Nowe moŻliwoĘci monitorowania zagroŻenia
korozyjnego konstrukcji Żelbetowych
(przebita warstwa pasywna) po"Ä…czone elektroli-
SpoĘród wielu kryteriów jakoĘciowych, stawianych wspó"czesnemu
tem w postaci wody zamkni´tej w porach beto-
budownictwu betonowemu, coraz cz´Ä˜ciej zapewnienie
nu. Dodatnio na"adowane jony Żelaza przechodzą
odpowiedniej trwa"oĘci wznoszonych obiektów uwaÅ»a si´ za wymóg z anody do elektrolitu, gdzie "Ä…czÄ… si´ z ujemnie
na"adowanymi jonami chlorkowymi:
pierwszoplanowy. Uwaga ta ma szczególne znaczenie w przypadku
Fe2+ + 2Cl- FeCl2
budowli komunikacyjnych.
Powsta"y w ten sposób chlorek Żelazawy wchodzi
w reakcj´ z wodÄ…, czego wynikiem jest powstanie
Trwa"oĘç konstrukcji betonowych, jeszcze przed ich
wodorotlenku Żelazawego i kwasu solnego:
oddaniem do eksploatacji, jest ĘciĘle uzaleŻniona
FeCl2 + 2H2O Fe(OH)2 + 2HCl
od stopnia zagroŻenia szkodliwym oddzia"ywaniem
Wodorotlenek Żelazawy ulega dalszemu utlenianiu
czynników atmosferycznych, chemicznych i bio- tworzÄ…c rdz´.
logicznych. Oddzia"ywanie to moÅ»e mieç charak-
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 4Fe(OH)3
ter bardzo z"oÅ»ony i wiÄ…Å»e si´ najcz´Ä˜ciej z roz- Odpowiednio wczesne zidentyfikowanie i lokaliza-
wojem róŻnego rodzaju procesów chemicznych,
cja tego rodzaju zagroŻeł
jest jednym z podsta-
prowadzÄ…cych do stopniowej degradacji. Degra- wowych warunków podj´cia racjonalnych dzia"aÅ‚

dacja ta moÅ»e dotyczyç zarówno samego betonu,
pozwalajÄ…cych na zapewnienie konstrukcji wyma-
jak i stali zbrojeniowej i najcz´Ä˜ciej rozpoczyna si´
ganej trwa"oĘci w d"uŻszym okresie. W"aĘciwa kon-
w przypowierzchniowej warstwie betonu. Zjawisko
trola rzeczywistego stanu korozyjnego pr´tów zbro-
to jest w pierwszym rz´dzie wynikiem rozwoju pro- jeniowych, przeprowadzona w czasie, kiedy na po-
cesów korozyjnych stali zbrojeniowej, spowodowa- wierzchni betonu nie ma jeszcze wyraęnych obja-
nych utratÄ… przez jego betonowÄ… otulin´ natural- wów ich korozji, pozwala na podj´cie niezb´dnych
nych zdolnoĘci ochronnych. ZagroŻenie korozyj- prac zabezpieczających w sytuacji, gdy ich zakres
ne stali zbrojeniowej jest naturalnÄ… konsekwencjÄ…
oraz koszty sÄ… relatywnie niewielkie.
rozwoju procesu karbonatyzacji przypowierzch- MajÄ…c powyÅ»sze na uwadze, w ramach mi´dzynaro-
niowej warstwy betonu oraz wg"´bnej penetracji
dowego programu badawczego  Smart Structures
chlorków.
podj´to prace, ukierunkowane na opracowanie zin-
Chlorki mogÄ… znajdowaç si´ w ĘwieÅ»ym betonie
tegrowanego systemu kontroli zagroŻenia korozyjne-
od początku, pochodząc z wody zarobowej, kru- go konstrukcji Żelbetowych. Badania te zosta"y sfinan-
szywa lub róŻnego rodzaju dodatków, bądę teŻ
sowane z funduszu V Europejskiego Programu Ramo-
wniknÄ…ç do niego z otaczajÄ…cego Ęrodowiska.
wego. Podstawowym celem przyj´tego programu ba-
Szczególnie zagroŻone są tu konstrukcje mosto- dawczego by"o opracowanie nowej generacji czujni-
we i drogowe, naraŻone na oddzia"ywanie soli
ków kontrolnych, umoŻliwiających bieŻące monito-
odladzajÄ…cych, wykorzystywanych do zimowego
rowanie podstawowych parametrów, mających istot-
utrzymania dróg. Istotą szkodliwego oddzia"ywania
ny wp"yw na powstanie zagroŻenia korozyjnego stali
jonów Cl- jest fakt, iŻ w obecnoĘci wody i tle- zbrojeniowej w konstrukcjach betonowych, a przysto-
nu powodują one naruszenie pasywnej war- sowanych zarówno do zamontowania w konstrukcjach
stewki, ĘciĘle przylegającej do stali zbrojeniowej
nowo wznoszonych, jak i istniejÄ…cych.
i stanowiÄ…cej jej naturalnÄ… ochron´ przed korozjÄ…
Ca"oĘç systemu uzupe"nia specjalistyczne oprogra-
(rys. 1). Na skutek wyst´powania w betonie lo- mowanie, umoÅ»liwiajÄ…ce zdalne sterowanie pomia-
kalnych róŻnic potencja"u elektrycznego, powsta- rami, rejestracj´ danych oraz kompleksowÄ… analiz´
je ogniwo elektrochemiczne. Na skutek aktywa- uzyskiwanych wyników. Sterowanie to moÅ»e mieç
cji jonami chlorkowymi tworzÄ… si´ obszary kato- charakter manualny, np. za poĘrednictwem kompu-
Rys. 1. Schemat przebiegu
korozji elektrochemicznej dowe (ochraniana powierzchnia stali) i anodowe
tera pod"ączonego do mostka pomiarowego, w któ-
w obecnoĘci chlorków
rym zbiega si´ okablowanie, "Ä…czÄ…ce poszczególne
czujniki, lub teÅ» dzia"aç automatycznie, przy wyko-
rzystaniu "Ä…czy internetowych, infrastruktury telefonii
stacjonarnej, komórkowej czy wreszcie po"ączeł
sa-
H O
2
O telitarnych.
2
beton
wżer
Charakterystyka opracowanych czujników
Cl
warstwa
Wykorzystując wczeĘniejsze doĘwiadczenia, uzy-
(OH) pasywna
skane przy projektowaniu elektrody ERE-20,
s"uŻącej do pomiaru potencja"u elektrycznego
Fe++
[1,2], generowanego przez powsta"e na powierzch-
e
ni betonu ogniwo korozyjne, opracowano nowÄ… ge-
neracj´ czujników, przystosowanych do:
stal
" pomiaru wilgotnoĘci betonu
" pomiaru st´Å»enia jonów chlorkowych
" oceny stopnia zagroŻenia korozyjnego stali zbro-
jeniowej.
40
lipiec  wrzesieł
2003
technologie
Wszystkie wymienione czujniki sÄ… instalowane
3,0
albo poprzez zabetonowanie, w czasie wznosze-
nia konstrukcji, albo montowane w istniejÄ…cym
2,5
obiekcie w specjalnie do tego celu wykonanych
otworach.
2,0
 CorroWatch  czujnik do prognozowania
poczÄ…tku korozji stali zbrojeniowej
1,5
 CorroWatch jest czujnikiem, którego dzia"anie
polega na pomiarze nat´Å»enia prÄ…du korozyjnego
zawartość wody, % masowy
1,0
(rys. 2). Zbudowany jest z czterech ramion, wyko-
nanych z tego samego gatunku stali co pr´ty zbro- 0 2 4 6 8
jeniowe. Poszczególne ramiona czujnika umiesz-
Rys. 3. ZaleÅ»noĘç pomi´dzy cz´stotliwoĘciÄ… wyraÅ»onÄ…
czone są wewnątrz betonowej otuliny na róŻnych
w woltach a wilgotnoĘcią betonu
g"´bokoĘciach. Po zabetonowaniu mierzy si´ spa-
Czujnik do pomiaru st´Å»enia jonów chlorkowych
dek napi´cia (albo nat´Å»enie prÄ…du), p"ynÄ…cego
pomi´dzy poszczególnymi ramionami wykonany- Przy projektowaniu czujnika, przeznaczonego do
mi ze stali i tytanem pokrywajÄ…cym korpus czuj- pomiaru st´Å»enia jonów Cl- (fot. 2), wykorzysta-
Fot. 1. Widok czujnika do
nika. PoczÄ…tkowo nat´Å»enie tego prÄ…du jest bli- no wczeĘniejsze doĘwiadczenia w zakresie elek-
pomiaru wilgotnoĘci betonu
skie zera. W chwili gdy stal zostanie zaatakowa- trochemicznych pomiarów potencja"u elektrycz-
nego pomi´dzy dwoma pó"ogniwami [3, 4].
na przez korozj´, nat´Å»enie tego prÄ…du gwa"townie
JednÄ… z elektrod stanowi pr´t wykonany z czyste-
roĘnie i Ęwiadczy o powstaniu na danej g"´bokoĘci
bezpoĘredniego zagroŻenia korozyjnego stali zbro- go srebra, pokryty chlorkiem srebra (AgCl). Drugą
elektrodÄ… jest natomiast typowa elektroda odnie-
jeniowej. Pozwala to na Ęledzenie rozwoju procesu
korozji oraz prognozowanie, kiedy front korozji do- sienia (ERE-20), wykonana z dwutlenku manga-
nu (MnO2).
trze do pr´tów zbrojeniowych.
W czasie pomiaru wykorzystuje si´ fakt, iÅ» poten-
cja" elektrochemiczny elektrody srebrowej jest ĘciĘle
NaCl
CO
2
uzaleÅ»niony od wartoĘci st´Å»enia chlorków w bada-
nym betonie. Wp"yw ten opisuje wzór Nernsta:
EAg/AgCl = E0,Ag/AgCl  RT log a
c
gdzie:
EAg/AgCl  aktualny potencja" elektrody srebrowej
E0,Ag/AgCl  standardowy potencja" elektrody srebrowej
R  sta"a gazowa
T  temperatura w stopniach Kelvina
a  st´Å»enie jonów chlorkowych.
c
Katoda
Anoda
RównoczeĘnie st´Å»enie jonów chlorkowych nie ma
Rys. 2. Istota dzia"ania czujnika typu  Corro-Watch
wp"ywu na, b´dÄ…cÄ… punktem odniesienia, wartoĘç
potencja"u elektrody manganowej. Tak wi´c,
mierzÄ…c róŻnic´ potencja"u pomi´dzy obiema elek-
trodami, moÅ»na okreĘliç zmian´ st´Å»enia chlorków
Czujnik do pomiaru wilgotnoĘci betonu
Istota dzia"ania czujnika pokazanego na fot. 1 po- w badanym przekroju betonowym. Konstrukcja
czujnika umoŻliwia, tak jak to pokazano na rys. 2,
lega na pomiarze zmiany cz´stotliwoĘci prÄ…du
umieszczenie elektrod srebrowych na róŻnych
elektrycznego, związanej ze zmianą pojemnoĘci
elektrycznej betonu, wywo"anej zmiennoĘciÄ… pro- g"´bokoĘciach, co pozwala na monitorowanie
Fot. 2. Widok czujnika do
st´Å»enia jonów Cl- na róŻnych g"´bokoĘciach i tym pomiaru st´Å»enia jonów
centowej zawartoĘci wody w badanym betonie.
chlorkowych
Cz´stotliwoĘç ta jest mierzona pomi´dzy dwie- samym uzyskanie rozk"adu ich st´Å»enia w przekro-
ju betonowym. Teoretycznie dziesi´ciokrotna zmia-
ma gumowymi elektrodami, zamontowanymi
w czujniku. Dla uproszczenia pomiarów, zasto- na st´Å»enia chlorków winna spowodowaç zmian´
potencja"u elektrody srebrowej o 59 mV. Przepro-
sowano rozwiązanie techniczne, umoŻliwiające
transformacj´ cz´stotliwoĘci prÄ…du do postaci
napi´ciowego sygna"u elektrycznego, który moÅ»e Rys. 4. ZaleÅ»noĘç pomi´dzy potencja"em elektrycznym
a st´Å»eniem jonów Cl- w % wagi cementu
byç "atwo rejestrowany za pomocÄ… miliwoltomie-
rza o duÅ»ym oporze wewn´trznym.
[V]
0,20
MontaÅ» czujnika polega na zabetonowaniu jego
fragmentu, zawierającego mniejszą z dwóch elek-
0,15
trod oraz zamocowaniu na powierzchni betonu
wi´kszej z nich. Mierzone wartoĘci cz´stotliwoĘci
0,10
są ĘciĘle związane z procentową zawartoĘcią
wody w badanym betonie. Przeprowadzone ba- 0,05
dania wykaza"y, Å»e zaleÅ»noĘç ta jest odwrotnie
0,00
proporcjonalna (rys. 3), tzn. wyŻszej wartoĘci
cz´stotliwoĘci odpowiada niÅ»sza wilgotnoĘç.
-0,15
Tak okreĘlona wilgotnoĘç jest wartoĘciÄ… ĘredniÄ…,
0 2 4 6 8 10
wyznaczonÄ… na odcinku pomi´dzy powierzchniÄ…
Cl (% masy cementu)
betonu i zabetonowanÄ… elektrodÄ….
41
budownictwo " technologie " architektura
Rys. 5. Schemat ideowy
co umoÅ»liwia monitorowanie pr´dkoĘci procesów
dzia"ania czujników do oce-
korozyjnych, post´pujÄ…cych w g"Ä…b betonu oraz
ny stopnia zagroŻenia koro-
prognozowanie  kiedy front korozyjny dotrze do
zyjnego stali zbrojeniowej
pr´tów zbrojeniowych.
Cl- /
CO
2
Badania w skali naturalnej
Korzystając z doĘwiadczeł
uzyskanych na eta-
Cl- /
CO
2 pie badał
laboratoryjnych podj´to prób´ oceny
dzia"ania opracowanego systemu w warunkach
poligonowych na istniejÄ…cym obiekcie. W tym
Cl- /
CO celu na betonowym wiadukcie autostradowym,
2
Logging
zlokalizowanym w okolicach Kopenhagi (Skovdi-
get Bridge  fot. 3) wykonano prototypowÄ… insta-
lacj´, obejmujÄ…cÄ… montaÅ» ponad 200 róŻnego ro-
wadzone badania wykaza"y, Że w rzeczywistoĘci
zmiana ta wynosi oko"o 66 mV, co z praktycz- dzaju czujników. Od ponad roku monitorują one
na bieŻąco podstawowe parametry, warunkujące
nego punktu widzenia gwarantuje wystarczajÄ…cÄ…
zaistnienie i rozwój procesów korozyjnych,
dok"adnoĘç pomiarów. Dla ilustracji na rysunku 4
zachodzÄ…cych w stali zbrojeniowej.
przedstawiono uzyskanÄ… zaleÅ»noĘç korelacyjnÄ….
Dotychczasowe pomiary wykaza"y pe"nÄ…
przydatnoĘç opracowanych czujników do tego ro-
Czujnik do oceny stopnia
dzaju zastosował
. Szczególnie obiecujące wydają
zagroŻenia korozyjnego stali zbrojeniowej
si´ byç wyniki uzyskane za poĘrednictwem czuj-
Istota dzia"ania czujników, przeznaczonych do
ników przeznaczonych do oceny zagroŻenia koro-
identyfikacji powstających ęróde" korozji stali
zbrojeniowej oraz monitorowania tempa jej roz- zyjnego. Dla ilustracji na rysunku nr 6 przestawio-
woju, przedstawiona zosta"a na rysunku 5. Naj- no przyk"adowe wyniki, zarejestrowane przez ze-
spolony czujnik, dostosowany do równoczesne-
ogólniej rzecz biorąc polega ona na pomiarze
go pomiaru nat´Å»enia prÄ…du korozyjnego na czte-
rech róŻnych g"´bokoĘciach: 31 mm, 38 mm, 46
Fot. 3 Widok wiaduktu au-
tostradowego, na którym
mm i 53 mm.
wykonano prototypowÄ… in-
Podsumowując dotychczasowe doĘwiadczenia
stalacj´ systemu monito-
naleÅ»y stwierdziç, Å»e opracowany system monitoro-
rowania zagroŻenia koro-
zyjnego
wania zagroŻenia korozyjnego konstrukcji betono-
wych stanowi niewÄ…tpliwy post´p w dziedzinie dia-
gnostyki rzeczywistego zagroŻenia bezpieczeł
stwa
tego rodzaju konstrukcji oraz pozwala na efektyw-
ne prognozowanie i planowanie niezb´dnych na-
praw i remontów. Stwarza takŻe moŻliwoĘci kon-
trolowania skutecznoĘci dzia"ania stosowanych
metod ochrony przed korozjÄ….
nat´Å»enia prÄ…du p"ynÄ…cego pomi´dzy katodÄ…,
którą stanowi nieskorodowana stal zbrojeniowa,
i anodÄ…, montowanÄ… wewnÄ…trz betonowej otuliny Oskar Klinghoffer
w postaci stalowego gwoędzia, wykonanego z te- FORCE Institute, Dania
go samego rodzaju stali co pr´ty zbrojeniowe [3, dr inÅ». Andrzej Moczko
5]. PoczÄ…tkowo, gdy anoda jest  pasywna , mie- Instytut Budownictwa, Politechniki Wroc"awskiej
rzone nat´Å»enie prÄ…du jest bliskie zeru. W chwili
gdy anoda zaczyna korodowaç, nat´Å»enie mierzo-
nego prądu gwa"townie roĘnie, osiągając wartoĘci Literatura
o rzÄ…d, a niekiedy i dwa rz´dy wyÅ»sze od wartoĘci 1 Arup H., Klinghoffer O., Mietz J.: Manganese Dioxide
rejestrowanych bezpoĘrednio po jej zainstalowa- Reference Electrode for Use in Concrete, Publication of
niu. European Federation of Corrosion, nr 25, str. 40-53
Czujniki tego typu, podobnie jak omówione 2 Klinghofer O., Mejlbro L., Poulsen E.: Prediction of
Rys. 6 Przyk"adowe wyniki
wczeĘniej czujniki do pomiaru st´Å»enia jonów the Reinforcement Corrosion by the Macrocell Tech-
pomiaru prÄ…du korozyjnego,
zarejestrowane na róŻnych nique-Evaluation and Observation, Transport in Ce-
chlorkowych, pozwalajÄ… na równoczesnÄ… kontrol´
g"´bokoĘciach
zagroÅ»enia korozyjnego na róŻnych g"´bokoĘciach, ment-Based Materials 2001, str. 293-307
3 Climent-Llorca M.A., Viqueira-Perez E., Lopez-Ata-
1000 laya M.M.: Embeddable Ag/AgCl sensors for in-situ
monitoring chloride contents in concrete, Cement and
Concrete Research, vol. 26, 1996, str. 1157-1161
100
4 Fluckiger D., Elsner B., Bohni H.: Chloride im Be-
ton  Transport und Erfassung, Forschungsbericht des
10
ibwk der ETH Zurich, 1996
5 Bassler R., Mietz J., Raupach M., Klinghoffer O.: Cor-
1
rosion risk and humidity sensors for durability asses-
31 mm 38 mm 46 mm 53 mm
sment of reinforced concrete structures, Proceedings
0,1
of EUROCORR 2000, London, article 100805,
0 30 60 90 120 150 180 210 240
2000.
czas [dni]
42
lipiec  wrzesieł
2003
fot. Archiwum
PrÄ…d korozyjny [
µ
A]