3. vje be korozija armature u betonu

Korozija armature u betonu, Proraun gubitka poprenog presjeka i vremena pojave pukotinaP ro f . d r. s c . D u b r a v k a B j e g o v i mail: [email protected] Asistentice: M a r i j a n a S e r d a r, d i p l . i n g . g r a . Ana Barievi, dipl.ing.gra.

G R A E V I N S K I FA K U L T E T S VE U I L I TA U Z A G R E B U K A I E VA 2 6 , Z A G R E B

3. Vjebe

OSNOVNO O KOROZIJI HRN EN ISO 8044 definira koroziju kao fizikalno

kemijsko meudjelovanje metala i njegova okolia koje uzrokuje promjene upotrebnih svojstava metala te moe dovesti do oteenja metala, okolia ili tehnikog sustava koji oni ine.Pasivni sloj elik

Kisik 2

Trokovi korozije U Sjedinjenim Amerikim Dravama izraunato je da je

ukupni troak uslijed korozije 275,7 milijardi dolara godinje, od ega 22,6 milijarde dolara otpada na infrastrukturu (NACE, 2001) U Europi se pretpostavlja da trokovi sanacije oteenih konstrukcija obuhvaaju od 1 do 5 % bruto nacionalnog dohotka veine europskih zemalja, te esto premauju i trokove izgradnje same konstrukcije.

3

DE SITTEROV ZAKON

125$

1$

25$

5$

4

5

Konstrukcija sagraena 1920-ih godina Graevina u funkciji testiranja torpeda za vrijeme proizvodnje

Objekt lansirne rampe Torpedo, Rijeka

6

Konstrukcija graena od 1976. do 1980. godine Luni most ukupnog raspona 1430 m

Vei luk raspona 390 m, drugi najvei armiranobetonski luk mosta na svijetu

Krki most

7

Konstrukcija graena od 1995. do 1996. godine Luni most raspona luka 200 m

Masleniki most

Armatura u betonu Povrina elika se u medijima s visokim pH, poput

betona, pasivira Na povrini nastaje tanki pasivni sloj eljezovog oksidawww.cemconres.comelik

porna voda

pasivni film

8

UZROK KOROZIJETERMODINAMIKI STABILNO STANJE KOROZIJSKI PRODUKTIhidratizirani elini oksid

RUDAeljezni oksid

ELIK U UPOTREBI TERMODINAMIKI NESTABILNO STANJE9

ELIANAredukcija rafinacija lijevanje izvlaenje oblikovanje

Korozija armature u betonu Osnovni razlozi korozije armature u betonu:

smanjivanje pH razine betona - karbonatizacija XC (korozija uzrokovana karbonatizacijom), penetracija klorida u pore oko armature XD (korozija uzrokovana solima koji nisu iz mora), XS (korozija uzrokovana kloridima iz morske vode) i XF (korozija uzrokovana smrzavanjem i odmrzavanjem)

10

UZROK KOROZIJEKorozija inducirana karbonatizacijom

Korozija inducirana kloridima

11

Karbonatizacija Reakcija ugljinog dioksida CO2 iz atmosfere i kalcij

hidroksida Ca(OH)2 iz cementa Smanjenje pH porne vode betonaCO2 + H2O H2CO3 CaCO3 + H2O CaCO3 + 2H2O

CO2 + Ca(OH)2 (aq) Ca(OH)2 + H2CO3

(Bentur et al. 1997)12

PrimjeriKOROZIJA

Potencijal (V)

Pasivno

potencijal armature u betonu

Nema opasnosti od korozije

Gradska trnica Novska, 2008 13

Utjecaj klorida Utjecaj kloridnih iona na depasivaciju elika -natjecanje

dva procesa: stvaranje i obnavljanje pasivizirajueg filma od strane hidroksilnih iona i razaranje filma djelovanjem kloridnih ionaFe Fe2+ + 2 eFeCl2 Fe2+ + 2 Cl-

FeCl2 + H2O + OH-

Fe(OH)2 + 2 Cl- + H+4 Fe(OH)3

4 Fe(OH)2 + 2 H2O + O2

2 Fe(OH)3

Fe2O3 H2O + 2 H2O14

(Bertolini et al. 2000)

Utjecaj klorida Depasivizacija povrine elika - kada je na razini armature

dosegnuta kritina koncentracija klorida U praksi se kritina koncentracija klorida Ccr = 0,4 % na masu cementa, odnosno Ccr = 0,05 % na masu betona za ugljinu elinu armaturu0,55 0,5 Udio klorida, Cx, po masi betona (%) 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 5 10S3 VZ

15 20 25 30 35 40 Udaljenost, x, od izloene povrine (mm)S3 VV S3 NR

45TS (S3) V

50

55

60TS (S3) Z

Masleniki most, stup S3, 2007 15

Primjeriwww.matcoinc.com

16

Posljedice korozije armature u betonu1.

pukotine i odlamanje zatitnog sloja betona zbog poveanja volumena hre

17


gubitak poprenog presjeka armature u betonu to uzrokuje smanjenje nosivosti konstrukcije325 300 275 250 225 -1501 2 3 4

p1 - potential p2 - potential p3 - potential

-50

Pcorr,m (m)

175 150 125 100 75

-250

-350

-450 50 25 0 0 35 70 105 140 175 210 245 280 315 350 385 p1 - corrosion depth p2 - corrosion depth p3 - corrosion depth -550

t, days

(Stipanovi et al. 2009)18

(Grandi et al. 2009)

Ecorr,m (mV)

200


gubitak mehanikih svojstava armature800 700

Vlana vrstoa ftm,corr (N/mm2)

600 500

f tm,corr = -10,838x + 673,71 (N/mm2)400 300 200 srednje vrijednosti 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Smanjenje promjera:

x =

(P corr ) (%)

(Grandi 2009)19

MODELI Martin-Perez model odreivanje koliine gubitka mase elika pretpostavljajui konstantnu brzinu nastanka korozijskih produkata.

Liu&Weyers model odreivanje koliine gubitka mase elika pretpostavljajui promjenjivu brzinu nastanka korozijskih produkata zbog dinaminosti procesa korozije. Bhargava et al. model odreivanje koliine gubitka mase elika pretpostavljajui promjenjivu brzinu nastanka korozijskih produkata zbog dinaminosti procesa korozije uzimajui u obzir rezidualnu vrstou betona i duktilnost armature u kombinaciji s korozijskim produktima.

20

Faze modela oteenja

21

OSNOVE PRORAUNA

= V/Vukupna koliina produkata korozije WT koliine produkata korozije potrebna za popunjavanje pora WPs

Slobodno irenje

Poetak naprezanja22

Pojava pukotina

Model koji pretpostavlja konstantnu brzinu nastajanja korozijskih produkata Martin Perez modeldM s dtMrMr

IcorrMs

A n F

dM s dt

2,893 10

4

I corr

varira izmeu 0,523 i 0,622

5,536 10Ms A F nMr

7

D

t i corr

Koliina elika koja se potroi tijekom vremena molekularna teina elika koji se otapa (za Fe, A = 55,85 g/mol) Faradayeva konstanta (F= 96 500 C/mol) valencija reakcije ija se vrijednost empirijski odabire kao n= 2(Vrijednost n=2 podrazumijeva da su svi korozijski produkti Fe(OH)2)

Ukupna koliina hre

t icorr D

trajanje korozije od njezine inicijacije (s) srednja godinja korozijska struja (A/m2) 23 promjer armature (m)

Model koji pretpostavlja promjenjivu brzinu nastajanja korozijskih produkata Liu&Weyers model

Procjena kritine koliine korozijskih produkata WcrittWpWs

Vp rust W p

rust

do D

rust

(D 2d o )d s

Wstst

W critt

Wp

Ws W critt

rust

do

rust

(

Wp Ws

ds do D Wst

koliine produkata korozije potrebne za ispunjavanje pora oko sueljka elik/beton koliine produkata korozije koji izazivaju kritina vlana naprezanja debljina produkata korozije potrebnih da izazovu vlana naprezanja debljina pora oko elik/beton povrine do=12,5 m promjer eline ipke rust st / ovisno o autoru iznosi 2 4 masa korodiranog elika Wst = Wcritt

24

Model koji pretpostavlja promjenjivu brzinu nastajanja korozijskih produkata Liu&Weyers modelPr (D 2d o )

2 E ef d s (D 2d o ) b2 b2 a2 a2c

Minimalno naprezanje potrebno da doe do pucanja zatitnog sloja betona moe se izjednaiti sa vlanom vrstoom betona:

dsP a b C Eef

C ft E ef

a2 b2

b2 a2c

P

2 Cft D 2d oC ft a 2 b 2 Eef b 2 a 2 Wcrittst

pritisak na sueljku beton/ hra unutarnji radijus a = (D+2do) /2 vanjski radijus b= C + (D+2do) /2 debljina zatitnog sloja efektivni modul elastinosti betona

Wcritt

rust

do

c

D

EefEc cr

Ec (1cr

)

modul elastinosti betona koeficijent puzanja betona cr = 2,0

25


Poveanje volumena korozijskih produkata

Poveanjem debljine sloja hre, poveava se udaljenost na kojoj se odvija difuzija iona eljeza, te se brzina korozije smanjuje jer je difuzija obrnuto proporcionalna debljini oksidnog sloja.

dWrust dt3,328 10

Wrust10

D i corr

icorr D dt Wrust [kg/m]

funkcija korozijske struje srednja godinja gustoa korozijske struje [A/m2] promjer armature [m] vrijeme pojave pukotina [s] masa produkata hre po jedinici duljine armature

2 Wrust

2

dt

26


Za konstantnu brzinu korozije, vrijeme pojave pukotina zatitnog sloja moe se odrediti prema:dWrust dt

Wrust2 W rust

t critt

2

27

Model koji pretpostavlja promjenjivu brzinu nastajanja korozijskih produkata Bhargava et al. Model uzima u obzir rezidualnu vrstou puknutog betona i duktilnost

osiguranu kombinacijom armature i irenju sklonim korozijskim produktima

28

Bhargava et al. modelRc 1 f t (1 c 2 ) E ef 2 R ck 12 R0

dc

D2 2

2 Ri D m1 2 Ri

Rck

(1

2 (1 c 2 ) u c Rc Ro 2 2 (1 c 2 ) Rc c 2 ) Ro

m1 Es

E ef 1 (12 Ro 2 Ro

s) c1

R i2 R i2

uc

dc

Eef 1 (1 Eef 1 (12 c2 ) Rc

(1

2 c2 ) Ro

(1

2 c2 ) Rc 2 c1) Rc

(1 (1

2 c2 ) Ro 2 c1) Ri

2 Ri Rc2 Eef 2 Rc 2 Ri2 Rc 2 Ro (1 2 ) c1

Rc Ro c2 ft Eef2

polumjer zone betona s pukotinama vanjski polumjer betonskog cilindra Poissonov koeficijent zone 2 betona vlana vrstoa betona efektivni modul elastinosti zone 2 betona

E ef 2 Ec2 uc

Ec2 1

koeficijent puzanja betona = 2,0 modul elastinosti zone 2 betona radijalni pomak za Rc

29

Model koji pretpostavlja promjenjivu brzinu nastajanja korozijskih produkata Bhargava et al. model

Procjena kritine koliine korozijskih produkata Wcritt

Wcritt

4

r

1

2 D2 Di2 1 1

30


Poveanje volumena korozijskih produkatadW r dt kp Wrkpkp icorr D Ap

Koliina elika W s po jedinici duljine armature koja se potroi u korozijskom procesu definira se:

A p Di i corrkoeficijent ovisan smanjenju mase armature srednja godinja gustoa korozijske struje [A/cm2] promjer armature [mm] koeficijent ovisan o smanjenju mase armature

Ws

Wr

31


Vrijeme kada oekujemo pojavu pukotina tcrittdW r dt kp Wr

W2 Tcr

critt

2kp

32

Gubitak mase elika (g/mm)

0,060 0,050 0,040 0,030 0,020 0,010 0,000

GI 0,01646 0,005479

GII 0,0324 0,037784

GIII 0,03228 0,059897

literaturni podaci [20] proraun prema Martin-Perez modelu

Oznaka uzorkaliteraturni podaci [20] proraun prema Martin-Perez modelu

0,06

0,06 0,05 0,04

Gubitak mase elika (g/mm)

0,04 0,02 0

Gubitak mase elika (g/mm)GI 0,01646 0,01726 GII 0,0324 0,04533 GIII 0,03228 0,05707literaturni podaci [20]

0,03 0,02 0,01 0 PI 0,001796 0,00668 PII 0,00343 0,00229 PIII 0,004282 0,00397

literaturni podaci [20] proraun prema Bharagva et al. modelu

proraunom prema Liu-Weyers modelu

Oznaka uzorkaliteraturni podaci [20]

Oznaka uzorkaproraunom prema Liu-Weyers modelu

literaturni podaci [20]

proraun prema Bharagva et al. modelu

Liu&Weyers model

Vrijeme pojave pukotina zatitnog sloja (god)

6 5 4 3 2 1 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,252

0,3

Srednja godinja gustoa korozijske struje (A/m )

Bhargava et al. model

Vrijeme pojave pukotina zatitnog sloja betona (god)

6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,252

0,3

Srednja godinja gustoa korozijske struje (A/m )

34

ZAKLJUAK Martin-Perez model pretpostavlja konstantu brzinu nastajanja korozijskih produkata. Bhargava et al. i Liu&Weyers modeli definiraju koroziju kao dinamian proces i pretpostavljaju promjenjivu brzinu nastajanja korozijskih produkata. Model Bhargava et al. uzima u obzir preostalu vrstou betona i duktilnost armature u kombinaciji s korozijskim produktima zajedno.35

ZAKLJUAK Liu&Weyers model vrijeme pojave pukotina zatitnog sloja odreuje ovisno o vlanoj vrstoi betona, modulu elastinosti betona, srednjoj godinjoj korozijskoj struji Bhargava et al. modelu Uzima u obzir sve prethodno navedene parametre i i o vlanoj vrstoi i modulu elastinosti armature, Rezultati dobiveni modelima pokazuju utjecaj promjera armature na

vrijeme pojave pukotina, to se moe objasniti i na nain da je gustoa korozijske struje manja to je vea povrina ipke, pa smanjenje gustoe korozijske struje utjee na due vrijeme potrebno da doe do pojave pukotina koje su opasne za konstrukciju i njene elementa.

36

ZAKLJUAK

1. 2. 3. 4.

razaranje pasivnog sloja armature raspucavanje betona ljutenje betona slom konstrukcije

Stupanj oteenja

DE SITTEROV ZAKON

5$

1.

2.

3.

4.

Vrijeme

37

3. vje be korozija armature u betonu

Documents