Rostfri armering - vägen till lönsamma betongkonstruktioner

Transkript

1 Rostfri armering - vägen till lönsamma betongkonstruktioner Stainless reinforcement the solution to economic concrete structures Författare: Linn Olivia Linus; Ayshani Wadurawa Uppdragsgivare: Skanska Slussen Construction AB Handledare: Roger Andersson, Skanska; Johan L Silfwerbrand, KTH ABE Examinator: Per-Magnus Roald, KTH ABE Examensarbete: 15,0 Högskolepoäng inom Byggteknik och Design Serienummer: TRITA-ABE-MBT-1854 Godkännandedatum: Stockholm, Våren 2018

2 ii

3 Sammanfattning SAMMANFATTNING Kunskapen om rostfri armering är idag bristfällig inom byggbranschen i Sverige. Huvudorsaken är antagligen marginell användning till följd av materialpriset som är sex gånger dyrare än traditionell kolstålsarmering. Syftet i föreliggande rapport är att bidra till ökad kunskap om rostfri armering och lönsamma betongkonstruktioner. Det som undersöks är en kantbalks armeringsmängd i Slussen i Stockholm. Armeringsmängden beräknas med sprickviddsberäkningar, för kolstålsarmering och rostfri armering. Resultatet analyserades med en automatiserad Excel-fil för sprickviddsberäkningen med varierat moment som förstärker slutsatserna. Den metod som valts är en litteraturstudie om betong, rostfri armering, kolstål, korrosionsegenskaper, produktion och miljö. Motiv för projektet-slussen har granskats. Objektet Slussen är av intresse i studien på grund av sin utsatta miljö, krav gällande lång livslängd och framförallt Slussens stora betydelse. Som fördjupning till studien kompletterades den med intervjuer med forskare och sakkunniga. Resultatet visade trots olika moment att armeringsmängden kan minska med 50 %, det vill säga hälften av den totala armeringsmängden kan besparas. I sin tur följer besparingar med avseende på administration, transport, lagerhantering, arbetstimmar, reparationer, underhåll och miljö. Slutsatsen av undersökningen är att besparingen ger mer infrastruktur för pengarna. För framtiden finns denna rapport som grund för fortsatta studier och forskning. Nyckelord: Rostfri armering, kolstål, betongkonstruktioner, betongtillverkning, sprickvidd. iii

4 iv

5 ABSTRACT Abstract The knowledge of stainless steel reinforcement is currently insufficient in the construction industry in Sweden. The main cause is due to the price of the material, which is six times more expensive than traditional carbon steel reinforcement. The purpose of this report is increased knowledge of stainless steel reinforcement and to find a solution using economical means. What is being investigated is a concrete edge beam at Slussen in Stockholm. The amount of reinforcement is calculated by using crack width calculations when using carbon and stainless steel reinforcement. The result was analyzed with an automated Excel-file with varying moments which proves the conclusion. The method is a literature review on concrete, stainless steel reinforcement, carbon steel reinforcement, corrosion, production and the impact for the environment. The motive for the Project Slussen has been reviewed. Slussen is of interest in the study because of its extreme environmental demands, longevity and above all Slussen's great importance to the City of Stockholm. The study is complemented by interviews with researchers and experts. The result showed, despite different factors, that the amount of reinforcement can be reduced by 50%, i.e. half of the total amount of reinforcement can be saved. However, this would effect other factors in terms of administration, transportation, storage capacity, man hours, repairs, maintenance and the environment. The conclusion of the report is that the reduced reinforcement aims to give more economical benefits for the infrastructure. The report is a start for further potential studies and research which could have a profound effect on the building and construction industry in the future. Keywords: Stainless steel reinforcement, carbon steel reinforcement, concrete structures, cracks and environment. v

6 vi

7 FÖRORD FÖRORD Detta examensarbete har genomförts på Kungliga Tekniska Högskolan på högskoleingenjörs programmet med inriktning Byggteknik och Design. Examensarbetet genomfördes i samarbete med Skanska Slussen Construction AB. Grunden för examensarbetet uppstod vid diskussion kring den stora mängden rostfri armering som ska användas i Slussen. Vi vill rikta ett extra stort tack till vår handledare på Skanska Roger Andersson för ditt stöd, engagemang och värdefulla vägledning under examensarbetet. Även en nyckelperson som har gjort examensarbetet möjligt. Vidare vill vi tacka vår handledare Johan L Silfwerbrand, KTH, för viktiga synpunkter och goda råd samt din kunskap inom betong. Ett stort tack riktas även till dem som ställt upp på intervjuer. Det har varit en värdefull tillgång i examensarbetet med er expertis och kunskap. Slutligen, ett stort tack till våra familjer som alltid har funnits där under vår studietid. Stockholm, maj 2018 Linn Olivia Linus Ayshani Wadurawa vii

8 viii

9 BETECKNINGAR Beteckningar enligt EC2 Ac,eff Area hos betongen som omger armering- eller spänningsarmering As Armerings tvärsnittsarea b Bredd på tvärsnitt c Täckande betongskikt för långsgående armering c/c arm Centrumavstånd mellan böjarmering d Effektiva höjden i ett tvärsnitt Ec Dimensioneringsvärde för betongens elasticitetsmodul Es Dimensioneringsvärde för armeringens elasticitetsmodul fcd Dimensionerande värde för betongens tryckhållfasthet fck Karakteristiskt värde för betongens cylinderhållfasthet (28 dagar) fct,eff Medelvärde av draghållfastheten hos betong fyd Dimensionerande värde för armeringens draghållfasthet fyk Karakteristiskt värde för armeringens sträckgräns h Höjd på tvärsnitt hc,eff Höjden på dragna betongtvätsnitt k1 Parameter som tar hänsyn till vidhäftningsegenskaper k2 Parameter som tar hänsyn till fördelning av töjningar k3 Återges i NA (rekommenderat värde 3,4) k3 bör sättas till 7 ø/c (VVFS2008:167) k4 Återges i NA (rekommenderat värde 0,425) kt Parameter som beror på lastvarighet M Böjande moment m Relativa momentet mbal Balanserade relativa momentet n Antal armeringsenheter nmax Maximal antal armeringsenheter i en rad Sr,max Största sprickavstånd mellan sprickor Vct Vatten och cement tal Wk Spickvidd x Tryckzonens höjd γc Partialkoefficient för betong γs Partialkoefficient för armerings- eller förspänningsstål εcm Medeltjöning i betongen mellan sprickor εsm Armeringens medeltjöning under aktuell lastkombination αeff Verksam momentkoefficient ϕ Kryptal ω Mekaniska armeringsinnehållet Ϭs Stålspänningen för sprucket tvärsnitt ρeff Förhållande mellan armerings- och betongarea ø 25 Armeringsdiameter ix

10 INNEHÅLLSFÖRTECKNING Innehåll 1 INLEDNING Bakgrund Målformulering Syfte och frågeställning Avgränsningar METOD Litteraturstudie Intervjuer Beräkningsunderlag Genomförande NULÄGESBESKRIVNING SLUSSEN Historia Slussen Tillståndsbedömning av Slussen Slussen idag Slussen en lösning för framtiden Tekniska utmaningar TEORETISK BAKGRUND Betong Allmänt betong Betong täckskikt Täckskiktets huvudsakliga uppgifter Betongskiktets beständighet mot frost och livslängd Sprickor i betong Kantbalk Armeringskorrosion Rostfri armering Rostfri armerings fysikaliska egenskaper Duplex rostfri armering Korrosion av rostfri armering i olika miljöer Rostfritt stål och karbonatisering i betong Galvanisk korrosion Selektiv användning av rostfri armering x

11 INNEHÅLLSFÖRTECKNING 4.4 TILLVERKNINGSPROCESS FÖR BETONG Process cement Vatten Tillsatsmedel Ballast Betong och miljö Betongens livscykel Produktion Driftskedet Återvinning Utmaningar Hantering av kolstål och rostfri armering i Slussen RESULTAT Miljöanalys Produktion Sprickviddsberäkning Armeringsmängd vid brottgränstillstånd Sprickvidden med brottarmering Beräkning av sprickvidd med kolstålsarmering Beräkning av sprickvidd med rostfri armering Armeringsmängd momentvariation DISKUSSION SLUTSATS REFERENSER Tryckta källor Elektroniska källor Intervjuer xi

12 xii

13 INLEDNING 1 INLEDNING Undersökningens inledande kapitel har syftet att introducera läsaren i ämnet och bakgrunden för arbetet. Syftet med examensarbetet presenteras med frågeställningar som arbetet ämnar besvara. Omfattningen av undersökningen presenteras i avgränsningar. 1.1 Bakgrund Sedan 1642 och till idag har det funnits en sluss mellan Gamla stan och Södermalm i Stockholm. Det är för fjärde gången Slussen byggs om. Den nuvarande anläggningen som delvis är riven byggdes på 30-talet och är utsliten. Betongen var av dålig kvalité och vittrade sönder på många områden pga. frost, saltvatten och tösalter. Andra skador är främst relaterade till bristfällig grundläggning som orsakat sättningar upp till 25 centimeter. År 2010 hittades 178 allvarliga konstruktionsskador vilket innebar stora reparationskostnader (Stockholm stad, 2015). För att hålla Slussen säker kostade det årligen tio miljoner kronor. Därför beslutades det att Slussen skulle byggas upp från grunden och denna gång ordentligt. När nya Slussen står klart år 2025 kommer det fortsätta att vara en viktig knutpunkt för alla trafikslag. Ombyggnaden av Slussen kommer att innebära en tryggare och attraktiv plats att vistas på. Samtidigt säkras dricksvattnet för två miljoner människor (Stockholm stad, 2017). Figur 1. Bilden visar hur illa det var i Slussen. Färgade ytor visar teknisk livslängd. Röda ytor måste byggas om snarast, gula ytor inom 30 år och gröna ytor inom 80 år (Stockholm Stad, 2017). 1

14 INLEDNING På grund av utsatt miljö, lång tänkt livslängd och Slussens stora betydelse, fattades beslut om selektiv användning av rostfri armering i betongkonstruktioner. Den avgörande dimensioneringsmässiga skillnaden mellan kolstålsarmering och rostfri armering är att sprickorna får vara större i betongkonstruktioner med rostfri armering. Därför är det av intresse att beräkna den mängd armering som kan besparas för en kantbalk med sprickviddsberäkningar. Figur 2, Bild som redogör kantbalkens täckskikt som är 0,55 mm och skillnaden på sprickvidd för kolstålsarmering och rostfri armering. I Slussen kommer de betongkonstruktioner som är särskilt utsatta för korrosionsangrepp dimensioneras med selektiv användning av rostfri armering. Det innebär att betongkonstruktioner består av både kolstål och rostfri armering. Ett exempel på en kritisk betongkonstruktion i Slussen är kantbalken på Norra Landfästet. Rostfri armering används även generellt där det är svårt att göra besiktningar av konstruktioner i Slussen (Wikenholm G, 2018). När betongkonstruktionen får korrosionsangrepp beror det på att kloridjoner tränger in i betongen. Korrosionen sker på armeringen vilket leder till expansion (rost har större volym än stål) som i sin tur orsakar kraftig sprickbildning i betongkonstruktionen (Betonghandbok material, 1994). Vid användning av rostfri armering accepteras en ökad sprickvidd jämfört med kolstål. Därmed går det även att minska mängden armering (Norén G, 2018). I betongkonstruktioner i Sverige rostar ofta den yttre armeringen. Den inre kolstålsarmeringen har ofta klarat sig från rost och behöver inte bytas ut. För att skydda den yttersta armeringen finns andra alternativa åtgärder för att åstadkomma samma fördelar som rostfri armering har. Det går att öka t ex armeringsmängden, betongtäckskiktets tjocklek, kvalité och impregnering (Östfjord Stig, 2016). Slussen är ett av de mest komplicerade byggprojekten i Sverige. Slussen byggs om för fjärde gången och denna gång med förhoppning på en teknisk livslängd L100, detta innebär att minsta tekniska livslängden är 120 år. Underhållskostnader är dyra och Trafikverket lägger varje år ca 100 miljarder kr/år på reparationer (Trafikverket, 2016). Betongkonstruktionerna dimensioneras med Trafikverkets Krav TRVFS Brobyggande enligt SS-EN 1990 SS-EN 1999 (TRVFS 2011:12, 2016). Användning av rostfri armering i betongkonstruktioner har under de senaste åren ökat lite i Sverige, främst vid reparationer. Rostfri armering har i allmänt en god förmåga att motstå korrosion i kloridhaltiga och alkaliska miljöer, vid ingjutning (Sederholm B. 2018). Dock finns bara ett fåtal konstruktioner med enbart rostfri armering i Sverige. Det finns flera orsaker till att användningen är selektiv där materialpriset ofta är orsaken till marginell användning i Sverige (Norén G, 2018). 2

15 1.2 Målformulering INLEDNING Målet med detta exmanensarbete är att analysera en kombinerad kantbalk med både kolstål och rostfri armering för Slussen-projektet. Vilken mängd armering som kan besparas vid implementering av rostfri armering. Huvudsakliga målet är att ge en indikation på att rostfri armering kan medföra lönsamma konstruktioner. Förhoppningen är även att studien ökar förståelsen kring rostfri armering. Dessutom belysa hur mycket armering som kan besparas. Slutligen undersöka vilka effekter implementering av rostfri armering har i byggprocessen. 1.3 Syfte och frågeställning Syftet med examensarbetet är att undersöka om rostfri armering kan bidra till lönsamma konstruktioner. Identifiera och analysera miljöpåverkan under förväntad teknisk livslängd, L100. Frågeställningen som rapporten har som mål att besvara är: Kan rostfri armering bidra till lönsamma betongkonstruktioner? Utifrån ovanstående frågeställning spelar dessa huvudfaktorer in: Är det bättre ur miljösynpunkt att använda rostfri armering? Medför detta mindre renovering och underhåll? Hur hanteras rostfri armering i produktion? Hur mycket armering kan besparas med en större tillåten sprickvidd? 1.4 Avgränsningar Examensarbetet begränsas till en litteraturstudie kring kombinerade betongkonstruktioner i Slussen. Vi genomför endast två beräkningar för en sektion på kantbalken, norra Landfästet. Beräkningen tar endast hänsyn till sprickvidd. Undersökningen är platsspecifik och de förutsättningar och krav som råder i Slussen kommer endast att tillämpas. Beräkningen ger en rad osäkerheter eftersom enbart ett snitt har beräknats för en kantbalk. Undersökningen berör endast en kvalité för kolstål och en för rostfri armering, de som ska användas i projektet. Det görs inga beräkningar för andra faktorer som kan minskas pga. mindre armeringsmängd. Dessa är administration, transport, lagerhantering, arbetstimmar, reparationer, underhåll och miljö. Detta eftersom tiden inte räcker till och de beskrivs därför enbart teoretiskt. 3

16 4

17 METOD 2 METOD 2.1 Litteraturstudie Först och främst genomförs en utförlig litteraturstudie. Metoden för litteraturstudien innebär sökning av relevant material som kan kopplas till ämnet som studerats. Underlag som samlas in är motiv för selektiv användning av armering för betongkonstruktioner i Slussen. Även litteratur för rostfri armering och nerbrytningsprocessen av betongkonstruktioner ingår. Litteraturen är främst forskningsrapporter och litteratur angående betong. De databaser som använts är främst Google scholar. Därefter inleds en utförlig granskning av litteraturen. För att undersöka miljöpåverkan studeras metoder för tillverkning av betong och medföljande konsekvenser för miljön. 2.2 Intervjuer För att få ytterligare inblick kring ämnet kompletteras litteraturstudien med intervjuer med forskare, experter och produktionschefer på Skanska. Tidigare genomförda forskningsstudier har granskats för att ta fram relevanta frågor till intervjuer. I detta examensarbete har intervjuerna delvis varit öppna eftersom syftet har varit att få de intervjuades syn på rostfri armering. 2.3 Beräkningsunderlag För att genomföra sprickviddberäkningen behövs krav enligt Trafikverkets föreskrifter TRVFS som baseras på Eurokod 2, bärverksdimensionering för betongkonstruktioner. Därefter analysera parametrar för specifik kvalité för rostfri armering. Indata som erfordras är stångdiameter, centrumavstånd mellan armering, armeringsinnehåll och antalet armeringslager, från tekniska beskrivningar och ritningar. Beräkningen ska redogöra mängden armering som kan besparas i ett snitt av kantbalken. 2.4 Genomförande Studien startade med att samla information kring betongkonstruktioner och deras ingående delar, armering och betong. Därefter gjordes en efterforskning av rostfri armering och kolstål. Därefter undersöktes processen av nedbrytning med kloridinitierad korrosion och karbonatisering. När tillräcklig information tagits fram och granskats undersöktes fördelar och nackdelar med rostfri armering. Intervjuer har genomförts med forskare inom rostfri armering på Swerea KIMAB. Detta för att få en bättre uppfattning av rostfri armering, användningen i Sverige och orsaker till att använda rostfri armering. Ytterligare intervjuer har genomförts med konstruktörer på ELU för att se över placering av armering i kantbalken på norra landfästet. Intervjuer med produktionschefer på Skanska har genomförts för att få inblick i produktionen och hantering av rostfri armering och problematik som kan uppstå. Vidare i arbetet undersöktes miljöpåverkan av betongkonstruktioner i avseende på koldioxidutsläpp, återvinning och betongtillverkning. Tillverkningen av cement är en av orsakerna bakom de höga koldioxidutsläppen, därför innehåller rapporten ett avsnitt kring detta. 5

18 METOD För att genomföra beräkningen togs relevant data och parametrar fram: Förutsättningar Betong C35/45, vct 0,4 Armering Ɵ25 Kolstålarmering K500C-T Rostfri armering EN (LDX2101) Kryptal, ϕ = 2 Livslängden L100 = 120 år Exploneringsklass XS3 / XD1 / XF4 V (Avstånd mellan armeringsjärn) = 65 mm Livslängd Exponeringsklass vct cnom Wk ᶯ Kolstål = 0,15 L100 XS3, XD1, XF4 0, = 55 mm Rostfritt = 0,45 1,8 Vid beräkningen studerades en kantbalk tillhörande Norra Landfästet i Slussen. Dimensioner i tvärsnittet togs fram enligt ritningar från exploateringskontoret. Exponeringsklasser samt förutsättningar är tagna från TB tekniska beskrivningar konstruktion. Maximal sprickvidd för kolstålsarmering är 0,15 mm och för rostfri armering 0,45 mm. Dessa värden togs fram för att genomföra sprickviddsberäkningar. Tjockleken på täckande betongskikt, spricksäkerhetsfaktor och accepterad sprickbredd Wk, är i enlighet med TRVFS 2011:12 (21. Kap. Tillämpning av SS-EN ). Påverkande moment på kantbalken har inte beräknats då en uppskattning på 1650 knm har använts. Oavsett om betongkonstruktioner innehåller rostfri armering eller kolstål påverkar momentet lika mycket. Momentet uppstår på grund av de permanenta lasterna därmed kan samma moment användas vid brott och bruksgränstillstånd. 6

19 METOD Sammanfattningsvis genomfördes beräkningen för att identifiera totala armeringsbehovet med uppskattat moment vid brottgränstillstånd. Därefter beräknades sprickvidden som fås vid beräknad armeringsmängd vid bruksgränstillstånd. Sprickvidden som beräknades var inte accepterad eftersom de överstiger tillåtna värden enligt eurokoder. En beräkning genomfördes för rostfri armering och en för kolstålsarmering. Detta för att beräkna armeringsbehov med hänsyn till maximal tillåten sprickvidd i kantbalk. Alla beräkningar genomförts enligt eurokod 2, (SS-EN :2005) med hänsyn till böjning. För beräkningen har en automatiserad Excel-fil tagits fram. Detta underlättar eftersom beräkningsgången är samma för rostfri armering och kolstål, skillnaden är att armeringsmängden varierar. För att förstärka resultatet har olika moment använts. Figur 3. Bilden redovisar den automatiserade Excel filen. De röda cellerna behöver ändras beroende på moment och stål. 7

20 8

21 3 NULÄGESBESKRIVNING SLUSSEN NULÄGESBESKRIVNING Syftet med detta kapitel är att belysa bakomliggande orsaker till att bygga upp Slussen på nytt. Vilka faktorer som låg grundande för beslutet och hur uppfyller nya slussen vår tids förutsättningar och krav i avseende på miljö och teknisk livslängd på betongkonstruktioner. 3.1 Historia Slussen Slussen följer Stockholms utveckling från när staden föddes till idag. Slussen har haft funktionella krav som har präglat hela staden. Den allra första Slussen var Drottning Kristinas Sluss och invigdes Slussen byggdes främst för att underlätta sjöfarten och handel till Mälaren. Efter ca 100 år var den första Slussen för liten och behövde byggas ut och var i dåligt skick. Uppdraget gick till uppfinnaren Christopher Polhem och den nya Slussen invigdes Den nya Slussen var både bredare och djupare och bättre anpassad till sjötrafiken. Polhemsslussen var ett arkitektoniskt mästerverk som ökade Stockholms handel. (Stockholm Stad, 2018) I mitten av 1800-talet behövde Slussen återigen byggas om. Ingenjör Nils Ericson konstruerade denna sluss som behövde bli bredare och djupare för att klara ångbåtstrafiken. Stockholm hade under denna tid invånare och växte långsamt. Nils Ericsons sluss finns kvar under trapporna vid Slussplan hade Stockholm cirka invånare. Den fjärde Slussen, Karl JohanSlussen stod klar Syften med ombyggnaden var att underlätta trafiken som var ett problem. Klöverbladsformen gjordes för att trafiken skulle fördelas i olika höjder (Stockholm Stad, 2018). Figur 4. Överblick Slussens historia, (Studiebesök ppt, 2018). 9

22 3.2 Tillståndsbedömning av Slussen NULÄGESBESKRIVNING Slussenanläggningen inspekterades regelbundet innan staden fattade beslut att bygga upp Slussen från grunden igen. Från 1986 ökade undersökningarna eftersom det fanns ett underhållsbehov. Det övergripande problemet med Slussen är grundläggningen. Det som konstaterades 1989 var att 9700 m 2 hade sättningar som varierade mellan 30 och 100 mm m 2 hade sättningar mellan 100 och 200 mm samt att 1000 m 2 hade sättningar på över 200 mm. Resterande m 2 hade sättningar under 30 mm (Silfwerbrand J, 2015). Grundläggningen bestod av Frankipålar som var en oprövad teknik i Sverige på 1930 talet. Frankimetoden utvecklades av den belgiska ingenjören och uppfinnaren Edgard Frankignoul. Metoden innebär att betong pressas ner genom ett nedslaget 15 till 20 meter långt stålrör. När sedan stålröret dras upp blir en betongpelare kvar med en betongklump längst ner. Metoden användes för första gången i Sverige i och med bygget av Slussen och utfördes av det belgiska specialföretaget Société des Pieux Armés Frankignoul. Frankipålningen (45 % av Slussens pålar). Metoden var bristfällig och orsakade tidiga sättningar i anläggningen. Allt tyder på att man inte kom så långt ner som man ville med stålrören. När de drogs upp kollapsade betongpelaren på grund av instabila jordlager (Silfwerbrand J, 2015). Betongkonstruktionerna var skadade av frost och från armeringskorrosion. Korrosion fanns även på stålpelare och balkar. Från 2010 till 2015 ökade antalet skador av typen TK3 från 178 till 264 för Slussens anläggningar. För att få en tillfredställande livslängd var 85 % av betongkonstruktionerna behov av akuta renoveringar. Tabellen nedan visar att skadebilden förvärrades dramatiskt (Silfwerbrand J, 2015). Figur 5. Tabellen visar tillståndsbedömningar för betongkonstruktioner i Slussen (Silfwerbrand J, 2015). 10

23 3.3 Slussen idag NULÄGESBESKRIVNING Idag byggs Slussen om efter 80 år och är i mycket dåligt skick. Övergripande problem med grundläggning, vittrad betong och rostande armering. Det är fjärde gången Slussen byggs om och denna gång byggs Slussen upp från grunden. Slussens tillstånd har utretts vid flertalet tillfällen. Den första rapporten gjordes 1989 där flertalet reparationer krävdes. Efter det har flertalet utredningar gjorts som resulterande i en omfattande skadebild med dominerande omfattningar av sättningar, korrosion och frostskador (Silfwerbrand J, 2015). För att hålla Slussen säker för fordon och människor vidtogs följande åtgärder: Borttagning vittrad betong, 10 ton betong togs bort Trafikavstängningar, rampen från Södermälarstrand mot Munkbron på grund av försämrad bärighet. Förstärkningsarbeten av betongkonstruktioner, pelare och balkar. Att renovera dåvarande anläggningar ansågs svårgenomförbart eftersom 85 % av anläggningarna behövdes rivas för att uppnå en teknisk livslängd på minst 100 år. Vissa delar var i gott skick, exempel Ryssgården, Södermalmstorg, Slussterrassen och delar av Karl Johans torg. De akuta åtgärderna av i stort sett alla broar hade motsvarade mångmiljonbelopp vid enbart renovering. Därför blev beslutet att bygga om Slussen från start och garantera den tekniska livslängden (Silfwerbrand J, 2015). 3.4 Slussen en lösning för framtiden Det finns även andra fördelar som ligger till grund för beslutet att bygga om Slussen. Nu finns chansen att anpassa platsen för morgondagens samhälle. Stockholm växer snabbt och för att alla ska få plats krävs fler bostäder och arbetsplatser. Nya Slussen kommer att bli en attraktiv mötesplats med torg och parker. Kollektivtrafiken får mer plats, cyklister samt gångtrafikanter (Stockholm Stad, 2018). Den totala ombyggnaden ger samtidigt utrymme för nya funktioner. När Slussen byggs om finns en unik chans att minska dagens översvämningsrisk runt Mälaren. Mer vatten måste tappas ut från Mälaren för att säkra dricksvattnet. I dagens läge går det inte att släppa ut tillräckligt med vatten när det kommer för mycket vatten, t ex vid kraftig vårflod. Vid ombyggnaden konstrueras en större kanal och översvämningsrisken kommer att byggas bort. Det kommer att avtappas fem gånger mer vatten (1400 M 3 /sekund) i den nya anläggningen (Stockholm Stad, 2018). 3.5 Tekniska utmaningar I Slussen är det komplexa arbeten som utförs på en liten yta. Samtidigt som ombyggnationen av Slussen pågår ska vardagslivet runt Slussen fungera. Det ställer höga krav på planering. Avståndet till fast berg är långt och det finns ett kulturhistoriskt värde att ta hand om. Under hela byggtiden ska det vara möjligt att tappa vatten från Mälaren till Saltsjön. Den nya bussterminalen sprängs ut nära angränsande anläggningar. Höga krav på miljön finns och användandet av skonsamma metoder är nödvändigt (Andersson R, 2018). 11

24 12

25 TEORETISK BAKGRUND 4 TEORETISK BAKGRUND I den teoretiska bakgrunden har ändamålsenlig forskning och teori framtagits som är viktiga för undersökningens målformulering. Här ges en introduktion av kantbalk, betong och dess beståndsdelar, rostfri armering, kolstål, sprickbildning och miljöpåverkan. 4.1 Betong På 1960-talet ansågs det att forskning inom betong var över. Allt som forskare hade kommit fram till var redan uppfunnet. Dock har betong utvecklats kraftigt under de senaste åren. Betongens prestanda är högre och nya betongsorter blomstratrar på marknaden. Den nya betongen är allt från fiberbetong, sprutbetong, skumbetong, högpresterande betong, snabbtorkande betong och självkompakterande betong. Ingenting påvisar egentligen att forskningen kommer nå ett slut, troligen är det tvärtom. Samhället ställer mer krav på miljö, begränsningar för koldioxidutsläpp och lägre energiförbrukning (Betonghandbok material, kap 1, 2017). Förutom betong som material har även betonganvändning i produktion förbättrats, rivning av form och nya metoder vid gjutning har tillkommit (Andersson R, 2018) Allmänt betong Betong är det i särklass mest använda byggnadsmaterialet och består alltid av ballast cement och vatten. Det finns även betong som innehåller olika tillsatsmedel för att ge betongen eftersträvade egenskaper. Cement står globalt för ca 5 % av CO2 emissionerna. Egenskaperna bestäms till största delen av vattencementtalet, vct som anger kvoten mellan mängden vatten i kg och cement i kg. Betongens viktigaste egenskaper är att det är starkt i avseende på formbarhet, tryckhållfasthet, beständighet och möjligheter till återvinning etc. Hållfastheten beror på vilket vct som råder. Betongen hållfasthet påverkas också av cementets hållfasthetsnivå (Betonghandbok material, 2017). Betong har låg draghållfasthet där den vanligaste lösningen är armering. Armering av stål är en vanlig metod för att ta hand om dragkrafterna och betongen för tryckkrafter. Nackdelen med betong är att det krävs tid för att betongen ska få den hållfasthet som önskas. Hållfastheten hos betong ökar med tiden och ökningen styrs främst av betongens temperatur, fuktförhållande och sammansättning. Varje kombination av cement och betongsammansättning har olika hållfasthetsutveckling (Betonghandbok material, 1994). Betong har hög densitet och egenskaper kan beaktas som både en fördel och nackdel. Med en hög densitet får konstruktioner en stor egenvikt i förhållande till trafiklaster och andra laster. Det innebär en högre säkerhet mot brott och stora skador på betongkonstruktioner (Betonghandbok material, 1994). 13

26 TEORETISK BAKGRUND Betong täckskikt Täckskikt är det avstånd som råder mellan armeringens yta och betongens yta. Detta skikt är viktigt för att skydda armering från korrosionsangrepp. Tjockleken på täckskiktet har stor betydelse för hur lång tid det tar till att karbonatisering når betongens armering (Betonghandboken, 1994). Det finns olika standarder. I Slussen ska kantbalken ha ett täckskikt på 55 mm (Gustav Nilsson ELU, 2017) Täckskiktets huvudsakliga uppgifter Ju tätare betongen är mot inträngning av koldioxid och kloridjoner desto längre tid kommer det att ta till armeringskorrosionen kan starta. Täckskiktet har flertalet goda egenskaper för en betongkonstruktion där tjockleken har en stor betydelse för tiden till att karbonatisering når armeringen (Fagerlund G, 2011). Viktigaste uppgifter är: Ett aktivt skydd från att förhindra armeringen att rosta. Ge armeringen en god förankring. Skapa en barriär mot transport av aggressiva ämnen i betong. Bidra till tvärsnittets storlek och effektiva höjd. Dessa uppgifter är grundläggande för att betongkonstruktionen ska uppnå sin livslängd. För att täckskiktet ska klara av att uppfylla uppgifter bör följande kriterier uppfyllas av täckskiktet. (Fagerlund G, 2011): Vara tillräckligt tätt för att förhindra kloridjoner och koldioxid att ta sig in till armeringen. Vara beständigt mot yttre miljö från t.ex. havsvatten och salter. Beständigt mot aktuella kemiska aspekter. Beständigt mot mekaniska aspekter. 14

27 4.1.4 Betongskiktets beständighet mot frost och livslängd TEORETISK BAKGRUND Vid vetskap om den exakta miljö som kommer att råda runt betongkonstruktionen i framtiden, skulle den teoretiska livslängden kunna beräknas. Dock är det omöjligt att förutse hur det kommer att se ut om ca 100 år. Därför beräknas livslängden med standardiserade miljöer. Standardiserade miljöer ska eftersträva verkligheten så långt det är möjligt. Vid tillämpning av standardiserade miljöer ges enbart den potentiella livslängden för t ex betongkonstruktioner (Betonghandbok material, 1994). Hårdnad betong har totalt porositet mellan 12 % och ca 20 %. Den största delen av dessa porer utgörs av gelporer och kapillärporer. Dessa porer fylls snabbt upp med vatten vid normal utomhusanvändning. När det är kallt och betongen fryser så övergås porvattnet till is, då stora spänningar uppstår. Isbildningen som sker i betongen kan skada betongen allvarligt. Särskilt allvarligt är det för betong som saknar luftinblandning, ung betong och betong som har ytor med tösalter. Skaderisken ökar generellt med ökat fuktinnehåll (Betonghandbok material, 1994). En allvarlig frostskada kan uppkomma då fukttillståndet överskrider ett kritiskt fukttillstånd samtidigt som den utsätts för frost. När betongen exponeras för vatten i naturlig miljö når betongen successivt en vattenmättnadsgrad. För att betongen ska kunna motstå frost behöver vattencementtalet understiga 0,45 samtidigt som betongen är försedd med luftinblandning. Detta skapar ett luftporsystem där porerna skall vara isolerade från varandra och befinna sig närmare varandra än ett visst avstånd. God frostbeständighet förutsätter normalt cement av typ BV/LA/SR. I Sverige kallas denna typ för Anläggningscement. Generellt bör inte vattencementtalet överstiga 0,50 i måttligt fuktiga miljöer och 0,45 i kraftigt fuktiga miljöer (Fagerlund G, 2011). Betongkonstruktioner eller delar av dem som under korta perioder utsätts för vatten därefter kan torka ger betydligt mindre påverkade än t ex konstruktioner i skvalpzonen. I skvalpzonen påverkas konstruktionen ständigt av fukt. Vid bedömning av frost är det lämpligt att särskilja två olika scenarier: Frysning som sker med rent vatten på betongkonstruktionen. Frostangreppet uppkommer ofta i konstruktionens inre delar. Angreppet går att åtgärda genom användning av vattentät betong. Frysning som sker i anknytning till salthaltigt vatten eller som är förorenat kallas för saltfrostangrepp. Angreppet sker vanligtvis på ytan går att åtgärda med lägre vct. Frostskador kan vara svåra att upptäcka men visar sig vanligtvis i form av avflagningar på betongytor. Vid allvarliga frostangrepp kan ballastkorn vara synliga och lossna. Dessa uppkommer vanligtvis på partier som är särskilt fuktiga, t ex kantbalk, bropelare och stödmurar (Betonghandbok material, 1994). 15

28 TEORETISK BAKGRUND Sprickor i betong Att åstadkomma helt sprickfria betongkonstruktioner är i princip omöjlig och inte nödvändigt. Däremot kan en betongkonstruktion påverkas negativt om oväntade sprickor uppstår (Axen Å, 2014). Betongen spricker när dragspänningen överskrider betongens draghållfasthet. Dragspänningen beror på yttre påverkande laster eller inre spänningar. Inre spänningar uppstår då betongen krymper och samtidigt utsätts för fastlåsning eller tvång. Betong har låg draghållfasthet och det krävs inte mycket för att betongen ska spricka. Sprickorna som uppkommer beror av många olika faktorer. För att undvika sprickor under hårdnandet krävs rätt teknik. Genom att tillämpa anpassade metoder och använda en lämplig detaljutformning kan sprickbildningen begränsas till acceptabel nivå, så att kraven på utseende och funktion uppfylls. Omfattning av sprickor påverkar konstruktionen i avseende på funktion, bärighet och beständighet (Betonghandbok material, 1994). Sprickor uppkommer som nämnts tidigare vid dragspänningar. För att förbättra betongens draghållfasthet placeras armering på de områden där dragspänning uppkommer innan betongen spricker. Det är ett sätt för att armeringen ska ta upp dragspänningar när betongen spricker och en inre jämvikt kan uppstå. Sprickor som uppkommer av yttre laster kan uppkomma redan vid rivning av formarna, av konstruktionens egenvikt (Axen Å, 2014). Det finns nationella bestämmelser för hur stora sprickorna får bli i betongen, där exponeringsklassen utför en viktig faktor. Sprickvidden behöver begränsas för att egenskaper som skydd mot armeringskorrosion, vattentäthet, konstruktionens beständighet, utseendemässigt ska säkerställas. En stor sprickvidd medför att karbonatiseringshastigheten ökar. Sprickor gör att karbonatisering av betongen går snabbare. (Axen Å, 2014). Syftet med att använda armering i betongkonstruktioner är att begränsa sprickvidden, inte för att undvika sprickor. För att begränsa att sprickor blir större är det viktigt att tillämpa rätt armering. En vanlig regel är att tätare armering och mindre armeringsdiameter motverkar stora sprickvidder. Där spänningar i armeringen är som högst bör därför en mindre armeringsdiameter användas. För att förhindra genomgående sprickor koncentreras armering i områden där betongkonstruktionen utsätts för höga belastningar (Winberg F. 1998). Rostfri armering och kolstål har samma hållfasthet dock tillåts en högre sprickvidd för rostfri armering (Norén G, 2018). 16

29 TEORETISK BAKGRUND Kantbalk En vanlig funktion för kantbalkar är att fördela laster. Det finns kantbalkar som inte är statiskt ingjutna. Dessa tar därför inte upp laster. De grundläggande krav som ställs på en kantbalk är t ex stöd för beläggning, estetiskt tilltalande, ingå i bärförmågan i brokonsoller. Nedbrytning av kantbalkar är ett vanligt problem i Sverige. Vanliga åtgärder för att öka kantbalkens livslängd är t ex rostfri armering, förhöjd betongkvalitet, fiberbetong och impregnering (Sundqvist H, 2014). I Slussen används selektivt rostfri armering på Norra Landfästets kantbalk. Figur 6. Bilden visar en sektion av Södra Kantbalken, Norra Landfästet (Exploateringskontoret, 2018). 17

30 4.2 Armeringskorrosion TEORETISK BAKGRUND När ett armeringsjärn är ingjutet i betong befinner sig armeringsstålet i ett passivt tillstånd, beroende på den höga alkalitet som råder inne i betongen, ph> 12,5. I detta tillstånd kan ingen korrosion ske. Alkalitet skapas av alkaliska produkter från cement (natriumoxid, kaliumhydroxid och kalciumhydroxid). Alkaliteten påverkar även vattencementtalet. Lägre vct medför att betongen har låg porositet, d.v.s. en mindre mängd porvatten som är bra för täthet och påverkar inte ph värdet (Betonghandbok material, 1994). Det passiva tillståndet kan brytas av två orsaker. 1. Koldioxid (CO2) från omgivande luft tränger långsamt in i betongen och reagerar kemiskt med Ca(OH)2 och bildar CaCo3. Denna karbonatisering tränger in och skapar zoner som åtskiljer med en yttre zon med ph < 9. I den inre zonen råder ett högt ph > 12,5 där betongen fortfarande är okarbonatiserad. Med tid och när karbonatiseringen har nått nästa zon reagerar det med armeringsstålet. Då börjar armeringen rosta och bestäms av hur snabbt syre O2 tränger in. I kritiska områden där fukt och syre råder ex skvalpzonen är korrosionshastigheten snabbare (Fagerlund G, 1992). Figur 7. Vänstra bilden: karbonatiseringen har ännu inte nått armeringen. Högra bilden: Fronten har nått armeringen och korrosion pågår. 18

31 TEORETISK BAKGRUND 2. Klorider som finns i havsvatten och i salter tränger långsamt in i betongen. Det bildar en kloridkoncentration som gradvis tar sig djupare i betongen. När halten av kloridjoner i havsvatten understiger tröskelnivån kan ingen korrosion ske. När kloridjonerna överstiger tröskelnivån kommer korrosion att starta på armeringen och detta fenomen kallas lokal gropfrätning. Desto högre ph-värdet betongen har desto mer kloridjoner krävs för att korrasionen ska starta (Fagerlund G, 1992). Figur 8. Kloridpåverkad korrosion. Vänstra bilden: Kloridkoncentrationen vid stålytan är låg och ingen korrosion kommer att ske. Högra bilden: Kloridkoncentrationen vid stålytan överskrider det kritiska värdet och korrosion pågår. Sammanfattningsvis gäller följande tre villkor för att korrosion ska ske: Stålet depassiveras av karbonatisering eller av inträngning av kloridjoner. Betongen måste vara fuktig. Stålet måste ha en konstant tillförsel av syre. 19

32 TEORETISK BAKGRUND 4.3 Rostfri armering Bakom namnet rostfri armering finns en mängd olika kvalitéer. Rostfritt stål är i huvudsak järnlegeringar, där krom utgör största legeringsämnet. Där kromhalten utgör ett värde på minst 10,5 %. Krom utgör ett skydd för luftens syre på stålytan. Detta medför en god korrosionsbeständighet i flertalet miljöer. Sammanfattningsvis kan sägas att desto högre halter av krom, nickel och molybdenstålet har desto dyrare men korrosionsbeständigare blir den rostfria armeringen (Almqvist J & Sederholm B, 2008). Världens första rostfria armering utvecklades i England under tidigt 1910-tal. Upptäckten kom vid utveckling av slitstarka material för kanoner där krom användes. Upptäckten var att stålet inte påverkades av etsmedel. Därmed togs ett patent på det första rostfria kromstålet. Vid samma tidpunkt i Tyskland arbetade man för att ta fram ett skydd till termoelement. De legeringsämnen som testades var framförallt krom och nickel. Det som upptäcktes var att stållegeringar med ca 20 % krom inte korroderade. Detta resulterade till det första Autentiska rostfria stålet med 0,25 % kol, 20 % krom och 7 % nickel. Ett vanligt sätt att dela upp de olika stålen är efter dess mikroskopiska kristallstruktur: Ferritiska stål Autentiska stål Duplexstål Martensitiska stål Det vanligaste stålet med blandstruktur är de austenit-ferritiska och i modernt tal kallas de för deuplexa stål. Olika egenskaper hos stål är direkt kopplade till stålens mikrostruktur. (Almqvist J & Sederholm B, 2008) Rostfri armerings fysikaliska egenskaper Den rostfria armeringens fysikaliska egenskaper är grundläggande för en konstruktör att begripa. Detta för att tillämpa armeringen optimalt och därmed effektivisera produktionen. När konstruktören väljer rostfri armering framför kolstål är den vanligaste orsaken dess goda korrosionsegenskaper. Genom att förstå skillnaden kan betongkonstruktionen bli optimal utifrån tillverkning och funktion. De skillnader som är konstaterade mellan rostfri armering jämfört med kolstål är framförallt: Starkt deformationshårdnande Hög hållfasthet God seghet (energiupptagningsförmåga) Rostfri armering EN används i Slussen och har en blandstruktur. Armeringen hårdnar vid kalldeformation. Deformationshårdnandet påverkar dess mekaniska egenskaper, främst hållfastheten samt brottförlängning. Detta påverkar i sin tur hanteringen i produktionen, formning och bockning. Materialet hårdnar successivt, därför bör hänsyn tas till det och att det går att hantera i produktion. Vid exempelvis bockning innebär detta att armeringen ger en återfjädring och att överbockning behövs. Detta för att erhålla den bestämda vinkeln på armeringen. Deformationshårdnaden är positivt då det ger en ökad hållfasthet. (Sederholm B, 2018). 20

33 TEORETISK BAKGRUND Krom (Cr) är det i huvudsak viktigaste ämnet i rostfri armering. En kromhalt på % är ett krav för att stålet ska få ett bra skydd mot korrosion. Detta skydd ökar med stigande kromhalt. Nickel(Ni) ger i allmänhet en bättre formbarhet och svetsbarhet. Molybden(Mo) höjer materialets härdning mot lokal korrosion. Kväve(N) medför ökad hållfasthet och härdighet mot lokal korrosion. Mangan(Mn) kan användas istället för nickel och stabiliserar austenit. Kol(C) Vanligtvis strävar man efter en låg kolhalt eftersom det kan orsaka korrosion genom bildning av kromkarbider. Desto lägre kolhalt ju mer nickel krävs för att bevara strukturen (Almqvist J & Sederholm B, 2008) Duplex rostfri armering Med duplex menas med att armeringen har en blandning av två faser s.k. kristallstruktur. Fördelen med duplex armering är att det går att erhålla goda egenskaper som finns hos strukturerna. Den första Duplexa rostfria armeringen som togs fram hade en hög kolhalt d.v.s. försämrad svetsbarhet. Med moderna tillverkningsmetoder kan idag kolhalten minskas och där med förbättras egenskaperna. De senaste åren har användning av Duplex armering ökat. Det har bidragit till nya Duplexa stålsorter med goda egenskaper (Sederholm B, 2018). EN (Nummer) EN (Namn) C Cr Ni Mo N X2CrNiMnN , ,5 0,3 0,22 Figur 9. Duplex rostfria armering som används i Slussen. Kemisk sammansättning och vikt i % (Almqvist J & Sederholm B, 2008). Goda egenskaper hos duplex rostfri armering är att den har hög mekanisk hållfasthet. Brottförlängningen är däremot medelmåttig vilket kan medföra begränsningar vid formbarhet. Armeringen är svetsbar till skillnad från andra typer av rostfri armering. Detta stål lämpar sig bäst där den höga hållfastheten i kombination med god korrosionshärdighet kan utnyttjas. Andra fördelar är att Duplex rostfri armering har god härdighet mot spänningskorrosion (Almqvist J & Sederholm B, 2008). EN (Nummer) EN (Namn) Rp 0,2 m 2 R m, N/mm 2 A5, % X2CrNiMnN Figur 10. Duplex rostfritt stål, hållfasthet (Almqvist J & Sederholm B, 2008). 21

34 TEORETISK BAKGRUND Korrosion av rostfri armering i olika miljöer I rostfritt stål utgör krom det huvudsakliga legeringsämnet där kromhalten är minst 10,5 %. Krominnehållet gör att det medför en passiviserande egenskap och därmed fås en korrosionsbeständighet i flertalet miljöer. Dock har det rostfria stålet en förmåga att rosta när det angrips av t ex gropfrätning, jämn korrosion, interkristallin korrosion eller spänningskorrosion (Ahlström J, 2014). I vilken grad det rostfria stålet passar i omgivande miljö beror främst på legeringssammansättningen i kombination med omgivande miljö och dess aggressivitet. Det finns många olika rostfria stålsorter som är speciellt framtagna till olika miljöer (Almqvist J & Sederholm B, 2008). Anledningen till att rostfri armering har goda korrosionsegenskaper i många miljöer beror av det skyddande skiktet som består i huvudsak av krom och järnoxider. För att det ska bli intakt och överlappa hela ytan behöver kromhalten vara ca 10,5 %. Med det skyddande skiktet sänks korrosionshastigheten. Skiktet är osynligt och går inte att se på den rostfria armeringen. Tjockleken brukar skifta mellan 10 och 30 Å (Ångström, 1 Å = m), beroende på omgivande miljö och vilken rostfri armering som används (Almqvist J & Sederholm B, 2008). För att inte skada den rostfria armeringens passivaskikt måste syre hela tiden finnas vid ytan. I vatten är syrenivån tillräckligt hög för att hålla passiva skiktet intakt. Skadas passivskiktet mekaniskt i en oxiderande miljö kommer passivskiktet brytas ner helt eller delvis. Detta medför korrosionsangrepp på det oskyddade stålet. Lokala angrepp som gropfrätning, spaltkorrosion, interkristallin korrosion och spänningskorrosion är negativt för konstruktionens hållfasthet (Ahlström J, 2014). Studier och forskning av rostfri armerings korrosionsegenskaper i betong är relativt nya. Exempel på nya armeringsstål är Outokumop Stainless AB nya duplexstål LDX 2101 (EN1.4162). Det är även det armeringsstål som kommer att användas i flertalet betongkonstruktioner i projekt Slussen (Andersson R, 2018). Vid val av armeringsstål bör kriterier för ett optimalt val göras med hänsyn till tekniska och ekonomiska aspekter. Som tidigare benämnts kan rostfri armering angripas och orsaka korrosion. Med rostfri armering menas inte att det inte kan korrodera det tar i regel längre tid. Jämn korrosion sker i huvudsak i kontakt med sura vätskor. För alkaiska miljöer i betong med en ph är den jämna korrosionen dock oftast obetydlig. Gropfrätning är den allmännaste orsaken till korrosion inträffar på rostfri armering i betongkonstruktioner. Korrosionsangreppet påträffas när klorider trängt in och brutit ner den rostfria armeringens passivskikt. Risken för gropfrätning ökar med ökad nivå på kloridhalt och temperatur (Almqvist J & Sederholm B, 2008). 22

35 TEORETISK BAKGRUND Rostfritt stål och karbonatisering i betong Rostfri armering i en ej karboniserad betong går att jämföra med passiverat kolstål i liknande miljö, med avseende på korrosionsegenskaper. Vid karbonatisering av betong försämras phvärdet i betongen från ca 12,5 till <10, då ökar även risken för korrosionsangrepp på kolstålet i betongen (Almqvist J & Sederholm B, 2008). Rostfria armeringen kommer däremot inte att öka risken för korrosion. När kloridjoner tränger in i betongen ökar dock risken för lokala korrosionsangrepp för både kolstålet och den rostfria armeringen. Risken för gropfrätning i den rostfria armeringen beror främst på mängden legeringsämnen i det rostfria stålet. Legeringsämnen som har övergripande betydelsen för gropfrätning är främst krom, kväve och molybden (Almqvist J & Sederholm B, 2008). När betongen får en kloridhalt som överstiger 0,4 % klorider per cementvikt i en karboniserad betongkonstruktion uppkommer korrosion ofta på kolstålet. För rostfri armering med lägre legering med PRE (desto högre PRE desto mindre risk för gropfrätning) < 20 har gropfrätning konstaterats vid totala kloridhalter överstigande 1 % klorider per cementvikt. För rostfri armering som är höglegerade PRE < 20 har inga korrosionsangrepp kunnat fastställas vid kloridhalter av höga halter ca 5 % klorider per cementvikt (Almqvist J & Sederholm B, 2008). En bedömning av risk för gropfrätning kan oftast göras med PRE-tal (Pitting Resistance Equivalent). Beräknad med följande formel: (1 x % Cr + 3,3 x % Mo + 16 x % N). I tabell nedan kan avläsas vanliga rostfria armeringskvaliteter som används i betong. Desto högre PRE-tal desto mindre risk för gropfrätning (Almqvist J & Sederholm B, 2008). Nummer enligt SS-EN Namn enligt SS-EN Mikrostruktur PRE X2CrNi12 Ferritisk X1Cr17 Ferritisk X5CrNi18-10 Austenitiskt X6CrNiTi18-10 Austenitiskt X2CrNiMnN Ferrit- austeniskt X5CrNiMo Austenitiskt X6CrNiMoTi Austenitiskt X2CrNiMoN Ferrit- austenitiskt 32 Figur 11. PRE-tal för olika rostfri armering kvaliteter (Sederholm B, 2008) Vid användning av rostfri armering i karboniserad betong med olika kloridhalter finns inga rekommendationer för val av stålkvalitet. Det som kan användas är PRE talen vid val av kvalitéer. Dessutom rekommenderas minsta halten av molybden (Almqvist J & Sederholm B, 2008). 23

36 TEORETISK BAKGRUND Galvanisk korrosion I komplexa konstruktioner kan det råda ett behov av att sammankoppla olika metaller i samma komponent. I dessa konstruktioner kan det då finnas en risk för galvanisk korrosion. Galvanisk korrosion kan inträffa när två olika metaller står i kontakt med varandra och bildar en elektisk elektrolyt (Euro inox, 2011). Galvanisk korrosion kan uppstå i t ex saltvatten då kolstålet kan fungera som offeranod samt det rostfria stålet som katod. Rostfri armering är mer skyddat mot korrosion i denna miljö eftersom det är ädlare. Den metallen som är oädlare kommer att få en ökad korrosionshastighet. Risken för korrosion kommer då att öka på ökat avstånd där materialen befinner sig (Sederholm B, 2018) Selektiv användning av rostfri armering En fråga som diskuterats mellan forskare i många år är blandningen av rostfri armering och kolstål i betongkonstruktioner. Frågan är om kolstålet påverkas av galvanisk påverkan från det rostfria stålet eller inte. Vid sammanfogning av kolstål och rostfri armering orsakar vanligtvis galvaniska korrosion på kolstålet i specifika miljöer. Dock kommer inte detta att ske när det finns ingjutet i betongen (Euro inox, 2011). Figur 12, Bilden visar till vänster rostfri armering och till höger kolstålsarmering. Materialpriset för rostfri armering är cirka sex gånger högre än konventionellt kolstål. Därför kan det ur ett ekonomiskt perspektiv vara effektivt att begränsa användningen av rostfri armering till de områden där korrosionsangrepp är mest sannolika under förväntad livslängd. Denna metod kallas för selektiv användning av rostfri armering (Östfjord Stig, 2016). Användning av rostfri armering medför ökad livslängd. Därmed kan renoveringar senareläggas eftersom betongkonstruktioner inte är lika korrosionskänsliga. Betongkonstruktioner med selektiv användning av rostfri armering behöver inte besiktigas lika ofta. Vanligtvis genomförs en besiktning vart femte år (Wikenholm G, 2018). En sammanfogning av kolstål och rostfri armering orsakar vanligtvis galvanisk korrosion dock inte vid ingjutning. Detta beror på att skillnaden i elektrokemisk potential mellan ett passiverat kolstål är försumbar. Vid hopkoppling mellan stora rostfria ytor i havsvatten där rostfri armering inte är ingjuten finns däremot en stor risk för galvanisk korrosion. Detta om det finns stora sprickor och porer i betongkonstruktionen. Därför är det inte att rekommendera att sammankoppla stora ytor rostfri armering i havsvatten med ingjutet kolstål. Det råder då en olämplig areafördelning mellan kolstål med liten anodyta och rostfri armering stor katodyta (Svenska Betongföreningen, 1998). 24

37 4.4 TILLVERKNINGSPROCESS FÖR BETONG TEORETISK BAKGRUND I detta avsnitt redogörs en översikt av tillverkningsprocessen för betong, från början till slut. Tillverkningsprocessen av betong ger stora koldioxidutsläpp och står för cirka 5 % av Sveriges CO2-utsläpp Process cement Cement är ett hydrauliskt bindemedel, det betyder att det reagerar vid kontakt med vatten. Det blir hårt och skapar en vattenbeständig massa. Den färska betongens egenskaper, hållfasthetsutveckling och beständighet påverkas av cementets egenskaper (Betonghandboken material, 1994). Vid tillverkning enbart i vårt land av cement behövs kalksten som bryts genom sprängning. Det bryts miljontalston kalksten. Kalksten transporteras till stenkross där det mals till mjöl. Storleken på den bortsprängda kalkstenen varierar från blockstorlek till grus. Efter krossning är största storleken ca 80 mm. Provtagning av stenen görs samt undersökning av kemisk sammansättning (Cementa, 2017). Figur 13. Tillverkningsprocess cement (Cementa, 2017). I råverket mals kalkstenen ner tillsammans med andra material till råmjöl, storleken är cirka 0,09 mm. Material som blandas med kalkstenen kan vara t ex sand, bauxit eller lera. Detta beror på vilka ämnen som behöver kompletteras. Den kemiska sammansättningen styrs av kalkmättnadsgraden. Malning sker i kvarnar där materialet samtidigt torkas ut (Betonghandboken material, 1994). Cementklinker kan tillverkas i roterugnar. Råmjölets temperatur är vid denna tidpunkt ca 1450 C. Det största koldioxidutsläppet på cirka 90 % sker vid den kemiska reaktionen när kalksten hettas upp. Det är ett grått pulver som bildar och kallas cement, som är bindemedlet i betong. Med olika malningsprocesser tillverkas olika former av cement. Det finns t ex anläggningscement, byggcement, snabbhärdande cement och cement för injektering (Svensk Betong, 2017). Tillverkning av cement är en processindustri. Det innebär att tillverkningen av cement inte avstannar utan pågår dygnet runt. 25

38 TEORETISK BAKGRUND Vatten Det finns idag inga regler för krav för kvalité på vatten som används i betong. En fingervisning är att allt naturligt vatten som går att dricka kan användas. Denna tumregel gäller eftersom förorenat vatten kan påverka betongens beständighet och hållfasthet. Vattencementtalet vct är förhållandet mellan cement och vatten. Ett lågt vattencementtal medför att det inte finns överflödigt vatten. Det medför att betongen blir mer kompakt och hållfastheten ökar (Andersson R, 2018) Tillsatsmedel Betongens färska och hårda egenskaper kan påverkas enligt behov. De kan modifieras med tillsatsmedel. Flyttillsatsmedel ändrar konsistensen kraftigt och därmed kan vattenhalten reduceras med ca %. Andra tillsatsmedel används för att accelerera eller fördröja betongens tillstyvnande (Betonghandboken material, 1994). Accelererande tillsatsmedel består främst av oorganiska tillsatsmedel salter, t ex klorider. Kalciumklorid CaCl2 är mycket effektiv och har varit den mest använda. Klorid, som även tagits upp tidigare, orsakar korrosion. Därför används den tillsatsen numera endast i inomhuskonstruktioner. Retarderande tillsatser fördröjer betongens hårdnande, utan att påverka hållfasthetstillväxten. Lämpligt att använda vid långa transporter och undervattengjutningar (Betonghandboken material, 1994) Ballast Ballast är ett bergartsmaterial av mineraliska produkter som kommer från naturen. För ballast gäller generellt att den ska vara volymbeständig, dvs varken öka volym eller minska. Materialen som är vanligt förekommande är makadam och singel. Makadam är krossat material och singel är okrossat bergartsmaterial (Svenska Betongföreningen, (1998). De ballastegenskaper som främst påverkar betongens samansättning är t ex fillerhalt, maximal kornstorlek samt kornform. Dessa egenskaper styr betongens hårdnande egenskaper. Kornstorleksfördelning för ballast: Beteckning Kornstorlek mm Sten > 8 Fingrus 8 Sand 4 Filler 0,

39 4.5 Betong och miljö TEORETISK BAKGRUND Betong ingår i allt byggande och är världens mest använda byggmaterial. Det är därför viktigt att betongen miljöanpassas på allvar. Betong finns överallt där vi gå är, åker och bor. Koldioxidutsläppen sker under produktionsskedet och minskar under driftskedet då betongen absorberar koldioxid Betongens livscykel Livscykelanalys är en metod för att skapa en helhetsbild för hur en produkt påverkar miljön under hela livscykeln. Det innebär att en produkt studeras från vaggan till graven. Från att råmaterialet utvinns ur naturresurser till en produkt för användning och till sist då produkten blir avfall. När en LCA genomförs syftar det till att ta reda på hur mycket koldioxidutsläpp det blir totalt för produkten (Erlandsson M., Lindfors L.G. & Jelse K., 2013). Det finns ett stort behov av att minska koldioxidutsläpp. För att lyckas genomföra en begränsning av användning av resurser har Sverige satt upp internationella mål för energi år 2020 (Regeringskansliet, 2015). Fram till år 2030 ska medlemsstaterna i EU minska växthusgasutsläppen med 40 % och öka förnyelsebar energi med 27 %. Energipolitiken ska skapa villkor för energianvändning. Energiutvinning har en stor inverkan på miljön och behöver bli ekologiskt hållbart. Betong är det mest använda byggnadsmaterialet i världen, efter vatten. Betong har en stor inverkan på miljön eftersom mycket koldioxid avges vid framförallt cementtillverkning. För att uppfylla klimatmålen måste miljöpåverkan av betongkonstruktioners reduceras (European Commission, 2017). C02 - utsläpp C02 - utsläpp Råvaror Betong C02 - upptag Återvinning Transport C02 - utsläpp Drift C02 - upptag Figur 14. Betongens livscykel (Svensk Betong, 2017). 27

40 TEORETISK BAKGRUND I en livscykelanalys beräknas klimatpåverkan genom hela konstruktionens livscykel, där både produktionen och driftskedet har stor betydelse. Som tidigare har tagits upp består betong i sin enklaste form av cementlim (cement + vatten), stenmaterial (naturgrus eller krossat berg) och vatten. Naturgrus är värdefullt och en ändlig resurs som inte förnyas. I livscykelanalyser av betong framgår det att mer än 90 % av koldioxidutsläpp sker under tillverkning av cement (Al Ayush N, Produktion Största klimatpåverkan kommer från tillverkning av cementklinker som är bindemedlet i betongen. Livscykelanalyser som svensk betong har genomfört visar att 90 % av koldioxidutsläpp kommer från tillverkningen av cement. Under processen vid tillverkning frigörs största mängden koldioxid vid kalcineringen. Resterande koldioxid kommer från uppvärmningen, som kräver mycket energi. Övriga koldioxidutsläpp kommer från transporter, tillverkningen av betong och övriga beståndsdelar i betong (Svensk Betong, 2017). Råvaror 90-95% Transporter 5-8% Tillverkning 1-5% Figur 15. Fördelning av utsläpp för betong (Svensk Betong, 2017). Årligen produceras i Sverige mellan fem till sex miljoner kubikmeter betong för infrastruktur samt byggnader. Med användning av Svensk Betong innebär det att det blir ett koldioxidutsläpp på cirka ton koldioxid per år. Ungefär 25 % av all betong som tillverkas i Sverige går till infrastruktur. Det motsvarar ungefär 1,3 miljoner kubikmeter betong (Svensk Betong, 2017). 28

41 TEORETISK BAKGRUND Driftskedet Med driftskedet menas att konstruktionen är färdig och står inför användningsfasen. I produktionsfasen ger betongen koldioxidutsläpp. I driftskedet tar betongen upp koldioxid istället för att avge koldioxid genom hela driftskedet, karbonatisering. Den kemiska processen är naturlig och sker kontinuerligt genom betongens livslängd. Ytorna på betongkonstruktioner i Sverige beroende på hur de exponeras tar årligen upp cirka ton koldioxid. I ett livscykelperspektiv är det positivt och minskar betongens totala koldioxidutsläpp. Upptaget motsvarar cirka % av utsläpp som sker i produktionsskedet (Svensk Betong, 2017). Betongen har goda termiska egenskaper. Betong lagrar både värme och kyla detta kan medföra en minskning för behov av uppvärmning och kylning. Detta resulterar till en minskad energianvändning för betongens totala livslängd. Egenskaperna är viktiga hos betong eftersom framtidens klimat förväntas vara varmare Det kommer att krävas större kylbehov inomhus jämfört med idag (Nadia Al Ayush, 2017). Andra positiva aspekter är betongens värmetröghet som minskar effekttoppar, det möjliggör en förflyttning av effektuttagen. Betongens egenskaper är därmed både miljömässiga och ekonomiska (Svensk Betong, 2017) Återvinning Betong består av naturmaterial, Skanska vill minimera användningen och arbeta med att återvinna deras egna restprodukter (Skanska, 2017). Betong går att återanvända till 100 % och används det ofta som fyllnadsmaterial. Betong innehåller inga farliga ämnen därför kan allt material återvinnas, ofta som fyllnadsmaterial. Betongkonstruktioner och ny teknisk utvecklas och går fort framåt. Betong erhåller en lång livslängd samtidigt som låga krav på underhåll finns. Detta medför att materialet är konkurrenskraftigt på marknaden ur ett miljöperspektiv (Al Ayush N, 2017). Vid rivning av gamla betongkonstruktioner finns behov av transportering av rivningsmassor. Vanligaste transport av rivningsmaterial är med lastbilar eller till sjöss. Materialet förs ofta till större upplag där de krossas ner till kross. Krossning krävs för att materialet ska kunna användas på marknaden igen. Föroreningar i betong behöver även sorteras bort och genomförs med olika metoder. Betongkonstruktioner består ofta av armeringsjärn som måste sorteras bort (Svensk Betong, 2017) Utmaningar Betongindustrin står inför en enorm utmaning. Världens befolknings växer snabbt och kräver en hållbar och säker infrastruktur. I infrastrukturen i Sverige och globalt utgör betong en viktig del. Problemet är att cementindustrin står för stora koldioxidutsläpp. Den huvudsakliga utmaningen ligger i att bygga upp samhället och samtidigt ta ansvar för miljön (Cementa, 2018). Genom utvecklingsarbeten har betong minskat med cirka 20 % där branschens mål är att minska ännu mer (Svensk Betong, 2017). 29

42 4.6 Hantering av kolstål och rostfri armering i Slussen TEORETISK BAKGRUND Detta kapitel handlar om hantering av kolstål och rostfri armering i produktion. Betongkonstruktioner i Sverige med rostfri armering finns i begränsad utsträckning. Generellt sett hanteras den rostfria armeringen på samma sätt som kolstålsarmering. Mellan kolstål och rostfri armering EN finns inga skillnader för montagekapacitet. Rostfri armering och kolstål kommer att förvaras fritt utomhus före ingjutning (Hellsing J, 2018). Klippning och bockning av rostfri armering fungerar på ungefär samma sätt som för kolstål. Det är generellt sett lättare att klippa rostfri armering eftersom materialet är något mjukare. Detta beror på vilken maskin som används och kvalité. Det finns skillnader vid bockning, det rostfria stålet medför en återfjädring. Rostfri armering kräver en 2 3 ⁰, extra bockning, för att kompensera återfjädring. Den rostfria armeringen kommer att sammanbindas med najtråd, svetsning är inte tillåten. Det kommer att finnas en bockningsmaskin på plats med olika cylindrar för rostfri armering och kolstål. Det är viktigt att bocka rätt järn med rätt anpassad cylinder för att behålla egenskaperna (Hellsing J, 2018). Eftersom efterfrågan av rostfri armering är liten innebär det längre avropstider. Att lagerhålla den rostfria armeringen på byggområdet i Slussen är svårt eftersom det inte finns tillräckligt med yta. Därför lagerhålls stora mänger på Skanskas lager en bit utanför Stockholm i Bro. Armeringen kommer att anlända till platsen med just-in-time leveranser för att underlätta produktionen (Hellsing J, 2018). Problematik som har uppkommit i produktion är leveranser av Lenton skarvar. Det går inte att beställa hos Outokumpu som är en leverantör för EN Rätt dimension är även svår att få tag på hos leverantören. Outokumpu kan leverera rostfritt stål för denna kvalité upp till ø25 men inte ø32. Många av betongkonstruktionerna behöver ø32 och måste därmed beställas på annat håll (Hellsing J, 2018). Figur 16. Bilden till vänster visar en Lenton-skarv för rostfri armering ø25. Bilden till höger visar en bockningsmaskin. 30

43 RESULTAT 5 RESULTAT I detta kapitel presenteras beräkningsresultatet för en sektion av en kantbalk på Norra Landfästet i Slussen. Avsnittet redogör även för miljöpåverkan samt hur byggentreprenören Skanska påverkas i produktionen av selektiv användning av rostfri armering. 5.1 Miljöanalys Ett samhälle som på sikt ska vara hållbart kräver användning av restprodukter. I förlängningen krävs det för att kompensera naturens resurser som kommer att ta slut. Genom att använda rivnings och restbetong sparas naturresurser. Därför är det viktigt för byggföretag att ha teknik och kunskap för att kunna genomföra detta när betongkonstruktionerna behöver rivas i framtiden. Skanska har redan idag bra metoder för att återvinna betong och kunskapen antas vara ännu bättre i framtiden. I denna studie har en undersökning av rostfri armering genomförts. Frågeställningen är om det är bättre ur miljösynpunkt att selektivt tillämpa rostfri armering. Sveriges gällande miljömål och höga krav på byggbranschen bidrar till att sänka koldioxidutsläpp. Rostfri armering kan minska behovet av underhåll och i sin tur renoveringsarbeten. Rostfri armering är därför ett verktyg för att kunna öka betongkonstruktioners livslängd. Detta eftersom korrosionsskador tenderar att minska. Resultatet av miljöanalysen är att rostfri armering bidrar till en bättre miljö. I detta antagande gäller då att livslängden är 120 år och att betongen återvinns i framtiden. 5.2 Produktion I projekt Slussen kommer den rostfria armeringen från en annan leverantör än kolstål. Detta medför ökade kostnader gällande administration samt arbetstimmar. Gällande hantering i produktion kommer det att bli mer produkter att hålla reda på, generellt sett. Detta gäller vid både lagerhållning, transporter och iläggning. Den begränsade ytan i Slussen gör att lagerhållningen sker på annan plats än byggområdet. Lagret ligger i Bro där materialen transporteras in och från byggområdet. Stora resurser disponeras på planering för att rätt material ska komma vid rätt tidpunkt. För att mottagningen på Slussen ska ske så effektivt som möjligt behöver rätt armering komma vid rätt tidpunkt. Logistiken kring Slussen är komplicerad och Slussen är en av landets mest vältrafikerade knutpunkter. 31

44 RESULTAT Produktionen ska flyta på i samma takt som vanligt trots olika armeringsjärn. Den rostfria armeringen hanteras i stort sett lika som kolstålsarmeringen. Den enda skillnaden är att bockningen på plats inte kommer att ske med olika cylindrar, dock med samma maskin. Egenskaperna för rostfri armering bör kunna optimeras i Skanskas framtida projekt. Täckande betongskikt är 55 mm på kantbalken vilket hade kunnat sänkas. Med ett minskat täckande betongskikt finns en större risk för att armeringen utsätts för höga kloridhalter. Dock blir investeringskostnaden lägre eftersom täckskikten kan bli tunnare. För att optimera kantbalkens lönsamhet är det viktigt att poängtera att rostfri armering bör placeras där den gör störst nytta. Det bidrar till högre utnyttjandegrad av materialen och underhåll och reparationer kan på så vis minska. Figur 17. Bilderna visar Norra Landfästet och den selektiva användningen av rostfri armering och kolstål. 32