Korrosjon av stålarmering i betong

Transkript

1 Korrosjon av stålarmering i betong Crash-kurs i korrosjon - Korrosjon for dummies Roar Myrdal Teknisk Direktør Normet Construction Chemicals (hovedstilling) Professor II NTNU (bistilling) SVV Teknologidagene 2012 Trondheim, normet.com 1

2 Et globalt kjempeproblem! 2

3 Hva er korrosjon? Ordet kommer fra latin: Corrodere = gnage i stykker Definisjon av begrepet korrosjon: Angrep eller tæring på et materiale forårsaket av kjemiske og/eller fysiske reaksjoner mellom materialet og stoffer i omgivelsene, slik at materialet brytes ned Korrosjons av stål ser vi overalt 3

4 Hva er stål? Metall bestående hovedsakelig av jern To hovedklasser: Vanlig stål, ofte kalt karbonstål Jern og litt karbon (ca 2% eller lavere) Rustfrie og syrefaste stål Jern og legeringselementer som krom, nikkel og andre Tusen typer! Når stål korroderer sier vi at stålet ruster Fra det urgermanske ordet ruda (rød/rødbrun) 4

5 Vanlig karbonstål ruster lett! 5

6 Hva med armeringsstål? Hmm, kan dette gå bra? 6

7 Nei, det går ikke alltid bra 7

8 Noen ganger kan det føre til kollaps! 8

9 De gamle romere visste hva det kom av! Plinius den eldre (23 79 e.kr) Rusting av jern er en straff fra gudene fordi dette metallet tillater seg selv å bli brukt til å lage sverd og til andre krigsformål Vi vet bedre: Naturen gjør alt hva den kan for å bringe foredlet jern (stål) tilbake til sin naturlige tilstand, nemlig rust 9

10 Edle og uedle metaller Noen metaller er edle, finnes i ren form i naturen Andre er uedle, kunstig framstilt av stoffer vi finner i jordskorpa, for eksempel jernmalm 10

11 Stål (jern) er et uedelt metall Energi Stål/ jern Foredling Nedbrytning Jernmalm Rust Naturen vil hele tiden forsøke å bringe stålet tilbake til sin stabile tilstand. Drivkreftene er oksygen og vann. 11

12 Fra stål (jern) til rust Kunstig /ustabil tilstand: Jern Fe (Ferrum) Kjemiske drivkrefter: Oxygen O 2 Vann H 2 O + Naturlig / stabil tilstand: Jernoksider/ Fe(OH) 2 hydroksider Fe(OH) 3 Fe 3 O 4 Fe 2 O 3 Fe 2 O 3 3H 2 O 12

13 Oksygen og vann er viktig! Forutsetningen for at stål kan korrodere (når vi ser bort fra oppløsning i syre) er at stålet er i kontakt med - vann (væskeform, ikke vanndamp) - som inneholder oppløst oksygen 13

14 Litt elektrokjemi Korrosjonsreaksjonen kalles elektrokjemisk fordi elektroner blir overført på grenseflaten mellom stålet og det oksygenholdige vannet som omgir stålet. Oksygenholdig vann e - Grenseflate (ståloverflate) Stål Elektronoverføring Elektroner er ørsmå negative ladninger Stålet gir fra seg elektroner Oksygen mottar disse elektronene 14

15 Litt mer elektrokjemi Korrosjonsreaksjonen kan deles inn i to delreaksjoner som forløper samtidig, men ikke nødvendigvis på eksakt samme sted Anodereaksjon: Anode: Delreaksjon der elektroner frigis, oksidasjon Den delen av ståloverflaten hvor oksidasjonen skjer Stål gir fra seg elektroner = anodereaksjon Katodereaksjon: Katode: Delreaksjon der elektroner mottas, reduksjon Den delen av ståloverflaten hvor reduksjonen skjer Oksygen mottar elektroner = katodereaksjon 15

16 Anode- og katodereaksjonene Anodreaksjon Metallisk jern Oppløst jern (ioner) + Elektroner Fe stål Fe 2 2 e Katodereaksjon Oksygen + Vann + Elektroner Hydroksid-ioner ½ O 2 H 2 O 2 e 2 OH Total korrosjonsreaksjon Fe stål + ½ O 2 + H 2 O Fe OH Fe(OH) 2 Metall Oppløst i vannet Oppløst i vannet Fast stoff (utfelling) Korrosjonsprodukt 16

17 Det ser omtrent slik ut (skjematisk) (Figur hentet fra SINTEF Byggforskserien, Byggdetaljblad Armeringskorrosjon, 2009) Starter umiddelbart etter at stål kommer i kontakt med vann Men dersom vannet er alkalisk (høy ph) skjer det noe rart! Betong har høy ph (ca 13,5) 17

18 Høy ph gir passivt stål som nesten ikke ruster! Korrosjonsreaksjonen danner et beskyttende belegg (passivfilm) Veldig tynt Usynlig Tett og ugjennomtrengelig Vann med høy ph og oksygen H 2 O OH O 2 Passivfilm Fe(OH) 2 Fe(OH) 3 -Fe 2 O 3 Stål Fe Passivfilmen Fysisk barriere mot omgivelsene Beskytter stålet. Stålet er passivert En ørliten korrosjon pågår kontinuerlig og holder passivfilmen intakt 18

19 Depassivering og aktiv korrosjon Definisjon: Den beskyttende jernoksidfilmen brytes ned og korrosjonshastigheten kan øke med mange størrelsesordner (aktiv korrosjon) Det er to hovedårsaker til depassivering av stål i betong: Forsuring av vannet i betongen (porevannet) - Karbonatisering (CO 2 trenger inn i betongen og senker ph til 8-9) - Korrosjonsangrep jevnt fordelt over store deler av ståloverflaten Tilstedværelse av aggressive oppløste ioner i porevannet - Klorid (Cl fra salter, særlig natriumklorid, NaCl) - Lokale korrosjonsangrep ( pitting-korrosjon ) 19

20 Hvordan kan CO 2 forsure betong? Luft inneholder ca % CO 2 Luft (og dermed CO 2 ) kan trenge inn i betongen og reagere med alkalisk porevann: CO OH CO H 2 O Karbonat Det finnes ogå oppløste kalsiumioner (Ca 2+ ) i porevannet Disse regarerer med karbonat og danner kalsiumkarbonat, derav navnet karbonatisering Ca 2+ + CO 3 2 CaCO 3 (fast stoff) ph faller fra ca 13,5 til 8-9, og passivfilmen brytes ned! 20

21 Karbonatisering foregår langsomt X k t 1/2 X = karbonatiseringsfront k = konstant t = eksponeringstid (Figur hentet fra SINTEF Byggforskserien, Byggdetaljblad Armeringskorrosjon, 2009) 21

22 Klorid og pitting-korrosjon Pit (engelsk) = grop Pitting-korrosjon = groptæring Kloridioner = the real bad guys De klarer å: Punktere den tette passivfilmen (selv om ph er høy) Grave ut djupe høl i stålet 22

23 2 kloridkilder (før var det 3) Tilsetningsstoffer og andre delmaterialer til betong 23

24 Kloridioner punkterer passivfilmen Fe(OH)(OH) (Figur hentet fra SINTEF Byggforskserien, Byggdetaljblad Armeringskorrosjon, 2009) 24

25 Kampen mellom det onde og det gode Bad guy Cl Good guy OH Angrep: Fe + Cl Aktive korrosjon Reparasjon: Fe + OH Passivering Høyt Cl /OH forhold: PITTING-KORROSJON Lavt Cl /OH forhold: FILMREPARASJON 25

26 Kloridioner kan grave djupe høl (Figur hentet fra SINTEF Byggforskserien, Byggdetaljblad Armeringskorrosjon, 2009) 26

27 Kan se slik ut etter langvarig angrep Hadsel bru, Vesterålen, juni

28 Kritisk kloridkonsentrasjon? Nei, men veiledende grenser Kloridinnhold (% av sementvekt) 0,4 Korrosjonsrisiko Minimal 0,4 1,0 Mulig 1,0 2,0 Sannsynlig 2,0 Sikker 28

29 Stålet er én ting, hva med betongen? Korrosjonsproduktene har større volum enn metallet Vil derfor øve press på den omsluttende betongen 29

30 Hva bestemmer nedbrytningshastigheten? Hastighet = f ( T, F O2, RF, C Cl, ph,, F galv, F oksid, ) T F O2 RF C Cl ph F galv F oksid Temperatur Tilførsel av oksygen til katodeområdet på ståloverflaten Relativ fuktighet i betongporene, eller graden av vannmetning av porene Konsentrasjon av oppløste kloridioner i porevannet inntil armeringen Alkalinitet, eller konsentrasjonen av OH -ioner i porevannet inntil armeringen Elektrisk motstand i betongen (hvor lett betongen leder elektrisk strøm) Galvaniske effekter mellom anode- katodeområder på ståloverflaten Oksidlaget (rust) på ståloverflaten 30

31 Hvordan begrense/stoppe nedbrytningen? Fjerne klorid eller kloridinfisert betong Fjerne karbonatisert betong eller realkalisere betongen Stoppe inntrengning av klorid og CO 2 Gjøre stålet motstandsdyktig mot lav ph and klorid Begrense transporten av oksygen (luft) gjennom betongoverdekningen Gjøre betongen knusk tørr Øke den elektriske motstanden i betongen Erstatte stålet med armering som ikke korroderer 31