Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng Utgave: 1 Dato: 2012-06-01
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 1 DOKUMENTINFORMASJON Oppdragsgiver: Rapporttittel: Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng Utgave/dato: 1 / 2012-06-01 Arkivreferanse: - Lagringsnavn rapport Oppdrag: 529634 Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng Oppdragsbeskrivelse: Betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng på Hellemyr Oppdragsleder: Rasmussen Henning Fag: Bygg Tema Betongrehabilitering Leveranse: Analyse Skrevet av: Kvalitetskontroll: Henning Rasmussen Bjørn-Erik Andersen www.asplanviak.no
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 3 INNHOLDSFORTEGNELSE 1 Grunnlagsmateriale... 4 2 Beskrivelse av eksisterende konstruksjon... 5 2.1 Generelt... 5 2.2 Betong- og armeringsspesifikasjoner... 5 2.3 Overflatebehandling... 5 3 Skademekanismer... 6 3.1 Frostangrep... 6 3.2 Karbonatisering... 7 3.3 Korrosjon... 7 4 Betonkteknologisk undersøkelse...10 4.1 Generelt...10 4.2 Visuelle observasjoner...10 4.3 Prøvetaking...12 5 Vurdering og konklusjon...15
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 4 1 GRUNNLAGSMATERIALE Hellemyr høydebasseng er i Kristiansand kommune og ligger plassert 136moh. Høydebassenget er oppført i 1975-76. Form og armeringstegninger av selve tanken og pilastre for innfesting av forspenningskabler er tilgjengelige. Det har også blitt utført en befaring av høydebassenget 2012-05-15. Under befaringen ble det gjort en visuell kontroll både utvendig og innvendig. Overdekningsmålinger ble utført utvendig og innvendig samt karbonatiseringsprøver to steder utvendig og kloridprøver ble uthentet fra ett sted utvendig.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 5 2 BESKRIVELSE AV EKSISTERENDE KONSTRUKSJON 2.1 Generelt Hellemyr høydebasseng er utformet som en sirkulær tank i plasstøpt betong. Det er benyttet glideforskaling på veggene i tanken. I tillegg til slakkarmering er det armert med etterspente kabler i veggene. Veggene er overflatebehandlet både på innside og utside. 2.2 Betong- og armeringsspesifikasjoner Følgende er opplyst på armeringstegningene: Betong: Slakkarmering: B300 Ks 40, Ks 40s Spennarmering: 150/170 B300 har en trykkfasthet på ca. 25 MPa og tilsvarer dagens B20. 2.3 Overflatebehandling Det er ikke tilgjengelig dokumenter på hva som er brukt av vanntetting/overflatebehandling innvendig i tanken. I følge Ingeniørvesenet kan det ha blitt brukt et Sika-produkt.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 6 3 SKADEMEKANISMER Selv om betong i utgangspunktet er et svært bestandig byggemateriale, så utsettes den for en rekke nedbrytningsmekanismer som hver for seg, eller i kombinasjon med hverandre kan føre til at konstruksjonene svekkes eller ødelegges. Felles for prosessene er at de over tid endrer betongens struktur og egenskaper. Følgende prosesser er de vanligst forekommende i forbindelse med betongkonstruksjoner: Karbonatisering Frostangrep Utluting Mekanisk slitasje Angrep av aggressive stoffer Biologisk aktivitet Alkalikiselreaksjoner Korrosjon av armering og annet metall I dette kapittelet er det gitt en kort oversikt over de mest vanlige nedbrytningsmekanismer som opptrer og som har relevans til rapporten. 3.1 Frostangrep Herdet betong Betong inneholder et porevolum i størrelsesorden 120 180 liter pr. m 3 betong. Porestørrelsen og struktur er slik at disse porene lett fylles med vann. Dette vil særlig være tilfellet i overflaten i forbindelse med regn, snøsmelting, i og nær vann/sjø. Ved overgang fra vann til is utvides porevannet med ca. 9 volumprosent. De to viktigste hypotesene for forklaring av mekanismene for frostnedbryting er hydraulisk trykk og osmotiske effekter. Osmotiske effekter gjelder spesielt når det er salt i porevannet. Tinesalter forsterker effekten av fryse-/tinesykler i vesentlig grad. For begge teorier gjelder at det oppstår trykk i poresystemet med dannelse av riss og avskallinger som resultat. Figur: Overflateforvitring av betong
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 7 3.2 Karbonatisering Sementpasta inneholder 20-25 % kalsiumhydroksyd, Ca(OH) 2. dette gjør at ph-verdien for frisk betong ligger i området 12-14. Karbonatisering er en kjemisk prosess som skjer ved at betongen tilføres kulldioksyd, CO 2, enten fra luften eller fra kullsyreholdig vann. Sementpastaens innhold av kalsiumhydroksyd, Ca(OH) 2 vil da omdannes til kalsiumkarbonat, CaCO 3 etter følgende kjemsike ligning : Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Under denne prosessen reduseres ph verdien i sementpastaen til et nivå under 9. For uarmerte konstruksjoner kan karbonatiseringsprosessen i seg selv være en fordel fordi den medfører en økning i både tetthet og styrke for betongen. For armerte betongkonstruksjoner derimot, så kan karbonatiseringsprosessen være svært skadelig. Armeringsjern som ligger i tett betongen er beskyttet på grunn av pastaens høye innhold av kalsiumhydroksyd, Ca(OH) 2, som gjør porevannet basisk (ph=12-14). Den høye konsentrasjonen av OH - ioner reduserer oppløsligheten av Fe ++, og det dannes en passivfilm av Fe 2 O 3 på overflaten av armeringsjernet som forhindrer videre jernoppløsning. Under karbonatiseringsprosessen reduseres OH-konsentrasjonen, og passivfilmen på armeringens overflate brytes, vanligvis over et stort område. Karbonatisering skjer overalt hvor atmosfærisk luft kommer i kontakt med betongens kalsiumhydroksyd, dvs i betongoverflaten og i sprekker. Inntrengningsdybden og hastigheten er avhengig av betongens tetthet og fuktinnhold som vist på nedstående figur : 3.3 Korrosjon 3.3.1 Generellt Ubeskyttet jern (armering) nedbrytes etter følgende kjemiske formel, og det området hvor denne prosessen skjer kalles anoden : Fe Fe ++ + 2e - Hvis det er tilgang på vann og oksygen på jernoverflaten, så forbrukes elektronene etter følgende ligning : O 2 + H 2 O + 4e - 4OH - Det område hvor denne prosessen skjer kalles katoden.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 8 Resultatet av disse to prosessene er at det dannes Fe ++ og OH - ioner. Disse medvirker i dannelsen av korrosjonsprodukter, eller rust. Rust er imidlertid ikke et bestemt stoff, men vil avhenge av hvor mye oksygen som er tilgjengelig. En oversikt over jernets korrosjonprodukter kan sees på nedstående oversikt: Felles for alle korrosjonsproduktene er at de har større volum enn det opprinnelige jernet som vist nedenfor. Under vanlig atmosfæriske korrosjon får man den mest vanlige formen for rust som har betegnelsen Fe(OH) 3 *nh 2 O og har et volum som er 4-8 ganger større enn jernet. Dette er årsaken til at betongoverdekningen som oftest sprenges ut som et tydlig varsel om pågående korrosjon. 3.3.2 Klorider Klorider er salter som kan ha sin opprinnelse i: Akselererende tilsetningsstoffer brukt ved produksjon av betongen. Tilslagsmaterialer som er benyttet. Salt fra ytre påvirkning. (Salting, sjøvann, etc.) Klorider er skadelig for armeringen ved at de trenger inn i betongen og bryter armeringens passivfilm lokalt, og dermed kan gi armeringskorrosjon. Kloridinitiert korrosjon fører ofte til svært alvorlige korrosjonsangrep ved at dette kan gi lokal groptæring. Elektriske krefter fører til at klorider tiltrekkes steder med allerede pågående korrosjon, og en meget høy korrosjonshastighet kan bli resultatet. Kloridinitiert korrosjon gir ikke nødvendigvis samme grad av ekspanderende korrosjonsprodukter, slik tilfellet er for korrosjon som følge av karbonatisering. Dette kan føre
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 9 til at det ikke blir den samme grad av utspregninger i betongoverflaten som et forvarsel på korrosjonsangrep. For betong med standard sement legges vanligvis følgende grenseverdier til grunn: Kloridinnhold i % av sementvekt Korrosjonsrisiko < 0,4 Neglisjerbar 0,4 1,0 Mulig 1,0 2,0 Sannsynlig > 2,0 Sikker Grensekonsentrasjonene er også avhengig av porevannets ph, og høyere ph vil tåle noe mer klorider før korrosjon oppstår. Dette vil også si at dersom karbonatiseringsfronten nærmer seg armeringen (lavere ph) samtidig som det er funnet klorider, bør en være spesielt årvåken for mulig kloridinitiert korrosjon. 3.3.3 Katode/anode forholdet Hvorvidt det oppstår jevn overflatekorrosjon, som er typisk i forbindelse med korrosjon som følge av karbonatisering, eller man får groptæring som er typisk for kloridinitiert korrosjon, avhenger av arealforholdet mellom anoden og katoden, og kan illustreres med nedstående skisse: 3.3.4 Galvanisk korrosjon Der to forskjellige metaller har elektrisk kontakt/forbindelse vil den ene bli katode mens den andre blir anoden. Forskjellige metaller har forskjellig «edelhet» og det er alltid det metallet som er minst edelt som vil bli anoden og korrodere. Galvanisk korrosjon er ofte den farligste formen for korrosjon i stålkonstruksjoner og forekommer ofte i f.eks. bolteforbindelser det det er benyttet to eller flere forskjellige stållegeringer.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 10 4 BETONKTEKNOLOGISK UNDERSØKELSE 4.1 Generelt Hellemyr høydebasseng er en rund tank. For å forenkle stedsanvisninger under befaring defineres aksene etter urskiva. Akse-plasseringer i forhold til kompassretninger og orienteringspunkt på konstruksjonen er listet under: Nord = 12 Øst = 3 Syd = 6 Vest = 9 Stige ned i tanken befinner seg mellom akse 7 og 8 I forbindelse med tilstandsundersøkelsen er det også tatt ut prøver av betongen for å vurdere tilstanden av betongen. Armeringens betongoverdekning måles ikke-destruktivt ved hjelp av et Covermeter. Dette er et instrument som ved generering av et magnetisk felt i en sensor kan benyttes både til å lokalisere armering og til å måle dennes avstand fra betongoverflaten. Målingene angis som minimum og gjennomsnittlig overdekning over et område på vanligvis 1 m 2. Karbonatiseringsdybden måles enten ved opphugging, boring eller kjerneboring i betongen, hvoretter det umiddelbart sprøytes på en indikatorvæske, fenoftalein, som gir fargeomslag fra rødt/fiolett til fargeløst ved ph lavere enn ca. 9. Deretter måles avstanden fra betongoverflaten og inn til karbonatiseringsfronten. På samme sted bør man også kjenne avstanden inn til det underliggende armeringsjern. Kloridinnhold måles ved å samle opp utboret støv fra betongen. Det kan benyttes flere metoder for analyse av borstøvet. Vanligvis brukes RCT-metoden (Rapid Chloride Test), som er en svært enkel metode, men med sine helt klare begrensninger når det gjelder nøyaktighet og reproduserbarhet av måleresultatene. Metoden kan også brukes for analyser i felt, og er mest benyttet for å få en første indikasjon på hvorvidt man har klorider eller ikke. I en del tilfeller utføres kloridprøvene som kloridprofiler. Dette vil si at man tar ut prøver for analyse i flere intervaller innover i konstruksjonen, og dette benyttes når man vurderer klorider som har sin årsak i utvendige kloridbelastninger på konstruksjonen. Kloridinnholdet omregnes slik at det angir % klorider av sementvekt. Dette forutsetter at sementinnholdet er kjent. I motsatt fall må dette anslåes ut fra betongkvaliteten. 4.2 Visuelle observasjoner 4.2.1 Innvendig Det er et stort felt med avskallet overflatebehandling fra akse 11 til akse 3 i området der vannstanden normalt varierer, dette feltet har en utbredelse på et par meters høyde. Dette er sannsynligvis et resultat av vekselvis fryse/tine belastning i og rundt vannskorpen. Det er to store felt med riss, begge strekker seg fra et par meter over gulv til et par meter under tak, i mellom akse 6-7 og 9-11. se bilde 1. Det er mest sannsynlig at dette er riss som stammer fra en tidlig herdefase da det ikke er tegn til armeringskorrosjon andre steder. Rissene burde følges opp for å se om de utvikler seg videre.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 11 Bilde 1: Riss i mellom akse 6-7 Alle bolteforbindelser og skjøter i overvannsrør, bolteinnfesting av overvannsrør og innløp/utløp har betydelig skader pga. korrosjon. Se bilde 2. Det er her benyttet forskjellige metaller/legeringer i rør og bolter/skiver/muttere og det er da oppstått galvanisk korrosjon. Bilde 2: Korrosjon på bolteforbindelse/skjøt på overvannsrør 4.2.2 Utvendig På taket ble det observert frilagt armering på oversiden av gesimsen ved akse 1 og oppsamling av vann, manglende fall/rengjøring, flere steder. Se bilde 3.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 12 Bilde 3: Frilagt armering og oppsamling av vann, akse 1 Veggene har kalkutslag i øvre vertikale støpeskjøt på veggen flere steder og i overgangen til glideforskaling nederst akse 8, disse er tørre. Igjenstøping av pilastere til spennkabler er generelt risset. Det er et felt med avskallet maling midt på veggen i akse 7-8. Se bilde 4. Bilde 4: Malingsavskalling akse 7-8 4.3 Prøvetaking 4.3.1 Overdekningsmålinger Det ble utført 9 overdekningsmålinger med covermeter på konstruksjonen. Innvendig ble overdekningsmålingene utført ca. 1,5m over gulvnivå i aksene 7, 10, 1 og 4. Utvendig ble målingene utført ca. 1,5m over terrengnivå i akse 6, 10, 1 og 4 samt 1,5m over bodtaket ved stige mellom akse 7 og 8.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 13 Prøvested Horisontalarmering Vertikalarmering Innvendig [mm] [mm] Akse 7 32 54 Akse 10 41-45 54-59 Akse 1 39-40 53-56 Akse 4 32-36 53-56 Utvendig Akse 6 53-60 70 Akse 10 30-33 51-54 Akse 1 36-40 53 Akse 4 35 50 Akse 7-8 35 45-47 Iht. tegningsgrunnlaget skal det være en overdekning på 40mm innvendig og 30mm utvendig på tanken, det er ikke oppgitt noen toleranser. Ut i fra målingene som er gjort er det indikasjoner på at armeringen enkelte steder varierer fra dette, men det kan allikevel være innenfor det som tolereres. 4.3.2 Karbonatisering Det ble tatt karbonatiseringsprøver på samme sted som overdekningsmålinger i akse 4 og mellom akse 7 og 8. Det ble brukt vinkelsliper og et betongfelt på 10x10cm ble fjernet til en dybde på 3cm og deretter påført fenoftalein, se bilde 5. Det var ikke antydning til karbonatisering. Bilde 5: Karbonatiseringsprøve med Fenoftalein. 4.3.3 Kloridanalyse Det boret ut støvprøver til kloridanalyse i mellom akse 7 og 8. Prøvene ble tatt i dybdene 0-20mm, 20-40mm og 40-60mm, se bilde 6. Betongrøvene ble analysert ved hjelp av RCTmetoden.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 14 Bilde 6: Uttak av betongstøv til RCT-metoden. Det er på tegningene oppgitt at det skal være betongkvalitet B300, dette tilsvarer dagens B20, ut i fra dette er det sannsynligvis benyttet et v/c-tall på 0,7 med et sementinnhold på 250 kg/m 3. Med utgangspunkt i en sementmengde på 250kg/m 3 er kloridinnholdet i % av sementvekten: Prøvedybde [mm] Kloridinnhold [ %Cl - av sementvekt] 0-20 0,234 20-40 0,107 40-60 0,036 Armeringen er plassert fra 30mm, se kapittel 4.3.1, og med et kloridinnhold på 0,036 % av sementvekt i dette området er kloridinitiert korrosjon lite sannsynlig, se kapittel 3.2.2.
Hellemyr, betongteknologisk undersøkelse av høydebasseng 15 5 VURDERING OG KONKLUSJON Hellemyr høydebasseng er oppført i 1975-76 og er utformet som en sirkulær tank. Den er både slakkarmert og spennarmert. Iht. arbeidstegningene er det beskrevet en minimums armeringsoverdekning på 40mm innvendig og 30mm utvendig. Tanken er behandlet med en sort/mørkt overflatebehandling/vanntetting. Ut i fra overdekningsmålingene som er gjort varierer overdekningen med ± 5-10mm i forhold til det som er beskrevet på tegningen. Det er ikke oppgitt toleranser i forhold til tillatt avvik så det er mulig at det er innenfor toleransen. Det ble tatt både karbonatiseringsprøver og kloridprøver av høydebassenget. Disse prøvene viste at det er liten sannsynlighet for korrosjon pga. karbonatisering eller klorider. Det ble observert et felt med avskalling av betong og overflatebehandling innvendig i høydebassenget. Dette er sannsynligvis nedbrytning pga. fryse/tine problematikk i området rundt vannspeilet. Innvendig i høydebassenget ble det også observert to store felt med riss. Disse rissene er orientert i et mønster horisontalt og vertikalt. Det er sannsynlig at dette er riss som stammer fra en tidlig herdefase da det ikke er tegn til armeringskorrosjon andre steder. Rissene burde følges opp for å se om de utvikler seg videre. Alle bolteforbindelser og skjøter i overvannsrør, bolteinnfesting av overvannsrør og innløp/utløp har betydelig skader pga. galvanisk korrosjon. Når disse installasjonene byttes er det viktig å benytte samme metallegering på rør, bolter, muttere, skiver og alt annet metall som er i direkte kontakt. I denne rapporten er det ikke gjort beregninger av høydebassengets eksisterende armering og kapasitet for videre bruk som vannreservoar, ved en eventuell rehabilitering må konstruksjonen kontrolleres og eventuelt forsterkes. Områdene med riss bør følges opp for å få klarhet i om disse skyldes armeringskorrosjon eller stammer fra tidlig herdefase. Ved en eventuell rehabilitering må det videre utføres en miljøkartlegging og fjerning/miljøsanering av eksisterende overflatebehandling og installasjoner. Det anbefales også at det blir benyttet en drikkevannsgodkjent membran for å forhindre videre avskallinger fra fryse/tine problematikken. Ut i fra det overnevnte mener vi at høydebassenget er egnet for rehabilitering og videre bruk, forutsatt at konstruksjonen blir kontrollert mot nødvendige forsterkninger og at det blir valgt gode løsninger ved innvendig rehabilitering. Det burde utføres vedlikehold/supplerende innvendig overflatebehandling med godkjente produkter i løpet av en 5års periode.