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Organisationseinheit der BAM
Carbon-based conductive coatings are complex composites, consisting of an organic or inorganic binder and conductive carbon components, for application as anodes in impressed current cathodic protection systems of reinforced concrete structures. The electrochemical properties of three coatings at different humidity and in saturated calcium hydroxide solution were studied by electrochemical methods, such as electrochemical impedance measurement, measuring of open circuit potential over time and galvanostatic polarization.
Steel in concrete is protected by the alkaline pore water environment and the resulting formation of a protective passive layer against corrosion. Adverse environmental conditions due to carbonation or chloride ingress can destroy the passive layer on the steel surface. Corrosion processes starting in those areas lead to uniform corrosion or local corrosion like pitting corrosion. In comparison to uniform corrosion pitting corrosion is a form of increased local corrosion and thus leads to a progressive reduction in cross-section of the reinforcing steel. The corrosion products are first absorbed by the pores of the concrete matrix, without causing visible external changes at the concrete surface.
Durch die Alkalität des Betons wird Betonstahl dauerhaft vor Korrosion geschützt. Infolge von Chlorideintrag kann dieser Schutz nicht länger aufrechterhalten werden und führt zu Lochkorrosion. Die zerstörungsfreie Prüfung von Stahlbetonproben mit 3D-CT bietet die Möglichkeit, eine Probe mehrfach gezielt vorzuschädigen und den Korrosionsfortschritt zu untersuchen. Zur Quanti-fizierung des Schädigungsgrades müssen die bei dieser Untersuchung anfallenden großen Bilddaten mit Bildverarbeitungsmethoden ausgewertet werden. Ein wesent-licher Schritt dabei ist die Segmentierung der Bilddaten, bei der zwischen Kor-rosionsprodukt (Rost), Betonstahl (BSt), Beton, Rissen, Poren und Umgebung unterschieden werden muss. Diese Segmentierung bildet die Grundlage für sta-tistische Untersuchungen des Schädigungsfortschritts. Hierbei sind die Änderung der BSt-Geometrie, die Zunahme von Korrosionsprodukten und deren Veränderung über die Zeit sowie ihrer räumlichen Verteilung in der Probe von Interesse. Auf-grund der Größe der CT-Bilddaten ist eine manuelle Segmentierung nicht durch-führbar, so dass automatische Verfahren unabdingbar sind. Dabei ist insbesondere die Segmentierung der Korrosionsprodukte in den Bilddaten ein schwieriges Problem. Allein aufgrund der Grauwerte ist eine Zuordnung nahezu unmöglich, denn die Grauwerte von Beton und Korrosionsprodukt unterscheiden sich kaum. Eine formbasierte Suche ist nicht offensichtlich, da die Korrosionsprodukte in Beton diffuse Formen haben.
Allerdings lässt sich Vorwissen über die Ausbreitung der Korrosionsprodukte nutzen. Sie bilden sich in räumlicher Nähe des BSt (in Bereichen vorheriger Volumenabnahme des BSt), entlang von Rissen sowie in Porenräumen, die direkt am BSt und in dessen Nahbereich liegen. Davon ausgehend wird vor der Korrosionsprodukterkennung zunächst eine BSt-Volumen-, Riss- und Porenerken-nung durchgeführt. Dieser in der Arbeit näher beschriebene Schritt erlaubt es, halb-automatisch Startpunkte (Seed Points) für die Korrosionsprodukterkennung zu finden. Weiterhin werden verschiedene in der Bildverarbeitung bekannte Algorithmen auf ihre Eignung untersucht werden.
Corrosion behavior of galvanized reinforcement in chloride containing mortar and carbonated mortar
(2018)
Korrosionseigenschaften von feuerverzinktem Betonstahl unterscheiden sich grundlegend von herkömmlichen Betonstahl. In diesem Vortrag sind Beispiele für das Korrosionsverhalten in chloridhaltigen und carbonatisierten Mörteln dargestellt
Durch das alkalische Porenwassermilieu wird Stahl im Beton durch Ausbildung einer Deck-schicht vor Korrosion geschützt. Unter ungünstigen Umgebungsbedingungen (Karbonatisie-rung, Chlorideintrag) kann die passive Deckschicht auf der Stahloberfläche zerstört werden. Im weiteren Verlauf können sich durch Volumenexpansion der Korrosionsprodukte korrosi-onsbedingte Folgeschäden, wie Risse und Abplatzungen am Bauwerk ergeben. Um notwen-dige Sanierungsmaßnahmen sind frühzeitige und weitgehend zerstörungsfrei ermittelte In-formationen über das aktuelle Korrosionsverhalten der Stahlbewehrung von großer Bedeu-tung. Die Potentialfeldmessung ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren zur Beur-teilung des Korrosionszustandes der Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Bereiche aktiv korrodierender Bewehrung zerstörungsfrei lokalisiert werden. In der Regel kommt diese Messmethode bei der Detektion chloridinduzierter Korro-sion zum Einsatz.
Detektion korrosionsaktiver Bereiche an Brückenbauwerken aus Stahlbeton mittels Potentialfeldmessung
(2020)
Durch das alkalische Porenwassermilieu wird Stahl im Beton durch Ausbildung einer Deckschicht vor Korrosion geschützt. Unter ungünstigen Umgebungsbedingungen (Karbonatisierung, Chlorideintrag) kann die passive Deckschicht auf der Stahloberfläche zerstört werden. Im weiteren Verlauf können sich durch Volumenexpansion der Korrosionsprodukte korrosionsbedingte Folgeschäden, wie Risse und Abplatzungen am Bauwerk ergeben. Um notwendige Sanierungsmaß-nahmen sind frühzeitige und weitgehend zerstörungsfrei ermittelte Informationen über das aktuelle Korrosionsverhalten der Stahlbewehrung von großer Bedeutung. Die Potentialfeldmessung ist ein etabliertes und weit verbreitetes Verfahren zur Beurteilung des Korrosionszustandes der Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Bereiche aktiv korrodierender Bewehrung zerstörungsfrei lokalisiert werden. In der Regel kommt diese Messmethode bei der Detektion chloridinduzierter Korrosion zum Einsatz.
The corrosion of steel in reinforced concrete structures is one of the main threats to their durability. Based on the scientific achievements of the past decades the knowledge about the deterioration mechanisms and possible repair strategies for corrosion induced damages have found their way into practice.
It is common sense, that a detailed assessment of the structure is the foundation for a successful repair measure. In addition to the “traditional” singular on-site-procedures such as measurement of concrete cover, carbonation depth, half-cell potentials and chloride contents the monitoring of corrosion related parameters has gained in importance over the past few years.
The advantages of a corrosion monitoring are obvious. In new buildings, structural elements which cannot be assessed after completion (e.g. tunnel segments), or members with electrically isolating coatings can be monitored by means of integrated sensors providing an insight into the development of crucial parameters such as electrochemical potentials, corrosion currents and the electrical resistivity of the concrete. A less known but very beneficial field of application is the use of corrosion monitoring as an integral part of a repair measure based on principles such as the cathodic protection of steel in concrete (CP) or increasing the electrical resistivity of the concrete (IR). By implementing a corrosion monitoring system, it is possible to survey the time dependent effect of the repair measure on the corrosion process which may lead to a confirmation of successful repair measure or to a modification of the repair strategy.
As the principle of cathodic protection for steel in concrete is a recognized repair measure today, the number of applications increases steadily and thus increasing the relevance for corrosion monitoring. Nevertheless, no standards or guidelines concerning the corrosion monitoring are available in Germany today, making it difficult to implement corrosion monitoring in common practice.
With this in mind an international task group formed to develop the specification B12 “Corrosion Monitoring of Reinforced and Prestressed Concrete Structures” published by the German Society for Non-Destructive Testing, DGZfP, spring 2018.
This paper will present the new specification B12 by highlighting the basic measurement principles and illustrating the potentials of corrosion monitoring for new and existing concrete structures by means of case studies.
An important aspect with regard to the service life of zinc based galvanic anodes and the durability of the corrosion protection of steel in concrete is the “galvanic chloride extraction”. Chloride ions move in the electric field generated by the current, flowing between the galvanic anode and the cathodic steel. Migration leads to an accumulation of anions, e.g. chloride ions, at the anode and depletion of chlorides near the steel rebar surface. The ion migration was studied on steel reinforced concrete specimens admixed with 3 wt.% chloride/wt. cement and galvanically protected by a surface applied embedded zinc anode (EZA). The zinc anode was embedded and glued to the concrete surface by a geo-polymer based chloride free binder. The EZA was operated over a period of 1 year and the ion distribution between anode (EZA) and cathode (steel reinforcement) was studied by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) after 5 months, 7 months and 12 months. The results show that chloride ions efficiently migrate in the direction of the zinc-anode and accumulate there. Chloride distribution in the EZA correlates with the distribution of zinc ions generated by the anodic dissolution of the zinc anode in the binder matrix. The microstructure of the binder matrix and its interface to the zinc-anode are studied by REM/EDX – preliminary results will be reported.
Large scale reinforced concrete test specimen for potential mapping under practical conditions
(2017)
Electrochemical potential mapping according to guideline B3 of DGZfP German Society for Non- Destructive Testing) is a recognized technique for the localization of corroding reinforcing steels. In reinforced concrete structures the measured potentials are not necessarily directly linked to the corrosion likelihood of the reinforcing steel. The measured values may be significantly affected, different from e.g. stress measurement, by different influences on the potential formation at the phase boundary metal/concrete itself as well as the acquisition procedure. Due to the complexity of influencing factors there is a risk that the results are misinterpreted. To investigate these influencing factors under practical conditions it requires a specimen with similar damage patterns, dimensions and more factors e.g. metallic mounting parts. Recently the BAM realized such a large scale test specimen for this purpose.
Alkali-activated materials such as geopolymers are currently receiving a lot of attention because of their potential to be used as binders for concrete with advantageous engineering properties and reduced manufacturing CO2 emissions. Knowledge of the durability of steel in these concretes and related properties of alkali-activated materials is a prerequisite for their application as building materials, if they are to be used for steel reinforced elements. However, to date only limited data exists on this topic. The present contribution focuses on durability-related transport properties of geopolymer-based mortars (as model systems for concrete). We report results of accelerated carbonation, rapid chloride migration (RCM) and air permeability measurements as well as porosity data for fly ash-based geopolymer mortars, including mixes containing ground granulated blast furnace slag (GGBFS). In addition, we report polarization resistance data and corrosion potential vs. time curves for carbon steel bars embedded in two of the fly ash-based geopolymer mortars and a CEM I-based mortar (as reference).
Despite comparable total porosities, the carbonation depths, the chloride migration coefficients and the air permeabilities of the mortars differed significantly. In general, the addition of GGBFS to the binders improved the performance (decreased transport coefficients); however, this was not found to be true for the air permeability in all cases. This latter effect can be explained by drying damage of the C-(A-)S-H gel in GGBFS-containing binders. On the other hand, low transport coefficients can also be achieved by optimization of the binder formulation without the addition of GGBFS, which is also reflected in the material’s air permeability. Thus, there exists no simple correlation between air permeability (of harshly dried mortars) and durability-related transport coefficients for the studied alkali-activated materials.
The corrosion potential vs. time curves in combination with polarization resistance values reveal that the steel reinforcement in geopolymer mortars assumed a passive state. However, this happened considerably later than for steel in CEM I-based mortars. The free corrosion potential of carbon steel reinforcement in the geopolymer mortars had different values than the free corrosion potential values for the CEM I-based mortar for both the active and the passive state; possible reasons for this behavior are discussed.