Mi a vasalás korróziója a betonban?

Az acélkorrózió elektrokémiai mechanizmusa a betonban

A betonacél korróziója a betonban alapvetően egy elektrokémiai folyamat, amelyhez négy egyidejű feltételnek kell fennállnia. Ez a négy elem alkotja azt, amit a mérnökök korróziós cellának neveznek. Az ACI 222R-01 (Fémek védelme a betonban a korrózió ellen) szerint a négy alapvető összetevő: az anód, az aktívan korrodáló acélfelület, ahol a vas oxidációja és elektronok termelődése történik, a katód, egy passzív vagy nemesebb acélfelület, ahol az oxigénredukció elektronokat fogyaszt, az elektrolit, a beton pórusvize, amely oldott ionokat tartalmaz és ionokat szállít az anód és a katód között, és az elektromos kapcsolat, maga a betonacél, amely lehetővé teszi az elektronok áramlását az anódról a katódra. Ha e négy elem bármelyikét eltávolítjuk, az aktív korrózió teljesen leáll.

A lejátszódó kémiai reakciók jól ismertek. Az anódos helyen a vasatomok vas(II)-ionokká oxidálódnak: Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Erősen oxidáló környezetben a vas(II)-ionok tovább oxidálódnak vas(III)-ionokká: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻. Ezek az ionok ezután hidroxil-ionokkal és oldott oxigénnel reagálnak, létrehozva az ismerős korróziós termékeket, a rozsdát. A katódos helyen az oldott oxigén és a víz a rendelkezésre álló elektronokkal egyesül: 2H₂O + O₂ + 4e⁻ → 4(OH⁻). Ez a katódos reakció hidroxil-ionokat termel, amelyek a beton pórusoldatán keresztül az anód felé vándorolnak, fenntartva az elektrokémiai áramkört. A teljes reakció úgy foglalható össze, hogy a vas plusz víz plusz oxigén vas-hidroxidokat és -oxidokat, azaz rozsdát eredményez, amely végül tönkreteszi a betontakarást.

A korrózió két különböző formában nyilvánul meg, attól függően, hogy az anód és a katód milyen térbeli kapcsolatban van egymással. A makrocellás korrózió akkor fordul elő, amikor az anód és a katód egymástól távol, centiméterektől méterekig terjedő távolságra van. Ez jellemző a kloriddal szennyezett szerkezetekre, ahol a lokalizált lyukkorrózió intenzív anódos zónákat hoz létre, amelyeket nagy passzív katódos területek vesznek körül, agresszív galvanikus áramokat hajtva. A makrocellás áramok közvetlenül mérhetők nulla ellenállású ampermérő technikákkal, és ezek a domináns mechanizmusok az olvasztó sóknak kitett hídpályalemezekben. A mikrocellás korrózió akkor fordul elő, amikor az anód és a katód lényegében ugyanazon a helyen van, egymástól csak milliméterekre. Ez jellemző az egyenletes, karbonátosodás okozta korrózióra, ahol a teljes acélfelület egyidejűleg válik aktívvá.

Az ép, nem karbonátosodott betonban a magas lúgosságú pórusoldat (pH 12,5-13,5) elősegíti egy szorosan tapadó passzív film kialakulását az acél felületén, amely egy vékony, csak nanométer vastag vas-oxid (Fe₃O₄ és Fe₂O₃) és -hidroxid réteg. Ez a film áthatolhatatlan gátként működik a további oxidációval szemben, a korróziós sebességet elhanyagolható szintre csökkentve. A passzív állapotot a 0,1 μA/cm² alatti korróziós áramsűrűség jellemzi, ami kevesebb mint 0,001 mm/év acélkeresztmetszet-veszteségnek felel meg. Az aktív korrózió akkor kezdődik, amikor a korróziós áramsűrűség meghaladja az 1,0 μA/cm²-t, ami tízszeres növekedés a passzív állapothoz képest. A Pourbaix-diagram (potenciál a pH függvényében) feltérképezi a vas stabilitási tartományait vizes környezetben, és egyértelműen mutatja, hogy 12,5 feletti pH-n a vas a passzivációs zónában van, ahol a védő oxidok termodinamikailag stabilak. Körülbelül 9,5 pH alatt a passzív film instabillá válik, és az aktív korrózió termodinamikailag lehetségessé válik. 9,5-10,5 közötti pH-n a film átmeneti állapotban van, és a korróziós állapot a potenciáltól függ.

Klorid okozta korrózió

A klorid okozta korrózió a vasalás károsodásának legelterjedtebb és legagresszívabb formája a modern betoninfrastruktúrában. A kloridionok (Cl⁻) nem közvetlenül, kémiai oldással támadják meg a passzív réteget. Ehelyett lokalizált lebontást okoznak egy többlépcsős mechanizmus révén. A kloridionok a koncentrációgradiensek (Fick-féle diffúzió) és kapilláris abszorpció által hajtva vándorolnak a betontakarón keresztül a betonacél felületére. Az acél felületén a Cl⁻ adszorbeálódik a passzív filmre a hibás helyeken, például zárványoknál, hengerléshártya megszakadásoknál vagy szemcsehatároknál. Helyi elsavasodás következik be a vas(II)-ionok hidrolízise miatt: Fe²⁺ + H₂O → Fe(OH)⁺ + H⁺. Az így létrejövő alacsony pH-jú környezet helyileg feloldja a passzív filmet, létrehozva egy aktív lyukat, amely anódként működik. A környező passzív acél katódként működik, agresszív makrocellát képezve. A lyukkorrózió egy autokatalitikus mechanizmuson keresztül halad előre, a lyuk belsejében lévő alacsony pH több kloridiont vonz az elektromigráció révén, ami tovább gyorsítja az oldódást. A lyuk növekedési üteme súlyos tengeri környezetben elérheti a 0,5-1,0 mm/év értéket, ami gyors, lokalizált keresztmetszet-veszteséghez vezet, amely szerkezetileg veszélyesebb, mint az egyenletes korrózió, mivel feszültségkoncentrációt hoz létre az acélban.

A kritikus kloridküszöb (CTL) az a kloridmennyiség a betonacél mélységében, amely elegendő a korrózió elindításához. A küszöbérték jelentősen változik a cement kémiájától, a beton minőségétől és a környezeti feltételektől függően. Az ACI 222R általános tartományként 0,15-0,40 tömegszázalék kloridot ad meg a cement tömegére vonatkoztatva hagyományos vasbeton esetében. Az európai gyakorlat (CEB/Eurocode alap) jellemzően 0,40 tömegszázalékot fogad el a cement tömegére vonatkoztatva. A beton térfogatára vonatkoztatva az amerikai gyakorlat küszöbértéke körülbelül 0,6-0,9 kg/m³ (1,0-1,5 lb/yd³). Hausmann (1967) és Gouda (1970) kutatásai megállapították, hogy a klorid-hidroxil arány (Cl⁻/OH⁻) a pórusoldatban a meghatározó paraméter, 12,6 pH-n a maximálisan elviselhető Cl⁻/OH⁻ arány 0,29, míg 13,3 pH-n ez kissé 0,30-ra emelkedik. A cement C₃A (trikalcium-aluminát) tartalma jelentősen befolyásolja a küszöbértéket, mert a C₃A kémiailag megköti a kloridokat kalcium-kloroaluminát (Friedel-só, 3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O) képződésével, eltávolítva azokat a pórusoldatból, és ezzel növelve a tényleges küszöbértéket. A 8 százalék feletti C₃A-tartalmú cementek lényegesen jobb kloridmegkötést biztosítanak, mint az alacsony C₃A-tartalmúak.

A kloridok belső és külső forrásokból is bejuthatnak a betonba. Belső források közé tartozik a kalcium-klorid gyorsító adalékszer (a legtöbb szabványban ma már maximum 0,1-0,5 tömegszázalék kloridionra korlátozva a cement tömegére vonatkoztatva), a kloriddal szennyezett adalékanyagok és a keverővíz. Az ACI 318 építési szabályzat ezért 1977 óta tiltja a kalcium-klorid használatát vasbetonban. A külső források sokkal jelentősebbek a használatban lévő szerkezeteknél. Az olvasztó sók (nátrium-klorid NaCl, kalcium-klorid CaCl₂, magnézium-klorid MgCl₂), amelyeket hídpályalemezekre, parkolóházakra és útpályákra szórnak, a legagresszívabb klorid-expozíciót hozzák létre a mérsékelt égövi éghajlaton. A havas régiókban lévő hídpályalemezek télen sávkilométerenként 100-500 kg sót kaphatnak. A tengeri környezet, a tengeri permet, a sóköd és az árapály okozta nedves-száraz ciklusok a part menti szerkezeteket érintik, ahol a fröccsenési zóna a legsúlyosabb környezet, itt a kloridkoncentráció éveken belül elérheti a cement tömegének 1-3 százalékát. A tengervíz alá merült szerkezetek lassabb kloridbehatolást tapasztalnak a folyamatos telítettség miatt, ami korlátozza az oxigén elérhetőségét a betonacélnál, de korrózió akkor is előfordulhat, ha oxigén van jelen.

A kloridkorrózió kezelésének egyik kritikus fogalma a kloridmegkötés. Nem minden, a betonban lévő klorid járul hozzá a korróziós kockázathoz. Kémiai megkötés akkor történik, amikor a kalcium-aluminátok reagálnak a kloridokkal Friedel-sót képezve, immobilizálva a teljes kloridmennyiség körülbelül 40-60 százalékát a közönséges Portlandcement betonban. Fizikai megkötés magában foglalja a kloridok adszorpcióját a kalcium-szilikát-hidrát (C-S-H) gél felületén és a nem összekapcsolódó pórusokba való bezáródását. A kiegészítő cementáló anyagok (SCM-ek), mint a pernye és a kohósalak, növelik a megkötő képességet a magasabb alumináttartalmuk miatt. Kritikus fontosságú, hogy a karbonátosodás felszabadítja a megkötött kloridokat, amikor a CO₂ reagál a Friedel-sóval, lebontja a kloroaluminát vegyületeket, és a korábban immobilizált kloridokat a karbonátosodási frontnál a pórusoldatba szabadítja. Ez a szinergikus hatás azt jelenti, hogy a karbonátosodott betonban magasabb lehet a szabad kloridkoncentráció a betonacél mélységében, mint a nem karbonátosodott betonban, még akkor is, ha a teljes kloridtartalom azonos.

Karbonátosodás okozta korrózió

A karbonátosodás a légköri szén-dioxid (CO₂) és a hidratált cementpép lúgos összetevői közötti kémiai reakció. Az elsődleges reakció a portlandit, a kalcium-hidroxid Ca(OH)₂ és az oldott CO₂ között megy végbe: Ca(OH)₂ + CO₂ (vizes) → CaCO₃ (kalcit) + H₂O. Másodlagos reakciók során a kalcium-szilikát-hidrát (C-S-H) gél, a kalcium-aluminátok és a kalcium-aluminoferritek is elfogynak, bár lassabban. A kalcium-karbonát kicsapódása helyileg kitölti a pórusokat, átmenetileg csökkentve a permeabilitást a karbonátosodási frontnál, de ezt az előnyt ellensúlyozza a progresszív pH-csökkenés. A reakció a beton pH-ját a normál 12,5-13,5 tartományból körülbelül 8,3-ra csökkenti a teljesen karbonátosodott betonban. Az acél depasszivációs küszöbértéke körülbelül pH 9,5, ezen érték alatt a passzív vas-oxid film már nem termodinamikailag stabil, és feloldódik.

A helyszíni ellenőrök a fenolftalein indikátor tesztet használják a karbonátosodás gyors kimutatására. 1%-os fenolftalein oldatot etanolban permeteznek egy frissen feltört betonfelületre. Lúgos betonban (pH körülbelül 8,0-9,5 felett) az indikátor rózsaszínűvé vagy bíborvörössé válik. Karbonátosodott betonban (pH a küszöbérték alatt) az oldat színtelen marad. A színtelen zóna mélysége a kitett felülettől mérve a karbonátosodási mélységet jelenti. Ezt a tesztet frissen feltört felületen kell elvégezni, nem vágott vagy fűrészelt felületen, mert a vágási folyamat elkenheti a lúgosságot, és pontatlan eredményeket adhat. A teszt azonnali, olcsó, és egyértelmű vizuális határt biztosít a karbonátosodott és a nem karbonátosodott beton között.

A karbonátosodás mélysége négyzetgyök-idő összefüggést követ: d = k × √t, ahol d a karbonátosodási mélység milliméterben, k a karbonátosodási sebességi együttható mm/√év-ben, t pedig az idő években. A k együttható erősen függ a beton minőségétől és a környezeti feltételektől. Sűrű, jól megtervezett beton alacsony víz-cement tényezővel (0,40 alatt) 1-3 mm/√év k értékeket mutat, ami azt jelenti, hogy 70-625 évbe telne, amíg a karbonátosodás elér egy tipikus 25 mm-es betontakarási mélységet. Közepes minőségű beton (v/c 0,45-0,55) k értéke 3-5 mm/√év, ami 25-70 év alatt éri el a 25 mm-t. Gyenge minőségű beton magas v/c aránnyal (0,60 felett) és alacsony cementtartalommal 5-10 mm/√év k értékkel rendelkezik, ami mindössze 6-25 év alatt éri el a 25 mm-t. A nagyon gyenge minőségű beton meghaladja a 10 mm/√év értéket, és kevesebb mint 6 év alatt éri el a kritikus takarási mélységeket. Ezek a modellek állandó környezeti feltételeket feltételeznek, a tényleges helyszíni karbonátosodást felgyorsíthatják a repedések, a ciklikus nedvesedés és a megemelkedett CO₂-koncentrációk városi vagy ipari környezetben.

A karbonátosodás szempontjából legagresszívebb relatív páratartalom-tartomány 50-70 százalék. 40 százalékos relatív páratartalom alatt a pórusvíz mennyisége nem elegendő a CO₂ oldódásához és az iontranszporthoz. 80 százalékos relatív páratartalom felett a vízzel telt pórusok hálózata akadályozza a CO₂ gáz diffúzióját, mert a gáznak fel kell oldódnia és a vízen keresztül kell diffundálnia, ami 10 000-szer lassabb, mint a gázfázisú diffúzió. A nedves-száraz ciklusok jelentősen felgyorsítják a karbonátosodást azáltal, hogy felváltva teszik lehetővé a CO₂ diffúzióját a száraz időszakokban, és biztosítják a szükséges vizet a karbonátosodási reakcióhoz a nedves időszakokban. A védett, időszakosan nedvesedő helyeken lévő szerkezetek, mint a hídpályalemezek alsó oldala, a parkolóházak födémjei és a belső épületoszlopok, különösen érzékenyek a karbonátosodás okozta korrózióra.

Ellentétben a klorid okozta korrózióval, amely lokalizált és lyukas jellegű, a karbonátosodás okozta korrózió általában egyenletes (általános) korrózió nagy területeken. Mivel a depassziváció széles körben elterjedt, a teljes acélfelület a karbonátosodott zónán belül elveszíti védelmét, az anódos és katódos helyek a mikroszkopikus skálán szorosan keverednek. A korróziós sebesség a karbonátosodott betonban jellemzően alacsonyabb, mint a kloriddal szennyezett betonban, ritkán haladja meg a 0,1 mm/év keresztmetszet-veszteséget. Az érintett nagy terület azonban a kumulatív keresztmetszet-veszteség és a betontakarás tágulásos repedése révén még mindig jelentős szerkezeti következményekkel járhat.

Kritikus kölcsönhatás lép fel a karbonátosodás és a kloridszennyezés között. A karbonátosodás felszabadítja a megkötött kloridokat a Friedel-sóból, növelve a szabad kloridkoncentrációt a karbonátosodási frontnál. Ezzel egyidejűleg a kritikus kloridküszöb csökken a pH csökkenésével, 11,5 pH-n a küszöbérték 2-3-szor magasabb lehet, mint 10,0 pH-n. A kombinált hatás azt jelenti, hogy a karbonátosodással és kloridokkal egyaránt rendelkező szerkezetek, mint például az olvasztó sóknak és a légköri CO₂-nek kitett hídpályalemezek, alacsonyabb összklorid-koncentrációnál tapasztalnak felgyorsult korróziót, mint amit bármelyik mechanizmus önmagában előre jelezne. Ez a szinergikus károsodás az egyik legnagyobb kihívást jelentő tartóssági probléma a meglévő betoninfrastruktúrában.

Korróziós termékek és térfogat-növekedés

A vas korróziója számos vegyületet termel az oxigén elérhetőségétől, a nedvességviszonyoktól és az agresszív ionok jelenlététől függően. Zhao és munkatársai (2011) kiterjedt röntgendiffrakciós (XRD), termogravimetriás (TG) és differenciális termikus elemzést (DTA) végeztek különböző környezetekből származó betonszerkezetekből gyűjtött rozsdamintákon, és nyolc különböző vegyületet azonosítottak. A leggyakoribbak: vas(II)-oxid (FeO, wüstit), fekete színű, 1,8-szoros térfogat-növekedéssel az eredeti vashoz képest, magnetit (Fe₃O₄), szintén fekete, 2,0-szeresre tágul, vas(II)-hidroxid (Fe(OH)₂), zöldesfehér, 3,75-szörösre tágul, vas(III)-hidroxid (Fe(OH)₃), vörösesbarna, 4,2-szeresre tágul, goethit (α-FeOOH), sárgásbarna, akaganeit (β-FeOOH), barna, kloridban gazdag, és lepidokrokit (γ-FeOOH), narancssárgásbarna. A teljesen hidratált vas(III)-hidroxid (Fe(OH)₃·3H₂O) éri el a maximális, 6,4-szeres tágulási arányt az eredeti vastérfogathoz képest. Bár a Fe₂O₃ (hematit) gyakran kimutatható a rozsdamintákban, általában úgy tekintik, hogy az acélgyártás során keletkező hengerléshártyából származik, nem magából a korróziós folyamatból, mivel képződéséhez 200°C feletti hőmérséklet szükséges.

A térfogat-növekedési arány, a korróziós termék térfogata osztva az elfogyasztott eredeti vas térfogatával, az alapvető paraméter, amely szabályozza a betontakarás repedését. A teljes tágulási tartomány 2,0-6,4-szeres, a fajlagos arány az adott környezeti feltételek mellett képződött korróziós termékek keverékétől függ. A képződő korróziós termék típusa elsősorban az oxigén elérhetőségétől és a nedvességtől függ: oxigénben gazdag környezetben a magasabb oxidok és hidroxidok dominálnak (Fe(OH)₃, γ-FeOOH), nagyobb tágulást okozva, oxigénben szegény környezetben az alacsonyabb oxidok dominálnak (Fe₃O₄, FeO), kisebb tágulást, de potenciálisan mélyebb korróziós behatolást okozva. A belső, száraz környezet jellemzően goethitet és maghemitet termel alacsonyabb tágulási együtthatókkal (1,8-2,5). A part menti és tengeri környezet akaganeitet termel, egy kloridban gazdag fázist, amely előnyösen képződik magas kloridkoncentráció jelenlétében, 2,0-3,5 tágulási együtthatóval. A klorid- és szulfátexpozícióval egyaránt rendelkező ipari környezet vegyes hidroxi-oxidokat termel, 2,5-6,0 tágulással.

A zárt betonban a rozsdaképződés által generált tágulási nyomás 50-100 MPa nagyságrendű. Ez 10-50-szeresen meghaladja a legtöbb szerkezeti beton húzószilárdságát, amely 2-5 MPa között van. A következmények kiszámíthatóak és drámaiak: a beton repedése már olyan kis korróziós mélységeknél megkezdődik, mint néhány tíz mikrométer (0,02-0,05 mm egyenletes acélveszteség). Kutatások szerint mindössze 1,5-2 százalékos térfogat-növekedés elegendő a betontakarás megrepesztéséhez, ami azt jelenti, hogy már a rozsda első vékony rétege is elegendő a károsodás elindításához. Amint a repedés bekövetkezik, előnyös utakat hoz létre a nedvesség, az oxigén és további kloridok számára, hogy elérjék a betonacélt, felgyorsítva a korróziós folyamatot egy önfenntartó ciklusban. A repedés csökkenti a bezártságot is, lehetővé téve, hogy a korróziós termékek nagyobb térben táguljanak anélkül, hogy további húzófeszültséget generálnának, ez az oka annak, hogy a korróziós sebesség lelassulhat a kiterjedt repedezés után, annak ellenére, hogy az alapul szolgáló keresztmetszet-veszteség folytatódik.

A betonacél korróziójának látható jelei

A vasalás korróziójának látható megnyilvánulásai egy jellegzetes, progresszív sorrendet követnek, amely lehetővé teszi a tapasztalt ellenőrök számára, hogy a betonfelületről felmérjék a károsodás súlyosságát és mértékét. A legkorábbi látható jel a rozsdafoltok megjelenése, vörösesbarna vagy sötétbarna elszíneződés a betonfelületen, amelyet az oldható vasvegyületek (elsősorban Fe²⁺ és Fe³⁺ ionok) okoznak, amelyek a beton pórusain keresztül vándorolnak és a felszínre jutnak. Ezek a foltok gyakran követik az alatta lévő vasalási háló geometriai mintázatát, vizuális térképet biztosítva az aktív korróziós zónákról. A foltok intenzitása durván korrelál a korróziós aktivitással, de nem közvetlenül a keresztmetszet-veszteséggel, egy kis aktív lyuk kiterjedt felületi elszíneződést okozhat, míg az előrehaladott egyenletes korrózió viszonylag kevés felületi elszíneződést produkálhat, ha a beton sűrű.

A foltosodást követően finom hosszanti repedések alakulnak ki a vasalás irányával párhuzamosan. Ezek a repedések a táguló korróziós termékek által az egyes rudak körül generált húzó gyűrűfeszültségek eredményeként jönnek létre. A repedés orientációja követi a betonacél elrendezését, a hosszanti repedések közvetlenül az alatta lévő rudak felett és azokkal egy vonalban jelennek meg. A repedésszélességek a hajszálrepedéstől (0,1 mm alatt) a mérsékelt (0,1-0,5 mm) és az előrehaladott (0,5 mm felett) állapotig terjednek. Az 1,0 mm-t meghaladó repedésszélességek súlyos korrózióra utalnak, ahol a betontakarás integritása jelentősen sérült, és valószínűleg azonnali beavatkozás szükséges. Ahogy több szomszédos rúd korrodálódik, rácsos repedésmintázat alakul ki, a repedések két egymásra merőleges irányban követik a szerkezet betonacél rácsának mintázatát.

A réteges leválás a következő szakaszt képviseli, ahol belső vízszintes repedések terjednek a betonban a betonacél szintjén, elválasztva a betontakarást az alatta lévő ép anyagtól. A leválás gyakran láthatatlan a szabad szem számára, de kalapácsos kopogtatással vagy lánc húzásával kimutatható, amelyek az ASTM D4580 szabványban meghatározott technikák (Standard gyakorlat a beton hídpályalemezek leválásának mérésére). Az ép beton tiszta, csengő hangot ad, amikor kalapáccsal vagy lánccal megütik. A leváló beton kongó, dobszerű hangot ad, mert a leváló réteg önállóan rezeg. A lánc húzása a hídpályalemez felett jellegzetes csörgő hangot ad a leváló területeken, amely egyértelműen megkülönböztethető az ép beton feletti tömör hangtól. A képzett ellenőrök ezekkel az egyszerű akusztikus módszerekkel figyelemre méltó pontossággal tudják feltérképezni a leválás határait, és az eredményeket közvetlenül a pályalemez felületén jelölhetik festékszóróval a dokumentáció és a javítás tervezése céljából.

A lepattogzás a terminális látható szakasz, ahol a leváló beton letörik a felületről, pelyhekben vagy darabokban hullva le. A lepattogzás jellemzően a sarkoknál, éleknél és építési hézagoknál kezdődik, ahol a betontakarás a legvékonyabb, majd a korrózió előrehaladtával befelé halad. A kitett betonacél látható rozsdával és mérhető keresztmetszet-veszteséggel az előrehaladott korrózió egyértelmű jele. A szerkezet alatti talajon lévő betondarabok nyilvánvaló, de gyakran figyelmen kívül hagyott jelek, ezek biztonsági kockázatot jelentenek a lehulló törmelék miatt, és azt jelzik, hogy a szerkezet azonnali figyelmet igényel. További jelek közé tartozik a kivirágzás, a kalcium-karbonát fehér kristályos lerakódása, amely kísérheti a karbonátosodást, és azt jelzi, hogy nedvesség mozog a betonban. Bármely kitett betonacél látható elvékonyodással (a rúdátmérő csökkenése) szerkezeti értékelést igényel egy engedéllyel rendelkező szakmérnöktől a megmaradt teherbírás meghatározásához. Az ACI 222R hangsúlyozza, hogy a korróziót félcellás potenciáltérképezéssel vagy közvetlen feltárással kell megerősíteni, mert a rozsdafoltok önmagukban származhatnak sekély vaszárványokból, az adalékanyagban lévő hengerléshártya-részecskékből vagy felületi szennyeződésből, amely nem jelent aktív szerkezeti korróziót.

A korrózió kimutatásának korlátai

Minden vizuális vizsgálati módszernek, beleértve az automatizált osztályozást is, vannak eredendő korlátai a korrózió kimutatásában. Az alapvető korlát az, hogy a korrózió a betonacél mélységében, jellemzően 25-75 mm-rel a felszín alatt indul meg, és évekig is eltarthat, mielőtt bármilyen látható megnyilvánulás megjelenik. Ebben a kezdeti szakaszban a kloridok diffúzió útján felhalmozódnak a betonacélnál, a passzív réteg lebomlik, és megindul az aktív korrózió, mindez külsőleg látható jel nélkül. A Tuutti-modell a korróziós élettartamot kifejezetten a szerkezet hasznos élettartamát egy kezdeti időszakra (amikor az agresszív anyagok behatolnak a betonacélig, de károsodás nem történik) és egy terjedési időszakra (amikor a korróziós termékek felhalmozódnak, és a károsodás láthatóvá válik és előrehalad) osztja. A kloriddal szennyezett hídpályalemezekben megfelelő betontakarás (50-75 mm) mellett a kezdeti időszak 10-20 évig vagy tovább tarthat, amely alatt nincsenek felületi jelek. A karbonátosodott szerkezetekben a kezdeti időszakot a CO₂ diffúziós sebessége határozza meg, és hasonlóan évtizedekig is eltarthat jó minőségű beton esetén.

A felületről látható vizsgálat nem képes számszerűsíteni a korróziós sebességet, azt a sebességet, amellyel a keresztmetszet-veszteség bekövetkezik. Egy kiterjedt rozsdafoltokkal rendelkező szerkezetnek lehet 0,01 mm/év (alacsony) vagy 0,1 mm/év (magas) aktív korróziós sebessége, a vizuális megjelenés önmagában nem különbözteti meg őket. A korróziós sebesség elektrokémiai mérést igényel lineáris polarizációs ellenállás (LPR) technikákkal, amelyek kis feszültségzavart alkalmaznak és mérik a keletkező áramválaszt. Ezek a mérések vizuális eszközökkel önmagukban nem érhetők el.

A felszín alatti leválás, a betonacél mélységében lévő vízszintes repedés, addig láthatatlan, amíg a leváló terület elég nagy nem lesz ahhoz, hogy észlelhető akusztikus választ adjon a lánc húzása vagy a kalapácsos kopogtatás során. A kis leválások észrevétlenek maradhatnak a rutin vizuális ellenőrzés során, és még a közepes méretű leválások is kimaradhatnak, ha az ellenőrzés nem foglal magában szisztematikus kopogtatást. A karbonátosodás mélysége és a kloridkoncentráció profilja a különböző mélységekben destruktív mintavételt (fúrás és por gyűjtése növekményes mélységekben kémiai elemzéshez) vagy speciális roncsolásmentes vizsgálatot igényel, ezek nem értékelhetők a felületi megjelenésből. Ezek a korlátok azt jelentik, hogy a csak vizuális vizsgálati rendszereket, bármilyen kifinomultak is, egy több módszert magában foglaló értékelési program részeként kell használni, amely magában foglalja az elektrokémiai vizsgálatokat és – ahol indokolt – korlátozott destruktív vizsgálatokat.

A felületről látható korrózió automatizált vizuális észlelése célja, hogy kiegészítse, ne pedig helyettesítse az átfogó roncsolásmentes vizsgálati értékelést. Értéke abban rejlik, hogy szisztematikusan és következetesen dokumentálja a látható korróziós jelzők helyét, mértékét és súlyosságát nagy szerkezeteken, ami lehetővé teszi az ellenőrök számára, hogy a roncsolásmentes vizsgálati erőforrásokat azokra a területekre összpontosítsák, ahol a legnagyobb a valószínűsége az aktív felszín alatti korróziónak.

Korrózióértékelési módszerek

Félcellás potenciáltérképezés (ASTM C876)

A félcellás potenciálvizsgálat a legszélesebb körben használt elektrokémiai módszer az aktív korrózió kimutatására vasbetonban. A technika a betonacél elektrokémiai potenciálját méri egy, a betonfelületre helyezett referenciaelektródához viszonyítva. A helyszíni használatra szabványos referenciaelektróda a réz/réz-szulfát (Cu/CuSO₄) félcella, amelyet gyakran CSE rövidítéssel jelölnek. A mérőkör a referenciaelektródából áll, amely egy nagy impedanciájú voltmérőhöz (>10 MΩ) csatlakozik, amely viszont a betonacélhoz csatlakozik egy kitett rúdon vagy egy fúrt és menetes csatlakozáson keresztül. Az elektromos érintkezést a betonfelületen egy nedves szivacs vagy porózus dugó biztosítja. A kezelő a referenciaelektródát rácsos mintázatban mozgatja a betonfelületen, jellemzően 1 méteres távolságokkal az előzetes felmérésekhez, és 0,5 méteres vagy annál kisebb távolságokkal a gyanús területek részletes vizsgálatához.

Az értelmezés az ASTM C876 kritériumait követi. A −200 mV-nál (CSE) pozitívabb potenciálok kevesebb mint 10 százalékos valószínűséget jeleznek az aktív korrózióra. A −200 és −350 mV közötti potenciálok bizonytalan zónát képviselnek, ahol a korróziós aktivitás lehetséges, de nem bizonyos. A −350 mV-nál negatívabb potenciálok több mint 90 százalékos valószínűséget jeleznek az aktív korrózióra. Ezek a kritériumok bevonat nélküli acél vasalásra vonatkoznak, atmoszférikus expozíciónak kitett, normál nedvességtartalmú betonban. A félcellás vizsgálat legértékesebb eredménye egy potenciálkontúr-térkép, a szerkezet felülnézeti rajza, amely bemutatja a negatívabb potenciálú (anódos aktív) és a pozitívabb potenciálú (katódos passzív) zónákat. A legmeredekebb potenciálgradiensek, ahol a potenciál rövid távolságon belül több mint 100 mV-ot változik, jelzik az aktív és passzív zónák közötti határokat, ahol a korróziós áram koncentrálódik.

Kritikus tényezők befolyásolják a félcellás leolvasásokat a korróziós aktivitáson túl. A beton nedvességtartalma jelentősen befolyásolja a leolvasásokat, a nedves beton negatívabb potenciálokat produkál még aktív korrózió nélkül is. A beton karbonátosodása −200 és −400 mV közötti potenciáleltolódást okoz. A kloridszennyezés −400 és −600 mV közötti potenciálokat produkál nedves betonban. A száraz beton 0 és +200 mV közötti potenciálokat produkál a korróziós állapottól függetlenül. Az oxigén elérhetősége jelentős tényező, a korlátozott oxigénellátottságú, vízzel telített beton −900 és −1000 mV közötti potenciálokat produkálhat, amelyek nem feltétlenül jeleznek aktív korróziót, hanem inkább a víz alá merült vagy folyamatosan telített beton alacsony oxigénszintű állapotát tükrözik. A RILEM TC 154-EMC műszaki bizottság átfogó útmutatást nyújt a félcellás adatok értelmezéséhez, figyelembe véve ezeket a zavaró tényezőket, beleértve a várható potenciáltartományok táblázatait különböző betonviszonyokra.

Beton ellenállásának mérése

A beton elektromos ellenállása szabályozza a korróziós áram áramlását az anódos és katódos helyek között. Az alacsony ellenállású beton vezetőképesebb utat biztosít az iontranszporthoz a pórusoldaton keresztül, lehetővé téve a magasabb korróziós sebességet. Az ellenállást a Wenner-négyelektróda elrendezéssel mérik, négy egyenlő távolságra lévő elektródát nyomva a betonfelülethez. A két külső szonda között váltakozó áramot vezetnek, és a két belső szonda között mérik a keletkező potenciálkülönbséget. Az ellenállást ρ a következőképpen számítják: ρ = 2πa × V/I, ahol a a szondák távolsága, V a mért feszültség, I pedig az alkalmazott áram. A váltakozó áram használata megakadályozza az elektródák polarizációját, és elkerüli az egyenáramú hibákat, amelyek befolyásolnák a félcellás méréseket ugyanazon a felületen.

Az értelmezési irányelvek a korróziós kockázatot az ellenállás alapján osztályozzák. Az 5 kΩ·cm alatti értékek nagyon magas korróziós valószínűséget jeleznek, a beton gyakorlatilag nem nyújt ellenállást az ionos áram áramlásának. Az 5-10 kΩ·cm közötti értékek magas valószínűséget jeleznek. A 10-20 kΩ·cm közötti értékek alacsony vagy mérsékelt valószínűséget jeleznek. A 20 kΩ·cm feletti értékek alacsony valószínűséget jeleznek, a korrózió nem valószínű, még akkor sem, ha más feltételek (potenciál, oxigén, kloridok) kedvezőek. Az ellenállást szabályozó domináns tényező a nedvességtartalom, a telített beton ellenállása 10 kΩ·cm alatt lehet, míg a kemencében szárított betoné meghaladhatja az 1000 kΩ·cm-t. A hőmérséklet szintén jelentősen befolyásolja az ellenállást, minden 10°C-os növekedésre 20-30 százalékos csökkenéssel. A víz-cement tényező és a pórusszerkezet finomítása (SCM-ek által) másodlagos, de fontos tényezők, a jól érlelt, alacsony v/c arányú, szilícium-dioxid füsttel készült beton ellenállása 5-10-szer nagyobb lehet, mint a hagyományos betoné.

Sadowski (2013) egy kombinált értékelési módszertant javasolt, amely a félcellás potenciált és a beton ellenállását használja a beton három területtípusba sorolására. Az 1. típusú területek alacsony potenciállal (−350 mV alatt) és alacsony ellenállással (10 kΩ·cm alatt) rendelkeznek, ami több mint 90 százalékos valószínűséget jelez az aktív korrózióra. A 2. típusú területek magas potenciállal (−200 mV felett) rendelkeznek, de alacsony ellenállással (10 kΩ·cm alatt), a korrózió bizonytalan, de az alacsony ellenállás azt jelenti, hogy ha depassziváció következik be, a korróziós sebesség magas lesz. A 3. típusú területek magas potenciállal (−200 mV felett) és magas ellenállással (20 kΩ·cm felett) rendelkeznek, a korrózió valószínűsége 10 százalék alatt van. Ez a kombinált megközelítés megbízhatóbb, mint bármelyik módszer önmagában.

Korróziós sebesség mérése (Lineáris polarizációs ellenállás)

A lineáris polarizációs ellenállás (LPR) az egyetlen helyszíni technika, amely közvetlen kvantitatív mérést biztosít a korróziós sebességről, arról a sebességről, amellyel az acél keresztmetszet-vesztesége bekövetkezik. A módszer egy kis feszültségzavart alkalmaz (jellemzően ±10-30 mV a korróziós potenciál körül), és méri a keletkező áramválaszt. A polarizációs ellenállást (Rp) a potenciál-áram görbe meredekségéből számítják a korróziós potenciálnál. A korróziós áramsűrűséget (icorr) a Stern-Geary egyenlet segítségével számítják: icorr = B / Rp, ahol B a Stern-Geary állandó (körülbelül 26 mV az aktív állapotban lévő acélra a betonban, 13 és 52 mV között változhat attól függően, hogy az anódos vagy a katódos reakció sebességmeghatározó).

A korróziós sebességet az acél keresztmetszet-vesztesége szempontjából a következőképpen számítják: Vcorr (mm/év) = 0,0116 × icorr (μA/cm²). Az icorr értékek értelmezése megállapított küszöbértékeket követ. A 0,1 μA/cm² (0,001 mm/év) alatti értékek passzív állapotot, elhanyagolható korróziót jeleznek. A 0,1-0,5 μA/cm² (0,001-0,006 mm/év) közötti értékek alacsony korróziót jeleznek. A 0,5-1,0 μA/cm² (0,006-0,012 mm/év) közötti értékek mérsékelt korróziót jeleznek. A 1,0-5,0 μA/cm² (0,012-0,058 mm/év) közötti értékek magas korróziót jeleznek. Az 5,0 μA/cm² (0,058 mm/év) feletti értékek nagyon magas, felgyorsult korróziót jeleznek. 5 μA/cm² korróziós sebesség mellett egy #4 (12 mm) méretű betonacél 20 év alatt elveszítené keresztmetszeti területének körülbelül 25 százalékát, ami egyértelműen beavatkozást igénylő sebesség.

A kereskedelmi forgalomban kapható LPR műszerek közé tartozik az iCOR® (Giatec Scientific), a Gecor 8 (James Instruments) és más eszközök, amelyek a korlátozott gyűrűelektróda konfigurációt használják. A gyűrűelektróda a polarizációs áramot az acélfelület ismert területére, jellemzően 100-200 cm²-re korlátozza, lehetővé téve a megbízható icorr számítást azáltal, hogy megakadályozza az alkalmazott áram szétterjedését egy ismeretlen területre. A korlátok közé tartozik a hőmérsékletre és páratartalomra való érzékenység (a méréseket viszonylag stabil hőmérsékleten, ideális esetben 20±5°C-on kell végezni), a polarizált terület ismeretének szükségessége (amit a gyűrűelektróda kezel), valamint a lokalizált lyukkorrózió potenciális alulbecslése (amely átlagolja a jelet a mérési területen). A megbízható LPR mérés maximális effektív mélysége körülbelül 10 cm a betonfelülettől. Az ASTM G59 szabványos vizsgálati módszert biztosít a laboratóriumi LPR mérésekhez, míg a RILEM TC 154-EMC iránymutatásokat ad a helyszíni alkalmazáshoz.

További roncsolásmentes vizsgálati módszerek

Korróziós súlyosság osztályozása

A korrózió súlyosságát egy négyszakaszos modell segítségével osztályozzák, amely a Tuutti élettartam-modellből és az FHWA iránymutatásaiból származik. 1. szakasz, Kezdeti azt az időszakot képviseli, amely alatt az agresszív anyagok (kloridok vagy CO₂) behatolnak a betontakarásba és elérik a betonacélt, de a korrózió még nem indult meg. Nincsenek látható jelek. A félcellás potenciálok −200 mV felett vannak. A korróziós áramsűrűség 0,1 μA/cm² alatt van. A keresztmetszet-veszteség nulla. 2. szakasz, Aktív, nincs leválás akkor kezdődik, amikor a korrózió megindul. A rozsdatermékek elkezdenek képződni, de még nem generáltak elegendő tágulási nyomást a beton megrepesztéséhez. Rozsdafoltok jelenhetnek meg a felületen az első látható jelzőként. A félcellás potenciálok −350 mV alá csökkennek. A korróziós áramsűrűség 0,1-1,0 μA/cm² között van. A keresztmetszet-veszteség kevesebb, mint 1 százalék. 3. szakasz, Leválás akkor következik be, amikor a tágulási nyomás meghaladja a betontakarás húzószilárdságát. Hosszanti repedések jelennek meg a betonacél mentén. A kalapácsos kopogtatás kongó, leváló területeket tár fel. A korróziós áramsűrűség 1,0-5,0 μA/cm² között van. A keresztmetszet-veszteség eléri az 1-5 százalékot. 4. szakasz, Lepattogzás a terminális szakasz, ahol a betontakarás letörik, és a betonacél szabaddá válik. A korróziós áramsűrűség meghaladja az 5,0 μA/cm²-t. A keresztmetszet-veszteség meghaladja az 5 százalékot. A rúdátmérő látható csökkenése tolómérővel mérhetővé válik.

A keresztmetszet-veszteség súlyosságát szerkezeti jelentősége szerint osztályozzák. Az 5 százalék alatti veszteség alacsony kockázatot jelent, minimális hatással a szerkezeti kapacitásra. Az 5-10 százalékos veszteség mérsékelt, némi kapacitáscsökkenés előfordulhat, és az acél és a beton közötti tapadás is érintett lehet. A 10-20 százalékos veszteség magas, jelentős kapacitáscsökkenés, amely szakmérnöki értékelést és valószínűleg teherbírás-értékelést vagy megerősítést igényel. A 20 százalékot meghaladó veszteség kritikus, szerkezeti hiányosság, amely sürgős beavatkozást tesz szükségessé, jellemzően kiegészítő vasalást, terheléskorlátozást vagy elemcserét foglalva magában. Ezek a küszöbértékek általános irányelvek, a tényleges szerkezeti jelentőség a megtámasztás típusától, a terhelési viszonyoktól, valamint a keresztmetszet-veszteség konkrét helyétől és eloszlásától függ a rúd mentén és a megtámasztáson belül.

Az európai szabvány, az EN 1504-9, átfogó keretrendszert biztosít 11 elvből a betonjavításhoz, amelyek közvetlenül kapcsolódnak a korróziókezeléshez. Az 1. elv a behatolás elleni védelemmel foglalkozik (bevonatok, tömítőanyagok, impregnálás). A 2. elv a nedvességszabályozást fedi le. A 3. elv a beton helyreállításával foglalkozik foltozó javítással. A 4. elv a szerkezeti megerősítést fedi le. A 7-11. elv közvetlenül a korrózióval foglalkozik: a passzivitás megőrzése vagy helyreállítása (realkalizálás, klorideltávolítás), az ellenállás növelése (hidrofób impregnálás), katódos szabályozás (oxigén korlátozása a katódnál), katódos védelem (ICCP vagy galvanikus anódok), valamint az anódos területek szabályozása (betonacél bevonása, inhibitorok).

Az ACI 318-19 meghatározza a korrózió expozíciós osztályait (C osztály), amelyek minimális tervezési követelményeket állapítanak meg az új szerkezetek számára. A C0 osztály (elhanyagolható expozíció) nem támaszt különleges követelményeket a minimális szerkezeti betonelőírásokon túl. A C1 osztály (mérsékelt expozíció, pl. lakóépületek alapozása, olvasztó sóknak nem kitett belső födémek) maximum 0,50 víz-cementáló anyag arányt, minimum 4000 psi nyomószilárdságot és minimum 1,5 hüvelyk (38 mm) betontakarást ír elő. A C2 osztály (súlyos expozíció olvasztó sóktól vagy tengeri permetezéstől) maximum 0,45 w/cm arányt, minimum 4500 psi szilárdságot és minimum 2,0 hüvelyk (50 mm) takarást ír elő. A C3 osztály (extrém expozíció közvetlen sós víztől, agresszív vegyi anyagoktól vagy árapály/tengeri fröccsenési zónáktól) maximum 0,40 w/cm arányt, minimum 5000 psi szilárdságot és minimum 2,5-3,0 hüvelyk (63-75 mm) takarást ír elő. Ezek a tervezési előírások célja a kezdeti időszak meghosszabbítása a tervezett élettartamra, amely jellemzően 50-75 év hidaknál és 75-100 év nagyobb infrastruktúránál.

Javítási és mérséklési módszerek

Katódos védelem

A katódos védelem (CP) az egyetlen korróziómérséklő módszer, amely megállítja az aktív korróziót a teljes kezelt szerkezetben, függetlenül a kloridtartalomtól vagy a karbonátosodás mélységétől. Az elv az, hogy külső áramot alkalmaznak a betonacél potenciáljának az immunitási vagy passzivációs tartományba tolására, így a teljes acélfelület katóddá válik. Két típus létezik. Az Impressed Current Cathodic Protection (ICCP) külső DC tápegységet (egyenirányítót) használ, amely egy inert anódrendszerhez csatlakozik, jellemzően titánhálóhoz vegyes fémoxid bevonattal (MMO), vezetőképes polimer bevonatokhoz réz gyűjtősínen vagy aktivált titán szalagokhoz, amelyeket a betonfelületbe vágott hornyokba helyeznek. Az ICCP 2-20 mA/m² acélfelületi áramsűrűséggel működik, és várható élettartama 20-30+ év megfelelő felügyelet és karbantartás mellett. Az egyenirányító lehetővé teszi a kimeneti áram beállítását a változó környezeti feltételekhez igazodva. A Galvanic Cathodic Protection (GCP) áldozati anódokat (cink vagy magnézium) használ, amelyek előnyösen korrodálódnak az acél védelme érdekében, kihasználva az anód anyaga és az acél között természetesen fennálló potenciálkülönbséget. A GCP alacsonyabb és nem állítható áramsűrűséggel, 0,5-8 mA/m², működik, és várható élettartama 10-20 év az anód tömegétől és fogyási sebességétől függően. A GCP-t előnyben részesítik kisebb területek, tengeri szerkezetek foltozó javításai és olyan területek esetében, ahol a külső áramellátás nem praktikus, vagy ahol az ICCP telepítésének költsége nem indokolható.

A CP hatékonyságának széles körben elfogadott kritériuma a 100 mV polarizációs csökkenés vagy 100 mV potenciáleltolódás (NACE SP0290). Az alkalmazott áram rövid megszakítása után (jellemzően 4-24 óra) az acél potenciáljának legalább 100 mV-ot kell csökkennie a polarizált értékéhez képest, jelezve, hogy a katódos reakció sikeresen elnyomja az anódos korróziós reakciót. Alternatív megoldásként a natív (védetlen) potenciáltól számított több mint 100 mV negatív irányú potenciáleltolódás is elfogadott. A CP rendszerek állandó referenciaelektródákat (jellemzően ezüst/ezüst-klorid vagy mangán-dioxid) igényelnek, amelyeket a betonba ágyaznak a folyamatos felügyelethez.

Elektrokémiai klorideltávolítás

Az elektrokémiai klorideltávolítás (ECE) nagy áramsűrűséget, 0,5-2 A/m²-t alkalmaz egy külső anód és a betonacél között rövid, 6-8 hetes kezelési időtartamra. Ez 10-100-szorosa a CP-ben használt áramsűrűségnek. A nagy áram a negatív töltésű kloridionokat a betonacéltól a betonfelületen lévő külső anód felé hajtja elektromigráció révén. A tipikus klorideltávolítási hatékonyság a teljes kloridmennyiség 30-60 százaléka, a legnagyobb eltávolítással a felületközeli betonból és csökkenő hatékonysággal nagyobb mélységekben. Az ECE egyszeri kezelés, nem állandó telepítés, a külső anódot és elektrolitrendszert a kezelés után eltávolítják.

Kritikus korlátozások vonatkoznak rá. Az ECE nem használható előfeszített vagy utófeszített szerkezeteken a hidrogén ridegedés kockázata miatt, a nagy áramsűrűség atomi hidrogént generálhat az acél felületén, amely a nagy szilárdságú acélba diffundálva rideg törést okozhat a tervezési kapacitás alatti feszültségszinteken (az ACI 222R kifejezetten figyelmeztet ez ellen az alkalmazás ellen). Az ECE megváltoztathatja a beton kémiáját, potenciálisan növelve a lúg-aggregátum reakció kockázatát, ha reaktív adalékanyagok vannak jelen. A folyamat h