Betonhåndbogens kapitel 19.3 om Kloridindtrængning

Transkript

1 Betonhåndbogens kapitel 19.3 om Kloridindtrængning Jens Mejer Frederiksen, Chief Project Manager, Specialist concrete, Bridge design and Management 1

2 Emner for i dag Grundlæggende forhold Eksempler på observationer Simple modeller Kritisk kloridindhold Mere om emnet 2

3 Grundlæggende forhold Eksempler på observationer Simple modeller Kritisk kloridindhold Mere om emnet 3

4 Grundlæggende forhold Hvad er klorid (chlorid/cl )? Hvad er skadevirkningen? Kloridindtrængning i beton 4

5 Hvad er klorid? Klorid er en negativt ladet ion af grundstoffet klor: Klorionen hedder klorid kaldes ofte kloridion Ofte staves klorid også chlorid ej dansk retskrivning Klorionen er 0,184 nm stor (0, mm) Klorionen er ca. 1,1 mio. gange mindre end 0,2 mm (ofte forekommende revnevidde på betonoverflader) 5

6 Størrelsesanalogi Cl - vs. 0,2 mm revne (Christian Munch-Petersens idé) Svarer til størrelsesforholdet mellem en ært (4 mm) og Øresund på det smalleste sted (4 km) 6

7 Hvad er klorid? Klorid er overalt omkring os og i os! Køkkensalt; natriumklorid; NaCl Tårer, sved Tøsalt (NaCl, CaCl) Svømmebadsvand Havvand flere salte samtidig med NaCl Grundvand og drikkevand Procesvand i produktionsanlæg osv. 7

8 Hvad er skadevirkningen? Stål omstøbt af beton er normalt beskyttet mod at ruste Klorids skadevirkning er rustdannelse på armeringen betonen tager ikke skade! 8

9 Hvad er skadevirkningen? Klorid indgår ofte i processen, når jern ruster Rustdannelsen kan være skjult/usynlig Rustdannelsen er ofte lokal Rustdannelse kan føre til uvarslet svigt Tidlig rustdannelse (før 25 år) skyldes med vore dages øjne mangler ved konstruktionen, betonen og/eller betonarbejdet 9

10 Hvad er skadevirkningen? 10

11 Hvad er skadevirkningen? 11

12 Hvad er skadevirkningen? 12

13 Hvad er skadevirkningen? 13

14 Hvad er skadevirkningen? 14

15 Hvad er skadevirkningen? 15

16 Hvad er skadevirkningen? ATM SPL SUB 16

17 Hvad er skadevirkningen? Korrosionsangreb efter 20 års eksponering 100 % CEMI; v/c = 0,40; dæklag = 20 mm 17

18 Kloridindtrængning i beton Beton er et porøst materiale Betons åbne porøsitet er ca. 14 ± 2 % Den åbne porøsitet udgøres af luftindeslutninger, luftbobler, kapillarporer Beton har desuden revner og komprimeringsmangler Poresystemet er forbundet Beton er derfor et gennemtrængeligt materiale Men beton kan gøres meget tæt! 18

19 Kloridindtrængning i beton En eller flere af følgende processer: Diffusion analogt til varmetransport Ved konvektion (dvs. samtidig med vands eller fugts transport) Ved migration pga. et elektrisk felt 19

20 Kloridindtrængning i beton Fugtindhold, RF % Først: 60 døgns udtørring Derefter: 10 døgns opfugtning 20 Dybde, mm

21 Kloridindtrængning i beton Vandopsugning, kg/m² Kontrol af forløbet af opfugtningen 21 Opsugningstid, timer

22 Kloridindtrængning i beton Kloridkoncentration, % af prøvemasse Kontrol af indtrængning af klorid efter opfugtningen 22 Dybde, mm

23 Kloridindtrængning i beton Transporthastigheden for klorid bestemmes af betonens tæthed og tilstand (våd/tør og revnet/urevnet) Tætheden af beton bestemmes dels af v/cforholdet og dels af bindemiddeltypen Mikrosilica, flyveaske og højovnsslagge er effektive som cementerstatninger, når man vil reducere transporthastigheden for klorid Når klorid trænger ind i beton sker samtidig en form for binding (kemisk/fysisk) 23

24 Kloridindtrængning i beton Transporthastigheden for klorid bestemmes af betonens tæthed og tilstand (våd/tør og revnet/urevnet) Tætheden af beton bestemmes dels af v/cforholdet og dels af bindemiddeltypen Mikrosilica, flyveaske og højovnsslagge er effektive som cementerstatninger, når man vil reducere transporthastigheden for klorid Når klorid trænger ind i beton sker samtidig en form for binding (kemisk/fysisk) 24

25 Eksempler på typiske klorideksponerede konstruktioner Havvandseksponerede: Brosøjler i vand Broers overbygninger (undersiden op til en vis højde) Tunneler (især ydersiden) Bølgebrydere Kajmure 25

26 Eksempler på typiske klorideksponerede konstruktioner Havvandseksponerede: 26

27 Eksempler på typiske klorideksponerede konstruktioner Tøsalteksponerede: Brosøjler ved veje Vejbroers overbygninger (især oversiden) Tunneler (især indersiden) Parkeringsanlæg (dæk, vægge, søjler) Altaner (dæk, konsoller, søjler) Saltlagre 27

28 Eksempler på typiske klorideksponerede konstruktioner Tøsalteksponerede: 28

29 Eksempler på typiske klorideksponerede konstruktioner Badevandseksponerede: Svømmebassiner Promenadedæk (barfodsarealet omkring bassiner) Springtårne 29

30 Eksempler på typiske klorideksponerede konstruktioner Badevandseksponerede: 30

31 Eksempler på typiske klorideksponerede konstruktioner Procesvandseksponerede: Visse rensningsanlæg Saltkar (fødevareindustrien) 31

32 Eksempler på typiske klorideksponerede konstruktioner Procesvandseksponerede: 32

33 Grundlæggende forhold Eksempler på observationer Simple modeller Kritisk kloridindhold Mere om emnet 33

34 Eksempler på observationer Kloridkoncentration, % af prøvemasse Ikke altid indtrængning udefra omfordeling forekommer 34 Dybde under overside, mm

35 Eksempler på observationer Kloridkoncentration, % af prøvemasse Ikke altid indtrængning udefra omfordeling forekommer 35 Dybde under overside, mm

36 Eksempler på observationer 36

37 Eksempler på observationer 37

38 Eksempler på observationer 38

39 Grundlæggende forhold Eksempler på observationer Simple modeller Kritisk kloridindhold Mere om emnet 39

40 Simple modeller Definitioner Levetid = Initieringsfase + Propageringsfase Initiering : Armeringen begynder at ruste Acceptabel nedbrydningsgrad er: 40 før den krævede normmæssige sikkerhed på bæreevnen er reduceret! før dæklag skydes af og er til fare.

41 Simple modeller Afbildning af levetiden for betonkonstruktioner ved kloridindtrængning Korrosionsaktivitet 41

42 Simple modeller Modeller for initieringsfasen (mere herom) Handler om at forudsige hastigheden på/forløbet af kloridindtrængningen for en given betontype, eksponeret under givne forhold 42

43 Simple modeller Korrosionsinitiering (mere herom senere) Handler om at forudsige, ved hvilken kloridkoncentration rustdannelse starter* ) Modeller for propageringsfase (ikke mere om) Handler om at forudsige, hvor hurtigt stål ruster * ) (eller at standse korrosionen) * ) for en given stålkvalitet, i en given betontype, eksponeret under givne forhold 43

44 Simple modeller Der findes ingen fuldt udviklede modeller til forudsigelse af levetiden for klorideksponerede betonkonstruktioner! Men der arbejdes med det over hele verden 44

45 Simple modeller Forskellige modeltyper: Empiriske modeller, der efterligner observationer (mere herom senere) Videnskabelige modeller, der skaber observationer ud fra få inputdata, med kendskab til fysikken og kemien (ej mere herom) 45

46 Simple modeller Empirisk model for kloridindtrængning: Én-dimensional, indtrængning i et halvuendeligt rum Konstante parametre Lineær bindingsisoterm 46

47 Simple modeller Typisk observation af kloridprofiler, forskellige bindemidler, men samme vandbindemiddelforhold på 0,35 47

48 Simple modeller Typisk observation af kloridprofiler, forskellige bindemidler, men samme vandbindemiddelforhold på 0,35 48

49 Simple modeller Ficks 2. lov og enkle betingelser: C t = D 2 C 0 x 2 x > 0, > t ex (differentialligning) C x, t = C s x = 0, t t ex (randbetingelse) C x, t ex = C i x > 0, t = t ex (begyndelsesbetingelse) Én-dimensional, indtrængning i et halvuendeligt rum 49

50 Simple modeller Ficks 2. lov fejlfunktionsløsningen C( x, t) C i C sa C i erfc 2 D a x ( t t ex ) Løsningen findes i lærebøger 50

51 Simple modeller Fejlfunktionen erf ( z) 2 π z 0 exp( u 2 )du erf ( z) 1 erfc z 51

52 Simple modeller Fejlfunktionen 52

53 Simple modeller Fejlfunktionen 53

54 Simple modeller Fejlfunktionen 54

55 Simple modeller Fejlfunktionen 55

56 Simple modeller 56 Ficks 2. lov fejlfunktionsløsningen ) ( 2 erfc ), ( ex a i sa i t t D x C C C t x C ) ( ), ( erfc 2 1 ex i sa i a t t C C C t x C D x

57 Simple modeller 57 Ficks 2. lov kvadratrodsformlen ) ( erfc 2 1 ex i sa i r a t t C C C C D x i sa i r a C C C C C D K r 1 erfc 2

58 Simple modeller Ficks 2. lov kvadratrodsformlen x K ( t t ) r ex C Da t tex fås x r K r t 58

59 Simple modeller Kvadratrodsformlen x r K Hvis x måles i mm og t i år, så er enheden for K r K kaldes derfor undertiden for førsteårsindtrængningen r r mm/ år t 59

60 Simple modeller Kvadratrodsformlen x r K Hvis x måles i mm og t i år, så er enheden for K r K kaldes derfor undertiden for førsteårsindtrængningen r r mm/ år t 60

61 Test af kvadratrodsformlen t år x mm 0,67 8 2,1 12 5, , ,

62 Test af kvadratrodsformlen Indtrængningen ligner en kvadratrodsform 62

63 Test af kvadratrodsformlen God overensstemmelse 63

64 Test af kvadratrodsformlen Men K r er ikke konstant 64

65 Test af kvadratrodsformlen Når K r er ikke konstant, ændres forudsigelser, når nye data fås 65

66 Test af kvadratrodsformlen Når K r ikke er konstant, bliver forudsigelser mere usikre 66

67 Grundlæggende forhold Simple modeller Eksempler på observationer Kritisk kloridindhold Mere om emnet 67

68 Kritisk kloridindhold Kritisk tidspunkt 68

69 Kritisk kloridindhold, C cr I levetidsmodellen er den kritiske koncentration en afgørende parameter Fastsættelse af C cr kan endnu kun ske vha. skøn Der er ingen anerkendt målemetode En fælles definition er dog til debat 69

70 Kritisk kloridindhold, C cr Levetidsberegningers usikkerhed og pålidelighed hænger nøje sammen med ukendskabet til C cr Rapporterede data for C cr varierer med en faktor 10 fra ca. 0,2 til ca. 2 % af bindemiddelmassen Ukendskabet til C cr kan betyde dæklagsskøn for opnåelse af 120 års levetid fra 50 til 90 mm eller endnu større spænd 70

71 Kritisk kloridindhold, C cr RILEM TC-235 CTC havde til formål at definere en fælles metode til bestemmelse af C cr i laboratoriet RILEM TC-235 CTC er næsten afsluttet ingen nye resultater. Foreløbige konklusioner: En international prøvningsmetode skal defineres ud i alle hjørner Ståloverfladens betydning kan være undervurderet Litteraturdata for C cr er næppe bestemt korrekt 71

72 Kritisk kloridindhold, C cr Selve konceptet om, at der i praksis kan eksistere en nedre tærskel for kloridindhold i beton, hvor rustdannelsen starter, kan være galt. Men det har dog hidtil virket 72

73 Kritisk kloridindhold, C cr Hvad gør vi så længe vi ikke har data for C cr? Gætter som hidtil Støtter os til litteraturdata på trods af tvivl I 1997 samlede Palle Sandberg (ph.d-studerende hos CEMENTA) litteraturdata, gennemgik dem og fremstillede en tabel over skønnede værdier 73

74 Skønnede værdier for C cr Bindemiddelsammensætning Neddykket zone % Cl af bindemiddelmasse Plaskezonen Tøsaltpåvirket zone Atmosfærisk zone (marint miljø / tøsaltmiljø) w/b 0, % CEM I 1.5 % 0.6 % 0.4 % 0.6 % 5 % SF 1.0 % 0.4 % 0.3 % 0.4 % 10 % SF 0.6 % 0.2 % 0.2 % 0.2 % 20 % FA 0.7 % 0.3 % 0.2 % 0.3% w/b 0, % CEM I 2.0 % 0.8 % 0.6 % 0.8 % 5 % SF 1.5 % 0.5 % 0.4 % 0.5 % 10 % SF 1.0 % 0.3 % 0.2 % 0.3 % 20 % FA 1.2 % 0.4 % 0.3 % 0.4 % w/b 0,30 100% CEM I 2.2 % 1.0 % 0.8 % 1.0% 5% SF 1.6 % 0.6 % 0.5 % 0.6 % 10% SF 1.2 % 0.4 % 0.3 % 0.4 % % FA 1.4 % 0.5 % 0.4 % 0.5 %

75 Kritisk kloridindhold, C cr Tabellen er næppe sandheden. En syntese af litteraturdata. Kan være fejlbehæftede. Stemmer med vores viden i 1997: Iltfattige områder spås en højere værdi for C cr Rene cementbetoner spås højere værdi for C cr end beton med mikrosilica og flyveaske Lave v/b-forhold spås at have højere værdi for C cr end høje v/b-forhold 75

76 Kritisk kloridindhold, C cr Tabellen er næppe sandheden, men en syntese af litteraturdata, der kan være fejlbehæftede, men stemmer med vores viden i 1997: Iltfattige områder spås en højere værdi for C cr Rene cementbetoner spås højere værdi for C cr end beton med mikrosilica og flyveaske Lave v/b-forhold spås at have højere værdi for C cr end høje v/b-forhold 76

77 Grundlæggende forhold Simple modeller Eksempler på observationer Kritisk kloridindhold Mere om emnet 77

78 Mere om emnet Massevis af faglitteratur i form af foredrag, artikler, rapporter, bøger ret let at finde Problemet er at vælge et sted at starte Betonhåndbogen (og dette foredrag) giver en introduktion Foredraget på DBF-mødet den 27. april 2015 kan vise, hvor langt man kan nå God studielyst! 78

79 Tak for opmærksomheden 79