis et al [11,1] ήταν οι πρώτοι που ανέπτυξαν ένα µοντέλο των διεργασιών που οδηγούν στην ενανθράκωση του σκυροδέµατος. Αυτές περιλαµβάνουν την διάχυση του CO στην αέρια φάση των πόρων, τη διάλυσή του στην υδατική στοιβάδα αυτών των πόρων, τη διάλυση του στερεού Ca(OH) στο νερό των πόρων, την τελική αντίδρασή του µε το διαλυµένο CO, και την αντίδραση του CO µε το CSH. Το µαθηµατικό µοντέλο αποτελείται από ένα µη γραµµικό σύστηµα διαφορικών εξισώσεων στο χώρο και το χρόνο και λύνεται αριθµητικά. Για συνηθισµένο πεδίο τιµών των παραµέτρων (ειδικά, για σχετική υγρασία περιβάλλοντος, RH 55%), µπορούν να γίνουν ορισµένες απλοποιηµένες υποθέσεις, που οδηγούν στο σχηµατισµό ενός µετώπου ενανθράκωσης, που χωρίζει τις εντελώς ενανθρακωµένες περιοχές από αυτές στις οποίες η ενανθράκωση δεν έχει ακόµη ξεκινήσει. Για µονοδιάστατη γεωµετρία, η εξέλιξη του βάθους ενανθράκωσης, x c (m), µε το χρόνο, t (s), δίνεται από την ακόλουθη αναλυτική έκφραση, που αποδεικνύεται η αξιοπιστία της ευρέως από πολλές µετρήσεις [11-13]: DeCO, ( CO / 100) t x = c 033. CH CSH (1) όπου, CO : η περιεκτικότητα του CO στον περιβάλλοντα αέρα στην επιφάνεια του σκυροδέµατος (%, µια µέση τιµή για αστικές περιοχές είναι: 0.08%, ενώ για ύπαιθρο: 0.035%), D e,co : η αποτελεσµατική διαχυτότητα του CO στο ενανθρακωµένο σκυρόδεµα (m / s), CH και CSH: οι συγκεντρώσεις του υδροξειδίου του ασβεστίου και του ένυδρου-πυριτικού-ασβεστίου αντίστοιχα στον όγκο του σκυροδέµατος (kg/m 3 ). Σε σχετική υγρασία περιβάλλοντος, RH (%), η διαχυτότητα δίνεται από την εµπειρική σχέση [13]. Ο κρίσιµος χρόνος, t cr,carb (s), που απαιτείται ώστε το µέτωπο ενανθράκωσης να φθάσει στον οπλισµό που βρίσκεται σε µια απόσταση c (επικάλυψη οπλισµού, m), µπορεί να υπολογιστεί από την (RH 55%): t cr, carb (0.33CH CSH ) c = () D ( CO /100) e, CO Γίνεται αποδεκτό ότι: Η διάρκεια ζωής µιας κατασκευής σκυροδέµατος, όσον αφορά τη διάβρωση του οπλισµού που προκαλείται µέσω ενανθράκωσης, είναι τουλάχιστον t cr,carb. Όσο οι ράβδοι χάλυβα έχουν αποπαθητικοποιηθεί, η εξέλιξη της διάβρωσης εξαρτάται από τη σχετική διαθεσιµότητα νερού και οξυγόνου. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006 4

5 Μέχρι τώρα, στις κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος µπορούσε να υποτεθεί ότι απαιτείται σηµαντική επισκευή όταν η διάβρωση του οπλισµού προκαλούσε γενική ρηγµάτωση της επικάλυψης. Η χρονική περίοδος που απαιτείται για να ρηγµατωθεί η συγκεκριµένη επικάλυψη είναι ίση µε την περίοδο που απαιτείται ώστε το µέτωπο ενανθράκωσης να φθάσει στη ράβδο (περίοδος επώασης της διάβρωσης, t cr,carb ) συν την απαραίτητη χρονική περίοδο ώστε το στρώµα της σκουριάς να αναπτυχθεί σταδιακά γύρω από τη ράβδο έως ρηγµάτωσης της επικάλυψης (περίοδος εξέλιξης της διάβρωσης, t pr,carb ). Σύµφωνα µε διάφορους ερευνητές [14-15], ο ρυθµός διάβρωσης χάλυβα στο ενανθρακωµένο σκυρόδεµα σε µεγάλες τιµές RH είναι τόσο υψηλός που η έλευση του µετώπου ενανθράκωσης στη ράβδο ακολουθείται σύντοµα από τη ρηγµάτωση της επικάλυψης του σκυροδέµατος. Εποµένως, ο χρόνος t cr,carb που απαιτείται ώστε το µέτωπο ενανθράκωσης να διαπεράσει το συγκεκριµένο επίστρωµα, c, µπορεί να θεωρηθεί µε µια καλή προσέγγιση ως το κατώτερο όριο διάρκειας ζωής του οπλισµένου σκυροδέµατος. Εάν εντούτοις απαιτείται µια προσέγγιση της περιόδου εξέλιξης, πρέπει να εφαρµοστεί ένα πλήρες µοντέλο φυσικοχηµικών διεργασιών της διάβρωσης και των συνεπειών της. Εντούτοις, µέχρι τώρα δεν υπάρχει κανένα γενικά αποδεκτό επιστηµονικό µοντέλο για την εξέλιξη της διάβρωσης του οπλισµένου σκυροδέµατος [3,4,16]. Αυτό οφείλεται στα σύνθετα φαινόµενα της διάβρωσης και στην ευκρίνεια των ανιχνεύσιµων συνεπειών που καθορίζουν το όριο µιας αποδεκτής φθοράς, όπως ο βαθµός ρηγµάτωσης. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για να αναπτυχθεί ένα αξιόπιστο µοντέλο διάβρωσης µε ισχυρή ικανότητα πρόβλεψης. Σύµφωνα µε τον Morinaga [15], για συνηθισµένη θερµοκρασία περιβάλλοντος (0 ο C) και 55%<RH<95%, ο ρυθµός διάβρωσης, q c (10-4 g/cm / yr), των ράβδων χάλυβα στο σκυρόδεµα µπορεί να προσεγγιστεί από τον ακόλουθο εµπειρικό τύπο: q c = 65 (RH/100) 35 (3) Η κρίσιµη ποσότητα της διάβρωσης, Q cr (10-4 g/cm ), που προκαλεί τη ρηγµάτωση και αποτίναξη της επικάλυψης c (mm), για συνηθισµένη αντοχή σκυροδέµατος και διάµετρο 10mm των ράβδων οπλισµού, µπορεί να προσεγγιστεί από [15]: Q cr = 6 ( c) 0.85 (4) Κατά συνέπεια, η περίοδος εξέλιξης (σε έτη) µπορεί να προσεγγιστεί από τον λόγο Q cr / q c : t pr,carb = [6 ( c) 0.85 ] / [65 (RH/100) 35] (5). ιάβρωση του οπλισµού που εισάγεται µέσω χλωριόντων Πολυάριθµες έρευνες έχουν δείξει ότι τα χλωριόντα (Cl - ), που προέρχονται από τα αντιπαγωτικά άλατα ή από το θαλασσινό νερό, είναι η συχνότερη αιτία της διάβρωσης του χαλύβδινου οπλισµού στις εθνικές οδούς και τις θαλάσσιες εφαρµογές [1-5,16]. Τα χλωριόντα, που µεταφέρονται µέσω του δικτύου πόρων του σκυροδέµατος και των µικρορηγµατώσεων, αποπαθητικοποιούν τη στοιβάδα οξειδίου που επικαλύπτει τον χαλύβδινο οπλισµό και επιταχύνουν την αντίδραση της διάβρωσης και τη φθορά του σκυροδέµατος. Η διείσδυση χλωριόντων είναι µια διεργασία που πραγµατοποιείται στους πλήρως ή µερικώς κορεσµένους µε νερό πόρους, µε αποτέλεσµα να είναι πιο αργή διεργασία από την ενανθράκωση. Σε πολλές µελέτες, η µεταφορά χλωριόντων στο σκυρόδεµα προσοµοιώνεται χρησιµοποιώντας το δεύτερο νόµο διάχυσης του Fick, όπου αµελείται η αλληλεπίδραση Cl - µε τη στερεά φάση. Εντούτοις, η τελευταία είναι πολύ σηµαντική και συµπεριλαµβάνει την δέσµευση 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006 5

6 των χλωριόντων από τα προϊόντα ενυδάτωσης, την ιοντική αλληλεπίδραση, τον σχηµατισµό διπλής ιοντοστοιβάδας, κλπ. Οι Pereira και Hegedus [17] µοντελοποίησαν την διάχυση των χλωριόντων και την αντίδρασή τους στο κορεσµένο σκυρόδεµα ως µια Langmuirian διεργασία ισορροπίας που συνδέεται µε τη διάχυση Fick. Οι Papadakis et al. [13,18] επέκτειναν αυτήν την προσέγγιση σε γενικότερους συνθήκες, προσφέροντας µια απλούστερη λύση, αποδεδειγµένη πειραµατικά. Οι φυσικοχηµικές διεργασίες της διάχυσης των Cl - στην υδατική φάση, η ρόφηση και η δέσµευσή τους στη στερεά φάση του σκυροδέµατος, και η εκρόφησή τους απ' αυτό, περιγράφονται από µια µη γραµµική µερική διαφορική εξίσωση για τη συγκέντρωση των Cl - στην υδατική φάση [Cl - (aq)] (kg/m 3 νερού πόρων), από την οποία τα Cl - που δεσµεύονται στη στερεά φάση [Cl - (s)] (kg/m 3 σκυροδέµατος) µπορούν να υπολογιστούν αλγεβρικά: [ Cl ( aq) ] D (1 + K [ Cl ( aq) ]) e Cl eq = t K [ Cl ( s) ] + ε(1 + K [ Cl ( aq) ] [ ( s) ] eq [ Cl ( aq ], ) sat eq ) x [ Cl ( aq) ] [ ] [ Cl ( s ] sat Cl ( aq) K eq Cl = ) (7) 1+ K eq Αρχική συνθήκη: [Cl - (aq)] = [Cl - (aq)] in at t = 0 (αρχική συγκέντρωση) (8a) Οριακές συνθήκες: [Cl - (aq)] = [Cl - (aq)] 0 at x = 0 (επιφάνεια σκυροδέµατος) (8b) ϑ[cl - (aq)] / ϑx = 0 at x = M (άξονας συµµετρίας) (8c) Σε αυτές τις εξισώσεις, το x είναι η απόσταση από την επιφάνεια του σκυροδέµατος (m), το t είναι ο χρόνος (s), το D e,cl - δείχνει την εγγενή αποτελεσµατική διαχυτότητα των Cl - στο σκυρόδεµα (m /s), το Κ eq η σταθερά ισορροπίας για τα Cl - που δεσµεύονται (m 3 του όγκου πόρων/ kg), [Cl - (s)] sat η συγκέντρωση κορεσµού των Cl - στη στερεά φάση (kg/m 3 σκυροδέµατος), και ε το πορώδες του σκυροδέµατος (m 3 όγκου πόρων /m 3 σκυροδέµατος). Στην περίπτωση της "πλήρους" ενυδάτωσης και ποζολανικής δράσης, οι ανωτέρω παράµετροι µπορούν να υπολογιστούν χρησιµοποιώντας τις µαθηµατικές εκφράσεις που δίνονται αλλού [13-18]. Η Εξ. (6) µπορεί να λυθεί µόνο αριθµητικά, π.χ., χρησιµοποιώντας µια µέθοδο πεπερασµένων διαφορών ή στοιχείων. Τυπικά αποτελέσµατα του µοντέλου δίνονται στο Σχ.. Η επίλυση του ανωτέρω συστήµατος επιτρέπει την εκτίµηση του χρόνου (κρίσιµος χρόνος για την εισαγόµενη µέσω χλωριόντων διάβρωση, t cr,chlor ) που απαιτείται ώστε η συνολική συγκέντρωση χλωριόντων που περιβάλλει τον οπλισµό (που βρίσκεται σε µια απόσταση c από την επιφάνεια) να αυξηθεί πέρα από το όριο για την αποπαθητικοποίηση. Ένας τρόπος έκφρασης του κατώτατου ορίου (κατώφλι διάβρωσης) είναι µέσω µέτρησης της συνολικής περιεκτικότητας σε χλωριόντα στο σκυρόδεµα που απαιτείται για την αρχή της διάβρωσης, και υιοθετείται µια µέση τιµή του 0.4-1% του βάρους του τσιµέντου [4,19]. Μπορεί να υποτεθεί ότι η διάρκεια ζωής µιας κατασκευής, σχετικά µε τη διείσδυση χλωριόντων, είναι τουλάχιστον t cr,chlor. Κατόπιν, η εξέλιξη της διαδικασίας διάβρωσης πραγµατοποιείται σε ένα ποσοστό που εξαρτάται έντονα από τη διαθεσιµότητα τόσο του οξυγόνου όσο και του νερού. Ο πιθανός µηχανισµός της αλληλεπίδρασης χλωριόντων µε τον οπλισµό και την στοιβάδα παθητικοποίησης δεν έχει ξεκαθαριστεί πλήρως. Επιπλέον, η εκτίµηση της περιόδου εξέλιξης και ο καθορισµός του τέλους της διάρκειας ζωής λόγω των χλωριόντων περιέχουν πολλές αβεβαιότητες [4-15]. Εποµένως, όπως στην περίπτωση της ενανθράκωσης, ο χρόνος t cr,chlor που απαιτείται ώστε τα Cl - να υπερβούν την κρίσιµη τιµή στην επικάλυψη του σκυροδέµατος, c, µπορεί να θεωρηθεί σε καλή προσέγγιση ως το πρώτο όριο της διάρκειας ζωής του οπλισµένου σκυροδέµατος. Τα αποτελέσµατα που παρουσιάζονται στο επόµενο κεφάλαιο θα µπορούσαν να συµβάλουν στον ακριβέστερο καθορισµό αυτού του ορίου. (6) 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006 6

7 4 3,5 3,5 1,5 1 0, Distance from surface (mm) 10 years 5 years 50 years 75 years 100 years Corrosion threshold Σχήµα. Τυπική κατανοµή συγκέντρωσης ολικών χλωριόντων σε µια κατασκευή από σκυρόδεµα που εκτίθεται σε θαλάσσιο περιβάλλον [0]. 3 ΠΡΟΣΘΕΤΕΣ ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΙΑΒΡΩΣΗ ΟΠΛΙΣΜΟΥ Στην παρούσα µελέτη, ερευνώνται επιπλέον οι πρόσθετες συνέπειες της διάβρωσης στην εφελκυστική συµπεριφορά των χαλύβδινων ράβδων οπλισµού της κατηγορίας BSt 40 (DIN 488). Αυτός ο τύπος χάλυβα δεν παράγεται πλέον, εντούτοις όπως χρησιµοποιήθηκε στις κατασκευές για την περίοδο στην Ελλάδα. Τα δείγµατα ήταν προ-διαβρωµένα χρησιµοποιώντας εργαστηριακές δοκιµές αλατονέφωσης. Οι εφελκυστικές ιδιότητες του διαβρωµένου υλικού συγκρίθηκαν έναντι των απαιτήσεων του προτύπου και εξάγονται σηµαντικά συµπεράσµατα. 3.1 Πειραµατικό µέρος Τα πειράµατα πραγµατοποιήθηκαν για το χάλυβα BSt 40 του DIN Το υλικό παρήχθη από Ελληνική βιοµηχανία µε ονοµαστική διάµετρο ράβδων 10mm (Ø10). Από τις ράβδους, δείγµατα για αντοχή σε εφελκυσµό µήκους 50 mm, κόπηκαν σύµφωνα µε την προδιαγραφή DIN Πριν από τις δοκιµές εφελκυσµού, τα δείγµατα ήταν προ-διαβρωµένα χρησιµοποιώντας τις επιταχυνόµενες δοκιµές εργαστηριακής διάβρωσης σε αλατονέφωση. Οι δοκιµές αλατονέφωσης διεξήχθηκαν σύµφωνα µε την προδιαγραφή ASTM B Για τις δοκιµές χρησιµοποιήθηκε µια ειδική συσκευή (SF 450, Cand W. Specialist Equipment Ltd). Το διάλυµα άλατος προετοιµάστηκε µε διάλυση 5 µερών από µάζας NaCl σε 95 µέρη αποσταγµένου νερού (µε pη που κυµαίνεται µεταξύ ). Η θερµοκρασία στην περιοχή του οπλισµού που εκτέθηκε µέσα στον θάλαµο ψεκασµού διατηρήθηκε σε 35 C C. Όταν ολοκληρώθηκε η έκθεση, τα δείγµατα πλύθηκαν µε καθαρό τρεχούµενο νερό και στην συνέχεια ξηράθηκαν. Η έκθεση στην αλατονέφωση πραγµατοποιήθηκε για 10, 0, 30, 40 και 60 ηµέρες. Τα διαβρωµένα δοκίµια (πέντε ανά δοκιµή) υποβλήθηκαν σε δοκιµές εφελκυσµού µε στόχο: 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006 7

8 1. την εύρεση της βαθµιαίας φθοράς των µηχανικών ιδιοτήτων του χάλυβα BSt 40, και. εάν η έκθεση των δειγµάτων στην αλατονέφωση µπορεί να υποβαθµίσει τις ειδικές ιδιότητες εφελκυσµού έτσι ώστε να µην ικανοποιούν πλέον τα όρια των προτύπων. 3. Αποτελέσµατα και συζήτηση Όπως αναµένεται, η φθορά λόγω διάβρωσης αυξάνεται µε αυξανόµενο χρόνο έκθεσης στην αλατονέφωση. Η αποµάκρυνση της στοιβάδας οξειδίων σκουριάς µε τη χρησιµοποίηση µιας σκληρής βούρτσας σύµφωνα µε την προδιαγραφή ASTM G1-90 αναδεικνύει την εκτενή διάβρωση των δειγµάτων ήδη µετά από 10 ηµέρες έκθεσης, κατά το πρότυπο της κατά βελονισµό διάβρωσης. Στο Σχ. 3 δίνεται η εξάρτηση της απώλειας µάζας και «µέσης διαµέτρου» από τον χρόνο έκθεσης, και όπως φαίνεται, σχετίζονται γραµµικά. Επίσης φαίνεται ότι, κατά την έκθεση 60 ηµερών, η απώλεια µάζας είναι περίπου 11%. Η αποτελεσµατική τιµή του ορίου διαρροής R p µειώνεται κάτω από το όριο των 40 MPa, που έχει καθοριστεί από το DIN 488-1, µετά από 30 ηµέρες έκθεσης στο περιβάλλον αλατονέφωσης. Η αποτελεσµατική τιµή του ορίου θραύσης R u παραµένει αρκετά παραπάνω από το χαµηλότερα όρια που καθορίστηκαν από το DIN ακόµα και µετά από 60 ηµέρες έκθεσης. Στο Σχ. 4 παρουσιάζεται η επίδραση φθοράς λόγω διάβρωσης στην αντοχή σε ολκιµότητα των ράβδων χάλυβα. Η επιµήκυνση µέχρι τη θραύση και η ειδική ενέργεια παραµόρφωσης [1], µειώνονται δραστικά καθώς αυξάνεται η διάρκεια έκθεσης. Η τιµή της επιµήκυνσης θραύσης ικανοποιεί τη συνθήκη f u 14%, σύµφωνα µε τα Ελληνικά πρότυπα, για εκθέσεις µέχρι 0 ηµέρες, όπου η µέση διάµετρος ράβδων µειώνεται µόνο στο 9.88mm. Τα πρότυπα δεν απαιτούν τον προσδιορισµό της ειδικής ενέργειας παραµόρφωσης W, όµως είναι µια ιδιότητα των υλικών που χαρακτηρίζει τη συνολική αντοχή τους σε φθορά και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για να αξιολογήσει τη θραύση του υλικού κάτω υπό στατικές και υπό συνθήκες κόπωσης. Η παρατηρηθείσα σηµαντική µείωση της αντοχής σε ολκιµότητα αποτελεί σίγουρα ένα σοβαρό πρόβληµα για την ασφάλεια των παλαιών και µνηµειακών κατασκευών στις σεισµικά ενεργές περιοχές. Επειδή κατά τη διάρκεια της σεισµικής διέγερσης, ο οπλισµός υποβάλλεται συχνά σε χαµηλές εντάσεις κυκλικής καταπόνησης (ολιγοκυκλική κόπωση), είναι επιτακτική η ανάγκη για µια ικανοποιητική ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας του υλικού Mass [%] Nominal diameter [mm] Duration of accelerated salt spray corrosion [Days] Duration of accelerated salt spray exposure [Days] Σχήµα 3. Επίδραση διάβρωσης στην µάζα (αριστερά) και στην διάµετρο (δεξιά) της ράβδου οπλισµού. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006 8

9 Elongation to failure [%] Energy density [MPa] Duration of accelerated salt spray corrosion [Days] Duration of accelerated salt spray corrosion [Days] Σχήµα 4. Επίδραση διάβρωσης στην επιµήκυνση θραύσης (αριστερά) και στην ειδική ενέργεια παραµόρφωσης (δεξιά) της ράβδου. 4 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Ο προσανατολισµός της παρούσας εργασίας είναι προς την ενίσχυση µεθόδων προσδιορισµού της διάρκειας ζωής των κατασκευών, µέσω προσοµοίωσης της επιτελεστικότητας τους. Μια µέθοδος που σχετίζεται µε επιτελεστικότητα εµπεριέχει µε ποσοτικό τρόπο κάθε µηχανισµό φθοράς, την λειτουργική διάρκεια ζωής του στοιχείου ή της κατασκευής, και τα κριτήρια που καθορίζουν το τέλος αυτής της ζωής. Τέτοια µέθοδος µπορεί να βασίζεται σε ικανοποιητική εµπειρία, µε τοπικές πρακτικές σε τοπικά περιβάλλοντα, σε δεδοµένα µίας καθιερωµένης µεθόδου δοκιµής, ή σε χρήση αξιόπιστων προσοµοιωµάτων πρόβλεψης. Υπάρχουν αξιόπιστα µοντέλα πρόβλεψης για την περίπτωση των µηχανισµών που δηµιουργούν τις συνθήκες για να ξεκινήσει η διάβρωση, όπως η ενανθράκωση του σκυροδέµατος και η διείσδυση χλωριόντων. Εντούτοις, δεν υπάρχει ακόµα κανένα ευρέως αποδεκτό προσοµοίωµα στην περίπτωση της εξέλιξης της διάβρωσης του οπλισµού και των διάφορων συνεπειών του στις κατασκευές σκυροδέµατος που σηµατοδοτούν το τέλος της ωφέλιµης ζωής του. Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζονται µερικές πειραµατικές παρατηρήσεις που θα µπορούσαν να συµβάλουν περαιτέρω στις ανωτέρω απαιτήσεις. Η έκθεση των ράβδων χάλυβα (σε αυτήν την εργασία: BSt 40) σε εργαστηριακό περιβάλλον χλωριόντων έχει ως αποτέλεσµα µια σηµαντική απώλεια µάζας, η οποία αυξάνεται γραµµικά µε αυξανόµενη την διάρκεια έκθεσης. Η επίδραση της έκθεσης αλατονέφωσης στις ιδιότητες αντοχής του χάλυβα BSt 40 είναι σχετικά µέτρια. Όµως είναι ιδιαίτερα σηµαντική η επίδραση της έκθεσης στις ιδιότητες ολκιµότητας του υλικού. Για εκθέσεις στο ανωτέρω τεχνητό διαβρωτικό περιβάλλον περισσότερο από 0 ηµέρες, η επιµήκυνση θραύσης µειώνεται σε τιµές που βρίσκονται κάτω από το όριο του f u = 14%, το οποίο απαιτείται στα πρότυπα, δίνοντας νέα στοιχεία ότι η φθορά είναι σηµαντικότερη σε σχέση µε αυτήν που παρουσιάζεται ως απλή απώλεια διατοµής. Όπως είναι ήδη γνωστό, η διάβρωση του χαλύβδινου οπλισµού του σκυροδέµατος είναι µια χηµική διαδικασία, η οποία οδηγεί στην υποβάθµιση των µηχανικών ιδιοτήτων του χάλυβα. Λαµβάνοντας υπόψη το γεγονός, ότι ο χάλυβας BSt 40 έχει χρησιµοποιηθεί σε κατασκευές περιόδων όπου η γνώση ήταν ακόµα σε πρωταρχικά στάδια σχετικά µε τους µηχανισµούς διάβρωσης, τα αποτελέσµατα αυτής της εργασίας σαφώς υποδεικνύουν ότι η φθορά πολλών γηρασµένων κατασκευών µπορεί να είναι πολύ χειρότερη από την αναµενόµενη και οπτικά παρατηρούµενη. Αυτό οδηγεί στο συµπέρασµα ότι τέτοιες κατασκευές, µπορεί να είναι λιγότερο 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου, 006 9

10 ασφαλείς από ότι αναµένεται, και γενικότερα, ότι το τέλος της διάρκειας ζωής θα µπορούσε να είναι νωρίτερα από τη στιγµή που παρατηρείται ορατή ρηγµάτωση στην επικάλυψη του σκυροδέµατος. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Comite Euro-International du Beton (CEB), Durable concrete structures - CEB Design Guide. Bulletin d' Information No. 18, Lausanne, P.K. Mehta, Durability- Critical issues for the future. Concrete International. 19: (1997) A.M. Neville, Properties of concrete. Essex: Longman, M.G. Richardson, Fundamentals of durable reinforced concrete. London: Spon Press, J.M. Illston, P.L.J. Domone, Construction materials Their nature and behaviour. 3 rd ed. London: Spon Press, B. Borgard, C. Warren, R. Somayaji, R. Heidersbach, Mechanisms of corrosion of steel in concrete. ASTM STP 1065, Philadelphia, R. Capozucca, Damage to reinforcement concrete due to reinforcement corrosion. J. Constr. Build. Mater. 9: (1995) C. Fang, K. Lungren, L. Chen, C. Zhu, Corrosion influence on bond in reinforced concrete. J. Cem. Concr. Res. 34: (004) M. Maslehuddin, I. Ibrahim, H. Saricimen, I. Abdulaziz, Influence of atmospheric corrosion on the mechanical properties of reinforcing steel. J. Constr. Build. Mater. 8: (1993) A.A. Almusallam, Effect of degree of corrosion on the properties of reinforcing steel bars. J. Constr. Build. Mater. 15: (001) V.G. Papadakis, C.G. Vayenas, M.N. Fardis, Fundamental modeling and experimental investigation of concrete carbonation. ACI Mater J. 88: (1991) V.G. Papadakis, M.N. Fardis, C.G. Vayenas, Effect of composition, environmental factors and cementlime mortar coating on concrete carbonation. Materials and Structures. 5: (199) V.G. Papadakis, Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against carbonation and chloride ingress. Cem Concr Res. 30: (000) L. Parrot, Design for avoiding damage due to carbonation-induced corrosion. Proceedings of 3 rd International Conference on Durability of Concrete, ACI SP-145, Nice (1994) S. Morinaga, Prediction of service lives of reinforced concrete buildings based on corrosion rate of reinforcing steel. Proceedings of the 5th International Conference on Durability of Building Materials and Components, Brighton, U. K., November 1990; Edited by J.M. Baker, P.J. Nixon, A.J. Majumdar, and H. Davies, E. & F.N. SPON, London (1991) P.A.M. Basheer, S.E. Chidiac, A.E. Long, Predictive models for deterioration of concrete structures. Constr. Build. Mater. 10: (1996) C.J. Pereira, L.L. Hegedus, Diffusion and reaction of chloride ions in porous concrete. Proceedings of the 8th International Symposium of Chemical Reaction Engineering, Edinburgh, Scotland, V.G. Papadakis, M.N. Fardis, C.G. Vayenas, Physicochemical processes and mathematical modeling of concrete chlorination. Chem Engng Sci. 51: (1996) P. Sandberg, Chloride initiated reinforcement corrosion in marine concrete. Report TVBM-1015, Lund Institute of Technology, Division of Building Materials, Lund, V.G. Papadakis and M.P. Efstathiou, "EUCON: Computer Software for Estimation of Concrete Service Life", Patras Science Park S.A., Patras, C.A. Apostolopoulos; Papadopoulos, M.P.; and Pantelakis, S.G., Tensile Behavior of Corroded Reinforcing Steel Bars ΒSt 500 s, Construction and Building Materials, in press, ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 5-7 Οκτωβρίου,