Electrochemische studie betreffende het toepassen van duplex RVS in beton

De austenitische roestvast-staaltypen AISI 304 en 316 die voor deze toepassing werden voorgesteld beschikken over lage rekgrenswaarden. Wapeningsstaal met hogere mechanische sterkte kan worden verkregen door koudtrekken of door een ander type roestvast staal te kiezen. Vanwege zijn hoge mechanische sterkte en goede corrosievastheid is duplex roestvast staal zeer interessant. Dit werk heeft betrekking op het corrosiegedrag van wapening gemaakt van duplex roestvast staal van het type 23Cr4Ni in met chloride verontreinigd beton. Het vormt tevens een revisie van eerder gepubliceerd werk [11] en doet verslag van de eindresultaten.

Artikel gepubliceerd in Roestvast staal nummer 5 1993, artikel 35

Inleiding

Wapening voor beton wordt gewoonlijk gemaakt van koolstofstaal, omdat het alkalische milieu in het beton het staal beschermt tegen corrosie door het passief te maken [1-9]. Als het beton echter is verontreinigd met chloride of onderworpen is aan carbonisering, dan wordt de passieve toestand doorbroken en kan het staal gaan corroderen. Problemen met wapeningsstaal kunnen in het algemeen worden verhinderd met behulp van een geschikt ontwerp en constructie. Onder bepaalde omstandigheden kan het nodig zijn om extra beveiligingstechnieken toe te passen zoals kathodische bescherming, corrosie-inhibitoren, beschermende deklagen waaronder metallische deklagen en oppervlakteverstevigers. Roestvast wapeningsstaal kan daar waar andere beschermingsmethoden het laten afweten of niet geschikt zijn, met name bij kleine constructies, uitkomst bieden.
Van roestvast staal wordt een bevredigend gedrag verwacht zelfs in met chloride verontreinigd beton vanwege de hoge pH van ongecarboniseerd beton. Austenitisch roestvast staal werd resistent bevonden tegen plaatselijke corrosie in beton met chloridegehalten hoger dan de bovengrens geldend voor koolstofstaalwapening, te weten 0,4% ten opzichte van het cement [10, 11].
 

Experimenteel

De proeven zijn uitgevoerd aan een blok gewapend beton, zoals is weergegeven op afbeelding 1 en dat werd blootgesteld aan de open lucht in Milaan in november 1989. De wapeningsstaven hebben een diameter van 18 mm en zijn gemaakt van respectievelijk koolstofstaal, austenitisch roestvast staal typen AISI 304 en AISI 316 en duplex roestvast staal van het type SAF 2304®. Ter nabootsing van spleetcorrosieomstandigheden werd elke wapeningsstaaf voorzien van een nylon bandje. Tabel 1 geeft een overzicht van de chemische samenstelling en mechanische sterkte van de beproefde staaltypen. Er werd betonmortel bereid door 400 kg/m3 gewoon Portland cement te mengen met water en met 1830 kg/m3 grind. De water-cementverhouding bedroeg 0,5 en de maximum diameter van het grind bedroeg 15 mm.


Afb. 1. Testblok (lengten in millimeter).

Tabel 1. Chemische samenstelling (gew. %) en mechanische eigenschappen van de onderzochte roestvast-staaltypen.


Aan het mengsel werd een superplastificeermiddel toegevoegd. Het betonstorten werd in opeenvolgende stappen uitgevoerd, waarbij het blok in vier zones werd opgedeeld, elk gekenmerkt door een verschillende chlorideconcentratie en elk met een staaf van elk staaltype. De chlorideconcentraties (gemeten naar het gewicht van het cement) van 0, 1, 2 en 3% werden verkregen door calciumchloride direct aan het water toe te voegen. Het blok werd verdicht door middel van trillen, en opstijven vond plaats onder voortdurend nat houden van het oppervlak gedurende 28 dagen waarna het bloot werd gesteld aan de atmosfeer.  Het volgen van de corrosie van de wapening nam na 3 maanden een aanvang en duurde zo'n 18 maanden. Het bestond uit het periodiek meten van vrije corrosiepotentiaal en corrosiesnelheid en uit het uitvoeren van potentiostatische polarisatiemetingen.  De potentiaal van de wapeningsstaven werd gemeten met referentie-elektroden van geactiveerd titaan die voor het betonblok waren geplaatst ter hoogte van elke staaf in de buurt van de spleet. Dit type elektrode is geen echte referentiecel maar geeft wel een stabiele potentiaal zowel in niet-verontreinigd als in met chloride verontreinigd beton zodat deze elektrode zeer geschikt is voor het volgen van electrochemische processen in betonconstructies [11, 13].  De lineaire polarisatiemetingen werden uitgevoerd na respectievelijk 4, 8, 10, 12 en 18 maanden expositie. De daarbij gebruikte potentiodynamische techniek is  beschreven in voorgaand werk [11]. De corrosiesnelheid werd berekend aan de hand van de formule van Stern-Gearg:



waar C gelijk is aan 26 m V voor staal in de actieve toe.stand en 52 mV voor staal in de passieve toestand [12]. RP is de polarisatieweerstand. Er werd een scansnelheid van 5 mV/minuut aangehouden. Na een expositieduur van 12 en 18 maanden werden potentiostatische metingen uitgevoerd. Hierbij werd voor de eerste reeks proeven de potentiaal gedurende 24 uur constant gehouden op 0,200 en 400 mV (gemeten ten opzichte van de geactiveerde titaanreferentie.elektrodel [11], terwijl voor de laatste reeksen hogere potentialen tot 700 mV werden aangelegd. De tegenelektrode was gemaakt van een net van geactiveerd titaan dat over het oppervlak van het betonblok was aangebracht en was afgedekt met een deklaag.
 

Resultaten en bespreking

De gemiddelde waarden van de vrije corrosiepotentialen van de wapeningsstaven zijn te zien op afbeelding 2. Als in beschouwing wordt genomen dat de wapening in niet-verontreinigd beton zonder enige twijfel in de passieve toestand verkeert, geven de potentiaalmetingen geen aanwijzingen voor de aanwezigheid van significante corrosieverschijnselen aan het roestvaste wapeningsstaal. De potentialen veranderen niet bij overgang van niet-verontreinigd beton naar beton met een choridegehalte van 3%. Integendeel, er werden lage potentialen gevonden van koolstofstalen wapening ingebed in het met chloride verontreinigde beton. Er werden waarden gemeten van minder dan -300 mV, terwijl er potentialen werden waargenomen die nagenoeg identiek waren aan die van roestvast staal in niet-verontreinigd beton. Er kan worden beweerd dat koolstofstaal ingebed in met chloride verontreinigd beton in een actieve corrosietoestand verkeert.


De potentialen van het koolstofstaal zijn ongeveer 200 mV negatiever dan de waarden van de koolstofstaalwapening in choridevrij beton dat zich in de passieve toestand bevindt. Bovendien kan worden waar.genomen dat de potentiaaldaling niet direct gekoppeld is aan het chloridegehalte van het beton. Chloridegehalten tussen 1% en 3% zijn al ruim voldoende om corrosie van koolstofstaal te bevorderen. Afbeelding 3 toont de corrosiesnelheden die zijn afgeleid uit de lineaire polarisatiemetingen na 18 maanden expositie. De waarden bleken over de gehele expositieperiode nagenoeg constant hetgeen de potentiaalmetingen bevestigt. De corrosiesnelheid van koolstofstaal in met chloride verontreinigd beton is zeer hoog, omdat het in de passieve toestand verkeert. Van de austenitisch roestvast stalen wapening is de corrosiesnelheid verwaarloosbaar, ongeacht het choridegehalte van het beton. Dit staal geeft een uitstekend gedrag te zien in met chloride verontreinigd beton over het gehele concentratiegebied dat in ogenschouw is genomen.





Afb. 2. Gemiddelde vrije corrosiepotentiaal van de wapeningsstaven (mV ten opzichte van geactiveerde titaanreferentie-elektrode).


Afb. 3. Corrosiestroomdichtheden van wapeningen, bepaald aan de hand van lineaire polarisatiemetingen.


De gemeten corrosiestroomdichtheden van de duplex roestvast-staalwapening zijn ongeveer tien maal hoger dan die van het austenitische roestvast staal. Ze zijn echter lager dan of vergelijkbaar met die welke zijn verkregen aan koolstofstaal in niet-verontreinigd beton en derhalve verwaarloosbaar voor praktische doeleinden. De afbeeldingen 4 tot en met 7 tonen de potentiostatische polarisatiekrommen van de wapeningsstaven. Het is duidelijk dat alle drie de roestvast-staaltypen passief zijn tot een potentiaal van 400 mV (gemeten ten opzichte van de geactiveerde titaanreferentie-elektrode) ongeacht of het chloridegehalte 0% is of 3%. Er mogen dus edele waarden van de putcorrosiepotentiaal worden verwacht, aanzienlijk positiever dan de vrije corrosiepotentiaal en er mag worden aangenomen dat er sprake is van weerstand tegen plaatselijke aantasting. De anodische stroomdichtheid in het passieve gebied is voor de drie beschouwde roestvast-staaltypen laag, maar het duplex roestvast staal vertoont altijd iets hogere waarden.





Afb. 4. Potentiostatische polarisatiekrommen van AISI 316 in met chloride verontreinigd beton.


Afb. 5. Potentiostatische polarisatiekrommen van AISI 316 in met chloride verontreinigd beton.


Afb. 6. Potentiostatische polarisatiekrommen van 23Cr4Ni in met chloride verontreinigd beton.


Afb. 7. Potentiostatische polarisatiekrommen van koolstofstaal in met chloride verontreinigd beton.


Dit komt overeen met de resultaten van de lineaire polarisatiemetingen die voor het duplex roestvast staal hogere corrosiesnelheden geven dan voor de austenitisch roestvast-staaltypen. De stroomdichtheden van koolstofstaal in met chloride verontreinigd beton zijn hoog, zelfs bij lage anodische potentiaalwaarden. In niet-verontreinigd beton is koolstofstaal passief bij 0 V en bij 200 mV, maar het vertoont bij 400 mV een hoge stroomdichtheid (afb. 7). Aan het eind van de expositieperiode werd het testblok opengebroken om visuele inspectie van de wapening mogelijk te maken. Alleen de koolstofstaalwapening in het met chloride verontreinigde beton vertoonde vergevorderde aantasting. Hierbij was niet het gehele staafoppervlak betrokken maar bleef de niet-uniforme corrosie beperkt tot 30% van het staafoppervlak, ingebed in beton met 2% en 3% chloridegehalte en tot 50% van het staafoppervlak in het beton met 1% chloride. Als gevolg daarvan zou de corrosiesnelheid die is bepaald aan de hand van lineaire polarisatiemetingen moeten worden gecorrigeerd om te komen tot de juiste gemiddelde waarden voor gecorrodeerde gebieden.

Conclusies

De resultaten tonen goed gedrag van 23Cr4Ni duplex roestvast staal en van austenitisch roestvast staal AISI 304 en AISI 316 onder spleten en in beton met chloridegehalten tot 3%, welke laatste waarde het tienvoud is van de kritische chlorideconcentratie voor koolstofwapenmg. De resultaten duiden op de effectiviteit van roestvast stalen wapening ter voorkoming van corrosie van de wapening, zelfs in sterk met chloride verontreinigd beton.
Duplex roestvast staal23Cr4Ni kan dus een geschikte oplossing zijn voor betonconstructies waarvoor wapeningsstaven met hoge mechanische sterkte en goede corrosievastheid nodig zijn.

Dit onderzoek is gefinancierd door Sandvik Italie SpA.
SAF 2304® is een handelsmerk van SANDVIK.

Literatuur
1. Corrosion of Reinforcements in Concrete Constructions; Society of Chemica! lndustry, Londen 1979-1983 en 1990.
2. Corrosion of Reinforcing Steel in Concrete; ASTM STP 173, ASTM Philadelphia 1980.
3. Performance of Concrete in Marine Environment; Proc. Int. Conf., St. Andrew by-the-Sea, Canada, ACI SP-65 (1980) en ACI SP-109 (1987).
4. K. Tuutti; Corrosion of Steel in Concrete; Report F04, Zweeds cement en beton onderzoekinstituut, 1982.
5. CEB Bulletin d'lnformation no. 148 (1982).
6. CEB Rilem; International Workshop, Kopenhagen 1983.
7. Concrete Durability, Proc. 'K. and B. Mather' lnt..Conf., Atlanta, ACI SP-100, 1987.
8. Corrosion of Steel in Concrete; RILEM Report; ed. P. Schiessl; Chapman and Hall, Londen 1988.
9. Proc. and Int. Conf. Deterioration and Repair of Reinforeed Concrete in the Arabian Gulf; 1987.
10. B. Sorensen, P.B. Jensen, E. Maahn; The Corrosion Properties of Stainless Steel Reinforcements, Corrosion of Reinforcements in Concrete; Elsevier Applied Science, Londen 1990: 601.
11. T. Pastore, P. Pedeferri; Corrosion Behaviour of a Duplex Stainless Steel in Chloride Contaminated Concrete; Proc. Int. Conf. on Stainless Steels '91, Vol. 1, ISIJ, Chiba 1991: 351.
12. J.A. Gonzales, A. Molina, M.L. Escudero, C. Andrade; Corrosion Science, 25 (1985) 917.
13. T. Pastore, P. Pedeferri , G. Mussinelli, M. Tettamanti; New Developments in Anode Materials and Monitoring Systems for Cathodic Protection of Steel in Concrete; Proc. llth ICC, Vol. 2, Florence 1990:467.