Korrosion hos förzinkat stål i karbonatiserad och kloridhaltig betong

Transkript

1 Korrosion hos förzinkat stål i karbonatiserad och kloridhaltig betong -en studie utförd av Korrosionsinstitutet Annikki Hirn, MSc

2 Informationskontor för frågor rörande varmförzinkning av stål Jobbar med teknik, utbildning, marknadsföring och miljöfrågor Ägs av nordisk förzinkningsindustri tillsammans med zinkproducenten Outokumpu Zinc OY (numera uppköpt av Boliden)

3 Vad är varmförzinkning? En dopprocess där stål sänks ned i ett bad av smält zink En legering mellan stål och zink fås Med hjälp av olika parametrar kan skiktets tjocklek och egenskaper styras Varmförzinkning kan ske kontinuerligt eller som styckedoppning Varmförzinkning ger ett överlägset korrosionsskydd jämfört med andra tekniker på marknaden

4 Varmförzinkning av bilkaross

5 Hur skyddar zinken? Långsamt korrosionsförlopp - järn korroderar ungefär 200 gånger snabbare än zink. Zinkens korrosion idag i Sverige - beroende på miljöförhållanden - ligger mellan 0,5 till 4 mikrometer per år. Vid skador i skiktet ger zink katodiskt skydd av stålytan. Detta medför att mindre skador i zinkskiktet inte påverkar en detaljs korrosionsskydd. Skada i zinkskikt - omkringliggande zink ger katodiskt skydd av stålytan. Skada i lackskikt - stålytan korroderar och färgfilmen lyfts. Skadan tillväxer.

6 Zinkskiktets struktur Zinkskiktets struktur beror på stålets kemiska sammansättning, där halten av kisel har en dominerande inverkan. Även fosforhalten spelar in. Ren zink Järn-zinkfaser Stålyta Aluminiumtätat stål, dvs låg kiselhalt Si-+P<0.04 vikts -% Järnzinkfaser Skikt på stål med 0.06 vikts-% Si Stålyta Skikt på stål med 0.26 vikts-% Si

7 Inköp av stål... Vid inköp av stål från återförsäljare är kiselhalten ofta inte specificerad noggrannare än att den ligger < 0.5 % Man måste påpeka att stålet ska vara lämpligt att varmförzinka Man måste veta vilken skikttjocklek man vill ha, dvs om ska välja ett stål med Si-halt <0.04 %, % eller > 0.25 % Utan rätt förkunskaper kanske resultatet efter varmförzinkning inte alls blir vad man tänkt sig...

8 Vanligaste orsakerna till korrosion hos stål i betong 1) Högt ph = Passivt stål 2) Påverkan av koldioxid= ph sjunker 2) Stålet aktiveras, korrosion startar Ny Efter viss tid Efter längre tid Karbonatisering av betongen 1) Högt ph = Passivt stål 2) Klorider tar sig in i betongen C) Kloridkoncentrationen når en kritisk nivå, korrosion startar Kloridinträngning T-G Vinka, Korrosionsinstitutet

9 Exempel på korrosion hos armeringsstål Avspjälkning av täckskiktet över armeringsstålen i källartak på grund av armeringens korrosion.

10 Allmän uppfattning om zink i betong... Användbarheten av förzinkat stål i betong har varit omdiskuterade av följande orsaker: I anslutning till ingjutningen är miljön aggressiv - ph omkring 13 - mot zinkskiktet och kraftig korrosion och vätgasutveckling sker Vätgasutvecklingen medför dålig vidhäftning mellan armering och betong Korrosionsinstitutets första studie visade att vätgasutvecklingen avstannar så snart betongen stelnat Gasblåsorna avgår => ingen bestående porositet Nu var frågan -vad händer i en mer aggressiv miljö?

11 För att ta reda på fakta - fortsatt forskningsarbete tillsammans med Korrosionsinstitutet Experimentellt upplägg: Jämförelse mellan förzinkat armeringsjärn och varmvalsat armeringsjärn med glödskal, i följande miljöer: 1) Kloridhaltig betong, 0.5, 1 samt 2 mass-% Cl 2) Karbonatiserad betong med och utan klorider, 1 mass-% Cl Exponering skedde i miljö som liknar användarbetingelser

12 Materialdata Ståltyp: SS Varmvalsat armeringsjärn med glödskal 0.25 mass% Si 0.02 mass% P Ingen förbehandling före ingjutning i betong Varmförzinkade stänger kromaterades inte

13 Förzinkningsdata Förzinkning hos AB Lysekil Torrförzinkning, blyfritt bad, T= ca 460º C Medelskikttjocklek 184 µm Helt legerat skikt utan renzink ytterst

14 Ingjutning och exponering Provdimensioner: 16x300 mm 3 st förzinkade + 3 st obleagda per betongblock Klorider i form av NaCl tillsattes med blandningsvattnet vid gjutningen. Kloridhalt; 0, 0.5, 1 samt 2 mass%, relaterat till cementens torra massa. Total härdningstid: 63 dygn

15 Karbonatisering Behandling i provkammare med hög koldioxidhalt. Koldioxiden går in i betongen och neutraliserar den starkt alkaliska miljön => ph sjunker.

16 Ingjutning av proverna i betong Varmförzinkade stänger och obelagda stänger liggande i gjutformen före ingjutningen. Till höger i formen stänger med kabelanslutning och en referenselektrod för mätning av korrosionspotential.

17 Spräckning av betongblock Efter avslutad exponering spräcktes betongblocken och proverna plockades ut för analys och utvärdering.

18 Utvärdering av korrosionshastighet Massförlustbestämning - vägning före och efter exponering. Före vägningen rengjordes proverna från korrosionsprodukter och betongrester. Frätgropar hos kolstål mättes med hjälp av mikroskop. Visuell bedömning av obelagda stänger, skala 0-4 (Inget angrepp - kraftigt angrepp)

19 Bedömningstal för lokala korrosionsangrepp - obelagt stål Bedömningstal Lokalt korrosionsangrepp Inget lokalt korrosionsangrepp Obetydligt lokalt korrosionsangrepp Litet lokalt korrosionsangrepp Måttligt lokalt korrosionsangrepp Kraftigt lokalt korrosionsangrepp

20 Resultat - betong med tillsats av klorider Tillsats av klorider till betongen Exponeringstid Kloridhalt i betongen Varmförzinkat stål Jämn korrosion Kolstål Lokal korrosion mass-% Cl - av cementens torra massa 0 0,5 1 2 år mass-% Cl - av cementens torra massa Medelskikttjocklek Korrosionshastighet Korrosionshastighet µm µm/år µm/år µm/år Maximal lokal korrosionshastighet Bedömningstal för trippelprov 0, (13) 1,4 (0,2) 15 (1,1) 345 (28) 1 1, (13) 1,0 (0,1) 8,5 (1,3) 225 (59) 1 0,73 0, (10) 1,2 (0,1) 13 (1,6) 420 (54) 1 1,44 0, (13) 2,3 (0,3) 9,3 (0,7) 295 (58) 2 0,73 0, (12) 4,0 (2,0) 18 (3,0) 500 (75) 2 1,44 0, (15) 8,7 (1,5) 11 (1,0) 320 (73) 3 0,73 1, (17) 30 (3,7) 28 (2,0) 685 (105) 3 1,44 2, (12) 27 (2,5) 22 (3,0) 545 (126) 4 Exponering 0.73 och 1.44 år. För förzinkade prover anges medelskikttjocklek och korrosionshastighet för jämn korrosion. För obelagda prover anges korrosionshastighet för jämn respektive lokal korrosion (frätgropar)

21 Obelagda stänger efter exponering i betong Obelagda stänger efter exponering 1.86 år i betong. Från vänster till höger: Ingen behandling av betongen Tillsats av 1% klorid Karbonatiserad betong Karbonatiserad betong med tillsats av 1% klorid

22 Varmförzinkade stänger efter exponering i betong Förzinkade stänger efter exponering 1.86 år i betong. Från vänster till höger: Ingen behandling av betongen Tillsats av 1% klorid Karbonatiserad betong Karbonatiserad betong med tillsats av 1% klorid

23 Resultat - karbonatiserad betong med tillsats av klorider Behandling av betongen Tillsats av klorider till betongen mass-% Cl - av cementens torra massa Varmförzinkat stål Jämn korrosion Medelskikttjocklek Korrosionshastighet Korrosionshastighet Kolstål Lokal korrosion µm µm/år µm/år µm/år Maximal lokal korrosionshastighet Bedömningstal för trippelpro v Ingen behandling Karbonatisera d betong Tillsats av klorider Karbonatisera d betong + tillsats av klorider (11) 1,2 (0,2) 6,8 (0,8) 90 (83) (20) 1,7 (0,2) 10 (2,0) 270 (103) (17) 11 (2,1) 11 (1,0) 455 (102) (17) 14 (0,6) 27 (1,5) 400 (51) 4 Exponering 1.86 år. För förzinkade prover anges medelskikttjocklek och korrosionshastighet för jämn korrosion. För obelagda prover anges korrosionshastighet för jämn respektive lokal korrosion (frätgropar)

24 Vidhäftning Spräckning av betongblocken visade mycket god vidhäftning mellan Zn och betong Vidhäftningen var bättre för de förzinkade proverna än för de obelagda Vidhäftningen mot betongen ökar med tiden för förzinkat material Resultatet överensstämmer med litteraturstudier Tidigare tveksamheter gällande vidhäftning Zn-betong baserar sig på utdragsförsök mycket kort tid efter ingjutning

25 Slutsatser Förzinkat stål har mycket god korrosionshärdighet i karbonatiserad betong I kloridhaltig betong klarar sig förzinkat material bra upp till 1.5 mass% klorid Vid kloridhalter över 1.5 mass% skyddar zinken stålet under en mera begränsad tid Vidhäftningen mellan Zn och betong är inte något problem

26 Mätvärden på vidhäftning Enligt tidigare undersökningar är den genomsnittliga vidhäftningen för släta armeringsstål i betong följande: Varmförzinkat material: MPa Vanligt kolstål: MPa Spänningen för 0.1 mm glidning hos kamstål i betong har uppmätts till ca: Varmförzinkat material: 160 MPa Vanligt kolstål: 150 MPa

27 Fördelar med varmförzinkad armering: Zink ger katodiskt skydd på exponerat stål som kan fås lokalt vid avklippning eller vid mekanisk åverkan Mindre risk för betongsprängning jämfört obelagt stål vid samma betongtäckskikt Risken för rostrinningar praktiskt taget eliminerad Armerad betong kan användas mer frekvent i aggressivare miljö Varierande betongkvalitet kan lättare tolereras Förzinkade armeringsjärn korroderar inte under lagring och transport

28 Exempel - förzinkad armering Förzinkat armeringsstål i Lillholmens pontonbro, Pargas, Finland

29 Livslängder Vad blir livslängden hos den förzinkade armeringen jämfört med obelagd armering? Antag 180 µm zink 1% Klorider Korrosionshastigheten för zinkskiktet (antag medelvärde av de två angivna värdena för tidsintervallet 0.73 och 1.44 år) = 6 µm/år detta ger att det teoretiskt tar 30 år att avverka zinkskiktet, i praktiken något kortare, ca 25 år, dvs zinken skyddar armeringen i 25 år. Armeringens livslängd ökar med 25 år om den varmförzinkas!!!

30 Priser Vad är relationen mellan obelagt stål - varmförzinkat stål och rostfritt? Vid varmförzinkning spelar olika faktorer in, men som en uppskattning kan sägas att relationen är ca; Obelagt stål : 3 kr/kg * Förzinkat stål: 10 kr/kg Rostfritt stål: 25 kr/kg * Förzinkat material är ca 60 % billigare än rostfritt! * Uppgift från Tibnors kundtidning

31 Är zink farligt för miljön? Ofta sätts likhetstecken mellan tungmetall och miljöfara! Vad är en tungmetall?? Enligt definition metall med densitet >4.5 kg/dm 3 dvs de flesta metaller i periodiska systemet är tungmetaller Zink, järn och koppar är essentiella metaller = livsnödvändiga, viss halt krävs för att uppräthålla olika funktioner i kroppen Brist är skadligt liksom kraftig överexponering

32 Skikttjocklekar hos gängat gods Varmförzinkning enligt SS Varmförzinkade gängade ståldetaljer Skikttjocklekar hos gängat gods: Klass 3: Medelskikttjocklek på 25 och en möjlig skikttjocklek på 55 µm Klass 4: Medelskikttjocklek på 45 och en möjlig skikttjocklek på 75 µm Klass 5: Medelskikttjocklek på 65 och en möjlig skikttjocklek på 95 µm Klasserna är indelade efter gängdimensioner. Det troliga när det gäller bergsbult är Klass 4.