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Organisationseinheit der BAM
Dieses Merkblatt beschreibt die Anwendung elektrochemischer Potentialmessungen (häufig auch als Potentialfeldmessung bezeichnet) zur Detektion von Bewehrungsstahlkorrosion an Stahlbetonbauwerken. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Bereiche korrodierender Bewehrung zerstörungsfrei lokalisiert werden. In der Regel kommt diese Messmethode bei der Detektion chloridinduzierter Korrosion zum Einsatz. In Abgrenzung hierzu sollte die Abschätzung der Gefahr einer karbonatisierungsinduzierten Korrosion durch Bestimmung der Karbonatisierungstiefe und der Betondeckung erfolgen.
Im Zusammenhang mit Planungs- und Entwicklungsaufgaben, den Forderungen in Normen und Regelwerken, in betrieblichen Arbeitsanweisungen, den Vorgaben für Zulieferteile oder bei der Auseinandersetzung mit Schadensfällen stellen sich häufig Fragen zum Korrosionsschutz sowie zu entsprechenden Prüf- und Untersuchungsverfahren. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sollen z. B. eine Eignung von Werkstoffen oder Schutzsystemen unter spezifischen Einsatzbedingungen, die Dauerhaftigkeit des Schutzes, den Nachweis einer gleichbleibenden Qualität, die Vergleichbarkeit bekannter mit neuen Korrosionsschutzkonzepten oder den Wirkungsnachweis für gezielte Systemeingriffe belegen. Schnell wird deutlich, dass sich aus dem Blickwinkel verschiedener Branchen ganz unterschiedliche Anforderungsprofile ergeben, die ihren Niederschlag dann in unterschiedlichen Strategien der Prüf- und Untersuchungsverfahren finden.
Zur Wirkungsweise und zum Einfluss unterschiedlicher Parameter beim Kathodischen Korrosionsschutz von Stahl in Beton wurden in der Vergangenheit bereits zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Über die Dauerhaftigkeit leitfähiger Beschichtung auf Karbonbasis als Fremdstromanode beim KKS von Stahlbeton liegen bislang keine umfassenden wissenschaftlichen Untersuchungen vor. Die in den einzelnen Arbeitspaketen (AP) erzielten Ergebnisse und gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis über die Elektrodenreaktion der einzelnen Systeme bei. Die Frage der Dauerhaftigkeit konnte im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht zur Gänze geklärt werden. Die Ergebnisse aus dem AP 1a liefern einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung der offenen Fragestellung hinsichtlich der vorherrschenden Elektrodenreaktion. In Verbindung mit dem Pourbaixdiagramm für Kohlenstoff lässt sich für die Beschichtungssysteme CBCC 1 und CBCC 2, nach 500 h andauernder Polarisation mit 10 mA/m² in ges. Calziumhydroxidlösung, die vorherrschende Elektrodenreaktion als Sauerstoffelektrode verifizieren. Im AP 1b wurde festgestellt, dass die an einem Praxisobjekt applizierten Systeme CBCC 1 und CBCC 2 in der Lage sind, die Schutzkriterien zu erfüllen. Die an diesem Objekt erforderlichen Schutzspannungen liegen jeweils zwischen 1 und 2 V. Die Anodenstromdichten betragen ca. 2,5 mA/m². Aufgrund der hohen Depolarisationsraten kann das Niveau der anliegenden Anodenstromdichten in Zukunft noch nach unten angepasst werden. Die Ergebnisse aus dem AP 1b und 1a sind erst zeitlich nach Festlegung der Prüfparameter für das AP 2a erzielt worden. Mit den ursprünglich veranschlagten Stromdichten von max. 40 mA/m² traten langfristig nachfolgende Problemstellungen auf: Bei der Stromeinleitung mittels Primärelektrode und Stromdichten größer gleich 20 mA/m² wurde festgestellt, dass die Versuche bei allen Systemen eine deutliche Entkopplung zwischen Primärelektrode und Beschichtung verursacht haben. Dies ist auf die hohen lokalen Stromdichten am Übergang Primärelektrode/leitfähige Beschichtung zurückzuführen. Eine Untersuchung der erforderlichen Kontaktfläche der Primärelektrode bezogen auf die effektive Stromdichte konnte nicht erfolgen. Weiterhin wurden die Haftzugwerte über die Dauer der Polarisation untersucht und mit unpolarisierten Proben verglichen. Eine Reduktion des Verbundes infolge Polarisation mit den angesetzten Stromdichten konnte verzeichnet werden. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass mit zunehmenden Probenalter auch reduzierte Haftzugwerte an den geschliffenen und unpolarisierten Oberflächen der Referenzprobekörper ermittelt wurden. Die Grundlagen für die Simulation konnten in AP 3 anhand der gewonnen Ergebnisse erstellt werden und Feldverteilungen unter Berücksichtigung verschiedener Parameter berechnet werden. Eine auf den gewonnenen Erkenntnisse basierende Modellentwicklung für die Dauerhaftigkeitsprognose unter variierenden Randbedingungen, wie sie für AP 4 vorgesehen
war, konnte auf Basis der erzielten Ergebnisse nicht erfolgen. Dass die Beschichtungssysteme unter praxisüblichen Randbedingungen einsetzbar sind und bei dem Vergleich der Schutzspannung mit klassischen Systemaufbauten gleiche Schutzstromdichten erzielt werden, zeigt das AP 1b deutlich. Die zukünftigen Ergebnisse aus der Praxisanwendung (AP 1b) werden über die Projektlaufzeit hinaus ausgewertet und publiziert. Das Ziel des Vorhabens wurde teilweise erreicht.
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. The dissolved organic and inorganic carbons in electrolyte solution were quantified by using a photometric method. The structures of the coatings were investigated before and after the electrochemical tests by microscopy and scanning electron microscope/EDX analysis. The results of the electrochemical impedance measurements show that the tested coatings all have a relatively low resistance, which is between 100 and 200 Ω. The binder and the surface porosity influence the degradation behavior of those coatings. Especially the organic binder reacts with the strong alkaline medium under dissolving of organic carbon.
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.
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
Electrochemical potential mapping according to guideline B3 of DGZfP (German Society for Nondestructive 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. Therefore, in a training concept firstly the theoretical basics of the test method should be imparted. Then, frequently occurring practical situations of various influencing factors will be made accessible to the participants by a model object specially designed for this purpose. The aim is to impart profound knowledge concerning the characteristics of potential mapping for detecting corrosion of reinforcing steel in order to apply this technique in practice as reliable and economical test method.
Corrosion of steel reinforcement in concrete is one of the major deterioration mechanisms limiting the service life of reinforced concrete structures. While for conventional (Portland cement-based) concretes a great amount of experience exists in this regard, the factors that determine the onset of reinforcement corrosion in alkali-activated materials are incompletely understood yet. One aspect of corrosion protection is leaching and the accompanying changes of the concrete pore solution. In the present study, alkali-activated fly ash mortars with embedded carbon steel rebars were exposed to de-ionised water for periods up to 330 days, and the electrochemical response of the steel (free corrosion potential, polarisation resistance), the alteration of the mortar (ohmic resistance, mechanical strength, pore size distribution) as well as the pore solution composition were monitored. Although substantial alkali leaching was observed, the pH of the pore solution remained at values sufficient to protect the embedded steel from depassivation. The mortar did not exhibit indications of significant deterioration. Thus, the present results suggest that leaching is not critical for protection of steel reinforcement in alkali-activated fly ash mortars and concretes.
Electrochemical half-cell potential measurements for the detection of reinforcement corrosion
(2014)
This specification describes the application of electrochemical half‐cell potential measurements (frequently also called potential mapping) for the detection of reinforcement corrosion in reinforced concrete structures. Areas of corroding reinforcement steel can be located in a nondestructive manner by means of this procedure. Half‐cell potential measurements are used in order to detect chloride‐induced corrosion. However, it is not recommended in order to assess the risk of carbonation‐induced corrosion. For this purpose the determination of the carbonation depth and the concrete cover appear to be more appropriate.
The content of this specification exclusively refers to the application of mobile, local variable reference electrodes, which are only placed on the concrete surface while measuring. The technique distinguishes itself thereby from the range of corrosion monitoring systems with stationary installed reference electrodes and sensor systems, respectively, whereby it is possible to continuously track measurements within the area of the installed electrodes. However, these methods are not dealt with in this specification.
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. The dissolved organic and inorganic carbons in electrolyte solution were quantified by using a photometric method. The structures of the coatings were investigated before and after the electrochemical tests by microscopy and scanning electron microscope/EDX analysis. The results of the electrochemical impedance measurements show that the tested coatings all have a relatively low resistance, which is between 100 and 200V. The binder and the surface porosity influence the degradation behavior of those coatings. Especially the organic binder reacts with the strong alkaline medium under dissolving of organic carbon.
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.
The reduction of the chromate contents in cements affects the electrochemical reactions of galvanized reinforcing steels in fresh concrete. By means of electrochemical measurements and bar pull-out tests the effect of chromates on the formation of protective coatings at the zinc and the bond behaviour have been investigated using chromate-containing and chromate-reduced cements. The results have shown that the bond zone was affected as a result of chromate reduction for cement types CEM I and CEM II. The disturbance to the bond zone should be considered as long-term in relation to the pore structure which is formed. The effects on the bond are largely compensated for as the concrete ages. The results of the related bond strength with displacement paths of 0.1 and 0.5?mm, respectively, are still within the range of expected figures for non-galvanized reinforcing steel despite the structural disturbance. Under practical aspects it is not necessary that the existing structural disturbance with respect to bond strength is taken into consideration.
Korrosions- und Verbundverhalten verzinkter Betonstähle in Betonen mit chromatreduzierten Zementen
(2011)
Durch die Absenkung des Chromatgehalts der Zemente verändern sich die elektrochemischen Reaktionen von verzinkten Betonstählen in der Frischbetonphase. Mit Hilfe von elektrochemischen Messungen sowie Stabauszugsversuchen wurde an chromathaltigen und chromatreduzierten Zementen die Auswirkung des Chromats auf die Deckschichtbildung am Zink und auf das Verbundverhalten untersucht.
Mit den Ergebnissen konnte eine Beeinträchtigung der Verbundzone als Folge der Chromatreduzierung für die Zementarten CEM I und CEM II nachgewiesen werden. Die Störung der Verbundzone ist in Bezug auf die sich ausbildende Porenstruktur als dauerhaft anzusehen. Die Auswirkungen auf das Verbundverhalten werden mit zunehmendem Betonalter weitgehend kompensiert. Die Ergebnisse der bezogenen Verbundspannung bei Verschiebewegen von 0,1 mm und 0,5 mm liegen trotz der Gefügestörung noch im Bereich der Erwartungswerte für den unverzinkten Betonstahl. Unter baupraktischen Gesichtspunkten muss die auftretende Gefügestörung hinsichtlich der Verbundspannung daher keine Berücksichtigung finden.
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.