10.2 NEDBRYTING AV ARMERT BETONG Publikasjon nr. 31 \3\ gir en god oversikt over mulige skadeårsaker, og inneholder en nyttig referanseoversikt.

Transkript

1 D10 BESTANDIGHET AV BETONG OG STÅL NEDBRYTING AV ARMERT BETONG Publikasjon nr. 31 \3\ gir en god oversikt over mulige skadeårsaker, og inneholder en nyttig referanseoversikt Armeringskorrosjon Fersk (nyherdet) betong inneholder en stor andel av det høyalkaliske stoffet kalsiumhydroksid. Sammen med natrium- og kaliumforbindelser gir kalsiumhydroksid meget høye ph-verdier i betongens porevann (ph-verdi 12,5 14,0). På grunn av betongens alkaliske egenskaper, danner det seg en bekyttende oksidfilm på innstøpt armering som hindrer korrosjon armeringen blir passivert. Passiveringen kan oppheves ved: Karbonatisering av betongen. For høyt klorinnhold i betongen. Forløpet fram til armeringskorrosjonen begynner kalles initieringsperioden. Dette er den tiden det tar før karbonatiseringsfronten når armeringen, eller den tiden det tar før kloridinnholdet ved armeringen blir høyt nok til at armeringen kan begynne å korrodere. Denne perioden kan være fra kort tid til flere ti-år. Armeringen vil begynne å korrodere ved tilstrekkelig tilgang på luft og fuktighet (RH > 65 %) og god elektrisk ledningsevne i betongen. Høyeste korrosjonshastighet fåes ved RH rundt 95 %. Ved korrosjonsprosessen produseres det jernhydroksyd (Fe (OH) 2 ) ved reaksjon mellom jern (Fe), vann (H 2 0) og oksygen (O 2 ). Jernhydroksyd reagerer videre med oksygen til rust som kan bestå av forskjellige typer oksydasjonsprodukter se figur D Figur D Forenklet korrosjonsmodell. Rustproduktet kan ha et volum som er fem til sju ganger større enn volumet til stålet. Volumutvidelsen har en sprengvirkning i betongen. Når stålet har begynt å korrodere, oppstår det skader i følgende rekkefølge: riss- og sprekkdannelser avskalling tap av konstruktiv bæreevne/sammenbrudd. Armeringskorrosjon er årsaken til de fleste større skader på betongkonstruksjoner \4\, \5\. Karbonatisering Karbonatisering er en kjemisk prosess som oppstår når en betongflate er i kontakt med luft. Luften diffunderer langsomt inn i betongen. Karbondioksyd fra luften (CO 2 ) og vann (H 2 O) reagerer kjemisk med kalsiumhydroksyd i betongen (Ca(OH) 2 ), slik at det dannes kalsiumkarbonat (CaCO 3 ). Denne prosessen medfører at betongens ph-verdi blir redusert til 8 9. Betongens passiverende virkning på armeringen nøytraliseres når ph-verdien synker under 9,5. Da er ikke armeringen lenger beskyttet mot korrosjon. Ved tilstrekkelig tilgang på luft og fuktighet (RH > 65 %), kan armeringen korrodere. Reaksjonslikning for karbonatisering: CO 2 + Ca(OH) 2 + H 2 O CaCO 3 + 2H 2 O basisk nøytral Fastheten i betongen blir ikke redusert ved karbonatisering, tvert imot øker den noe. Reaksjonsproduktet kalsiumkarbonat (CaCO 3 ) felles ut i betongens poresystem og bidrar til at betongen blir både tettere og får større fasthet. Kalsiumkarbonat har imidlertid mindre volum enn utgangsmaterialene, og denne volumreduksjonen kan medføre små rissdannelser i betongoverflaten (uregelmessig mønster), ofte kalt karbonatiseringssvinn. Slike riss- og sprekkdannelser

2 52 D10 BESTANDIGHET AV BETONG OG STÅL kan lette karbonatiseringsprosessen innover i betongen og akselerere korrosjonsangrepet på armeringen. Skillet mellom karbonatisert og ukarbonatisert betong kalles karbonatiseringsfronten. Denne fronten beveger seg innover i betongen. Først når karbonatiseringsfronten når armeringen (eller annet stål) starter nedbrytningen, se figur D 10.2 med følgende kommentarer: a. CO 2 diffunderer inn i betongen og reagerer med Ca(OH) 2 i porevannet, ph-verdien synker. Karbonatiseringsfronten har ikke nådd armeringen, og denne er fremdeles i basisk (rustbeskyttende) miljø. b. Karbonatiseringsdybden er lik armeringens overdekning. Armeringen begynner å komme i for surt miljø og en kan vente begynnende korrosjon. c. Karbonatiseringsdybden er større enn armeringens overdekning. Armeringen er i korrosivt miljø. Korrosjon på armeringen vil føre til sprekkdannelser og avskallingsskader på grunn av rustsprengning. Figur D Utvikling av karbonatiseringsprosessen. a) b) c) Faktorer som påvirker karbonatiseringsprosessen Karbonatiseringsprosessen er først og fremst bestemt av tettheten i betongoverdekningen, i tillegg til en del andre faktorer. De viktigste faktorene er: overdekningens tykkelse fasthetsklassen; v/c-tall og materialvalg utstøpning, herdevilkår og etterbehandling rissvidder miljø Overdekningens tykkelse Dybde, mm Overdekning Halv overdekning Figur D Eksempel på overdekningens betydning for initieringstiden med hensyn til karbonatisering Tid, år

3 D10 BESTANDIGHET AV BETONG OG STÅL 53 Overdekningen er en av de viktigste faktorene som bestemmer lengden av initieringsperioden. Karbonatiseringsfronten trenger inn i betongen med en hastighet noe langsommere enn gitt ved en funksjon lik kvadratroten av tiden. Figur D 10.3 viser hvordan en halvering av en foreskrevet overdekning kan redusere initieringsperioden fra 100 år til 15 år. Fasthetsklassen Karbonatiseringshastigheten som funksjon av fasthetsklasse er vist på figur D Masseforholdet Den materialparameter som har størst effekt på karbonatiseringsprosessen er v/c-tallet. Ved vannmengder utover det nivået som behøves for hydratisering av sementen (v/c 0,40) dannes det store kapillærporer som øker permeabiliteten kraftig. Dette er særlig tilfellet for v/c-tall over 0,60. Se figur D Figur D Karbonatiseringshastighet ved forskjellige fasthetsklasser. Volum 100% Luftporer Gelvann Sementpastaens sammensetning Hydratiseringsgrad = 1,0 Kapilærvann Figur D Poresystem ved forskjellig v/c-tall. 40 Sementgel 20 0 Uhydratisert sement 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 v/c - tall Materialvalg Sementtypen samt bruk av pozzolaner vil ha en viss effekt på karbonatiseringshastigheten. NS-EN \6\ karakteriserer dagens norske sementer som likeverdige. Silikastøv kan ha både positive og negative effekter på karbonatiseringshastigheten, avhengig av utnyttelsesgraden og doseringsmengden. Effektfaktoren med hensyn på karbonatisering er imidlertid generelt vesentlig mindre enn for trykkfasthet. NS-EN gir silikastøv en generell effektfaktor på 1,0 når v/c > 0,45. Produksjon Dårlig komprimering, separasjon i massen og manglende etterbehandling resulterer ofte i at en potensielt god betong ender opp som en dårlig betong med høy permeabilitet, støpesår og riss i overdekningen. I punkt vises hvordan forskjellige herdebetingelser påvirker kapillariteten og altså mulighetene for karbonatisering. Dette viser at etterbehandlingen har stor effekt. Miljøfaktorer Fuktnivået i miljøet spiller en vesentlig rolle for karbonatiseringshastigheten. Karbonatiseringsprosessen foregår ved RH i området 40 %

4 54 D10 BESTANDIGHET AV BETONG OG STÅL til 90 %, men skjer raskest ved RH på 50 % til 60 %, se figur D Vannmettet eller helt tørr betong karbonatiserer ikke. I en vannmettet konstruksjon er porene fylt med vann slik at tilgangen på CO 2 blir liten. I tørre konstruksjoner kommer CO 2 inn, men mangler vann til å reagere kjemisk med kalsiumhydroksidet. Figur D Karbonatiseringshastighet som funksjon av relativ fuktighet. Figur D Karbonatiseringshastighet som funksjon av v/c-tall og fuktnivå. Konsentrasjonen av CO 2 i luften påvirker karbonatiseringsprosessen. Luften inneholder normalt ca. 0,03 volumprosent CO 2. Forhøyet konsentrasjon av CO 2 i luften i by- og industriområder bidrar til raskere karbonatisering. Sur nedbør kan like effektivt redusere ph-nivået i betongen som CO 2, for eksempel på fasader. Høy temperatur er med på å forhøye karbonatiseringshastigheten. Ved konstant fuktighetsnivå øker karbonatiseringshastigheten til det dobbelte når temperaturen stiger med ca. 10 C. Restlevetid Restlevetid etter påvist karbonatisering uttrykker den beregningsmessige tiden det tar før karbonatiseringsfronten når fram til armeringen. Denne levetiden vurderes ut fra karbonatiseringsdybden, hastigheten og konstruksjonens alder. Karbonatiseringshastigheten er størst til å begynne med i betongens yttersjikt, og avtar så gradvis etter som tykkelsen på det karbonatiserte yttersjiktet øker. På en skala der aksene er avsatt logaritmisk, blir utviklingslinjen tilnærmet en rett linje med stigning 1:2 (sammenlign med figur D 10.3). Når man kjenner betongens alder og karbonatiseringsdybden, kan man forutsi videre karbonatiseringsforløp, og bestemme omtrentlig restlevetid ut fra den gitte betongoverdekningen se figur D Figur D Karbonatiseringsdybde som funksjon av tiden. Eksempel D Bestemmelse av restlevetid Forutsetninger: Betongens alder: 7 år (linje 1) Karbonatiseringsdybde: 8 mm (linje 2) Overdekning: 20 mm (linje 4)

5 D10 BESTANDIGHET AV BETONG OG STÅL 55 Beregning: Karbonatiseringshastighet: (linje 3) Levealder = 45 år (linje 5) Restlevetid til begynnende korrosjon på grunn av karbonatisering = 45 år 7 år = 38 år. Klorider Når klorider forekommer i tilstrekkelig mengde i betong, kan de bryte ned armeringens passiverende yttersjikt og initiere armeringskorrosjon. Når klorider kommer i kontakt med passivsjiktet, ødelegges dette og det dannes løselige oksyklorider. Jernioner løses da lettere opp, og korrosjon initieres. Korrosjon som følge av klorider har en tendens til å foregå lokalt og dermed med større hastighet enn den jevnere fordelte korrosjonen initiert av karbonatisering. Kloridinnholdet i betongen skyldes enten kloridholdige delmaterialer eller at klorider trenger inn utenfra: Kloridholdige delmaterialer Tilsetningsstoffer kan inneholde kloridholdig herdingsakselerator (kalsiumklorid). De andre delmaterialene (tilslag, sement og vann) kan også inneholde klorider. Under produksjonen blir kloridene jevnt fordelt i betongen med en viss andel bundet i faststoffstrukturen, og en viss andel fri i porevannet. Inntrengning av klorid fra eksterne kilder Klorider kan trenge inn ved diffusjon eller kapillær transport av kloridholdig væske eller gass. Kloridene kan stamme fra salting av konstruksjoner (trapper, balkonger, fortau, bruer etc.), fra svømmebasseng, i svømmehaller, eller fra sjøvann/sjøsprøyt. Noe bindes til faststoffstrukturen, mens resten finnes fritt i porevannet. Kritisk kloridinnhold Den tid det tar for å depassivere armeringsstålet ved klorider avhenger av: diffusjonshastigheten/kapillærsughastigheten av klorider binding av klorider i betongen grenseverdi for nødvendig kloridnivå. De positive effekter som økende overdekning og god betongkvalitet gir mot karbonatisering er også gyldig for å forlenge initieringsperioden ved kloridinntrengning. Det vil si at overdekningens betydning for kloridinitiering følger samme kurveforløp som i figur D 10.3, og at effekten av fasthetsklassen er tilsvarende som vist på figur D Forholdene omkring korrosjonsinitiering på grunn av klorider er imidlertid mer sammensatt, idet både bindingen av klorider og nødvendig grenseverdi også er påvirket av materialsammensetning (sementtype, pozzolaner som flyveaske og silika) og betongens alkalinitet (ph). Det er de frie klorider som er farlig med hensyn til initiering av korrosjon. Det er ingen klare grenser for kloridterskelen, men i tabell D 10.2 er det anbefalt noen grenseverdier. Tabell D Kloridinnhold og korrosjonsrisiko med standard sement. Kloridinnhold (% av sementvekt) Korrosjonsrisiko < 0,4 minimal 0,4 1,0 mulig 1,0 2,0 sannsynlig > 2,0 sikker Vær oppmerksom på at i figurene D 10.3 og D 10.4 er tidsaksene for kloridinntrengning og karbonatisering forskjellige. Normalt antas at initieringstiden er tre ganger kortere for klorider enn for karbonatisering. Erfaring med norske broers holdbarhet i utsatte kyststrøk viser at når karbonatiseringen blir kombinert med kloridinntrengning, kan initieringstiden bli ca. 5 ganger kortere enn for karbonatisering alene. \3\, \7\.

6 56 D10 BESTANDIGHET AV BETONG OG STÅL Grenseverdiene for kloridnivået må senkes i karbonatisert betong. For å kunne neglisjere sjansene for kloridinitiert armeringskorrosjon, bør kloridinnholdet være mindre enn 0,4 % av sementvekten. I kombinasjon med karbonatisert betong senkes denne grensen normalt ned til 0,1 %. NS-EN \6\ angir formelle grensekrav. I praksis betyr dette at grensen settes til 0,1 %. Tiltak for å øke motstanden mot kloridinntrengning Unngå å bruke kloridholdige avisingsmidler. Sørg for å få en tett og god betong med høy motstand mot kloridinntrengning. Velg sementtype med omhu (høyt aluminatinnhold (C 3 A) er gunstig for binding av klorider). Vurder å bruke pozzolaner og blandingssementer (silikastøv, flygeaske, slagg). Vurder overflatebehandling. Forøvrig henvises det til kapittel D Frostpåkjenning Betong inneholder et porevolum i størrelsesorden liter pr. m 3 betong. Porestørrelse og struktur er slik at disse porene lett fylles med vann. Dette vil særlig være tilfellet i overflaten i forbindelse med regn, snøsmelting eller i skvalpesonen for konstruksjoner i vann. Ved frost utvides porevannet med ca. 9 volumprosent, en volumøkning som betongen må ta hånd om \8\ se figur D Skademekanismer Det er fremsatt flere frostspengningsteorier, for eksempel Hydraulisk trykk teorien og Osmotiske effekter, men ingen gir en fullgod forklaring av hva som skjer i praksis. Det hersker langt større enighet om hvilke material- og miljømessige faktorer som påvirker betongens frostbestandighet. Faktorer som influerer på frostbestandigheten betongsammensetning/produksjonsforhold konstruksjonens utforming/størrelse miljøfaktorer Figur D Frysing av betong. Betongsammensetning God luftporestruktur reduserer faren for frostskader. De indre spenninger i betongen forårsaket av isdannelsen øker jo lenger avstanden er mellom luftporene. Avstanden mellom porene er derfor en viktig faktor for betongens frostmotstand. Halve middelavstanden mellom porene benevnes avstandsfaktoren. Kritisk avstandsfaktor anslås til: Ca. 0,25 mm ved frysing i rent vann. Ca. 0,18 mm ved frysing med salt tilstede. Normalt har betong et luftinnhold på 1,5 til 2,5 %. Denne naturlige luften vil gi en viss trykkavlastning som kan være tilstrekkelig under enkelte forhold. De naturlige luftporene er imidlertid som oftest for grove og er for ujevnt fordelt til å gi en tilstrekkelig frostbestandighet. Der hvor betong utsettes for vesentlige frostbelastninger må betongens poresystem forbedres. Dette gjøres gjennom anvendelse av luftporedannende tilsetningsstoffer. Kritisk luftmengde vil normalt ligge i området 3,5 til 7 %, avhengig av luftens fordeling.