Wyznaczanie współczynników dyfuzji chlorków w materiałach cementowych – Przegląd metod eksperymentalnych i modelowania: Część III – Metody impedancyjne

Szyszkiewicz, K.; Jasielec, J. J.; Królikowska, A.; Filipek, R.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Wyznaczanie współczynników dyfuzji chlorków w materiałach cementowych – Przegląd metod eksperymentalnych i modelowania: Część III – Metody impedancyjne

Autorzy

Szyszkiewicz K. , Jasielec J. J. , Królikowska A. , Filipek R.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://www.cementwapnobeton.pl/

Identyfikatory

Warianty tytułu

Determination of chloride diffusion coefficient in cement-based materials – A review of experimental and modeling methods: Part III – EIS based methods

Języki publikacji

PL EN

Abstrakty

Korozja stalowych elementów zbrojenia stanowi poważny problem dla trwałości i bezpieczeństwa konstrukcji żelbetowych. Jednym z najbardziej agresywnych chemicznych składników powodujących korozję zbrojenia są jony chlorkowe działające poprzez ogólny mechanizm depasywacji powierzchni zbrojenia. Jony chlorkowe dyfundują w roztworze w porach betonu docierając do zbrojenia, dlatego znajomość współczynnika dyfuzji chlorków w betonie jest niezwykle ważna. Ten artykuł jest ostatnim z serii trzech prac, których celem jest przegląd metod doświadczalnych i modeli teoretycznych stosowanych do wyznaczania współczynników dyfuzji chlorków w materiałach cementowych. W tej części omówione zostały metody oparte na pomiarach elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej. Jest to stosunkowo nowa metoda wyznaczania współczynników dyfuzji chlorków, która pozwala wyznaczać współczynniki dyfuzji w czasie rzeczywistym, a zatem mierzyć ich zmienność w czasie. Wykonanie pomiaru impedancyjnego w pełnym zakresie częstotliwości pozwala nie tylko wyznaczyć współczynnik dyfuzji, ale także parametry charakteryzujące mikrostrukturę materiału cementowego.

The corrosion of steel reinforcement (rebars) in concrete structures is a severe durability and safety problem. One of the most aggressive chemical species which induces such corrosion is the chloride ion via the general mechanism of depassivation of the rebar surface. Chloride ions can diffuse through the solution of pore system in concrete to reach the rebar, thus the assessment of the diffusion coefficient of chloride in concrete is of paramount importance. This paper is the last part of a series of three papers which are meant to provide an overview of experimental methods and theoretical models which are used to predict a concrete materials resistivity to chloride ingress. Part 3 deals with methods based on electrochemical impedance spectroscopy. It is relatively new method which allows to determine the diffusion coefficient in realtime, and in consequence to quantify its variation over time. If the impedance experiment is carried out in full frequency range it will produce not only the diffusion coefficient but also the microstructure parameters of cementitious materials.

Słowa kluczowe

matryca cementowa materiał na bazie cementu dyfuzja chlorków współczynnik dyfuzji metoda oznaczania metoda eksperymentalna modelowanie

cement matrix cement based material chloride diffusion diffusion coefficient determination method experimental method modelling

Wydawca

Fundacja Cement, Wapno, Beton

Czasopismo

Cement Wapno Beton

Rocznik

2017

Tom

R. 22/84, nr 3

Strony

219--229

Opis fizyczny

Bibliogr. 34 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Szyszkiewicz K.

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

autor

Jasielec J. J.

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

autor

Królikowska A.

Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Warszawa

autor

Filipek R.

rof@agh.edu.pl

Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków

Bibliografia

1. D.D. Macdonald, Reflections on the history of electrochemical impedance spectroscopy, Electrochimica Acta 51 (2006), 1376–1388.
2. A. Quarteroni, R. Sacco, F. Saleri, Numerical Mathematics, Springer [Texts in Applied Mathematics 37], (2000).
3. A.J. Bard, A.F. Faulkner, Electrochemical Methods − Fundamentals and Applications, 2nd edition, Wiley, 2001.
4. M. Cabeza, P. Merino, A. Mirind, X.R. Nóvoa, I. Sánchez, Impedance spectroscopy study of hardened Portland cement pastes, Cement Concrete Res. 32 (2002) 881–891.
5. W.J. McCarter, R. Brousseau, The A.C. response of hardened cement paste, Cement Concrete Res. 20 (1990) 891–900.
6. Ping Gu, Ping Xie, J.J. Beaudoin, R. Brousseau, A.C. impedance spectroscopy (I) : A new equivalent circuit model for hydrated Portland cement paste, Cement Concrete Res. 22 (1992) 833–840.
7. P. Xie, P. Gu, Z. Xu, J.J. Beaudoin, A rationalized a.c. impedance model for micro-structural characterization of hydrating cement systems, Cement Concrete Res. 23 (1993) 359–367.
8. V.S. Ramachandran, J.J. Beaudoin, Study of early hydration of high alumina cement containing phosphoric acid by impedance spectroscopy, J. Mater. Sci. Lett. 14 (1995) 503–505.
9. Z. Liu, J.J. Beaudoin, An assessment of the relative permeability of cement systems using AC impedance techniques, Cement Concrete Res. 29 (1999) 1085–1090.
10. W.J. McCarter, S. Garvin, N. Bouzid, Impedance measurements on cement paste, J. Mater. Sci. Lett. 7 (1988), 1056−1057.
11. C.A. Scuderi, T.O. Mason, H.M. Jennings, Impedance spectra of hydrating cement pastes, J. Mater. Sci. 26 (1991), 349−353.
12. M. Shi, Z. Chen, J. Sun, Determination of chloride diffusivity in concrete by AC impedance spectroscopy, Cement and Concrete Research 29 (1999) 1111–1115. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008884699000794
13. R. Vedalakshmi, V. Saraswathy, Ha-Won Song, N. Palaniswamy, Determination of diffusion coefficient of chloride in concrete using Warburg diffusion coefficient, Corr. Sci. 51 (2009), 1299–1307.
14. B. Díaz, X. R. Nóvoa, M. C. Pérez, Study of the chloride diffusion in mortar: A new method of determining diffusion coefficients based on impedance measurements, Cement and Concrete Composites 28 (2006) 237–245. URL http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958946506000163
15. M. Cabeza, M. Keddam, X.R. Nóvoa, I. Sánchez, H. Takenouti, Impedance spectroscopy to characterize the pore structure during the hardening process of portland cement paste, Electrochim Acta 51 (2006), 1831–41.
16. G. Song, Equivalent circuit model for AC electrochemical impedance spectroscopy of concrete, Cem. Concr. Res. 30 (2000), 1723−1730.
17. C.C. Yang, L.C. Wang, Materials Chemistry and Physics 85 (2004) 266
18. K. Krabbenhøft, J. Krabbenhøft, Application of the Poisson–Nernst–Planck equations to the migration test, Cem.Concr.Res., 38 (2008) 77–88.
19. S. Goto, D.M. Roy, Diffusion of ions through hardened cement pastes, Cement and Concrete Research 11 (1981) 751–757.
20. S.W. Yu, C.L. Page, Diffusion in cementitious materials: 1. Comparative study of chloride and oxygen diffusion in hydrated cement pastes, Cement and Concrete Research 21 (1991) 581–588.
21. V.T. Ngala, C.L. Page, L.J. Parrott, S.W. Yu, Diffusion in cementitious materials: II. Further investigations of chloride and oxygen diffusion in wellcured OPC and OPC/30%PFA pastes, Cement and Concrete Research 25 (1995) 819–826.
22. L. Tang, Concentration dependence of diffusion and migration of chloride ions Part 1. Theoretical considerations, Cem. Concr. Res. 29, (1999), 1463-1468.
23. T. Zhang, O.E. Gjørv, Cem. Concr. Res. 24 (1994) 1534-1548.
24. J. Arnold, D.S. Kosson, A. Garrabrants, J.C.L. Meeussen, H.A. van der Sloot, Solution of the nonlinear Poisson–Boltzmann equation: Application to ionic diffusion in cementitious materials, Cem. Concr. Res. 44 (2013), 8−17.
25. A. Atkinson, A.K. Nickerson, The diffusion of ions through watersaturated cement, J. Mater. Sci. 19 (1984), 3068−3078.
26. L. Shen, Z. Chen, Critical review of the impact of tortuosity on diffusion, Chem. Eng. Sci. 62 (2007), 3748−3755.
27. M. Castellote, C. Andrade, C. Alonso, Measurement of the steady and non-steady-state chloride diffusion coefficients in a migration test by means of monitoring the conductivity in the anolyte chamber. Comparison with natural diffusion tests, Cem. Concr. Res., 31 (2001), 1411–1420.
28. R.A. Patel, Q.T. Phung, S.C. Seetharam, J. Perko, D. Jacques, N. Maes, G. De Schutter, G. Ye, K. Van Breugel, Diffusivity of saturated ordinary Portland cement-based materials: A critical review of experimental and analytical modelling approaches, Cem. Concr. Res. 90 (2016), 52−72.
29. P. Spiesz, H.J.H. Brouwers, The apparent and effective chloride migration coefficients obtained in migration tests, Cem. Concr. Res. 48 (2013), 116–127.
30. P. Spiesz, M.M. Ballari, H.J.H. Brouwers, RCM: A new model accounting for the non-linear binding isotherm and the non-equilibrium conditions between the free- and bound-chloride concentrations, Constr. Build. Mater. 27 (2012), 293–304.
31. K. Szyszkiewicz, J. J. Jasielec, A. Królikowska, R. Filipek, Determination of Chloride Diffusion Coefficient in Cement-Based Materials – A Review of Experimental and Modeling Methods: Part I – Diffusion Methods, Cement-Wapno-Beton, 1 (2017) 52-67.
32. D. Franceschetti, J. Ross Macdonald, Electrode kinetics, equivalent circuits, and system characterization: small-signal conditions, J. Electroanal. Chem., 82 (1977) 271-301.
33. G. Song, Equivalent circuit model for AC electrochemical impedance spectroscopy of concrete, Cem. Concr. Res., 30 (2000), 1723-1730.
34. Andrzej Lasia, Electrochemical Impedance Spectroscopy and its Applications, Springer 2014.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-db4457b9-96e3-4049-b5a5-3a6a472c0c69