DBF-arrangement: Vinterforanstaltninger Frost og beton Marianne Tange Hasholt Lidt historik SBI anvisning nr. 2 Foreløbig vejledning i betonstøbning om vinteren 1948 Interesse i at overvinde hindringer for vinterbyggeri, fordi: Uøkonomisk at mekaniske hjælpemidler skal ligge stille i flere måneder Arbejdskraften er blevet mere specialiseret og kan derfor dårligere finde beskæftigelse andetsteds i vintermånederne 2 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 1
Lidt historik SBI anvisning nr. 2 Foreløbig vejledning i betonstøbning om vinteren Baseret på: Forsøg (bl.a. på DTH og F. L. Smidth) Forsøgsbyggerier (bl.a. Statsbanerne) 1948 3 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet Lidt historik SBI anvisning nr. 2 Foreløbig vejledning i betonstøbning om vinteren 1948 4 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 2
Tryk [atm] Dagsorden Frostskader Isdannelse generelt - fasediagram - underafkøling Sådan ser skaderne ud efter frysning af beton i tidlig alder Skader, når vel-hærdnet beton fryser Skader opstår få dage efter støbning Skader opstår i hærdnet beton 5 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet Isdannelse generelt Fasediagram for vand Bemærk! Her skifter akseinddelingen Temperatur [K] 6 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 3
Tryk [atm] Isdannelse generelt Fasediagram for vand is flydende vand vanddamp Temperatur [K] 7 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet Isdannelse generelt Underafkøling Underafkøling opstår, fordi der skal etableres en overflade, der skiller vand og is. Det svarer termodynamisk set til, at der skal udføres et arbejde. Når temperaturen er under frysepunktet, har is et lavere energiniveau end flydende vand, men iskrystaller kan kun dannes, hvis energiforskellen kan opveje det arbejde, der kræves for at skabe overfladen mellem faser. 8 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 4
energi [J] Isdannelse generelt Underafkøling 5 10-18 radius [nm] -5 10-18 -30 C -20 C -10 C 9 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet Isdannelse i jord Prøv at google soil heaving (frost hævning) Årsag: De første iskrystaller i jorden dannes umiddelbart under belægningen, da afkøling sker fra overfladen. Disse iskrystaller tiltrækker vand fra omgivelserne, og kan derfor vokse til en anseelig størrelse. 10 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 5
Isdannelse i jord Om jord er frostfarlig afhænger af kornkurven Figur 5 i SBI anvisning 17 11 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet Isdannelse i frisk/ung beton Først Senere Hydratiseringsprodukter vand cement korn vand uhydratiseret cement Figur 10 i SBI anvisning 125 12 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 6
Isdannelse i frisk/ung beton Skadesbilledet Påfuglespor! 13 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet www.fhwa.dot.gov Isdannelse i frisk/ung beton Skadesbilledet 14 Foto: Kirsten DTU Byg, Eriksen, Danmarks COWI Tekniske Universitet 7
Frostskader i hærdnet beton Skade i form af overfladeafskalning 0 frost/tø-cyklusser 28 frost/tø-cyklusser 56 frost/tø-cyklusser S. Laustsen: Engineered air-entrainment of concrete, phd thesis (2011) 15 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet Frostskader i hærdnet beton Skade i form af indre revnedannelse 28 frost/tø-cyklusser 56 frost/tø-cyklusser S. Laustsen: Engineered air-entrainment of concrete, phd thesis (2011) 16 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 8
Frostskader i hærdnet beton Årsagen Det handler om vand, der fryser til is Vand udvider sig ca. 9%, når det omdannes til is. Hvis temperaturen i en lukket beholder med vand og is sænkes fra 0 til -1 C, stiger trykket 13,6 MPa. Mættet beton vil sprænges, hvis den udsættes for frost (svarende til frysning i en lukket beholder). Men der ses også frostskader i beton, der ikke er mættet, og hvor der i princippet er plads til den ekspansion, der følger af faseomdannelsen. 17 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet Frostskader i hærdnet beton Årsagen Endnu har ingen teori formået at forklare alle observationer. Isdannelsen finder sted i et meget komplekst system: Underafkøling, dvs. isdannelse sker i et system, der ikke er i ligevægt Adsorberet vand den ekstra vandfase der ikke er frysbart ved normale temperaturer. Frysepunktet sænkes i meget små porer 18 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 9
Frostskader i hærdnet beton Frostbestandighed opnås ved passende lavt v/c-forhold (typisk < 0,50) passende luftporestruktur (afstandsfaktor < 0,20 mm) 19 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet Konklusion Hvis der dannes is i betonen i tidlig alder - dvs. før betonen har opnået væsentlig styrke - vil iskrystaller danne blivende aftryk i betonen. I så fald vil disse påfuglespor betyde en permanent svækkelse af betonens styrke og holdbarhed. For at undgå frostskader som følge af frysning i tidlig alder, skal man - forudsige, hvor længe betonen er i tidlig alder (perioden, hvor risikoen for dannelse af påfuglespor er til stede) - sørge for, at betonens temperatur ikke kommer under 0 C, før den kan tåle det. Der kan også opstå frostskader i hærdnet beton, men de har en anden karakter, og skadesmekanismen er anderledes. 20 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 10
Reference SBI-anvisning 125 er udsolgt fra forlaget, men den kan hentes gratis på www.danskbyggeskik.dk eller Teknologisk Instituts hjemmeside (Teknologisk Institut genudgav anvisningen med få rettelser i 1999) 21 DTU Byg, Danmarks Tekniske Universitet 11