ΑΝΟΞΕΙ ΩΤΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ: Μηχανικές ιδιότητες και συµπεριφορά απέναντι στην διάβρωση

ΑΝΟΞΕΙ ΩΤΟΙ ΧΑΛΥΒΕΣ ΟΠΛΙΣΜΟΥ ΣΚΥΡΟ ΕΜΑΤΟΣ: Μηχανικές ιδιότητες και συµπεριφορά απέναντι στην διάβρωση Παναγιώτης Μαυροειδής, Μεταλλουργός Μηχανικός ΕΜΠ, MSc Τεχνολογία υλικών Eλένη Ρακαντά, Χηµικός Μηχανικός, Σχολή Χηµικών Μηχανικών, Ε.Μ.Π. Γεώργιος Μπατής, Καθηγητής, Σχολή Χηµικών Μηχανικών ΕΜΠ. Λέξεις κλειδιά: Ανοξοίδωτοι Χάλυβες, Οπλισµένο Σκυρόδεµα, ιάβρωση, Μηχανικές Ιδιότητες ΠΕΡΙΛΗΨΗ: H χρήση των ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού είναι διαρκώς αυξανόµενη σε όλο τον κόσµο. Ιδιαίτερα όπου η τεχνική διάρκεια ζωής του έργου είναι σηµαντικός παράγοντας, οι ανοξείδωτοι χάλυβες αποτελούν αξιόπιστη λύση, εξ αιτίας των βελτιωµένων ιδιοτήτων τους. Από όλες τις υπάρχουσες κατηγορίες, εκτεταµένη χρήση οι κατηγορίες AISI 304 και AISI 316, καθώς παρουσιάζουν υψηλές µηχανικές αντοχές, υψηλή ολκιµότητα και αντοχή σε διάβρωση. Η ανακοίνωση αυτή παρουσιάζει αποτελέσµατα δοκιµών εφελκυσµού για την σύγκριση των µηχανικών ιδιοτήτων ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού µε κοινούς ανθρακούχους χάλυβες, καθώς και αποτελέσµατα ηλεκτροχηµικών δοκιµών για την εκτίµηση της αντοχής σε διάβρωση SUMMARY: Use of stainless reinforcing steel bars is increasing worldwide. When life cycle costs of the structures are taken into account, stainless steel reinforcement proves to be a viable solution because of its enhanced properties. Austenitic stainless reinforcing steel (grade AISI 304 and AISI 316) is commonly used as rebar because they present an excellent combination of corrosion resistance in concrete, high strength and good ductility. This paper presents experimental data in these parameters in comparison with conventional carbon steel reinforcement to point out the advantages of stainless steel solution. Mechanical properties have been evaluated through tensile test and corrosion resistance has been evaluated in the laboratory by electrochemical tests. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ. Το περιβάλλον στο οποίο χρησιµοποιείται ένα µεταλλικό υλικό, µπορεί να επιδράσει σ αυτό και να προκαλέσει βλάβη ή και την καταστροφή του. υσµενείς συνθήκες περιβάλλοντος µπορεί να προκαλέσουν διάβρωση του υλικού, γεγονός που τροποποιεί τη συµπεριφορά του. Η διάβρωση είναι από χηµική άποψη, οξείδωση. Το υγιές σκυρόδεµα αποτελεί προστατευτικό περιβάλλον για τους χάλυβες οπλισµού. Πρώταπρώτα, διότι αποτελεί φυσικό εµπόδιο στην επαφή των ράβδων µε τα διαβρωτικά µέσα (οξυγόνο, διοξείδιο του θείου, ιόντα χλωρίου κ.λπ.). Αυτό εξασφαλίζεται σε γενικές γραµµές αν υπάρχει η κατάλληλo πάχος επικάλυψης. Επιπρόσθετα, το περιβάλλον του σκυροδέµατος είναι γενικά 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 1

αλκαλικό (PH 10 έως 13), λόγω της παρουσίας του υδροξειδίου του ασβεστίου, που δηµιουργείται κατά την ενυδάτωση του τσιµέντου. Σε αυτές τις συνθήκες, δηµιουργείται ένα λεπτό προστατευτικό στρώµα οξειδίων του σιδήρου, πάνω στην επιφάνεια των ράβδων, µε καλή πρόσφυση, που προστατεύει το υλικό από περαιτέρω διάβρωση. Η προστασία αυτής της µορφής, ονοµάζεται παθητική προστασία. Για να δηµιουργηθεί ωστόσο αυτό στρώµα, πρέπει αρχικά οι ράβδοι του σιδήρου να είναι σχετικά καθαρές από οξείδια και λιπαρές ουσίες. Όταν όµως το PH για διάφορους λόγους µειωθεί (κυρίως εξ αιτίας της ενανθράκωσης του σκυροδέµατος ή της ισχυρής παρουσίας ιόντων χλωρίου), τότε δηµιουργούνται προϋποθέσεις ανοδικής διάλυσης του σιδήρου σε κάποια σηµεία, φαινόµενο που επιταχύνεται αν συνυπάρχουν ιόντα χλωρίου. Προϋπόθεση ωστόσο, είναι να υπάρχει παρουσία οξυγόνου, αλλά και ηλεκτρική αγωγιµότητα του σκυροδέµατος (µέσω του υγρού διαλύµατος στους πόρους), ώστε να υπάρχει δυνατότητα µετακίνησης των ιόντων από την άνοδο στην κάθοδο. Το αν θα υπάρξουν αυτές οι προϋποθέσεις έναρξης και ανάπτυξης διαβρωτικής δράσης, όπως και η ταχύτητα και ένταση που θα έχει αυτή, εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, που σχετίζονται µε την ποιότητα του σκυροδέµατος, το πάχος της επικάλυψης του οπλισµού, την ύπαρξη ρωγµών του σκυροδέµατος, το πορώδες του σκυροδέµατος (καθορίζει την ποσότητα του νερού στους πόρους), την ταυτόχρονη παρουσία σηµαντικών τάσεων, το ευρύτερο περιβάλλον λειτουργίας (π.χ. θαλασσινό νερό) και άλλους. Ιδιαίτερο κίνδυνο διάβρωσης του οπλισµού µέσα στο σκυρόδεµα, έχουµε και όταν η περιεκτικότητα του σκυροδέµατος σε (διαλυτά) χλωριόντα, ξεπεράσει ένα συγκεκριµένο όριο. Τα χλωριόντα ενδέχεται να υπάρχουν εξ αρχής στο σκυρόδεµα (µέσα στα αδρανή, σε πρόσθετα ή στο νερό ανάµιξης) ή να διεισδύουν στη συνέχεια (χρήση αλάτων κατά του πάγου, άµεση επαφή µε θαλασσινό νερό, νέφος σταγόνων θαλασσινού νερού, που µεταφέρονται µε τον αέρα κ.λπ). Παραδείγµατα αστοχιών αυτού του είδους υπάρχουν σε θαλάσσια ή παραθαλάσσια έργα, σε δάπεδα ή υποστυλώµατα γεφυρών όπου γίνεται χρήση αλατιού για τον πάγο, σε πισίνες κ.λπ. Περιβάλλον µε έντονη παρουσία χλωριόντων, ενδέχεται να οδηγήσει σε διάβρωση µε βελονισµούς (pitting), που είναι από τις πιο επικίνδυνες µορφές. Με την οξείδωση των ράβδων, µειώνεται η ενεργός διατοµή τους, έχουµε µείωση της αντοχής και της ολκιµότητας τους και συνεπώς µειώνεται και η στατική επάρκεια της κατασκευής, ενώ υπάρχει και απώλεια συνάφειας οπλισµών µε το σκυρόδεµα. Από την άλλη, τα οξείδια του σιδήρου έχουν µεγαλύτερο µοριακό όγκο από τον σίδηρο, ασκούν εφελκυστικές τάσεις στο σκυρόδεµα µε αποτέλεσµα να δηµιουργούνται ρηγµατώσεις, οι οποίες αυξάνουν τη διαπερατότητα του σκυροδέµατος σε διαβρωτικά (και µη) µέσα, δηµιουργώντας έτσι τις προϋποθέσεις για νέες ρηγµατώσεις. Η διάβρωση δηλαδή εξελίσσεται ταχύτητα. Το νέο Πρότυπο ΕΛΟΤ 1421 για τους χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος, δεν θέτει ειδικές απαιτήσεις, για την προστασία των οπλισµών από φαινόµενα διάβρωσης. εν προβλέπονται δοκιµές και έλεγχοι που να αφορούν το πρόβληµα αυτό. Η εξέλιξη και σταθερότητα των λειτουργικών ιδιοτήτων των χαλύβων οπλισµού (durability), συσχετίζεται µε την ικανοποίηση των απαιτήσεων για συγκεκριµένη χηµική σύσταση, που είναι αυτή που αντιστοιχεί στη συγκολλησιµότητα και µάλιστα χωρίς διάκριση ανάλογα µε τον τρόπο παραγωγής. Αν ληφθούν υπόψη τα προβλήµατα γήρανσης, όπως επίσης και αυτά που σχετίζονται µε τη διάβρωση (αλλά και µε κόπωση και ερπυσµό), είναι συζητήσιµη αυτή η προσέγγιση. Στην πραγµατικότητα, οι χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος, που χρησιµοποιούνται 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 2

σήµερα, στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων, είναι επιρρεπείς σε προβλήµατα διάβρωσης Για την αποφυγή ή τον περιορισµό των προβληµάτων αυτών, όπως και την αποφυγή του αντίστοιχου κόστους, λαµβάνονται µέτρα αντιδιαβρωτικής προστασίας Η χρήση ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού, σε κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος σε όλο τον κόσµο, αλλά και στην Ελλάδα, θεωρείται πως αποτελεί µια αξιόπιστη λύση έναντι των προβληµάτων διάβρωσης (Broomfield, 1997). Η βασική τους ιδιότητα είναι η µεγαλύτερη αντίσταση στη διάβρωση, ακόµη και όταν βρίσκονται και στο πιο δραστικό περιβάλλον, που θα κατέστρεφε ταχύτητα τους κοινούς χάλυβες (Bertolini et al., 2000). Συνήθως, γίνεται µόνο µερική αντικατάσταση των ανθρακούχων χαλύβων, σε τµήµατα της κατασκευής που υποφέρουν περισσότερο και σπανιότερα πλήρης αντικατάσταση αυτών, σε κατασκευές, όπου υπάρχει έντονο διαβρωτικό περιβάλλον και ειδικότερα σηµαντική παρουσία χλωριόντων, ενώ παράλληλα είναι ζητούµενο η µεγαλύτερη διάρκεια ζωής της κατασκευής. Με τη χρήση των ανοξείδωτων χαλύβων, σχηµατίζεται στην επιφάνειά τους ένα πολύ λεπτό στρώµα οξειδίου του χρωµίου, µε εξαιρετική πρόσφυση σε αυτήν, το οποίο αποµονώνει πλέον το υλικό και το προστατεύει σαν ασπίδα από τη διαβρωτική δράση (Gardner L., 2005). Πρόκειται για µια προστασία θερµοδυναµικού τύπου, καθώς αυτό το προστατευτικό παθητικό στρώµα είναι σε θέση να αυτοξαναδηµιουργηθεί σε περίπτωση τοπικών αφαιρέσεων του υλικού, π.χ. εκδορών κ.λπ. Υπάρχουν πάνω από 60 κατηγορίες ποιότητας ανοξείδωτων χαλύβων. Η επιλογή είναι θέµα σχεδιασµού και συναρτάται µε την επιζητούµενη κατά περίπτωση αντίσταση στη διάβρωση, τις αναγκαίες µηχανικές αντοχές και φυσικά το κόστος. Κατατάσσονται σε τέσσερις βασικούς τύπους, ανάλογα µε τη µικρογραφική τους δοµή και σε κάθε περίπτωση περιέχουν ελάχιστο άνθρακα: Μαρτενσιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες Φερριτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες Ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες Φερριτο-ωστενιτικοί (duplex) ανοξείδωτοι χάλυβες Στις κατασκευές οπλισµένου σκυροδέµατος, χρησιµοποιούνται βασικά οι ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες. Έχουν αυξηµένα ποσοστά Νικελίου (από 8 έως και 25%) και χρωµίου (από 17 έως και 25%). Η προσθήκη Μολυβδαινίου (σε ποσοστά έως και 7%), αυξάνει την αντίσταση σε διάβρωση. εν σκληρύνονται µε θερµική κατεργασία, ενώ αντίθετα µπορούν να διαµορφωθούν εν ψυχρώ για βελτίωση των αντοχών τους. Έχουν καλή συµπεριφορά σε χαµηλές και ψηλές θερµοκρασίες και µπορούν να συγκολληθούν µεταξύ τους Πιο γνωστές κατηγορίες είναι AISI 304 και AISI 316 (Blanco G. Et al, 2006). Αυτή την στιγµή στην Ελλάδα, δεν υπάρχει Πρότυπο που να προδιαγράφει τις ιδιότητες των ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού και χρησιµοποιούνται ως βάση αναφοράς Εθνικά Πρότυπα άλλων χωρών. εν υπάρχει επίσης συστηµατική διερεύνηση των µηχανικών χαρακτηριστικών, όπως επίσης και του βαθµού προστασίας από την διάβρωση, µε τρόπο που αυτό να λαµβάνεται υπόψη στο σχεδιασµό των έργων (π.χ πιθανή µείωση επικάλυψης σκυροδέµατος). 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 3

Σκοπός της ανακοίνωσης αυτής, είναι να παρουσιάσει τα αποτελέσµατα και συµπεράσµατα πειραµατικής ερευνητικής δραστηριότητας σε ότι αφορά: 1) Την επίδοση των ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος κατηγορίας AISI 304, διαφόρων µεθόδων παραγωγής, σε ότι αφορά τις µηχανικές αντοχές και τις απαιτήσεις ολκιµότητας, σε σύγκριση µε τους κοινούς ανθρακούχους χάλυβες και ιδιαιτέρως σε ότι αφορά την νέα κατηγορία υψηλής ολκιµότητας B500C, που ορίζει το Πρότυπο ΕΛΟΤ 1421 και 2) Την εκτίµηση της αντίστασης στη διάβρωση, ιδιαιτέρως σε περιβάλλοντα µε υψηλή παρουσία χλωριόντων, µε σύγχρονες ηλεκτροχηµικές µεθόδους. 2.ΥΛΙΚΑ ΕΞΕΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ α) Για την εκτίµηση των µηχανικών αντοχών και της ολκιµότητας Επιλέχθηκαν ανοξείδωτοι χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος κατηγορίας AISI 304, από τρία διαφορετικά εργοστάσια παραγωγής, µε διαφοροποίηση της µεθόδου παραγωγής και της διαµέτρου: α) 15 δοκίµια διαµέτρου 12mm, που είχαν παραχθεί µε ψυχρή έλαση µε σηµαντική µείωση αρχικής διατοµής β) 15 δοκίµια διαµέτρου 16mm, που είχαν παραχθεί µε θερµή έλαση γ) 15 δοκίµια διαµέτρου 20mm, που είχαν παραχθεί µε ψυχρή έλαση µε περιορισµένη µείωση αρχικής διατοµής. Ο συµβολισµός τον δοκιµίων, φαίνεται στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας 1. Πειραµατικός συµβολισµός δοκιµίων Συµβολισµός Προέλευση δοκιµίων 12-cold rolled ψυχρή έλαση µε σηµαντική µείωση αρχικής διατοµής 16-hot rolled Θερµή έλαση 20-cold rolled ψυχρή έλαση µε µικρή µείωση αρχικής διατοµής Είναι γνωστό, ότι η ψυχρή κατεργασία, µειώνει την ολκιµότητα των χαλύβων, ενώ ενδέχεται να αυξάνει τους κινδύνους σε διάβρωση. Ωστόσο η αδυναµία αύξησης των αντοχών (σε σηµαντικό βαθµό) µε θερµική κατεργασία, όπως γίνεται στους ανθρακούχους χάλυβες οπλισµού, οδηγεί αναγκαστικά σε αυτή τη λύση, τουλάχιστον στις µικρές διαµέτρους. Από την άλλη, στην γενική περίπτωση οι ανοξείδωτοι χάλυβες πρέπει να έχουν µηχανικές ιδιότητες τουλάχιστον ισοδύναµες µε αυτές των κοινών ανθρακούχων χαλύβων, σε ότι αφορά τη χαρακτηριστική τιµή του ορίου διαρροής, το µέτρο ελαστικότητας και την ολκιµότητα. Έτσι οι απαιτήσεις για αυτές, ποικίλουν στα διάφορα Πρότυπα, ανάλογα µε τις απαιτήσεις για τους ανθρακούχους χάλυβες. Η χηµική σύσταση των χαλύβων δίνεται στον Πίνακα 2. Πίνακας 2. Χηµική σύσταση χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος που ελέχθησαν 12- COLD 16 -HOT 20-COLD C 0,0105 0,005 0,009 Mn 1,396 1,927 1,564 Si 0,375 0,511 0,439 Ni 8,769 8,067 9,285 Cr 15,094 16,83 17,549 Cu 0,886 0,387 0,427 S 0,047 0,0003 0,0003 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 4

P 0,0217 0,028 0,028 Mo 0,349 0,380 0,305 V 0,086 0,08 0,077 N 0,019 0,091 0,006 Fe 72,92 71,46 70,11 Nb 0,021 0,022 0,018 Al 0,006 0,014 0,011 Β) Για την αντοχή σε διάβρωση. Η αντοχή σε διάβρωση των ανοξείδωτων χαλύβων όπως και για λόγους σύγκρισης των συµβατικών χαλύβων οπλισµού σκυροδέµατος προσδιορίστηκε σε συνθετικό διάλυµα πόρων σκυροδέµατος (Σ ΠΣ). Η Σύσταση του Σ ΠΣ ήταν 0.002 M Ca(OH) 2, 0.45 M NaOH, 0.26 M KOH. Η πειραµατική διάταξη για την διεξαγωγή των ηλεκτροχηµικών µετρήσεων (γραµµική, κυκλική πόλωση και ποτενσιοδυµανικές καµπύλες πόλωσης) περιλαµβάνει Ποτενσιοστάτη/ γαλβανοστάτη της E.G & Model 263 συνδεδεµένο µε υπολογιστή για την καταγραφή των πειραµατικών δεδοµένων. Για την επεξεργασία των ηλεκτροχηµικών αποτελεσµάτων χρησιµοποιείται λογισµικό Softcorr III της εταιρίας E.G & G Princeton Research Οι ηλεκτροχηµικές µετρήσεις θα πραγµατοποιηθούν σε προτοτυποποιηµένο κελί ηλεκτρόλυσης υπό σταθερές συνθήκες θερµοκρασίας. Η πειραµατική διάταξη είναι τριών ηλεκτροδίων. Ως ηλεκτρόδιο αναφοράς χρησιµοποιείται ηλεκτρόδιο κεκορεσµένου καλοµέλανα SCE. Ως ηλεκτρόδιο εργασίας είναι το υπό εξέταση µέταλλο, ενώ ως βοηθητικό ηλεκτρόδιο χρησιµοποιείται έλασµα από πλέγµα πλατίνας / λευκόχρυσου διαστάσεων 2cm 2. Στο σχήµα 1 φαίνεται αναλυτικά η συσκευή καθώς και η συνδεσµολογία του ηλεκτροχηµικού συστήµατος µέτρησης. Πριν την τοποθέτηση των χαλύβων στην πειραµατική διάταξη των ηλεκτροχηµικών µετρήσεων πραγµατοποιήθηκε η ακόλουθη διαδικασία: 1. Ολική εµβάπτιση σε διάλυµα HCl οξέος µε αναστολέα διάβρωσης (Dreca) έτσι ώστε να αποµακρυνθούν τυχόν οξείδια από την επιφάνεια των χαλύβων. Χρόνος παραµονής < 15min. 2. Έκπλυση µε νερό βρύσης. 3. Έκλυση µε απιονισµένο νερό. 4. ιαβροχή µε ακετόνη και οινόπνευµα για την αποµάκρυνση λιπαρών ουσιών από την επιφάνεια του χάλυβα. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 5

Σχήµα 1. Πειραµατική διάταξη λήψης ηλεκτροχηµικών µετρήσεων. 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΖΗΤΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Τα µηχανικά χαρακτηριστικά των ανοξείδωτων χαλύβων, δίνονται στους Πίνακες 3, 4 και 5. Ως όριο διαρροής λαµβάνεται το πραγµατικό όπου εµφανίζεται και το συµβατικό (Rp0,2) που αντιστοιχεί σε 0,2% µόνιµη πλαστική παραµόρφωση. Κοινό χαρακτηριστικό σε όλες τις περιπτώσεις, είναι η υψηλή ολκιµότητα, όπως αυτή αποδίδεται από τις παραµέτρους Αgt και Rm/Re. Αξιοσηµείωτο είναι το γεγονός ότι οι ανοξείδωτοι χάλυβες ψυχρής έλασης 12 mm, µε ποσοστό ψυχρής διαµόρφωσης της τάξης του 30%, εξακολουθούν να παρουσιάζουν υψηλές τιµές παραµόρφωσης στο µέγιστο φορτίο (Αgt). Οι χάλυβες αυτοί, µε τη δοσµένη χηµική σύσταση, µετά τη θερµή έλαση έχουν όριο διαρροής, αντίστοιχο µε αυτό των µαλακών χαλύβων (~300ΜPa). Ψυχρή διαµόρφωση αυτής της τάξης θεωρείται οριακή, διότι πάνω από αυτά τα επίπεδα, υπάρχει κίνδυνος δηµιουργίας µαρτενσίτη και συνεπώς υπάρχει αυξηµένος κίνδυνος για διάβρωση µε τη µορφή βελονισµών Οι ανοξείδωτοι χάλυβες θερµής έλασης διαµέτρου 16 mm, παρουσιάζουν αυξηµένο όριο διαρροής, λόγω ισχυρότερης κραµάτωσης µε Μn και Si, αλλά και της αυξηµένης περιεκτικότητας Ν. Η ισχυρότερη κραµάτωση οδηγεί σε αυξηµένο όριο διαρροής και στους ανοξείδωτους χάλυβες διαµέτρου 25 mm µετά την θερµή έλαση, γεγονός που επιτρέπει µε ψυχρή διαµόρφωση µικρότερη από 15%, την ύπαρξη υψηλών τελικών αντοχών. Σε καµία από τις περιπτώσεις των δοκιµίων που εξετάστηκαν, δεν ικανοποιούνται οι απαιτήσεις του Προτύπου ΕΛΟΤ 1421 για τα όρια εντός των οποίων πρέπει να κινούνται οι τιµές του λόγου Rm/Re( >1,15 και <1,35). Είναι φανερό πως η χρήση ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού, απαιτεί κατάλληλο σχεδιασµό και γνώση των ιδιαιτεροτήτων του υλικού Από την άλλη, τόσο από την διακύµανση των επιδόσεων των περιπτώσεων που εξετάστηκαν, όσο και από την πραγµατικότητα των 60 και πάνω διαφορετικών παραλλαγών ποιότητας που υπάρχουν, δεν φαίνεται να υπάρχουν περιορισµοί ως προς την δυνατότητα παραγωγής κατηγοριών ποιότητας µε µηχανικές ιδιότητες εντός των ορίων που ισχύουν για τους κοινούς ανθρακούχους χάλυβες. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 6

Πίνακας 3. Μηχανικά χαρακτηριστικά δοκιµίων ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού διαµέτρου 12 mm Συµβολισµός ιατοµή Όριο ιαρροής Re (MPa) Εφελκυστική αντοχή Rm (Mpa) Λόγος Rm/Re Οµοιόµορφη παραµόρφωση Agt(%) Παραµόρφωση µετά την θραύση A5(%) 12_cold_1 110,5 500 790 1,58 19,10 31 12_cold_2 110,7 498 788 1,58 19,20 29,4 12_cold_3 110,4 496 786 1,58 20,90 28 12_cold_4 110,9 496 789 1,59 18,60 27 12_cold_5 110,5 500 784 1,57 19,00 29,2 12_cold_6 110,3 499 790 1,58 14,00 26,5 12_cold_7 110,4 497 786 1,58 11,90 31,70 12_cold_8 110,5 480 788 1,64 19,00 30,20 12_cold_9 110,4 500 792 1,58 10,20 29,30 12_cold_10 110,3 470 793 1,69 11,00 26,3 12_cold_11 110,6 465 783 1,68 17,40 29,70 12_cold_12 110,8 490 793 1,62 17,40 30,90 12_cold_13 110,8 498 792 1,59 16,10 33,30 12_cold_14 110,4 497 793 1,60 17,20 32,50 12_cold_15 110,9 495 791 1,60 16,30 31,20 ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 110,56 492 789 1,60 16,49 30,6 ΤΥΠΙΚΗ ΑΠΟΚΛΙΣΗ 10,85 0,04 3,16 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΤΙΜΗ 467 1,54 10,57 Πίνακας 4. Μηχανικά χαρακτηριστικά δοκιµίων ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού διαµέτρου 16 mm Συµβολισµός ιατοµή Όριο ιαρροής Re (MPa) Εφελκυστική αντοχή (Mpa) Λόγος Rm/Re Οµοιόµορφη παραµόρφωση Agt(%) Παραµόρφωση µετά την θραύση A5(%) 16_HOT_1 200,2 480 740 1,54 29,00 44,90 16_HOT_2 200,2 460 739 1,61 30,00 37,50 16_HOT_3 208 470 831 1,77 17,80 32,20 16_HOT_4 200,2 480 743 1,55 32,00 46,30 16_HOT_5 199,7 479 746 1,56 32,70 44,00 16_HOT_6 200,3 470 739 1,57 21,00 45,00 16_HOT_7 208,3 460 828 1,80 20,60 35,60 16_HOT_8 207,1 450 838 1,86 20,10 33,60 16_HOT_9 208,7 470 838 1,57 22,00 35,00 16_HOT_10 199 480 751 1,56 33,70 44,00 16_HOT_11 200 470 743 1,58 30,50 44,80 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 7

16_HOT_12 208,1 480 831 1,73 25,00 34,60 16_HOT_13 208,8 465 742 1,60 29,00 35,20 16_HOT_14 199,7 470 741 1,58 28,20 44,60 16_HOT_15 200,9 470 740 1,57 26,00 46,80 ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 203,28 470 773 1,64 26,51 40,27 ΤΥΠΙΚΗ ΑΠΟΚΛΙΣΗ 8,58 0,11 4,96 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΤΙΜΗ 450 1,44 17,2 Πίνακας 5. Μηχανικά χαρακτηριστικά δοκιµίων ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού διαµέτρου 20 mm Συµβολισµός ιατοµή Όριο ιαρροής Re (MPa) Εφελκυστική αντοχή (Mpa) Λόγος Rm/Re Οµοιόµορφη παραµόρφωση Agt(%) Παραµόρφωση µετά την θραύση A5(%) 20_cold_1 307,1 560 627 1,12 27,30 46,00 20_cold_2 306,2 561 624 1,11 23,30 46,90 20_cold_3 306,6 565 628 1,11 29,70 47,00 20_cold_4 307,4 560 629 1,12 31,00 48,00 20_cold_5 307,6 550 619 1,13 32,00 47,10 20_cold_6 306,3 552 622 1,13 34,30 44,00 20_cold_7 305,7 549 616 1,12 26,00 45,10 20_cold_8 303,6 552 625 1,13 30,00 43,20 20_cold_9 304,8 555 622 1,12 25,00 44,00 20_cold_10 305,2 550 617 1,12 34,30 48,60 20_cold_11 304,8 554 622 1,12 34,50 49,30 20_cold_12 304,7 552 620 1,12 25,40 43,50 20_cold_13 304,6 550 618 1,12 27,90 48,80 20_cold_14 306,7 552 624 1,13 27,70 48,40 20_cold_15 306,3 551 621 1,13 27,70 48,30 ΜΕΣΗ ΤΙΜΗ 305,84 554 622 1,12 29,07 46,55 ΤΥΠΙΚΗ ΑΠΟΚΛΙΣΗ 4,76 0,01 3,45 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΤΙΜΗ 543 1,11 22,61 Η αντοχή σε διάβρωση των συµβατικών χαλύβων S500s και των ανοξείδωτων χαλύβων µετρήθηκε σε Σ ΠΣ. Από τους ανοξείδωτους χάλυβες, επελέγησαν δοκίµια της οµάδας µε διάµετρο 12 mm, διότι λόγω του υψηλού ποσοστού ψυχρής διαµόρφωσης, θεωρούνται η δυσµενέστερη περίπτωση για ενδεχόµενη µείωση της αντιδιαβρωτικής αντοχής τους Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων εµφανίζονται στον Πίνακα 6. Όπως εκ των προτέρων αναµένεται η αντοχή σε διάβρωση του ανοξείδωτου χάλυβα 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 8

είναι σηµαντικά µεγαλύτερη από αυτήν του συµβατικού (Nuernberger U. 1991). Πίνακας 6: Σειρές Πειραµατικών δοκιµών διάβρωσης Χηµική σύσταση Σειρές Πειραµατικών οκιµών ιάβρωσης 1 η Σειρά Ανοξείδωτος χάλυβας 2 η Σειρά Χάλυβας S500s Κωδική ονοµασία διαλύµατος συνθετικού διαλύµατος πόρων σκυροδέµατος NaCl concentration (%κβ.) R p (Ohms) Ηλεκτροχηµικές Παράµετροι I corr (µα) Ε( Ι=0 ) (mv) Ρυθµός ιάβρωσης ( mpy) Σ ΠΣ 0_0 0% 30800 0,705-266,5 12,56E-3 Σ ΠΣ 0_1 1% 30240 0,718-285,4 12,80E-3 Σ ΠΣ 0_2 2% 19650 1,105-296,7 19,69E-3 Σ ΠΣ 0_3 3% 19220 1,130-327,5 20,13E-3 Σ ΠΣ 0_4 4% 10720 2,026-342,5 36,01E-3 Σ ΠΣ 0_0 0% 7120 3,054-198 1,406 Σ ΠΣ 0_1 1% 5892 3,689-280 1,698 Σ ΠΣ 0_2 2% 5227 4,159-370 1,915 Σ ΠΣ 0_3 3% 4043 5,376-390 2,475 Σ ΠΣ 0_4 4% 3112 6,987-410 3,216 Στον Πίνακα 6 η συντοµογραφία Σ ΠΣ εξηγείται ως Συνθετικό ιάλυµα Πόρων Σκυροδέµατος. Η ονοµασία κάθε διαλύµατοs περιέχει αριθµό από 1 έως 4, πχ. «1» δηλώνει την % συγκέντρωση του NaCl στο τεχνητό διάλυµα πόρων σκυροδέµατος. Ο συµβολισµός mpy σηµαίνει χιλιοστά της ίντσας ανά έτος. Από τον Πίνακα 6 παρατηρούµε ότι όσο το ποσόν των χλωριόντων αυξάνει στο Σ ΠΣ τόσο ο ρυθµός διάβρωσης του συµβατικού χάλυβα S500s όσον και του ανοξείδωτου χάλυβα αυξάνουν. Σε όλες όµως τις περιπτώσεις ο ρυθµός διάβρωσης του ανοξείδωτου χάλυβα παραµένει σηµαντικά µικρότερος από αυτόν του συµβατικού χάλυβα S500s. Οι παραπάνω δοκιµές έρχονται σε συµφωνία µε δοκιµές άλλων ερευνητών που µελέτησαν την διάβρωση των ανοξείδωτων χαλύβων στο σκυρόδεµα (Ping Gu et al. 1996, Cramer et al., 2002). Εφόσον το κόστος του ανοξείδωτου χάλυβα είναι σηµαντικά µεγαλύτερο από αυτό του συµβατικού χάλυβα οπλισµού σκυροδέµατος η «λογική» χρήση του ανοξείδωτου χάλυβα είναι η χρησιµοποίηση του σε όλες τις περιοχές όπου αναµένεται σηµαντική αύξηση µε το χρόνο των χλωριόντων και στις άλλες περιοχές να χρησιµοποιηθεί ο συµβατικός χάλυβας. Στην περίπτωση αυτή γεννάται το ερώτηµα του σχηµατισµού γαλβανικού µακροστοιχείου µεταξύ συµβατικού χάλυβα σε σκυρόδεµα µε λίγα χλωριόντα και του ανοξείδωτου χάλυβα σε σκυρόδεµα µε σηµαντικά ποσά χλωριόντων (Nuernberger U. 1991, Nuernberger U., 2005). Εδώ θα πρέπει να σηµειωθεί ότι στην περίπτωση χρήσης µόνο του συµβατικού χάλυβα δηµιουργείται γαλβανικό µακροστοιχείο µεταξύ χάλυβα σε σκυρόδεµα µε λίγα χλωριόντα και χάλυβα σε σκυρόδεµα µε σηµαντικά ποσά χλωριόντων. Το γαλβανικό αυτό στοιχείο έχει σαν κάθοδο τον χάλυβα σε σκυρόδεµα µε λίγα χλωριόντα όπου το οξυγόνο µετατρέπεται σε υδροξύλιο και άνοδο τον χάλυβα σε σκυρόδεµα µε σηµαντικά ποσά χλωριόντων όπου ο σίδηρος εγκαταλείπει δύο ηλεκτρόνια και µεταβαίνει στην κατάσταση του ιόντος Fe 2+ (Nuernberger 1991, Batis G., et al. 2003). Το γαλβανικό αυτό µακροστοιχείο οδηγεί στην αύξηση του ρυθµού διάβρωσης στον χάλυβα σε σκυρόδεµα µε σηµαντικά ποσά χλωριόντων. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 9

Στην περίπτωση χρήσης του ανοξείδωτου χάλυβα η άνοδος του γαλβανικού στοιχείου είναι ο ανοξείδωτος χάλυβας, του οποίου ο ρυθµός διάβρωσης είναι µικρός, όπως άλλωστε φαίνεται και στον Πίνακα 6. Αλλά και η πυκνότητα ρεύµατος του γαλβανικού στοιχείου του κοινού χάλυβα σε σκυρόδεµα χωρίς χλωριόντα και κοινού χάλυβα σε σκυρόδεµα µε χλωριόντα της τάξεως του 3% ανέρχεται σε 10-11 ma/m 2 στην περίπτωση του γαλβανικού στοιχείου κοινού χάλυβα σε σκυρόδεµα χωρίς χλωριόντα και ανοξείδωτου χάλυβα σε σκυρόδεµα µε 3 % χλωριόντα ανέρχεται σε 2-3 ma/m 2. Οι διαπιστώσεις αυτές υποδεικνύουν ότι δεν υφίσταται κίνδυνος αύξησης της διάβρωσης από το γαλβανικό µακροστοιχείο στην περίπτωση του ανοξείδωτου χάλυβα (Nuernberger U., 2005). Σε περίπτωση όµως όπου ο ανοξείδωτος χάλυβας θερµανθεί στους 700 0 C λόγω συγκολλήσεως τότε η πυκνότητα ρεύµατος στο γαλβανικό στοιχείο µεταξύ συµβατικού χάλυβα σε σκυρόδεµα χωρίς χλωριόντα και ανοξείδωτου χάλυβα σε σκυρόδεµα µε 3 % χλωριόντα η πυκνότητα ρεύµατος ανέρχεται σε 13-14 ma/m 2. Εποµένως η συγκόλληση ανοξείδωτου χάλυβα στην περίπτωση αυτή θα πρέπει να αποφεύγεται τουλάχιστον µέχρις ότου υπάρξουν µελέτες µακροχρόνιας συµπεριφοράς. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ. Από την παρούσα εργασία εξάγονται τα ακόλουθα συµπεράσµατα:! Κοινό χαρακτηριστικό σε όλες τις περιπτώσεις ανοξείδωτων χαλύβων οπλισµού, µε διάκριση ως προς την µέθοδο παραγωγής τους, είναι η υψηλή ολκιµότητα, όπως αυτή αποδίδεται από τις παραµέτρους Αgt και Rm/Re.! Κατάλληλος συνδυασµός χηµικής σύστασης και διεργασίας παραγωγής, παρέχει την δυνατότητα παραγωγής κατηγοριών ποιότητας µε µηχανικές ιδιότητες εντός των ορίων που ισχύουν για τους κοινούς ανθρακούχους χάλυβες.! Ο ρυθµός διάβρωσης στο σκυρόδεµα, του ανοξείδωτου χάλυβα κατηγορίας AISI 304 που προέρχεται από έντονη ψυχρή διαµόρφωση, ακόµη και στην περίπτωση όπου τα χλωριόντα µπορούν να φθάσουν εντός του σκυροδέµατος ακόµη και σε υψηλές συγκεντρώσεις είναι εξαιρετικά µικρός.! Ο σχηµατισµός γαλβανικού στοιχείου µεταξύ συµβατικού χάλυβα σε σκυρόδεµα χωρίς χλωριόντα και ανοξείδωτου χάλυβα σε σκυρόδεµα µε σηµαντικά υψηλή περιεκτικότητα χλωριόντων δεν δηµιουργεί προβλήµατα από την αύξηση της διάβρωσης.! Η συγκόλληση των ανοξείδωτων χαλύβων σε περιπτώσεις όπου είναι δυνατή η υψηλή συγκέντρωση χλωριόντων καλόν είναι να αποφεύγεται. 5. ΑΝΑΦΟΡΕΣ. Batis G., A. Routoulas, Rakanta E., 2003, «Effects of migrating inhibitors on corrosion of reinforcing steel covered with repair mortar», Cement and Concrete Composites, Vol. 25, pp 109-115. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 10

Blanco G., Bautista A., Takenouti, 2006, EIS study of austenitic and duplex stailess steels reiforcements in simulated pore solutions, Cement and Concrete Composites, Vol. 28, pp 212-219. Broomfield P. J., 1997, Corrosion of steel in concrete, Understanding, investigation and repair E & FN SPON, Salisbury, pp 211-212. Cramer S. D., Covino B. S. Jr, Bullard S. J., Holomb G. R., Russel J. H., Nelson F. J. Laylor H. M., Soltesz S.M., 2002, Corrosion prevention and remediation strategies for reinforced concrete coastal bridges Cement and Concrete Composites, 24, pp 101-117 ΕΛΟΤ 1421, Μέρος 3, «Χάλυβες οπλισµού σκυροδέµατος, κατηγορίας B500C», 2005. Gardner L., 2005, The use of stainless steel in structures, Prog. Struct. Engng. Mater., Vol. 7, pp 45-55. Luca BERTOLINI, Bernhard ELSENER, Pietro PEDEFFERI, Rob P. POLDER, 2004, «Corrosion of steel in concrete», p.p 203-205. Material and methods for corrosion control of reinforced and prestressed concrete structures in new constructions, Federal highway administration of U.S Department of Transportation, 2000, p.p 43-44. Nuernberger U., 1991, Korrosionschutz im Massivbau, Expert Verlag, Boeblingen, pp 116-118. Nuernberger U., 2005, Stainless steel reinforcement A survey, Otto-Graf-Journal, Vol. 16, pp 111-138. Ping Gu, S. Eliot, J.J. Beaudoin, B. Arsenault, 1996, Corrosion resistance of Stainless steel in chloride contaminated concrete Cement and Concrete Research, Vol. 26, No 8, pp 1151-1156. 15ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, Αλεξανδρούπολη, 25-27 Οκτωβρίου, 2006 11