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Investigations of corrosion on small cathodes in reinforced concrete - observations and suggestions
(2009)
Corrosion of steel reinforcement in concrete exposed to chloride containing environments is a serious
problem in civil engineering practice. The standards and guidelines contain only minimum
requirements regarding concrete quality and concrete cover. In very critical cases, for example the
ingress of chlorides, the application of different coatings is currently the only possibility to protect the
reinforced concrete structures. In this case the modelling of reinforcement corrosion would be more
practical. One sub-project of a DFG-research project (FOR 537) is currently performed at the Federal
Institute for Materials Research and Testing (BAM). Aim of the sub-project is the description of
corrosion propagation and the characterization of the corrosion on specimens with small cathodes by
electrochemical parameters. The electrochemical parameters are determined by suitable
electrochemical measurements, considering concrete parameters as well as different environmental
conditions.
Due to the large number of stainless steels with different chemical composition and different microstructure the selection of the suitable material represents a huge challenge. In order to facilitate the appropriate grade selection, in the current European standard EN 1993-1-4 a procedure is defined based on the use of a look-up table considering the key variables that influence the selection of stainless steels. The table uses descriptions that competent designers should be able to readily understand or define without prior knowledge. The output from the look-up table is used to select alloys based on a Corrosion Resistance Class (CRC) from I to V. The advantage of this approach is that the designer simply specifies the relevant CRC and does not need to consider in detail which of the many (very similar) alloys to specify.
Die Zielsetzung dieses Projektes war es, ein kombiniertes Schutzsystem aus Spritzverzinkung und abdichtendem Oberflächenschutzsystem für die Instandsetzung chloridbelasteter und korrosionsgeschädigter Stahlbetonbauteile zu entwickeln. Dabei soll die Spritzverzinkung der Betonoberfläche in den ersten Jahren nach der Instandsetzung einen kathodischen Korrosionsschutz der Bewehrung bewirken, bis der Beton infolge des Oberflächenschutzsystems soweit ausgetrocknet ist, dass auch ohne kathodischen Schutz praktisch keine Korrosion der Bewehrung mehr stattfinden kann.
Anhand von Untersuchungen zur Haftung zwischen Beton, Zinkschicht und verschiedenen Oberflächenschutzsystemen wurde der Aufbau des kombinierten Schutzsystems entwickelt. Es wurden verschiedene OS-11a-Systeme ein OS-13-System sowie zwei Systeme nach ZTV-ING, Teil 7 vor und nach künstlicher Bewitterung untersucht. Anhand der Ergebnisse wurde für das kombinierte System ein OS-11a-System ausgewählt und im weiteren hinsichtlich der Wirksamkeit des kathodischen Schutzes sowie hinsichtlich der Austrocknung des Betons untersucht.
Es zeigte sich sowohl an ausgelagerten Prüfköpfen sowie auf einer angelegten Versuchsfläche auf Freideck eines Parkhauses, dass ein wirksamer galvanischer kathodischer Korrosionsschutz der Bewehrung nur bei sehr hohen Chloridgehalten (4 M.-% bezogen auf den Zementgehalt) erreicht werden kann. Bei geringeren untersuchten Chloridgehalten kam es vermutlich infolge der Austrocknung der Zink/Beton-Kontaktzone nach relativ kurzer Zeit zu einer Inaktivierung des Zinks. Bei Chloridgehalten von 4 M.-% bildeten sich zwischen der Zinkschicht und dem ausgewählten OS-System gasgefüllte Blasen. Diese Problematik, sowie die Tatsache dass die Wirksamkeit des Prinzips W (Austrocknung des Betons) bei derart hohen Chloridgehalten bezweifelt werden muss, grenzt die Anwendbarkeit des Kombinationssystems mit der Zinkschicht als Opferanode deutlich ein.
An neun Jahre alten, ausgelagerten Prüfköpfen durchgeführte Untersuchungen zeigten jedoch, dass mittels Fremdstrombeaufschlagung zwischen Zinkschicht und Bewehrung ein wirksamer kathodischer Schutz auch bei geringeren Chloridgehalten erreicht werden kann. Der Einsatz des entwickelten Kombinationssystems mit Fremdstrombeaufschlagung erscheint somit durchaus durchführbar. Dabei sollte der Fremdstrom jedoch vorsichtig dosiert werden, um den Haftverbund zum Zink nicht zu sehr zu schwächen.
Das Ziel des Vorhabens wurde somit erreicht.
The presented investigations have proved the principal suitability of the KorroPad method to assess the passive layer stability of stainless steels. The electrochemical mode of action could be described in detail and limitations of the applicability have been demonstrated. The influence of different surface finishes has been investigated and verified by known methods for describing corrosion resistances. As a result, the increased corrosion susceptibility of two ground surfaces has been detected, but also the corrosion resistance of further surface finishes could be confirmed.
Nine different stainless steel alloys were exposed for 5 years under marine environment and their corrosion behaviour was compared and assessed. The investigation of four different surface finishes for all alloys tested further enabled to consider industry-specific features of the surface finish for the material comparison. The results of the exposure tests yield conclusions regarding the influence of alloy composition, surface finish and exposure duration under marine environment. The three duplex stainless steels revealed excellent corrosion resistance even in case of crevices during the 5 years of exposure under the given exposure conditions. Also the molybdenum-alloyed ferritic steel 1.4521 showed good corrosion resistance comparable to the classical austenitic materials 1.4301 and 1.4404.
The salinization and contamination of metal surfaces by chloride-containing aerosols is of great importance with regard to corrosion phenomena of damaged coated metal surfaces and stainless steels in the maritime sector and in offshore applications. Detailed questions have to be answered to clarify whether and to what extent salinization of the surface has an influence on the adhesion and durability of coatings in repairing applications and on pitting occurrence on stainless steels under atmospheric conditions. The questions arise which degree of salinization is reached after which period of time and how a defined and reproducible salinization can be simulated in the laboratory for further systematic investigations. The article is dedicated to these questions. Results of a field trial on the Island of Heligoland are presented and a simple procedure for a defined loading of metal surfaces with chlorides at a laboratory scale using a design of experiments (DoE) approach is introduced.
Für Spannstähle muss im Rahmen der Überwachung die Beständigkeit gegenüber Spannungsrisskorrosion nach DIN EN ISO 15630-3 nachgewiesen werden. Die Stähle werden hierbei entweder einer konzentrierten Ammoniumthiocyanatlösung oder einer verdünnten Lösung, die eher die Verhältnisse in der Baupraxis wiedergibt, ausgesetzt. In den vergangenen Jahren gab es an Spannstäben der Festigkeitsklasse St 950/1050 immer wieder Probleme mit dem Erreichen der erforderlichen Standzeiten in der konzentrierten Lösung. Der Ringversuch sollte nun klären, inwieweit Unsicherheiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Ergebnisse von Spannungsrisskorrosionsprüfungen bestehen. Außerdem sollten die Prüfanweisungen, die Prüfeinrichtungen sowie die Vor-Ort-Inspektion der Prüfstände kritisch beurteilt werden, um eventuell vorhandene versuchstechnische Probleme zu identifizieren und ggf. zu beheben.
Systematic laboratory and field exposure tests allow to compare nine different stainless steels (three ferritic, three austenitic, and three duplex grades) for civil engineering applications. The influence of surface finish was also taken into account by choosing five different industry-specific features. The three duplex stainless steels revealed excellent corrosion resistance under most of the test conditions. Especially for applications in civil engineering the lean duplex steels offer distinct advantages. The manganese-alloyed 1.4376 and the ferritic steel 1.4509 cannot be recommended as alternative materials as they did not perform satisfactorily.