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)
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.
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.
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
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.
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.
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).
Fig. 222
Frostskade (redusert E-modul) på stein som funksjon av S [723]
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]
Fig. 232
Frostskade (frostdilatasjon) på betong som funksjon av PF [724]
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:
PF for ulike betonger
PF = A/(A + εsug) for betong med ikke-porøst tilslag, 80 % hydratisering
Sement- innhold (kg/m3) |
v/b – luft |
εsug (volum-%) |
A (luft) (volum-%) |
PF |
280 |
0,60 – luftinnblanding |
12,8 |
4,5 |
0,26 |
350 |
0,45 – luftinnblanding |
10,0 |
4,5 |
0,31 |
400 |
0,40 – naturlig luft |
10,5 |
2,6 |
0,20 |
450 |
0,35 – naturlig luft |
10,4 |
2,6 |
0,20 |
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
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
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.
– 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.
Fig. 313
Væskeopptak gjennom kapillært sug og pumpeeffekt ved våt frysing og tining [726]
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.
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.
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.
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.
Fig. 421
Frostprøving av betong etter Boråsmetoden
Prøveoppstilling og temperatur i væsken på overflaten i løpet av én fryse-/tinesyklus
Angivelse av frostmotstand etter Boråsmetoden (SS 13 72 44)
Frostmotstand |
Krav |
Svært god |
Ingen prøver har mer avskallingsmateriale enn 0,1 kg/m2 etter 56 fryse-/tinesykluser. |
God |
Gjennomsnittlig mengde avskallingsmateriale etter 56 fryse-/tinesykluser er mindre enn 0,5 kg/m2. I tillegg skal mengden avskallet materiale i løpet av de siste 28 syklusene være mindre enn for de første 28 syklusene (ingen akselerert avskalling). |
Akseptabel |
Gjennomsnittlig mengde avskallingsmateriale etter 56 fryse-/tinesykluser er mindre enn 1,0 kg/m2. I tillegg skal mengden avskallet materiale i løpet av de siste 28 syklusene være mindre enn for de første 28 syklusene (ingen akselerert avskalling). |
Ikke akseptabel |
Kravene til klassen Akseptabel er ikke tilfredsstilt. |
Fig. 431
Temperatursyklus i tilslagsprøve (prEN 1367-1)
– frostfri eller tørr situasjon: ingen krav
– uten salt, delvis vannmetning: 4 %
– uten salt, vannmettet frosteksponering: 2 %
– salt (sjøvann, vegsalt, flyplasser): 1 %
F0 (passiv eksponering): ingen krav
F1 (moderat eksponering): maks. skadegrad 3 etter 5 sykluser
F2 (utsatt eksponering): maks. skadegrad 3 etter 100 sykluser
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]
Visse materialer er erfaringsmessig svært frostbestandige selv under strenge klimatiske betingelser med frysing og høy tilgang på vann, se pkt. 512 – 514.
Materialparametre for god frostbestandighet ved frysing
Materiale |
Parameter |
Grense/krav |
Kilde |
Se pkt. |
Betong utsatt for rent vann |
A (luft) v/b PF |
> 4,5 volumprosent < 0,25 mm < 0,60 > 0,20 |
NS 3420
PF-metode |
|
Betong utsatt for salt |
A (luft) v/b PF Avskalling |
> 4,5 volumprosent < 0,18 mm < 0,45 m/luft, (u/luft: v/b < 0,25 – 0,30) > 0,25 ≤ 1 kg/m2 vektprosent etter 56 sykluser i løsning med 3 % NaCl |
NS 3420
PF-metode SS 13 72 44 |
|
Mørtel og puss på mur |
KC, kalk/sement-forhold
|
20/80 på utsatte steder, luftinnblanding (riktig blanding, støp og herding) Kfr. betong |
||
Stein/tilslag |
Vannabsorpsjon Frostbestandighet |
< 1 volumprosent (ca. 0,4 vektprosent) lite vann: 4 %, vann: 2 %, salt: 1 % |
prEN 12620, prEN 13242 |
|
Tegl |
Vannabsorpsjon
Avskalling Frostbestandighet |
strengt klima – klinker: 4 vektprosent (9 volumprosent) nokså strengt – hardbrent: 8 vektprosent vektprosent vekttap etter 84 sykluser, ingen kriterier passiv eksponering: F0 (ingen krav) moderat eksponering: F1 (maks. skadegrad 3 v/ 5 sykluser) utsatt eksponering: F2 (maks. skadegrad 3 v/ 100 sykluser) |
NBI 134/93 prEN 771, prEN 772 |
|
– 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.
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]
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.
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)
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).
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.
Bladet er utarbeidet av Stefan Jacobsen. Saksbehandler har vært Ole Mangor-Jensen. Redaksjonen ble avsluttet i mai 1999.
© 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.
Vår 1999 ISSN 2387-6328