fenomenul de coroziune a podurilor din beton armat (1)

Seminarul Internaional Gestionarea riscului operaional n exploatarea reelelor rutiere 5-7 Noiembrie 2009, Iai, Romania

2.9.Fenomenul de coroziune a podurilor din beton armat: metode de testare, control i de evaluare a riscului

Cristina Romanescu1, Constantin Ionescu2 1 Directia Autostrada Bucureti-Comarnic, CNADNR, Bucureti, 010873, Romnia

2Facultatea de Construcii Civile i Instalaii, Universitatea Gh. Asachi, Iai, 700050, Romnia

Rezumat

Coroziunea este atacul distructiv al unui metal prin reacie chimic sau electrochimic cu mediul n care este situat. Integritatea structural a podurilor i a altor structuri din beton ce sunt afectate de coroziune necesit reparaii urgente i costisitoare pentru a asigura sigurana public deoarece poate conduce la colapsul structurii i poate avea consecine catastrofale.

Mecanismele de coroziune permit nelegerea cauzelor apariiei coroziunii i metodele de prevenire sau cel puin de minimizare a degradrilor cauzate de coroziune.

Diagramele Pourbaix au avantajul c furnizeaz informaii privind stabilitatea unui anume metal n condiii speciale de potenial i pH, fiind stabil sau reacionnd i formnd oxizi specifici sau ioni compleci.

Ionii de cloruri rup pasivitatea sau previn formarea lor n unele metale. Mediul, temperatura, pH-ul aerului, srurile dizolvate sunt factori importani ai apariiei coroziunii.

Cauza principal a degradrii structurilor armate este coroziunea armturii ancorat n beton. Pentru structurile noi exist cteva metode de control a coroziunii armturilor, dar pentru structurile existente metodele pentru corectarea problemelor generate de coroziunea armturilor sunt relativ limitate de evaluarea strii structurii din beton armat. Controlul coroziunii const n protecia catodic pe scar larg pentru a preveni coroziunea, testarea i dezvoltarea de vopsele performante, utilizarea unor dozaje corespunztoare de inhibitori sau recomandarea de protecii anticorozive eficiente.

Managementul riscului este o preocupare de interes n domeniul ingineriei n ultimii ani. Managementul coroziunii este un aspect esenial al managementului riscului. n primul rnd, managementul riscului trebuie

2 C. Romanescu, C. Ionescu

inclus n faza de proiectare i apoi dup execuie lucrrile de ntreinere trebuie realizate astfel nct riscul s fie gestionat i pe durata de via operaional a structurii.

Cuantificarea coroziunii poate fi realizat prin urmtoarele metode de testare nedistructiv: metoda de msurare a potenialului cu ajutorul unei semicelule, teste de determinare a rezistivitii, teste pentru determinarea carbonatrii betonului, teste pentru determinarea coninutului de cloruri, tomografie computerizat, metoda ultrasonic de tip puls-ecou, metoda de scanare cu ajutorul curenilor Eddy, termografie i radiografie digital. Microscopia electrooptic a seciunii transversale a elementelor structurilor poate fi utilizat pentru documentarea vizual a coroziunii.

Predicia coroziunii este posibil printr-o monitorizare foarte bun a structurilor, crearea modelelor probabilistice i dezvoltarea unor software-uri de analiz.

CUVINTE CHEIE: procese de coroziune, poduri din beton, practici de inhibare a coroziunii, testarea nedistructiv a coroziunii, predicia coroziunii

1. INTRODUCERE

Armturile podurilor din beton armat i beton precomprimat corodeaz pe de o parte acolo unde betonul prezint fisuri datorit ptrunderii agenilor atmosferici (fisurare nainte de coroziune) sau pe de alt parte acolo unde betonul este carbonatat sau atacat de cloruri ce conduc la apariia fisurilor dup apariia coroziunii. Aceste fisuri conduc la desprinderi ale betonului, odat cu pri ale produilor de coroziune ai armturilor.

Cnd betonul precomprimat prezint fisuri acesta devine vulnerabil, colapsul fiind posibil deoarece se presupune c durabilitatea structurii a fost grav afectat.

2. MECANISMUL DE PRODUCERE A COROZIUNII ARMTURILOR

Coroziunea armturilor este un proces de natur electrochimic, implicnd transferul sarcinilor electrice (electronilor). n absena unei surse electrice externe apariia reaciei electrochimice presupune dou reacii:

Gestionarea riscului operaional n exploatarea reelelor rutiere 3

- reacia anodic generatoare de electroni prin oxidarea fierului i formarea

ionilor de fier

Fe Fe ++ + 2e-

2 Fe ++ + 4OH- 2Fe(OH)2

2Fe(OH)2 +1/2O2 2FeOOH + H2O

Fe + OH- + H2O HFeO2- + H2

- reacia catodic consumatoare de electroni prin reducerea oxigenului i formarea ionilor de hidroxil

2 H2O + O2 + 4e- 4(OH)-

2H+ + 2e- H2

Tipul de reacie chimic depinde de cantitatea de oxigen prezent i de pH-ul soluiei pastei de ciment din apropierea armturii.

Figura 1. Pod pe DN 13A km 114+098 cu suprastructur din fii cu goluri la care grinda

marginal este deteriorat, armtura fiind puternic corodat

Astfel, coroziunea armturii poate fi natural sau datorat clorurii de calciu, iar timpul de apariie al fenomenului este de minim doi ani. n cazul celei naturale apare la grinzi i stlpi i se datoreaz n principal lipsei acoperirii cu beton a armturilor sau datorit unei acoperiri insuficiente. n cazul betonului prefabricat, coroziunea armturii apare datorit clorurii de calciu n exces, exces datorat calitii slabe a betonului.

Efectele procesului de coroziune al armturilor nglobate n beton sunt:

- reducerea seciunii transversale a armturilor,

- desprinderea stratului de acoperire cu beton al armturilor.


Figura 2. Mecanismul de producere a coroziunii

3. CAUZE FAVORIZANTE ALE APARIIEI COROZIUNII ARMTURILOR

3.1. Atacul sulfailor

Atacul sulfailor poate aprea din cauze externe sau interne. Cauzele externe duc la o eroziune chimic a betonului.

Terenurile agricole sau cele contaminate, apele menajere i alte materiale organice pot conduce la atacul sulfailor asupra betonului. Prezena magneziului i a altor sulfai (sodiu, calciu, etc.) din aceste materiale conduc la concentraii mari de oxizi de sulf. Deteriorarea depinde de concentraia i de sursa ionilor de sulfai din ap i de compoziia pastei de ciment a betonului. Betonul aflat n contact cu sulfai reacioneaz, hidroxidul de calciu aflat n pasta de ciment i aceti sufai se combin i formeaz ghipsul (sulfat natural hidratat de calciu - CaSO4 2 H2O), care la rndul lui reacioneaz cu aluminatul tricalcic C3A i genereaz etringita (sulfat bazic de calciu i aluminiu hidratat - Ca6Al2(SO4)3(OH)12 - 26H2O). Se manifest prin expansiunea betonului i pierderea progresiv a rezistenei betonului. Atunci cnd apar din cauze externe afieaz degradri similare cu cele ale reaciei alcalii-agregate.


3.2. Reacia alcali-silice

Reacia alcalii-silice sau alcalii-agregate este un fenomen unde agregatele (reactive) ce conin minerale silicioase sau roci minerale carbonate (acide) reacioneaz chimic cu ionii hidroxil din ciment i genereaz un gel. Sunt dou tipuri de reacii: alcalii-silice i alcalii-carbonate. Materialele brute utilizate la fabricarea cimentului sunt responsabile pentru alcalinitatea cimentului (0,2 pn la 1,5% Na2O). Funcie de acest coninut pH-ul fluidului din porii betonului este 12,5 pn la 13,5, adic puternic alcalin. Mineralele silicioase sau rocile minerale carbonate devin instabile n acest mediu, fiind vulnerabile. Astfel, gelul absoarbe apa, expandeaz i conduce la fisurarea puternic a betonului. Acest proces de degradare este cunoscut sub denumirea de cancerul betonului.

3.3. Atacul clorurilor

Este fenomenul prin care coroziunea armturilor este potenat de prezena srurilor mprtiate pentru deszpezire i care ptrunde n beton.

3.4. Carbonatarea

Const n ptrunderea ionilor de dioxid de carbon din atmosfer n beton.

CO2 + H20 H2C03 (atmosfer+ap din pori)

H2C03 +Ca(OH)2 CaCO3 + 2H20 (pH scade de la 13 la 9 distrugerea stratului pasiv coroziune).

Figura 3. Pod pe DN 73A km 1+337 cu armturi corodate, beton carbonatat i infiltraii majore


4. METODE DE DETECTARE NEDISTRUCTIV A COROZIUNII PODURILOR DIN BETON ARMAT

Metodele de detectare nedistructiv a coroziunii armturilor la elementele podurilor din beton armat sunt:

- metoda de msurare a potenialului cu ajutorul unei semicelule

- teste de determinare a rezistivitii

- teste pentru determinarea carbonatrii betonului

- teste pentru determinarea coninutului de cloruri

- tomografie computerizat

- metoda ultrasonic de tip puls-ecou

- metoda de scanare cu ajutorul curenilor turbionari

- termografie digital

- radiografie digital.

Pentru documentarea vizual a coroziunii poate fi utilizat microscopia electrooptic a seciunii transversale a elementelor structurilor.

4.1. Metoda de msurare a potenialului cu ajutorul unei semicelule

Tendina oricrui metal de a reaciona cu mediul este indicat de potenialul electric pe care l dezvolt n contact cu agenii externi. n elementele podurilor din beton armat betonul acioneaz ca un electrolit, iar armturile vor dezvolta un potenial care depinde de mediul n care sunt situate, adic de betonul care poate varia din loc n loc. Clasificarea strii de coroziune funcie de potenialul electric este dat n tabelul nr. 1.

Tabelul nr.1

Potenialul electric

(mV)

Starea de coroziune

< -426 Coroziune accentuat

< -276 Ridicat ( -125 Sczut(10% risc de coroziune)


4.2. Teste de determinare a rezistivitii electrice a betonului

Rezistivitatea electric a betonului este un parametru important n ceea ce privete determinarea intensitii procesului de coroziune iniiat. n betoanele cu o rezistivitatea electric ridicat procesul de coroziune este ncet comparativ cu betoanele cu rezistivitate sczut n care curentul poate foarte uor s treac ntre zona anodului i cea a catodului. Aparatul const din patru electrozi (sonde) aezai la distane egale unul fa de altul (L), un ampermetru, un voltmetru i o surs de curent alternativ. Prin aplicarea curentului alternativ ntre cei doi electrozi exteriori i msurarea potenialului ntre cei doi electrozi centrali se determin rezistivitatea electric a betonului cu ajutorul formulei:

R=L/A (1)

=AR/L (2)

Riscul de apariie a coroziunii funcie de rezistivitatea electric a betonului este dat n tabelul nr. 2.

Tabelul nr.2

Rezistivitatea electric a betonului

(Ohmcm)

Risc de coroziune

Mai mare de 20000 Neglijabil

De la 10000 la 20000 Sczut

De la 5000 la 10000 Ridicat

Mai puin de 5000 Foarte ridicat

4.3. Teste pentru determinarea carbonatrii betonului

Adncimea de dezalcalinizare a betonului, provocat de aciunea gazelor i vaporilor cu caracter acid se determin prin metoda colorimetric, bazat pe schimbarea culorii unor indicatori organici n funcie de valoarea pH-ului.

Carbonatarea betonului de determin prin stropire n sprtura proaspt cu soluie 1% fenolftalein, care are intervalul de virare a culorii de la incolor (pH = 8,3) pn la rou violet (pH = 10,5). Alcalinitatea este caracterizat de un pH crescut, deci n zonele unde betonul nu i-a piedut alcalinitatea, adic nu este carbonatat este colorat intens n urma stropirii cu fenolftalein.


4.4. Teste pentru determinarea coninutului de cloruri

Adncimea de ptrundere a ionilor de clor se determin prin aplicarea pe sprtura proaspt de beton a soluiei 1% azotat de argint. Opalescena soluiei atest prezena ionilor de clor n beton.

4.5. Tomografia computerizat

Razele gamma de la o surs radioactiv lumineaz structura ce este testat, iar imaginea este nregistrat pe o plac fotografic sau este captat de un spectrometru. Utiliznd computerul se poate reconstrui imaginea tridimensional a structurii i se pot analiza cu foarte mare precizie datele culese. Tomografia computerizat cu raze gamma este superioar altor metode nedistructive datorit preciziei i a uurinei cu care se poate utiliza. Grinzile din beton precomprimat, elemente de o mare complexitate, pot fi investigate cu ajutorul acestei metode pentru a se determina toat armtura moale precum i armtura pre sau postntins.

4.6. Metoda ultrasonic de tip puls-ecou

Aceasta este o metod ultrasonic nedistructiv pentru detectarea i caracterizarea defectelor n materialele compozite la care unda este transmis i receptat pe aceeai parte a elementului (tehnica de suprafa) dup ce a fost reflectat de pe faa opus. Defectele conduc la o scdere a amplitudinii reflexiei. n aceast metod, un transmitor induce o und ntr-un element pe o fa accesibil. Unda se propag n interiorul elementului i este reflectat de ctre discontinuiti sau interfee. Rspunsul de pe suprafaa accesibil este cauzat de ntoarcerea undelor reflectate sau de ecouri i este monitorizat de oricare din transmitoare care acioneaz ca un receptor sau de ctre un trasmitor secundar localizat lng sursa de generare a undei.

Datele de ieire sunt afiate pe monitorul computerului, graficul obinut este denumit und timp-spaiu. Utiliznd timpul pe axa x se determin timpul de parcurgere al undei. Dac se cunoate viteza undei n materialul respectiv, acest timp de parcurgere poate fi folosit pentru a determina adncimea interfeei care reflect unda utiliznd urmtoarea ecuaie:

T = 1/2 t Cp (3) unde t = timpul de parcurgere al undei dus-ntors T = adncimea interfeei care reflect unda (defectului) i Cp = viteza undei. Componentele principale ale sistemului sunt traductorii transmitor i receptor i dispozitivul de nregistrare i afiare a formei undei. Pentru testarea betonului traductorii utilizai sunt cei cu frecven sczut.


4.7. Metoda de scanare cu ajutorul curenilor turbionari

Tehnica curenilor turbionari este util pentru depistarea proceselor de coroziune locale ale armturilor. Aceast metod depinde de curenii turbionari produi pe suprafaa armturilor situate n cmpul magnetic al unei bobine alimentate la un curent alternativ, de obicei de ordinul a 10 kHz. n zona corodat curenii turbionari sunt disturbai, producnd modificri ale cmpului bobinei existente, sau a unei bobine secundare, care poate detecta i amplifica pentru a fi vizualizat pe un monitor sau genereaz un semnal sonor.

Procesul de control nedistructiv cu cureni turbionari se bazeaz pe evidenierea unor modificri ale proprietilor fizice ale armturilor cu ajutorul unui cmp magnetic alternativ. Practic, armtura, avnd o anumit conductivitate electric, o anumit permeabilitate magnetic i dimensiune, se aduce n zona de interaciune cu un cmp magnetic alternativ, produs de o bobin de control parcurs de curent. Cmpul alternativ al bobinei de control induce n armtur cureni turbionari, care la rndul lor produc un cmp magnetic alternativ, conform legii lui Lenz opus cmpului originar al bobinei de control.

4.8. Termografie digital

Termografia n infrarou este tehnica de msurare i de trasare a unei hri a temperaturilor suprafeelor structurilor analizate. Un sistem de scanare termografic n infrarou poate efectua msurtori pe perioada zilei sau a nopii, depinznd de condiiile de mediu i de obiectiv.

Coroziunea armturilor poate fi detectat n imaginile n infrarou ca rezultat al diferenelor de termodifuziune a zonelor corodate i necorodate. Imaginile captate cu ajutorul unei camere digitale conectat la un computer pot fi afiate grafic funcie de temperatur, ntr-o scal de culori care relev zonele armturilor afectate de coroziune.

4.9. Radiografie digital

Tehnica radiografiei este o metod de testare nedistructiv a betonului pentru a obine informaii din interiorul structurilor din beton armat sau beton precomprimat. Tehnica const n utilizarea izotopilor radioactivi pentru testarea betonului. Metodele radiografice sunt de dou tipuri: pe baz de raze X i pe baz de raze Gamma. Aceste raze sunt radiaii electromagnetice invizibile care pot penetra betonul i cltoresc liniar. Razele pot fi atenuate funcie de natura, densitatea i grosimea betonului. Principiul radioscopiei este acela c emisia de fotoni a sursei de radiaie este transformat ntr-o lumin vizibil de un convertor


pentru obinerea energiei maxime. Prin fotografierea betonului se pot observa armturile corodate.

5. PREDICIA COROZIUNII I METODE DE COMBATERE

5.1. Predicia coroziunii

Aceasta presupune o urmrire continu a procesului de coroziune pentru furnizarea datelor necesare planificrii lucrrilor de ntreinere i detectarea precoce a modificrii condiiilor ce conduc la apariia coroziunii. Aceast evaluare se poate face in situ de ctre ingineri n cadrul inspeciilor detaliate sau automat. Evaluarea cu precizie a coroziunii armturilor i propagarea acesteia n interiorul elementelor din beton armat sau beton precomprimat presupune introducerea unor senzori lng sau pe armturi i un dispozitiv de nregistrare care s aib capacitatea teletransmisiei datelor la un computer central pentru analiz. Senzorii culeg urmtoarele tipuri de date:

- diferene de potenial electric

- rezistivitate electric

- concentraia ionilor de clor

- temperatur

- umiditate.

Interpretarea datelor se poate face automat cu ajutorul unor software-uri de analiz care includ modele probabilistice.

5.2. Metode de combatere a coroziunii

Metodele de combatere a coroziunii se pot aplica n faza de proiectare i execuie i constau n:

- reducerea raportului ap-ciment

- creterea grosimii stratului de acoperire a armturilor i utilizarea unor betoane de calitate

- utilizarea materialelor cimentoide de tipul tufurilor vulcanice, zgurii de furnal sau diferite materiale puzzolanice

- utilizarea acoperirilor de protecie galvanice sau epoxidice a armturilor


6. MANAGEMENTUL RISCULUI

Identificarea hazardului i evaluarea riscurilor sunt fundamentale pentru orice proces de management. Hazardul este potenialul ce cauzeaz degradarea, iar riscul este o combinaie ntre severitatea efectului, consecinei i modalitatea de apariie, modul de degradare i frecvena probabil. Evaluarea riscului este examinarea detaliat a hazardului potenial ce poate afecta procesul.

Managementul coroziunii este o parte a sistemului de management general care include dezvoltarea, implementarea, revizuirea i ntreinerea politicilor referitoare la coroziune. Aceste politici includ stabilirea unor structuri organizaionale cu responsabiliti bine definite, modaliti de raportare, practici, proceduri, procese i resurse. Aceasta necesit demonstrarea responsabilitii i contabilizarea performanelor, gestionarea riscului, micorarea costurilor, controlul i motivarea personalului.

n general riscul R este definit ca probabilitatea P de apariie multiplicat de consecina C a apariiei

R=PC (4)

De aceea, riscul coroziunii ce poate conduce la colaps este egal cu probabilitatea de apariie a colapsului multiplicat cu consecina colapsului. Consecina este de obicei msurat n termeni financiari, adic costul total al colapsului datorat coroziunii, inclusiv costul nlocuirii, dezafectrii, reparaiilor, ntrzierilor. Orice tip de degradare ce poate aprea cu consecine importante trebuie s fie minimizat, iar acele degradri cu consecine reduse pot fi tolerate a aprea mai frecvent.

Figura 6. Schema logic a managementului riscului coroziunii

Ghiduri Instruciuni tehnice

Normative Specificaii tehnice

Standarde

PROIECTARE CONSTRUCIE

(EXECUIE)

Sistemul de management, Manuale i proceduri

Condiii operaionale

Strategii de ntreinere Instruciuni de inspecie

Controlul coroziunii Proceduri de ntreinere EXPLOATARE

NTREINERE -INSPECIE

Modificri ale practicilor operaionale, Planurilor

de ntreinere i a frecvenei Inspeciilor

Rapoarte de Feed Back bazate pe analiza datelor

DATE DE INSPECIE I REFERITOARE LA

COROZIUNE Grosimea acoperirii de beton

Predicia duratei de via rmas

Starea aparaturii Starea acoperirii de protecie

Revizuirea informaiilor conform cu rezultatele


Managementul coroziunii este un aspect esenial al managementului riscului. n primul rnd managementul riscului trebuie inclus nc din perioada de proiectare i apoi n perioada de construcie, continund n perioada de exploatare astfel ca riscul s fie continuu gestionat. Proiectul tehnic ar trebui s includ echipamente de control al coroziunii cum ar fi sistemele de protecie catodic. ntreinerea trebuie efectuat corespunztor astfel nct coroziunea s fie observat din faz incipient, defectele majore s fie reparate, gestionnd riscul pe toat durata de via operaional.

7. CONCLUZII

Coroziunea armturilor suprastructurilor de poduri din Romnia este o problem major a infrastructurii rutiere de transport. Existena i utilizarea unor metode nedistructive performante pentru detectarea coroziunii armturilor din elementele de beton armat sau precomprimat n faza incipient a apariiei acestui fenomen poate diminua considerabil costurile lucrrilor de reparaii i ntreinere i pot mri durata de via a structurilor de poduri.

Dei aceste metode necesit personal calificat, cu experien i investiii costisitoare n aparatura specific, este de preferat o urmrire continu a structurilor pentru combaterea din timp a factorilor care conduc la apariia coroziunii n vederea aplicrii unui management al riscurilor eficient.

Referine 1. Cristina Romanescu - Analiza factorilor ce concur la coroziunea armturilor la podurile din

beton armat seminarul cu tema Investigarea i gestionarea drumurilor publice organizat la CESTRIN n data de 24 noiembrie 2005 revista Drumuri i Poduri numrul 37 (106) din 2006

2. Dr. Dmitri Val Aspects of corrosion in reinforced concrete structures and its influence on structural safety (Stage B), National Building Research Institute, Israel, Reports 2006

3. Pierre R. Roberge Handbook of Corrosion Engineering, McGraw-Hill Companies, 2000 4. R. Winston Revie, Herbert H. Uhlig - Corrosion and corrosion control - An Introduction to

Corrosion Science and Engineering, Fourth edition, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken New Jersey, 2008

5. U.S. Department of Transportation Critical Literature Review of High-Performance Corrosion Reinforcements in Concrete Bridge Applications, Final Report, July 2004

6. Integrated Research Project Sustainable Bridges - Assessment for Future Traffic Demands and Longer Lives - Laboratory investigations of steel bar corrosion in concrete, European Commission within 6th Framework Programme, November 2007

7. U. S. Department of Transportation - Federal Highway Administration - Multiple Corrosion Protection Systems for Reinforced Concrete Bridge Components, July 2007

8. A.K. Agrawal, S. Alampalli, Z. Yi - Advances in Corrosion Monitoring Systems for Highway Bridges, Proceedings of the 2005 Structures Congress and the 2005 Forensic Engineering Symposium, April 20-24, 2005. Published by American Society of Civil Engineers (ASCE)


9. Mohamed A. Ismail, Hamid Soleymani, Masayasu Ohtsu - Early detection of corrosion activity

in reinforced concrete slab by AE technique, Proceedings of the 6th Asia-Pacific Structural Engineering and Construction Conference (APSEC 2006), September 2006

10. Robert G. Kelly, John R. Scully, David W. Shoesmith, Rudolph G. Buchheit Electrochemical Techniques in Corrosion Science and Engineering, Marcel Dekker, Inc., 2003

11. M. Raupach, B. Elsener, R. Polder and J. Mietz Corrosion of reinforcement in concrete. Mechanisms, monitoring, inhibitors and rehabilitation techniques, European Federation of Corrosion, Institute Cambridge England, 2007

12. V. S. Sastri, Edward Ghali, Mimoun Elboujdaini Corrosion Prevention and Protection Practical Solutions, John Wiley & Sons Ltd, 2007

fenomenul de coroziune a podurilor din beton armat (1)

Documents