Effects of chloride, sulfate and pH on the corrosion of tensile wires in grouted tendon ducts in Herøysundet bridge

Abstract

Over lang tid har korrosjon av armering skapt problemer for betong strukturer og det er lagt ned mye forskning for å forstå hva som forårsaker det. Effektene av faktorer som pH-nivå, aggressive ioner, karbonatisering, stål overflate og tilstanden til injeksjonsmassen har vært hovedfokuset til en rekke studier. Et utvalg av disse er presentert i denne oppgaven. I tillegg inneholder oppgaven et sammendrag av inspeksjoner og tidligere rapporter som benyttes som grunnlag for eksperimentelt arbeid.

Oppgavens eksperimentelle arbeid baserer seg på å teste hvordan klorid og sulfat ioner, pH nivå og oksygeninnhold påvirker korrosjonen av spenntråder nedsenket i en mettet Ca(OH)2 løsning. Stål prøver hentet fra Farriseidet bru ble pusset, gitt et bestemt eksponerings område og senket ned i en simulert poreløsning i syv dager før korrosjonstesting. Oksidet som ble dannet på overflaten til stålet ble funnet til å bestå av CaCO3ved hjelp av et elektronmikroskop. Dette samsvarer med oksidet som ble funnet på spenntrådene hentet fra Farriseidet bru, også testet med et elektronmikroskop. Korrosjonstester ble utført i mettede Ca(OH)2 løsninger med varierende ion innhold, pH verdier og oksygen innhold, og var basert på inspeksjoner og tidligere arbeid utført på Herøysundet bru. Fra sykliske polariseringskurver (CP), målt etter ASTM G61 standarder, ble det funnet en kritisk klorid grenseverdi på 0.0025 M for løsninger med en pH på 12.5. Fjerning av oksygen fra løsningen viser en reduksjon i korrosiviteten til løsningene, mens en tilsats av magnesium sulfat viser en økning. Kurvene viste også at kilden til sulfat spiller en rolle på korrosiviteten til løsningen. For å teste effekten av mer realistiske eksponeringsforhold ble det gjort målinger av åpen krets potensial (OCP) og lineær polariserings motstand (LPR) over lengere eksponeringsperioder, etterfulgt av potensiodynamisk polariserings målinger. Resultatene antydet en kritisk klorid grenseverdi på over 0.01M. I tillegg antydet testene at fjerning av oksygen førte til en reduksjon i korrosivitet. Alle tester gir en indikasjon på at ion innhold og pH-nivå målt i Herøysundet bru tilsvarer nivåer som fører til korrosjonsangrep på spenntrådene.

The corrosion of steel reinforcement in concrete structures has proven to create problems for a long time, which is why much research have been devoted to discovering the cause. Numerous studies have focused on determining the effect of factors such as pH-levels, aggressive ion concentrations, carbonation, grout conditions and surface conditions. A selection of these studies has been presented in this thesis. The thesis also includes summaries of inspections and preliminary reports performed on Herøysundet bridge, which were used to provide the basis for experimental testing.

Further, this study investigates how chloride and sulfate ions, pH levels and the presence of oxygen effect the corrosion of tensile wires immersed in a saturated Ca(OH)2 solution. Steel samples extracted from Farriseidet bridge were prepared for testing by being grinded, coated to create a specified exposure area and immersed in a concrete pore solution for seven days. The oxide layer built on the surface was found through inspections with scanning electron microscope (SEM) to consist of CaCO3, which consist with the inspections of oxide layer made on samples extracted from Farriseidet bridge through similar test methods. Corrosion testing were conducted in saturated Ca(OH)2 solutions with varying concentrations of aggressive ions, pH levels and oxygen content, following values measured in inspections of Herøysundet bridge and results from preliminary reports and from the specialization project. Cyclic polarization (CP) curves measured according to ASTM G61 standards revealed a chloride threshold level of 0.0025 M for solutions with a pH of 12.5. The removal of oxygen lead to a decrease in the corrosivity, while the addition of magnesium sulfate made the solution more aggressive. From the CP curves it also became clear that the source of sulfates affects the corrosivity of the solution. Open circuit potential (OCP) and linear polarization resistance (LPR) were measured during long-term exposure, followed by potentiodynamic polarization scans in order to see effects of real exposure conditions. Results suggested chloride threshold values above 0.01 M and gave indications of reduced corrosivity following the removal of oxygen. All tests indicate that ion contents and pH-levels measured in Herøysundet bridge are consistent with levels that cause corrosion attacks on the tensile wires.