on-site detection of corrosion in reinforced concrete structures_m&s_1991(24]

7/21/2019 On-site Detection of Corrosion in Reinforced Concrete Structures_M&S_1991(24]

1/5

M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s / M a t ~ r i a u x e t C o n s tr u c t i o n s

1 9 9 1 , 2 4 , 3 4 6 - 3 5 0

On si te d e tec t ion o f corros ion in re in forced con cre te s t ruc tures

J . A . G O N Z A L E Z S. F E L I U

CS IC National Centre of Metallurgical Research Av. de Gregorio del Amo 8 28040 Madrid Spain

C . A N D R A D E I. R O D R I G U E Z

Instituto Eduardo Torroja of Construction and Cement CSIC CL Serrano Galvache s/n 28033 Madrid Spain

The avai lab i l i ty o f on-s i te me tho ds o f d iagnos is o f the de te r iora t ion ra te in re in forced

concrete structures is a pressing technical need all over the worht. Two new methods are

proposed in th is paper which are der ived f ro m the polar iza t ion res is tance me thod but which

di f fe r ing f ro m th is me thod are applicable to fu l l - s i ze s t ruc tures in sp i te o f the non-uni form

dis tr ibu t ion o f the e lec tr ic s ignals in them. The two proposed procedures are o f a s imp l ic i ty

and re l iab i l ity comparable w i th those o f fe red by d irec t measurem ent o f po lar iza t ion

resistance.

1. I N T R O D U C T I O N

T h e e n o r m o u s n u m b e r o f r e i n fo r c e d c o n cr e te s t r u ct u r es

i n a d e f i c i e n t s t a t e o f p r e s e r v a t i o n i s c r e a t i n g s e r i o u s

p r o b l e m s o f in s p e c t io n , d i a g n o s is a n d m a i n t e n a n c e i n t h e

m o s t v a r i e d c l i m a t e s . G e n e r a l l y , t h e u s e f u l l i f e o f s u c h

s t r u c t u r e s i s l i m i t e d b y c o r r o s i o n o f t h e r e i n f o r c e m e n t .

F o r s o m e y e a r s t h e r e h a s b e e n g r e a t i n t e r e s t i n t e c h n i c a l

an d s c i en t if i c c i rc l e s , l i nked to the bu i ld ing s ec tor , i n the

d e v e l o p m e n t o f m e t h o d s o f d e t e c t i o n a n d d i a g n o s is

w h i c h w i l l a l l o w t h e c o n d i t i o n o f s t r u c t u r e s a n d t h e

d e t e r i o r a t i o n r a t e t o b e k n o w n .

A t t h e p r e s e n t t im e t h e r e d o e s n o t e x i s t a n y e a s y n o n -

d e s t r u c t iv e t e c h n i q u e f o r d e t e r m i n i n g t h e c o n d i t i o n o f a

r e i n f o r c e d c o n c r e t e s tr u c t u r e . A l t h o u g h e a c h c o u n t r y a n d

o r g a n i z a t i o n f i x e s i ts o w n r e s e a r c h p r i o r i t ie s a c c o r d i n g t o

l o c a l c i r c u m s t a n c e s , i f t h e r e is o n e i t e m i n t h e b u i l d i n g

s e c t o r o n w h i c h t h e r e i s a p r i o r i t y a g r e e m e n t i n a l l

c o u n t r i e s , i t i s t h e n e e d f o r d e v e l o p m e n t o f o n - s i t e

m e t h o d s f o r m e a s u r i n g a n d d i a g n o s i n g c o r r o s i o n .

C o l l a b o r a t i o n b e tw e e n C E N I M a n d I E T c c i n S p a in

h a s r e c e n t l y r e s u l t e d i n th e e s t a b l i s h m e n t o f t h e o r e t i c a l

b a s e s a n d p r a c t ic a l m e t h o d o l o g y f o r th e a p p l i c a t io n o f

e l e c t ro c h e m i c a l m e t h o d s f o r e s t i m a t i n g t h e c o r r o s i o n r a t e

i n o n e - a n d t w o - d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s m a d e f r o m

r e i n f o r c e d c o n c r e t e [ 1 - 4 ] . I n t h a t r e s e a r c h t h e

s t e e l - c o n c r e t e sy s t em h a s b e e n m o d e l l e d b y a n e q u i v a l e n t

c i r c u i t (F i g . 1) s i m i l a r t o t h a t u s e d f o r e x p l a i n i n g c u r r e n t

l e a k a g e s o n e l e c t r i c t r a n s m i s s i o n l i n e s a n d i n p o r o u s

e l e c t r o d e s .

T h e m a t h e m a t i c a l r e s o l u t io n o f t h e m o d e l i n t h e c as e o f

t w o - d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s l e a d s t o th e f o l l o w i n g ex -

press ion I-3]:

R - Rot - ~ - 1 )

w h e r e R t is a t e r m c o n n e c t e d w i t h t h e p o l a r i z a t i o n

r e s i s t a n c e p e r u n i t s l a b s u r f a c e ; R e w i t h t h e o h m i c

r e s i s t a n c e o f th e c o n c r e t e ; a n d e i s a f u n c t i o n o f th e

0 0 2 5 - 5 4 3 2 /9 1 ~ R I L E M

a p p a r e n t p o l a r i z a t i o n r e s is t a n c e ( R p ) . F o r a p r e c is e

d e f i n i t i o n o f t h e t e r m s s e e T a b l e 1 . R t c a n b e c o n v e r t e d

i n t o t h e v a l u e o f th e p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e p e r u n i t a r e a

o f r e i n f o r c i n g b a r s s u r f a c e ( R T ) f r o m t h e e x p r e s s i o n

a

RT = ~ Rt (2)

w h e r e a i s t h e t o t a l s u r f a c e a r e a o f t h e i n t e r c o n n e c t e d b a r s

a n d b i s t h e s u r f a c e a r e a o f t h e s l a b s ( o n o n e s i d e ) .

U s u a l l y , i t i s n o t p o s s i b l e t o a p p l y t h e S t e r n e q u a t i o n

[5]

B

/ ~ o = R - - ~ 3 )

( s y m b o l s i n T a b l e 1 ) t o r e a l s tr u c t u r e s d u e t o t h e l a c k o f

u n i f o r m i t y i n th e d i s t r i b u t i o n o f t h e e l e c t r ic s i g n a l a p p l i e d

f r o m a c o m p a r a t i v e l y s m a l l c o u n t e r e l e c t r o d e ( C E ) . T h e

e l e c t r i c s i g n a l c a n n o t b e r e f e r r e d t o a g i v e n s u r f a c e a r e a ,

a n d o n l y a n a p p a r e n t p o l a r i z a t i o n r e s i s t a n c e ( R p ) is

o b t a i n e d , w h i c h o n o c c a s i o n s m a y d i ff e r b y s e v e r a l o r d e r s

o f m a g n i t u d e f r o m t h e t r u e o n e ( R p) f o r t h e s a m e s u r f a c e

a r e a o f w o r k i n g e l e c t ro d e ( W E ) .

P r e v i o u s p a p e r s [ 1 - 4 ] h a v e s h o w n t h a t R T c a l c u l a t e d

b y E q u a t i o n s 1 a n d 2 l ea d s t o c o r r e c t v a l u e s o f I~ or , w h e n

t h e d e n o m i n a t o r o f th e S t e r n e q u a t i o n is r e p la c e d w i t h

R T . T h e o n l y c o n d i t i o n r e q u i r e d i s th a t t h e c u r r e n t l i n es o f

t h e a p p l i e d s i g n a l r u n p a r a l l e l t o t h e r e i n f o r c e m e n t

n e t w o r k , a n d t h i s c o n d i t i o n i s f u l f i l l e d i n t h e l a r g e

Rel Rez Re Re4

~ e n

Fig. 1 M odel of equivalent circu it in transmission line for

interpret ing the response of the re info rceme nts to a smal l -

amplitude electric signal.

Rpn


2/5

M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s 3 4 7

Ta b l e I K e y t o s ym bo l s

Rp

R

t

RT

Re

R

t o r t

a/b

(a/b)ScER ~

V a l ue o f t he quo t i e n t A E / A L A E be i ng t he s t e p o f

po t e n t i a l a pp li e d t o t he w or k i ng e l e c tr ode a nd A I

the cur rent response , in the case of there be ing a

uni form dis t r ibut io n of the e lec t r ic s ignal

V a l ue o f t he quo t i e n t

A E / A I ,

i n t he e ve n t o f t he re

being a non-uni form dis t r ibut ion of the e lec t r i c

s ignal appl ied

V a l ue o f po l a r i z a t i on r e s is t a nc e pe r un i t a r e a o f

s lab sur face

V a l ue o f t he t r ue po l a r i z a t i on r e s is t a nc e pe r u n i t

a r e a o f re i n f o r c i ng ba r s u r f a c e

O hm i c r e s i s t a nc e o f t he c onc r e t e i n a d i r e c t i on

para l le l to the s lab sur face , for a sec t ion I cm in

w i d t h a nd 1 c m i n l e ng t h

O hm i c r e s is t a nce o f the c onc r e t e be t w e e n t he

r e f e r e nc e a nd w or k i ng e l e c t r ode s

C or r os i o n c u r r e n t pe r un i t a r e a o f r e i n f o r c ing ba r

s u r f a c e , e s t i m a t e d f r om t he S t e r n f o r m ul a :

Ir = B/RT

Po l a r i z a t i on r e s i s t a nc e c ons t a n t i n t he S t e r n

l b r m ul a

R a t i o be t w e e n t he t o t a l s u r f a c e a r e a o f r e i n fo r c -

i ng ba r s a nd t he s u r f a c e a r e a o f the s l a b ( on one

side)

A ppa r e n t po l a r i z a t i on r e s i s t a nc e r e f e r r e d t o t he

r e i n f o rc i ng ba r s u r f a c e unde r t he C E p r o j e c t ion ,

where SeE i s the countere lec t rode area

m a j o r i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s w i t h r e i n f o r c e -

m e n t s s i t u a t e d a t a s h a l l o w d e p t h .

A w a r e t h a t t h e a c c e p t a n c e a n d s p r e a d o f p r o c e d u r e s

f o r o n - s it e m e a s u r i n g o f c o r r o s i o n r a t e is a n e x p o n e n t i a l

f u n c t i o n o f it s s i m p l ic i t y , a n e f f o rt h a s b e e n m a d e i n th i s

r e s e a rc h t o p r o p o s e e x p e r i m e n t a l m e t h o d s t h a t a r e

s im p l if ie d t o t h e m a x i m u m . T w o p r o c e d u r e s a r e d e s c ri b e d

t o f a c il i ta t e a p p l i c a t i o n o f E q u a t i o n s 1 , 2 a n d 3 t o r e a l

s t r u c t u r e s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e . T h e r e s u l t s a r e c o n -

t r a s t e d w i t h m e a s u r e m e n t s o f R v r e a l iz e d i n i d e a l

c o n d i t i o n s , t h a t is , w h e n a u n i f o r m d i s t r i b u t i o n o f e l e c tr i c

s i g n a l s i s s e c u r e d .

2 . M A T E R I A L S A N D M E T H O D S

2 1 M aterial used

T h e s a m e c o n c r e t e s la b s, 1 3 3 c m x I 3 3 c m x 7 c m , t h a t

w e r e u s e d i n p r e v i o u s s t u d i e s [ 3 , 4 ] h a v e b e e n t e s t e d .

T h e s e s l a b s w e r e m a n u f a c t u r e d w i t h a m i x t u r e o f

c e m e n t / s a n d / w a t e r i n t h e p r o p o r t i o n o f 1 / 3/ 0. 5. A s e r ie s

o f s l ab s w a s m a n u f a c t u r e d w i t h o u t a d d i t i v es a n d a n o t h e r

w i t h th e a d d i t i o n o f 3 C a C 1 z b y c e m e n t m a s s .

E a c h s l ab c o n t a i n e d 1 3 c o r r u g a t e d s te e l r e i n f o r c e m e n t s

0 . 7 c m i n d i a m e t e r, s e p a r a t e d o n e f r o m a n o t h e r b y a

d i s t a n c e o f 9 c m ( F i g . 2). T h e s h o r t - c i r c u i t e d r e i n f o r c i n g

f r a m e w o r k m a d e u p t h e W E . S t e el di s cs w e r e u s e d a s t h e

C E w i t h d i a m e t e r s o f 4 .5 , 9 , 1 0, 3 4 a n d 4 5 c m , w i t h a

p e r f o r a t i o n o f 0 .8 c m t h r o u g h w h i c h a r e f e re n c e e l e c t ro d e

o f s a t u r a t e d c a l o m e l , R E ( F ig . 2), w a s i n t r o d u c e d .

L . 1 3 3 c r n ~ /

7 / 7 / /

r l

T T T T Y T Y r T Y Y

LW

Fi g . 2 R e i n f o r c e d c onc r e t e s l a b w i t h t he e l e c tr ode

ar rangement to apply the e lec t r i c s ignal and the idea l ized

cr i t i ca l l ength for cur rent l ines .

E v i d e n t ly , t h is a r r a n g e m e n t g i ve s r is e t o a n o n - u n i f o r m

d i s t r i b u t i o n o f t h e s i g n a l a p p l i e d t o t h e s l a b s.

T h e a t t e n u a t i o n o f p o t e n t i a l w i th d i s t a n c e w a s

d e t e r m i n e d w i t h a s e c o n d r e f e r e n c e e l e c t r o d e . T h i s

e l e c t r o d e w a s d i s p l a c e d o v e r t h e s u r f a c e o f t h e s l a b a t

d i f f er e n t d i s ta n c e s f r o m t h e C E , w h i c h w a s a l w a y s 4 .5 c m

i n d i a m e t e r . T o i m p r o v e t h e s e n si t iv i t y , 1 0 0 m V p o l a r i z -

a t i o n s w e r e a p p l ie d , i n s t e a d o f th e 1 0 m V n o r m a l l y u s e d

f o r d e t e r m i n i n g R p .

F o r c o m p a r a t i v e p u r p o s e s, s o m e o f th e m e a s u r e m e n t s

w e r e m a d e w i t h o n e o f t h e s te e l b a r s e l e c tr i c a ll y i s o l a t e d

f r o m t h e r e m a i n i n g b a r s a n d t h e h e lp o f a l o n g C E o f th e

s a m e l e n g t h a s t h e b a r ( F i g . 3). I n t h is w a y a u n i f o r m

d i s t r i b u t i o n o f t h e a p p l i e d s i g n a l w a s a c h i e v e d .

2 2 Graph ical determination of the critical length

T h e s i g n a l a p p l i e d f r o m a s m a l l C E s u f fe r s a p r o g r e s s i v e

w e a k e n i n g w i t h d i s t an c e f r o m t h e C E . F r o m o b s e r v i n g

t h e c i r c u i t i n F i g . 1 , i t i s e a s y t o d e d u c e t h a t t h e l a t e r a l

s p r e a d i n g o f t h e e l e ct r ic a l s i g n a l i n c r e a s e s a s t h e

r e s i s t a n c e o f t h e m e d i u m d e c r e a s e s ( i.e . s m a l l e r v a l u e s o f

t h e R e e l e m e n t s ) a n d t h e c o r r o s i o n r e s i s ta n c e o f t h e

r e i n f o r c e m e n t i n c r e a s e s (i.e . h i g h e r v a l u e s o f t h e R p

e l e m e n t s ) . I n p r a c t i c e , i t i s u s e f u l t o a s s u m e t h a t t h e

e l e c tr i c s i g n a l e x t e n d s n o f u r t h e r t h a n s o m e c r it i c a l le n g t h

( Lr o n t h e s u r f a c e o f t h e W E ( F i g. 2).

E q u a t i o n 1 t a k e s i n t o a c c o u n t t h e la c k o f u n i f o r m i t y i n

t h e d i st r i b u t io n o f th e c u r r e n t l in e s t h r o u g h t h e p a r a m e t e r

c~. I n t h e c a s e o f t w o - d i m e n s i o n a l s t r u c t u r e s , c~ m a y b e

d e t e r m i n e d i n te r m s o f th e r a t io R p /R e ( F ig . 4 ) [ 3 ] , o r f r o m

RE

CE

Fi g . 3 W a y o f ob t a i n i ng a un i f o r m d i s t r i bu t i on o f the

e lec t r i c s ignal on one i sola ted s tee l rod in the concre te .


3/5

1 . 0

L o= 3, O c rn ~ ' ~ L o : 0 .6 r

0 . I 0

0 . 0 1 0

3 48 G o n z a l e z , F e li u , A n d r a d e a n d R o d r i g u e z

_ _ __ 0 .0 0 3 , . . . . . . i , , , , , , , , ,

U ~ - :

R ' p I R e

Fig. 4 Values o f ~ in terms of the ra t io

R ~/R~

for CE radii

of 0.6, 1.5, 2.25 and 3.0cm.

t h e a t t e n u a t i o n o f t h e p o t e n t ia l w i t h d i s ta n c e , b y m e a n s o f

t h e e x p r e s s i o n

4

w h e r e

u (x l )

a n d

u(xz)

a r e t h e v a r i a t i o n s e x p e r i e n c e d i n t h e

W E p o t e n t i a l a t d is t a n ce s x l a n d x z f r o m t h e C E w h e n a

s t ep vo l t age i s app l i ed to i t .

T h e v a l u e o f R ~ , w h i c h is a lso n e c e s sa r y f o r a p p l i c a t i o n

o f E q u a t i o n 1, m a y b e o b t a i n e d b y d i f f er e n t p r o c e d u r e s ,

f o r e x a m p l e , f r o m t h e e x p r e s s i o n

p 2 R D

Re = h = h (5)

i n w h i c h R r e p r e se n t s t h e o h m i c r e s i s t a n c e ( i n s t r u m e n t -

a l l y c o m p e n s a t e d b y t h e p o t e n t i o s t a t ) b e t w e e n t h e

w o r k i n g a n d t h e r e f e re n c e e l e c tr o d e s , D t h e d i a m e t e r o f

t h e C E , p t h e r e s i s t i v i ty o f th e c o n c r e t e a n d h t h e t h i c k n e s s

o f t h e c o n c r e t e s l a b ( i.e . t h e t h i c k n e s s o f t h e e l e c t r o l y t i c

c o n d u c t o r ) .

E q u a t i o n 4 s u p p o s e s t h e a c c e p t a n c e o f c e r t a in s i m p l if -

i c a ti o n s w h i c h d o n o t a f fe c t c a l c u l a t io n a c c u r a c y w h e n t h e

v a l u e s o f L c a r e s m a l l o r m o d e r a t e . H o w e v e r , t h e a c c u r a c y

i s p r o g r e s s i v e l y i m p a i r e d a s L ~ i n c r e a se s , su c h a s i n t h e

c a s e o f d a m p p a s s iv e c o n c r e t e s t r u c tu r e s , f o r w h i c h v a l u e s

o f ~ c l os e t o z e r o m a y b e o b t a i n e d . I n s u c h c o n d i t i o n s

E q u a t i o n 4 l ea d s t o v a l u e s o f ~ w h i c h a r e e r r o n e o u s b y

d e f a u l t , a n d E q u a t i o n 1 l e a d s t o v a l u e s o f R t w h i c h a r e

excess ive ly h igh .

T h e a b o v e - m e n t i o n e d p r o b l e m s i n ~ d e t e r m i n a t i o n

c o u l d b e a v o i d e d i f L ~ w a s e x p e r i m e n t a l l y a c c es s i b le . O n

t h e b a si s o f m a t h e m a t i c a l t r e a t m e n t s [ 1 - 4 ] u s e d i n

d e v e l o p i n g E q u a t i o n 1 , i t c a n b e s h o w n t h a t

L~ = 2(Rt/R e) 1/z

(6)

T h i s a p p r o x i m a t e e x p r e s s i o n is p a r t i c u l a r l y u se f u l s i n ce it

r e l a t e s R t ( and , t h e re fo re , RT) to Lr

Rt = 0 .25R~L2 (7)

\

c

/ ~ c > ' . , / I ~ / , ' l ~ " / / / /

/ - ' ~ ~ ' " J I / / / /

W

Fig. 5 Th e area affected by the lateral spreading of the

electric signal (defined by L~) diminishes as the C E size

increases.

I t w il l b e s e e n b e l o w t h a t t h e p l o t t i n g o f th e v a r i a t i o n s i n

p o t e n t i a l v e r su s t h e d i s t a n c e t o t h e C E f u r n i sh e s a n e a sy

p r o c e d u r e t o d e t e r m i n e L ~ .

2 3 U s e o f c o u n t e r e l e c t r o d e s o f d i ff e re n t si z e s

I n r e a l s t r u c t u r e s i t i s n o t v i a b l e t o u se c o u n t e r e l e c t r o d e s

o f t h e s a m e s iz e a n d g e o m e t r y a s t h e W E t o f o r c e a

u n i f o r m d i s t r i b u t io n o f t h e l in e s o f c u r r e n t . H o w e v e r ,

t h e r e i s t h e p o s s i b i l i ty o f u s i n g sm a l l e r , m o r e c o n v e n i e n t

c o u n t e r e l e c t r o d e s , f r o m w h i c h t h e e l e c t r i c s i g n a l i s

d i s p e rs e d t o w a r d s t h e W E .

O n e m i g h t s u p p o s e t h a t t h e W E s u r f a c e a f f ec t e d b y t h e

e l e c t ri c s i g n a l i s t h a t d e t e r m i n e d b y t h e p r o j e c t i o n o f th e

C E u p o n t h e W E . B u t t h is is o n l y a r o u g h a p p r o x i m a t i o n ,

s i n ce t h e a r e a d i r ec t l y s i t u a t e d u n d e r t h e C E s h o u l d b e

s u p p l e m e n t e d w i t h t h e W E a r e a a f f e ct e d b y t h e l a t e ra l

sp r e a d i n g o f t h e e l e ct r i c s i g n a l , w h i c h d e p e n d s o n t h e

p a r a m e t e r L ~ . A s t h e m a g n i t u d e o f L ~ i n e v e r y

m e t a l - m e d i u m s y s te m d e p e n d s o n t h e v a l ue s o f

R t

o f t h e

m e t a l a n d R e o f t h e m e d i u m ( E q u a t i o n 6 ), a n d n o t o n t h e

s iz e o f t h e C E , t h e e r r o r r e s u l t in g f r o m t h a t a s s u m p t i o n

d i m i n i sh e s a s t h e s i z e o f t h e C E i n c r e a se s ( F i g . 5) . B y

r e p e a t i n g t h e m e a s u r e m e n t s o f p o l a r i z a t i o n r e s i s ta n c e

w i t h c o u n t e r e l e c t r o d e s o f i n c r e a s i n g s iz e , t h e R ' p v a l u e s

( r e f er r e d to t h e u n i t o f W E s u r f ac e ) a p p r o a c h t h e R T

v a l u e , a n d p e r m i t i t t o b e d e d u c e d .

T h e r e s u l t s o b t a i n e d w i t h t h i s t e c h n i q u e w i l l b e

c o m p a r e d w i t h t h o s e o b t a i n e d i n t h e i d e a l c o n d i t i o n o f

u n i f o r m c u r r e n t d i s t r i b u t i o n ( F i g . 3 ) .

3. R E S U L T S A N D D I S C U S S I O N

F i g . 6 sh o w s t h e t y p i c a l v a r i a t i o n i n p o t e n t i a l a s a

f u n c t i o n o f th e d i s ta n c e f r o m t h e C E f o r s l a b s m a n u -

f a c t u r e d w i t h a n d w i t h o u t t h e a d d i t i o n o f 3 % C a C 1 2. L c i s

t a k e n a s t h e d i s t a n c e a t w h i c h t h e s i g n a l i s r e d u c e d t o a

h u n d r e d t h p a r t ( a t l ar g e d is t a n c es , t h e r e s p o n s e o f t h e

s y s t e m is u n i m p o r t a n t ) . T h u s , t h e v a l u e o f L c i s f o u n d t o

b e 1 0 - 1 5 c m i n th e c a s e o f a c t i v e r e i n f o r c e m e n t , a n d

4 0 - 5 0 c m i n th e c a s e o f p a s s i v e r e i n f o r c e m e n t .

T h e r e s i s t a n c e b e t w e e n t h e W E a n d t h e R E , w h i c h i s

c o m p e n s a t e d b y t h e p o t e n t i o s t a t , l e ad s t o t h e v a l u e o f Ro

b y a p p l i c a t io n o f E q u a t i o n 5 . T h i s v a l u e, t o g e t h e r w i t h


4/5

M a t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s 3 49

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