SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES - Aalto · SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES Fahim Al-Neshawy...

SERVICE LIFE OFCONCRETE

STRUCTURESFahim Al-Neshawy & Esko Sistonen

04.12.2015

CO2Cletc.

Service environment

• Permeability• Durability

Concretetypes

IngredientsProportioningCement hydrationHydration heatStrength development

Service lifeestimation

CourseOutline

Review: Durability of concrete• Concrete will remain durable if:

The cement paste structure is dense and oflow permeabilityUnder extreme condition, it has entrainedair to resist freeze-thaw cycle.It is made with graded aggregate that arestrong and inertThe ingredients in the mix contain minimumimpurities such as alkalis, chlorides,sulphates and silt

Review: Durability of concrete• Durability of Concrete depends upon the following

factors:Cement contentà water / cement ratio and permeabilitymaterial.Compactionà voids can be caused by inadequatecompactionCuringà permit proper strength development and toensure hydration process occur completelyCoverà Thickness of concrete cover must follow thecodesPermeabilityà the most important factor for durability.It can be noticed that higher permeability is usuallycaused by higher porosity .Therefore, a proper curing,sufficient cement, proper compaction and suitableconcrete cover could provide a low permeability concrete

Review: Types of durability of concrete

• Physical Durability is against the following actionsFreezing and thawing actionPercolation / Permeability of waterTemperature stresses i.e. high heat of hydration

• Chemical durability is against the following actionsAlkali Aggregate ReactionSulphate AttackChloride IngressDelay Ettringite FormationCorrosion of reinforcement

Review: causes for the lack of durability in concrete

1. External Causes:• Extreme Weathering Conditions• Extreme Temperature• Extreme Humidity• Abrasion• Electrolytic Action• Attack by a natural or industrial liquids or gases

2. Internal Causesa) Physical• Volume change due to difference in thermal properties of aggregates

and cement paste• Frost Actionb) Chemical• Alkali Aggregate Reactions• Corrosion of Steel

SERVICE LIFE OF

CONCRETE STRUCTURES

What is Service Life?ACI 365.1• Service life (of building component or material) is the

period of time after installation (or in the case of concrete,placement) during which all the properties exceed theminimum acceptable values when routinely maintained.

• Three types of service life have been defined:1. Technical service life is the time in service until a defined

unacceptable state is reached, such as spalling of concrete,safety level below acceptable, or failure of elements

2. Functional service life is the time in service until the structureno longer fulfills the functional requirements

3. Economic service life is the time in service until replacement ofthe structure (or part of it) is economically more advantageousthan keeping it in service.

Life Cycle of Concrete Structures

Service Life (Reinforced Concrete)

Finnish concrete codeIn the Finnish concrete code BY 50:• Service life requirements can be designed

with:(i) tabular data or(ii) calculation method

DESIGN WITH TABULAR

DATA

i) Design with tabular data• Tabular data design can be used for a

structure whose design life is either 50 or 100years.

• The data are presented in tables by exposureclasses:1) Limit values of concrete composition

and properties2) The concrete cover depth3) Cracking of the structure.

i) Design with tabular data

(BY 50 /2012) Table 4.6. Limit values of concretecomposition and properties with the designworking life of 50 years.


(BY 50 /2012) Table 4.7. Limit values of concretecomposition and properties with the designworking life of 100 years.


(BY 50 /2012) Table 2.17. Minimum cover (nominalcover – permitted negative deviation) for differentexposure classes.

i) Design with tabular data(BY50/2012) Table 2.16a. Requirements for theintegrity and cracking of a structure in differentexposure classes, where the design working life ofthe structure is 50 years.Points a) and b) refer to requirements for long-term and short-term loadsrespectively. Point b) shall be considered as being the requirement for the

i) Design with tabular data(BY50/2012) Table 2.16b. If the working life of astructure is more than 50 years, the permissiblecrack width shall be reduced in accordance withfollowing tables

C = concrete cover

i) Design with tabular dataIf the working life of a structure is more than 50 years, the permissiblecrack width shall be reduced in accordance with following tables

DESIGN WITH

CALCULATION METHOD

ii) Service life design with calculation method

• The expected service life-span can be estimatedby equation (Factor Method):

=

tL is the estimated service life-spantR is the reference service life-span (50

years)A…G are life-span coefficients reflecting

various factors

ii) Service life design with calculation method

Factors influencing frost resistance in Finnish concrete codeBY 50/2012

ii) Service life design with calculation methodFactor A: quality of components

A takes into consideration air content, water/cement ratio, andmaximum aggregate size

Factor B: design levelB depends on massiveness (volume to surface area ratio) of thestructure and possible coating of the structure.

Factor C: work execution levelC takes into consideration the curing measures.

Factor D: indoor environment (interior climate)Factor E: outdoor environment

E depends on the geographical direction and geographicallocation of the structure

Factor F: in-use conditionsFactor G: maintenance level

G gives the impact of inspection and maintenance frequency

Categories of design service life forbuildings

Review: Exposure classesClass Corrosion induced byXO No risk

XC Carbonationà XC1, XC2, XC3,XC4

XD Chlorides (excl seawater)à XD1, XD2, XD3

XS Seawaterà XS1, XS2, XS3

XF Freeze/thaw attackà XF1, XF3 (no salt), XF2, XF4 (salt)

XA Chemical attackà XA1, XA2, XA3

BY 50: Design by calculation of the workinglife of concrete structures

1. General2. Working life with regard to frost exposure in

exposure classes(without de-icing agents) XF1 and XF3

3. Working life with regard to carbonation4. Working life in exposure classes

(de-icing agents) XF2 and XF4à using Pfactor

5. Working life in exposure classes XS and XD

WORKING LIFE WITH REGARD TO

FROST EXPOSURE IN EXPOSURE

CLASSES XF1 AND XF3

XF1 Moderate water saturation, without de-icing agentXF3 High water saturation, without de-icing agent

ii) calculation method - XF1 and XF3Factor A value

Factor A value

ii) calculation method - XF1 and XF3

• B1 Massivity of structuredepends on the massivity of structureB1 = 1.3 for smallest dimension ofstructure > 600 mmB1 = 1 other structures

• B2 CoatingThe coating coefficientis given as the functionof the parameter tLP/tRPtLP is the design workinglife of the coating [year]tLR is the design re-coatingfrequency [year]


• C CuringC = 1.0 (curing and 70% of nominal strength)C = 0.7 otherwise


• E1 Geographical direction• E2 Geographical location


• G Inspection and maintenance frequency


WORKING LIFE IN EXPOSURE

CLASSES XF2 AND XF4 - USING

P-RATE METHOD

XF2 Moderate water saturation, with de-icing agentXF4 High water saturation, with de-icing agent or sea water

P-rate methodWhat is P-rate method?• Method to design frost-resistant concrete with

defined service life in defined exposureconditions

• Developed by D.Sc. (Tech.) Seppo Matala• Finnish Transport Agency• Used in practice since 1991

http://alk.tiehallinto.fi/sillat/julkaisut/siltabetonien_p-lukumenettely_10062008.pdf(In Finnish)

Liisa Salparanta (2013) P-rate method for frost-resistant concrete inFinnish bridges. NVF Annual Bridge Conference 2013, Helsinki, Finland

P-rate methodHow to use P-rate method?• Frost resistance classes P20, P30, P50 and

P70. The higher the better.• P-rate is calculated on the basis mix

parameters and air content of fresh concrete(measured at the end of dropchute) or

• determined by direct frost salt test


P-rate method


-1

P-rate methodWorking life in exposure classes xf2 and xf4

• In exposure classes XF2 and XF4 with salt-frost

attack, working life may be calculated as follows:

Exposure class XF2: working life = 2.00 × P factor

Exposure class XF4: working life = 1.25 × P factor

EXERCISE 11

EXERCISE 01• Calculate the service life for a K30 foundation

with regard to carbonation for which a CEM I Acement was used and the air content of theconcrete was measured at 2,0 %.

• Input data:Exposure = carbonationStructure = foundationStrength = C30Cement = CEM I AAir content = 2.0 %

EXERCISE 01• BY 50: Appendix 4 – 3. Working life with

regard to carbonation

• =

• Exposure classes X for foundations:XO no risk of corrosion or chemical attack -XC carbonation +XS chlorides, sea water -XD chlorides, from other sources -XF freezing and thawing +XA chemical loads +

EXERCISE 01Foundation• 50 years service life• Exposure class XC2 – wet, rarely dry• XC2 Minimum cover of concrete

30 mm (+tolerance)

EXERCISE 01=

A – valueC30CEM I AAir = 2%

• A1 (Strength class) = 0.95• A2 (Binder) = 1.0• A3 (Air content) =1.08

EXERCISE 01=

B – valueCover 30 mmNo coating

• B1 (Cover 30 mm) = 1.44• B2 (No coating) = 1.0

EXERCISE 01=

C – value• C (Cured) = 1.0D – value, internal climate -E – value, Exterior exposure to weather• E1 (XC2) = 1.4• E2 … E4 = 1

EXERCISE 01=

F – value Working loading -

G – value, Inspection and maintenance frequency• G1 (none) = 0.85

=

= . . . . .

= . =

EXERCISE 01

A BGEC

EXERCISE 02• Calculate the service life for a K40 balcony

element (situated in Helsinki) with regard to frostexposure for which a water/cement ratio of 0,55(maximum size of aggregate 16mm) was usedand the air content of the concrete wasmeasured at 6,0 %.

• Input data:Exposure = FrostStructure = balcony elementStrength = C40W/C = 0.55Max. Aggregate size = 16 mmAir content = 6.0 %Location = Helsinki

EXERCISE 02• Balcony = Hal surface / without iceà XF3

• =• A = 1.61

EXERCISE 02• B1 = 1.3

• C (curing) = 1.0• E1 (south) = 1.0• E2 = 1.0

=

= . . . .

= . =

EXERCISE 02

A

B

GEC

• G = 0.7

EXERCISE 03• Design a foundation for a service life of 100

years using tabular data (taulukkomitoitus)

• Exposure classes X for foundations:XO no risk of corrosion or chemical attack -XC carbonation +XS chlorides, sea water -XD chlorides, from other sources -XF freezing and thawing +XA chemical loads +

EXERCISE 03

EXERCISE 03• Chemical load, XAà XA2

EXERCISE 03Possible exposure classes: XC2 & XF3, XA2

Ø (XA2) Minimum amount of cement 320 kg/m3

Ø (XA2) Strength grade C35 / C45Ø (XA2) W/C = 0.45àWater = 144 kg/m³Ø (XF3) Air content 5.5%

F- factorThe F-factor describes the freeze-thaw resistance in anon-saline environment:

Where w/c is the effective water/cement ratioa is the measured air content

ïþ

ïýü

ïî

ïíì

--

=

0,4)1()/(2,7;25,0max

1

1 4,0

4 5,0

acw

F

F-factor

{ } { }2.3;4min31.0;25.0max

1

0.4)10,4(

)45.0(2.7;25.0max

1

14.0

45.0

==

þýü

îíì

--

=F

Ø (XA2) W/C = 0.45Ø (XF3) min. Air content 5.5%Ø From table 4.8 with max. aggregate size > 16 mmàmin. air = 4.0%

F-factorCalculated life span is the product of F-factorand 50 years (k x t50 years)

Life span = 50*3.2 = 160 years

411

Rakenne Rasitusluokka Betonin raja-arvot, suositeltava max rae ja notkeus

rakenteet kuivissa sisätiloissa X0 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K15Suositus:• maksimi raekoko #16; notkeus S2• normaali rakennebetoni K30

rakenteet kosteissa sisätiloissa XC1 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K25• minimisementtimäärä 200 kg/m3

Suositus:• maksimi raekoko #16; notkeus S2• normaali rakennebetoni K30

perustukset(maan alla)

XC2 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K30• minimisementtimäärä 230 kg/m3

Suositus:• maksimi raekoot #32, #16; notkeus S2• normaali rakennebetoni K30• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

sokkeli(sisäkuori, maan alla)

XC2 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K30• minimisementtimäärä 230 kg/m3

Suositus:• maksimi raekoko #16; notkeus S2, S3• normaali rakennebetoni K30• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

sokkeli, ulkokuori(ei kloridirasitusta)

XC3,4; XF1 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K35• vesi-sementtisuhde ≤ 0.60• F-luku ≥ 1.0• minimisementtimäärä 270 kg/m3

Suositus:• maksimi raekoko #16; notkeus S2, S3• pakkasenkestävä betonilaatu K35 (ilma 5–8 %)• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

sokkeli, ulkokuori(kloridirasitus)

XC3,4; XF2; XD1 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K35• vesi-sementtisuhde ≤ 0.55• P-luku ≥ P25• minimisementtimäärä 300 kg/m3

Suositus:• maksimi raekoko #16; notkeus S2, S3• P-luku betoni K35 P25 (ilma 5–8 %)• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

lattiat (kuiva lämmin sisätila) X0 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K15Suositus:• maksimiraekoot #16, #12, #10

(#8 vain silloin kun on pakko)• rakeisuuskäyrä hierrettävyyden mukaan• notkeus S3• lattiabetoni K30• tarvittaessa nopeasti kuivuva betonilaatu• talvi: nopea sementti/sideaine• kesä: hidas sementti/sideaine

laatta ulkona, parvekelaatta(voi jäätyä märkänä)

XC4; XF3 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K35• vesi-sementtisuhde ≤ 0,50*• minimi sementtimäärä 300 kg/m3

• F-luku ≥ 1.5

Esimerkkejä betonivalinnoista, kun käyttöikä on 50 vuotta (RakMK B4, BY50).

taulukko jatkuu

412


Suositus:• maksimiraekoot #32, #16, #12, #10• notkeus S3, S2• pakkasenkestävä lattiabetoni K40* (ilma 5–8 %)• talvi: nopea sementti/sideaine• kesä: hidas sementti/sideaine

väliseinä(kuiva lämmin sisätila)

XC0 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K15Suositus:• maksimi raekoko #16; notkeus S3• normaali rakennebetoni K30• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

ulkoseinä, parvekekaide(voi jäätyä märkänä)

XC3,4; XF1 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K35• vesi-sementtisuhde ≤ 0.60• minimisementtimäärä 270 kg/m3

• F-luku ≥ 1.0Suositus:• maksimi raekoko #16; notkeus S3• pakkasenkestävä betoni K35• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

välipohjat(kuiva lämmin sisätila)

XC0 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K15Suositus:• maksimiraekoko #32; notkeus S2• normaali rakennebetoni K30• tarvittaessa nopeasti kuivuva betonilaatu• talvi: nopea sementti/sideaine• kesä: hidas sementti/sideaine

pysäköintitilan laatta(kylmä tila, vähän liikennettä,ei suojausta)

XC3,4; XF2; XD2 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K35• P-luku ≥ P25• vesi/sementtisuhde ≤ 0,55• minimi sementtimäärä 300 kg/m3

Suositus:• maksimiraekoko #32, #16, #12, #10• notkeus S3, S2• P-luku betoni K35 P25 (ilma 5–8 %)• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

laituri makea vesi(ei suolata)

XC3,4; XF3 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K35• F-luku ≥ 1.5• vesi/sementtisuhde ≤ 0,50*• minimi sementtimäärä 300 kg/m3

Suositus:• maksimiraekoko #32, #16; notkeus S2• pakkasenkestävä betoni K40* (ilma 5–8 %)• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

laituri meren ranta(suolavesi)

XC3,4; XS3; XF4 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K45• P-luku ≥ P40• vesi/sementtisuhde ≤ 0,45• minimi sementtimäärä 320 kg/m3

Suositus:• maksimiraekoko #32, #16; notkeus S3• p-luku betoni K45 P40 (ilma 5–7 %)• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

taulukko jatkuu

Itsetiivistyvä betoniItsetiivistyvää betonia voidaan käyttää valukoh-teissa, joissa normaalia tiivistystä ei voida to-teuttaa. Tyypillisiä kohteita ovat korkeat ohuettiheästi raudoitetut seinät, korkeat pilarit ja eri-laiset saneerausrakenteet. Itsetiivistyvällä be-tonilla saadaan myös korkealuokkaisia puhdas-valupintoja. Korkeat rakenteet voidaan valaamyös alhaalta ylös painevaluna venttiilin kautta.Itsetiivistyvä betoni täyttää painovoiman avullamuotin valuen terästen ja varausten ohi. Itsetii-vistyvä betoni vaatii enemmän laadunvalvontaaja työmaalla on tehtävä notkeuden mittauksia.

KuitubetonitTeräskuitubetonin käyttö on lisääntynyt no-peasti ja se on saavuttanut suosiota erityisestimaanvaraisissa laatoissa. Kun raudoitus voi-daan korvata osin tai kokonaan teräskuiduilla,nopeutuu rakennustyö ja joskus hankalien olo-suhteiden raudoitustyö voidaan välttää. Teräs-kuitulaatuja on paljon, ja siksi teräskuitujenmyyjät mitoittavat rakenteessa tarvittavan omanteräskuitunsa määrän. Betonin valmistaja sekoit-taa valitun kuitutyypin yleensä betoniasemalla,jotta kuitujen sekoittuminen on tehokasta. Te-räskuitubetonit ovat hieman työläämpiä työstää,joten massat ovat usein notkistettuja ja levityssekä hierto on koneellistettu. Teräskuitubeto-nien käyttömäärä tullee lisääntymään ja niillekehitetään uusia rakennesovellutuksia. Muovi-kuitujen tyypillisiä käyttökohteita ovat laatat japintalattiat, jolloin niillä pyritään estämäänplastista kutistumaa ja halkeilua. Hankalissa va-luolosuhteissa (isot laatat, voimakas haihtumi-nen, pieni v/s-suhde) voi olla perusteltua vähen-tää halkeiluriskiä muovikuiduilla. Muovi- ja te-räskuitujen käytölle betoniasemalla on tärkeääannostelun automaattisuus, jolloin niiden käyttöei hidasta tuotantoa ja on turvallista.

RakenteidenvaatimuksenmukaisuusBetonirakenteiden kelpoisuus määritellään Suo-messa vuoden 2004 jälkeen pääosin eurooppa-laisten standardien perusteella (SFS-EN206-1ja sen viitestandardit). (SFS EN-206). Euroopanyhteisön jäsenenä Suomessa tulee noudattaa ra-kennustuotedirektiiviin perustuvia eurooppalai-sia standardeja. Kansallisia sovelluksia on lä-hinnä säilyvyyteen liittyvissä asioissa. Kaikissahankkeissa tilaaja päättää, mitkä asiakirjat vi-ranomaisvaatimusten lisäksi asetetaan työseli-tyksissä betonirakenteen vaatimustasoiksi. Tar-vittaessa asiakirjat tulee asettaa pätevyysjärjes-tykseen. Hankkeeseen osallistuvien tulee tietää,minkälaista laatua tavoitellaan ja miten laaduntoteutuminen arvioidaan.

Parhaillaan Suomessa eletään siirtymäaikaaja vielä osin on päällekkäisiä ohjeita eurooppa-laisissa standardeissa ja kansallisissa ohjeissa.Vaatimustasojen suhteen on siis syytä olla tark-kana. Vuoden 2010 jälkeen Suomessa noudate-taan näillä näkymin sekä suunnittelussa että be-tonirakentamisessa eurooppalaisia standardejatäysimääräisesti. Eurokoodien ja EN 206-1standardien sallimat kansalliset valinnat ovatympäristöministeriön vahvistamissa kansalli-sissa liitteissä. Lähinnä säilyvyyden raja-arvoi-hin jää voimaan kansallisia arvoja.

Betonirakenteen kelpoisuuden arviointi riip-puu rakenteen suunnittelukäyttöiästä ja senkäyttöolosuhteista eli rasitusluokista. Näidenperusteella saadaan vaadittu laatutaso sekä senarviointimenetelmät. Normaali vaatimustaso(RakMK B4, BY50) riittää kaikkiin betonira-kenteisiin ja lisävaatimuksia tarvitaan vain mer-kittävissä tai vaikeissa hankkeissa. Tällaisia 413


kemiallisesti rasitettu altaanseinät, pohja(ei pakkasrasitusta, pinnan alla)

XC2; XA2 Vaatimukset:• lujuusluokka ≥ K45• vesi/sementtisuhde ≤ 0,45*• minimi sementtimäärä 320 kg/mSuositus:• maksimiraekoko #16, #32• notkeus S3• esim. sulfaatinkestävä betoni K50*

(sideaineet kemiallisen rasituksen mukaan)• sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan

* v/s-suhde vaatimus vaikuttaa lujuusluokkaan– minimisementtimäärät ovat tässä CEM I sementtiä, joksi käytettävä sementti on muutettava.– Yleensä on käytettävä pumpattavuuden takia vähintään lujuusluokkaa K30.– Pumppaus 3”/ 4” letkukoko → normaali suhteutus, #32/#16.– Pumppaus 2”/ 2,5” letkukoko → hienompi suhteutus, pienempi max raekoko.– Sitoutuminen kesällä → normaali tai hidas sideainekombinaatio.– Sitoutuminen talvella → nopea sementti, lämmitetty alusta, suojaus, lämmitys, (kuumabetoni).– Massiivirakenne → hidas karkea sementti, kuonabetoni, matala betonin lämpötila.

SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES - Aalto · SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES Fahim Al-Neshawy...

Documents

Transcript of SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES - Aalto · SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES Fahim Al-Neshawy...