Fältprovning av betong under 20 år - Vad har vi lärt oss? Peter Utgenannt CBI Betonginstitutet

Fältprovning av betong under 20 år - Vad har vi lärt oss? Peter Utgenannt CBI Betonginstitutet

CBI Betonginstitutet AB 38 BORÅS 5 LUND 42 STOCKHOLM Forskning 50 % Provning 15 % Utredning 20 % Kursverksamhet 15 %

Bakgrund Vad har vi lärt oss? Vilka frågor återstår att lösa? Hur kan resultaten användas i praktiken? Framtiden Pågående och planerad forskning

Ölandsbron byggdes 1972 Efter 10 år upptäcktes omfattande korrosionsskador Efter 20 år reparerades bron till en kostnad som var 4 gånger högre än den ursprungliga byggkostnaden För lågt cementinnehåll För högt vct För litet täckskikt Porös ballast Bräckt vatten (~0,4 % Cl) För tidig avformning

Öresundsförbindelsen började byggas 1995 och invigdes 2000

Projekt i samverkan: Cementa, Chalmers, LTH, SP, CBI. Fältprovplatsen i Träslövsläge byggdes 1991. Ett 40-tal betongsammansättningar.

Fältprovplatsen vid RV 40 byggdes 1995. Ett 100-tal betongsammansättningar. Projekt i samverkan: Vägverket, Chalmers, LTH, Skanska, Cementa, Norcem, Elkem, Finncementti, VTT, SP, CBI

Syfte med provplatserna: Val av betongkvalitet till Öresundsförbindelsen Öka kunskapen om beständigheten hos betong tillverkad med olika bindemedel i olika miljöer Utveckla och kalibrera modeller för olika nedbrytningsmekanismer Validera laboratorieprovningsmetoder mot verkligheten Möjliggöra utveckling av nya material, tex nya bindemedel och ytbehandlingsmedel Ge beställare till stora infrastrukturprojekt bra underlag för att kunna göra säkra materialval samt Möjliggöra tillförlitliga bedömningar av återstående livslängd

Vad har vi lärt oss?. och vilka frågor återstår att lösa? Salt-frostbeständighet Kloridinträngning Korrosion / Kloridtröskelvärden ASR (EU-projektet Partner) Ytbehandling / Klotterskydd Självrengörande ytor (titaniumdioxid)

Salt-frostbeständighet

Boråsmetoden the slab method CEN/TS 12390-9 Plastic 1 sheet 4Temperature measurement 2 3 3 Salt solution 7 5Specimen 6Thermal insulation Provkroppen lagras (65% RH, 20 ºC) under 7 dygn före provning 20+ 1 3+ 0,1 150 3+ 0,1 20+ 1 T ( C) 25 20 15 Avflagat material gram/m 2 mäts efter 7, 14, 28, 42 och 56 fryscykler 10 5 0-5 -10-15 -20-25 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 t (h)

5 0 Temperature at the marine and highway exposure sites Marine exposure site Temperature ( C) -5-10 -15-20 Highway exposure site -25 02-12-28 02-12-30 03-01-01 03-01-03 03-01-05 03-01-07 03-01-09 03-01-11 Date

Freeze/thaw cycle in the field 5 Highway exposure site: 2001-03-03 (15:37) to 2001-03-05 (15:33) 0 Temperature ( C) -5-10 -15-20 -25 Limits for temperature cycle according to SS 13 72 44 'slab test' 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 Time (hours)

Mätning av yttre och inre frostskador o Volymförändring o Ultraljud

Korrelation - fält vs laboratorie Inre skador w/b 0,30-0,50 Accelererar i labtest 2-3%

Laboratorieförsök om effekten av åldring

Åldringens inverkan på salt-frostbeständigheten 10 Concrete with OPC as binder, w/b-ratio 0.45 Scaling (kg/m 2 ) 8 6 4 2 0 Water saturated, never dried Dried, Uncarbonated Dried, Carbonated (1 vol-%) 0 10 20 30 40 50 60 Number of freeze/thaw cycles Dried = konditionerade 7 dygn i 65% RH / 20C 10 Concrete with 65 % slag as part of the binder, w/b-ratio 0.45 Scaling (kg/m 2 ) 8 6 4 2 0 Dried, Carbonated (1 vol-%) Water saturated, never dried Dried, Uncarbonated 0 10 20 30 40 50 60 Number of freeze/thaw cycles

Betong med CEM I 10 Concrete with OPC as binder, w/b-ratio 0.45 Okarbonatiserad Karbonatiserad Betong med CEM I+65 % slagg Scaling (kg/m 2 ) 8 6 4 2 0 10 Water saturated, never dried Dried, Uncarbonated Dried, Carbonated (1 vol-%) 0 10 20 30 40 50 60 Number of freeze/thaw cycles Concrete with 65 % slag as part of the binder, w/b-ratio 0.45 Okarbonatiserad Karbonatiserad Scaling (kg/m 2 ) 8 6 4 2 Dried, Carbonated (1 vol-%) Water saturated, never dried Dried, Uncarbonated 0 0 10 20 30 40 50 60 Number of freeze/thaw cycles

Slutsatser o Tösaltad vägmiljö är mer aggressiv än marin miljö. o Efter 14 års exponering - Betong tillverkad med CEM I, CEM II/A-LL, CEM II/A-S och CEM I + 5 % silika, med tillsatt luft och w/b-tal 0.50 eller lägre, har god beständighet mot yttre och inre frostskador. Gäller detta också CEM I + 30 % slagg?? o o Betong tillverkad med CEM III/B (~70 % slagg) uppvisar stora skador även vid w/b-tal på 0.50 och med tillsatt luft. Åldring (karbonatisering) påverkar salt-frostbeständigheten. Men påverkan är olika beroende på bindemedelstyp.

Slutsatser Boråsmetoden klassificerar de flesta betongkvaliteter korrekt, men. o För betong med medium/höga halter slagg och eventuellt andra bindemedelskombinationer finns en risk att provningsmetoden överskattar salt-frostbeständigheten. o Boråsmetoden behöver utvecklas för att bättre ta hänsyn till karbonatiseringens effekter på salt-frostbeständigheten. Mäta CO 2 i laboratorieluften Mer välkarbonatiserad provyta

Kloridinträngning Prof. Tang Luping Chalmers/CBI Tekn Lic Dimitrios Boubitsas CBI

Betongpaneler efter 20 år i Träslövsläge

Kloridprofiler efter 10 resp. 20 års exponering

Modellering av kloridprofiler (låga w/b och med Silika/Flygaska)

Beräkning av kloridinträngning efter 100 år C cr

Slutsatser o Generellt är kloridinträngningen högre i undervattenzonen än i skvalpzonen och i atmosfärszonen o Bindemedel med flera delmaterial, så som flygaska och silika kan effektivt reducera kloridinträngningen. o Den empiriska DuraCrete modellen underskattar kloridinträngningen för betong med låga vattenbindemedelstal och med puzzolanska delmaterial. o Den mekanismbaserade ClinConc modellen ger rimligt god förutsägelse av kloridinträngningen från 1 upp till 20 års ålder o Nödvändigt täckskikt för att uppnå 100 års livslängd varierar mycket beroende på bindemedelstyp.

Korrosion / Kloridtröskelvärden Kloridtröskelvärden funna i litteraturen, uttryckt som procent klorider i förhållande till bindemedelsvikten (Alonso and Sanchez 2009).

Experimentellt arbete Icke-destruktiv mätning med RapiCor. Visuell besiktning Uppmätning av kloridhalten vid armeringsjärnen

Korrosion Resultat

Kloridhalt nära armeringsjärn som korroderar med en viss hastighet Concrete Binder:w/b:air%/ Rebar Cover [mm] Diameter [mm] Corrosion rate [µm/yr] Cl% wt of binder a 1-35 SRPC:0.35:6/b1 10 12 ~50 (~20 b ) 2.4 (3 b ) 2-35 OPC:0.35:6/b2 25 20 ~40 (~30 b ) 2 (1.7 c ) 2-50 OPC:0.5:6/b1 10 12 ~20 (~70 b ) 2.4 (3 c ) 2-50 OPC:0.5:6/b2 15 12 ~15 (~10 b ) 2 (1.1 c ) 3-351 SRPC+5%SF:0.35:6/b1 20 20 ~70 (~40 b ) 2 (1.8 c ) 6-35 SRPC+5%SF:0.35:2/b1 25 20 ~15 (~10 b ) 1.2 (0.9 c ) 6-35 SRPC+5%SF:0.35:2/b2 20 20 ~80 (~70 b ) 1.4 (1.2 c ) 7-35 SRPC+5%SF:0.35:2/b1 20 20 ~30 (~100 b ) 2.2 (1.1 c ) 7-35 SRPC:0.35:2/b2 15 20 ~45 (~40 b ) 2.4 (1.5 c ) 8-40 OPC:0.4:2/b1 20 20 ~ 10 (~5 b ) 2.3 (1 c ) 12-35 SRPC+5%SF+10%FA:0.35:6/b1 10 12 ~15 (~5 b ) 3.2 (3 c ) 12-35 SRPC+5%SF+10%FA:0.35:6/b2 15 12 ~10 (<5 b ) 2.7 (2 c ) H1 SRPC+5%SF:0.3:2/b1 20 12 ~20 (<5 b ) 1.1 (0.5 c ) b data after 13 years exposure (Tang et al. 2005). c data after 10 years exposure (Tang 2003b). XXII Nordic Concrete Research Symposium 2014 Reykjavik, Iceland

Laboratorieförsök 8 x Ø10 mm steel bars, length 210 mm Level of solution 40 Casting direction 100 50 Cl - Cl - 260 Specimen for chloride analysis 6 % and 12% NaCl 1 2 3 4 130 8 7 6 5 Två cementtyper: A CEM I, B CEM II A/LL XXII Nordic Concrete Research Symposium 2014 Reykjavik, Iceland

Resultat från laboratorieförsök XXII Nordic Concrete Research Symposium 2014 Reykjavik, Iceland

Slutsatser o Ett kloridtröskelvärde på 1 % av bindemedelsvikten verkar gälla för vanliga Portlandcement, sulfatresistenta Portlandcement och Portlandcement blandade med 5 % silika och med w/b-tal mellan 0,3 och 0,5. o För bindemedel med 5 % silika och 10 % flygaska med w/btal 0.35, finns resultat som indikerar att kloridtröskelvärdet kan vara så högt som 2 % by av bindemedelsvikten. o Resultat från pågående laboratorieförsök är i linje med resultat från fältprovning efter 20 års exponering. o Det återstår många frågetecken att räta ut Hur påverkar stålets kvalitet kloridtröskelvärdet? Hur påverkar bindemedelstypen kloridtröskelvärdet? XXII Nordic Concrete Research Symposium 2014 Reykjavik, Iceland

Hur kan resultaten användas i praktiken? o o o o o Unika data för utveckling och kalibrering av nedbrytningsmodeller Vid bedömning av kvarstående livslängd i befintliga konstruktioner Som grund vid kravställande och i standarder, tex nationell anpassning till EN 206: Vilka bindemedel är lämpliga i vilka exponeringsklasser Vilka täckskikt är lämpliga Kalibrera laboratorieprovningsmetoder mot fältdata Unika möjligheter för utveckling av nya material och system

Framtiden? Pågående och planerad forskning FoI-samarbete med Statens vegvesen Vegdirektoratet: Ett 10-tal betongkvaliteter med olika bindemedel skall testas i laboratoriet och placeras ut vid Riksväg 40. Tillverkning av betong med norska material. Omfattande provning i laboratoriet och i fält. Samarbetsavtal håller på att tas fram.

Framtiden? Pågående och planerad forskning Nyligen påbörjat FoI-projekt finansierat av Trafikverket med syfte att undersöka Boråsmetodens lämplighet vid provning av betong med bindemedel innehållande slagg/flygaska. Föreslå förändringar av provningsförfarandet så att effekten av karbonatisering beaktas på ett bättre sätt än idag.

Framtiden? Pågående och planerad forskning Ansökan till Trafikverket i samarbete med Cementa och Chalmers om 20 års-uppföljning av provkroppar exponerade vid Riksväg 40. Salt-frostbeständighet, kloridinträngning, korrosion. Vidareutveckling av nedbrytningsmodeller.

Tack för uppmärksamheten!