Alkalireaksjoner Konstruktive konsekvenser og tiltak

Transkript

1 Vassdragsteknisk forum Region Midt Alkalireaksjoner Konstruktive konsekvenser og tiltak Hans Stemland SINTEF Byggforsk Byggematerialer og konstruksjoner Byggforsk 1

2 Hva er alkalireaksjoner? En kjemisk - fysisk prosess, hvor visse kvartsholdige bergarter (alkalireaktive bergarter) reagerer med tilgjengelige alkali-ioner (Na +, K + ) og hydroksid-ioner (OH - ) i betongens sementpasta når betongen er tilstrekkelig fuktig Reaksjonsprodukt (en alkaligel) sveller ved vannopptak volumøkning opprissing (når strekkfastheten overskrides) Byggforsk 2

3 Betingelser for at alkalireaksjon kan utvikle seg Alkalireaktivt tilslag Nødvendige parametre Alkalier Vann Byggforsk 3

4 Hva gjør en bergart alkalireaktiv? Det er kun mineralet kvarts som kan gi problemer De fleste norske bergartene inneholder kvarts, men hvordan denne opptrer er avgjørende En bergart kan bli reaktiv ved innhold av Finkornet kvarts (< 130 μm) Deformert kvarts Byggforsk 4

5 Utbredelse av alkalireaktive bergarter i Sør-Norge Byggforsk 5

6 Alkalier Sementen er hovedkilden til alkalier i betongen Norske sementer har siden 50-tallet og frem til midt på 90-tall vært høyalkaliske Definisjon lavalkalisement: Norge : 1995, nye sementer: < 0,6 % alkalier Na 2 O-ekv. > 1 % alkalier Na 2 O-ekv. 0,55-1 alkalier % Na 2 O-ekv. Siden starten på 90-tallet har 3,0 kg/m 3 Na 2 O-ekv. alkalier vært akseptert som en kritisk grenseverdi Byggforsk 6

7 Hva kreves av fuktighet i betongen? Byggforsk 7

8 Analysis of plane polished section Byggforsk 8

9 Thin section analysis Florescence lighting Size: 4.2x2.7 mm Cement paste Aggregate particle Crack formed by ASR Byggforsk

10 Kort om norske erfaringer Snart 20-års erfaring i Norge Før ca 1990 var alkalireaksjoner et ikke-problem i Norge Noen kritiske røster på slutten av 70-tallet ble ikke trodd Norske bergarter er relativt langsomt reagerende Første indikasjoner på krakeleringsriss etter år Kun et fåtall konstruksjoner er revet i Norge pga alkalireaksjoner Byggforsk 10

11 Hunderfossen Byggforsk 11

12 Hunderfossen dam Byggforsk 12

13 Riss i gangbanen Byggforsk 13

14 Skyggen av rekkverket Byggforsk 14

15 Two main concrete dams Arch dam (Votna 1) Slab concrete dam (Votna 2) Approx. 40 years old 1000 m above sea level ASR suspected in both dams The dam structures Comprehensive assessment initiated about 5 years ago Consulting engineer ; SWECO Grøner Field survey Recalculation of the capacity (safety evaluations) Recommend actions to be taken Technical support ; SINTEF Field survey Comprehensive laboratory analyses - input to the safety evaluations Byggforsk 15

16 Votna 1 - double curved arch dam t = 1m l = 185m h = 55m t = 4m Byggforsk 16

17 Location of measuring bolts systematically measurements of horizontal deformation from the time of building Principle displacement Upstream face Byggforsk 17

18 Yearly displacement of bolt 12 (year ) Displacement (mm) FEM-analysis (temperature load applied): Displacement corresponds to 1 expansion Safety evaluations on-going ; - life time prediction - planning of any rehabilitation work Tim e (year) Byggforsk 18

19 Slab t = m Problem corner Upstream face l = 230m h = 20m Votna 2 -slabdam Pillar Frost protection wall Byggforsk 19

20 Problem corner Alarming happening in 2003 (on a warm sunny day with low water filling) Upstream face 50 mm displacement Joint Slab Joint Pillars Joints closed: corresponds to 1 expansion Byggforsk 20

21 ORI Overflate Riss Indeks Metode for karakterisering av opprissingsgrad *) A C lside = 1 m l diagonal = 1,41 m O B cw / loa + cw / lob + cw/ loc + cw / l ORI= 4 AB *) Bygger på en fransk metode, modifisert av mastergradsstudent i 2006 (B.A Birkeland) Byggforsk

22 Byggforsk

23 Referansefelt Σ rissvidde (mm/m) Landkar i akse 1, flate mot nordvest OA 5,62 OB 0,65 OC 4,26 AB 3,97 ORI 3,63 Foto Nautesund landkar Byggforsk

24 Skadeutvikling - konsekvenser Ekspansjon og opprissing Visuelt skjemmende (riss, gelutfelling) Økende skadeutvikling over tid Ekspansjoner tvangskrefter, lukekiling, deformasjoner,... Endring i materialegenskaper primært strekkfasthet og E-modul; etter lang tid trykkfasthet, permeabilitet, Åpner for andre nedbrytningsmekansimer (økt oppfukting - frost, kloridkorrosjon) Byggforsk 24

25 AR tiltak Det finnes pr i dag ingen veldokumenterte reparasjonsmetoder for konstruksjoner med AR Dersom tiltak skal gjennomføres bør de ha minst ett av følgende to prinsipielle formål: Forebygge/redusere selve ekspansjonen (hastigheten) Forebygge og/eller redusere effekten av ekspansjonene Byggforsk

26 Tiltak - kategorier Tiltak som har til hensikt å redusere (ikke stanse) reaksjonshastigheten Knyttet til det å redusere vanninnholdet i betongen, f eks overflatebehandling, sikre vannavrenning Tiltak som har til hensikt å redusere effekten av ekspansjonene, f eks forsterkning (ytre fastholding som hindrer volumutvidelse, sikrer omfordeling av laster eller gir jevnere rissfordeling) slissing (hindre/utløse indre spenninger som følge av volumutvidelsen) injisering (sikre betongens strukturelle og funksjonelle egenskaper) Byggforsk

27 Nautesund bru FoU-prosjekt Ett-felts hengebru Bygd: 1958 Erstattet av ny vegbru 1986, gang-/sykkelbru Stort vedlikeholdsbehov Fremskredne alkalireaksjoner Revet 2009 Samarbeidsprosjekt mellom SVV (TMT, Region Sør) og SINTEF Byggforsk

28 FoU-prosjektets innhold Konsentrert om tårnsøyler, inkl rigel Før riving: Visuell registrering i felt, inkl ORI Uttak av kjerner for laboratorieundersøkelser Etter riving: løløl Visuell kontroll av armeringens korrosjonstilstand Tilsaging av elementer for konstruktiv prøving Studier av riss, på støpehud og sagflater Belastningsprøving i laboratorium Kjerner og større prøvestykker for evt senere prøving Byggforsk

29 Byggforsk

30 Byggforsk

31 Byggforsk

32 Byggforsk

33 Byggforsk

34 Byggforsk

35 Byggforsk

36 Byggforsk

37 Byggforsk

38 Forsøksopplegg Prøvestykker 1 stk søyleelement, bxhxl = 400x400x2000 mm 3 stk tårnelement, bxhxl = 800x400x2000 mm Testparametre Heft / forankring Lengdearmering: Ø 25 mm, Ks 400, f sy = 400 MPa Forankringslengder: 40 Ø = 1000 mm og 20 Ø = 500 mm Heftspenning ved flytning hhv 2,5 og 5,0 MPa 40 Ø er krav til forankringslengde i NS 3473 Rissdannelse; nye riss i forhold til eksisterende Byggforsk

39 Byggforsk

40 Tårnelement etter belastningsprøving Byggforsk

41 Resultater Forankring Søyleelement Armering belastet til flytning for l b = 40 og 20 Ø uten glidning Tårnelementer Riss Glidning av hjørnejernene ved flytning i en ende for l b = 40 Ø (etter at det hadde dannet seg skjærriss) Bare prøvd en ende med l b = 20 Ø ingen glidning De første rissene følger rissene fra alkalireaksjonen Nye riss på høye lastnivå Byggforsk

42 Foreløpige konklusjoner Alkalierissene i søylene og tårnene ser ikke ut til å redusere forankringskapasiteten til armeringen noe vesentlig Hver konstruksjon må vurderes for seg Alvorlighetsgrad avhengig av belastning (kombinasjon moment / skjær) og overdekning Rissdannelsen på toppen av riglene var større enn på søylene og tårnene Horisontale flater kan derfor være mer utsatt enn vertikale flater i forhold til forankring Byggforsk

43 Topp rigel Byggforsk

44 Tverrsnitt topp rigel Byggforsk

45 Prosjektforslag: energi21 forslag til forprosjekt: Hvordan ivareta dagens betongdammer på en mer ressursoptimal måte? Byggforsk

46 Tema 1: Alkalireaksjoner: konstruktive konsekvenser, tiltak Byggforsk 46

47 Tema 2: Betong mot fjell - skjærstyrke ¾ Platedammer ¾ Betongpropper Byggforsk 47