0 Generelt

 

Fig. 11

Eksempel på at ulike betonger kan få helt forskjellig skade ved samme frosteksponering. Begge betongene har vært utsatt for 300 fryse-/tinesykluser i rent vann, - 18/+ 5 °C.

Til venstre: kun oppsprekking (betong med v/b = 0,3 og uten lufttilsetning)

Til høyre: kun avskalling (betong med v/b = 0,5 og lufttilsetning)

 

01 Innhold

Dette bladet behandler frostnedbrytning av betong og andre porøse, sprø byggematerialer. Eksempler er sementbaserte materialer (betong, mørtel, resirkulert betong etc.), steinmaterialer (naturtilslag, naturstein), tegl (murstein, takstein etc.) og lettklinker. Bladet beskriver de viktigste materialparametrene og omtaler kort nedbrytningsmekanismer. Bladet behandler også prøving og levetid, og gir praktiske råd om materialvalg og konstruksjonsutforming for å oppnå god frostbestandighet.

 

02 Utsatte konstruksjoner

Eksempler på utsatte konstruksjoner er horisontale og vertikale ubeskyttede flater omgitt av høy fuktighet eller i direkte kontakt med vann, regn, sjøvann, sprut, slaps, snø, is og tinesalt ved frysing og tining. Typiske konstruksjonsdeler er yttervegger, trapper, fortau, kantstein, brokanter, belegningsstein, damanlegg og kaier. Erfaring viser at skadene er størst i konstruksjonsdeler som har direkte kontakt med væske under frysing. Se også pkt. 63.

 

03 Henvisninger

Standarder og prøvemetoder:

NS 3420 Beskrivelsestekster for bygg og anlegg, kap. L5

NS 3000 Teglstein

prEN 12620 Aggregates for concrete – including roads and pavements

prEN 13242 Aggregates for unbound and hydraulic bound materials for use in civil engineering and road constructions

prEN 1367-1 Tests for thermal and weathering properties of aggregates. Part 1: Frostdurability

prEN 771  Krav til murprodukter

prEN 772  Prøvingsmetoder for murprodukter

SS 13 72 44 Betongprøving. Herdet betong. Frostavskalling

ASTM C 457 Microscopical determination of air-void content and parameters of the air-void system in hardened concrete

ASTM C 671 Critical dilation of concrete specimens subjected to freezing

Byggdetaljer:

520.027 Kvalitetskontroll av fersk betong

520.031 Kvalitetskontroll av herdet betong. Laboratoriemetoder

520.032 Optisk analyse av betong. Planslip og tynnslip

572.115 Tilslagsmaterialer for betong

572.207 Tilsetningsstoffer i konstruksjonsbetong

 

1 Eksempler på skader

11 Generelt

Frostskader har form av enten oppsprekking eller overflateavskalling.

– Oppsprekking er karakterisert ved permanent volumøkning av materiale, konstruksjonsdel eller prøvestykke. Skade kan oppstå uten synlige overflateskader.

– Overflateavskalling er karakterisert ved gradvis forvitring eller avspalting fra materialoverflaten. Se pkt. 12.

Figur 11 viser to ulike betonger som har vært utsatt for frysing og tining i rent vann. Den ene prøven har bare overflateavskalling, mens den andre har bare oppsprekking. Overflateavskalling er den mest vanlige skadeformen, og den forsterkes ved nærvær av tinesalt, se pkt. 122.

 

12 Overflateavskalling

121 Nedbrytningshastighet (forvitringshastighet). Avskalling kan måles og angis som nedbrytnings- eller forvitringshastighet. For betong utgjør 1 mm forvitringsdybde en avskallet mengde på ca. 2,3 kg/m2. Nedbrytningshastigheten kan angis i g/(m2 . syklus). I eksemplet til høyre i fig. 11 ble nedbrytningshastigheten bestemt til 0,55 kg/m2, som tilsvarer 1,8 g/(m2 · syklus). Det er imidlertid usikkert hvorvidt nedbrytningshastigheten er konstant over tid.

122 Tinesalt m.m. Overflateavskalling blir forsterket av frysepunktsnedsettende kjemiske stoffer, som f.eks. tinesalt, urea, sjøvann, alkohol, luftforurensning, sur nedbør. Effekten er velkjent både for betong [721] og steinmaterialer/tilslag [722]. Skaden oppstår på begge ved relativt små konsentrasjoner av de frysepunktsnedsettende stoffene, rundt 2 – 4 % løsning. Denne typen frostskade fins på betong og tilslag ved veger, flyplasser og i sjøvann, samt på naturstein i kulturminner (helleristninger, gamle byggverk). Se også pkt. 34.

 

2 Viktige parametre

21 Generelt

Frostnedbrytning av porøse byggematerialer skyldes en kombinasjon av miljø (fukt, salt, frysing) og materialfaktorer (porøsitet, porestørrelsesfordeling, permeabilitet, styrke, aldring). De viktigste parametrene er beskrevet i pkt. 22 – 24, mens mekanismer som bidrar til å forklare selve frostnedbrytningen, er kort omtalt i pkt. 3.

 

22 Vannmetningsgrad, S

221 Definisjon og bestemmelse. Vannmetningsgrad, S, er forholdet mellom vanninnhold og totalt porevolum. De minste porene fylles først og de største sist. Vannmetningsgraden bestemmes ved beregninger eller målinger. I laboratorium kan S bestemmes nokså enkelt med systematisk veiing, tørking, vannmetting og volumbestemming. S kan også beregnes ut fra vannopptak, teoretisk porevolum, RF og materialets sorpsjonsisoterm etc. I begge tilfeller trengs data om miljø, materialets fuktkarakteristikk, fuktopptak og porevolum. Vannmetningsgrad, S, er gitt ved:

 

 

hvor w er volum av vann [m3/m3] i materialet og ε er totalt porevolum i materialet som kan fylles med vann [m3/m3]. Andre uttrykk brukes også for S, avhengig av hvilken del av vannet i materialet man ønsker å betrakte (f.eks. frysbart vann eller fordampbart vann).

222 Kritisk vannmetningsgrad, Scr, defineres som den S hvor skade oppstår ved frysing [723, 724]. Figur 222 viser eksempel på betydningen av vannmetningsgrad (S) for frostbestandighet. Kurven illustrerer at det kan påvises en kritisk vannmetningsgrad, Scr. Figuren viser også at Scr er uavhengig av antall sykluser. Se også pkt. 45.

 

Fig. 222

Frostskade (redusert E-modul) på stein som funksjon av S [723]

 

23 Porebeskyttelsesfaktoren, PF

231 Definisjon. Porebeskyttelsesfaktoren, PF, angir volumandel porer som ikke er fylt:

 

 

hvor

S = vannmetningsgrad

VPF = er volumandel tomme (eller beskyttende) porer [m3/m3]

εtot = er totalt porevolum i materialet som kan fylles med vann [m3/m3]

232 PF og frostbestandighet. Figur 232 viser eksempel på hvordan økende PF forbedrer frostbestandigheten. Ved å se på sammenhengen S = 1 - PF påvises det, som i fig. 222, en kritisk vannmetningsgrad, Scr. Scr finnes ved å sette inn den verdien av PF hvor kurven knekker.

 

Fig. 232

Frostskade (frostdilatasjon) på betong som funksjon av PF [724]

 

233 Tallfesting. I porøse og sprø materialer er det en svært høy andel av porer  som relativt raskt kan fylles med vann når materialet er i kontakt med vann. εsug («sugporøsitet») kalles ofte kapillærporer, men omfatter alt fra submikroskopiske porer (molekylnivå) til kapillærsugende porer med tverrmål opp til flere μm.

Både miljø og materialegenskaper påvirker oppfyllingen av porevolumet, og dermed størrelsen på PF. Laboratorieforsøk [724, 725] har imidlertid påvist sammenheng mellom frostnedbrytning og PF for betong bestemt etter PF-metoden, se Byggdetaljer 520.031. Ved å anta εsug som vannfylte porer og luftporer som tomme, kan man definere PF som forholdet mellom større, luftfylte porer, A, og total porøsitet, εtot. PF kan dermed defineres som en materialparameter som kan tallfestes:

 

 

234 PF for ulike betonger. Tabell 234 angir PF, definert som luftporevolumets andel av totalt porevolum (PF-metoden), for ulike betonger. Tabellen viser bl.a. at man kan oppnå en betong med god frostmotstand (PF ≥ 0,20, se pkt. 5) uten å bruke luftinnførende tilsetningsstoff.

 

Tabell 234

PF for ulike betonger

PF = A/(A + εsug) for betong med ikke-porøst tilslag, 80 % hydratisering

 

24 Luftporefordeling

I tillegg til totalt luftporevolum (A), er luftporenes størrelse og fordeling viktig for at luftinnføring skal beskytte mot frost. Spesifikk overflate α (mm-1) på luftporene må være høy, og midlere lengde mellom dem, avstandsfaktoren , må være lavest mulig. uttrykker materialvolum (ekskl. luftporer) pr. overflateenhet luftporer:

 

 

Figur 24 illustrerer hvordan avhenger av luftporevolum og porestørrelse.

I herdet betong måles og α optisk etter ASTM C 457, se Byggdetaljer 520.032. Det er også utviklet apparatur for å måle luftporevolum og luftporefordeling i fersk betong.

I praksis kan man stille krav til både luftporevolum og avstandsfaktor for å unngå at den innblandede luften blir dårlig fordelt eller gir for store porer.

 

Fig. 24

Eksempel på avstandsfaktoren

i betong som funksjon av luftporevolum for jevnt fordelte og like store luftporer med diameter 0,02 – 0,1 mm. Beregningen er gjort i henhold til formelen ovenfor med spesifikk overflate = 6/diameter

 

3 Mekanismer for frostnedbrytning

31 Generelt

311 Hovedmekanismen er at frostskade oppstår når vanninnholdet i et materiale lokalt eller totalt er så høyt at materialets volumendring ved frysing overstiger materialets bruddtøyning. Vann i et porøst materiale fryser gradvis. Isdannelsen som funksjon av temperatur er avhengig av bl.a. vannmetningsgrad, avkjølingshastighet, saltinnhold, porestørrelsesfordeling og total porøsitet. I tillegg kan forhold som f.eks. fin porestruktur, underkjøling og frysepunktsnedsettende stoffer gjøre at vann i porøse og vannmettede materialer ikke fryser selv om temperaturen er < 0 °C.

For å beskrive nedbrytningen mer nøyaktig er det lansert en rekke teorier, mekanismer og modeller som kan forklare kritisk vannmetningsgrad, Scr, og at luftporer kan beskytte mot frostskader. I pkt. 32 – 34 er sentrale mekanismer og forklaringsmåter kort omtalt.

312 Aktuelle fukttransportmekanismer. Både prøving og skadeerfaring viser større sannsynlighet for frostskade med økende tilgang på vann og høy vannmetningsgrad i materialet. Aktuelle fukttransportmekanismer i porøse byggematerialer ved frosteksponering er:

– diffusjon

– kapillært sug

– fukttransport pga. vanntrykk

– pumpeeffekt ved våt fryse-/tineeksponering, se pkt. 313

Fuktopptak skjer ofte ved kapillærsug og fukttransport pga. vanntrykk, som er en relativt rask prosess. Uttørking ved diffusjon er derimot en langsom prosess.

313 Pumpeeffekt ved våt fryse-/tineeksponering. Frysing og tining av byggematerialer i konstant kontakt med væske gir stort væskeopptak, selv for materialer med høy vannmetningsgrad etter lang tids nedsenking i vann før frysing og tining starter. Figur 313 viser hvordan væskeopptaket øker utover kapillært vannoppsug etter start av frysing og tining for to betongkvaliteter [726]. Viktigste årsak til denne pumpeeffekten er at istrykk pga. volumutvidelse ved frysing presser inn vann, og at ufrosset vann diffunderer mot is, se pkt. 33 og pkt. 6.

 

Fig. 313

Væskeopptak gjennom kapillært sug og pumpeeffekt ved våt frysing og tining [726]

 

32 Volumekspansjon ved frysing i lukket beholder

Det er nærliggende å relatere frostskade bare til den volumekspansjonen som oppstår når vann fryser i en lukket beholder (lukket pore). Når utvidelsen ikke kan tas opp av tomt porevolum, oppstår skade ved at vann eller is trykker mot poreveggen. Ved frysing i en lukket beholder vil vannets utvidelse på 9 % teoretisk gi Scr = 0,917. En teoretisk behandling av dette er gitt i [723]. I porøse materialer er det imidlertid flere mekanismer enn ren volumekspansjon som spiller inn.

 

33 Hydraulisk trykkteori

331 Hovedteori. Hydraulisk trykkteori er den mest velkjente teorien for å forklare frostnedbrytning og luftporers frostbeskyttende evne i betong [727, 728]. Når vann fryser og utvider seg, blir ufrosset vann presset gjennom kapillærporene. Skade oppstår hvis det hydrauliske trykket overstiger strekkfastheten til materialet. Avstandsfaktoren er den lengste avstanden som ufrosset vann beveger seg over før det unnslipper til en tom pore og dermed ikke skader materialet, se pkt. 24. Jo lavere , jo bedre er beskyttelsen mot frostskade, ifølge hydraulisk trykkteori. Teorien forklarer bare selve skaden og tar ikke hensyn til mange praktiske forhold ved eksponering i naturlig klima. Frostprøving viser redusert behov for luftinnblanding når betongens vann-/bindemiddelinnhold, og dermed dens permeabilitet, avtar. Hydraulisk trykkteori forutsier imidlertid større skade ved lavere permeabilitet. Teorien tar heller ikke hensyn til at jo mindre luftporene er og jo mer permeabel betongen er, jo lettere fylles luftporene ved lang tids eksponering i fuktig miljø/vann slik at de mister sin beskyttende virkning. Dermed er det ikke sikkert at lavest mulig alltid gir best frostbestandighet.

332 Teori om volumkontraksjon og økt ismengde pga. diffusjon av vann mot is. Denne teorien ble utviklet som supplement til hydraulisk trykkteori som følge av at det ble observert at betong kan trekke seg sammen vesentlig mer ved frysing enn den termiske kontraksjonen [729]. Det vil si at frysing kan forårsake kontraksjon i porøse, våte materialer i stedet for ekspansjon som ventet ut fra hydraulisk trykkteori.

Is i kontakt med ufrosset vann (f.eks. rim på trær i fuktig luft, eller is i kapillær- og luftporer i betong) har en tendens til å trekke til seg vann. I betong foregår denne prosessen ved diffusjon. Sementpasta tørkes ut under frysing, mens is bygger seg opp i kapillær- og luftporer. Dette kan forårsake volumkontraksjon (svinn). Frostskade oppstår dersom det ikke er nok luftporerom til all is som dannes.

 

34 Teori om den negative effekten av salt

To vanlige forklaringer på at salt kan øke frostnedbrytningen, er knyttet til osmotisk trykk og økt vannmetningsgrad, S. Osmotisk trykk oppstår i materialets porer som følge av lokale konsentrasjonsforskjeller ved gradvis frysing av porevann. I [730] ble det beregnet at osmotisk trykk kan være ca. 10 ganger betongens strekkfasthet.

Økt vannmetningsgrad i prøver med salt i porene og vann på overflaten skyldes redusert damptrykk og dermed økt vanndampdiffusjon inn i materialer som inneholder salt. I motsatt fall, med rent vann i porene og salt på overflaten, vil materialet tørke ut.

Frostskader med tinesalt er størst ved lave saltkonsentrasjoner, og årsaken til dette er ikke klarlagt. En mulig forklaring er at osmotisk og hydraulisk trykk virker sammen, men at det hydrauliske trykket svekkes ved høye saltkonsentrasjoner pga. nedsatt frysepunkt. Se også pkt. 122. En annen mulig forklaring er at saltløsning på overflaten og rent vann i porene gir økt væskeopptak både pga. lengre tid for hydraulisk sug og økt mulighet for diffusjon av væske fra overflaten mot is i materialet.

 

4 Frostprøvingsmetoder

41 Generelt

Frostprøving for rutinekontroll av materialer og produkter utføres oftest ved å utsette materialprøver for frysing og tining uten å måle prøvens vannmetningsgrad, såkalt våt eller uforseglet fryse-/tineprøving. Prøvelegemer, kondisjonering, prøveoppstilling og skadekarakterisering varierer. Vanligvis måles skade etter et gitt antall sykluser:

– avskalling eller forvitring (visuelt, vekttap, volumtap)

– indre oppsprekking (økt lengde eller volum, redusert E-modul, styrke eller lydhastighet)

I tillegg til metodene nevnt i pkt. 42 – 44, fins det egne standarder for prøving av produkter som f.eks. takstein.

 

42 Betong

421 Metode. Aktuell frostprøvingsmetode for betong i Norge er Boråsmetoden (SS 13 72 44), som registrerer avskalling fra horisontal flate. Metoden vil også bli Europeisk Standard. En forkondisjonert betongprøve får pålimt gummi på alle sider unntatt toppflaten (testflaten), og hele overflaten mettes med rent vann i tre døgn. Deretter byttes vannet ut med et 3 mm lag av 3 % NaCl eller avionisert vann. Sidene og bunnflaten blir isolert for å sikre endimensjonal frysing. En plastduk dekker toppen for å hindre at vannet på prøveflaten fordamper, og prøven utsettes for frysing og tining. Figur 421 viser prøveoppstillingen og tid-/temperaturkurve i vannet eller saltløsningen på toppen av prøven.

 

Fig. 421

Frostprøving av betong etter Boråsmetoden

Prøveoppstilling og temperatur i væsken på overflaten i løpet av én fryse-/tinesyklus

 

422 Angivelse av frostmotstand. Skade måles ved å samle avskallet materiale fra prøveflaten etter 7, 14, 28, 42 og 56 fryse-/tinesykluser, tørke det (105 °C) og beregne frostnedbrytningen som kg/m2 avskalling. Prøvemetoden angir frostbestandighet i forhold til mengden avskalling, se tabell 422. 1 kg/m2 tilsvarer 0,4 mm forvitringsdybde for normal betong, og nedbrytningshastighet 18 g/(m2 . syklus), se pkt. 12.

 

Tabell 422

Angivelse av frostmotstand etter Boråsmetoden (SS 13 72 44)

 

43 Tilslag

431 Metode. Aktuell metode i Norge er prEN 1367-1, som også er Nordtest-metode. Prøving består i å sikte ut og tørke 2 kg tilslag, f.eks. 8 – 16, legge tilslaget i en metallbøtte (diameter ca. 130 mm, høyde ca. 200 mm) som fylles med avionisert vann eller 1 % NaCl til 10 mm over prøven. Etter 24 timers oppsug kontrolleres, ev. justeres væskenivået, og 10 fryse-/tinesykluser à 24 timers varighet kjøres med lokk på bøtta for å hindre avdamping. Temperaturen midt i bøtta er gitt i fig. 431.

 

Fig. 431

Temperatursyklus i tilslagsprøve (prEN 1367-1)

 

432 Akseptkriterier. Skade måles ved å våtsikte prøven for hånd på halvparten av opprinnelig minimumskornstørrelse (4 mm dersom 8 – 16 mm fraksjonen ble testet) etter 10 sykluser. Resterende prøve tørkes, og frostnedbrytningen angis i % vekttap av opprinnelig prøve. Etter prEN 12620 og prEN 13242 bruker man følgende akseptkriterier (maksimalt tillatt vekttap) for ulike eksponeringssituasjoner:

– frostfri eller tørr situasjon: ingen krav

– uten salt, delvis vannmetning: 4 %

– uten salt, vannmettet frosteksponering: 2 %

– salt (sjøvann, vegsalt, flyplasser): 1 %

 

44 Tegl

441 Metoder. Teglstein kan testes ved å måle frostimmunitet og kritisk vannmetningsgrad, se pkt. 45, eller etter kravene i NS 3000. NS 3000 angir en metode for å bestemme frostbestandighet. Teglstein anses som frostresistent hvis ingen skader oppstår ved prøving etter denne metoden. Norskprodusert tegl er imidlertid i en del år prøvd etter reglene til Norsk Teglkontroll, hvor frostbestandigheten prøves etter NBI-metode 134/93. Dette er den mest aktuelle metoden for prøving av teglstein i Norge i dag. Etter NBI-metode 134/93 tørkes først teglsteinene i 105 °C til konstant vekt. Så plasseres steinene på en rist i fryse-/tineapparatet. Steinene eksponeres deretter for 84 fryse-/tinesykluser (1 uke) med frysing i luft og tining i vann før de igjen tørkes og veies. Resultatet uttrykkes som massetap i prosent av tørrvekten etter 84 sykluser. NBI-metode 134/93 angir ingen kriterier, men NBIs erfaringer er at teglstein uten skade etter prøvingen har tilfredsstillende frostmotstand for norsk klima.

442 Krav til frostbestandighet i klimasoner. En ny europeisk standard, prEN 771 Specification for masonry units. Part 1 – 6, setter krav til frostbestandigheten til tegl for tre ulike klimasoner. Prøvemetoden er gitt i prEN 772 og tester et prøvestykke på minimum 0,25 m2 satt sammen av flere teglstein (murverk). Prøver vannmettes iht. prosedyre i prEN 772 før eksponering for opptil 100 fryse-/tinesykluser. Resultatet av prøvingen angis som skadegrad (1 – 10) basert på visuell registrering av sprekker, avskallinger og bom. Frostbestandigheten bestemmer hva slags eksponeringssituasjon teglsteinen egner seg for og angis i forhold til skade ved 5 og 100 sykluser:

F0 (passiv eksponering):  ingen krav

F1 (moderat eksponering):  maks. skadegrad 3 etter 5 sykluser

F2 (utsatt eksponering):  maks. skadegrad 3 etter 100 sykluser

 

45 Bestemmelse av frostimmunitetsperiode og kritisk vannmetningsgrad, Scr

Scr bestemmes ved å måle hvor mye vann et byggemateriale kan ta opp før skade inntreffer ved frysing. Prøving (f.eks. ASTM C 671) består i å måle frostskade på en materialprøve ved økende vannmetningsgrad, S. S økes normalt ved neddykking i vann, og frostskade måles som dilatasjon (tøyning) under nedfrysing for ulike S-verdier. Materialets frostbestandighet gis som:

– Frostimmunitetsperiode: Hvor lenge vannoppsug kan pågå før skade, dvs. tid før Scr nås

– Kritisk vannmetningsgrad, Scr: Hvor mye vann som kan suges opp uten skade

Skadekriterium ved bestemmelse av Scr kan f.eks. være:

– maksimaltøyning ved frysning > f.eks. 50 % av materialets bruddtøyning

– permanent tøyning etter frysning > f.eks. 10 % av materialets bruddtøyning

Alternativt kriterium: tap av dynamisk E-modul etter frysing, f.eks. 40 % tap

Figur 45 viser eksempel på måling av tøyning under nedkjøling for betong med porøst (resirkulert) tilslag av nedknust tegl, gammel betong m.m. Den ene betongen ble produsert med tørt tilslag og den andre med vått. Betongen med høyest vannmetningsgrad har som ventet størst dilatasjon ved frysing som følge av isdannelse i materialet. Maksimaltøyningen er imidlertid under 10 % av materialets bruddtøyning.

Et frostbestandig materiale kan være i fuktig miljø svært lenge (år) uten skade ved etterfølgende frysing. Observerte Scr for vanlige byggematerialer [723] er ofte i størrelsesorden 0,75 – 0,85. Dette tilsvarer PF = 0,15 – 0,25. I [723] er målt Scr og frostimmunitetsperiode gitt for de fleste vanlige byggematerialer.

 

Fig. 45

Lengdeendring under frysing (frysedilatasjon) av ny betong med henholdsvis tørt og vått resirkulert tilslag fra knust gammel betong, tegl m.m. [735]

 

5 Valg av frostbestandige materialer og konstruksjoner

51 Materialparametre

511 Generelt. Erfaringene fra laboratorieprøving, modeller og skader i felt gir kunnskap om hvordan man kan oppnå frostbestandige materialer. Det er imidlertid viktig å vurdere alle egenskapene til et materiale. Tiltak for å bedre frostmotstanden kan være uheldige for andre egenskaper, f.eks. fasthet. Materialparametre for god frostbestandighet ved frysing er oppgitt i tabell 511.

Visse materialer er erfaringsmessig svært frostbestandige selv under strenge klimatiske betingelser med frysing og høy tilgang på vann, se pkt. 512 – 514.

 

Tabell 511

Materialparametre for god frostbestandighet ved frysing

 

512 Betong. Frostbestandighet av ny betong sikres med vann-/bindemiddelforhold (v/b) og luftinnblanding i henhold til tabell 511, ev. ved hjelp av luftinnførende tilsetningsstoffer, se Byggdetaljer 572.207. I tillegg er riktig blanding, utstøping og herding av betongen viktig. For ung (herdnende) betong er det en tommelfingerregel at betongen bør ha oppnådd minimum 5 MPa trykkfasthet før den utsettes for frost.

513 Tilslag og bergarter med lav porøsitet (under ca. 1 volumprosent, dvs. ca. 0,4 masseprosent vannoppsug) er svært frostbestandige. For mer porøse tilslag, inkludert lettilslag og resirkulert tilslag (nedknust betong, tegl m.m.), må frostbestandigheten vurderes i hvert enkelt tilfelle. Selv om tilslaget i seg selv oppviser dårlig frostbestandighet i en laboratorietest, kan frostbestandigheten for betongen være svært god dersom tilslaget ikke tar opp vann i betongen slik at S blir større enn Scr.

514 Tegl. I Norge har det vært tradisjon å sortere teglstein for bruk i ulike klima. [736] fra 1918 ga anbefaling for bruk av tegl. Landet ble delt inn i tre klimatiske soner: Østlandet, Vestlandet og nordenfjells. Tegl er inndelt i klinker, hardbrent, mellombrent og lettbrent. Basert på erfaringer ble det konkludert med at klinker (vannoppsug < 4 vektprosent) var bestandig under de hardeste klimatiske påkjenningene på Vestlandet og nordenfjells. I praksis ser man imidlertid store variasjoner i frostbestandighet for relativt små klimatiske og bygningsfysiske endringer. Derfor anbefales laboratorietesting dersom det hersker usikkerhet om frostbestandigheten.

 

52 Konstruksjonsutforming

521 Utsatte steder. Ut fra sammenheng mellom skade og vannmetningsgrad må man velge konstruksjonsutforming og materialer med omhu. Konstruksjonsutformingen må sørge for avrenning og hindre høy vannmetningsgrad pga. opptak og/eller innelukking av fukt. Typiske steder på bygningskonstruksjoner der det kan være høy vannmetningsgrad, er:

– pilarer i vann, og svanker eller groper på horisontale flater hvor vann samler seg

– flater utsatt for direkte sprut eller oppfuktning

– bygningsdeler som mangler beskyttelse eller skjerming f.eks. med beslag

– områder med for tett overflatebehandling

– områder med mosebegroing

Mulighet for uttørking av konstruksjon er også viktig. Man må ta hensyn til at fuktopptak ofte skjer svært raskt ved kapillært sug, mens uttørking er en langsom, diffusjonsdrevet prosess.

522 Skjerming er nødvendig der man av en eller annen grunn ønsker å bruke materialer som raskt når Scr eller på særlig utsatte flater. Med en konstruksjonsutforming som hindrer fuktopptak, vil slike materialer kunne brukes forutsatt at ikke likevektsfuktinnholdet med omgivelsene er større enn Scr. Bruk av beslag eller annen skjerming kan være en måte å unngå direkte vannoppsug på.

523 Drenering. For sementbaserte bygningsblokker med porøst tilslag (lettklinker m.m.) kan vann renne inn i en ev. åpen bindemiddelfase mellom tilslagspartiklene. Slike produkter må derfor brukes med god drenering for å unngå at blokkene fryser under vann.

524 Avrenning. For horisontale flater sikres avrenning med fall i størrelsesorden 1:40. Framkanter av balkonger, balustrader, brukanter m.m. utformes med en dryppnese som hindrer vann i å renne langs undersider.

525 Bruk av tinesalter på materialer som ikke var forutsatt å kunne tåle salting, må unngås. I tvilstilfeller bør man regne med at materialet/konstruksjonsdelen blir eksponert for salt vinterstid.

 

6 Levetid

61 Levetidsmodell basert på vannmetningsgrad

En levetidsmodell for frostbestandighet relatert til miljø (fuktopptak og nedfrysing) er utviklet i [731]. Modellen er basert på at skade oppstår ved nedfrysing når S > Scr, se fig. 61.

Frostbestandigheten til et materiale i en gitt eksponeringssituasjon, F = Scr - S, er høyere jo lenger materialet kan ta opp vann uten at frysing gir skade. Nyere beregninger [731] viser at levetiden til betong er svært avhengig av luftporesystemets mulighet for å fylles med vann. Hastigheten for luftporefylling avhenger av både materiale og miljø. I tillegg endrer frysbarhet av vann i poresystemet seg pga. aldringsprosesser som f.eks. karbonatisering og oppfukting/uttørking. Vannopptak ved våt frysing og tining (pkt. 313) beregnes med egen metode. Disse faktorene må man ta hensyn til ved praktisk levetidsestimering ut fra aktuell og kritisk vannmetningsgrad.

 

Fig. 61

Levetid

Frostnedbrytning som funksjon av tid basert på Scr [723]

 

62 Estimering av levetid ved hjelp av våte fryse-/tineforsøk

621 Avskalling. For å bestemme relasjonen mellom prøving og naturlig eksponering kreves en omfattende sammenlikning av frostnedbrytning i virkeligheten og i laboratoriet for ulike miljøer og materialer. Levetid kan estimeres ut fra konstant avskallingshastighet, antatt antall sykluser og tillatt avskallingsdybde.

Eksempel:

Ved å bruke akseptkriteriet Akseptabel i henhold til SS 13 72 44 regner man 1 kg/m2 avskalling etter 56 fryse-/tinesykluser, som tilsvarer 18 g/(m2 . syklus), som igjen tilsvarer 0,007 mm/syklus.

Hvis man antar 70 sykluser pr. år og setter maksimal tillatt avskalling til 10 mm, får man følgende estimerte levetid:

 

 

Dersom avskallingshastigheten måles i laboratorium, er det viktig å være klar over at resultatene avhenger av materialparametre og av prøvingstekniske detaljer, f.eks. prøvens geometri, størrelse, forbehandling (kondisjonering), avkjølingshastighet, minimumstemperatur etc. For sementbaserte materialer påvirkes prøveresultatet mye av forbehandlingen (fukthistorie, aldring) før fryse-/tineprøving starter. Forbehandlingen må derfor være både representativ for naturlige eksponeringsforhold og nøye definert for å sikre gyldige laboratorieresultater.

622 Indre oppsprekking. Våte fryse-/tineforsøk leder ofte til en progressiv skadeutvikling fordi S øker fritt i materialet. For indre oppsprekking er det observert en direkte sammenheng mellom vannopptak i løpet av fryse-/tineforsøk og målt skade. Dette gjør det vanskelig å anslå levetid når skade oppstår som indre oppsprekking (jf. også fig. 61 og eksempel i pkt. 634).

 

63 Sammenlikning av felt- og laboratorieresultater

631 Generelt. Man har en del erfaringer fra å sammenlikne nedbrytning i felt og i laboratorium for å kalibrere prøvemetoder. Sammenlikning av naturlig frostnedbrytning på vertikale flater på New-Jersey elementer i Oslo (se pkt. 633 og [732]) med nedbrytning av utborede kjerner testet i våt fryse-/tineprøving indikerte at prøvemetoden i SS 13 72 44 er for streng for denne eksponeringssituasjonen. Andre undersøkelser på horisontale flater har imidlertid gitt brukbar korrelasjon mellom naturlig eksponering og testmetode. Erfaringer indikerer altså, som ventet, at fukt-/salttilgang er viktig for en laboratoriemetodes evne til å etterlikne eksponering i felt.

632 Damkonstruksjon. For damkonstruksjonen i fig. 632 varierer nedbrytningshastigheten fra 30 til 70 % av akseptkriteriet i SS 13 72 44. De observerte skadene er altså i samme størrelsesorden som i akseptkriteriet, 18 g/(m2 . syklus) nedbrytningshastighet. Erfaringene fra denne konstruksjonen tilsier dermed at man kan bruke akseptkriteriet sammen med en definert maksimal skadegrad til å beregne forventet levetid for en tilsvarende konstruksjon, på samme måte som vist i eksemplet i pkt. 621.

 

Fig. 632

Overflateforvitring på ca. 70 år gammel damkonstruksjon (Vestlandet, ca. 60 fryse-/tinesykluser pr. år)

På vertikal oppstrøms damplate er skaden jevnt fordelt, og avskallings- eller forvitringsdybden anslås til å være noe over 10 mm, dvs. noe over 23 kg/m2 = 5 g/(m2 . syklus)

 

633 Vegrekkene eksponert for tinesalt i fig. 633 har grovt anslått 67 % av nedbrytningshastigheten til akseptkriteriet i SS 13 72 44. Skadenivået er uakseptabelt etter kun 10 – 15 års eksponering og viser at akseptkriteriet Akseptabelt ikke er strengt nok for denne typen konstruksjoner.

 

Fig. 633

Salt-/frostskade på ca. 15 år gammel vegrekke (New Jersey-element), forvitringsdybde ca. 5 mm og antatt 120 sykluser pr. år, dvs. ca. 12 g/(m2 . syklus).

 

634 Teglfasade. Figur 634 viser frostskader på tegl og mørtel i en ca. 60 år gammel fasade. Fasaden har vært utsatt for oppfuktning pga. nedbør, dvs. vann uten tinesalter. Skadene i fasaden ser hovedsakelig ut til å bestå i indre oppsprekking. Denne teglen har trolig stått relativt lenge før S > Scr har oppstått ved frysing, jf. fig. 61. Frostbestandigheten har derfor vært god nok for denne eksponeringssituasjonen i mange år.

 

Fig. 634

Frostskader på tegl og mørtel i ca. 60 år gammel fasade

Legg merke til at det er vanskeligere å skille mellom avskalling og oppsprekking enn for betongprøvene i fig. 11.

 

7 Referanser

71 Utarbeidelse

Bladet er utarbeidet av Stefan Jacobsen. Saksbehandler har vært Ole Mangor-Jensen. Redaksjonen ble avsluttet i mai 1999.

 

72 Litteratur

721 Verbeck, G. og Klieger P. Studies of salt scaling of concrete, Highway Research Booard Bull. 150. USA, 1956

722 Höbeda, P. og Jacobsson, T. Freeze/thaw test on stone material using weak solutions of deicers, VTI meddelande 244. Sverige, 1981

723 Fagerlund, G. Kritiska vattenmättnadsgrader ved frysning av porøsa och spröda bygnadsmaterialer, Rapport 34, LTH-BML. Sverige,1972

724 Vuorinen, J. On the use of dilation factor and degree of saturation in testing concrete for frost resistance, Nordisk betong, pp.37 – 64, 1970:1

725 Sellevold, E. PF-metoden, Hardened concrete – determination of air/macro and gel/capillaryporosity. Norges byggforskningsinstitutt, rapport O1731. Oslo, 1986

726 Jacobsen, S. Scaling and cracking in wet freeze/thaw testing of OPC and silica fume concrete. Dr.ing. avh. 1995:101, NTH-Konstruksjonsteknikk. 286 s. 1995

727 Powers,T.C. A working hypothesis for further studies of frost resistance of concrete, PCA-Bull. 5, Skokie, Ill. USA, 1945

728 Powers, T.C. The air requirement of frost resistant concrete, Proc. Highway Res. Board, V29, pp.184 – 211. USA, 1945

729 Powers, T.C. og Helmuth R. Theory of volume changes in hardened portland cement paste during freezing, Proc. Highway Res. Board, V32, pp.285 – 297. USA, 1953

730 Gran, H.C. Osmose som frostskademekanisme i betong. 13 s. Norges byggforskningsinstitutt. Oslo, 1991

731 Fagerlund, G. The long time water absorption in the air pore structure of concrete, Rapport TVBM 3051, LTH. Sverige, 1993

732 Farstad, T. Comparing frost/salt scaling of field exposed concrete with laboratory testing according to SS 13 72 44, SP rapport 1991: 32, pp.40 – 41, SP. Sverige, 1991

733 Pigeon, M. og Pleau, R. Durability of concrete in cold climates, 244 p, E&FN Spon. London, 1995

734 Svendsen, S. D. m.fl. Mørtel Mur Puss. Norges byggforskningsinstitutt, Håndbok 20. Oslo, 1966

735 Jacobsen, S. Properties and frost durability of recycled aggregats from Oslo, Norway. Proceedings use of recycled aggregate concrete. Thomas Telford Publishing. London, 1998

736 Bugge, A. Husbyggingslære. Aschehoug. Kristiania, 1918

 

 

© SINTEF Byggforsk

Materialet i dette dokumentet er omfattet av åndsverklovens bestemmelser. Uten særskilt avtale med SINTEF Byggforsk er enhver eksemplarfremstilling, tilgjengeliggjøring eller spredning utover privat bruk bare tillatt i den utstrekning det er hjemlet i lov eller tillatt gjennom avtale med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Utnyttelse i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar, og kan straffes med bøter eller fengsel.