Mi a kloridtartalom-vizsgálat betonban?

Kloridtartalom-vizsgálat a beton kvantitatív kémiai elemzése a cementkötőanyag-mátrixban jelen lévő kloridionok koncentrációjának meghatározására. Ezt a vizsgálatot betonszerkezetekből, elsősorban hídpályalemezekből, parkolóházakból, tengeri szerkezetekből és repülőtéri burkolatokból gyűjtött mintákon végzik, hogy felmérjék a beágyazott acélvasalás klorid okozta korróziójának kockázatát. A kloridionok, ha az acél-beton határfelületen kritikus koncentráció felett vannak jelen, elpusztítják a vasalást a korróziótól általában védő passzív oxidréteget, elektrokémiai folyamatot indítva, amely térfogatnövekedő rozsdatermékeket, betonrepedezést, leválást és végső soron szerkezeti romlást okoz. A vizsgálat a kloridkoncentrációt a kötőanyag vagy a beton tömegére vonatkoztatott százalékában fejezi ki, a felülettől mért mélység függvényében ábrázolva, létrehozva egy kloridprofilt, amely feltárja mind a jelenlegi korróziós kockázatot, mind a kloridok betontakarásba való behatolásának sebességét.

Teljes klorid vs. szabad (vízoldható) klorid

A teljes klorid (savoldható) és a szabad klorid (vízoldható) közötti különbségtétel alapvető a kloridtartalom-vizsgálati eredmények értelmezéséhez és a korróziós kockázat értékeléséhez. A két mérés abban különbözik, hogy a betonban lévő teljes kloridpopuláció mekkora hányadát vonják ki és határozzák meg, és mindegyik más szempontból közelíti a korróziós kockázatot.

Teljes klorid (savoldható klorid) meghatározása porított betonminta forró salétromsavban történő roncsolásával történik, amely teljesen feloldja a cementmátrixot és felszabadítja az összes kloridiont, mind a pórusoldatban szabadon oldottakat, mind a hidratációs termékekben, például a Friedel-sóban (3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O) kémiailag kötötteket. A mérést az ASTM C1152 (Standard vizsgálati módszer a savoldható kloridra habarcsban és betonban) vagy az AASHTO T260 A eljárása szerint végzik. A teljes klorid a klorid maximális mennyiségét jelenti, amely potenciálisan hozzáférhetővé válhat a korrózió okozásához, ha a kötött kloridok szénsavasodás, a pórusoldat kémiájának változása vagy más mechanizmusok révén felszabadulnak. A teljes kloridtartalom mindig magasabb, mint a szabad kloridtartalom, jellemzően 1,25–1,4-szerese, bár ez az arány változik a cement típusától, a víz-kötőanyag tényezőtől, a érlelési körülményektől és a kiegészítő kötőanyagok, például pernye vagy kohósalak jelenlététől, amelyek növelik a kloridmegkötő képességet.

Szabad klorid (vízoldható klorid) meghatározása porított betonminta desztillált vízben öt percig történő forralásával, majd 24 órás állni hagyásával történik szűrés és elemzés előtt az ASTM C1218 szerint. Ez az extrakció csak a pórusoldatban jelen lévő kloridionokat oldja ki, azt a hányadot, amely azonnal rendelkezésre áll az acélvasalás passziválóréteg-mentesítéséhez. A vízoldható klorid a jelenlegi korróziós kockázat közvetlenebb mutatója, mert csak a szabad ionok vehetnek részt az elektrokémiai korróziós reakcióban az acélfelületen. A vízoldható klorid mérése azonban érzékenyebb a mintaelőkészítés részleteire, az extrakciós hőmérsékletre és a víz-minta arányra, és alábecsülheti a korróziós kockázatot, ha a kötött kloridok idővel, a beton öregedése vagy szénsavasodása során felszabadulnak.

Korróziós tudományos szempontból az számít, hogy a szabad kloridionok koncentrációja az acélfelületen milyen arányban áll a pórusoldatban lévő hidroxidionok koncentrációjával, amit [Cl⁻]/[OH⁻] arányként fejeznek ki. Az acél passzív rétege stabil marad, ha a [Cl⁻]/[OH⁻] arány körülbelül 0,6 alatt van, bár ez a küszöbérték változik az acél összetételétől, hőmérséklettől és felületi állapottól függően. A kloridtartalom kötőanyagok tömegére vonatkoztatott százalékban történő kifejezése gyakorlati egyszerűsítés, amely elkerüli a pórusoldat közvetlen kinyerésének és elemzésének szükségességét.

Korróziós küszöbérték

A korróziós küszöbérték (más néven kritikus kloridtartalom vagy klorid küszöbszint, CTL) az a kloridkoncentráció az acél-beton határfelületen, amely elegendő a passzív oxidréteg megbontásához és az aktív korrózió megindításához. Ez a küszöbérték nem egyetlen univerzális érték, statisztikai eloszlás, amelyet számos kölcsönhatásban lévő paraméter befolyásol, beleértve a beton pH-értékét, a cement összetételét, a víz-cement tényezőt, az érlelési körülményeket, a nedvességtartalmat, a hőmérsékletet, az acél felületi állapotát (hengerlési rozsda, rozsda vagy felületi hibák jelenléte) és az oxigén rendelkezésre állását a katódon.

Hagyományos szénacél betonacél esetében portlandcement-betonban az általánosan elfogadott korróziós küszöbérték 0,2% és 0,4% közötti teljes klorid a cement tömegére vonatkoztatva (körülbelül 0,03–0,06 tömeg% a betonra vonatkoztatva). Vízoldható kloridként kifejezve a küszöbérték jellemzően ezen értékek 75–80%-a, vagy körülbelül 0,06–0,10% vízoldható klorid a cement tömegére vonatkoztatva. Az American Concrete Institute (ACI) 222R (Fémek védelme a betonban a korrózió ellen) maximális megengedett határértékeket ír elő: 0,08% teljes klorid vagy 0,06% vízoldható klorid a cement tömegére vonatkoztatva előfeszített beton esetében, és 0,15% teljes klorid vagy 0,10% vízoldható klorid korrózív környezetben lévő vasbeton esetében.

Az FHWA (Federal Highway Administration) kiterjedt irodalmi áttekintéseket publikált a klorid küszöbértékekről, megjegyezve, hogy a laboratóriumi vizsgálatokból származó értékek 0,04% és 2,5% között mozognak a cement tömegére vonatkoztatva, a vizsgálati körülményektől és a korrózió megindulásának definíciójától függően. Valós hídszerkezeteken végzett terepi vizsgálatok a küszöbértékeket általában 1,2 lb/yd³ (0,71 kg/m³) tartományban mutatják hagyományos betonacél esetében, ami körülbelül 0,2% a cement tömegére vonatkoztatva vagy 0,03% a beton tömegére vonatkoztatva, feltételezve 600 lb cementet köbyard normál súlyú betononként.

Előfeszítő acél és utófeszítő kábelek esetében a megengedett kloridhatárértékek lényegesen alacsonyabbak a magasabb feszültségi állapot és a korróziós károsodással szembeni kisebb tolerancia miatt. Az AASHTO LRFD hídszerkezeti építési előírásai és a Post-Tensioning Institute (PTI) M55.01-03 egyaránt 0,08%-ra korlátozzák a teljes kloridot a kötőanyag tömegére vonatkoztatva injektálóhabarcs esetében. Az EN 447 európai szabvány 0,10%-ot engedélyez a cement tömegére vonatkoztatva injektálóhabarcs esetében. Ezek a határértékek teszik kötelezővé a szigorú kloridvizsgálatot az utófeszített hídépítésben használt injektálóhabarcsoknál.

A korróziós küszöbértéket gyakran többféleképpen fejezik ki a szabályzatokban és előírásokban:

Mintavétel (fúrt por mélységi lépcsőkben)

A klorid mintavétel az egyik legkritikusabb lépés a teljes vizsgálati folyamatban, mert az analitikai eredmény minősége nem haladhatja meg a minta minőségét, amelyből származik. A helytelen mintavétel, a mélységi lépcsők közötti keresztfertőzés, a nem megfelelő mintamennyiség, a repedésekhez vagy leválásokhoz túl közeli mintavétel, vagy nedves, szennyezett felületekről történő mintavétel megbízhatatlan eredményeket produkál, függetlenül a laboratóriumi elemzés kifinomultságától.

A kloridprofilozás standard mintavételi módszere forgókalapácsos fúrás 1 hüvelykes (25 mm) átmérőjű lyukakba, előre meghatározott mélységi lépcsőkben. Az eljárás, amelyet az AASHTO T260 kodifikál és államspecifikus protokollok, például az Idaho IR-128 részleteznek, a következő lépéseket foglalja magában. Először mintavételi helyrácsot hoznak létre legalább egy mintavételi hely sűrűséggel 1 000 négyzetláb (100 m²) területenként, legalább három hellyel hídpályalemezekenként. A helyeket a valószínűleg magas kloridkoncentrációjú pontokon választják ki: szegélyvonalak, vízelvezető vonalak, túlemelt pályalemezek alsó oldala és a dilatációs hézagok melletti területek, ahol az olvasztósóval telített víz felgyülemlik. Nem vesznek mintát olyan helyeken, ahol leválás, kipattogzás vagy javítás már megtörtént, mivel azokon a helyeken a korrózió már nyilvánvaló.

Minden mintavételi helyen három lyukat fúrnak egy 6 hüvelykes (150 mm) átmérőjű körön belül, hogy elegendő pormennyiséget kapjanak. Egy forgókalapács 1 hüvelykes, 12 hüvelykes (25 mm × 300 mm) keményfém hegyű fúrószárral, amely cserélhető mélységhüvelyekkel van felszerelve, szabályozza a fúrási mélységet minden lépcsőnél. A felületet először körülbelül ¼ hüvelykes (6 mm) mélységben megkarcolják, hogy eltávolítsák a felületi szennyeződést és sót, amely tévesen magas értékeket okozhatna. A megkarcolt anyagot eldobják. A lyukakat sűrített levegővel kifújják minden mélységi lépcső között.

A standard mélységi lépcsők jellemzően ½ hüvelykesek (15 mm), a névleges mintavételi mélységek: ¼–¾ hüvelyk (6–19 mm) a felületi lépcsőnél, ¾–1¼ hüvelyk (19–32 mm) a második lépcsőnél, 1¼–1¾ hüvelyk (32–44 mm) a harmadiknál, és így tovább ½ hüvelykes lépcsőkben a maximális mintavételi mélységig, amelynek legalább ½ hüvelykkel a vasalás mélysége alá kell terjednie. Az FHWA Long-Term Bridge Performance (LTBP) FLD-DC-MS-004 protokollja hat mélységi lépcsőt ír elő hídpályalemez-kloridprofilozáshoz, a felületi lépcső 0,25–0,75 hüvelyk közötti tartományát használva a diffúziós számításokhoz szükséges hajtó kloridkoncentrációként (C₀).

Minden pormintát, körülbelül 15 grammot vagy egy 20 dramos fiolát háromnegyedig megtöltve, címkézett műanyag fiolában gyűjtenek tiszta mintavevő kanállal. A fúrószárat, a mélységhüvelyt és a mintavevő kanalat minden mélységi lépcső között megtisztítják nylon kefével, papírtörlővel és 2-propanollal (izopropil-alkohol) a keresztfertőzés megelőzése érdekében. A három lyukat ezután a következő mélységi lépcsőig meghosszabbítják a következő mélységhüvely segítségével, és a folyamat megismétlődik. A teljes mintavétel egy helyen körülbelül 30–60 percet vesz igénybe a mélységi lépcsők számától és a beton keménységétől függően.

Az alternatív mintavételi módszer a magmintavétel az ASTM C42 szerint, majd a mag feldarabolása mélységi lépcsőkre a laboratóriumban. Az FHWA LTBP protokoll 2,5 hüvelykes átmérőjű magokat használ kloridprofilozáshoz, a mag felső 3 hüvelykét klorid-elemzésre fordítva. A magokat ½ hüvelykes szeletekre vágják, amelyek megfelelnek a pormintavételnél használt mélységi lépcsőknek. A magmódszer több anyagot biztosít az elemzéshez, és lehetővé teszi a beton vizuális vizsgálatát minden mélységben, de munkaigényesebb, és lyukat hagy maga után, amelyet be kell javítani.

Vizsgálati módszerek

A beton kloridtartalmát több analitikai módszerrel határozzák meg, amelyek pontosságban, sebességben, költségben és eszközigényben különböznek. A módszer kiválasztása a szükséges precizitástól, az elemzendő minták számától, a terepi vagy laboratóriumi körülményektől és az alkalmazandó szabványoktól függ.

Potenciometriás titrálás

A potenciometriás titrálás a referencia standard módszer a klorid meghatározására betonban, és elsődleges módszerként szerepel az ASTM C1152-ben és az AASHTO T260 A eljárásában. A módszer magában foglalja a kloridok kinyerését lemért porított betonmintából (jellemzően 3–10 g) forró salétromsavban történő roncsolással (teljes klorid esetén) vagy forró vízben (vízoldható klorid esetén). A szűrt extraktumot ezután standard ezüst-nitrát (AgNO₃) oldattal titrálják, miközben az ezüstrúd elektród és egy referencia elektród közötti potenciálkülönbséget millivoltmérővel figyelik.

A titrálás a következő reakció szerint megy végbe: Ag⁺ (AgNO₃-ból) + Cl⁻ (mintából) → AgCl (csapadék). Ahogy az ezüst-nitrátot fokozatosan adagolják, az ezüstion-koncentráció az oldatban nagyon alacsony marad, amíg kloridionok vannak jelen. Amikor az összes klorid ezüst-kloridként kicsapódott, az első ezüstion-felesleg éles potenciálnövekedést okoz az elektródnál, meghatározva az ekvivalenciapontot. Az ekvivalenciapont eléréséhez elfogyasztott ezüst-nitrát titrálóoldat térfogata egyenesen arányos a minta kloridtartalmával. A végpontot a titrálási görbe első deriváltjának (ΔE/ΔV) vagy második deriváltjának (Δ²E/ΔV²) ábrázolásával és az inflexiós pont meghatározásával azonosítják.

A modern automata titrálórendszerek, például a Metrohm, Mettler Toledo vagy Hanna Instruments készülékei automatikusan végzik a titrálást és a végpont-érzékelést, tárolva a potenciometriás adatokat a minőségbiztosítás érdekében. Az FHWA LTBP protokoll megköveteli a részletes titrálási nyilvántartások megőrzését, beleértve a kalibrációs standardokat, a vakkorrekciókat és a titrálóoldat hozzáadásának teljes naplóját a megfelelő potenciálértékekkel. Az automata rendszerek jellemzően ±0,001% klorid pontosságot érnek el a minta tömegére vonatkoztatva.

Quantab klorid-titráló csíkok

A Quantab-módszer (más néven Quantab klorid-titráló csíkok) egyszerűsített terepi vizsgálat a beton kloridtartalmának becslésére laboratóriumi berendezés nélkül. A módszert a Transportation Research Record 1347 (A beton kloridtartalmának mérése, 1992) írja le, és a következő eljárást foglalja magában. 5 g porított betonmintát 50 ml 1N salétromsavban roncsolnak, időnkénti keverés mellett állni hagyják, majd szűrőpapíron szűrik. Egy Quantab-csíkot, egy lapos kapilláris oszlopot, amely ezüst-dikromáttal van impregnálya, függőlegesen helyeznek a szűrletbe.

Az oldat kapilláris hatásra felemelkedik a kapillárisban, és az ezüstionok reakcióba lépnek a kloriddal, fehér ezüst-klorid csapadékot képezve. Ahogy a csapadék képződik, elzárja a kapillárist, és a színváltozás magasságát a sárgáról fehérre a csíkon nyomtatott kalibrált skálán olvassák le. A leolvasást a gyártó (Hach Company) által biztosított kalibrációs táblázat segítségével konvertálják kloridkoncentrációvá.

A Quantab-módszer jelentős előnyöket kínál terepi szűréshez: egyszerűen elvégezhető, nem igényel áramellátást vagy kifinomult berendezést, 15–45 perc alatt eredményt ad, és a gyártó által tanúsított ±10%-os pontossággal rendelkezik a mért értékre vonatkoztatva. Széles körben használják az állami közútkezelők a hídpályalemezek gyors kloridszűrésére, hogy azonosítsák azokat a területeket, amelyek részletesebb laboratóriumi vizsgálatot igényelnek. A módszer azonban kevésbé pontos, mint a potenciometriás titrálás, különösen nagyon alacsony kloridkoncentrációknál a kimutatási határ közelében, és érzékeny a bromid- vagy jodidionok interferenciájára, ha jelen vannak. Alkalmas szűrésre, de nem elfogadásra vagy jogi vitákban használt meghatározásokra, ahol szabályozási határértékek a tét.

Röntgenfluoreszcens (XRF) spektrometria

A röntgenfluoreszcens spektrometria fejlett műszeres módszer, amely gyors, roncsolásmentes klorid-elemzés lehetőségét kínálja laboratóriumi és terepi környezetben egyaránt. A technika magában foglalja a minta nagy energiájú röntgensugárzással történő besugárzását, amely hatására a minta atomjai másodlagos (fluoreszcens) röntgensugarakat bocsátanak ki, amelyek minden elemre jellemző energiájúak. A klór Kα fluoreszcencia vonalának 2,62 keV-nél mért intenzitása alapján a minta kloridkoncentrációja meghatározható.

Kézi XRF (hXRF) analizátorokat, például az Olympus Innov-X Delta vagy Bruker S1 Titan készülékeket kalibráltak klorid mennyiségi meghatározására cementtartalmú anyagokban. A Chinchón-Payá és munkatársai (2021) által a Materials folyóiratban publikált tanulmány kimutatta, hogy a hXRF pontosan képes meghatározni a kloridionokat betonban 1,16-os korrekciós tényezővel, ha potenciometriás titrálási eredményekre kalibrálják. A hXRF-módszer közvetlenül alkalmazható betonfelületekre in situ vagy porított mintákra a laboratóriumban. In situ méréseknél a hXRF-et a csiszolt betonfelülethez helyezik, és egy 60–120 másodperces mérés elemi spektrumot biztosít, amelyből a kloridkoncentrációt számítják. Porított minták esetében a mintát hengeres tartóba helyezik, és munkaasztalon elemzik.

Mikro-XRF (μXRF) műszerek további képességet biztosítanak a klorideloszlás térképezésére egy mintafelületen milliméteres vagy annál kisebb térbeli felbontással. Ez a technika, amelyet a Malvern Panalytical és a Bruker kutatásaiban írnak le, lehetővé teszi a kloridbehatolási frontok vizualizálását, a lokális klorid-felhalmozódások észlelését repedések vagy hibák közelében, valamint a klorideloszlás korrelációját a kőzetanyag-szemcsékkel és légpórusokkal. A technika olyan információkat nyújt, amelyeket a tömbi titrálási módszerek nem képesek feltárni. Mind a hXRF, mind a μXRF azonban gondos kalibrációt igényel mátrix-illesztett standardokkal, és a klór kimutatási határa (körülbelül 0,01–0,02 tömeg%) magasabb, mint a titrálási módszereké.

Vizsgálati módszerek összehasonlítása

Kloridprofil (koncentráció a mélység függvényében)

A kloridprofil a kloridkoncentráció grafikus ábrázolása a betonfelülettől mért mélység függvényében. Ez a kloridvizsgálat leginformatívabb eredménye, mert nemcsak azt mutatja meg, hogy a kloridok elérték-e a vasalást a küszöbérték feletti koncentrációban, hanem azt is, hogy milyen sebességgel hatolnak be a kloridok a betonba, milyen a felületi expozíciós állapot, és mekkora a beton ellenállása a kloridbehatolással szemben.

A profilt úgy állítják össze, hogy a kloridtartalmat minden diszkrét mélységi lépcsőnél elemzik, jellemzően hat-nyolc lépcsőben a beton felső 2–3 hüvelykén (50–75 mm) belül. Az adatpontokat a kloridkoncentráció (a kötőanyag tömegére vonatkoztatott %-ban, a beton tömegére vonatkoztatott %-ban vagy kg/m³-ben) az y-tengelyen, a felülettől mért mélység (mm-ben vagy hüvelykben) az x-tengelyen ábrázolják. Az ép beton kloridprofiljának jellegzetes alakja a legmagasabb koncentrációt a felületen mutatja (jellemzően 0,3–1,0 tömeg% a betonra vonatkoztatva az olvasztósónak kitett hídpályalemezeknél), és a koncentráció a mélységgel csökken, aszimptotikusan közelítve a háttér-kloridszinthez a behatolási fronton túli mélységekben.

Fick második diffúziós törvénye az alapvető transzportmodell a kloridprofilok értelmezéséhez:

∂C/∂t = D × (∂²C/∂x²)

ahol C a kloridkoncentráció az x mélységben és t időpontban, D pedig a diffúziós együttható. Ennek az egyenletnek a megoldása állandósult állapotú körülményekre, állandó felületi koncentrációval és félig végtelen közeggel:

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

ahol C(x,t) a kloridkoncentráció az x mélységben és t időpontban, C₀ a felületi kloridkoncentráció, erfc a komplementer hibafüggvény, Dₐ a látszólagos klorid-diffúziós együttható, t pedig az expozíciós idő. Nemlineáris regressziós elemzést végeznek a mért profiladatokon a C₀ és Dₐ meghatározásához.

A látszólagos klorid-diffúziós együttható (Dₐ) kulcsfontosságú tartóssági paraméter. Leírja, hogy a kloridionok milyen sebességgel mozognak a betontakarásban diffúzióval az uralkodó koncentrációgradiens hatására. A jellemző Dₐ értékek hídpályalemez-beton esetében 1 × 10⁻¹² m²/s és 1 × 10⁻¹¹ m²/s között mozognak, az előbbi a kiváló minőségű, alacsony víz-kötőanyag tényezőjű betonra, az utóbbi a permeábilisabb betonra jellemző. A diffúziós együttható nem valódi anyagállandó, idővel csökken, ahogy a folyamatos hidratáció finomítja a pórusszerkezetet, ezt a hatást az öregedési tényező (m) ragadja meg az olyan élettartam-modellekben, mint a Life-365 és a STADIUM.

A felületi kloridkoncentráció (C₀) nem a tényleges koncentráció a közvetlen felületen, hanem a regressziós illesztésből visszaszámított felületi koncentráció. Jellemzően 0,3% és 1,5% között van a beton tömegére vonatkoztatva az olvasztósós környezetben lévő hídpályalemezeknél, az expozíció súlyosságától, a sózás gyakoriságától és a vízelvezetési körülményektől függően. A C₀ idővel növekszik, ahogy a kloridok felhalmozódnak az ismételt sózásokból.

A jól felépített kloridprofil lehetővé teszi a mérnök számára három kritikus paraméter meghatározását a korróziós kockázat értékeléséhez: a kloridkoncentrációt a vasalás mélységében, amelyet a profil interpolálásával kapunk a mért betontakarás mélységénél, a kritikus mélységet, azt a mélységet, ahol a kloridkoncentráció egyenlő a korróziós küszöbértékkel, amely alatt a beton még kloridmentes, és a korrózió megindulásáig hátralévő időt, amelyet Fick második törvényének megoldásával becsülnek a mért Dₐ, C₀, takarásmélység és a feltételezett korróziós küszöbérték felhasználásával.

Értelmezés és korróziós kockázat

A kloridtartalom-adatok értelmezése strukturált döntési keretrendszert követ, amely integrálja a kloridprofilt más állapotfelmérési adatokkal: betontakarás-mélység, félcellás potenciáltérképezés, korróziós sebességmérés, beton ellenállás és szemrevételezés. A cél négy kérdés megválaszolása: Jelenleg zajlik-e korrózió? Mennyire súlyos? Folytatódik-e vagy felgyorsul? És milyen beavatkozás szükséges, ha egyáltalán szükséges?

Az első szintű értelmezés a mért kloridkoncentráció közvetlen összehasonlítása a vasalás mélységében az alkalmazandó korróziós küszöbértékkel. Ha a kloridkoncentráció a vasalás mélységében meghaladja a küszöbértéket, az aktív korrózió valószínű, feltéve, hogy oxigén és nedvesség is rendelkezésre áll a katódon. Ha a koncentráció a küszöbérték alatt van, a korrózió megindulása jelenleg nem valószínű, de a megindulásig hátralévő időt a diffúziós paraméterekből kell becsülni.

A második szintű értelmezés a teljes kloridprofilt használja a kloridbehatolás sebességének becslésére. A meredek koncentrációgradienst mutató profil (magas felületi koncentráció, alacsony klorid a mélységben) jól definiált behatolási fronttal olyan betont jelez, amely jó ellenállással rendelkezik a kloridbehatolással szemben, ahol a diffúzió lassú, és a klorid okozta korrózió elleni élettartam várhatóan hosszú. A lapos gradienst mutató profil, jelentős kloriddal minden mélységben, vagy erősen permeábilis betont (magas Dₐ) jelez, vagy hosszú expozíciós időszakot, amely alatt a kloridoknak volt idejük mélyre behatolni. A profil alakja azt is feltárja, hogy a beton a diffúzió-uralta tartományban van-e (a profil simán követi az erfc függvényt), vagy további transzportmechanizmusok, például kapilláris szívás, kanóchatás vagy nyomásvezérelt áramlás is aktívak (amit profil-anomáliák vagy hirtelen meredekségváltozások jeleznek).

A harmadik szintű értelmezés integrálja a kloridadatokat az elektrokémiai mérésekkel. A félcellás potenciáltérképezés (ASTM C876) azonosítja azokat a területeket, ahol az acél korróziós potenciálja negatívabb, mint -350 mV a Cu/CuSO₄ referenciaelektródhoz képest, ami nagy valószínűségű aktív korróziót jelez. A korróziós sebességmérés (lineáris polarizációs ellenállás vagy galvanosztatikus impulzus technikák) számszerűsíti a fémveszteség mértékét μm/évben vagy mA/m²-ben, megkülönböztetve az aktív korróziót a passzivitástól. A beton ellenállás (Wenner négy-szonda módszer) azonosítja azokat a területeket, ahol a beton elég vezetőképes a korróziós áram fenntartásához, az alacsony ellenállás (< 20 kΩ·cm) magas korróziós sebességet támogat, míg a magas ellenállás (> 100 kΩ·cm) korlátozza a korróziót akkor is, ha kloridok vannak jelen. Ha magas kloridkoncentrációt találnak a vasalás mélységében olyan helyen, ahol a korróziós potenciál negatívabb, mint -350 mV, és a korróziós sebesség meghaladja a 0,1 μm/évet, az aktív korrózió megerősítést nyer, és javítási beavatkozás indokolt.

Klorid a vasalás mélységében

A kloridkoncentráció a vasalás mélységében a legfontosabb egyetlen paraméter a korróziós kockázat értékeléséhez, mert a tényleges kémiai állapotot képviseli az acélfelületen, ahol a korrózió megindul. Ezt az értéket nem közvetlenül mérik, a vasalást soha nem tárják fel mintavételhez, hanem a kloridprofil interpolálásával határozzák meg a mért betontakarás-mélységnél.

A betontakarás-mélységet takarásmérővel (pachométer) mérik, amely elektromágneses indukciót használ a vasalás helyének meghatározására és a beton mélységének mérésére a vasak felett. Hídpályalemezekben a jellemző takarásmélység 1,5 és 3,0 hüvelyk (38–75 mm) között van, az eredeti tervezési előírásoktól és az építési tűrésektől függően. Az AASHTO LRFD hídtervezési előírások minimum 2,5 hüvelykes takarást követelnek meg hídpályalemezeknél korrózív környezetben. A tényleges takarás azonban gyakran jelentősen eltér a tervezési értékektől az építési tűrések, a vaselhelyezési hibák és a betonfelület egyenetlenségei miatt. Ezért a takarást minden klorid-mintavételi helyen meg kell mérni, nem pedig a tervezési rajzokból kell venni.

A kloridkoncentráció interpolálása a vasalás mélységében regressziós görbe (jellemzően a Fick-féle diffúziós modell vagy polinomiális függvény) illesztésével történik a mért profiladatokra, majd az illesztett függvény kiértékelésével a takarásmélységnél. Például, ha a takarásmélység 2,0 hüvelyk, és a kloridprofil-adatok 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 és 2,5 hüvelykes mélységeknél állnak rendelkezésre, a kloridkoncentráció 2,0 hüvelyknél közvetlenül leolvasható. Ha a takarásmélység két mért lépcső közé esik, lineáris interpolációt használnak a két határoló pont között.

Amikor a kloridkoncentráció a vasalás mélységében meghaladja a küszöbértéket, a korróziós folyamat már aktív lehet, vagy a közeljövőben megindulhat a további kloridbehatolás sebességétől és a nedvességviszonyoktól függően. A küszöbérték túllépésétől a látható károsodásig (repedezés, leválás) eltelt idő a korróziós sebességtől függ, amely viszont az oxigén, a nedvesség és az ionos vezetőképesség rendelkezésre állásától függ. Ez a korrózióterjedési fázis 5 és 20 év között lehet a jellemző hídpályalemez-körülmények között. Előfeszített vagy utófeszített szerkezeteknél a terjedési fázis sokkal rövidebb lehet, mert a magas húzófeszültség felgyorsítja a repedésnövekedést, amint korróziós gödrök kialakulnak.

Kloridvizsgálat hídpályalemezeken

A hídpályalemezek a leggyakoribb infrastruktúra-elemek, amelyeket rutinszerű kloridtartalom-vizsgálatnak vetnek alá, mert közvetlenül ki vannak téve a téli karbantartási műveletek során alkalmazott olvasztósóknak. Az Egyesült Államokban évente több mint 60 millió tonna olvasztósót (elsősorban nátrium-kloridot) juttatnak ki az úthálózatra. Ennek a sónak jelentős része feloldódik a lefolyó vízben, felcsapódik a hídpályalemezekre, és a pályalemez porózus mikroszerkezetén és repedésein keresztül behatol a betonfelületbe. Egy jellemző 40–75 éves hídpályalemez-élettartam alatt a kloridkoncentráció a vasalás mélységében a korróziós küszöbérték többszörösét is elérheti, ami széles körű, korrózió okozta romláshoz vezet, amely a közútkezelők legnagyobb egyetlen karbantartási költségét jelenti.

Az FHWA Long-Term Bridge Performance (LTBP) Program szabványosított protokollokat dolgozott ki a hídpályalemezek kloridvizsgálatára, amelyeket a FLD-DC-MS-004 protokoll (Mintavétel és vizsgálat kloridprofilokhoz) kodifikál. A protokoll előírja: 2,5 hüvelykes magátmérő, hat 0,5 hüvelykes mélységi lépcső a felülettől 3,0 hüvelykig, a felületi lépcső (0,25–0,75 hüvelyk) használata a diffúziós számításokhoz szükséges hajtó kloridkoncentrációként (C₀), elemzés az AASHTO T260 A eljárása szerint, és a minták titrálása a várhatóan növekvő kloridkoncentráció sorrendjében (legmélyebbtől a legsekélyebbig) a keresztfertőzés minimalizálása érdekében.

Az állami közútkezelők további útmutatásokat dolgoztak ki a hídpályalemez-kloridvizsgálathoz. Az Idaho IR-128 standard gyakorlat legalább egy mintavételi helyet ír elő 1 000 négyzetláb területenként, legalább három hellyel pályalemezekenként, a mintákat a szegélyvonalakra és a túlemelt pályalemezek alsó oldalára koncentrálva. A protokoll hangsúlyozza a mintavételi terület tisztítását, a felület megkarcolását az első mélységi lépcső előtt, és az összes berendezés tisztítását a lépcsők között 2-propanollal.

A Florida DOT legfeljebb 0,40 lb/yd³ (0,24 kg/m³) kloridtartalmat engedélyez új hídpályalemez-beton esetében, ami körülbelül 0,067%-nak felel meg a cement tömegére vonatkoztatva, feltételezve 600 lb cementet köbyardonként. Ez a határérték összhangban van az AASHTO 0,08%-os teljes klorid határértékével a kötőanyag tömegére vonatkoztatva előfeszített beton esetében.

A hídpályalemez-kloridvizsgálat akkor a legértékesebb, ha félcellás potenciáltérképezéssel és lánchúzásos leválásvizsgálattal kombinálják. A három állapotfelmérési módszer kombinációja átfogó korróziós kockázatértékelést biztosít: a kloridvizsgálat a kémiai állapotot azonosítja (a korrózió megindításához rendelkezésre álló klorid), a félcellás potenciál az elektrokémiai állapotot (zajlik-e most korrózió?), a lánchúzás pedig a fizikai következményt (okozott-e a korrózió leválást?). Ha mindhárom indikátor pozitív ugyanazon a helyen, az aktív korrózió szerkezeti károsodással megerősítést nyer, és a javítás sürgős.

Szabványok (ASTM C1152, C1218, AASHTO T260)

A beton kloridtartalom-vizsgálatát nemzeti és nemzetközi szabványok sora szabályozza, amelyek meghatározzák a mintavételi eljárásokat, az analitikai módszereket, a számításokat és a jelentéstételi követelményeket. Az Észak-Amerikában használt három elsődleges szabványt az alábbiakban ismertetjük.

ASTM C1152, Standard vizsgálati módszer a savoldható kloridra habarcsban és betonban. Ez a vizsgálati módszer a teljes klorid (savoldható klorid) meghatározására terjed ki megkeményedett habarcsban és betonban. A 850 μm-es (No. 20) szitán áteső porított mintát forró salétromsavban (körülbelül 20%-os HNO₃) roncsolják legalább 30 percig. A forró savas roncsolás biztosítja az összes kloridtartalmú fázis, beleértve a Friedel-sót és a hidratációs termékekben kötött kloridot, teljes feloldódását. Az oldatot szűrik, és a szűrletet potenciometriásan titrálják standard ezüst-nitrát oldattal (0,05N vagy 0,1N AgNO₃). Az eredményt a minta tömegére vonatkoztatott kloridszázalékként számítják, és átszámítható a kötőanyag tömegére vonatkoztatott százalékra, ha a beton cementtartalma ismert. A módszer pontossága, laboratóriumközi vizsgálatok alapján, körülbelül 6,5%-os több laboratóriumos variációs együtthatóval rendelkezik 0,10 tömeg%-os kloridtartalomnál.

ASTM C1218, Standard vizsgálati módszer a vízoldható kloridra habarcsban és betonban. Ez a vizsgálati módszer a szabad klorid (vízoldható klorid) meghatározására terjed ki megkeményedett habarcsban és betonban. A porított mintát desztillált vízben öt percig forralják, majd 24 órán át szobahőmérsékleten állni hagyják. A vizes extrakció csak a pórusoldatban jelen lévő kloridot oldja ki, azt a hányadot, amely azonnal rendelkezésre áll a korrózióban való részvételhez. Az extraktumot szűrik és potenciometriásan titrálják standard ezüst-nitráttal. A vízoldható kloridtartalom jellemzően a savoldható kloridtartalom 70–80%-a, bár ez az arány változik a cement típusától és a kloridmegkötő képességtől. Az ASTM C1218-at ritkábban írják elő jogi vizsgálatokhoz, mert a vizes extrakció érzékenyebb a mintakezelésre, az extrakciós körülményekre és a szűrési eljárásokra.

AASHTO T260, Mintavétel és vizsgálat kloridionra betonban és beton alapanyagokban. Ez az elsődleges szabvány, amely mind a mintavételi, mind a vizsgálati eljárásokat szabályozza az Egyesült Államok közútépítési iparában. Az AASHTO T260-ra gyakorlatilag minden állami közútkezelő előírása hivatkozik a hídpályalemez-kloridvizsgálathoz. A szabvány magában foglalja: A eljárás, potenciometriás titrálás (lényegében egyenértékű az ASTM C1152-vel a savoldható klorid meghatározására), B eljárás, atomabszorpciós spektrofotometria, amelyet még mindig érvényes módszerként ismernek el, bár a kereskedelmi laboratóriumok ritkábban használják, részletes mintavételi eljárások, beleértve a fúrást, a mélységszabályozást, a mintagyűjtést és a keresztfertőzés megelőzését, számítási módszerek az eredmények kifejezésére a minta tömegére vonatkoztatott százalékban, a kötőanyag tömegére vonatkoztatott százalékban vagy kg/m³-ben, minőségellenőrzési követelmények, beleértve a párhuzamos elemzéseket és a vakkorrekciókat, valamint jelentéstételi követelmények, beleértve a mintaazonosítást, a mélységi lépcsőket és a laboratóriumi minőségbiztosítási adatokat.

Az AASHTO LRFD hídszerkezeti építési előírásai (10. szakasz, 10.9.3.2 táblázat) az injektálóhabarcs teljes kloridtartalmát 0,08%-ra korlátozzák a kötőanyag tömegére vonatkoztatva, az AASHTO T260-ra és az ASTM C1152-re hivatkozva az ellenőrzéshez.

A kloridvizsgálathoz kapcsolódó nemzetközi szabványok közé tartozik: BS EN 14629:2007, Termékek és rendszerek betonszerkezetek védelmére és javítására, Vizsgálati módszerek, Kloridtartalom meghatározása megkeményedett betonban, az elsődleges európai szabvány a kloridprofil-vizsgálathoz, NT BUILD 443, Megkeményedett beton: Gyorsított kloridbehatolás, amelyet a klorid-diffúziós együttható meghatározására használnak nátrium-klorid oldatba merítéssel, és ISO 1920-11, Betonvizsgálat, 11. rész: A beton kloridállóságának meghatározása, Egyirányú diffúzió, egy újabb nemzetközi szabvány a klorid-diffúziós vizsgálathoz.

Klorid és karbantartási döntések

A kloridtartalom-adatok közvetlenül befolyásolják az infrastruktúra karbantartási és javítási döntéseit több szinten. A mért kloridszintek és a javítási beavatkozás időzítése, kiterjedése és típusa közötti kapcsolat logikus előrehaladást követ a szűréstől a részletes vizsgálaton át a javítástervezésig.

1. szint, Szűrés: A hálózati szinten a gyors szűrés Quantab csíkokkal vagy kézi XRF-fel korlátozott számú helyen azonosítja azokat a pályalemezeket vagy burkolatszakaszokat, amelyek kloridszintje meghaladja a háttérszintet. Ez a szűrés rangsorolja a szerkezeteket a részletes vizsgálathoz. Például egy állami közútkezelő kétévente öt helyen vizsgálhat meg minden hídpályalemezet, és megjelölhet minden olyan pályalemezet, ahol a klorid a vasalás mélységében meghaladja a 0,02 tömeg%-ot a betonra vonatkoztatva (a küszöbérték fele) a részletes nyomon követéshez. Ez a szűrés kiegészíti a rutin szemrevételezést és a lánchúzásos vizsgálatokat.

2. szint, Részletes vizsgálat: A szűrési fázisban azonosított szerkezetek teljes kloridprofilozáson esnek át nagyobb mintavételi sűrűséggel (egy hely 500–1 000 négyzetláb területenként). A profilokat a Dₐ és C₀ kiszámítására használják az olyan élettartam-modellekbe történő bemenethez, mint a Life-365, a STADIUM vagy az FHWA Klorid-expozíciós időtartam modellje. A modellek becslik a hátralévő élettartamot, a kloridkoncentráció küszöbérték eléréséig tartó időt a vasalás mélységében, amely meghatározza a megelőző karbantartás időablakát.

3. szint, Javítástervezés: Projektszinten a kloridprofilok meghatározzák a bontási mélységet a betonjavításhoz. Ha a kloridok csak a takarás külső 1 hüvelykébe hatoltak be, elegendő egy részleges mélységű javítás, amely eltávolítja a kloriddal szennyezett betont, és alacsony permeabilitású javítóhabarccsal helyettesíti. Ha a kloridok a vasalásig hatoltak be a küszöbérték feletti koncentrációban nagy területen, teljes mélységű pályalemez-csere vagy elektrokémiai klorideltávolítás (ECE) alkalmazása lehet szükséges. Az ACI 222R és az ACI 364.1R útmutatást ad a bontási mélységek meghatározásához a kloridprofilok alapján.

4. szint, Megelőző stratégiák: Azoknál a szerkezeteknél, ahol a kloridprofilok azt jelzik, hogy a korróziós küszöbértéket még nem érték el, de az élettartamablakon belül (jellemzően 10–20 év) el fogják érni, a megelőző karbantartási stratégiákat részesítik előnyben. Ezek közé tartozik behatoló tömítőanyagok (szilánok, sziloxánok) alkalmazása, amelyek csökkentik a víz- és kloridbehatolást, katódvédelmi rendszerek (galvanikus vagy külső áramforrású) telepítése, amelyek polarizálják a vasalást a korrózió megelőzésére, és elektrokémiai klorideltávolítás (ECE), amely ideiglenes elektromos mezőt alkalmaz a kloridionoknak a vasalástól és a betonból való eltávolítására.

A kloridinformált karbantartási döntések költségvonzatai jelentősek. A korrózió megindulása előtt alkalmazott megelőző stratégia (például tömítőanyag alkalmazása 3–8 $/ft² költséggel) 10–15 évvel meghosszabbíthatja a hídpályalemez élettartamát a reaktív javítás költségének töredékéért (részleges mélységű javítás 50–150 $/ft² vagy teljes mélységű csere 200–500 $/ft² áron). A rutinszerű kloridvizsgálat gazdasági indokoltsága meggyőző: minden, kloridvizsgálatra költött dollár olyan karbantartási döntést támogat, amely 10–50 dollárt takaríthat meg az elhalasztott vagy elkerült javítási költségekben.

Minőségbiztosítás és hibaelhárítás

A kloridtartalom-adatok megbízhatósága szigorú minőségbiztosítástól függ a mintavétel, a kezelés és az elemzés teljes láncában. A gyakori hibák és elhárításuk:

Keresztfertőzés a mélységi lépcsők között: A leggyakoribb és legjelentősebb hibforrás a kloridprofilozásban. Amikor sekélytől mély felé fúrnak, az előző mélységi lépcsőből a fúrószáron, a lyukakban vagy a mintavevő eszközökön maradt por szennyezi a következő, mélyebb lépcsőt. Ez mesterségesen magas értéket eredményez a mélységben. Az elhárítás az összes eszköz alapos tisztítását igényli a lépcsők között 2-propanollal és a laza por teljes eltávolítását a lyukakból sűrített levegővel.

Felületi szennyeződés: A betonfelület jellemzően erősen szennyezett olvasztósóval, szennyeződéssel és törmelékkel, amely nem tükrözi a beton tényleges kloridtartalmát. A felület kötelező megkarcolása ¼ hüvelyk mélységben az első mélységi lépcső begyűjtése előtt eltávolítja ezt a szennyeződést. Karcolás nélkül a felületi lépcső értéke 2–5-ször magasabb lehet, mint a beton valódi kloridtartalma.

Nem elegendő mintamennyiség: Minden mélységi lépcsőnek legalább 10–15 gramm port kell biztosítania a megbízható elemzéshez. Az egyetlen 1 hüvelykes lyuk nem termel elegendő port, három lyuk szükséges mélységi lépcsőnként. Magminták esetében a magátmérőnek legalább háromszorosa kell legyen a névleges maximális kőzetanyag-méretnek a reprezentatív minta biztosításához.

A minták nedvességállapota: A nedves minták pontatlan kloridkoncentrációt eredményeznek, mert a víz hígítja a minta tömegalapját. A mintákat 105°C-os kemencében ki kell szárítani a mérés és az elemzés előtt. Az FHWA LTBP protokoll előírja, hogy a betonpormintákat állandó tömegig kell szárítani az elemzés előtt.

Mátrix-interferencia: Bizonyos betonösszetevők interferálhatnak a klorid-elemzéssel. A szulfidionok (egyes kőzetanyagokból vagy őrölt szemcsés kohósalakból) reakcióba léphetnek az ezüst-nitráttal, titrálási hibát okozva. A bromid- és jodidionok ugyanazt a csapadékképzési reakciót produkálják, mint a klorid. Ezeket az interferenciákat potenciometriás titrálással kezelik, amely potenciál alapján különbözteti meg a végpontokat, vagy előkezelési lépéssel, például hidrogén-peroxid hozzáadásával a szulfidok oxidálására.

Vakkorrekciók: Minden titrálási eljárás vakmeghatározást igényel ugyanazokkal a reagensekkel és eljárással, de betonminta nélkül. A vakérték, amely a reagensek által hozzájárult kloridot képviseli, levonásra kerül a mintaértékből. A vakértékeknek 0,005% klorid alatt kell lenniük a minta tömegére vonatkoztatva. A magasabb vakértékek reagensszennyeződést jeleznek.

Laboratóriumi akkreditáció: A megbízható kloridvizsgáló laboratóriumok ISO/IEC 17025 (A vizsgáló- és kalibrációs laboratóriumok kompetenciájának általános követelményei) akkreditációval rendelkeznek, és részt vesznek a jártassági vizsgálati programokban, például a Cement and Concrete Reference Laboratory (CCRL) vagy az AASHTO re:source által szervezettekben. A Florida DOT például megköveteli, hogy a kloridvizsgálati szolgáltatást nyújtó kereskedelmi laboratóriumok a Construction Materials Engineering Council (CMEC) akkreditációjával rendelkezzenek az adott ASTM vagy AASHTO vizsgálati módszerekre.

Kapcsolat más állapotfelmérési módszerekkel

A kloridtartalom-vizsgálat egy összetevője az átfogó korróziós állapotfelmérésnek, amely jellemzően több kiegészítő módszert foglal magában. A kloridvizsgálat és más felmérési módszerek közötti kapcsolat:

Félcellás potenciál (ASTM C876) méri a betonacél korróziós potenciálját egy referenciaelektródhoz (jellemzően réz-rézszulfát) képest. A -350 mV-nál negatívabb potenciál 90%-nál nagyobb valószínűségű aktív korróziót jelez. A félcellás potenciál azonban önmagában nem tudja megkülönböztetni a kloridok által okozott korróziót a szénsavasodástól, és nem ad információt a korrózió sebességéről vagy mértékéről. A kloridvizsgálat hozzáadja az ok dimenziót, ha magas kloridkoncentráció egybeesik a negatív potenciállal, a klorid okozta korrózió megerősítést nyer.

Lineáris polarizációs ellenállás (LPR) és galvanosztatikus impulzus módszerek mérik a korróziós áramsűrűséget (i_corr) μA/cm²-ben, amely Faraday törvénye alapján fémveszteségi sebességgé (μm/év) konvertálható. A 0,1 μA/cm² alatti korróziós sebesség passzivitást jelez, a 0,1–0,5 μA/cm² közötti sebesség mérsékelt korróziót, a 0,5–1,0 μA/cm² közötti sebesség magas korróziót, az 1,0 μA/cm² feletti sebesség pedig nagyon magas korróziót. A kloridvizsgálat biztosítja az előfeltételt, amely megmagyarázza, miért korrodál az acél.

Beton ellenállás (Wenner négy-szonda módszer, AASHTO T358) méri a beton elektromos ellenállását kΩ·cm-ben. Az alacsony ellenállás (< 20 kΩ·cm) magas korróziós sebességet támogat az anódos és katódos helyek közötti ionos áramlás elősegítésével. A magas ellenállás (> 100 kΩ·cm) elnyomja a korróziót akkor is, ha elegendő klorid van jelen. A kloridvizsgálat ellenállásmérésekkel kombinálva azonosítja azokat a helyeket, ahol mind a termodinamikai hajtóerő (klorid), mind a kinetikai út (vezetőképes elektrolit) jelen van az aktív korrózióhoz, ezek a legkritikusabb helyek, amelyek sürgős javítást igényelnek.

Petrográfiai vizsgálat (ASTM C856) betonvékonycsiszolatokon azonosíthatja a korróziós termékeket (rozsda), a vasalás körüli mikrorepedezést, a másodlagos lerakódásokat (kalcit, etringit) és a fagyás-olvadás károsodásának bizonyítékait, amelyek szinergikusan működhetnek együtt a klorid okozta korrózióval. A petrográfia vizuális megerősítést nyújt a kloridadatokból következtetett károsodási mechanizmusokhoz.

Takarásmélység-mérés takarásmérővel (ASTM C876 vagy BS 1881-204) biztosítja az alapvető kapcsolatot a kloridprofilok és a vasalás helye között. Pontos takarásmélység nélkül a kloridkoncentráció az acélfelületen nem határozható meg, és a korróziós kockázatértékelés hiányos. A takarásmélységet minden klorid-mintavételi helyen és a szerkezet pontrácsán kell mérni a takarásmélységek statisztikai eloszlásának dokumentálásához.

E módszerek integrációja, a kloridprofilok, a félcellás potenciál, a korróziós sebesség, az ellenállás, a takarásmélység és a petrográfia, teljes képet ad a korróziós állapotról: az ok (kloridok vagy szénsavasodás), a valószínűség (túllépték-e a küszöbértéket?), az aktivitás (zajlik-e a korrózió?), a sebesség (milyen gyorsan fogy a fém?) és a következmény (mekkora kár már bekövetkezett?). Ez az átfogó felmérés racionális, költséghatékony javítási döntéseket vezérel, amelyek meghosszabbítják az infrastruktúra élettartamát, miközben optimalizálják a karbantartási kiadásokat.