MECHANICS RESEARCH CBI BETONGINSTITUTET

Transkript

1 MECHANICS RESEARCH CBI BETONGINSTITUTET Sprickor i betong Natalie Williams Portal, Dimitrios Boubitsas RISE Rapport : 2019:21

2 Sprickor i betong Natalie Williams Portal, Dimitrios Boubitsas

3 1 Abstract Cracks in concrete The Swedish Fortifications Agency s (FORTV) property stock consists of numerous concrete structures built both above and below rock. Some of these structures have experienced cracking overtime which, in turn, can lead to subsequent problems such as reinforcement corrosion and deterioration of structural performance. Due to the fact that in many cases there are building requirements related to protection against forced entry and weapon attacks, it is of great importance for FORTV to gain an understanding of how cracks are developed, the significance of the crack development, how do cracks affect the performance, as well as how cracks can be remediated. A similar project, with a focus on so-called access protection, has earlier been managed by FORTV. During the project, it was ascertained that there is inadequate knowledge pertaining to crack repair. The goals of this project were the following: Suggest a method or a tool to evaluate the extent of cracking in concrete structures which are included in protective facilities. Describe which parameters can initiate cracking. Describe repair methods to reinstate the functionality of concrete structures. Cracking naturally takes place during the normal use of a concrete structure without influencing the structure s functionality given that it is designed correctly. However, there are other mechanisms which can initialize cracking in concrete structures. These mechanisms take place during various time periods (hardening, after hardening and during the service life). Three crack groups have been identified accordingly: a) cracks due to poor workmanship, b) cracks due to chemical deterioration mechanisms and c) loading cracks. Damage identification and a condition assessment can be conducted in different stages to determine the extent of cracking. It is firstly recommended to review the existing documentation coupled to the structure, followed by a preliminary inspection (visual), additional non-destructive testing and lastly destructive testing. Repairs are selected according to the source of the damage, it is to say concrete defects or corroded reinforcement. In addition, the functionality requirements for the structure shall be evaluated and the selected methods shall be assessed according to e.g. lifespan and cost. Key words: Concrete; crack development; reinforcement; damage identification, condition assessment, non-destructive testing (NDT), repair RISE Research Institutes of Sweden AB RISE Rapport :2019:21 ISBN: Borås

4 2 Innehåll Abstract... 1 Innehåll... 2 Förord... 3 Sammanfattning Bakgrund Sprickbildning Spricktyp Sprickor av bristande arbetsutförande Materialtekniska sprickor Sprickor av mekanisk belastning Skadeutredning och tillståndsbedömning Okulär/dokumentation Plastiska sättsprickor Plastiska krympsprickor Temperatursprickor Sprickor orsakade av armeringskorrosion Sprickor orsakade av frostangrepp Sprickor orsakade av alkali-kiselsyrareaktioner Sprickor orsakade av sulfatangrepp Inverkan och betydelse av materialtekniska sprickor Materialprov Oförstörande provning (NDT) Åtgärder Värderingen Reparationsmetoder Föreslagen modell Referenser... 30

5 3 Förord RISE har fått uppdraget av Fortifikationsverket (FORTV) att skriva en rapport gällande sprickor i betong varvid sprickbildning, skadeutredning/tillståndsbedömning, åtgärder och en föreslagen modell beskrivs. Finansieringen av projektet har skett genom CFORT som i sin tur finansieras av FORTV och RISE. Vi vill rikta ett varmt tack till FORTV som har gjort detta projekt möjligt. Projektet har varit inriktat på: Sammanfatta grunden kring sprickbildning i betong. Sammanfatta olika metoder för skadeutredning och tillståndsbedömning. Ge förslag på en modell för utvärdering och reparation av sprickor i betong. Deltagarna i projektet har varit: Projektledare: Arbetsgrupp: Natalie Williams Portal, RISE Natalie Williams Portal, RISE Dimitrios Boubitsas, RISE Vi vill fram vårt tack följande personer som har bidragit med värdefulla synpunkter: Johan Magnusson, FORTV Carolina Eklöf, FORTV Rolf Dalenius, FORTV Carl Elfving, FORTV Borås i februari 2018 Natalie Williams Portal Dimitrios Boubitsas

6 4 Sammanfattning FORTV har i sitt fastighetsbestånd ett stort antal betongkonstruktioner både i och ovan berg. Med tiden har det uppstått sprickor i några av dessa konstruktioner vilket på sikt kan leda till problem med armeringskorrosion och en försämrad funktionalitet. Eftersom det i många fall finns krav på att konstruktionen ska ha ett skydd mot forcering och vapenangrepp så är det av stor vikt för FORTV att få kunskap i hur sprickor kan uppstå, allvarligheten i uppkomna sprickor och hur sprickorna påverkar funktionaliteten, samt hur uppkomna sprickor kan åtgärdas. Ett liknande projekt har tidigare bedrivits på FORTV, men då med fokus på tillträdesskydd. Under arbetet kunde då konstaterats att det fanns bristfällig kunskap angående hur sprickorna bör åtgärdas. Syftet med projektet var att: ta fram ett förslag på en metod eller ett verktyg för att bedöma allvarligheten hos uppkomna sprickor i betongkonstruktioner som ingår i en anläggnings skydd mot vapenverkan. beskriva vilka parametrar som kan ge upphov till sprickbildningar. beskriva metoder för hur sprickskador kan åtgärdas så att konstruktionens funktionalitet återställs. Sprickbildning är en naturlig del av betongkonstruktionens verkningssätt och inverkar normalt sätt inte på konstruktionens funktion om den dimensionerats på ett korrekt sätt. Det finns dock en mängd olika mekanismer till uppkomsten av sprickor i betongkonstruktioner som kan ske under olika tidsskede (härdning, efter härdning och under service life). Tre sprickgrupper har identifierats: a) sprickor av bristande arbetsutförande, b) materialtekniska sprickor och c) sprickor av mekanisk belastning. En skadeutredning eller tillståndsbedömning ska utföras i olika steg för att bedöma allvarligheten hos uppkomna sprickor. Först är det rekommenderat att utföra en genomgång av befintlig dokumentation kopplad till konstruktionen följt av en preliminär bedömning (okulärt), ytterligare icke-destruktiv provning och sist destruktiv provning. Åtgärder väljs beroende på om skadan relateras till betongdefekter eller armeringskorrosion. Detta i kombination med att funktionskrav på konstruktionen ska evalueras och valda metoder värderas enligt t.ex. livslängd och ekonomi.

7 5 1 Bakgrund FORTV har i sitt fastighetsbestånd ett stort antal betongkonstruktioner både i och ovan berg. Med tiden har det uppstått sprickor i några av dessa konstruktioner vilket på sikt kan leda till problem med armeringskorrosion och en försämrad funktionalitet. Eftersom det i många fall finns krav på att konstruktionen ska ha ett skydd mot forcering och vapenangrepp så är det av stor vikt för FORTV att få kunskap i hur sprickor kan uppstå, allvarligheten i uppkomna sprickor och hur sprickorna påverkar funktionaliteten, samt hur uppkomna sprickor kan åtgärdas. Ett liknande projekt har tidigare bedrivits på FORTV, men då med fokus på tillträdesskydd. Under arbetet kunde då konstaterats att det fanns bristfällig kunskap angående hur sprickorna bör åtgärdas. I följande kommer sprickbildning ( 2), skadeutredning/tillståndsbedömning ( 3), åtgärder ( 4) och en föreslagen modell ( 5) beskrivas.

8 6 2 Sprickbildning Sprickbildning är en naturlig del av betongkonstruktionens verkningssätt och inverkar normalt sätt inte på konstruktionens funktion om den dimensionerats på ett korrekt sätt. Sprickbildning i betong kan ske på olika sätt beroende på betongkonstruktionens funktion, se Tabell 1. I brottgränstillstånd uppvisar konstruktioner oftast en omfattande sprickbildning som en del i konstruktionens verkningssätt medans det i bruksgränstillstånd ofta handlar om att minimera eller begränsa sprickbildningen för att säkerställa konstruktionens avsedda funktion och beständighet. I det senare fallet kan det handla om att begränsa sprickvidder för att undvika armeringskorrosion eller upprätthålla konstruktionens täthet, men även rent estetiska funktionskrav. Tabell 1: Förväntad uppkomsten av sprickor baserad på betongkonstruktionens funktion [1]. Betongkonstruktionens funktion Förväntad uppkomsten av sprickor Bruksgränstillstånd Ren betong Nej Nej Armerad betong Ja Ja Spännarmerad betong Partiell spännarmerad betong Rena drag- och böjsprickor oväntade Ja Brottgränstillstånd Ja Ja Kommentar (gäller besiktning av sprickor) Sprickor är skador och kan även innebära brott. Rena drag- och böjsprickor undersöks med avseende på grad och sprickbredd (på ett förenklat sätt). Normalt undersöks inte andra sprickor. Förspänningen används för att förhindra rena drag- och böjsprickor under bruksgränstillståndet. Normalt undersöks inte andra sprickor. Förspänningen används för att fördröja och begränsa rena drag- och böjsprickor under bruksgränstillståndet. Normalt undersöks inte andra sprickor.

9 7 2.1 Spricktyp Det finns en mängd olika mekanismer till uppkomsten av sprickor i betongkonstruktioner. Dessa mekanismer är ofta kopplade till olika skeden (tidsmässiga) i en betongkonstruktions livslängd, från gjutning till beräknad slutgiltig livslängd. Figur 1 illustrerar de olika skeden då de vanligaste sprickmekanismerna kan vara aktuella. Figur 1: Illustration av olika av sprickmekanismer relaterat till en betongkonstruktions livslängd [2]. Baserad på Figur 1 kan man därmed uppdela spricktyper i tre olika grupper: 1) sprickor av bristande arbetsutförande, 2) materialtekniska sprickor och 3) sprickor av mekanisk belastning. Indelningen av olika spricktyper med hänsyn till tidsskede sammanställs i Tabell 2 och grupperna detaljeras i respektive kapitel.

10 8 Tabell 2: Översikt över indelningen av olika spricktyper (baserad på [1, 3]) Spricktyp GRUPP 1 Sprickor av bristande arbetsutförande GRUPP 2 Materialtekniska sprickor Plastiska sättsprickor Plastiska krympsprickor Rörelsesprickor Värmehärdningssprickor Sprickor pga. lastkoncentrationer Sprickor i gjutfogar Sprickor i rörelsefogar Genomgående sprickor Temperatursprickor Ytsprickor Sprickor av fysikalisk-kemisk Mikrosprickor inverkan Krackelering Pga yttre mothåll Krympsprickor Pga differenskrympning Sprickor av volymökning hos material inneslutna i betongen Korrosion, karbonatisering Korrosion, klorider Sulfatangrepp Alkaliballast-reaktioner Sprickmönster Regelbundet Oregelbundet/Parallella/över armering Systematisk orientering Inre sprickbildning Byggnadstekniskt förutsägbart Längs fogen Längs fogen Stort inbördes avstånd Oregelbundet Inre sprickbildning Oregelbundet Vinkelrätt rörelseriktningen Krackelering Längs armering Längs armering Krackelering Regelbundet Tidsskede efter gjutning (se Figur 1) Timmar till några dagar (under härdning) Några dagar till månader (efter härdning-service life) GRUPP 3 Sprickor av mekanisk belastning Frostsprickor, rent vatten Frostsprickor, salthaltigt vatten Sprickor av dimensionerande last, böjsprickor Sprickor av dimensionerande last, dragsprickor Sprickor av dimensionerande last, skjuvsprickor Sprickor av dimensionerande last, vidhäftningssprickor Sprickor pga. överbelastning Krypsprickor Sprickor pga. sättning i grund Tätt mönster Ytavflagning Vinkelrätt armeringen Vinkelrätt armeringen Diagonalt armeringen Längs armeringen Relaterat till armeringen Som de från dimensionerande last I anslutning till öppningar Månader till år (service life)

11 9 2.2 Sprickor av bristande arbetsutförande Sprickor av bristande arbetsutförande uppkommer under betonghärdning, dvs. timmar till några dagar efter gjutning. Som tidigare presenterats i Tabell 2 finns det huvudsakligen sju typer av sprickor som kan kategoriseras i denna grupp: plastiska sättsprickor, plastiska krympsprickor, rörelsesprickor, värmehärdningssprickor, sprickor pga. lastkoncentrationer, sprickor i gjutfogar och sprickor i rörelsefogar. De olika sprickorna beskrivs kortfattat nedan. Plastiska sättsprickor (avsnitt 3.1.1) och plastiska krympsprickor (avsnitt 3.1.2) beskrivs senare i avsnittet där okulärbesiktningen presenteras. Rörelsesprickor liknar plastiska sättsprickor men visas som ett systematiskt orienterat sprickmönster. Externa rörelser relaterad till t.ex. stödsättning eller intilliggande strukturer kan inverka dessa sprickor [1] Värmehärdningssprickor orsakas av temperaturvariationer pga. en värmeökning under härdningsprocessen följt av svalning i ett tidigt tidsskede (första 12 timmar) [3]. Sprickor pga. lastkoncentrationer äger rum när spänningar skapas i en koncentrerad del av konstruktionen, oftast i hörn [3]. Sprickor i gjutfogar/rörelsefogar uppkommer kring placerade fogar. Risken för dessa sprickor ökar med dålig vidhäftning och höga spänningar (gjutfogar) samt olämpligt mellanrum mellan konstruktioner/konstruktionsdelar (rörelsefogar) [3]. 2.3 Materialtekniska sprickor Materialtekniska sprickor uppstår efter betonghärdning och under konstruktionens livslängd, dvs. några dagar till år efter gjutning. I huvudsak finns det fyra spricktyp som kategoriseras i denna grupp: temperatursprickor, sprickor av fysikalisk-kemisk inverkan, krympsprickor och sprickor av volymökning hos material inneslutna i betongen. Temperatursprickor genomgående sprickor och ytsprickor (avsnitt 3.1.3) och diverse sprickor av volymökning (avsnitt ) beskrivs senare i avsnittet där okulärbesiktningen presenteras. Därutöver diskuteras inverkan och betydelse av materialtekniska sprickor i avsnitt Sprickor av fysikalisk-kemisk inverkan kategoriseras oftast som mikrosprickor eller krackelering. Mikrosprickor uppstår innan konstruktionen belastas och formas mellan cementpasta (så kallad interfacial transition zone ITZ) och ballastkorn och i cementpastan [4], se Figur 2.

12 10 Figur 2: SEM av betongmikrostruktur och mikrosprickor [5]. Krackelering uppkommer några dagar till månader efter gjutning på grund av fysikaliskkemisk inverkan som kan vara kopplad till tidig uttorkning av betong. Sprickorna visas vara ett oregelbundet sprickmönster och är mycket ytliga, se Figur 3 [4]. Figur 3: Krackelering på betongyta (vänster [6] and höger [1]). Krympsprickor kan uppstå några veckor till månader efter gjutning på grund av uttorkning av betong (dvs. volymminskning). Det sägs att relativa luftfuktighet mellan betong och miljö är drivkraften till uttorkning (<100% RH) medans långtidseffekten av applicerade spänningen är en kompletterande faktor [4]. Exempel på hur en kombination av mothåll och fuktighet påverka töjningar och spänningar i betong visas i Figur 4. Yttre mothåll eller differenskrympning är betydande aspekter som är kopplade till initiering och utfallet av krympsprickor.

13 11 Krympning (utan mothåll): Frirörelse Inga spänningar Krympning (med mothåll) Inga töjningar Dragspänningar Figur 4: Exempel på kombination av mothåll och fuktighet [4]. 2.4 Sprickor av mekanisk belastning Sprickor av mekanisk belastning uppstår vid dimensionerande belastning (se Tabell 1) månader till år efter gjutning. Dessa sprickor sker när töjningar i betong från externbelastning överstiger dragbrotttöjning eller när dragspänningar överstiger draghållfastheten. Som tidigare nämnt i Tabell 2 kan dessa vara sprickor av dimensionerande last (t.ex. böjsprickor, dragsprickor, skjuvsprickor, vridsprickor och vidhäftningssprickor), sprickor pga. överbelastning, sprickor pga. sättning i grund och krypsprickor. Exempel på sprickor som kan uppstå av olika mekanisk belastning visas i Figur 5. Figur 5: Exempel på sprickor av mekanisk belastning (efter [1]).

14 12 3 Skadeutredning och tillståndsbedömning Skadeutredningar och tillståndsbedömningar utförs med hjälp av okulärbesiktning, provtagning, laboratorieprovning med avancerad utrustning (kompletteras vid behov med fotografering), mikroskopisk analys av cementbaserade material för att bestämma sammansättning, kvalitetskontroll och skadeorsak, oförstörande provning (georadar, ultraljud och mätning av armeringskorrosionshastighet), granskning och kartläggning av uttagna prov. Vid alla skadeutredningar är det viktigt att skadeorsaken/-orsakerna utreds och kartläggs på ett relevant sätt. Detta gör det möjligt uppskatta/beräkna byggnaders/anläggningars återstående livslängd baserade på bl.a. tillståndsbedömningar. I det följande beskrivs metodiken som används vid skadeutredning och tillståndsbedömning av sprickor i betong. 3.1 Okulär/dokumentation Som tidigare nämnt i avsnitt 2 så finns det en mängd olika mekanismer till uppkomsten av sprickor i betongkonstruktioner. Typen av sprickbildningsmekanism ger viktig information för att förstå sprickornas effekt på den strukturella stabiliteten. En okulär undersökning av sprickmönster (se Figur 6) kan ge en preliminär indikation på sprickbildningsmekanismen. Man bör dock vara försiktig vid bedömning av orsaken till skadorna genom bara den okulära undersökningen. På grund av att det i många fall är svårt att urskilja orsaksmekanismen och omfattningen (speciellt längre in i konstruktionen) bara genom den okulära undersökningen. Oftast bör en skadeutredning kompletteras med laboratorietester. Figur 6: Vissa typiska sprickmönster vid olika sprickmekanismer, (a) armeringskorrosion, (b) plastisk krympning, (c) sulfatangrepp och (d) alkali-kiselreaktion [7]

15 13 Två väsentliga komplement till sprickmönster vid bedömning av sprickor är tidpunkten efter gjutning (Figur 1) de uppstod och var på konstruktionen de är lokaliserade (Figur 7). I det följande kommer de sprickor som kan vara aktuella i FORTV:s fastighetsbestånd att diskuteras närmare. Figur 7: Schematisk illustration av olika typer av sprickor som kan uppkomma i betongkonstruktioner (baserad på [8]) Plastiska sättsprickor Sättsprickor uppträder vanligtvis 1-3 tim. efter gjutningen och uppvisar ofta ett regelbundet mönster (Figur 8). Sprickdjupet är vanligtvis litet men sprickbredden på ytan kan bli upp till 5 mm [9]. Sättsprickor uppkommer då överytan av ny gjuten betong sjunker på grund av vattenseparation. När denna sättning förhindras uppkommer sättsprickor oftast vid armeringsstänger och sektionsövergångar (Figur 9).

16 14 Figur 8: Sättsprickor på betonggolv (Bildkälla: RISE CBI). Figur 9: Illustration av sättsprickor vid armeringsstänger och sektionsövergång [10] Plastiska krympsprickor Plastiska krympsprickor uppträder vanligtvis 1-6 tim. efter gjutningen och kan ha varierande mönster. Dessa kan ha ett slumpmässigt mönster eller vara orienterade parallellt (Figur 10). Ofta är sprickdjupet litet men ibland har det observerats genomgående plastiska krympsprickor i bjälklagsplattor. Sprickbredden är oftast 1-2 mm på översidan och <0,1 mm på undersidan [9]. Dessa sprickor uppkommer vid uttorkning i mycket tidig ålder och förekommer vanligtvis på armerade betongplattor.

17 15 Figur 10: Plastiska krympsprickor, exempel på sprickmönster [11] Temperatursprickor Det förekommer två typer av temperatursprickor (ej brand), ytsprickor och genomgående sprickor. När cement reagerar med vatten bildas det värme och temperaturen i betongen stiger. Speciellt vid grova konstruktioner kan temperaturen skilja sig mycket närmast ytan och i mitten av konstruktionen. Ytsprickor uppträder när denna temperaturdifferensen blir allt för stor. Genomgående sprickor uppträder vid snabb avsvalning när betongens rörelse (att dra ihop sig) förhindras av t.ex. väggar eller grundläggningskonstruktioner (Figur 11). För ytsprickor är sprickbredden liten 0,01-0,1 mm och djupet ofta mindre än 50 mm [9]. Genomgående temperatursprickor är ofta vinkelrätta mot längdriktningen, och uppträder relativt glest därav blir sprickbredden stor. Temperatursprickor kan uppträda från 1 dag och upptill 3 veckor efter gjutning.

18 16 Figur 11: Genomgående (lagade) temperatursprickor [12] Sprickor orsakade av armeringskorrosion Armeringsjärn ingjutna i sund betong befinner sig i ett passivt tillstånd, dvs ingen korrosion sker. Det passiva tillståndet kan brytas av två orsaker: 1. Karbonatisering, koldioxid från omgivande luft tränger långsamt in betongen och reagerar kemiskt med kalciumföreningar som finns där. Det medför att ph sjunker i porlösningen runt armeringen. Detta bryter det passiva tillståndet och korrosion kan initieras. 2. Kloridinträngning, kloridjoner tränger in i betongen från t.ex. havsvatten eller tösalter och når armeringen. Efter en viss tid när en hög kloridkoncentration uppnås bryts det passiva tillståndet och korrosion kan initieras. Oavsett nedbrytningsmekanism av det passiva tillståndet så har armeringskorrosion två negativa effekter. Dels reduceras armeringens tvärsnittsarea, och dels upptar korrosionsprodukterna en större volym än det ursprungliga stålet. Det uppstår ett inre tryck och så småningom uppkommer en spricka längs armeringen. Oftast ser man rostutfällningar i anslutning till sprickan (Figur 12).

19 17 Figur 12: Sprickbildning orsakad av armeringskorrosion (Bildkälla: RISE CBI) Sprickor orsakade av frostangrepp Hårdnad betong kan ha en total porositet upp till 20%. En stor del av denna porositet är vattenfylld vid normalanvändning utomhus. När betongen fryser övergår en del av porvattnet till is och stora spänningar kan uppstå inne i betongen. Detta kan leda till allvarliga skador så som inre frostangrepp och yttre frostangrepp. Skaderisken ökar med ökad fuktbelastning. Inre frostangrepp medför map cracking (Figur 13) och yttre frostangrepp avskalning (Figur 14). Figur 13: Inre frostangrepp (Bildkälla: RISE CBI).

20 18 Figur 14: Yttre frostangrepp (Bildkälla: RISE CBI) Sprickor orsakade av alkali-kiselsyrareaktioner Vissa typer av ballast kan reagera med cementpastan och bilda svällande reaktionsprodukter med sprickbildning som följd. Sprickorna i betongens yta medför map cracking (Figur 15) och kan sträcka sig mer eller mindre djupt in i betongen (Figur 16). Vidare kan de svällande reaktionsproduktrena orsaka utsprängningar vid ytan och mörka fuktfläckar. I enstaka fall kan man vid ytan se droppar av kiselsyra i form av en sirapliknande vätska som med tiden förvandlas till en vit beläggning [9] Figur 15: Sprickor orsakade av alkali-kiselsyrareaktioner [13].

21 19 Figur 16: Borrkärna med sprickor orsakade av alkali-kiselsyrareaktioner (Bildkälla: RISE CBI) Sprickor orsakade av sulfatangrepp Vattenlösliga sulfater från sulfidrikajordar eller vid marina miljöer kan tränga in i betongen och reagerar med cementpastan. Reaktionsprodukterna är svällande och kan ge upphov till sprickbildning. Sulfatangrepp kan ske även utan att externa medier behöver tränga in i betongen, så kallad inre sulfatangrepp. Detta kan ske t.ex. vid hög värmeutveckling orsakad av cementreaktionerna och uppträda efter lång tid, så kallad försenad ettringitbildning (Figur 17). Ettringitbildningen medför att betongen sprängs på grund av inre spänningar orsakad av svällningen. Det kan jämföras med inre frostangrepp [14]. Figur 17: Försenad ettringitbildning (inre expansion) som medför map cracking (Bildkälla: RISE CBI).

22 Inverkan och betydelse av materialtekniska sprickor Det är svårt att beskriva specifikt hur olika sprickor och skademekanismer påverkar en speciell konstruktions funktionalitet. Men generellt så är det av intresse att ha vetskap om hur följande parametrar påverkas [9]: Bärighet Armeringskorrosion Egenskaper så som, vattentäthet, gastäthet, ljudisolering Utseende, hygien Dessa parametrar påverkas förutom av sprickans typ (orsakad mekanism) också av sprickbredd och sprickdjup. En mer detaljerad genomgång av olika sprickors inverkan på dessa parametrar ges i [9]. I Tabell 3 ges en generell bild på hur olika spricktyper kan påverka en konstruktion. Det bör påpekas att den möjliga effekten som en spricktyp kan ha på en konstruktions funktionalitet också beror på omgivande miljö. T.ex. om krympsprickor förekommer i en torr inomhusmiljö så kommer dessa inte orsaka tidig armeringskorrosion. Tabell 3: Spricktypers effekt på en konstruktions funktionalitet. Typ av spricka Sättsprickor Krympsprickor Temperatursprickor Armeringskorrosion Frostangrepp Alkali-kiselsyrareaktion Sulfatangrepp Möjlig effekt Kan orsaka tidig armeringskorrosion, då fukt, gas och aggressiva joner kan nå armeringsjärnen enklare. Kan orsaka tidig armeringskorrosion, då fukt, gas och aggressiva joner kan nå armeringsjärnen enklare. Försämrad gastäthet. Försämrad vattentäthet. Vattengenomströmning med medföljande urkalkning som kan försämra bärigheten. Försämrad bärighet Kan orsaka tidig armeringskorrosion. Försämrad bärighet. 3.2 Materialprov Borrprovning är ett av de enklaste och vanligaste sätten att fastställa skademekanismen och dess omfattning vid skadeutredningar, exemplifierat i Figur 18. Eftersom borrprovning är en förstörande provning så försöker man så långt som möjligt att begränsa antalet borrprov. Detta gör man med stöd från den okulär undersökning. I vissa fall kan det vara svårt eller olämpligt att ta borrkärnor. I dessa fall är man tvungen att förlita sig enbart på den okulära undersökningen vilket innebär en mycket högre osäkerhet i tillståndsbedömningen.

23 21 Figur 18: Borrprovning [15]. Vidare från utborrade kärnor kan man utföra mikroskopisk analys (se Figur 19) för att med säkerhet fastställa skademekanismen och dess omfattning. Figur 19: Mikroskopisk analys [15]. 3.3 Oförstörande provning (NDT) Oförstörande provning (NDT Non Destructive Testing) är ett samlingsnamn för tekniker som kan användas för att mäta konstruktioners tillstånd utan att medföra alltför stor fysisk påverkan på konstruktionen. Exempel på kommersiellt tillgängliga NDT metoder visas i Tabell 4.

24 22 Tabell 4: Kommersiellt tillgängliga NDT metoder [16]. NDT princip Förkortn. Material Tillämpning Akustisk emission AE Betong Användbarhet Karbonatiseringsdjup - Betong Täckskiktsmätning - Stål Elektrisk resistivitet Galvanostatisk potentialmätning Halvcells potentialmätning ER GPM HCP Stål/ betong Stål Stål Markradar GPR Stål Slag-eko IE Betong Impuls respons IR Betong Infraröd termografi IRT Betong Linjär polarisering LPR Stål Ultraljudspulseko MIRA Betong Radiografi RAD Stål Studshammare - Betong Ytvågsmätning Ultraljud: Pulseko SASW/ MASW UPE Betong Stål/ betong Pulshastighet UPV Betong Kontinuerlig mätning under konstruktionens bygg- och bruksskede Karbonatiseringsdjup för betong Placering och storlek på armering, täckskiktstjocklek Korrosionshastighet (resistivitet) Detektering av pågående armeringskorrosion (elektrokemisk) Detektering av pågående armeringskorrosion (elektrokemisk) Placering och storlek på armering Interna sprickor, täckskikts- /beläggningstjocklek Delaminering, håligheter och homogenitet Delaminering och håligheter Uppskattning av armeringskorrosion (elektrokemisk) Håligheter, delaminering, bedömning av injekterad spännarmering Placering och storlek av armering, bedömning av injekterad spännarmering Hållfasthet, elasticitetsmodul, skadad betong/delaminering Reduktion i hållfasthet och elasticitet, täckskikts/beläggningstjocklek Bedömning av injektering i spännarmering, ytliga och inre sprickor i betong Sprickor, reducerad hållfasthet Tillförlitlighet - - Bra Godtagbar Bra Dålig - Bra Bra Bra/ godtagbar Godtagbar Bra Godtagbar - - Godtagbar Godtagbar Godtagbar Godtagbar Bra Godtagbar Godtagbar Bra Bra Godtagbar Bra Dålig Godtagbar Godtagbar Godtagbar Godtagbar Bra Godtagbar/ dålig Godtagbar

25 23 För att kunna välja rätt NDT metod krävs kunskap om nedbrytningseffekterna hos de ingående materialen och konstruktionsdelarna. Oftast krävs en kombination av olika NDT metoder för att få en helhetsbild över konstruktionens tillstånd. Generellt gäller att mätsignalerna från NDT metoder påverkas av rådande fukttillstånd, temperatur, utformning på provkropp och armeringsinnehåll. Det är oftast oundvikligt att helt undvika förstörande provtagning men med rätt val av NDT metoder kan dessa reduceras. Nedan redovisas de NDT metoder som används av RISE CBI: Karbonatiseringsdjup: bedömning av korrosionsrisk. Det är egentligen en förstörande metod men ingreppet är väldigt litet. Man borrar oftast ett litet hål (~Ø 20 mm, L mm) och sprutar fenolftalein i hålet och mäter djupet på eventuellt färgomslag. Täckskiktsmätning: bedömning av armeringens placering och storlek. Detta är en helt oförstörande metod som mäter armeringens inverkan på ett magnetfält som alstras av en täckskiktsmätare. Man lägger täckskiktsmätare i kontakt mot betongen och sveper över området med armeringsjärn som man vill bestämma täckskiktet på. Erfarenhetsmässigt så försämras noggrannheten vid väldigt tät armerade konstruktioner och vid djupa ( 60 mm) täckskikt. Galvanostatisk pulsmetod: bedömning av korrosionsrisk. Det är egentligen en förstörande metod men ingreppet är väldigt litet. Man borrar oftast ett litet hål (~Ø 20 mm) ner till armeringen för att få kontakt med en kabel. Man kan sen mäta flera m 2 med hjälp av apparaten och en sändare då ingjuten armering är oftast sammankopplad. Georadar (markradar): bedömning av delaminering, vissa armeringskorrosions fenomen, placering av armeringsjärn (djupare) och hjälp vid provtagning. Ultraljudpulshastighet: bedömning av sprickdjup och delaminering främst lämplig i konstruktioner som kan mätas från två håll. Man kan uppskatta sprickdjupet genom att mäta från samma håll på ömse sida om sprickan, men osäkerheten är större.

26 24 4 Åtgärder När en betongkonstruktion utsätts för en skada (se avsnitt 2) kan de ursprungliga funktionsegenskaperna i vissa fall påverkas negativt. I så fall kan en skadeutredning och tillståndsbedömning (se avsnitt 3) utföras för att kunna avgöra de aktuella funktionsegenskaperna. Vid värderingen av skadornas orsak och omfattning kan en reparationsmetod väljas ut och genomföras för att kunna återfå de ursprungliga funktionsegenskaperna och därmed uppfylla dimensionerande laster samt krav. Figur 20: Värdering av funktionsegenskaper för betongkonstruktioner följd av skador/sprickor. I det följande beskrivs olika reparationsmetoder för betongkonstruktioner och hur valet av reparationsmetoder kan ske. Det är viktigt att notera att innehållet i detta avsnitt bör behandlas som informativt och att reparationsmetoder måste skräddarsys för varje enskilt fall med hjälp av expertråd. 4.1 Värderingen Målen med reparationer enligt ACI Committee 224 [17] är att kunna återställa eller höja hållfastheten, återställa eller höja styvheten, förbättra funktionen, upprätta vattentäthet, förbättra utseendet på betongytan, förbättra beständigheten och förhindra utvecklingen av korrosiv miljö vid armeringen. Allmänna steg som föreslås vid fastställandet av en lämplig reparationsmetod anges i Figur 20. Det är först och främst viktigt att kunna identifiera vilken typ av skada, skadeorsak och skadeomfattning som strukturen utsätts för. Detta kan utföras med hjälp av bl.a. metodiken som nämns i avsnitt 3.

27 25 Figur 21: Schema för val av reparationsmetod (efter [18] ) Gällande funktionskrav på reparation och val av reparationsmetod för den angivna skadetypen kan man vända sig till t.ex. SS-EN [19] där principer och metoder för skydd och reparation av betongkonstruktioner är given. Det finns 11 principer som kategoriseras enligt två skadekategorier, nämligen a) relaterad till betongdefekter och b) relaterad till armeringskorrosion, se Tabell 5. Därmed finns det förslag på olika reparationsmetoder och utföringen för respektive principer (i relevanta fall). Tabell 5: Principer för skydd och reparation av betongkonstruktioner [19]. Skadekategori Relaterad till betongdefekter Relaterad till armeringskorrosion Princip 1) Skydd mot inträngning 2) Fuktkontroll 3) Reparation av betong 4) Förstärkning 5) Ökning av fysikalisk motståndsförmåga 6) Motståndsförmåga mot kemikalier 7) Bevara och återställa passivitet 8) Ökning av resistiviteten 9) Katodisk kontroll 10) Katodiskt skydd 11) Kontroll av anodområden

28 Reparationsmetoder Ett antal reparationsmetoder nämns i SS-EN [19] samt i annan relevant dokumentation (se t.ex. [18-20]). Baserat på den tillgängliga litteraturen har Figur 22 framställts för att sammanfatta allmänt erkända och rekommenderade reparationsmetoder, dvs. betonglagningar och pågjutning, ytbehandling, ny armering och förstärkning, injektering, försegling och elektrokemiska metoder. Häri finns en rad så kallade subordinerade metoder som kan tillämpas tillsammans med ett materialval (i relevanta fall). Därtill väljas en lämplig reparationsmetod till stor del baserad på värderingen av olika faktorer, utöver skadetypen och funktionskrav, såsom livslängd, bärförmåga, utförande, miljö, ekonomi och politik. Det är värt att notera att det finns ytterligare dokumentation rörande betongreparation som kan vara användbar utöver SS-EN 1504 [21], så som: Betongreparation.se Grundhandbok [20] ACI (American Concrete Institute) och ICRI (International Concrete Repair Institute), Concrete Repair Manual 4th Edition [22] ACI Committee, 224.1R-07 Causes, Evaluation and Repair of Cracks in Concrete Structures [17] ISO/TC 71/SC 7, ISO , Maintenance and repair of concrete structures Part 1-4 [23] U.S: Department of the Interior Bureau of Reclamation Technical Service Center Guide to Concrete Repair 2 nd Edition [24]

29 27 Figur 22: Sammanställning av olika reparationsmetoder för betongkonstruktioner (baserad på [18-20] ).

30 28 5 Föreslagen modell Det detaljerade innehåll som presenteras i de föregående avsnitten ( 2-4) sammanfattas och kombineras här i form av en så kallad modell. Den föreslagna modellen ger stegvis vägledning om hur man skulle kunna genomföra en skadeutredning eller tillståndsbedömning och vid ett senare skede, föreslå åtgärder. Modellen är uppdelad i två huvudsteg och fem understeg: Skadeutredning/tillståndsbedömning 1. Genomgång av dokumentation 2. Okulärbedömning Identifiera spricktyp/skada (tre grupperingar) 3. Icke destruktiv provning 4. Destruktiv provning Förslag på åtgärder 1. Funktionskrav och värdering av reparationsmetoder Det är rekommenderat som första steg att utföra en genomgång av befintlig dokumentation såsom originalritningar eller ritningar från eventuell ombyggnation. I det senare fallet kan man ta kontakt med ägaren/förvaltaren angående reparationer. När man gör en preliminär bedömning (okulärt) kan det sannolikt leda till en felaktig bedömning dvs. att flera provningar ska göras för att kunna rädda ut den verkliga skadan/spricktyp. Mycket beror på utförarens tekniska erfarenhet. I nästan varje fall krävs det icke destruktiv- samt destruktiv provning för att kunna utreda skadan/spricktyp effektivt. Åtgärder väljs beroende på om skadan relateras till betongdefekter eller armeringskorrosion. Detta i kombination med att funktionskrav på konstruktionen ska evalueras, m.h.t. exempelvis att återställa hållfastheten, och valda metoder värderas enligt t.ex. livslängd, bärförmåga, utförande, miljö och ekonomi.

31 29 Tabell 6: Föreslagen modell för skadeutredning/tillståndsbedömning och förslag på åtgärder. Skadeutredning/Tillståndsbedömning Förslag på åtgärder STEG 1 STEG 2 STEG 3 STEG 4 STEG 5 Genomgång av dokumentation Okulär bedömning Identifiera spricktyp/skada Icke destruktiv provning (se 3.3) Destruktiv provning (se 3.2) Dokumentation: t.ex. originalritningar, ritningar från eventuell ombyggnation Kontakt med ägare/förvaltare angående reparationer. (se Tabell 2 & 3) GRUPP 1: Sprickor av bristande arbetsutförande GRUPP 2: Materialtekniska sprickor GRUPP 3: Sprickor av mekanisk belastning Plastiska sättsprickor Mätning av sprickbredd på Sprickor pga. ytan lastkoncentrationer Sprickor i gjutfogar Temperatursprickor Sprickor av fysikaliskkemisk inverkan (t.ex. mikrosprickor) Krympsprickor (t.ex. pga differenskrympning) Sprickor av volymökning hos material inneslutna i betongen (t.ex. korrosion) Sprickor av dimensionerande last (tex. böjsprickor) Sprickor pga. överbelastning Sprickor pga. sättning i grund Ultraljudsmätning (uppskatta sprickdjup) Georadar (upptäcka större delaminering) Täckskiktsmätning Utborrning av cylindrar (Mäta bredd och djup av sprickan längre in i konstruktionen) (titta i mikroskop) (hålfasthetsprovning) Karbonatiserings djup Bomknakning Provtagning för kemisk analys (t.ex. kloridhalt) 1) Galvanostatisk pulsmetod Friläggning av armering 1) Potentialmätning (inspektions fönster) Mätning av sprickbredd Utborrning av cylindrar Ultraljudsmätning (uppskatta sprickdjup) 1) Semi destruktiv, ett litet hål måste borras i betongen för att koppla till armeringen Georadar (upptäcka större delaminering) Funktionskrav och värdering av reparationsmetod (se Figur 22) Är skadan relaterad till betongdefekter eller armeringskorrosion? Funktionskrav: t.ex. återställa/höja hållfastheten/styvheten, förbättra funktionen, upprättavattentäthet, förhindra utvecklingen av korrosiv miljö Värdering: t.ex. livslängd, bärförmåga, utförande, miljö, ekonomi SS-EN [19] : principer och metoder för skydd och reparation av betongkonstruktioner

32 30 6 Referenser 1. Engström, B., Restraint cracking of reinforced concrete structures. 2010, Chalmers University of Technology 2. Löfgren, I. Betong för industrigolv: Senaste rön inom materialteknik. 2013; Available from: 3. Axén, Å., Sprickor i anläggningskonstruktioner av betong - bakomliggande orsaker, bedömning och möjliga åtgärder. 2014, Lunds Tekniska Högskola, Rapport TVBM Mehta, P.K. and P.J. Monteiro, Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. 2006: McGraw-Hill Education 5. Sahmenko, G., et al., Ultra High Performance Concrete Reinforced with Short Steel and Carbon Fibers, in 10th International Scientific and Practical Conference 2015: Rezekne, Latvia. p Concrete Construction - Concrete Surfaces Staff. Craze Cracks. 2011; Available from: 7. Bungey, J.H. and M.G. Grantham, Testing of concrete in structures. 4th Edition ed. 2006: CRC Press. 8. The Concrete Society, TR 22 Non-structural cracks in concrete (4th Edition) Betonghandbok, Material, utg : Svensk Byggtjänst 10. Cement Concrete & Aggregates Australia (CCAA), Plastic Settlement Cracking (Data Sheet) The Constructor - Civil Engineering Home. Plastic Shrinkage Cracks in Concrete and Its Prevention. 2018; Available from: Builders Solution Group. Thermal Cracks 2013; Available from: U.S. Department of Transportation - Federal Highway Adminitration, Alkaliaggregate Reactivity (AAR) Facts Book 2013, FHWA-HIF Hassanzadeh, M. and M. Westberg Wilde, Inventering av spricktyper i vattenkraftens betongkonstruktioner, Energiforsk, Editor León, A. Sprickbildning i betonggolv. 2017; Available from: ggande%202017/alberto%20leon%20-%20sprickor%20i%20betonggolv.pdf. 16. Blanksvärd, T., et al., Icke-förstörande provning i samband med tillståndsbedömning (En förstudie) 2017, SBUF ID ACI Committee 224, Causes, evaluation, and repair of cracks in concrete structures, in ACI 224.1R , American Concrete Institute: Farmington Hills. 18. Hassanzadeh, M., Reparation av betongkonstruktioner: skador och reparationsmetoder från 1970-talet och framåt: reparationsbehov, forskningsbehov, effektivitet: bidrag till projekt Bygginnovationen, Lunds tekniska högskola, Editor SS-EN , Betongkonstruktioner - Produkter och system för skydd och reparation - Del 9: Allmänna principer för val av produkter och system Betongreparation.se, Grundhandbok SS-EN , Betongkonstruktioner - Produkter och system för skydd och reparation American Concrete Institute and International Concrete Repair Institute, Concrete Repair Manual - 4th Edition. 2013, ACI: MI, USA. 23. ISO , Maintenance and repair of concrete structures Kurt F. von Fay, Guide to Concrete Repair - Second Edition. 2015: U.S. Department of the Interior Bureau of Reclamation Technical Service Center.

33 31 Through our international collaboration programmes with academia, industry, and the public sector, we ensure the competitiveness of the Swedish business community on an international level and contribute to a sustainable society. Our 2,200 employees support and promote all manner of innovative processes, and our roughly 100 testbeds and demonstration facilities are instrumental in developing the future-proofing of products, technologies, and services. RISE Research Institutes of Sweden is fully owned by the Swedish state. I internationell samverkan med akademi, näringsliv och offentlig sektor bidrar vi till ett konkurrenskraftigt näringsliv och ett hållbart samhälle. RISE medarbetare driver och stöder alla typer av innovationsprocesser. Vi erbjuder ett 100-tal test- och demonstrationsmiljöer för framtidssäkra produkter, tekniker och tjänster. RISE Research Institutes of Sweden ägs av svenska staten. RISE Research Institutes of Sweden AB Box 857, BORÅS Telefon: E-post: info@ri.se, Internet: MECHANICS RESEARCH CBI BETONGINSTITUTET RISE Rapport : 2019:21 ISBN: