Værktøjer til beregning af chloridindtrængning i beton Søren L. Poulsen, konsulent, Teknologisk Institut, Beton IDA temaaften på Navitas: Tunneller, alternativ armering og chloridindtrængning i beton, 17. november 2015
Nedbrydningsmekanismer i betonkonstruktioner Nedbrydningsmekanismer: Armeringskorrosion pga. chlorider Armeringskorrosion pga. karbonatisering Alkali-kisel-reaktioner Sulfat-angreb Frost/tø-påvirkninger Udmattelse forårsaget af dynamisk belastning Andre mekanismer
Chloridindtrængning i beton Havvand Beton Armeringsstål CL CL - - CL - CL - CL -
Chloridkonc. (vægt% af cement) Måling af chloridprofiler Betonprøve 6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Dybde (mm)
Chloridindtrængning i beton Havvand Beton Armeringsstål Chloridtærskelværdi for korrosionsstart Chloridindhold i beton Dybde
Modellering af chloridindtrængning: Collepardis model Matematisk model for chloridindtrængning i beton: C x,t = C i Cs C i erf x 4 D t C x,t = chloridkonc. i dybden x til tiden t C i = initiel chloridkoncentration i betonen Cs = chloridkoncentration ved betonoverfladen erf = fejlfunktionen D = diffusionskoefficient for chlorid-ioner Chloridindhold i beton Dybde
Modellering af chloridindtrængning: Collepardis model C x,t = C i Cs C i erf x 4 D t Kilde: Wikipedia. C i
Modellering af chloridindtrængning: Collepardis model C x,t = C i Cs C i erf x 4 D t C s Kilde: Wikipedia. C i
Modellering af chloridindtrængning: Collepardis model C x,t = C i Cs C i erf x 4 D t Diffusionskoefficienten D beskriver henfaldet af det beregnede chloridprofil C s Kilde: Wikipedia. C i
C S og D: Konstante eller tidsafhængige parametre? I Collepardis model antages C S og D at være konstante C S og D kan dog mere præcist opfattes som tidsafhængige parametre, i det mindste gennem de første 5 10 års chlorideksponering
C S og D: Konstante eller tidsafhængige parametre? Tidsafhængigheden af D inkluderet i de fleste modeller til beregning af chloridindtrængning i betonkonstruktioner (dvs. levetidsmodeller). Tidsafhængigheden af D udtrykkes typisk gennem en potensfunktion, f.eks.: tex ageing factor Da t = D aex t
HETEK-modellen Empirisk og deterministisk model for chloridindtrængning i beton. Träslövsläge Kaliberet mod 39 forskellige betontyper fra den marine eksponeringsplads ved Träslövsläge i Sverige. Eksponeringstider på op til 20 år. Anvendelig for følgende eksponeringsmiljøer: Marin atmosfærisk zone Marin splash zone Neddykket i havvand
HETEK-modellen Indtrængningsmodellen repræsenterer en analytisk løsning til Ficks 2. lov, hvor både C S og D indgår som tidsafhængige parametre. Den traditionelt anvendte fejlfunktionsløsning er erstattet af nogle generaliserede fejlfunktioner, de såkaldte Mejlbro p funktioner.
HETEK-modellen Fordele Tidsafhængigheden af både C S og D tages i regning. Som input har modellen kun brug for oplysninger om betonsammensætning og eksponeringsmiljø. Begrænsninger Modellen er stærk afhængig af gode måledata for det givne eksponeringsmiljø og den givne betontype, man ønsker at modellere chloridindtrængning for. Ingen kommerciel software er tilgængelig. Baseret på kompleks matematik (kan måske anses som lidt af en black box ). Er kalibreret mod betoner med bindere indeholdende flyveaske og/eller mikrosilica, men ikke mod betoner med slagge.
fib Mode Code for Service Life Design Baseret på tidligere arbejde i det europæiske projekt DuraCrete (1996-1999). Inkluderer fire forskellige tilgange til levetidsdesign: Fuldt probabilistisk Semi-probabilistisk (deterministisk) Deemed-to-satisfy Avoidance of deterioration Inkluderer modeller for følgende nedbrydningsmekanismer: Chlorid-initieret armeringskorrosion Karbonatiserings-initieret armeringskorrosion Frost/tø-påvirkning
Reliability index β fib Mode Code for Service Life Design: Eksempel på probabilistisk levetidsdesign Figur fra Bertolini et al. (2013) 55 mm dæklag kræves for at opnå en levetid på 50 med et reliability index på 1.29 Tykkelse af dæklag (mm) Gennemsnitlig dæklagstykkelse i armeret betonelement, der skal til for at garantere en levetid på 50 år plottet mod reliability index (Eksponeringsforhold: Splash zone, årlig gennemsnitstemp. på 20 C)
fib Mode Code for Service Life Design Chlorid-initieret armeringskorrosion Limit state-ligning for initiering af armeringskorrosion: C crit = C x=a,t = C 0 + C s, x C 0 a x 1 erf 2 D app,c t Modificeret version af fejlfunktionsløsningen til Ficks 2. lov. Konstant C S og tidsafhængig D: D app,c k e D RCM k t t t 0 n Ageing factor Migrationskoefficient for chlorid
fib Mode Code for Service Life Design Fordele Inkluderer forskellige typer af nedbrydningsmekanismer Kan anvendes for en række af forskellige eksponeringsmiljøer. Begrænsninger/ulemper Empiriske modeller kræver store databaser for at være pålidelige i alle tilfælde. Kræver gennemførelse af laboratorietest med den given betontype for at opnå gode inputdata til modellen. Modellen er meget følsom over for selv små ændring i vise af modelparametrene, f.eks. ageing factoren.
Chloridkonc. (wt% af cement) Eksempel fra Alssundbroen Chloridprofiler målt på Alssundbroen efter 31 års eksponering i havvand. Kilde: Wikipedia. Sammenligning med beregnet chloridindtrængning 6 5 4 3 2 Målte data (kerne A2) Målte data (kerne A4) HETEK fib Model Code for Service Life Design 1 0 0 25 50 75 100 125 150 Dybde (mm)
Forslag til ny model for chloridindtrægning Resultater fra betonkonstruktioner marine eksponeringsmiljøer: Chlorid-diffusionskoefficienter bliver mere eller mindre konstante efter 5 til 10 års eksponering. Foreslået ny model for chloridindtrængning i beton: Mere simpel tilgang uden anvendelse af en ageing factor. Indtrængningen modelleres ved en simpel lineær relation mellem indtrængningsdybden og kvadratroden af eksponeringstiden. Kan benyttes til at estimere levetiden for betonkonstruktioner i marine miljøer.
Chloridkonc. [vægt% af betonvægt] x 0,05 [mm] Forslag til ny model for chloridindtrængning Beton 12-35 fra Träslövsläge, Sverige Eksponeringsmiljø: Neddykket i havvand Binder: 85% PC + 10% flyvaske + 5% mikrosilica 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 20,6 y 10,2 y 5,23 y 2,07 y 0,67 y 140 120 100 80 Neddykket Lineær (Neddykket) x 0.05 = a Cr t + b Cr 0.4 60 y = 6.6666x + 8.3004 0.3 40 0.2 0.1 20 0.0 0 10 20 30 40 50 60 0 0 5 10 Dybde [mm] Eksponeringstid [år ½ ]
Forslag til ny model for chloridindtrængning x Cr = a Cr t + b Cr C r = referencekoncentration af chlorid, f.eks. 0.05 %Cl af beton a Cr = indtrængningsrate af referencekoncentration (C r ) når en konstant indtrængningssituation er opnået b Cr = sum af yderligere indtrængning hidrørende fra f.eks. hurtig tidlig indtrængning pga. initiel kapillarsugning og forhøjet permeabilitet i tidlig alder
Levetidsberegninger for hypotetisk beton med ny model t = x C r b Cr a Cr C r = C crit (chloridtærskelværdi) 2 t = levetid [år] 60 50 40 30 20 a Cr = 12 mm/ år b Cr = 7 mm x Cr = x Ccrit = tykkelse af dæklag af beton over armeringsstålet t = levetid indtil begyndende armeringskorrosion 10 0 0 20 40 60 80 100 Dæklagstykkelse = x Cr [mm]
Chloridkoncentration (%Cl af binder) Forslag til ny model for chloridindtrængning: Eksempel 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 Betontype H8 fra Träslövsläge (80 cement + 20% flyveaske) 20 år 10 år 5 år 2 år 1 år Ny model 1.0 0.5 0.0 1 2 5 10 20 100 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Dybde (mm) Modellen er kalibreret med data fra de viste profiler efter 1, 2 og 5 år.
Forslag til ny model for chloridindtrængning Nærmere beskrivelse af modellen i Magasinet Beton, nr. 1, februar 2015, s. 12-15.
Tak for opmærksomheden!