Corrosion of prestressed tensile wires on Herøysund bridge

Abstract

I denne avhandlingen blir teori og litteratur rundt korrosjon av karbonstål i ulike omgivelser og betong samt galvanisk korrosjon presentert. Deretter presenteres inspeksjoner og undersøkelser av Herøysund bro, hvor korrosjon ble oppdaget på spennarmeringen.

Avhandlingen tar deretter for seg et eksperimentelt arbeid. Dette arbeidet var todelt, hvor den første delen fokuserer på korrosjonsegenskapene til høyfast spennarmering eksponert over lengre tid (3-5 uker) i ulike løsninger. Disse løsningene hadde varierende pH, klorid og sulfat konsentrasjon. I tillegg ble forsøkene utført i både lukkede og åpne beholdere. Gjennom eksponeringen ble det åpne krets potensialet (OCP) målt. I tillegg ble korrosjonshastigheten utregnet ved slutten av eksponeringen, basert på den lineære polarisasjons motstanden (LPR). Etter eksponering ble prøvene undersøkt visuelt. Fra denne eksperimentelle metoden ble det konkludert med at løsningene var mer korrosive ved pH på 12.5 sammenlignet med 13. Det ble sett at bruken av åpne og lukkede beholdere hadde stor effekt på eksperimentene, da den åpne beholderen førte til karbonering av løsningen og tilgang på oksygen. Ved pH på 12.5 førte en tilsetning av klorid og sulfat til en mer korrosiv løsning, sammenlignet med pH 13 som tålte høyere konsentrasjoner av klorid og sulfat før initiering skjedde. For prøvene hvor korrosjon oppsto skjedde dette på overgangen fra belegget til eksponert stål.

Den andre eksperimentelle metoden var galvanisk testing. Her ble to stålstaver (samme stål som for som for den første metoden) koblet sammen over en motstand på 100 ohm (som ga et potesnsialfall på mindre enn 1 mV) og plassert i den samme løsningen, dette utgjorde et sett. Den ene stålstaven hadde et beskyttende oksidlag (dette var kalt stål-prøven) og den andre stålstaven var støpt i betong (dette var kalt betongprøven). I hver løsning var det to sett, sett 1 hadde like stort eksponert stål areal for stål-prøven og betongprøven. Sett 2 hadde 10 ganger så stort eksponert stålareal i betongprøven som for stål-prøven. Den samlede OCPen for hvert sett ble, i tillegg til potensialfallet over motstanden monitorert. Fra dette ble strømmen mellom de sammenkoblede prøvene utregnet. Etter at forsøket ble avsluttet (dette tok mellom 1 og 4 uker) ble prøvene visuelt undersøkt. Fra denne eksperimentelle metoden ble det sett at betongprøvene fikk veldig lav OCP (-350 and -600 mV vs. Ag/AgCl) uten at korrosjon initierte. Det ble ikke sett noen større trend for den galvanisk effekt mellom stål- og betongprøvene.

This thesis starts by presenting theory and literature concerning the corrosion of carbon steel in different environments, including concrete and galvanic corrosion. It then presents inspections and examinations of the Herøysund Bridge, where corrosion was found on the prestressed tension wires.

Following this, the thesis describes experimental work divided into two parts. The first part focuses on the corrosion properties of prestressed tensile wires exposed for an extended period (3-5 weeks) in various solutions with varying pH, chloride, and sulfate concentrations. Additionally, experiments were conducted in both closed and open containers. Open circuit potential (OCP) was measured during exposure, and corrosion rates were calculated at the end of the exposure based on linear polarization resistance (LPR). Visual inspections were performed after exposure. This experimental method concluded that solutions were more corrosive at pH 12.5 compared to 13. The use of open and closed containers significantly affected the experiments, with the open container leading to carbonation of the solution and a supply of oxygen. At pH 12.5, adding chloride and sulfate resulted in a more corrosive solution than pH 13, which tolerated higher concentrations of chloride and sulfate before corrosion initiation occurred. For samples where corrosion occurred, it happened at the interface between the coating and exposed steel.

The second experimental method involved galvanic testing. Here, two steel wires (the same steel used in the first method) were connected through a 100 ohm resistor (giving a potential drop of less than 1 mV) and placed in the same solution, forming a set. One of the steel wires had a protective oxide layer (referred to as the steel sample), while the other was embedded in concrete (referred to as the concrete sample). In each solution, there were two sets: Set 1 had an equal exposed steel area for both the steel and concrete samples, while set 2 had ten times more exposed steel area for the concrete sample than in the steel sample. The common OCP for each set and the potential drop across the resistor were continuously monitored. The current between the connected samples was calculated based on the potential drop. The samples underwent visual inspection after the experiment, which lasted between 1 and 4 weeks. This experimental method revealed that the concrete samples had very low OCP values (-350 to -600 mV vs. Ag/AgCl) without initiating corrosion. Furthermore, there was not seen any significant trend indicating a galvanic effect between the steel and concrete samples.