Co je testování obsahu chloridů v betonu?

Testování obsahu chloridů je kvantitativní chemická analýza betonu, aby se určila koncentrace chloridových ionů přítomných v cementové matrici. Toto testování se provádí na vzorcích sbíraných z betonových struktur, především mostových desk, parkovacích garáží, marinských struktur a letištních vozovk, aby se posoudilo riziko chloridové indukované korozie vložené ocelové výztuže. Chloridové iony, když jsou přítomny na ocel-betonovém interfejsu nad kritickou koncentrací, zničují ochranný pasivní oxidový vrstvu, která normálně ščití výztužní ocel od korozie, iniciujíc elektrochemický proces, který produkuje expanzivní rdzové produkty, trhliny betonu, odprýskávání a nakonec strukturální deterioraci. Test generuje data vyjádřená jako koncentrace chloridů jako procento váhy cementového materiálu nebo váhy betonu, vykreslená proti hloubce od površiny, tvoříc chloridový profil, který odkrývá oba aktuální riziko korozie a rychlost, s jakou chloridy penetrují pokryvný beton.

Celkový chlorid vs. volný (vodový) chlorid

Rozlišení mezi celkovým chloridem (kyselinový) a volným chloridem (vodový) je fundamentální pro interpretaci výsledků testování obsahu chloridů a provádění posouzení rizika korozie. Dvě měření se liší v tom, jaký frakci celkové populacii chloridů v betonu extrahují a kvantifikují, a každá poskytuje jiný perspektiv na riziko korozie.

Celkový chlorid (kyselinový chlorid) se určuje digescí práškového betonového vzorku v horké nitrové kiselině, která kompletně rozpouští cementovou matricu a uvolňuje všechny chloridové iony, oba ty volně rozpuštěné v pórovém roztoku a ty chemicky svázané v hydratacích produktech jako Friedelova sůl (3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O). Měření se provádí podle ASTM C1152 (Standardní testová metoda pro kyselinový chlorid v maltě a betonu) nebo AASHTO T260 Procedura A. Celkový chlorid reprezentuje maximální množství chloridu, které by potencionálně mohlo stát dostupným k způsobení korozie, pokud svázané chloridy se uvolní přes karbonatizaci, změny v chemii pórového roztoku nebo jiné mechanismy. Celkový obsah chloridů je vždy vyšší než volný obsah chloridů, typicky faktorem 1,25 až 1,4, ačkoli tento poměr varíruje s typem cementu, w/cm poměrem, podmínkami zrání a přítomností suplementárních cementových materiálů jako letný popel nebo šlaka, které zvyšují kapacitu svázání chloridů.

Volný chlorid (vodový chlorid) se určuje vřetím práškového betonového vzorku v destilované vodě pět minut, poté se nechá stát 24 hodin před filtrací a analýzou podle ASTM C1218. Tato extrakce rozpouští pouze chloridové iony přítomné v pórovém roztoku, frakci, která je bezprostředně dostupná k depasivaci ocelové výztuže. Vodový chlorid je přímo indikátor aktuálního rizika korozie, protože pouze volné iony mohou partizipovat v elektrochemické korozní reakci na ocelové površině. Avšak měření vodového chloridu je citlivější na detaily přípravy vzorku, extrakcí teplotu a poměr vody k vzorku, a může podcenit riziko korozie, pokud svázané chloridy se uvolní s časem, jak beton stárne nebo karbonatizuje.

Z perspektivy korozní vědy, co je důležné, je koncentrace volných chloridových ionů na ocelové površině relativně k koncentraci hydroxidových ionů v pórovém roztoku, vyjádřená jako [Cl⁻]/[OH⁻] poměr. Pasivní vrstva na oceli zůstává stabilní, když [Cl⁻]/[OH⁻] poměr je pod přibližně 0,6, ačkoli tento práh varíruje s složením oceli, teplotou a stavem površiny. Vyjádření obsahu chloridů jako procento váhy cementových materiálů je praktická simplifikace, která vyhýbá potřebě extrahovat a analyzovat pórový roztok bezprostředně.

Korozní práh

Korozní práh (také nazývaný kritický obsah chloridů nebo chloridový práhová úroveň, CTL) je koncentrace chloridů na ocel-betonovém interfejsu, která je dostatečná, aby rozrušila pasivní oxidový vrstvu a iniciovala aktivní korozí. Tento práh není jediná universální hodnota, je statistická distribuce ovlivněná mnoha interagujícím parametry včetně pH betonu, složením cementu, poměrem voda-cement, podmínkami zrání, obsahem vlhkosti, teplotou, stavem ocelové površiny (přítomnost mlýnové skály, rdze nebo površinových imperfekcí) a dostupností kyslíku na katodě.

Pro konvencionální ocelovou výztuž v portlandském cementovém betonu, obecně přijatý korozní práh se pohybuje od 0,2% do 0,4% celkového chloridu váhy cementu (přibližně 0,03–0,06% váhy betonu). Když vyjádřený jako vodový chlorid, práh je typicky 75–80% těchto hodnot, nebo přibližně 0,06% do 0,10% vodového chloridu váhy cementu. Americký betonový institut (ACI) 222R (Ochrana metalů v betonu proti korozii) specifikuje maximální dovolené limity 0,08% celkového chloridu nebo 0,06% vodového chloridu váhy cementu pro předpjatý beton, a 0,15% celkového chloridu nebo 0,10% vodového chloridu pro armovaný beton v korozních okolích.

FHWA (Federalní úřad pro cesty) publikoval extensivní literární přehledy na chloridové práhové hodnoty, notujíc, že uváděné hodnoty z laboratorních studií se pohybují od 0,04% do 2,5% váhy cementu, závisně na testových podmínkách a definicii iniciacii korozie. Polní studie na aktuálních mostových strukturách ukazují práhy obecně v rozsahu 1,2 lb/yd³ (0,71 kg/m³) pro konvencionální výztuž, ekvivalentní přibližně 0,2% váhy cementu nebo 0,03% váhy betonu, předpokládajíc 600 lb cementu na kubický yard normálního vážného betonu.

Pro předpjatou ocel a post-napjaté tendony, dovolené chloridové limity jsou signifikantně nižší kvůli vyššímu napjatému stavu a redukované toleranci pro korozní poškození. AASHTO LRFD Mostové konstrukcí specifikace a Post-Tensioning Institute (PTI) M55.01-03 oba limitují celkový chlorid na 0,08% váhy cementového materiálu pro grout. Evropská norma EN 447 dovoluje 0,10% váhy cementu pro grout. Tyto limity jsou, proč rigorózní testování chloridů je mandatorní pro groutové materiály v post-napjaté mostové konstrukci.

Korozní práh je často vyjádřený v mnoha způsobech v kodech a specifikacích:

Vzorkování (vrtný prášek v hloubkových přírůstcích)

Vzorkování chloridů je jeden z nejkritičnějších kroků v celém testovém procesu, protože kvalita analytického výsledku nemůže překročit kvalitu vzorku, z kterého je derivován. Nepropérné vzorkování, křížová kontaminace mezi hloubkovými přírůstcimi, nedostatečná masa vzorku, vzorkování příliš blízko trhlin nebo delaminací, nebo vzorkování z mokrých nebo kontaminovaných površin, produkuje výsledky, které jsou nespolehlivé bez ohledu na sofistikaci laboratorní analýzy.

Standardní metoda vzorkování pro chloridový profil je rotacní kladivový vrtání 1-palcových (25 mm) diametrových otvorů v předurčených hloubkových přírůstcích. Procedura, kodifikovaná v AASHTO T260 a detailizovaná v státově specifikkých protokolech jako Idaho IR-128, zahrnuje následující kroky. Prvně, mreža vzorkovacích lokací se ustanoví na minimální hustotě jedné vzorkovací lokace na 1 000 čtverečných stop (100 m²) s minimumem tří lokací na mostovou desku. Lokace se vybírají na punktech pravděpodobné vysoké koncentrace chloridů, linie kurbu, linie žlábku, nižší strana super-elevovaných desk a oblasti přilegující expanzionálním spojům, kde deicingová solová voda se akumuluje. Vzorky se ne sbírají na lokacích, kde delaminace, odprýskávání nebo patching již nastal, protože korozie na těch lokacích je již očividná.

Na každé vzorkovací lokaci se vrtají tři otvory v 6-palcovém (150 mm) diametrovém kruhu, aby se získala dostatečná masa prášku. Rotacní kladiv s 1-palcovým (25 mm) karbidovým špicem vybaveným interchangabelnými hloubkovými rukávami řídí hloubku vrtání pro každý přírůstek. Površina se prvně skarifikuje přibližně ¼ palce (6 mm) hlouboko, aby se odstranila površinová špina a sůl, která by mohla produkovat chybně vysoké čtení. Skarifikovaný materiál se odhazuje. Otvory se vyčistí komprimovaným vzduchem mezi každým hloubkovým přírůstkem.

Standardní hloubkové přírůstky jsou typicky ½ palce (15 mm), s nominálními vzorkovacími hloubkami ¼–¾ palce (6–19 mm) pro površinový přírůstek, ¾–1¼ palce (19–32 mm) pro druhý přírůstek, 1¼–1¾ palce (32–44 mm) pro třetí, a kontinuujíc v ½-palcových přírůstcích do maximální vzorkovací hloubky, která by měla extendovat nejméně ½ palce pod hloubku výztuže. FHWA Long-Term Bridge Performance (LTBP) Protokol FLD-DC-MS-004 specifikuje šest hloubkových přírůstků pro chloridový profil mostové desky, s površinovým přírůstkem na 0,25–0,75 palce používaným jako řídící koncentrace chloridů (C₀) pro difuzní kalkulace.

Každý práškový vzorek, přibližně 15 gramů nebo 20-dramová vialka naplněná třemi čtvrtinami, se sbírá v labelovaném plastikovém vialku pomocí čisté vzorkovací lžičky. Vrtný špic, hloubkový rukáv a vzorkovací lžička se čistí mezi hloubkovými přírůstcimi pomocí nylonové ščetky, papírových ručníků a 2-propanolu (isopropylového alkoholu), aby se zabránila křížová kontaminace. Tři otvory se poté extendují do následujícího hloubkového přírůstku pomocí následujícího hloubkového rukávu, a proces se repetuje. Kompletní vzorkování na jedné lokaci trvá přibližně 30–60 minut závisně na počtu hloubkových přírůstků a tvrdosti betonu.

Alternativní metoda vzorkování je extrakce jader podle ASTM C42, následovaná řezáním jader v hloubkové přírůstky v laboratoři. FHWA LTBP protokol používá 2,5-palcové diametrové jadra pro chloridový profil, s top 3 palce jadra dedikovanými pro chloridovou analýzu. Jadra se řežou v ½-palcové tlusté řezy odpovídající stejným hloubkovým přírůstkům používaným pro práškové vzorkování. Jadrová metoda poskytuje více materiálu pro analýzu a umožňuje vizuální examinaci betonu na každé hloubce, ale je více labor-intenzivná a zanechává otvor, který musí být patchován.

Testové metody

Obsah chloridů v betonu se určuje několika analytickými metodami, které se liší v přesnosti, rychlosti, nákladech a vybavení. Výběr metody závisí na požadované úrovni precizie, počtu vzorků k analýze, polních versus laboratorních podmínkách a aplikabelných normách.

Potenciometrická titrace

Potenciometrická titrace je referenční standardní metoda pro určení chloridů v betonu a je specifikovaná jako primární metoda v ASTM C1152 a AASHTO T260 Procedura A. Metoda zahrnuje extrakci chloridů z váženého práškového betonového vzorku (typicky 3–10 g) digescí v horké nitrové kiselině (pro celkový chlorid) nebo horké vodě (pro vodový chlorid). Filtrovaný extrakt se poté titruje standardním roztokem stříbrného nitrátu (AgNO₃) při monitorování potencionálního rozdílu mezi stříbrným billetovým elektrodem a referenčním elektrodem pomocí milivoltového metru.

Titrace proceduje reakcí: Ag⁺ (z AgNO₃) + Cl⁻ (ze vzorku) → AgCl (precipitat). Jak stříbrný nitrát se přidává inkrementálně, koncentrace stříbrných ionů v roztoku zůstává velmi nízká, dokud chloridové iony jsou přítomny. Když všechen chlorid precipituje jako stříbrný chlorid, první exces stříbrných ionů produkuje ostrý nárůst potencionálu na elektrodu, definujíc ekvivalentní punkt. Objem stříbrného nitrátového titrantu konzumovaného k dosažení ekvivalentního punktu je bezprostředně proporcionální obsahu chloridů vzorku. Konec se identifikuje vykreslením první derivace (ΔE/ΔV) nebo druhé derivace (Δ²E/ΔV²) titracní křivky a lokací inflexního punktu.

Moderní automatizované titracní systémy, jako ty z Metrohm, Mettler Toledo nebo Hanna Instruments, provádí titraci a detekci konce automaticky, ukládajíc potenciometrická data pro asuranci kvality. FHWA LTBP protokol vyžaduje retenci detailních titracních rekordů včetně kalibracních standardů, blankových korekcí a plného logu inkrementálního přidání titrantu s odpovídajícím čtením napětí. Automatizované systémy typicky dosahují precizie ±0,001% chloridu váhy vzorku.

Quantab Chloridové Titratorové Pásky

Quantab metoda (také nazývaná Quantab chloridové titratorové pásky) je simplifikovaný polní test pro estimaci obsahu chloridů v betonu bez laboratorního vybavení. Metoda je deskribována v Transportation Research Record 1347 (Measuring the Chloride Content of Concrete, 1992) a zahrnuje následující proceduru. 5 g vzorek práškového betonu se digeruje v 50 mL 1N nitrové kiseliny, nechá se stát s okazionálním mícháním, a poté filtruje přes filtrový papír. Quantab pásek, plochý kapilárný sloupec impregnovaný stříbrným dichromátem, se umístí vertikálně v filtrátu.

Roztok stoupá v kapiláře kapilárním akcí, a stříbrné iony reagují s chloridem, tvoříc bílý stříbrný chloridový precipitat. Jak precipitat formuje, blokuje kapiláru, a výška barvové změny od žluté do bílé se čítá proti kalibrované skále tisknuté na pásku. Čtení se konvertuje na koncentraci chloridů pomocí kalibracní tabulky poskytnuté výrobcem (Hach Company).

Quantab metoda nabízí signifikantní výhody pro polní screening: je jednoduchá k provádění, vyžaduje žádnou elektrickou moc nebo sofistikované vybavení, produkuje výsledky v 15–45 minutách, a má výrobcem certifikovanou přesnost ±10% měřené hodnoty. Je široce používaná státními DOTy pro rychlý screening chloridů mostových desk, aby se identifikovaly oblasti vyžadující detailnější laboratorní testování. Avšak metoda je méně precizní než potenciometrická titrace, zvláště při velmi nízkých koncentracích chloridů blízko detekčního limitu, a je susceptibilná na interferenci od bromidových nebo jodidových ionů, pokud jsou přítomny. Je vhodná pro screening, ale ne pro finální akceptaci nebo forenzická určení, kde regulatórní limity jsou v issue.

Rentgenová Fluorescenční (XRF) Spektrometrie

Rentgenová fluorescenční spektrometrie je advancovaná instrumentální metoda, která nabízí potencionál pro rychlou, nedestruktivní analýzu chloridů v obou laboratorních a polních podmínkách. Technika zahrnuje irradiaci vzorku vysokoenergetickými rentgenovými zraky, které způsobují atomy v vzorku emitovat sekundární (fluorescenční) rentgenové zraky na charakteristických energiích pro každý element. Měřicí intenzitu chlorové Kα fluorescenční linie na 2,62 keV, koncentrace chloridů v vzorku může být kvantifikována.

Ruční XRF (hXRF) analyzátory, jako Olympus Innov-X Delta nebo Bruker S1 Titan, byly kalibrovány pro kvantifikaci chloridů v cementových materiálech. Studie Chinchón-Payá et al. (2021) publikovaná v Materials demonstrovala, že hXRF může akuratně kvantifikovat chloridové iony v betonu s korekcním faktorem 1,16, když kalibrována proti potenciometrickým titracním výsledkům. hXRF metoda může být aplikována bezprostředně na betonové površiny in situ nebo na práškové vzorky v laboratoři. Pro in situ měření, hXRF se umístí proti brusené betonové površině, a 60–120 sekundové měření poskytuje elementární spektrum, z kterého se kalkuluje koncentrace chloridů. Pro práškové vzorky, vzorek se umístí v cylindrickém držáku a analyzuje na pracovním stolu.

Mikro-XRF (μXRF) instrumenty poskytují dodatečnou kapacitu mapování distribuce chloridů přes površinu vzorku na milimetrové nebo sub-milimetrové prostorové rezoluci. Tato technika, deskribovaná v výzkumu z Malvern Panalytical a Bruker, umožňuje vizualizaci chloridových penetracních frontů, detekci lokalizovaných chloridových hotspotů blízko trhlin nebo defektů a korelaci distribuce chloridů s agregátovými partikuly a vzduchovými pórami. Technika poskytuje informaci, kterou bulk titracní metody nemohou odkrýt. Avšak oba hXRF a μXRF vyžadují opatrné kalibraci pomocí matricově přizpůsobených standardů, a detekční limit pro chlor (přibližně 0,01–0,02% váhy) je vyšší než pro titracní metody.

Porovnání testových metod

Chloridový profil (koncentrace vs. hloubka)

Chloridový profil je grafická reprezentace koncentrace chloridů vykreslená proti hloubce od betonové površiny. Je to nejinformativnější výstup testování chloridů, protože odkrývá nejen, zda chloridy dosáhly výztuže v koncentraci nad práhem, ale také rychlost, s jakou chloridy penetrují beton, površinový expozicní stav a resistenci betonu proti vniku chloridů.

Profil se konstruuje analyzujíc obsah chloridů na každém diskretním hloubkovém přírůstku, typicky šest až osm přírůstků přes top 2–3 palce (50–75 mm) betonu. Data punkty se vykreslují jako koncentrace chloridů (v % váhy cementového materiálu, % váhy betonu nebo kg/m³) na y-osi proti hloubce od površiny (v mm nebo palcích) na x-osi. Charakteristický tvar chloridového profilu v zdravém betonu ukazuje nejvyšší koncentraci na površině (typicky 0,3–1,0% váhy betonu pro mostové desky expozované deicingovým solům) a klesajíc koncentraci s rostoucí hloubkou, asymptoticky přibližujíc se k pozadové úrovni chloridů v hloubkách za penetracním frontem.

Fickův druhý zákon difuzie je fundamentální transportní model používaný k interpretaci chloridových profilů:

∂C/∂t = D × (∂²C/∂x²)

kde C je koncentrace chloridů v hloubce x a čase t, a D je difuzní koeficient. Řešení této rovnice pro stabilní podmínky s konstantní površinovou koncentrací a semi-infinitním médiem je:

C(x,t) = C₀ × erfc[x / (2 × √(Dₐ × t))]

kde C(x,t) je koncentrace chloridů v hloubce x a čase t, C₀ je površinová koncentrace chloridů, erfc je komplementární chybová funkce, Dₐ je zřejmý difuzní koeficient chloridů, a t je expozicní čas. Nelineární regresní analýza se provádí na měřených datech profilu, aby se řešilo pro C₀ a Dₐ.

Zřejmý difuzní koeficient chloridů (Dₐ) je klíčový durabilitní parametr. Deskribuje rychlost, s jakou chloridové iony pohybují se přes betonový pokryv difuzí pod vládajícím koncentracním gradientem. Typické Dₐ hodnoty pro mostové deskové betony se pohybují od 1 × 10⁻¹² m²/s pro vysoko-kvalitní, nízko-w/cm beton do 1 × 10⁻¹¹ m²/s pro více permeabelný beton. Difuzní koeficient není pravý materiálový konstant, klesá s časem, jak kontinuovaná hydratace refínuje pórovou strukturu, efekt zachycený stárním faktorem (m) v modelech životní služby jako Life-365 a STADIUM.

Površinová koncentrace chloridů (C₀) není aktuální koncentrace na bezprostřední površině, ale raději zpětně kalkulovaná koncentrace na površině z regresního fitu. Typicky se pohybuje od 0,3% do 1,5% váhy betonu pro mostové desky v deicingových solových okolích, závisně na závažnosti expozice, frekvenci aplikace soli a drenážních podmínkách. C₀ roste s časem, jak chloridy se akumulují z repetovaných aplikací.

Dobře konstruovaný chloridový profil umožňuje inženýru určit tři kritické parametry pro posouzení rizika korozie: koncentraci chloridů v hloubce výztuže, získanou interpolací profilu v měřené hloubce betonového pokryvu, kritickou hloubku, hloubku, při které koncentrace chloridů rovná korozní práh, pod kterou beton je ještě chlorid-volný, a čas do iniciacii korozie, estimovaný řešením Fickova druhého zákona pomocí měřených Dₐ, C₀, hloubky pokryvu a předpokládaného korozního práhu.

Interpretace a riziko korozie

Interpretace dat obsahu chloridů sleduje strukturovaný rozhodovací rámec, který integruje chloridový profil s jinými daty posouzení stavu, hloubkou betonového pokryvu, mapováním polovičného potencionálu, měřením rychlosti korozie, resistivitou betonu a vizuální inspekci. Cílem je odpovědět na čtyři otázky: Je koroze aktuálně nastávajíc? Jak závažná je? Bude kontinuovat nebo akcelerovat? A jaká intervence, pokud nějaká, je potřebná?

První úroveň interpretace je bezprostřední porovnání měřené koncentrace chloridů v hloubce výztuže proti aplikabelnému koroznímu práhu. Pokud koncentrace chloridů v hloubce výztuže překračuje práh, aktivní koroze je pravděpodobná, pokud kyslík a vlhkost jsou také dostupné na katodě. Pokud koncentrace je pod práhem, iniciacie korozie je nepravděpodobná v současnosti, ale zbyvající čas do iniciacii musí být estimován z difuzních parametrů.

Druhá úroveň interpretace používá plný chloridový profil, aby estimovala rychlost vniku chloridů. Profil ukazující strmý koncentracní gradient (vysoká površinová koncentrace, nízka koncentrace v hloubce) s dobře definovaným penetracním frontem indikuje beton s dobrou resistenci proti vniku chloridů, kde difuzie je pomalá a životní služba proti chloridové indukované korozii je očekávaná být dlouhá. Profil ukazující plochý gradient s signifikantním chloridem na všech hloubkách indikuje buď vysoce permeabelný beton (vysoký Dₐ) nebo dlouhý expozicní period, kde chloridy měly čas penetrovat hlouboko. Tvar profilu také odkrývá, zda beton je v difuzí-dominovaném režimu (profil sleduje erfc funkci hladce) nebo zda dodatečné transportní mechanismy jako kapilární sání, wicking nebo tlakem řídý tok jsou aktivní (indikováno anomaliemi profilu nebo náhlými změnami v sklonu).

Třetí úroveň interpretace integruje chloridová data s elektrochemickými měřeními. Mapování polovičného potencionálu (ASTM C876) identifikuje oblasti, kde korozní potencionál oceli je více negativní než -350 mV vs. Cu/CuSO₄, indikujíc vysokou pravděpodobnost aktivní korozie. Měření rychlosti korozie (lineární polarizacní resistence nebo galvanostatické pulsové techniky) kvantifikuje rychlost ztráty metalu v μm/rok nebo mA/m², rozlišujíc aktivní korozí od pasivity. Resistivita betonu (Wennerova čtyř-probová metoda) identifikuje oblasti, kde beton je dostatečně konduktivní, aby podporoval korozní tok, nízka resistivita (< 20 kΩ·cm) podporuje vysoké rychlosti korozie, zatímco vysoká resistivita (> 100 kΩ·cm) limituje korozí, i když chloridy jsou přítomny. Když vysoká koncentrace chloridů v hloubce výztuže je nalezena v lokaci s korozním potencionálem více negativním než -350 mV a rychlostí korozie nad 0,1 μm/rok, aktivní koroze je potvrdena a reparatórní intervence je indikovana.

Chlorid v hloubce výztuže

Koncentrace chloridů v hloubce výztuže je jediný nejdůležitější parametr pro posouzení rizika korozie, protože reprezentuje aktuální chemický stav na ocelové površině, kde iniciacie korozie nastává. Tato hodnota není měřena bezprostředně, výztuž není nikdy expozována pro vzorkování, ale je určena interpolací chloridového profilu v měřené hloubce betonového pokryvu.

Hloubka betonového pokryvu se měří pokryvovým metrem (pachometrem), který používá elektromagnetickou indukci, aby lokalizoval výztuž a měřil hloubku betonu nad pruty. V mostových deskách, typické hloubky pokryvu se pohybují od 1,5 do 3,0 palců (38–75 mm) závisně na originálních designových specifikacích a konstrukcích tolerancích. AASHTO LRFD Mostové designové specifikace vyžadují minimální pokryv 2,5 palce pro mostové desky v korozních okolích. Avšak aktuální pokryv často varíruje signifikantně od designových hodnot kvůli konstrukcím tolerancím, chybám v umístění prutů a nepravidelnostem betonové površiny. Z tohoto důvodu, pokryv musí být měřen na každé chloridové vzorkovací lokaci, ne brán z designových výkresů.

Interpolace koncentrace chloridů v hloubce výztuže se provádí fitováním regresní křivky (typicky Fickův difuzní model nebo polynomická funkce) na měřená data profilu a evaluací fitované funkce v hloubce pokryvu. Napríklad, pokud hloubka pokryvu je 2,0 palce a chloridová data profilu jsou dostupné v hloubkách 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 a 2,5 palce, koncentrace chloridů na 2,0 palce se čítá bezprostředně. Pokud hloubka pokryvu padá mezi dvě měřené přírůstky, lineární interpolace mezi dvěma hraničnými punkty se používá.

Když koncentrace chloridů v hloubce výztuže překračuje práh, korozní proces může již být aktivní nebo může iniciovat v blízkej budoucnosti závisně na rychlosti dodatečného vniku chloridů a vlhkostních podmínkách. Čas od překročení práhu do viditelného poškození (trhliny, odprýskávání) závisí na rychlosti korozie, která zase závisí na dostupnosti kyslíku, vlhkosti a ionické konduktivity. Tato korozní propagacní fáze může pohybovat se od 5 do 20 let pro typické mostové deskové podmínky. Pro předpjaté nebo post-napjaté struktury, propagacní fáze může být mnohem kratší, protože vysoké napjato napětí akceleruje růst trhlin, jak korozní píty formují.

Testování chloridů v mostových deskách

Mostové desky jsou nejobvyklejší infrastrukturní komponent podrobený rutinnému testování obsahu chloridů, protože jsou bezprostředně expozovány deicingovým solům aplikovaným během zimní údržbové operace. V Spojených státách, přes 60 milionů metrických ton deicingové soli (primárně sodného chloridu) se aplikuje na cesty ročně. Signifikantní část této soli se rozpouští v odtokové vodě, špláchá na mostové desky a penetruje betonovou površinu přes pórovou mikrostrukturu desky a přes trhliny. Přes typický mostový deskový životní službu 40–75 let, koncentrace chloridů v hloubce výztuže může dosáhnout několikrát korozní práh, vedouc k široce rozšírené korozní indukované deterioraci, která je jediný největší údržbový náklad pro cestové agentury.

FHWA Long-Term Bridge Performance (LTBP) Program vyvinul standardizované protokoly pro testování chloridů mostových desk, kodifikované v Protokolu FLD-DC-MS-004 (Vzorkování a testování pro chloridové profily). Protokol specifikuje: diametr jadra 2,5 palce, šest hloubkových přírůstků 0,5 palce každý od površiny do 3,0 palce, površinový přírůstek (0,25–0,75 palce) používaný jako řídící koncentrace chloridů C₀ pro difuzní kalkulace, analýzu podle AASHTO T260 Procedura A, a titraci vzorků v pořádku očekávané rostoucí koncentrace chloridů (nejhloubší k nejmělčí), aby se minimalizovala křížová kontaminace.

Státní DOTy vyvinuly dodatečnou guidanci pro testování chloridů mostových desk. Idaho IR-128 standardní praxe vyžaduje minimum jedné vzorkovací lokace na 1 000 čtverečných stop s minimumem tří lokací na desku, s vzorky koncentrovanými na kurbových liniích a nízké straně super-elevovaných desk. Protokol zdůrazňuje čistění vzorkovací oblasti, skarifikaci površiny před prvním hloubkovým přírůstkem a čistění všeho vybavení mezi přírůstcimi 2-propanolem.

Florida DOT specifikuje maximální dovolený obsah chloridů 0,40 lb/yd³ (0,24 kg/m³) pro nový mostový deskový beton, který je ekvivalentní přibližně 0,067% váhy cementu, předpokládajíc 600 lb cementu na kubický yard. Tento limit je konzistentní s AASHTO limitem 0,08% celkového chloridu váhy cementového materiálu pro předpjatý beton.

Testování chloridů mostových desk je nejcennější, když kombinováno s mapováním polovičného potencionálu a řetězovým drag delaminacním průzkem. Kombinace těchto tří metod posouzení stavu poskytuje komprehensivní posouzení rizika korozie: testování chloridů identifikuje chemický stav (chlorid dostupný k iniciaci korozie), polovičný potencionál identifikuje elektrochemický stav (je koroze nastávajíc nyní?), a řetězový drag identifikuje fyzickou konsekvenci (produkovala koroze delaminaci?). Když všechny tři indikátory jsou pozitivní na stejné lokaci, aktivní koroze s strukturálním poškozením je potvrdena a reparace je urgentní.

Normy (ASTM C1152, C1218, AASHTO T260)

Testování obsahu chloridů betonu je řídeno suitem národních a internacionalních norm, které definují procedury vzorkování, analytické metody, kalkulace a požadavky reportování. Tři primární normy v Severní Americe jsou deskribovány níže.

ASTM C1152, Standardní testová metoda pro kyselinový chlorid v maltě a betonu. Tato testová metoda pokrývá určení celkového chloridu (kyselinového chloridu) v tvrdené maltě a betonu. Práškový vzorek procházející 850 μm (No. 20) síto se digeruje v horké nitrové kiselině (HNO₃ na přibližně 20% koncentraci) nejméně 30 minut. Horká kiselová digesce zajišťuje kompletní rozpouštění všech chloridových fáz včetně Friedelovy soli a jakéhokoli svázaného chloridu v hydratacích produktech. Roztok se filtruje, a filtrát se titruje potenciometrický standardním roztokem stříbrného nitrátu (0,05N nebo 0,1N AgNO₃). Výsledek se kalkuluje jako procento chloridu váhy vzorku, a může být konvertován na procento váhy cementového materiálu, pokud cementový obsah betonu je známý. Precizie metody, založená na interlaboratorním testování, má multilaboratorní koeficient varíace přibližně 6,5% na obsahu chloridů 0,10% váhy.

ASTM C1218, Standardní testová metoda pro vodový chlorid v maltě a betonu. Tato testová metoda pokrývá určení volného chloridu (vodového chloridu) v tvrdené maltě a betonu. Práškový vzorek se vře v destilované vodě pět minut, poté se nechá stát 24 hodin při pokojové teplotě. Vodová extrakce rozpouští pouze chlorid přítomný v pórovém roztoku, frakci bezprostředně dostupný k partizipaci v korozii. Extrakt se filtruje a titruje potenciometrický standardním stříbrným nitrátem. Vodový obsah chloridů je typicky 70–80% kyselinového obsahu chloridů, ačkoli tento poměr varíruje s typem cementu a kapacitou svázání chloridů. ASTM C1218 je méně obvykle specifikovaná pro forenzická vyšetření, protože vodová extrakce je citlivější na rukování vzorkem, extrakcí podmínky a filtracní procedury.

AASHTO T260, Vzorkování a testování chloridových ionů v betonu a betonových surových materiálech. Toto je primární norma řídící oba procedury vzorkování a testování v americkém cestovém průmyslu. AASHTO T260 je referencována prakticky všemi státními DOT specifikacimi pro testování chloridů mostových desk. Norma zahrnuje: Proceduru A, potenciometrická titrace (esenciálně ekvivalentní ASTM C1152 pro určení kyselinového chloridu), Proceduru B, atomová absorpční spektrofotometrie, která je ještě uznávaná jako validní metoda, ačkoli méně obvykle používaná komerciálními laboratořemi, detailní procedury pro vzorkování včetně vrtání, řízení hloubky, sbírání vzorků a prevenci křížové kontaminace, kalkulacní metody pro vyjádření výsledků jako procento váhy vzorku, procento váhy cementového materiálu nebo kg/m³, požadavky řízení kvality včetně duplikatových analýz a blankových korekcí, a požadavky reportování včetně identifikace vzorku, hloubkových přírůstků a laboratorních dat asurance kvality.

AASHTO LRFD Mostové konstrukcí specifikace (Sekce 10, Tabela 10.9.3.2) limitují celkový chlorid v groutu na 0,08% váhy cementového materiálu, referencujíc AASHTO T260 a ASTM C1152 pro verifikaci.

Internacionalní normy relevantní pro testování chloridů zahrnují: BS EN 14629:2007, Produkty a systémy pro ochranu a reparaci betonových struktur, Testové metody, Určení obsahu chloridů v tvrdeném betonu, primární evropská norma pro testování chloridového profilu, NT BUILD 443, Beton tvrdený: Akcelerovaná penetrace chloridů, používaná pro určení difuzního koeficientu chloridů imerzí v roztoku sodného chloridu, a ISO 1920-11, Testování betonu, Část 11: Určení resistence betonu proti chloridům, Jednosměrná difuzie, novější internacionalní norma pro testování difuzie chloridů.

Chlorid a údržbové rozhodby

Data obsahu chloridů bezprostředně informují údržbové a reparatórní rozhodby na mnoha úrovních. Relace mezi měřenými úrovněmi chloridů a časováním, rozsahem a typem reparatórní intervence sleduje logický progres od screeningu přes detailní vyšetření do designu reparace.

Úroveň 1, Screening: Na síťové úrovni, rychlý screening pomocí Quantab pásků nebo ručního XRF na limitovaném počtu lokací identifikuje desky nebo sekce vozovky s úrovněmi chloridů nad pozadím. Tento screening prioritizuje struktury pro detailní vyšetření. Napríklad, státní DOT by mohl testovat pět lokací na mostovou desku během bienální inspekce a flagovat každou desku, kde chlorid v hloubce výztuže překračuje 0,02% váhy betonu (polovinu práhu) pro detailní follow-up. Tento screening komplementuje rutinní vizuální inspekci a řetězové drag průzky.

Úroveň 2, Detailní vyšetření: Struktury identifikované v screening fáze podrobují se plnému chloridovému profilování na vyšší hustotě vzorkování (jedna lokace na 500–1 000 čtverečných stop). Profily se používají k kalkulaci Dₐ a C₀ pro vstup v modely životní služby jako Life-365, STADIUM nebo FHWA Chloride Exposure Duration Model. Modely estimují zbyvající životní službu, čas, dokud koncentrace chloridů v hloubce výztuže dosáhne práhu, který definuje časové okno pro preventivní údržbu.

Úroveň 3, Design reparace: Na projektové úrovni, chloridové profily definují hloubku odstranění pro reparaci betonu. Pokud chloridy penetrovaly pouze vnější 1 palec pokryvu, částečný-hloubkový patch, který odstraní chlorid-kontaminovaný beton a nahradí ho nízko-permeabelným reparatórním mortarem, je dostatečný. Pokud chloridy penetrovaly do výztuže v koncentracích nad práhem přes širokou oblast, plná-hloubková náhrada desky nebo aplikace elektrochemické extrakce chloridů (ECE) může být potřebná. ACI 222R a ACI 364.1R poskytují guidanci na specifikaci hloubky odstranění založené na chloridových profilech.

Úroveň 4, Preventivní strategie: Pro struktury, kde chloridové profily indikují, že korozní práh nebyl ještě dosažen, ale bude dosažen v oknu životní služby (typicky 10–20 let), preventivní údržbové strategie jsou prioritizovány. Tyto zahrnují aplikaci penetrujících sealerů (silany, siloxany), které redukují vnik vody a chloridů, instalaci katodických ochranných systémů (galvanické nebo impresované toky), které polarizují výztuž, aby zabránily korozii, a elektrochemickou extrakci chloridů (ECE), která aplikuje temporární elektrické pole, aby řídila chloridové iony od výztuže a z betonu.

Nákladové implikace chlorid-informovaných údržbových rozhodb jsou substanciální. Preventivní strategie aplikovaná před iniciací korozie (napr., aplikace sealeru na nákladu $3–$8/ft²) může extendovat životní službu mostové desky o 10–15 let na frakci nákladu reaktivní reparace (částečný-hloubkový patching na $50–$150/ft² nebo plná-hloubková náhrada na $200–$500/ft²). Ekonomická justifikace pro rutinní testování chloridů je kompelling: každý dolar spentý na testování chloridů podporuje údržbové rozhodby, které mohou uščedit $10–50 v odložených nebo vyhnutých reparatórních nákladech.

Řízení kvality a řešení problémů

Spolehlivost dat obsahu chloridů závisí na rigorózním řízení kvality přes celý řetěz vzorkování, rukování a analýzy. Obvyklé zdroje chyb a jejich mitigace jsou:

Křížová kontaminace mezi hloubkovými přírůstcimi: Nejfrekventnější a nejsignifikantnější zdroj chyby v chloridovém profilování. Když vrtá se od mělkých do hloubých přírůstků, prášek z předchozího hloubkového přírůstku, který zůstává na vrtném špicu, v otvorech nebo v vzorkovacích nástrojích, kontaminuje následující, hloubší přírůstek. To produkuje artificiálně vysoké čtení v hloubce. Mitigace vyžaduje důkladné čistění všech nástrojů mezi přírůstcimi 2-propanolem a kompletní odstranění volného prášku z otvorů pomocí komprimovaného vzduchu.

Površinová kontaminace: Betonová površina je typicky silně kontaminována deicingovou solí, špinou a debrisem, který neodrážá obsah chloridů samotného betonu. Mandatorní skarifikace površiny ¼ palce před sbíráním prvního hloubkového přírůstku odstraní tuto kontaminaci. Bez skarifikace, površinový přírůstek čtení může být 2–5 krát vyšší než pravý chloridový obsah betonu.

Nedostatečná velikost vzorku: Každý hloubkový přírůstek musí poskytovat nejméně 10–15 gramů prášku pro spolehlivou analýzu. Jediné 1-palcové diametrové otvory neprodukují dostatečný prášek, tři otvory na hloubkový přírůstek jsou vyžadovány. Pro jadrové vzorky, diametr jadra musí být nejméně třikrát nominální maximální velikost agregátu, aby poskytoval reprezentativní vzorek.

Vlhkostní stav vzorků: Mokré vzorky produkují neakuratní koncentrace chloridů, protože voda diluuje váhový základ vzorku. Vzorky by měly být sušeny v peci na 105°C před vážením a analýzou. FHWA LTBP protokol specifikuje, že práškové betonové vzorky by měly být sušeny na konstantní masu před analýzou.

Matricová interferencia: Některé betonové sastavky mohou interferovat s chloridovou analýzou. Sulfidové iony (z některých agregátů nebo mleté granulované blast-furnace šlaki) mohou reagovat s stříbrným nitrátem, způsobujíc titracní chybu. Bromidové a jodidové iony produkují stejnou precipitační reakci jako chlorid. Tyto interference se řešují použitím potenciometrické titrace, která diferencuje konce potencionálem, nebo zahrnutím předtretového kroku jako přidání peroxidu vodíku, aby oxidovaly sulfidy.

Blankové korekce: Všechny titracní procedury vyžadují blankové určení používajíc stejné reagenty a proceduru, ale bez betonového vzorku. Blanková hodnota, která reprezentuje chlorid přispěný samotnými reagenty, se subtrahuje od čtení vzorku. Blankové hodnoty by měly být méně než 0,005% chloridu váhy vzorku ekvivalentu. Vyšší blanky indikují kontaminaci reagentů.

Laboratorní akreditace: Reputabelné laboratoře testování chloridů drží akreditaci podle ISO/IEC 17025 (Obecné požadavky na kompetenci testovacích a kalibracních laboratoří) a partizipují v programech testování kompetence jako ty administrovany Cement and Concrete Reference Laboratory (CCRL) nebo AASHTO re:source. Florida DOT, napríklad, vyžaduje, že komerciální laboratoře poskytující služby testování chloridů musí být akreditovany Construction Materials Engineering Council (CMEC) pro specifické ASTM nebo AASHTO testové metody.

Relace k jiným metodám posouzení stavu

Testování obsahu chloridů je jedna komponenta komprehensivního posouzení korozního stavu, který typicky zahrnuje několik komplementárních metod. Relace mezi testováním chloridů a jinými metodami posouzení je:

Polovičný potencionál (ASTM C876) měří korozní potencionál výztužní oceli relativně k referenčnímu elektrodu (typicky měď-měďový sulfát). Potencionál více negativní než -350 mV indikuje větší než 90% pravděpodobnost aktivní korozie. Avšak polovičný potencionál samotný nemůže rozlišit mezi korozí způsobenou chloridy versus karbonatizací, a neposkytuje žádnou informaci o rychlosti nebo rozsahu korozního poškození. Testování chloridů přidává příčinovou dimenzi, pokud vysoká koncentrace chloridů koinciduje s negativními potencionály, chloridová indukovaná koroze je potvrdena.

Lineární polarizacní resistence (LPR) a galvanostatické pulsové metody měří korozní tokovou hustotu (i_corr) v μA/cm², která může být konvertována na rychlost ztráty metalu v μm/rok pomocí Faradayova zákona. Korozní rychlosti pod 0,1 μA/cm² indikují pasivitu, rychlosti 0,1–0,5 μA/cm² indikují moderátní korozí, rychlosti 0,5–1,0 μA/cm² indikují vysokou korozí, a rychlosti nad 1,0 μA/cm² indikují velmi vysokou korozí. Testování chloridů poskytuje před-kondici, vysvětlujíc, proč ocel koroduje.

Resistivita betonu (Wennerova čtyř-probová metoda, AASHTO T358) měří elektrickou resistenci betonu v kΩ·cm. Nízká resistivita (< 20 kΩ·cm) podporuje vysoké rychlosti korozie, ulehčujíc ionický tok mezi anodickými a katodickými místy. Vysoká resistivita (> 100 kΩ·cm) supresuje korozí, i když dostatečný chlorid je přítomný. Testování chloridů kombinované s měřením resistivity identifikuje lokace, kde oba termodynamická řídící síla (chlorid) a kinetická cesta (konduktivní elektrolyt) jsou přítomny pro aktivní korozí, nejkritičnější lokace vyžadující urgentní reparaci.

Petrografická examinace (ASTM C856) betonových tenkých sekcí může identifikovat korozní produkty (rdzu), mikrotřhliny okolo výztuže, sekundární deposity (kalcit, ettringit) a evidencu mrazového poškození, které může pracovat synergisticky s chloridovou indukovanou korozí. Petrografie poskytuje vizuální konfirmaci mechanismů poškození inferovaných z chloridových dat.

Měření hloubky pokryvu pokryvovým metrem (ASTM C876 nebo BS 1881-204) poskytuje esenciální link mezi chloridovými profily a lokací výztuže. Bez akuratné hloubky pokryvu, koncentrace chloridů na ocelové površině nemůže být určena, a posouzení rizika korozie je nekompletní. Hloubka pokryvu by měla být měřena na každé chloridové vzorkovací lokaci a na mreži punktů přes strukturu, aby dokumentovala statistickou distribuci hloubky pokryvu.

Integrace těchto metod, chloridových profilů, polovičného potencionálu, rychlosti korozie, resistivity, hloubky pokryvu a petrografie, poskytuje kompletný obraz korozního stavu: příčinu (chloridy nebo karbonatizace), pravděpodobnost (je práh překročen?), aktivitu (je koroze nastávajíc?), rychlost (jak rychle metal je konzumován?) a konsekvenci (jak mnoho poškození již nastalo?). Toto komprehensivní posouzení řídí racionální, nákladově efektivní reparatórní rozhodby, které extendují životní službu infrastruktury, zatímco optimizují údržbové výdaje.