Chloride Ingress Determination in Offshore Concrete Structures Using µ-XRF

Abstract

Formålet med denne masteroppgaven var å se nærmere på μ-XRF som målemetode for kloridinntrenging i offshore betongkonstruksjoner. For å evaluere bruk av μ-XRF til dette formålet, ble den sammenlignet med to andre analysemetoder: ICP-MS og potensiometrisk titrering. μ-XRF ble så benyttet for å evaluere kloridinntrengingen i to offshore betongkonstuksjoner.

15 betongkjerner ble sendt fra vår industripartner, Equinor. Disse ble hentet fra to ulike offshore betongkonstruksjoner, «Structure A» og «Structure C», begge med over 30 års operasjonstid. Selve oljeriggen hviler på betongskaft som går ned til havbunnen. Fra «Structure A» ble tre kjerner tatt fra utsiden av sjøvannsskaftet over havnivå, samt fire kjerner fra innsiden av utstyrsskaftet. For «Structure C» ble alle de åtte kjernene hentet fra innsiden av utstyrsskaftet. Alle de syv kjernene fra «Structure A» ble analysert ved bruk av alle tre metodene, mens kjernene fra «Structure C» kun ble analysert ved bruk av μ-XRF.

Målemetodene ble sammenlignet ved at kloridinnholdet i de syv betongkjernene fra «Structure A» ble bestemt. Kjernene ble saget i to, hvor den ene halvdelen ble brukt til μ-XRF mens den andre ble brukt til ICP-MS og titrering. Kloridinnholdet ble så bestemt ved bruk av de respektive analysemetodene og det ble laget kloridprofiler som var grunnlaget for sammenligningen. Nøyaktigheten, sammen med andre aspekter som kompleksitet, effektivitet og allsidighet, ble så vurdert.

Resultatene indikerte at μ-XRF hadde betraktelig lavere nøyaktighet enn de andre metodene for bestemmelse av kloridinnhold. Kloridinntrengningsdybden målt med μ-XRF derimot, vurdert mot et kritisk kloridnivå, Clcrit = 0.07% Cl/betong [g/g], viste seg å kunne bestemmes med en usikkerhet på under ±2 mm for samtlige betongkjerner. Det ble på bakgrunn av dette, konkludert med at nøyaktigheten av kloridinntrengningsdybden var tilstrekkelig ved bruk av μ-XRF. I tillegg, viste den seg å være svært konkurransedyktig på flere av de andre vurderte aspektene.

Til slutt ble kloridinntrengningsdybden i samtlige betongkjerner bestemt med bruk av μ-XRF. Vurdert mot et kritisk kloridnivå, Clcrit = 0.07% Cl/betong [g/g], varierte dybden mellom 3mm og 29 mm i «Structure A» og mellom 0 mm og 34 mm i «Structure C». I «Structure A» finner vi den største inntrengningsdybden i skvalpesonen på utsiden av utstyrsskaftet, mens i «Structure C» finner vi den største inntrengningsdybden på innsiden av utstyrsskaftet, i et område regelmessig eksponert for sjøvann. Siden den tilsiktede betongoverdekningen er 60±10 mm i begge konstruksjonene, er det ingen mistanke om kloridindusert armeringskorrosjon i de undersøkte områdene.

Den 270 mm lange betongkjernen som ble hentet fra innsiden av «Structure C» på 201 meters dyp, viste ingen synlige tegn på massetransport fra utsiden av den 1.2 m tykke veggen. Det ble derfor konkludert med at det hydrauliske trykket ikke er en dominerende transportmekanisme i en så tett betong, selv ved et slikt dyp.

The purpose of this Master Thesis was to look deeper into chloride ingress determination for offshore concrete structures using μ-XRF. An evaluation of the use of μ-XRF for this purpose was performed through a comparison with two other methods of analysis: potentiometric titration and ICP-MS. μ-XRF was then used to evaluate the chloride ingress in two offshore concrete structures.

A total of 15 concrete cores were received from our industrial partner, Equinor. The cores were collected from two different offshore concrete structures, Structure A and Structure C, both with over 30 years of operation. The oil rigs rest on top of concrete shafts which continue all the way down to the seabed. In Structure A, three cores were collected from the outside of the unsubmerged part of the seawater shaft, and four cores from the inside of the utility shaft. For Structure C all eight cores were collected from the inside of the utility shaft, at elevations ranging between 13 m above to 201 m below sea level. All seven cores from Structure A were analysed using all three methods for the following comparison, while the eight cores obtained from Structure C were analysed solely using μ-XRF.

The comparison was performed by determining chloride content in the seven concrete cores from Structure A. The cores were sawn in two, where one half was used in the μ-XRF and the other was profile ground and used for both potentiometric titration and ICP-MS. The chloride content obtained from all three methods was used to generate chloride profiles which were used for comparison. Accuracy, in addition to other aspects such as complexity, efficiency, and versatility of the different methods, were considered.

The μ-XRF was found to be significantly less accurate for chloride concentration determination than the other methods of analysis. However, the μ-XRF was able to determine the depth at which the chloride concentration had reached below Clcrit = 0.07% Cl/concrete [g/g], with an uncertainty of less than ±2 mm for all concrete cores. Based on this, the accuracy regarding chloride ingress depth measurements with μ-XRF was considered adequate. In addition, μ-XRF surpassed the other methods on several of the other comparison aspects.

Finally, the chloride ingress depth in all of the concrete cores was determined using μ-XRF. Using a critical chloride content of Clcrit = 0.07% Cl/concrete [g/g], we found the chloride ingress in Structure A to range from 3 mm to 29 mm. While for Structure C the range was 0 mm to 34 mm. For Structure A the deepest ingress is found in a core collected from the splash zone on the seawater shaft. While for Structure C the deepest ingress was found in a core collected from the inside of the utility shaft, in an area regularly exposed to seawater. As the cover depth of both structures is 60±10 mm, there is no reason to suspect chloride-induced reinforcement corrosion in the investigated areas.

The 270 mm long concrete core collected from the inside of Structure C, at a depth of 201 m below sea level, showed no detectable signs of mass transport coming from the outside of the 1.2 m thick wall. This led to a conclusion that the hydraulic pressure is not a dominating transport mechanism for such a dense concrete, even at this depth.