Μελέτη της επίδρασης της βλάβης διάβρωσης στη μηχανική συμπεριφορά του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος

Abstract

As it is widely known, the majority of the reinforced concrete structures located in coastal areas, suffer from the consequences of the corrosion factor. Chloride induced corrosion, in synergy with other hazardous factors, such as seismic actions or air pollutant emissions, is really harmful for the structures. The absence of rehabilitation actions is critical as well. The derived drop of durability, raises issues of security and reliability, concerning the structural integrity of the structures. Consequently, a great demand for handling such structures, is created.Although durability of the reinforced concrete structures is a major issue, only recently it captured the scientific community’s interest. This belated response resulted in lack of the quantification of the phenomenon, which was the reason for the non-inclusion of the issue in the applicable Standards for Rehabilitation. The extended study, analysis and quantification of the corrosion concequences premise laboratory reproduction of the corrosion phenomenon, with the use of accelerated experimental techniques.In the present dissertation thesis, an extended study was conducted, concerning the consequences of the corrosion phenomenon on steel reinforcement, not only as far as its mechanichal behavior is concerned, but also on the whole material structure.Precisely, several measurements were taken from real structures, emphasizing on regions of major importance for their structural integrity and their future extention, such as the protruding areas of steel reinforcement. The results that emerged raised questions about the actual load carrying capacity and the reliability of the unfinished reinforced concrete constructions, which remain inactive for a long period of time.Degradation of the mechanical performance of steel and the need to study further this phenomenon, led to the use of laboratory techniques of rapid simulation and reproduction of the corrosive environment. The methods used were salt spray chamber and impressed current density technique. Exposure conditions XS1, according to EN206 standard, were simulated for both corrosion methods. Bare and semi-embedded specimens were exposed to the corrosive media. The aim was to study the effect of the chlorides action on the unprotected surface of steel reinforcement as well as to evaluate their impact on the protruding area of the semi-embedded samples. The results were correlated to the measurements taken from real structures. Aditionally, two reinforced concrete columns were constructed (scale 1:2). Impressed current was used to corrode one of the columns, at a predetermined height from its bottom. Both columns were tested under constant vertical load with the simultaneous imposition of a horizontal deformation (drifts). The whole load constitutes a mechanical analog of seismic phenomena.The goal was to estimate the seismic response of the columns under the influence of both the corrosive agent and the mechanical strain, in areas characterized as “mechanically sensitive” for the constructions, given that they are expected to develop sufficient plastic articulation, according to the current standards.However, besides the evaluation of the mechanical degradation of the various structures, it was necessary to investigate further the impact of corrosive action on the inner structure of steel. SEM and EDX analyses, which took place before and after the exposure of steel to the corrosive conditions, revealed severe defects on the internal structure of B500c steel bars, which originate either from the production process or from the catalytic presence of sulfur compounds (sulphides), which develop from the outer surface, internally and subcutaneously. Combined action of sulfur compounds, in presence of chlorides, is considered to be really harmful for steel. Additionally, it has been proved that the length of the exposed-to corrosion- surface greatly affects the level of the corrosion damage. For this reason, specimens of different exposed lengths were prepared. The developed corrosion damage was evaluated. Although further investigation is required, however the corresponding results are of a particular interest for real structures.In the present dissertation thesis, a correlation was achieved among the two accelerated corrosion methods (salt spray chamber- impressed current density), using the mass loss rates that emerged. This study may trigger further investigation, in order to correlate the results coming from the impressed current density technique, to the environmental conditions. Something similar has already been achieved for the sal srpay chamber technique.To enhance corrosion resistance of steel used in reinforced concrete structures, an anti-corrosion method was proposed, using shot blasting technique. A suitable combination of materials was selected to achieve the desired level of surface cleaning of steel, removing undesirable impurities, without affecting the chemical composition of the material. A worth-mentioning lifetime extension of the material was achieved, in terms defined by the applicable regulations

Όπως είναι γνωστό, στις παράκτιες περιοχές, μεγάλο μέρος των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος, υπόκειται τις συνέπειες του επιθετικού θαλάσσιου περιβάλλοντος. Οι επιπτώσεις της διάβρωσης, λόγω χλωριόντων, στο χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος, σε συνέργεια με άλλους επιβλαβείς παράγοντες όπως οι σεισμικές δράσεις και οι εκπομπές ρύπων, σε συνδυασμό με την απουσία επισκευαστικών δράσεων, συχνά αποβαίνουν ζημιογόνες για τις κατασκευές. Η εκ των ανωτέρω λογων απομείωση της ανθεκτικότητας και της επιτελεστικότητας των κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος, εγείρουν ζητήματα ασφάλειας και αξιοπιστίας της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών. Επομένως, η ανάγκη διαχείρισης παρόμοιων κατασκευών, καθίσταται επιτακτική. Ωστόσο, παρά τη βαρύτητα των επιπτώσεων της διάβρωσης στη δομική ακεραιότητα και κατ’ επέκταση τη διάρκεια ζωής των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, μόλις τα τελευταία χρόνια συγκέντρωσαν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Η καθυστερημένη απόκριση της επιστημονικής κοινότητας να ασχοληθεί σοβαρά με το μείζον αυτό ζήτημα είχε ως αποτέλεσμα τη μη συμπερίληψη του στα ισχύοντα κανονιστικά κείμενα ανασχεδιασμού των κατασκευών, αφού μέχρι σήμερα εκκρεμεί η ποσοτικοποίηση της διάβρωσης του σιδηροοπλισμού. Η εκτενής μελέτη, ανάλυση και ποσοτικοποίηση της ποσοστιαίας απώλεια μάζας του σιδηροοπλισμού, απαιτεί την εργαστηριακή αναπαραγωγή της διάβρωσης, μεσω της εφαρμογής μεθόδων ταχείας προσομοίωσης διάφορων περιβαλλοντικών συνθηκών.Με βάση τα ανωτέρω, στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε εκτενής μελέτη των επιπτώσεων του φαινομένου της διάβρωσης στο χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος, τόσο στην δομή του υλικού όσο και στη μηχανική του συμπεριφορά. Συγκεκριμένα, ελήφθησαν μετρήσεις επί πραγματικών κατασκευών, εστιάζοντας ιδιαίτερα σε μηχανικά κρίσιμες θέσεις για τη δομική ακεραιότητα αλλά και την τυχόν μελλοντική τους επέκταση. Τέτοιες θέσεις αποτελούν κυρίως τα άκρα "γραμμικών" στοιχείων (δοκών- υποστυλωμάτων στις θέσεις ανάδυσης των ράβδων χάλυβα οπλισμού γνωστές ως αναμονές). Τα αποτελέσματα που προέκυψαν ανέδειξαν ζητήματα περί της πραγματικής φέρουσας ικανότητας και κατ’ επέκταση περί της αξιοπιστίας των ημιτελών ( για μεγάλο χρονικό διάστημα) κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος. Η υποβάθμιση της μηχανικής απόδοσης του χάλυβα λόγω διάβρωσης του και η ανάγκη μελέτης του φαινομένου, οδήγησε στη χρήση εργαστηριακών μεθόδων ταχείας προσομοίωσης του ανάλογου διαβρωτικού περιβάλλοντος. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η επιταχυνόμενη διάβρωση της αλατονέφωσης και η μέθοδος της ηλεκτροδιάβρωσης (επιβολή συγκεκριμένης πυκνότητας ρεύματος). Μέσω αυτών των μεθόδων, προσομοιώθηκαν οι συνθήκες έκθεσης XS1 (κατά EN206), σε ομάδες «γυμνών» και ημιεγκιβωτισμένων δοκιμίων που εκτέθηκαν στο διαβρωτικό μέσον. Στόχος ήταν η μελέτη των επιπτώσεων της δράσης των χλωριόντων επί του εκτεθειμένου- στο περιβάλλον- οπλισμού, καθώς και επί των αναμονών, αποτελέσματα τα οποία αντιστοιχήθηκαν με μετρήσεις επί πραγματικών καασκευών. Με στόχο τη μελέτη της μηχανικής απόδοσης του οπλισμένου σκυροδέματος, πριν και μετά από διάβρωση, κατασκευάσθηκαν δύο υποστυλώματα οπλισμένου σκυροδέματος (κλίμακα 1:2), το ένα εκ των οποίων διαβρώθηκε με την επιβολή ρεύματος, σε συγκεκριμένο ύψος από τη βάση του, και τα οποία δοκιμάστηκαν υπό σταθερή κατακόρυφη φόρτιση και παράλληλη επιβολή οριζόντιας μετατόπισης (drifts), που συνιστά μηχανικό ανάλογο της σεισμικής καταπόνησης. Σκοπός των πειραμάτων ήταν η μελέτη απομείωσης της σεισμικής απόκρισης υποστυλωμάτων, υπό την επιδραση τόσο του διαβρωτικού παράγοντα, όσο και της μηχανικής καταπόνησης, σε μηχανικά κρίσιμες περιοχές (άκρο υποστυλώματος) κατασκευών καθώς σύμφωνα με το σχεδιασμό στις θέσεις αυτές προσδοκάται η ανάπτυξη επαρκούς πλαστικής άρθρωσης.Πέραν αυτών, αναγκαία κρίθηκε η μελέτη των επιπτώσεων της διάβρωσης στην εσωτερική δομή του υλικού (του χάλυβα), καθώς και των παραγόντων που συνεργούν στην απομείωση της μηχανικής του απόδοσης. Τα αποτελέσματα αναλύσεων SEM και EDX χαλύβων, πριν και μετά από διάβρωση, αποκάλυψαν αφενός σημαντικές ατέλειες στην εσωτερική δομή του διφασικού χάλυβα B500c, οι οποίες προέρχονται ήδη από την παρασκευή (χύτευση) του και αφ’ετέρου την καταλυτική παρουσία χημικών ενώσεων θείου (σουλφιδίων), που αναπτύσσονται τόσο εσωτερικά, όσο και υποδόρια της εξωτερικής επιφάνειας του υλικού. Οι εν λόγω ενώσεις, αντιδρούν με την παρουσία ιόντων χλωρίου σχηματίζοντας επιβλαβείς κρατήρες, στο εσωτερικό του υλικού, οι οποίοι ευθύνονται σημαντικά για την ψαθυροποίηση του. Σε συνέχεια των παραπάνω ευρημάτων, μελετήθηκε η επίδραση που έχει στη βλάβη διάβρωσης ο παράγοντας του εκτεθειμένου μήκους. Προς τούτο, εξετάστηκε ο βαθμός βλάβης διάβρωσης σε δείγματα με διαφορετικό εκτεθειμένο μήκος, τα αποτελέσματα των οποίων φαίνεται να έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη μηχανική των πραγματικών κατασκευών. Παρόλα αυτά, θα απαιτηθεί περαιτέρω έρευνα.Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιήθηκε συσχέτιση της επιταχυνόμενης μεθόδου διάβρωσης μέσω αλατονέφωσης, με την αντίστοιχη της ηλεκτροδιάβρωσης, ως προς την απώλεια μάζας και το χρόνο έκθεσης. Η μελέτη αυτή μπορεί να αποτελέσει ένα έναυσμα περαιτέρω διερεύνησης του ζητήματος, ώστε να πραγματοποιηθεί συσχέτιση της ηλεκτροδιάβρωσης με το φυσικό περιβάλλον, ανάλογη με εκείνη που έχει ήδη υλοποιηθεί για τη μέθοδο της αλατονέφωσης.Για την ενίσχυση της αντιδιαβρωτικής συμπεριφοράς του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος, προτάθηκε μέθοδος αντιδιαβρωτικής προστασίας, μέσω της διαδικασίας της ψηγματοβολής. Έπειτα από εντατική έρευνα επελέγη ο κατάλληλος συνδυασμός υλικού, ο οποίος επέφερε το επιθυμητό επίπεδο επιφανειακού καθαρισμού του χάλυβα οπλισμού σκυροδέματος, απομακρύνοντας τις ανεπιθύμητες ακαθαρσίες, χωρίς ωστόσο να επιδρά στη χημική σύσταση του υλικού, και ακόμα επέφερε σημαντική παράταση ζωής του υλικού, στα πλαίσια μάλιστα που ορίζουν οι ισχύοντες κανονισμοί.