föreläsning 13/2 2012 i "betong i ett livscykelperspektiv". föreläsare lars-olof...

1

Byggnadsmaterial BLCP 2009/L-O Nilsson 10 Armeringskorrosion

Korrosion!

Lars-Olof Nilsson LTH-Byggnadsmaterial

Föreläsning 13/2 2012 i ”Betong i ett Livscykelperspektiv”

Foto: Ralejs Tepfers



Armeringskorrosion

•  Ingjutet stål passiverat av högt pH (>13.5) •  Passiveringen kan brytas av

1.  Karbonatisering XCO3(t) ≥ Xstål (Ca(OH)2 +CO2 →CaCO3 + H2O)

pH ≥12.5 pH <10

2.  Kloridinträngning Cl(x=Xstål, t) > Clcr Cl(x, t) (kräver en särskild genomgång!)


Definition av livslängd (m a p armeringskorrosion)

Tuutti (1982)


Korrosionsmekanismen


CO3-initiated

Cl-initiated

w/C=0.4

w/C = 0.4 w/C=0.7

w/C=0.7

Korrosionshastigheter i betong

Tuutti (1982)

2


Korrosionsmotstånd i betong

0.1

1

10

100

50 60 70 80 90 100

RHair [%], annual average

Para

met

er v

alue

s of

sL

N(m

ean,

SD,s

hift)

mean

SD

RF [%] i täckskiktet

Korrosions-motstånd[i förhållande till vid 100% RF]


Karbonatisering

• Diffusion av CO2– motstånd av tätt,

vått, välhärdat porsystem

• Reaktion CO2+ CaO– mängd CaO

=f(C, α etc.)

RF(t)armering

xCO3

mikro-klimat

relevant förkorrosion

relevant förkarbonatisering

CO2

RF(t)armering

xCO3

mikro-klimat

relevant förkorrosion

relevant förkarbonatisering

CO2

CO2

CO3

x

2/12/1)/( taDkx ⋅⋅=


Modell för karbonatiseringsdjup

dtx

cDdtqc

COCO ⋅−

=⋅0

22

cdxa ⋅qCO2

CO3

xc dxc

a=CaO

På tiden dt tränger mer CO2 in till frontenpå djupet xc

Den mängden ökar karbonatiseringsdjupetmed

Likhet ger

Vilket integrerat från 0 till t blir

cdt

acD

dxxdtx

cDdxa COcc

cCOc ⋅

⋅=⋅⇔⋅

−=⋅ 2

2

0

ta

cDX

dta

cDdxx

COc

tCO

cc

X c

⋅⋅⋅

=

⋅⋅

=⋅ ∫∫

2

2

200


Koldioxiddiffusionskoefficienten Dc

( )5105.4 )(1 xCBDc ϕε −⋅⋅⋅=

B är en koefficient, uppskattad till 6.8 •10-9, efter kalibrering mot fältdata

ε är kapillärporositeten,

C är cementhalten och

ϕ är relativa fuktigheten i täckskiktet


Fuktberoendet hos Dc

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

50 60 70 80 90 100

RF[%]

D c [*

1E-9

m2 /s

]

vct 0.4, C= 440 kg/m3,

alfa=0.7

FUKT blockerar!


Mängd karbonatiserbar kalk a

[ ]32 /54.063.0 2 mkgCOC

MM

CaCaO

CO ⋅⋅=⋅⋅⋅= αα

andelen CaO i cementet (ca 63 %), cementhalten C och andelen hydratiserat cement α

3


Karbonatiseringsmodell enligt CEB & DuraCrete

n

cc t

tta

cDkkkX ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅

Δ⋅⋅⋅⋅⋅= 03212

Xc är karbonatiseringsdjupet [m],

Dc är diffusionskoefficienten för koldioxid [m2/s],

Δc är koldioxidkoncentrationen i omgivande luft [kg/m3]

t är exponeringstiden [s],

t0 är en referenstid, betongens ålder då Dc mätts,

a är mängden koldioxid som åtgår för karbonatisering [kg/m3betong],

n är en klimatparameter

k är parametrar för hänsyn till klimat, härdning och använd testmetod.


Parametervärden

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

50 60 70 80 90 100

RH [ +10%]

k1

T=+5°CT=+20°CT=+35°C

-0.05

0

0.05

0.1

0.15

0.2

50 60 70 80 90 100

RH[ +10%]

n

T=+5°CT=+20°CT=+35°C

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 500 1000 1500Rain periods [h]

k1

80 % RH

65 % RH

00.020.040.060.08

0.10.120.140.160.18

0 500 1000 1500

Rain pe riods [h]

n


Karbonatiseringsdjup f(vct, fukt)

Tuutti (1982)


Kloridinitierad korrosion. Avgörande faktorer:

C(xc,t) ≥ Ccr ?

Cenv

xCl-

xc

Tröskelnivå:

[Cl-] vid ytan:

Cl--transporthastighetDa= D/R=diffusionskoeff./bindningskapacitet


Tröskelvärden för korrosion


Tröskelvärden för korrosion

0.01

0.1

1

10

1 10 100

Ccr g/l

[OH

]

Hausmanns [Cl]/[OH]=0.6

4


Kloridbindning

Total Cl

BoundCfree

Depth

Cfree

Free


Chloride binding/interaction concepts”Free” - ”Bound”

Chloridebinding:

[Free Chloride], cf [g/l]

Total

Bound

Ctot

”free” – ”bound”?

Free


Chloride binding/interaction conceptsChloride Binding =f(gel)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Free Chloride (mol/l-solution)

Bou

nd C

hlor

ide

(mg/

g-ge

l)

w /c = 0.4 OPC paste



c:s:w =1:2:0.4 mortar



Tang & Nilsson (1993)


Chloride binding/interaction conceptsChloride binding = f´(pH)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

[ ]ln

CC

b

b OH ini

[ ][ ]OHOH ini

y = 0.59(1-x)r2 = 0.998

Data from Tang & Nilsson (1995)


Kloridtransport

• Traditionellt, Fick’s 1:a lag

• Idag

• med konvektion

dxdcDq FCl 1−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++−=

dxdVc

RTFz

dxad

cdxdc

Dq iii

ii

iClln

liiii

ii

iCl qcdxdVc

RTFz

dxad

cdxdc

wDq ⋅+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++−=

ln)(


cf

Cb

wvRH

Two Mass Balances, and several relations

vapour

freechloride

liquidwater

boundchloride

5


Predictions of ”Wick Action”

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

Depth [mm]

Cl to

t (x,

t) [k

g/m

3 ]

RHcr = 90%Predictions are extremelysensitive to the division of total moisture flow into liquid and vapour flow.

A larger portion of the total moisture flow is vapour flow


Prognosmodeller

“Scientific” (mass-balance models)

• D(c, T, w, α, t?), x, etc.)• cb(c, pH, T, w, α, etc.)• ql (drying/wetting, wicking)

c(x=0, t)?w(x=0,t)?

“Empirical” (curve-fitting field data)

• Dapp(t) • Cs(t) Dapp(t, local environment)Cs(t, local environment)

Extrapolating empirical data?Verification?


ERFC(x,t)

Är lösningen till ”Fick’s 2:a lag”:

2

2

22

11

dxCdD

dxdCD

dxd

dxdC

dcdCD

dxd

dxdcD

dxdq

dxd

dtdC

totF

totF

tot

tot

FFCl

tot

≈=

=⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⋅==−=

om- andra joner försummas!- DF2 är konstant, dvs DF1 & dC/dc är konstanta!


Fick’s two ”Diffusion coefficients”

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

∂∂

+=

cc

p

DD

bsol

FF

1

12


Empiriska Modeller 1970-1990

• Fick’s 2a lag, erfc-lösningen:

Två regressionsparametrar:• Da (=const) (“diffusionskoefficient”) “Apparent”

• Csa (=const) (ytkloridkoncentration”)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅=

tDxerfcCtxC

asa 2

),(BMV-komp., Fukt Del III(med Csa=C1, Da=δeff)


ERFC(x,t)

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

1

Depth x [m]

Dt = 0.000050.0002

0.0005

0.002

0.005

c(x, Dt)/c 1 0.001

1007 a

C(x,t)/Cs

Djup [m]

Da·t

6


Testmetoder

Stationära• Diffusionscell• Migrationscell

Icke-stationära• Immersion tests• Migrationsmetod

(NtBuild 492)


KurvpassningH5.Su.1, 5 years

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25 30Depth [mm]

Cl [

% b

y w

eigh

t of c

oncr

ete]

Cl(x) [% of Concrete]

H5.Su.1, 5 years

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25 30Depth [mm]

Cl [

% b

y w

eigh

t of c

oncr

ete]

Cl(x) [% of Concrete]

Cs=0.55%, Da=2.12·10-13 m2/sCorrelation = 0.995

Cs=0.46%, Da=2.85·10-13 m2/sCorrelation = 0.994


Kurvpassning, cont.H5.Su.1, 5 years

0

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30Depth [mm]

Cl [

% b

y w

eigh

t of b

inde

r

Cl(x) [% of Binder]

Cs=2.97%, Dapp=4.04·10-13 m2/sCorrelation= 0.94

Cs=5.45%, Dapp=1.72·10-13 m2/sCorrelation = 1.00!

H5.Su.1, 5 years

0

1

2

3

4

5

0 5 10 15 20 25 30Depth [mm]

Cl [

% b

y w

eigh

t of b

inde

r

Cl(x) [% of Binder]


Kloriddiffusionskoefficient

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 0.75 0.85

w/C

DC

TH[1

0-12 m

2 /s]

OPCSiFAFA+Si


Kloriddiffusionskoefficienter

0123456789

10

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45w/B

DC

TH[1

0-12 m

2 /s]

OPCSiFAFA+Si

Silika viktig!


Empiriska modeller under 90-talet

Tidsberoende Da!

α

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

tt

DD exaexa

Achieved diffusion coefficient, 0.6-5 years

y = 1E-12t-0.4162

y = 1E-12x-0.523

1.E-13

1.E-12

1.E-11

0.1 1 10 100Age, t [years]

Da(

t)

BinderConcreteFit ConcreteFit Binder

(fler Regressions-parametrar)

7


Models A1b: ERFC-model, Da(t) & Csa const.

xCD

tC

F 2

2

2 ∂∂

=∂∂

xCDq FCl ∂∂

−= 2 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⋅⋅=

tDxerfcCtxC

asa 2

),(

C(x=0,t)=Csa=const

α

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

tt

DD exaexa

n

ceRCMte tt

kkDkD ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅⋅⋅⋅= 0

0,Da


Are the causes of Transport Processes in concrete!Transport Processes cannot be predicted without Boundary Conditions!f(location, orientation, distance, time etc.)Who’s “responsibility”?One concrete in twolocations?

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

0 5 10 15 20 25 30 35Depth [mm]

Cl/c

emen

t [w

eigh

t-%]

Banyuls s/Mer (8 m) [F]Banyuls s/Mer (24.5 m) [F]Cascais [P]Dubai [UAE]Eastern Scheldt [NL]Hirtshals [DK]Hvalfjørdur [IS]Kjøpsvik [N]Källahamn [S]La Rochelle (S) [F]La Rochelle (T) [F]Skanör [S]Träslövsläge [S]

Boundary Conditions/Environmental Actions


Marin vs. Vägmiljön

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 10 20 30 40

Depth [mm]

Cl [

wt-%

of c

oncr

ete]

3-50 U1

3-50 P1

3-50 A1

207 BK1

w /B=0.50, 5%Si; 2 years

Rv4

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 10 20 30

Depth [mm]

Cl [

wt-%

of c

oncr

ete]

H4 U1

H4 P1

H4 A1

206 DK6

w /B=0.40, 5%Si; 2 years

Rv

w/B=0.50 w/B=0.40


Chloride exposure on a vertical surface at Rv40winter 1995-1996 (Total 869g Cl/m2 of road)

Chloride Expossure by RV40Winter1995 - 1996

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 100 200 300 400

Cl absorption, g/m2

Hei

ght f

rom

the

grou

nd, m

Wirje Spring 96

Wirje Autumn 96

Tang Nov. - Feb

0.78 m

0.76

m

0.45

m

0.61

m1.

22 m


Chloride exposure on a vertical surface at Rv40winter 1995-1996 (Total 869g Cl/m2 of road)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5

Height [m]

Total chloride content [g/m2]

Wet zone

Dry zone


Build-up and wash-off in road structures during winter and summer seasons

236 D (3-6)F

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0 10 20 30 40 50 60

Depth (mm)

Cl [

% p

er S

ampl

e]

Feb

March

April

May

Oct

236 D (3-6)Ö

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0 10 20 30 40 50 60

Depth (mm)

Cl %

Per

Sam

ple

Feb

March

April

May

Oct

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0 10 20 30 40 50 60D epth [m m ]

Chl

orid

e [w

t-% o

f sam

ple]

C l% (feb)C l% (m ars )C l% (april)C l% (m aj)ju li "år2"C K 6juli "år2"D 1

C onc rete 236 D (3-6)F

8


Øresundsbetongen: 2 år + 5 årsdata

H4

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

0 10 20 30 40 50 60

Depth [mm]

Chl

orid

e [w

t-% o

f bin

der]

5y2y0-50TL2y50-1001y.0.6y.

Submerged!


0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50

Djup [mm]

Klo

ridha

lt, s

om C

l/C [v

ikt-%

]

Ö.Su.1 Anl vct 0.40Ö.Su.2 Anl vct 0.40H4.Su.1 Anl vbt 0.40 5%Si slurryClkrit/Cement (%) Anl vct 0.40Clkrit/Cement (%) Anl vbt 0.40 5%Si

5års exponering i Träslövsläge

utan Silika

5 % Silika

Inverkan av 5 % silika


Danska vägbroar, pelare

0

10

20

30

40

4 5 6 7

Square root of age [√year]

x0.05 [mm]

<2m side>2m side>2 m facing trafficmiddle of road

20-0085Built 1963

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 20 40 60 80Depth (mm)

Chloride content(% by dry concrete mass)

May 1996 south 30 cm

May 1996 west 7 cm

May 1996 west 67 cm

March 1991south 30 cm

14-0036Built 1956

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 20 40 60 80Depth (mm)

Chloride content(% by dry concrete mass)

1.0 m 911002 N1.0 m 920520 N1.0 m 920520 S1.3 m 960618 S1.3 m 960618 N0.25 m 960618 N1.9 m 960618 N1.0 m 911002 S

X0.05[mm]


7 svenska vägbroar, 30 år gamla

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 20 40 60 80 100 120 140Djup [mm]

Cl/C

aO [%

]

SB O-978 KS-1SB O-978 KS-2SB O-978 KU1SB N-434 OK ovansidaSB N-434 OK Sida3SB N-434 OK Sida2SB N-434 OK Sida1SB O-670 KK +RHSB O-968/707 OKOSB O-762 SK +RHSB O-832 TK +7

Kantbalkar

Clkrit


40+ betonger, 2 års exponeringBTB: Chloride Profiles summer 1998

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 10 20 30 40 50 60

Depth [mm]

Cl/C

aO [w

t-%]

204 BK1 207 BK1208 BK1 209 BK1211 BK1 213 BK1217 BK1 221 BK1224 BK1 226 BK1227 B K1 228 BK1230 BK1 231 BK1300 BK1 301 BK1303 BK1 306 BK1205 K1 210 K1212 K1 214 K1215 K1 216 K1218 219 K1220 K1 222 K1223 K1 225 K1229 K1 232 K1302 K1 304 K1305 K1 202 CK1236 CK6 236 D1201 DK6 206 DK6201 E1 206 E1203 GK1 SIDA305 21

Cl [%]

Djup [mm]


Norskt SRPC-cement + flygaska0-2 års exponering i vägmiljö

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0 10 20 30 40 50 60

Depth [mm]

Chl

orid

e [w

t-% o

f sam

ple]

Cl%(feb)Cl%(mars)Cl%(april)Cl%(maj)juli "år2"K1juli "år2"21

Concrete 305 2 (3-6)F

12-02-09

1

© Copyright SIS. Reproduction in any form without permission is prohibited.

Betongkonstruktioner – Täckande betongskikt Concrete structures - Concrete cover!Förord!Denna standard är framtagen av TK 84/AG 2 Betongkonstruktioner i samarbete med TK 45 Betong. Den är fastställd efter allmän remiss och notifiering till CEN.

Tabell 2. Minsta täckande betongskikt i mm !med hänsyn till maximal sprickbredd och !korrosionsskyddet för föga korrosionskänslig !armering

1)  Angivna täckande betongskikt gäller för en kloridkoncentration i havet av högst 1,0 % (ostkusten). För högre kloridkoncentrationer fastställs de täckande betongskikten i varje enskilt fall.

Expone-rings-klass Max

vctekv Minsta täckande betongskikt i

L 100 L 50 L 20 X0 - - - - XC1 0,90 15 10 10

0,60 10 10 10 XC2 0,60 25 20 15

0,55 20 15 10 0,50 15 10 10

XC3, XC 4 0,55 25 20 15 0,50 20 15 10

XS1, XD1 0,45 30 20 15 0,40 25 20 15

XD2 0,45 40 30 25 0,40 35 30 20 0,35 30 25 20

XD3 0,40 45 35 25 0,35 40 30 25

XS21) 0,45 50 40 30 0,40 45 35 25 0,35 40 30 25

XS31) 0,40 45 35 25 0,35 40 30 25

föreläsning 13/2 2012 i "betong i ett livscykelperspektiv". föreläsare lars-olof...

Technology