Ny metode til simulering af kloridindtrængning i beton. Erik Pram Nielsen Teknisk Konsulent, M.Sc., Ph.D.

Transkript

1 Ny metode til simulering af kloridindtrængning i beton Erik Pram Nielsen Teknisk Konsulent, M.Sc., Ph.D.

2 Hvorfor interesserer vi os for dette? 2 Primært ifm. anlægskonstruktioner Mindst 120 års levetid

3 Indhold 3 Baggrund Kloridindtrængning i beton modellen Vigtige parametre Kloridbinding Tæthedsudvikling Verificering Væsentlig anvendelse Konklusion Er dette en levetidsmodel?

4 Hvorfor interesserer vi os for dette? 4 Eksempel: Beton i havvand 4,5 cm [Cl - ] ~ 560 mm [Na + ] ~ 480 mm [Mg 2+ ] ~ 55 mm [SO 2-4 ] ~ 28 mm Kloridindhold i beton Efter 35 år Kloridtærskel værdi Dybde

5 Udvikling i branchernes udbudsmaterialer 5 Kloridindtrængningshastigheden er én uf ad mange parametre der indgår i den samlede vurdering af en betonkonstruktions forventede levetid I stigende grad stilles der holdbarhedsmæssige funktionskrav for vores større anlægsprojekter. Primært vedr. kloridindtrængningshastigheden. Typisk krav til egenskaber efter 28 og/eller 56 døgn Det er APs vurdering, at eksisterende modeller til simulering af kloridindtrængning ikke egner sig til at forudsige kloridindtrængningen i en beton på baggrund af disse tidlige funktionskrav. Denne model er udviklet for at svare på bl.a. Hvad betyder betonens tæthed de første 1-2 måneder i forhold til egenskaberne de efterfølgende 120 år?

6 Hvilken beton har længst levetid? 6 - tæthed + 28D 56D

7 Hvilken beton har længst levetid? 7 - tæthed Hvad er bedst? + 28D 56D ~3,5md ~20md

8 Indtrængning af klorider i beton primære parametre 8 Typisk anvendte modeller for kloridindtrængning Fejlfunktionsløsning Fick s 2. lov Eksponeringsmiljø Fysiske Reaktioner mellem egenskaber ioner i porevæske (bl.a. porøsitet) og binder i beton Forudsætter ingen interaktion mellem klorider og beton, samt konstante eksponeringsbetingelser!

9 Indtrængning af klorider i beton primære parametre 9 AP model: Diffusion løses numerisk! Koncentration af klorider Eksponeringsmiljø D for klorider i væske = 1,81x10-9 m 2 /s RF% % af klorider er bundne! Reaktioner mellem ioner i porevæske og binder i beton Fysiske egenskaber (bl.a. porøsitet)

10 Reaktion mellem klorider og hærdnet beton - kloridbinding 10

11 22 mg/g-binder Reaktion mellem klorider og hærdnet beton - kloridbinding 11 Denne udtrykkes sædvanligvis ved såkaldte Freundlich isotermer c tot = α c f β Kloridbindingsisoterm for LAVALKALI (25%FA+3%MS), v/c=0,41 På baggrund af kendt indtrængningsprofil α = 0,352 β = 0, g/l

12 Tæthedsudvikling 12 To typiske metoder i Skandinavien til accelereret prøvning af kloridindtrængning i beton NT BUILD 492 Måling varer 1-3 døgn! NT BUILD 443 Måling varer 35 døgn!

13 Tæthedsudvikling 13 Disse to testmetoder er designet til at give de samme værdier for diffusionskoefficienter. NT BUILD 492 NT BUILD 443 Mulighed for at oversætte migrationsværdi til klorindtrængningsprofil

14 Tæthedsudvikling 14 Beton med LAVALKALI (25%FA+3%MS) v/c = 0,41. D nssm (migrationskoefficienter, NT BUILD 492) målt til Modenhed, D nssm x10-12 m 2 /s døgn 62 4,0 Kan overføres til kloridprofiler iht. NT BUILD 443 (bemærk kloridkoncentration i væske er 16,5%) Kloridbinding D nssm = 4,0 x m 2 /s D = 36 x m 2 /s

15 Tæthedsudvikling 15 Tæthedsudvikling kan fastsættes på baggrund af målinger til forskellige terminer NT BUILD 492 Beregnet af modellen

16 Tæthedsudvikling 16 Den maksimale tæthed af en beton kan også skønnes ved: Powers model for mikrostrukturudvikling Kombineret med kompositteori. Metoden er udviklet i 1990 erne af Ole Mejlhede Jensen i samarbejde med Per Freiesleben Hansen og Lauge Fuglsang-Nielsen

17 Tæthedsudvikling 17 Powers model for mikrostrukturudvikling i cementpasta (tilpasset af Per Freiesleben og Ole Mejlhede Jensen) Hydratiseringsgrad, α fra 0 til 100% (her sættes til 100%) Initial porøsiteten, p p = (v/c) ækv / ((v/c) ækv + ρ w /ρ binder ) - ρ w er densitet af vand, ρ binder er densitet af binder, og (v/c) ækv er den ækvivalente vandcementtal. Volumenandel af gelvand, V gw Volumenandel af kemisk svind, V cs Volumenandel af kapillarvand, V cw Volumenandel af ureageret cement, V ce Volumenandel af gelstof, V gs Volumenandel af mineraler der ikke er C-S-H gel, V CH V CH = α x 0,15 (typisk) Effektiv diffusion af klorider i gel-matrix (V gs + V gw + V ce ), D gw D gp (effektiv diffusionskoefficient af klorider i gel-proper, V gs +V gw -V CH ). Denne værdi blev foreslået til 4,6x10-12 m 2 /s af Garboczi og Bentz i Materials and Structures 25 (1992). Dette svarer til 1/400 af kloriders effektive diffusionskoefficient i vand (D cw =1,81 x10-9 m 2 /s) Effektiv diffusion af klorider i cementpasta. D p Denne ligning af foreslået af Lauge Fuglsang Nielsen. n = D cw /D gm og c = V cw + V cs Effektiv diffusion af klorider i beton, D eff Denne ligning er foreslået af Maxwell. Og kompenserer for at tilslag og luftporer ikke er tilgængelig for diffusion af klorider. ɸ er volumenandelen af tilslag og luft i betonen

18 Tæthedsudvikling 18 Den maksimale tæthed af en beton kan også skønnes ved: Powers model for mikrostrukturudvikling Kombineret med kompositteori Metoden er udviklet i 1990 erne af Ole Mejlhede Jensen i samarbejde med Per Freiesleben Hansen og Lauge Fuglsang-Nielsen Fra tidligere slide er D ( uendelig ) skønnet til 4,4 x m 2 /s Ved beregning iht denne model bliver D ( uendelig ) lig 4,47 x m 2 /s

19 Verificering 19 LAVALKALI beton med 25% flyveaske og 3% mikrosilica Modenhed, D nssm x10-12 m 2 /s døgn 28 12,2 62 4, ,5 Kloridbindingsisoterm, C tot = 0,352 c f 0,684 Sammenlignelig beton, eksponeret i 14 g/l havvand i 20,5 år

20 Verificering 20 LAVALKALI beton med 25% flyveaske og 3% mikrosilica Modenhed, D nssm x10-12 m 2 /s døgn 28 12,2 62 4, ,5 Kloridbindingsisoterm, C tot = 0,352 c f 0,684

21 Verificering 21 LAVALKALI beton med 25% flyveaske og 3% mikrosilica Modenhed, D nssm x10-12 m 2 /s døgn 28 12,2 62 4, ,5 Kloridbindingsisoterm, C tot = 0,352 c f 0,684 Fejlfunktionsløsningen overestimerer effekten af tidlige transportparametre

22 Væsentlig anvendelse 22 Hvad betyder det for kloridindtrængningen i betonens levetid, at konstruktionen er udsat for klorideksponering før tiltænkt? at betonen har en langsom tæthedsudvikling i forhold til anden beton der sammenlignes med? Eksempel Fiktive D nssm ved NT BUILD 492, for to betoner: x10-12 m 2 /s Modenhed, døgn Beton Lav tidlig D nssm Beton Høj tidlig D nssm 28 4,9 20,1 62 1,6 6, ,6 2,5 uendelig 0,55 0,55 Eksponeret i havvand med 14 g/l klorid, 14 dage efter støbning

23 Væsentlig anvendelse 23 3 mm forskel

24 Væsentlig anvendelse 24 3 mm forskel < 1 mm forskel (Husk: dæklagstolerance er ±5 mm)

25 Konklusion 25 For betoner designet til lang holdbarhed diffusionskoefficienter de første 2-3 måneder har forsvindende lille effekt på levetiden. Tæthed ved fremskreden hærdning er altafgørende for levetiden Skal der stilles funktionskrav? I så fald, ville 6, 8 eller 12 måneders terminer vise sig langt mere retvisende for konstruktionens holdbarhed

26 Er dette en levetidsmodel? 26 NEJ Der er FULD mangel på enighed omkring forskellige bindersammensætningers kritiske kloridtærskelværdi (ikke kun i DK, men også globalt) Derfor, kan eksisterende modeller kun anvendes til at sammenligne transportmekanismer og transporthastigheder, men kan ikke bruges som endelig svar på en betonkonstruktions levetid i forhold til kloridinitieret armeringskorrosion medmindre: Modellerne anvendes på velkendte betoner, der erfaringsmæssigt (gennem flere årtiers eksponering og opfølgning) har opnået veldokumenterede egenskaber i forhold til kloridinitieret armeringskorrosion i relevante» eksponeringsmiljøer» klimatiske forhold Det kan være ganske farligt, at basere konklusioner omkring en betonkonstruktions levetid udelukkende på kloridindtrængningshastigheden.