PL235315B1 - Method for application of sensors intended for monitoring factors that induce the reinforcement corrosion, preferably in the existing reinforced concrete structures - Google Patents

Abstract

Sposób aplikacji czujników do monitorowania polega na tym, że z istniejącej konstrukcji żelbetowej (1) wycina się walcowy rdzeń betonowy (2), w którym wykonuje się co najmniej dwa otwory (3 i 4) prostopadle do jego osi, następnie na spoiwie, korzystnie na bazie cementu, osadza się czujniki (5 i 6) czułe na zmianę pH i stężenie jonów chlorkowych, po czym wykonuje się dodatkowy otwór (9) od strony odłamanej podstawy rdzenia betonowego (2) w kierunku jego osi, w którym na spoiwie, korzystnie na bazie cementu, osadza się elektrodę odniesienia (10), a pobocznicę czołową walcowego rdzenia betonowego (2) zabezpiecza się powierzchniowo izolatorem (12), korzystnie żywicą, do czujników (5 i 6) i elektrody (10) podłącza się przewody (l4) i w odstępach czasu korzystnie co 1, 2 lub 4 tygodnie mierzy się różnicę potencjałów pomiędzy czujnikami (5 i 6), a elektrodą odniesienia (10), określając zmiany pH i stężenia chlorków w betonowej otulinie zbrojenia w funkcji czasu.The method of application of sensors for monitoring consists in cutting out a cylindrical concrete core (2) from the existing reinforced concrete structure (1), in which at least two holes (3 and 4) are made perpendicularly to its axis, then on a binder, preferably on based on cement, sensors (5 and 6) sensitive to changes in pH and concentration of chloride ions are placed, after which an additional hole (9) is made from the side of the broken off base of the concrete core (2) in the direction of its axis, in which a binder, preferably on based on cement, the reference electrode (10) is placed, and the end face of the cylindrical concrete core (2) is surface protected with an insulator (12), preferably resin, the sensors (5 and 6) and the electrode (10) are connected to the wires (l4) and At intervals, preferably every 1, 2 or 4 weeks, the potential difference between the sensors (5 and 6) and the reference electrode (10) is measured, determining changes in pH and chloride concentration in the concrete cover of the reinforcement as a function of time.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób aplikacji czujników do monitorowania czynników wywołujących korozję zbrojenia zwłaszcza w istniejących konstrukcjach żelbetowych.The subject of the invention is a method of application of sensors for monitoring factors causing corrosion of reinforcement, especially in existing reinforced concrete structures.

Wśród głównych czynników wywołujących korozję stali zbrojeniowej w betonie wymienia się najczęściej dwutlenek węgla oraz chlorki. Dwutlenek węgla, jako składnik powietrza atmosferycznego wnikając w porowatą strukturę betonu rozpuszcza się w wysoko alkalicznej cieczy porowej powodując jej zobojętnienie. Produktem opisanego procesu karbonatyzacji betonu jest węglan wapnia. Jeżeli w wyniku stopniowo postępującej karbonatyzacji pH cieczy porowej betonu osiągnie wartość poniżej 11,8, to rozpoczyna się na stalowym zbrojeniu inicjacja procesów korozyjnych. Z kolei drugi niebezpieczny dla zbrojenia czynnik korozyjny - jony chlorkowe, najczęściej przedostają się do betonu ze środków stosowanych w drogownictwie do odladzania jezdni lub z zasolonej wody. Szczególnie w zawilgoconym betonie dyfuzyjne wnikanie chlorków postępuje stosunkowo szybko. Często już po 2-3 latach od wykonania konstrukcji można zaobserwować pierwsze symptomy rozwoju korozji zbrojenia. Dlatego też, aby w agresywnych korozyjnie środowiskach móc skutecznie zapobiegać postępującej degradacji, w konstrukcjach żelbetowych umieszcza się odpowiednie czujniki umożliwiające monitorowanie czynników mogących wywołać korozję stalowego zbrojenia. W literaturze można znaleźć kilka rozwiązań konstrukcyjnych czujników, które w zasadzie zawsze zawierają elektrody zmieniające swój potencjał przy zmianie stężenia jonów chlorkowych oraz wodorowych lub wodorotlenowych [H. Yu i L. Caseres, „ An embedded multi-parameter corrosion sensor for reinforced concrete structures”, Materials and Corrosion 63, nr 11 (2012): 1011-16; Shi Gang Dong i in., „Effective monitoring of corrosion in reinforcing steel in concrete constructions by a multifunctional sensor”, w Electrochimica Acta, t. 56, 2011, 1881-88]. Celem przybliżonego określenia rozkładów stężeń wyżej wymienionych jonów najczęściej zwiększa się liczbę elektrod i układa się je na różnych głębokościach otuliny betonowej, jak pokazano w publikacji [M. F. Montemor i in., „Multiprobe chloride sensor for in situ monitoring of reinforced concrete structures”, Cement and Concrete Composites 28, nr 3 (2006): 233-36]. Naukowe publikacje z omawianej tematyki zawierają również opisy sensorów tlenowych do betonu [M. J. Correia i in., „Sensor for oxygen evaluation in concrete”, Cement and Concrete Composites 28, nr 3 (2006): 226-32] lub propozycje wykorzystania metody spektroskopii impedancyjnej do oceny dyfuzji chlorków w betonie [Olivier Poupard, Abdelkarim At-Mokhtar, i Paul Dumargue, „Corrosion by chlorides in reinforced concrete: Determination of chloride concentration threshold by impedance spectroscopy”, Cement and Concrete Research 34, nr 6 (2004): 991-1000], ale są to jedynie rozważania o charakterze czysto naukowym, bez perspektyw aplikacyjnych pod kątem badań konstrukcji in situ. Natomiast niezależnie od konstrukcji czujnika, wszystkie opisane w literaturze rozwiązania umożliwiają zamocowanie czujników w deskowaniu, ale przed betonowaniem, czyli nadają się jedynie do aplikacji w konstrukcjach nowych, w trakcie ich wznoszenia. Do chwili obecnej nie rozwiązano jednak problemu konstrukcji czujnika korozyjnego, który można by zastosować w istniejących „starych” obiektach betonowych, nie zaburzając przy tym dalszego swobodnego wnikania do betonu mierzonych stężeń czynników korozyjnych.The most common factors causing corrosion of reinforcing steel in concrete are carbon dioxide and chlorides. Carbon dioxide, as a component of atmospheric air, penetrates the porous structure of concrete, dissolving in the highly alkaline pore liquid, neutralizing it. The product of the described process of concrete carbonation is calcium carbonate. If, as a result of gradually progressive carbonation, the pH of the concrete pore liquid reaches a value below 11.8, corrosion processes begin on the steel reinforcement. On the other hand, the second corrosive factor dangerous for the reinforcement - chloride ions, most often get into concrete from road deicing agents or from saline water. Especially in damp concrete, the diffusion of chlorides progresses relatively quickly. Often, already 2-3 years after the construction is made, the first symptoms of the development of reinforcement corrosion can be observed. Therefore, in order to be able to effectively prevent the progressive degradation in corrosive environments, appropriate sensors are placed in reinforced concrete structures to enable monitoring of factors that may cause corrosion of the steel reinforcement. In the literature, you can find several design solutions for sensors, which in principle always contain electrodes that change their potential when the concentration of chloride and hydrogen or hydroxide ions changes [H. Yu and L. Caseres, "An embedded multi-parameter corrosion sensor for reinforced concrete structures", Materials and Corrosion 63, No. 11 (2012): 1011-16; Shi Gang Dong et al., "Effective monitoring of corrosion in reinforcing steel in concrete constructions by a multifunctional sensor", in Electrochimica Acta, vol. 56, 2011, 1881-88]. In order to approximate the distribution of the concentrations of the above-mentioned ions, the number of electrodes is most often increased and they are placed at different depths of the concrete cover, as shown in the publication [M. F. Montemor et al., "Multiprobe chloride sensor for in situ monitoring of reinforced concrete structures", Cement and Concrete Composites 28, No. 3 (2006): 233-36]. Scientific publications on the discussed subject also contain descriptions of oxygen sensors for concrete [M. J. Correia et al., "Sensor for oxygen evaluation in concrete", Cement and Concrete Composites 28, No. 3 (2006): 226-32] or proposals for the use of impedance spectroscopy to assess chloride diffusion in concrete [Olivier Poupard, Abdelkarim At -Mokhtar, and Paul Dumargue, "Corrosion by chlorides in reinforced concrete: Determination of chloride concentration threshold by impedance spectroscopy", Cement and Concrete Research 34, No. 6 (2004): 991-1000], but these are only purely scientific research, without application perspectives in terms of in situ construction research. However, regardless of the sensor design, all the solutions described in the literature allow the sensors to be mounted in the formwork, but before concreting, i.e. they are only suitable for application in new constructions, during their erection. Until now, however, the problem of the construction of a corrosion sensor has not been resolved, which could be used in the existing "old" concrete objects, without disturbing the further free penetration of the measured concentrations of corrosive agents into the concrete.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu aplikacji w istniejącej konstrukcji żelbetowej czujników umożliwiających pomiar w funkcji czasu dwóch najgroźniejszych czynników wywołujących korozję stali zbrojeniowej w betonie.The aim of the invention is to develop a method of application in the existing reinforced concrete structure of sensors that enable the measurement of the two most dangerous factors causing corrosion of reinforcing steel in concrete as a function of time.

Sposób aplikacji czujników do monitorowania według wynalazku polega na tym, że z istniejącej konstrukcji żelbetowej wycina się walcowy rdzeń betonowy, w którym wykonuje się co najmniej dwa otwory prostopadłe do jego osi, następnie na spoiwie, korzystnie na bazie cementu, osadza się czujniki czułe na zmianę pH i stężenie jonów chlorkowych, po czym wykonuje się dodatkowy otwór od strony odłamanej podstawy rdzenia betonowego w kierunku jego osi, w którym na spoiwie, korzystnie na bazie cementu, osadza się elektrodę odniesienia, a pobocznicę walcowego rdzenia betonowego zabezpiecza się powierzchniowo izolatorem, korzystnie żywicą, do czujników i elektrody podłącza się przewody i w odstępach czasu korzystnie co 1, 2 lub 4 tygodnie mierzy się różnicę potencjałów pomiędzy czujnikami a elektrodą odniesienia, określając zmiany pH i stężenia chlorków w betonowej otulinie zbrojenia w funkcji czasu.The method of applying the sensors for monitoring according to the invention consists in cutting a cylindrical concrete core from the existing reinforced concrete structure, in which at least two holes perpendicular to its axis are made, then the sensors sensitive to change are placed on the binder, preferably cement based. pH and concentration of chloride ions, after which an additional hole is made from the side of the broken base of the concrete core in the direction of its axis, in which the reference electrode is deposited on the binder, preferably cement-based, and the side surface of the cylindrical concrete core is protected on the surface with an insulator, preferably resin , wires are connected to the sensors and electrodes and at intervals of preferably 1, 2 or 4 weeks the potential difference between the sensors and the reference electrode is measured, determining the changes in pH and chloride concentration in the concrete cover of the reinforcement as a function of time.

Zaletą sposobu według wynalazku jest możliwość precyzyjnej identyfikacji zmian w funkcji czasu stężeń czynników korozyjnych w istniejącej konstrukcji żelbetowej na dowolnej głębokości w kierunku grubości otuliny zbrojenia. Jest to możliwe dzięki usytuowaniu czujników równoległe do powierzchni betonu konstrukcji, w przeciwieństwie do istniejących rozwiązań czujników wprowadzanych zazw yczaj prostopadle do powierzchni betonu, przez co mierzone pH lub stężenie chlorków w otulinie o profilu krzywoliniowym jest wartością uśrednioną odczytywaną z całej głębokości osadzenia czujników.The advantage of the method according to the invention is the ability to precisely identify changes in the concentration of corrosive agents as a function of time in the existing reinforced concrete structure at any depth in the direction of the reinforcement cover thickness. This is possible thanks to the location of the sensors parallel to the concrete surface of the structure, in contrast to the existing sensor solutions, usually inserted perpendicular to the concrete surface, so the measured pH or chloride concentration in the cover with a curvilinear profile is an average value read from the entire depth of sensor embedding.

PL 235 315 B1PL 235 315 B1

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia schemat sposobu aplikacji czujników do monitorowania czynników wywołujących korozję zbrojenia w istniejących konstrukcjach żelbetowych.The subject of the invention in an exemplary embodiment is shown in the drawing, which shows a diagram of the method of application of sensors for monitoring factors causing corrosion of reinforcement in existing reinforced concrete structures.

PrzykładExample

Z istniejącej konstrukcji żelbetowej 1 wycina się za pomocą wiertnicy do betonu walcowy rdzeń 2, korzystnie bez przeciętego zbrojenia, korzystnie o średnicy 100 mm i długości dwóch grubości otulenia betonowego. Następnie w rdzeniu betonowym 2 wykonuje się prostopadle do osi walca otwory 3 i 4. Liczba otworów i ich odległość od powierzchni betonu jest uzależniona od przyjętego schematu badań. Minimalna liczba otworów to 1 na każdy czujnik. Czujnik 5 do pomiaru pH wykonuje się z elektrody drugiego rodzaju Hg/HgO/OH odwracalnej względem jonów wodorotlenowych. Natomiast czujnik 6 do pomiaru stężenia jonów chlorkowych wykonuje się z elektrody drugiego rodzaju Ag/AgCI/Cl odwracalnej względem jonów chlorkowych. Konieczne jest aby, odległości obu otworów 3 i 4 od płaskiej powierzchni podstawy walcowego rdzenia były równe grubości otulenia.A cylindrical core 2 is cut from the existing reinforced concrete structure 1 with a concrete drill, preferably without the reinforcement cut, preferably with a diameter of 100 mm and a length of two concrete cover thicknesses. Then, in the concrete core 2, holes 3 and 4 are made perpendicular to the axis of the cylinder. The number of holes and their distance from the concrete surface depends on the adopted test scheme. The minimum number of holes is 1 for each sensor. The sensor 5 for measuring the pH is made of a second type Hg / HgO / OH electrode reversible to hydroxide ions. In contrast, the sensor 6 for measuring the concentration of chloride ions is made of an electrode of the second type Ag / AgCl / Cl, reversible against chloride ions. It is necessary that the distances of both holes 3 and 4 from the flat surface of the base of the cylindrical core are equal to the thickness of the cover.

Czujniki aplikuje się w otuleniu betonowym istniejącej konstrukcji, którą planuje się poddać ciągłemu monitorowaniu czynników wywołujących korozję zbrojenia. Dzięki temu czujniki znajdują się w bezpośrednim kontakcie z betonem osłaniającym zbrojenie, umożliwiając pomiar zmian aktualnego i niezaburzonego stężenia jonów chlorkowych oraz wartości pH, które bezpośrednio wpływają na rozwój procesów korozyjnych na zbrojeniu. Ze względu na krzywoliniowy profil rozkładu pH i stężenia chlorków w kierunku grubości otulenia w rozwiązaniu według wynalazku elektrody aplikuje się równolegle do powierzchni betonu konstrukcji, czyli prostopadle do zmian rozkładu koncentracji czynników korozyjnych, które w płaszczyznach równoległych do zewnętrznej powierzchni betonu są w przybliżeniu stałe.The sensors are applied in the concrete cover of the existing structure, which is planned to be subjected to continuous monitoring of the factors causing corrosion of the reinforcement. As a result, the sensors are in direct contact with the concrete covering the reinforcement, enabling the measurement of changes in the current and undisturbed concentration of chloride ions and the pH value, which directly affect the development of corrosion processes on the reinforcement. Due to the curvilinear profile of the pH distribution and chloride concentration in the direction of the cover thickness, in the solution according to the invention, the electrodes are applied parallel to the concrete surface of the structure, i.e. perpendicular to the changes in the concentration distribution of corrosive agents, which are approximately constant in planes parallel to the outer concrete surface.

Ewentualne dodatkowe otwory 7 i 8 na czujniki powinny się znajdować w mniejszej odległości niż grubość otulenia betonowego, korzystnie oba w jednakowych odległościach w połowie grubości otuliny. W wyciętym rdzeniu betonowym 2 wykonuje się dodatkowy otwór 9 od strony odłamanej podstawy rdzenia, którą należy przyciąć do równej powierzchni. Oś otworu 9 powinna być równoległa do osi rdzenia, a koniec otworu 9 powinien znajdować się w odległości odpowiadającej grubości otulenia betonowego. Do otworu 9 wprowadza się elektrodę odniesienia 10 o znanym i stabilnym potencjale. Średnice wszystkich otworów powinny być o 4 mm większe od średnicy umieszczanych w nich czujników i elektrody. Otwory bezpośrednio przed osadzeniem czujników i elektrody częściowo wypełnia się spoiwem, korzystnie na bazie cementu, w celu zapewnienia kontaktu elektrycznego z betonem rdzenia. Do wszystkich czujników i elektrody podłącza się przewody 14 i przez bruzdę 11 wyprowadza na powierzchnię czołową rdzenia betonowego 2. W celu wymuszenia jednokierunkowego wnikania czynników korozyjnych do badanego obszaru otuliny betonowej pobocznicę walcowego rdzenia 2 zabezpiecza się powierzchniowo izolatorem elektrycznym 12, korzystnie żywicą. Rdzeń z czujnikami i elektrodą wkleja się w otwór po wyciętym walcu za pomocą spoiwa 13, korzystnie na bazie cementu. W celu monitorowania zasięgu karbonatyzacji i stężenia jonów chlorkowych czujniki 5, 6 i elektrodę 10 podłącza się do miliwoltomierza i w dowolnych odstępach czasu, korzystnie co 1,2 lub 4 tygodnie, przeprowadza się pomiar różnicy potencjałów między elektrodą odniesienia 10 a czujnikami 5 i 6 określając pH i stężenie chlorków w betonowej otulinie zbrojenia w funkcji czasu.Possible additional openings 7 and 8 for sensors should be located at a smaller distance than the thickness of the concrete cover, preferably both at equal distances in the middle of the cover thickness. An additional hole 9 is made in the cut concrete core 2 from the side of the broken core base, which must be cut to an even surface. The axis of the opening 9 should be parallel to the axis of the core, and the end of the opening 9 should be at a distance corresponding to the thickness of the concrete cover. A reference electrode 10 with a known and stable potential is inserted into the opening 9. The diameter of all holes should be 4 mm larger than the diameter of the sensors and electrodes placed in them. The holes immediately prior to seating the sensors and electrodes are partially filled with an adhesive, preferably cement based, to make electrical contact with the concrete of the core. Wires 14 are connected to all sensors and electrodes and led through the groove 11 to the end face of the concrete core 2. In order to force the unidirectional penetration of corrosive agents into the area of the concrete cover to be tested, the side of the cylindrical core 2 is surface-protected with an electrical insulator 12, preferably resin. The core with sensors and an electrode is glued into the bore of the cut cylinder with a binder 13, preferably based on cement. To monitor the extent of carbonation and the concentration of chloride ions, sensors 5, 6 and electrode 10 are connected to a millivoltmeter and at any time intervals, preferably every 1.2 or 4 weeks, a measurement of the potential difference between reference electrode 10 and sensors 5 and 6 is performed by determining the pH and chloride concentration in concrete cover as a function of time.

Claims (1)

1. Sposób aplikacji czujników do monitorowania czynników wywołujących korozję zbrojenia zwłaszcza w istniejących konstrukcjach żelbetowych, znamienny tym, że z istniejącej konstrukcji żelbetowej 1 wycina się walcowy rdzeń betonowy 2, w którym wykonuje się co najmniej dwa otwory 3 i 4 prostopadle do jego osi, następnie na spoiwie, korzystnie na bazie cementu, osadza się czujniki 5 i 6 czułe na zmianę pH i stężenie jonów chlorkowych, po czym wykonuje się dodatkowy otwór 9 od strony odłamanej podstawy rdzenia betonowego 2 w kierunku jego osi, w którym na spoiwie, korzystnie na bazie cementu, osadza się elektrodę odniesienia 10, a pobocznicę czołową walcowego rdzenia betonowego 2 zabezpiecza się powierzchniowo izolatorem 12, korzystnie żywicą, do czujników 5, 6 i elektrody 10 podłącza się przewody 14 i w odstępach czasu korzystnie co 1,2 lub 4 tygodnie mierzy się różnicę potencjałów pomiędzy czujnikami 5 i 6 a elektrodą odniesienia 10, określając zmiany pH i stężenia chlorków w betonowej otulinie zbrojenia w funkcji czasu.Method of application of sensors for monitoring factors causing corrosion of reinforcement, especially in existing reinforced concrete structures, characterized in that a cylindrical concrete core 2 is cut out of the existing reinforced concrete structure 1, in which at least two holes 3 and 4 are made perpendicular to its axis, then sensors 5 and 6 sensitive to the change of pH and concentration of chloride ions are deposited on the binder, preferably cement-based, and an additional hole 9 is made from the side of the broken base of the concrete core 2 in the direction of its axis, in which the binder, preferably based on of cement, a reference electrode 10 is deposited, and the end face of the cylindrical concrete core 2 is secured with an insulator 12, preferably a resin, to the sensors 5, 6 and electrodes 10, the wires 14 are connected, and at intervals of preferably every 1.2 or 4 weeks the difference is measured potentials between sensors 5 and 6 and reference electrode 10, determining the changes in pH and chloride concentration in the concrete by reinforcement tulinie as a function of time.