THE EFFECTS OF COMPOSITION AND HEAT TREATMENT ON THE PASSIVATION OF STEEL REBAR IN CONCRETE SIMULATED ENVIRONMENT. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) G201406080_Muhammad_Faizan_Master_Thesis_Signatured_.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 30 September 2021. Download (8MB)

Arabic Abstract

مقاومة التآكل لحديدالصلب المسلح في الخرسانة تعتمد على قابلية الصلب لتكوين طبقة من الأكسيدات العازلة على السطح(passive films) وعلى استقرار الطبقة في وجود الكلوريدات والغازات الحمضية. تبحث هذه الدراسة عن تأثير درجة حرارة معالجة الصلب ومحتوى النحاس على مقاومة التآكل لنوعين من الصلب التجاري خلال تعريضهم لمحلول الخرسانة القلوي. تم استخدام اختبار الطيف الكهروكيميائي (EIS) ومقاومة الاستقطاب الخطي (LPR) واختبارات الاستقطاب الديناميكي (PDP) لفحص خصائص التآكل لحديد التسليح M-1 (بدون نحاس) وحديد التسليح M-2 (0.2٪ نحاس) بعد المعالجة الحرارية في درجات حرارة مختلفة: 200 ،300 ،400 ،500 ،و600 درجة مئوية. تم استخدام محاليل قلوية مع إضافة الكلورايد لدراسة تأثير أيونات الكلوريد على مقاومة التآكل للصلب في الخرسانة. تم دراسة التركيب الكيميائي لطبقة الأكسدة باستخدام الأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS). أشارت النتائج المعملية LPR ، EIS ، و PDP إلى أن التبريد والتسخين (Q&T) لصلب M-1 و M-2 عند 400 درجة مئوية أنتجت أعلى مقاومة للتآكل في البيئة القلوية المحاكية لمسام الخرسانة (الرقم الهيدروجيني 13.5) مع وبدون الكلوريدات. نتائج LPR وEIS لكلا النوعين من الصلب دلت على أن مقاومة الاستقطاب لصلب M-2 أعلى من صلب M-1 في المحاليل القلوية مع وبدون الكلوريد ، بينما المعالجة عند 300 درجة مئوية درجة مئوية لكلا النوعين من الصلب أظهرت أقل مقاومة للتآكل. أظهر حديد التسليح M-1 أدنى وأعلى كثافة للتيارالطبقي (passive current density) في عينات Q&T عند 400 درجة مئوية و 300 درجة مئوية على التوالي. وكان كثافة التيارالطبقي لعينات M-2 Q&T عند 400 درجة مئوية أقل من Q&T عند 300 درجة مئوية. كان التركيب المجهري عند 400 درجة مئوية يتألف من الفرايت و المارتنزيت المخفف. أقترحت الدراسة أن تأثير درجة الحرارة على سلوك التآكل للصلب M-1 و M-2 ربما يعود إلى التركيبة الكيمائية للطبقة الحامية. طيف XPS لحديد التسليح M-1 المعالج عند 400 درجة مئوية كان متسقا مع تشكيل طبقة مزدوجة تتألف أساسا من المغناطيسيت (Fe3O4) ووستيت (FeO) كطبقة داخلية مختلطة وطبقة خارجية تتألف أساسا من الهيماتيت (γ -Fe2O3). طيف XPS لحديد التسليح M-1 في 300 درجة مئوية أشار الى وجود غثيت (FeOOH-α) في الطبقة الخارجية. من المحتمل أن تكون (FeOOH-α) في الطبقة الخارجية هي المسؤولة عن هبوط مقاومة التآكل بسبب طبيعة هذا الأكسيد المعيبة. تقترح النتائج أن زيادة نسبة (FeOOH-α) إلى (γ-Fe2O3) في الطبقة الخارجية من الطبقة الواقية الخارجية ربما تقلل مقاومة التآكل للصلب المسلح في المحيط القلوي لمسام الخرسانة.

English Abstract

Corrosion resistance of steel rebars in concrete is strongly dependent on its ability to passivate and the stability of the passive film in the presence of chlorides and acidizing gases. This study investigates the effect of tempering temperature and copper content on the corrosion resistance of two commercial rebars exposed to concrete simulated alkaline solution. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), linear polarization resistance (LPR) and potentiodynamic polarization (PDP) tests were employed to examine the corrosion properties of M-1 rebar (no copper) and M-2 rebar (0.2% Cu) samples heat treated in the as quenched condition and at various tempering temperatures: 200°C, 300°C, 400°C, 500°C, and 600°C. Two alkaline solutions with Cl-/OH- ratios of 0 and 1 were used to examine the effect of introducing chloride ions in the pore solution. The chemistry of the oxide film was characterized by x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). LPR, EIS, and PDP results indicated that quenching and tempering (Q&T) of M-1 and M-2 rebars at 4000C produced microstructures with highest corrosion resistance in simulated concrete pore environments (pH 13.5) with and without chlorides. LPR and EIS results of both grades consistently revealed that the polarization resistance of M-2 was higher than M-1 in alkaline solutions with and without chloride. Q&T M-1 and M-2 rebars at 300°C showed the lowest corrosion resistance. M-1 rebar showed the lowest and highest passive current densities for samples Q&T at 400°C and 300°C, respectively. The passive current density of M-2 sample Q&T at 400°C was lower than that Q&T at 300°C. The effect of chloride on the PDP curves was characterized for both steels. The microstructures at 400°C for both steels comprised of tempered martensite and ferrite. The effects of tempering temperature and copper content on the corrosion behavior of M-1 and M-2 rebars were related to the passive film composition and the underlying microstructure. XPS spectrum of rebar M-1 Q&T at 400°C was consistent with the formation of a double layer film structure comprised mainly of magnetite (Fe3O4) and Wüstite (FeO) as a mixed inner layer and an outer layer primarily composed of hematite (γ-Fe2O3). XPS spectrum for M-1 Q&T at 300°C indicated the presence of goethite (α-FeOOH) in the outer layer. It is argued that the formation of (α-FeOOH) in the outer layer might be responsible for the lower corrosion resistance owing to its defective nature. It is proposed that higher ratio of (α-FeOOH) to (γ-Fe2O3) in the outer layer could compromise the protective nature of the outer layer and lower rebar corrosion resistance.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering Research > Corrosion Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Mattoug Gasem, Zuhair
Committee Members:	Khan, Zafarullah and Mohammed, Maslehuddin
Depositing User:	MUHAMMAD FAIZAN (g201406080)
Date Deposited:	19 Dec 2017 07:05
Last Modified:	29 Jul 2021 07:12
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140536