Hem Teknik Armeringskorrosionens svåra gåta

Armeringskorrosionens svåra gåta

Armering

Det har forskats om armeringskorrosion i 50 år men det finns fortfarande många oklarheter. Det skriver Kyösti Tutti som författat kapitlet om armeringskorrosion i den reviderade betonghandboken. 

Text: Kyösti Tuutti, Zander & Company.

Betongkonstruktioner har en livslängd och vi kan avsevärt påverka livslängden genom att välja bra konstruktionslösningar och betongkvalitet. Vi kan också konstatera att armeringskorrosion är en mycket komplicerad process där vi ännu inte har full förståelse och kunskap för hur teorier kan omsättas från praktiken.

Det nya kapitlet om armeringskorrosion, kapitel 25, i den reviderade betonghandboken redovisar många fler erfarenheter från den forskning som bedrivits de senaste decennierna med framförallt fältstudier i kloridhaltig miljö.

Kyosti Tuutti
Artikelförfattaren Kyosti Tuutti.

Vi kan konstatera att kloridjoner har en relativt snabb diffusionshastighet in i betongkonstruktioner och att det teoretiskt skulle krävas väldigt stora betongtäckskikt av högpresterande betong för att garantera långa livslängder.

Å andra sidan finns det exempel på långa livslängder hos verkliga konstruktioner där man har normala täckskikt och en vanlig anläggningsbetong som motsäger de teoretiska resonemangen.

Ämnet armeringskorrosion har av forskare studerats de senaste 50 åren med högre intensitet när man förstått att det kommer att krävas betydande reparationsinsatser på befintliga betongkonstruktioner men ett problem är att många studier utförts i laboratorier och det är svårt att översätta accelererade försök till verkliga förhållanden.

Vidare finns det många bindemedel och tillsatser till betong som försvårar tolkningen när man gör jämförelser mellan olika undersökningar. Klimatförhållandena i olika länder skiljer sig också så mycket att det är svårt att dra praktiska erfarenheter till andra klimatzoner. Slutligen kommer strävan efter lägre koldioxidemissioner från cementtillverkning att introducera nya bindemedel där man inte har praktiska erfarenheter

Stål ingjutet i betong är vanligtvis skyddat mot aktiv korrosion av ett passivt oxidskikt, som bildas vid det höga pH som råder i den hårdnade betongens porvätska. Med en tillräcklig koncentration av syre närvarande bildas en oxidfilm på stålytan. Denna oxidfilm har mycket låg löslighet, vilket ger stålet dess goda skydd mot korrosionsangrepp. Stålet uppvisar med andra ord passivitet.

Om detta skydd är tillräckligt beror på ett antal faktorer, såsom täckande betongskikt, betongkvalitet, utförande av konstruktionen, förekomst av klorider i delmaterial, av exponeringsmiljö och mängden mineraliska tillsatser som reagerar i den basiska miljön och påverkar såväl kemin som materialets fysikaliska egenskaper.

Den kemiska miljön närmast stålet kan emellertid förändras så att det passiverande skiktet förstörs och en korrosionsprocess startar. De vanligaste orsakerna är karbonatisering (koldioxid som neutraliserar porvätskan) eller kloridinträngning från omgivande miljö.

Förenklad korrosionsmodell som beskriver betongens åldrande, Tuutti (1982).

Figuren ovan visar en förenklad korrosionsmodell som beskriver de olika skeendena vid betongens åldrande. Konstruktionens livslängd delas in i en initieringsperiod och en korrosions- eller propageringsperiod. Under initieringsperioden sker de förändringar i betongens täckskikt som gör att korrosionsprocessen kan starta.

Korrosion kan starta när fronten för karbonatiseringen av täckskiktet nått armeringen eller när kloridkoncentrationen vid armeringen nått ett kritiskt värde, ofta benämnt tröskelvärde.

När korrosionsprocessen väl startat kommer tiden tills skador uppträder främst att bero på miljön, dvs tillgången på syre och fukt samt temperatur. Eftersom korrosionsperioden för utomhuskonstruktioner i vårt klimat ofta är relativt kort, cirka 5–20 år, kommer initieringsperioden oftast att bli avgörande för konstruktionens livslängd.

Karbonatiseringsprocessen kan beskrivas med matematiska funktioner och stämmer rätt väl med praktiska erfarenheter, vilket beskrivs i den nya betonghandboken. Normalt är karbonatisering inget större problem för betongkonstruktioner om man har en bra betongkvalitet och ett normenligt täckskikt.

Schematisk skiss över fuktprofilen och kloridkoncentrationen i en bropelare i havsvatten. I tät betong är endast en del av täckskiktet utsatt för fuktvariationer. Sandberg (1992).

På äldre konstruktioner kan man däremot konstatera att karbonatiseringen passerat täckskiktet och att detta orsakat korrosionsproblem men dessa härrör ofta från slarv vid utförandet eller en låg betongkvalitet. Därför är det stora problemet initiering till följd av höjd kloridkoncentration i betongens porsystem.

Kloridjonen, Cl, har en förmåga att tränga igenom den täta, skyddande oxidfilmen på det passiverade stålet och starta korrosionsangreppet när kloridkoncentrationen når ett kritiskt värde, tröskelvärdet.

Vid studier av betong i havsvatten har det – vid jämförelse mellan betonger med likvärdig sammansättning och vct = 0,40–0,45, men med olika bindemedel – visat sig att tröskelvärdet har en klart dominerande betydelse för initieringen.

Det är således viktigt att inte bara studera hur snabbt klorider tränger in i betong utan framförallt studera hur olika förhållanden påverkar det tröskelvärde som initierar korrosion. Tyvärr finns ingen entydig gräns för kloridhalt vid vilken korrosion startar eftersom många faktorer inverkar. Flera undersökningar av olika forskare har visat att tröskelvärdena ligger kring 1–2 procent av cementvikten om armeringen ligger i en relativt konstant fuktmiljö.

Schematisk skiss av hur tröskelvärde och kloriddiffusivitet påverkar krav på täckskikt för att lika livslängd skall erhållas för två olika betonger, I och II. Tuutti (1993).

Låga tröskelvärden, 0,1–0,3 procent av cementvikten, erhålls då fuktförhållandena kring armeringen varierar, det vill säga framför allt i konstruktioner med små täckskikt utsatta för växelvis uppfuktning och torkning eller då betong med högt vct används. I tabell nedan redovisas förslag på tröskelvärden som borde kunna tillämpas för olika konstruktioner.

För att sammanfatta kan man säga så här: för att åstadkomma långa livslängder gäller det att skapa ett tjockt homogent täckskikt så att det tar lång tid för klorider att tränga in samtidigt som den omgivande miljön närmast stålet kan få väldigt konstanta förhållanden med avseende på fukt och omgivande ämnen. Ett annat alternativ är att skydda betongen mot klorider med utbytbara konstruktioner eller skydd mot klorider i form av stänkskydd, avdunstningsskydd, etc.

Korrosionshastigheten i en normal nordisk utomhusmiljö är relativt långsam vid jämförelse med varmare klimat. Erfarenhetsvärden visar att för karbonatiseringsinitierad korrosion uppstår synliga skador efter ca 15 till 20 år medan det för kloridinitierad korrosion uppträder efter fem till tio år.

Det är således viktigt att fokusera på initieringsprocessen och på så sätt skapa beständiga betongkonstruktioner. Man bör dock observera att för inomhus konstruktioner som är torra kommer korrosionshastigheten att i princip vara obefintlig.

Armerad betong är ett finporöst sprött material som är mer eller mindre sprucken i det hårdnade, och dragbelastade tillståndet. Sprickor och kaviteter i betong kommer att fungera som transportkanaler för in- och utträngande ämnen såsom vatten, klorider, CO2 etc. Små sprickor kan dock självläka.

De verkliga förhållandena i en betongkonstruktion har stora variationer

Normala sprickor, vinkelräta mot armeringen, med bredder mindre än 0,05 till 0,4 millimeter, beroende på yttre och inre miljö, ger inte en generell påverkan på en konstruktions livslängd. Men man har konstaterat att eventuell påverkan avgörs av den yttre miljöns aggressivitet men värden på dessa effekter har dock ännu inte redovisats i litteraturen.

I betonghandboken redogörs mer utförligt hur olika förhållanden påverkar livslängden i sprucken betong i olika miljöer.

Armeringskorrosion involverar komplicerade fysikaliska, kemiska och elektrokemiska processer som inte alltid låter sig beskrivas med enkla modeller. En del av komponenterna i dessa processer är fortfarande oklara och de verkliga förhållandena i en betongkonstruktion har stora variationer.

Det finns därför många observationer som inte stämmer med enkla teorier, till exempel gamla konstruktioner i svåra miljöer där långa livslängder erhållits trots att betongen inte är av någon högre, teoretisk kvalitet eller avsaknad av korrosion i konstruktioner med mycket höga kloridhalter.

Modellerna och data i detta kapitel i betonghandboken måste användas med viss försiktighet och man måste vara medveten om osäkerheterna. Särskilt osäkert blir det vid bedömning av kvarvarande livslängd hos en befintlig konstruktion.


Referenser

Frederiksen, J.M., Nilsson, L.-O., Sandberg, P., Poulsen, E., Tang L. & Andersen, A. (1997) A system for estimation of chloride ingress into concrete. Theoretical background, HETEK, rapport 83, Vejdirektoratet, Köpenhamn

Sandberg, P. Service life prediction of reinforced concrete structures in saline environment, in Tuutti, K. (editor) (1997) Selected research studies from Scandinavia. Dedicated to professor Göran Fagerlund on his 60th anniversary. Rapport TVBM-3078, Avd Byggnadsmaterial, LTH

Tuutti K. Corrosion of steel in concrete. Stockholm, 1982. CBI Research fo 4.82. (1982)

Tuutti K. The effect of individual parameters on chloride induced corrosion. Ur: Nilsson L-O (ed). Chloride penetration into concrete structures. Nordic Miniseminar, January 1993. Göteborg, 1993. Chalmers Tekniska Högskola, Avdelningen för byggnadsmaterial, Report 93:1, s 18–25. (1993b)