Förstärkning och reparation av bärande betongkonstruktioner med avancerade, cementbaserade kompositer

Förstärkning och reparation av bärande betongkonstruktioner med avancerade, cementbaserade kompositer Sammanfattning av licentiatavhandlingen Strengthening and repair of structural concrete with advanced, cementitious composites BKN-Bulletin 58, 2000 Anders Wiberg Inst. för Byggkonstruktion Kungl. Tekniska Högskolan 100 44 Stockholm

Förord Detta dokument är en sammanfattning av licentiatavhandlingen Strengthening and repair of structural concrete with advanced, cementitious composites BKN-Bulletin 58, 2000. Arbetet med licentiatavhandlingen har skett på Institutionen för Byggkonstruktion vid Kungl. Tekniska Högskolan i Stockholm inom ämnet betongbyggnad. Forskningen som presenteras i denna avhandling har initierats av Professor Jonas Holmgren, Betongbyggnad, KTH, som en del av arbetet i ett informellt nätverk för uppgradering av betongkonstruktioner där även representanter från Brobyggnad på KTH, Luleå Tekniska Universitet och Cement och Betonginstitutet finns med. Handledare i detta arbete har varit Jonas Holmgren, KTH och Åke Skarendahl, CBI. En referensgrupp bestående av Hans Cedermark, CDU, Bo Westerberg, Tyréns, Jan Hjalmarsson, Tyréns, Martin Carlsson, Tyréns, Christer Ljungkrantz, Cementa, Sven-Erik Johansson, Cementa, Lennart Askling, Banverket, Yngve Thorén, Vägverket och Lars Lidström, Scanplan har följt upp och deltagit i planeringen av arbetet. Gruppen har sammanträtt 2-3 gånger om året. Projektet finansieras av Tyréns, Cementa, Banverket och Vägverket. Administrationen av detta sker genom CDU, Centrum för Drift och Underhåll, KTH. 2

Varför förstärka med cementbaserad komposit? Det finns minst två starka argument för att förstärka eller reparera en betongkonstruktion i stället för att riva den och bygga en ny. För det första, ekonomiska skäl. Med tanke på tillståndet hos världens infrastrukturkonstruktioner samt de begränsade ekonomiska resurser som finns att reparera och förstärka dem med finns incitament nog att hitta kostnadseffektiva metoder att behålla konstruktionerna. Att förstärka eller reparera är nästan alltid billigare än att riva och bygga nytt. Därför är det mindre viktigt att materialen som används kan vara dyrare än traditionella byggnadsmaterial. För det andra, miljörelaterade skäl. Genom att förlänga livslängden hos en konstruktion minskas uttaget av naturresurser. Det kan bero på flera saker att en konstruktion inte har önskad bärförmåga eller inte överlever sin beräknade livslängd och därför behöver förstärkas eller repareras. Till exempel Behov att öka bärförmågan p.g.a. ändrad användning av konstruktionen Förändringar i normer vad gäller t.ex. trafiklaster Snabb nedbrytning p.g.a. miljöfaktorer Misstag i projekteringen eller utförandet Många olika metoder finns för att förstärka konstruktionselement i betong. T.ex. ökning av tvärsnittsarean, efterspänning med både in- och utvändiga kablar, epoxilimmade stålplattor eller kolfiberkompositer och pågjutning med ny armering. Dessa metoder visar i allmänhet att förstärkning och reparation är både genomförbart och ekonomiskt. Det svenska standardverket för konventionella metoder för betongförstärkning är Förstärkning av betongkonstruktioner utgiven 1978 av Statens råd för byggforskning. En av de mest framgångsrika förstärkningsmetoderna idag är pålimning av kontinuerliga kolfibrer med epoxilim. Denna metod har använts i över tio år i många olika applikationer. Studerars denna metod närmare upptäcks två nackdelar. För det första är epoxin hälsovådlig i ohärdat tillstånd varför den är en nackdel för arbetsmiljön. För det andra är epoxin helt tät, d.v.s. den släpper inte igenom varken fukt eller ånga vilket kan leda till snabb nedbrytning av betongen. Dessa problem skulle lösas om det är möjligt att använda en cementbaserad matris istället för epoxi. En cementbaserad matris släpper igenom fukt och är inte hälsovådlig. Mål och begränsningar för detta projekt Projektet syftar till att beskriva nuläget i världen vad gäller förstärkning med cementbaserade kompositer. Detta görs genom att identifiera möjliga material i en förstärkningskomposit, kartlägga genomförda experiment och projekt och insamla erfarenheter och slutsatser. Vidare har projektet som målsättning att utveckla ett förstärkningsmaterial genom att först teoretiskt anpassa det till kravbilden och att sedan göra preliminära tester med det. En begränsning till cementbaserade kompositer görs, d.v.s. limning av stål- eller kompositmaterial med epoxi på betongkonstruktioner behandlas inte. 3

Krav att ställa på en förstärkningskomposit Kompatibilitet Kompatibilitet mellan förstärkningskompositen och det elementet som förstärks är nödvändigt men ej tillräckligt för en lyckad förstärkning. Kompatibilitetskrav vad gäller dimension, kemi, elektrokemi och permeabilitet bör uppfyllas. I begreppet dimensionskompatibilitet ingår flera delaspekter såsom krympning, krypning, temperaturberoende volymförändring, elasticitetsmodul och tvärsnittsgeometri. Beständighet En beständig förstärkning är den som fyller sin funktion hela dess beräknade livslängd. Förutom de ovan nämnda kraven på kompatibilitet är detaljlösningar, val av metod och produktionen viktigt för beständigheten. Det faktum att kvalitén på förstärkningen bestäms av hur väl de yrkesarbetare som utför arbetet lyckas gör att förstärkningen bör designas så att den blir rimligt enkel att utföra. Speciella krav Det finns också ett antal speciella krav som kan tänkas ställas på kompositen. Det kan gälla olyckslast och brand. Tyvärr måste man även ta hänsyn till vandalism i tätbebyggda områden. Mekaniska egenskaper Armeringen i existerande betongkonstruktioner är i allmänhet stål med en elasticitetsmodul på 210 GPa. Har man i åtanke att plasticering i armeringen normalt inte accepteras och att konstruktionen ofta är belastad, åtminstone med sin egentyngd, vid förstärkningstillfället inses att det finns en begränsad töjning kvar som förstärkningen kan använda för att ta last. Därför måste en förstärkning vara styv för att kunna öka lastkapaciteten hos ett konstruktionselement. Krav på matrisen Följande krav ställs på matrisen i en förstärkningskomposit. Tillräckliga mekaniska egenskaper för kraftöverföring mellan fibrerna Konsistens som tillåter penetration och omslutning av fibrerna Kompatibilitetskrav (enl. ovan) mellan fibrer och matris och mellan matris och befintlig betong Arbetbarhet på plats d.v.s. tillräcklig öppentid och applicerbarhet på stora vertikala ytor och på undersidan av betongelement Miljömässighet God vidhäftning mot sandblästrad betongyta Krav på fibrerna På fibrerna i en cementbaserad förstärkningskomposit ställs följande krav. Hög tålighet mot alkalisk miljö Icke-korroderande material 4

God styrka Minst lika styva som stål, d.v.s. E > 210 GPa Några användbara fibermaterial Kolfiber Kolfibrer utvecklades 1964-65 i Storbritannien i strävan att hitta ett styvt, starkt och lätt material. Kolfibern är en oorganisk fiber som tillverkas i form av buntar om ca 10 4 enskilda fibrer vars diameter är 7-15 µm. Det finns två olika tillverkningsprocesser för kolfibrer där den huvudsakliga skillnaden är råmaterialen. Båda processerna innehåller värmebehandling, sträckning och oxidation av råmaterialen. De bästa och dyraste kolfibrerna tillverkas av polyacrylonitril (PAN). Det är också dessa som är mest aktuella för förstärkningsändamål. Fibrernas (PAN) draghållfasthet och elasticitetsmodul kan varieras mellan 2500 och 7500 MPa respektive 200 och 800 GPa. Aramidfiber Aramidfibern, också känd som DuPonts varumärke Kevlar, är en organisk fiber som tillverkas av en lösning med aromatisk polyamid som pressas genom ett munstycke. Aramidfiberns diameter är 10-15 µm. Draghållfastheten varierar mellan 3000 och 4000 MPa och elasticitetsmodulen mellan 80 och 200 GPa. Aramidfibern är känslig för hög värme och ultraviolett strålning. Glasfiber Glasfiber är en oorganisk fiber som tillverkas genom att smält glas dras genom bottnen av en upphettad tank. Därefter dras den ut och svalnar vilket ger den en tjocklek av 3-20 µm. Vanligtvis behandlas glasfibern därefter för att skyddas mot nötning samt att hålla ihop fibrerna och förbättra vidhäftningen mot matrismaterialet i den färdiga fiberkompositen. Glasfiberns draghållfasthet ligger runt 2000 MPa och dess elasticitetsmodul kring 70 GPa. Glasfibrer är känsliga mot fukt och alkaliska miljöer, dock finns alkaliresistenta glasfibrer. Fiberkonfigurationer Alla fibermaterial och fibrer kan konfigureras på olika sätt. De vanliga sätten att konfigurera kontinuerliga fibrer är vävar eller nät. I både vävar och nät kan man välja riktning och mängd fibrer i olika riktningar beroende på användningen. Ett intressant sätt att konfigurera kontinuerliga stålfibrer har SIMCON (Slurry Infiltrated CONrete). Där infiltreras en form fylld med stålull med cementslurry vilket leder till en fiberbetong med upp till 6% stålfibrer riktade åt samma håll. Man kan också kombinera olika längder på fibrer för att få styrkan från långa fibrer och segheten från korta fibrer till sin komposit. Detta kallas hybridkompositer. Ytbehandlade fibrer Ytterligare ett sätt att öka vidhäftningshållfastheten mellan fibrer och betong är att ytbehandla fibern på ett lämpligt sätt. När det gäller kolfibrer kan man med fördel använda en oxiderande silanbehandling av ytan. Denna ytbehandlingsmetod är även tillämpbar på silikastoft. 5

Några användbara matrismaterial Polymermodifierat cement För att minska elasticitetsmodulen hos betong eller cementbruk kan man tillsätta polymerer. Generellt ökar också vidhäftningshållfastheten mot fibrer hos polymermodifierad betong. Polymeren man tillsätter är oftast någon form av latex. Den tillsätts antingen i pulverform i cementen eller dispergerad i vatten. Finmalet cement Genom finmalning av vanligt cement erhålls ett cement med finare korn än vanligt. Detta cement används till injektering på grund av dess goda inträngningsförmåga i smala sprickor jämfört med vanligt cement. Det är också känt att användning av finmalet cement ger möjlighet till snabbare hållfasthetstillväxt samt kan ge bättre vidhäftningshållfasthet mot befintlig betong. Dessa egenskaper är intressanta för matrismaterial i en komposit. Silika Silika är ett mycket finkornigt kiselstoft (SiO 2 ) som används som tillsatsmaterial i betong för att dispergera fibrer, förbättra arbetbarheten samt öka densiteten. Undersökningar visar också att vidhäftningshållfastheten mellan fibrer och betong ökar med tillsats av silikastoft, varför det kan vara intressant att använda i en förstärkningskomposit. Cementbaserade kompositer använda i verkliga fall Varken i litteraturstudien eller i de rutinmässiga litteratursökningarna under arbetets gång har något verkligt fall, där en cementbaserad komposit använts till att öka eller återställa lastkapaciteten hos en befintlig betongkonstruktion, hittats. Däremot har ett begränsat antal laboratorieprovningar rapporterats i litteraturen. Bl.a. försök med ferrocementlaminat och SIMCON som båda bygger på användning av betong med höga stålfiberinnehåll. Förstärkning med textilarmerad betong har provats till viss utsträckning i Tyskland, då har det framförallt gällt glasfibertextilier men i något fall även kolfibertextil. Referenser till dessa försök står att finna i licentiatavhandlingen. Pilotförsök Det första försöket i detta projekt gjordes i april 1999 med en komposit av kontinuerliga kolfibrer och cementbaserad matris som förstärkning av ett betongelement. Detta var det första försöket i Sverige med denna teknik. Syftet var att göra en preliminär utvärdering av tekniken samt att få erfarenheter till fortsatta försök. Försöket gjordes i laboratoriet på Väg och Vatten vid Luleå Tekniska Universitet där kraftigt böjarmerade balkar samt kolfibrer och en cementbaserad matris redan fanns på plats. En balk förstärktes för tvärkraft och en behölls som oförstärkt referensbalk. Den förstärkta balken fick 30% högre brottlast än den oförstärkta. Tekniken bedömdes som lovande och fortsatta materialprovningar för att utveckla en cementbaserad komposit planerades. 6

WHEST-balken För att utveckla en ny förstärkningskomposit behövs en testmetod att utvärdera vidhäftningshållfasthet i skjuvning, samt kompositens egen lastkapacitet och beteende till brott. WHESTbalken (Wiberg-Holmgren Evaluation of STrengthening materials) är resultatet av sökandet efter en liten, billig testbalk som är lätt att gjuta. Detta sökande har skett i svenska (SS), europeiska (CEN) och amerikanska (ASTM) normen utan resultat varför denna nya provningskropp tagits fram. WHEST-balken, se Figur 1, är en standardbalk för böjning enligs Svensk Standard SS 13 72 12 utrustad med en stålled i överkant, se Figur 2, och en sågad slits mitt på undersidan av balken. Stålleden gör att tryckresultantens läge är fixerat och kraften i förstärkningen lätt kan beräknas. Balken har en försumbar momentkapacitet när den är oförstärkt på grund av den sågade slitsen. 200 Stålled 200 100 20 100 700 800 150 Förstärkningskomposit Sågad spricka Figur 1. WHEST-balken sedd från sidan. Mått i mm. 20 70 15 25 CL Hål φ 10 mm 40 Stål cylinder Längd 150 mm Figur 2. Sektion genom stålleden i WHEST-balken. Mått i mm. Laboratorieförsök En rad laboratorieförsök med WHEST-balkar förstärkta med olika fiberkompositer har genomförts. Till att börja med, inledande försök, vars syfte var att studera beteendet hos en komposit av denna typ och att få en ungefärlig uppfattning om hur mycket polymerer den bör innehålla. Fortsättningsvis har en parameterstudie av matrisen gjorts där matrisen har ändrats med avseende på polymerinnehåll och grad av finmalning av cementet samt en parameterstudie av fiberkonfigurationen där olika fiberkonfigurationer har använts. Gemensamt för dessa tre försöksserier var, förutom testmetoden med WHEST-balken, att förstärkningstekniken var handuppläggning av kontinuerliga kolfibrer och matris. 7

Inledande försök I de inledande försöken användes samma kolfiberväv till alla balkar och matrisen varierades. De fem olika matriserna var alla kommersiellt tillgängliga polymermodifierade cementbruk avsedda att användas till andra ändamål än detta. Att matrisen borde innehålla polymerer baserades på litteraturstudien och pilotförsöket. I en testserie användes epoxi som matris som jämförelse och en balk armerades med en vanlig armeringsstång. De resulterande last och nedböjningsdiagrammen återfinns i Figur 3, där man kan se skillnaden mellan töjbarheten hos en stålarmerad balk och en kolfiberkompositförstärkt balk. Det framgår också hur mycket effektivare epoximatrisen utnyttjar kolfibermängden. Slutsatsen från dessa försök var att cementbruken med mer polymerinnehåll ger bättre vidhäftning mellan fiber och matris och att det största problemet är just vidhäftningen mellan fiber och matris. 25 Last/kN 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 Nedböjning i mittpunkten/mm A2 B3 C1 D3 E2 epoxy2 steel Figur 3. En representativ last och nedböjningskurva för varje matris samt en kurva för en stålarmerad WHEST-balk. Matris A och C innehåller mest polymer och matris D och E har det minsta polymerinnehållet. Parameterstudie av matrisen De parametrar i matrisen som varierades i dessa försök var polymerinnehåll och graden av finmalning av cementet. Försöksmatrisen framgår av Tabell 1. Kolfiberväven var hela tiden densamma som i de inledande försöken. Recepten på de sex olika cementmatriserna redovisas i licentiatavhandlingen. Cementtyp Polymer-cementtal (Cementa AB) 0 0,25 0,50 0,75 Anläggning AN50-1 3 Injektering 30 IN00-1 3 IN25-1 3 IN50-1 3 IN75-1 3 Ultrafint 12 UF50-1 3 Tabell 1. Försöksmatris med namnen på de 18 testbalkarna som givits av respektive cementmatris. En slutsats från dessa försök var att polymertillsatsen behövs men i detta fall erhålls ingen extra positiv effekt genom att höja polymerinnehållet från 50 till 75% av 8

cementvikten. Ett last och nedböjningsdiagram för en representativ balk för varje polymerinnehåll återfinns i Figur 4. Ingen säker slutsats kunde dras vad gäller användningen av finmalet cement. Brottlasterna var i samma storleksordning oavsett cementtyp men en tendens till ökad töjbarhet vid finare malning kunde skönjas. Last / kn 12 10 8 6 4 IN00-1 IN25-1 IN50-2 IN75-2 2 0 0 1 2 3 4 5 6 Nedböjning i mittpunkten / mm Figur 4. En last och nedböjningskurva för en representativ balk för varje polymerinnehåll (0, 25, 50 och 75%). Parameterstudie av fiberkonfigurationen I dessa försök varierades fiberkonfigurationen för att se hur kompositens beteende påverkas av hur fibrerna är fördelade i matrisen. Sex olika fiberkonfigurationer testades och gavs namn på följande sätt. Namn Beskrivning Fibrernas tvärsnittsarea 1X95G Ett lager kolfiberväv med ytvikten 95g/m 2 4,0 mm 2 2X95G Två lager kolfiberväv med ytvikten 95g/m 2 8,1 mm 2 3X95G Tre lager kolfiberväv med ytvikten 95g/m 2 12,1 mm 2 4X12K Fyra buntar med 12000 (12k) kolfibrer vardera 1,8 mm 2 16X12K Sexton buntar med 12000 (12k) kolfibrer vardera 7,1 mm 2 4X48K Fyra buntar med 48000 (48k) kolfibrer vardera 7,1 mm 2 Tabell 2. Tabellen förklarar de sex olika fiberkonfigurationerna som användes med respektive balknamn. Den första iakttagelsen som gjordes var att förhållandet mellan antal vävar och brottslasten är linjärt för en till tre vävar, se Figur 5. Detta antyder en möjlighet att öka lastkapaciteten, genom att lägga till ytterligare vävar, med i detta fall ca 4 kn per väv. Last och nedböjningskurvorna för WHEST-balkar förstärkta med kompositer med olika fiberkonfigurationer, se Figur 6, visar att antalet fibrer i buntarna har betydelse för töjbarheten hos kompositen. Ju fler fibrer i buntarna desto större töjbarhet. Det 9

är dock bara kvasiduktilitet, beroende på att fibrerna inom bunten inte sitter ihop och därför dras ut, som kompositen uppvisar. I de inledande försöken användes en kolfiberväv med en fibertvärsnittsarea på 12,1 mm 2 vilket är exakt samma area som kompositen med tre vävar i denna försökserie har. Brottlasterna var 11,5 respektive 13 kn trots att samma matris användes i båda fallen. Detta stöder hypotesen att det är fördelaktigt att använda sig av flera tunna vävar i stället för färre tjocka. 14 12 3X95G-1-3 Brottlast / kn 10 8 6 4 1X95G-1-3 2X95G-1-3 2 0 1 2 3 Antal vävar Figur 5. Brottlasten för nio WHEST-balkar förstärkta med en, två, respektive tre kolfibervävar. Last / kn 14 12 10 8 6 4 2 0 1X95G-1 2X95G-1 3X95G-3 4X12K-3 16X12K-1 4X48K-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Nedböjning i mittpunkten / mm Figur 6. Jämförelse mellan last och nedböjningskurvor för WHEST-balkar förstärkta med sex olika fiberkonfigurationer. Fiberkonfigurationerna finns beskrivna i Tabell 2. 10

Slutsatser En omfattande litteraturstudie och laboratorietester av olika cementbaserade kolfiberkompositer har genomförts. Baserat på detta dras följande slutsatser. 1. Förstärkningsmetoden att applicera en cementbaserad fiberkomposit innehållande kontinuerliga kolfibrer som en extra dragarmering på en bärande betongkonstruktion har stor potential. Metoden kan med stor sannolikhet användas för förstärkning och reparation i framtiden. 2. Det finns mycket lite forskning gjord inom detta område i världen, varför denna avhandling är ett pionjärarbete. 3. För att kvantifiera hur långt utvecklingen har nått av denna typ av komposit kan man göra uppskattningen att en cementbaserad komposit idag når upp till 65% av korttidslastkapaciteten hos en epoxibaserad komposit med samma mängd kolfibrer. 4. Av de testade kompositerna i detta arbete uppnåddes bäst resultat med en cementmatris innehållande 50% polymer av cementvikten och tunna kolfibervävar av buntar med endast 1000 fibrer varedera. 5. I det nuvarande utvecklingsstadiet är den främsta begränsande faktorn vidhäftningen mellan matris och kolfiber. Detta problem härrör ur svårigheten för en granulär matris att penetrera kolfiberbunten och omsluta samtliga fibrer. Detta problem kan till stor del överkommas genom att använda tunna och glesare vävar. 6. För de typer av kompositer som har testats i detta projekt har tillsats av polymer haft en positiv effekt på lastkapaciteten. Polymeren gör att matrisens elesitcitetsmodul minskas d.v.s. ökar flexibiliteten. Detta gör att matrisen förblir osprucken under större töjningar än om den inte innehållit polymer och kan då överföra krafter mellan och skydda fibrerna bättre. Fortsatt forskning Behovet av forsatt forskning inom området förstärkning och reparation med cementbaserade fiberkompositer kan delas in i två delar, nämligen materialteknik och konstruktionsteknik. Materialtekniken behövs för att fortsätta utvecklingen av själva kompositen för att uppnå ett så effektivt utnyttjande an fibrerna som möjligt. Exempel på områden är Ytbehandling av kolfibern för att öka vidhäftningen. Specialmatris för buntning av fibrerna, t.ex. epoxi. Detta leder till ett prefabricerat nät som läggs in i den cementbaserade matrisen. Förbättring av matrisen med hjälp av finmalet cement. Förbättring av matrisen med hjälp av silika eller andra tillsatser. Konstruktionstekniken behövs för att besvara frågor som uppkommer när man har en tillfredställande komposit. Dessa är t.ex. Frågan om var och när kompositen kan användas. Kriterier och sätt att mäta dessa måste tas fram. 11

För att kunna förutsäga beteendet hos en förstärkt eller reparerad konstruktion måste beräkningsmetoder tas fram. Detta kräver ytterligare provningar med bl.a. element i full skala. Det är också av stor vikt att förbättra appliceringstekniken, med hjälp av t.ex. sprutning av matrisen, för att öka metodens konkurrenskraft och minska byggtiden. 12