Föreläsning 13/2 2012 i "Betong i ett Livscykelperspektiv". Föreläsare Lars-Olof Nilsson,...
-
Upload
svenska-betongfoereningen -
Category
Technology
-
view
592 -
download
2
Transcript of Föreläsning 13/2 2012 i "Betong i ett Livscykelperspektiv". Föreläsare Lars-Olof Nilsson,...
1
Byggnadsmaterial BLCP 2009/L-O Nilsson 10 Armeringskorrosion
Korrosion!
Lars-Olof Nilsson LTH-Byggnadsmaterial
Föreläsning 13/2 2012 i ”Betong i ett Livscykelperspektiv”
Foto: Ralejs Tepfers
Byggnadsmaterial BLCP 2009/L-O Nilsson 10 Armeringskorrosion
Byggnadsmaterial BLCP 2009/L-O Nilsson 10 Armeringskorrosion
Armeringskorrosion
• Ingjutet stål passiverat av högt pH (>13.5) • Passiveringen kan brytas av
1. Karbonatisering XCO3(t) ≥ Xstål (Ca(OH)2 +CO2 →CaCO3 + H2O)
pH ≥12.5 pH <10
2. Kloridinträngning Cl(x=Xstål, t) > Clcr Cl(x, t) (kräver en särskild genomgång!)
Byggnadsmaterial BLCP 2009/L-O Nilsson 10 Armeringskorrosion
Definition av livslängd (m a p armeringskorrosion)
Tuutti (1982)
Byggnadsmaterial BLCP 2009/L-O Nilsson 10 Armeringskorrosion
Korrosionsmekanismen
Byggnadsmaterial BLCP 2009/L-O Nilsson 10 Armeringskorrosion
CO3-initiated
Cl-initiated
w/C=0.4
w/C = 0.4 w/C=0.7
w/C=0.7
Korrosionshastigheter i betong
Tuutti (1982)
2
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Korrosionsmotstånd i betong
0.1
1
10
100
50 60 70 80 90 100
RHair [%], annual average
Para
met
er v
alue
s of
sL
N(m
ean,
SD,s
hift)
mean
SD
RF [%] i täckskiktet
Korrosions-motstånd[i förhållande till vid 100% RF]
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Karbonatisering
• Diffusion av CO2– motstånd av tätt,
vått, välhärdat porsystem
• Reaktion CO2+ CaO– mängd CaO
=f(C, α etc.)
RF(t)armering
xCO3
mikro-klimat
relevant förkorrosion
relevant förkarbonatisering
CO2
RF(t)armering
xCO3
mikro-klimat
relevant förkorrosion
relevant förkarbonatisering
CO2
CO2
CO3
x
2/12/1)/( taDkx ⋅⋅=
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Modell för karbonatiseringsdjup
dtx
cDdtqc
COCO ⋅−
=⋅0
22
cdxa ⋅qCO2
CO3
xc dxc
a=CaO
På tiden dt tränger mer CO2 in till frontenpå djupet xc
Den mängden ökar karbonatiseringsdjupetmed
Likhet ger
Vilket integrerat från 0 till t blir
cdt
acD
dxxdtx
cDdxa COcc
cCOc ⋅
⋅=⋅⇔⋅
−=⋅ 2
2
0
ta
cDX
dta
cDdxx
COc
tCO
cc
X c
⋅⋅⋅
=
⋅⋅
=⋅ ∫∫
2
2
200
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Koldioxiddiffusionskoefficienten Dc
( )5105.4 )(1 xCBDc ϕε −⋅⋅⋅=
B är en koefficient, uppskattad till 6.8 •10-9, efter kalibrering mot fältdata
ε är kapillärporositeten,
C är cementhalten och
ϕ är relativa fuktigheten i täckskiktet
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Fuktberoendet hos Dc
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
50 60 70 80 90 100
RF[%]
D c [*
1E-9
m2 /s
]
vct 0.4, C= 440 kg/m3,
alfa=0.7
FUKT blockerar!
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Mängd karbonatiserbar kalk a
[ ]32 /54.063.0 2 mkgCOC
MM
CaCaO
CO ⋅⋅=⋅⋅⋅= αα
andelen CaO i cementet (ca 63 %), cementhalten C och andelen hydratiserat cement α
3
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Karbonatiseringsmodell enligt CEB & DuraCrete
n
cc t
tta
cDkkkX ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅⋅
Δ⋅⋅⋅⋅⋅= 03212
Xc är karbonatiseringsdjupet [m],
Dc är diffusionskoefficienten för koldioxid [m2/s],
Δc är koldioxidkoncentrationen i omgivande luft [kg/m3]
t är exponeringstiden [s],
t0 är en referenstid, betongens ålder då Dc mätts,
a är mängden koldioxid som åtgår för karbonatisering [kg/m3betong],
n är en klimatparameter
k är parametrar för hänsyn till klimat, härdning och använd testmetod.
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Parametervärden
00.20.40.60.8
11.21.41.61.8
50 60 70 80 90 100
RH [ +10%]
k1
T=+5°CT=+20°CT=+35°C
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
50 60 70 80 90 100
RH[ +10%]
n
T=+5°CT=+20°CT=+35°C
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 500 1000 1500Rain periods [h]
k1
80 % RH
65 % RH
00.020.040.060.08
0.10.120.140.160.18
0 500 1000 1500
Rain pe riods [h]
n
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Karbonatiseringsdjup f(vct, fukt)
Tuutti (1982)
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Kloridinitierad korrosion. Avgörande faktorer:
C(xc,t) ≥ Ccr ?
Cenv
xCl-
xc
Tröskelnivå:
[Cl-] vid ytan:
Cl--transporthastighetDa= D/R=diffusionskoeff./bindningskapacitet
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Tröskelvärden för korrosion
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Tröskelvärden för korrosion
0.01
0.1
1
10
1 10 100
Ccr g/l
[OH
]
Hausmanns [Cl]/[OH]=0.6
4
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Kloridbindning
Total Cl
BoundCfree
Depth
Cfree
Free
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Chloride binding/interaction concepts”Free” - ”Bound”
Chloridebinding:
[Free Chloride], cf [g/l]
Total
Bound
Ctot
”free” – ”bound”?
Free
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Chloride binding/interaction conceptsChloride Binding =f(gel)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Free Chloride (mol/l-solution)
Bou
nd C
hlor
ide
(mg/
g-ge
l)
w /c = 0.4 OPC paste
w /c = 0.6 OPC paste
w /c = 0.8 OPC paste
c:s:w =1:2:0.4 mortar
c:s:w =1:2:0.6 mortar
c:s:w =1:2:0.8 mortar
Tang & Nilsson (1993)
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Chloride binding/interaction conceptsChloride binding = f´(pH)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
[ ]ln
CC
b
b OH ini
[ ][ ]OHOH ini
y = 0.59(1-x)r2 = 0.998
Data from Tang & Nilsson (1995)
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Kloridtransport
• Traditionellt, Fick’s 1:a lag
• Idag
• med konvektion
dxdcDq FCl 1−=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++−=
dxdVc
RTFz
dxad
cdxdc
Dq iii
ii
iClln
liiii
ii
iCl qcdxdVc
RTFz
dxad
cdxdc
wDq ⋅+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ++−=
ln)(
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
cf
Cb
wvRH
Two Mass Balances, and several relations
vapour
freechloride
liquidwater
boundchloride
5
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Predictions of ”Wick Action”
0
5
10
15
20
25
30
0 20 40 60 80 100
Depth [mm]
Cl to
t (x,
t) [k
g/m
3 ]
RHcr = 90%Predictions are extremelysensitive to the division of total moisture flow into liquid and vapour flow.
A larger portion of the total moisture flow is vapour flow
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Prognosmodeller
“Scientific” (mass-balance models)
• D(c, T, w, α, t?), x, etc.)• cb(c, pH, T, w, α, etc.)• ql (drying/wetting, wicking)
c(x=0, t)?w(x=0,t)?
“Empirical” (curve-fitting field data)
• Dapp(t) • Cs(t) Dapp(t, local environment)Cs(t, local environment)
Extrapolating empirical data?Verification?
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
ERFC(x,t)
Är lösningen till ”Fick’s 2:a lag”:
2
2
22
11
dxCdD
dxdCD
dxd
dxdC
dcdCD
dxd
dxdcD
dxdq
dxd
dtdC
totF
totF
tot
tot
FFCl
tot
≈=
=⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⋅==−=
om- andra joner försummas!- DF2 är konstant, dvs DF1 & dC/dc är konstanta!
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Fick’s two ”Diffusion coefficients”
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
+=
cc
p
DD
bsol
FF
1
12
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Empiriska Modeller 1970-1990
• Fick’s 2a lag, erfc-lösningen:
Två regressionsparametrar:• Da (=const) (“diffusionskoefficient”) “Apparent”
• Csa (=const) (ytkloridkoncentration”)
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⋅⋅=
tDxerfcCtxC
asa 2
),(BMV-komp., Fukt Del III(med Csa=C1, Da=δeff)
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
ERFC(x,t)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
Depth x [m]
Dt = 0.000050.0002
0.0005
0.002
0.005
c(x, Dt)/c 1 0.001
1007 a
C(x,t)/Cs
Djup [m]
Da·t
6
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Testmetoder
Stationära• Diffusionscell• Migrationscell
Icke-stationära• Immersion tests• Migrationsmetod
(NtBuild 492)
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
KurvpassningH5.Su.1, 5 years
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20 25 30Depth [mm]
Cl [
% b
y w
eigh
t of c
oncr
ete]
Cl(x) [% of Concrete]
H5.Su.1, 5 years
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20 25 30Depth [mm]
Cl [
% b
y w
eigh
t of c
oncr
ete]
Cl(x) [% of Concrete]
Cs=0.55%, Da=2.12·10-13 m2/sCorrelation = 0.995
Cs=0.46%, Da=2.85·10-13 m2/sCorrelation = 0.994
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Kurvpassning, cont.H5.Su.1, 5 years
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30Depth [mm]
Cl [
% b
y w
eigh
t of b
inde
r
Cl(x) [% of Binder]
Cs=2.97%, Dapp=4.04·10-13 m2/sCorrelation= 0.94
Cs=5.45%, Dapp=1.72·10-13 m2/sCorrelation = 1.00!
H5.Su.1, 5 years
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30Depth [mm]
Cl [
% b
y w
eigh
t of b
inde
r
Cl(x) [% of Binder]
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Kloriddiffusionskoefficient
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85
w/C
DC
TH[1
0-12 m
2 /s]
OPCSiFAFA+Si
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Kloriddiffusionskoefficienter
0123456789
10
0.25 0.3 0.35 0.4 0.45w/B
DC
TH[1
0-12 m
2 /s]
OPCSiFAFA+Si
Silika viktig!
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Empiriska modeller under 90-talet
Tidsberoende Da!
α
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
tt
DD exaexa
Achieved diffusion coefficient, 0.6-5 years
y = 1E-12t-0.4162
y = 1E-12x-0.523
1.E-13
1.E-12
1.E-11
0.1 1 10 100Age, t [years]
Da(
t)
BinderConcreteFit ConcreteFit Binder
(fler Regressions-parametrar)
7
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Models A1b: ERFC-model, Da(t) & Csa const.
xCD
tC
F 2
2
2 ∂∂
=∂∂
xCDq FCl ∂∂
−= 2 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⋅⋅=
tDxerfcCtxC
asa 2
),(
C(x=0,t)=Csa=const
α
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
tt
DD exaexa
n
ceRCMte tt
kkDkD ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⋅⋅⋅⋅= 0
0,Da
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Are the causes of Transport Processes in concrete!Transport Processes cannot be predicted without Boundary Conditions!f(location, orientation, distance, time etc.)Who’s “responsibility”?One concrete in twolocations?
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
0 5 10 15 20 25 30 35Depth [mm]
Cl/c
emen
t [w
eigh
t-%]
Banyuls s/Mer (8 m) [F]Banyuls s/Mer (24.5 m) [F]Cascais [P]Dubai [UAE]Eastern Scheldt [NL]Hirtshals [DK]Hvalfjørdur [IS]Kjøpsvik [N]Källahamn [S]La Rochelle (S) [F]La Rochelle (T) [F]Skanör [S]Träslövsläge [S]
Boundary Conditions/Environmental Actions
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Marin vs. Vägmiljön
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 10 20 30 40
Depth [mm]
Cl [
wt-%
of c
oncr
ete]
3-50 U1
3-50 P1
3-50 A1
207 BK1
w /B=0.50, 5%Si; 2 years
Rv4
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 10 20 30
Depth [mm]
Cl [
wt-%
of c
oncr
ete]
H4 U1
H4 P1
H4 A1
206 DK6
w /B=0.40, 5%Si; 2 years
Rv
w/B=0.50 w/B=0.40
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Chloride exposure on a vertical surface at Rv40winter 1995-1996 (Total 869g Cl/m2 of road)
Chloride Expossure by RV40Winter1995 - 1996
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 100 200 300 400
Cl absorption, g/m2
Hei
ght f
rom
the
grou
nd, m
Wirje Spring 96
Wirje Autumn 96
Tang Nov. - Feb
0.78 m
0.76
m
0.45
m
0.61
m1.
22 m
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Chloride exposure on a vertical surface at Rv40winter 1995-1996 (Total 869g Cl/m2 of road)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5
Height [m]
Total chloride content [g/m2]
Wet zone
Dry zone
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Build-up and wash-off in road structures during winter and summer seasons
236 D (3-6)F
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 10 20 30 40 50 60
Depth (mm)
Cl [
% p
er S
ampl
e]
Feb
March
April
May
Oct
236 D (3-6)Ö
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 10 20 30 40 50 60
Depth (mm)
Cl %
Per
Sam
ple
Feb
March
April
May
Oct
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 10 20 30 40 50 60D epth [m m ]
Chl
orid
e [w
t-% o
f sam
ple]
C l% (feb)C l% (m ars )C l% (april)C l% (m aj)ju li "år2"C K 6juli "år2"D 1
C onc rete 236 D (3-6)F
8
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Øresundsbetongen: 2 år + 5 årsdata
H4
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
0 10 20 30 40 50 60
Depth [mm]
Chl
orid
e [w
t-% o
f bin
der]
5y2y0-50TL2y50-1001y.0.6y.
Submerged!
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40 50
Djup [mm]
Klo
ridha
lt, s
om C
l/C [v
ikt-%
]
Ö.Su.1 Anl vct 0.40Ö.Su.2 Anl vct 0.40H4.Su.1 Anl vbt 0.40 5%Si slurryClkrit/Cement (%) Anl vct 0.40Clkrit/Cement (%) Anl vbt 0.40 5%Si
5års exponering i Träslövsläge
utan Silika
5 % Silika
Inverkan av 5 % silika
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Danska vägbroar, pelare
0
10
20
30
40
4 5 6 7
Square root of age [√year]
x0.05 [mm]
<2m side>2m side>2 m facing trafficmiddle of road
20-0085Built 1963
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 20 40 60 80Depth (mm)
Chloride content(% by dry concrete mass)
May 1996 south 30 cm
May 1996 west 7 cm
May 1996 west 67 cm
March 1991south 30 cm
14-0036Built 1956
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 20 40 60 80Depth (mm)
Chloride content(% by dry concrete mass)
1.0 m 911002 N1.0 m 920520 N1.0 m 920520 S1.3 m 960618 S1.3 m 960618 N0.25 m 960618 N1.9 m 960618 N1.0 m 911002 S
X0.05[mm]
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
7 svenska vägbroar, 30 år gamla
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
0 20 40 60 80 100 120 140Djup [mm]
Cl/C
aO [%
]
SB O-978 KS-1SB O-978 KS-2SB O-978 KU1SB N-434 OK ovansidaSB N-434 OK Sida3SB N-434 OK Sida2SB N-434 OK Sida1SB O-670 KK +RHSB O-968/707 OKOSB O-762 SK +RHSB O-832 TK +7
Kantbalkar
Clkrit
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
40+ betonger, 2 års exponeringBTB: Chloride Profiles summer 1998
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 10 20 30 40 50 60
Depth [mm]
Cl/C
aO [w
t-%]
204 BK1 207 BK1208 BK1 209 BK1211 BK1 213 BK1217 BK1 221 BK1224 BK1 226 BK1227 B K1 228 BK1230 BK1 231 BK1300 BK1 301 BK1303 BK1 306 BK1205 K1 210 K1212 K1 214 K1215 K1 216 K1218 219 K1220 K1 222 K1223 K1 225 K1229 K1 232 K1302 K1 304 K1305 K1 202 CK1236 CK6 236 D1201 DK6 206 DK6201 E1 206 E1203 GK1 SIDA305 21
Cl [%]
Djup [mm]
Byggnadsmaterial BLCP 2007/L-O Nilsson 15 Armeringskorrosion
Norskt SRPC-cement + flygaska0-2 års exponering i vägmiljö
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0 10 20 30 40 50 60
Depth [mm]
Chl
orid
e [w
t-% o
f sam
ple]
Cl%(feb)Cl%(mars)Cl%(april)Cl%(maj)juli "år2"K1juli "år2"21
Concrete 305 2 (3-6)F
12-02-09
1
© Copyright SIS. Reproduction in any form without permission is prohibited.
Betongkonstruktioner – Täckande betongskikt Concrete structures - Concrete cover!Förord!Denna standard är framtagen av TK 84/AG 2 Betongkonstruktioner i samarbete med TK 45 Betong. Den är fastställd efter allmän remiss och notifiering till CEN.
Tabell 2. Minsta täckande betongskikt i mm !med hänsyn till maximal sprickbredd och !korrosionsskyddet för föga korrosionskänslig !armering
1) Angivna täckande betongskikt gäller för en kloridkoncentration i havet av högst 1,0 % (ostkusten). För högre kloridkoncentrationer fastställs de täckande betongskikten i varje enskilt fall.
Expone-rings-klass Max
vctekv Minsta täckande betongskikt i
L 100 L 50 L 20 X0 - - - - XC1 0,90 15 10 10
0,60 10 10 10 XC2 0,60 25 20 15
0,55 20 15 10 0,50 15 10 10
XC3, XC 4 0,55 25 20 15 0,50 20 15 10
XS1, XD1 0,45 30 20 15 0,40 25 20 15
XD2 0,45 40 30 25 0,40 35 30 20 0,35 30 25 20
XD3 0,40 45 35 25 0,35 40 30 25
XS21) 0,45 50 40 30 0,40 45 35 25 0,35 40 30 25
XS31) 0,40 45 35 25 0,35 40 30 25