Skader på betongkonstruksjon forårsaket av armeringskorrosjon
Foto: Rambøll Norge AS
Armeringskorrosjon er årsaken til de fleste større skader på betongkonstruksjoner. Denne anvisningen gir en beskrivelse av korrosjon på stålarmering i betong, med vekt på de mekanismene som kan initiere korrosjonsprosessen; karbonatisering av betongen og/eller forekomst av klorid i betongen. Forhold som påvirker korrosjonshastigheten etter initiering, blir kort omtalt.
Utbedring av skader på grunn av armeringskorrosjon er behandlet i Byggforvaltning 720.232. Tilstandsanalyser som grunnlag for valg av utbedringsmetode er beskrevet i Byggforvaltning 720.111 og 720.112.
Hensikten med å beskrive forhold som kan lede til armeringskorrosjon er å gi prosjekterende og utførende en forståelse av prosessen, slik at de kan gjøre eventuelle forebyggende tiltak mot armeringskorrosjon som en del av byggeprosessen.
Standarder:
NS 3420-L Beskrivelsestekster for bygg, anlegg og installasjoner – Del L: Betongarbeider
NS 3465 Utførelse av betongkonstruksjoner – Allmenne regler
NS-EN 206-1 Betong – Del 1: Spesifikasjon, egenskaper, fremstilling og samsvar
NS-EN 1992-1-1 Eurokode 2: Prosjektering av betongkonstruksjoner – Del 1-1: Allmenne regler og regler for bygninger
Byggdetaljer:
520.026 Viktige parametrer for prosjektering og utførelse av bestandige betongkonstruksjoner
520.029 Herdetiltak for betongkonstruksjoner
520.034 Bestemmelse av kloridinnhold i betong. Prøveuttak og analysemetoder
Byggforvaltning:
720.111 Tilstandsanalyse av betongkonstruksjoner
720.112 Skader på betongkonstruksjoner. Skadesymptomer, tilstandsgrader og utbedringsmåter
720.232 Armeringskorrosjon i betongkonstruksjoner. Utbedring av skader
Armeringskorrosjon forårsaket av karbonatisering kjennetegnes ved nokså jevn nedbrytning over store områder på armeringen. De første synlige skadene er vanligvis oppsprekking og rustutslag, etterfulgt av avskalling, se fig. 11 a–c og foto øverst på siden. Korrosjonsproduktene har et større volum enn metallet, se fig. 11 d, og vil etter hvert øve et press på den omsluttende betongen. Til slutt kan deler av konstruksjonen kollapse som følge av tap av heft mellom armering og betong, eller som følge av at tverrsnittet til kritisk armering har blitt betydelig redusert. Karbonatisering er nærmere beskrevet i pkt. 3.
Fig. 11 a–c
Skjematisk illustrasjon av karbonatisering og korrosjon
a. Begynnende karbonatisering
b. Karbonatiseringsfront som har nådd armeringen og depassiverer den, se pkt. 221
c. Karbonatiseringsfront som har passert armeringen og initiert aktiv korrosjon, som har ført til sprekkdannelser og avskalling
Fig. 11 d
Korrosjonsprodukter og deres relative volum i forhold til metallisk jern [521]
Korrosjonsproblemer knyttet til klorid er mer kompliserte enn armeringskorrosjon i karbonatisert betong. Betongkonstruksjoner i marine miljøer og konstruksjoner i moderne infrastrukturer, som kaier, bruer og parkeringshus, er spesielt utsatt. Kloridinitiert korrosjon er dessuten vanskeligere å bekjempe enn korrosjon forårsaket av karbonatisering.
Kloridsalter i betongen har den egenskapen at de kan bryte ned passivfilmen, se pkt. 212, og forårsake svært kraftige, lokale korrosjonsangrep, såkalt pittingkorrosjon.
Kloridinitiert korrosjon er nærmere beskrevet i pkt. 4.
Levetiden til en betongkonstruksjon kan prinsipielt forlenges på to måter:
– forlengelse av initieringsperioden; det vil si å utsette tidspunktet for depassivering
– forlengelse av propageringsperioden; det vil si å senke korrosjonshastigheten etter depassivering
– porevannet i kontakt med stålet faller til et pH-nivå omkring 8–9 (resultat av karbonatisering)
og/eller
– porevannet i kontakt med stålet inneholder oppløste kloridioner over en viss terskelverdi
Korrosjonsforløpet er vist i fig. 221.
Fig. 221
Korrosjonsinitiering og -propagering i henhold til K. Tuuttis modell [521]
De elektrokjemiske reaksjonene involvert i passivfilmdannelse og aktiv korrosjon er prinsipielt like. Flere typer jernoksider og jernhydroksider kan dannes i passivfilm og korrosjonsprodukter. Dersom vi antar at reaksjonsproduktet består av jernhydroksidforbindelsen Fe(OH)2, kan vi beskrive de to elektrokjemiske delreaksjonene (anode- og katodereaksjonen) som sammen utgjør korrosjonsreaksjonen slik:
Anodereaksjon (oksidasjon av jern)
Metallisk jern ® jernioner + elektroner
Fe ® Fe2+ + 2e−
Katodereaksjon (reduksjon av oksygen)
Oksygen + vann + elektroner ® hydroksylioner
½ O2 + H2O + 2 e− ® 2 OH−
Totalreaksjon
Fe + ½ O2 + H2O ® Fe2+ + 2 OH− ® Fe(OH)2 (fast stoff)
Fe(OH)2 er et fast produkt som feller ut og legger seg som et tett, beskyttende lag på ståloverflaten som passivfilm dersom forutsetningene er tilstede, eller som voluminøse rustprodukter ved aktiv korrosjon. Rustproduktene kan foreligge i mange varianter avhengig av miljøet, særlig av fukttilstand og oksygentilgang. Den mest kjente og synlige varianten er det rustrøde produktet Fe2O3⋅nH2O. Figur 23 viser en prinsippskisse av de elektrokjemiske reaksjonene.
Fig. 23
Skjematisk illustrasjon av elektrokjemiske korrosjonsreaksjoner på stål i oksygenholdig, basisk miljø
Karbonatisering er en kjemisk prosess som oppstår når en betongflate er i kontakt med luft. Luft, som inneholder ca. 0,038 % karbondioksid (CO2), diffunderer langsomt inn i betongen. CO2 reagerer kjemisk med det basiske porevannet og nøytraliserer det. I prosessen omdannes CO2 til karbonat (CO32−), som reagerer med oppløst kalsium i porevannet og danner tungløselig kalsiumkarbonat (CaCO3); derav betegnelsen karbonatisering. Denne prosessen medfører at betongens pH-verdi etter hvert vil synke til omkring 8–9.
Figur 31 gir en oversikt over de kjemiske reaksjonene som utgjør karbonatiseringsprosessen. Tiltak mot karbonatisering er beskrevet i pkt. 37.
Fig. 31
Kjemiske reaksjoner under karbonatiseringsprosessen
Skillet mellom karbonatisert og ikke-karbonatisert betong kalles karbonatiseringsfronten, se fig. 32. Denne fronten beveger seg langsomt innover i betongen og kan påvises, se pkt. 35.
Fig. 32
Karbonatiseringsfront i armert betong
Tykkelsen på betongoverdekningen er avgjørende for den tiden det tar før karbonatiseringsfronten når armeringsstålet. Eksempelvis vil en dobling av betongoverdekning forlenge initieringsperioden omtrent fire ganger. Svært mange betongskader skyldes for liten overdekning. Riktig og tilstrekkelig overdekning er avgjørende for bestandigheten og levetiden til en betongkonstruksjon.
I tørr betong foregår tilførselen av CO2 raskt på grunn av åpne porer, men de kjemiske reaksjonene stopper opp på grunn av vannmangel. Det har også vist seg at karbonatiseringsfronten beveger seg svært langsomt dersom betongkonstruksjonen er utsatt for vekslende kontakt med flytende vann, for eksempel regn. Graden av denne effekten avhenger av varighet og frekvens i fukting/tørking-sykluser. Siden fukting av betong går mye raskere enn tørking, vil hyppig og kortvarig fukting effektivt dempe karbonatiseringsprosessen.
I spesielle tilfeller, som i betongkonstruksjoner i sterkt trafikkerte biltunneler, kan karbonatiseringshastigheten bli høy som følge av høyt CO2-innhold i lufta.
Alle typer riss i betongoverdekningen øker faren for karbonatisering, se fig. 344. Et riss med bredde mindre enn 0,3 mm er som regel uproblematisk i forhold til karbonatisering. Få, brede og dype riss er verre enn mange, smale og grunne riss.
Fig. 344
Eksempel på at sprekker og riss kan gi dypere karbonatiseringsfront fordi tilgangen på CO2 øker
Fig. 351
Måling av karbonatiseringsdybde ved bruk av fenolftalein
Det fins modeller for beregning av tiden det tar før karbonatiseringsfronten når fram til armeringen. Modelleringen tar utgangspunkt i karbonatiseringsdybden ved et gitt tidspunkt og alderen på konstruksjonen. I et logaritmisk diagram der karbonatiseringsdybden (mm) vises som funksjon av betongens alder, blir utviklingsforløpet tilnærmet en rett linje med stigning 1:2. Når man kjenner betongens alder og karbonatiseringsdybden ved denne alderen, kan man forutsi videre karbonatiseringsforløp og beregne omtrentlig gjenværende initieringsperiode ut fra den gitte betongoverdekningen. Et eksempel er vist i fig. 36.
Fig. 36
Karbonatiseringsdybde som funksjon av tid
Eksempel på hvordan man kan beregne initieringsperioden
Betongens alder er 7 år; karbonatiseringsdybde er målt til 8 mm; overdekningen er 20 mm.
Gjenværende initieringsperiode beregnes til: 45 år − 7 år = 38 år.
Tiltak mot karbonatisering innebærer å forlenge initieringsperioden ved å øke tykkelsen på betongoverdekningen og/eller ved å senke hastigheten til karbonatiseringsfrontens bevegelse innover i betongoverdekningen. Sistnevnte tiltak kan gjøres på to forskjellige måter:
– Fysikalsk og kjemisk optimalisering av betongsammensetningen: Tettere og mindre permeabel betong (fysikalsk); betong med høy pH-verdi og stor mengde kalsiumhydroksid (kjemisk).
– Overflatebehandling av betongen: Behandling som bremser inntrenging av CO2 og dermed reduserer karbonatiseringshastigheten. Gasstette belegg bremser eller stopper inntrengingen, men slike belegg kan ofte ha negative effekter på utendørskonstruksjoner, særlig heftproblemer og flassing som følge av fuktoppbygging under belegget. Mest vanlig er å påføre en metakrylatbasert maling som er utviklet spesielt for å bremse gjennomgangen av CO2-molekyler i gassform, mens vanndampmolekyler relativt enkelt passerer; det vil si en diffusjonsåpen maling.
Vanligvis vil det ikke være nødvendig med tiltak mot karbonatisering innendørs, selv om betongen ofte karbonatiseres lett (ved optimal luftfuktighet, se pkt. 332). Korrosjonshastigheten er lav ved vanlige fukttilstander innendørs.
Kloridsalter kan trenge inn i betong fra to eksterne kilder; sjøvann og veisalt. Sjøvann inneholder stor mengde natriumklorid (NaCl), mens veisalt vanligvis består av kalsiumklorid (CaCl2). Begge kloridsaltene er lettløselige i vann.
Kloridholdige delmaterialer kan betraktes som utelukket fra armerte betongkonstruksjoner som bygges i dag. Alle tilsetningsstoffer på markedet i dag er kloridfrie eller inneholder kun ubetydelige mengder klorid.
Kloridsalter kan trenge inn i betong dersom de er oppløst i vann som er i fysisk kontakt med betongoverflaten. Inntrengingen er karakterisert ved to transportprosesser: kapillærabsorpsjon og diffusjon. Inntrengingen starter vanligvis ved at kloridholdig vann absorberes, eller suges, inn i det aller ytterste sjiktet av betongen. Kapillærsuget gir særlig stort kloridopptak i de tilfeller der betongen utsettes for gjentakende oppfukting og uttørking. Den kloridmengden som trekkes inn i betongen i forbindelse med oppfukting, forblir der også etter uttørking.
Tiltak mot kloridinntrenging er beskrevet i pkt. 49.
Kloriddiffusjon i betong skaper ikke en front etter samme mønster som karbonatiseringsfronten, men en konsentrasjonsprofil i betongen. En typisk kloridprofil er vist i fig. 43. Det framgår av figuren at kloridkonsentrasjonen avtar gradvis innover i betongen. Kloridopptaket resulterer i en gradient i konsentrasjonen av klorid fra overflaten og innover i betongen; høy konsentrasjon ytterst og lav konsentrasjon litt lenger inn. Kloridioner transporteres langsomt mot områder med lav konsentrasjon ved diffusjonsmekanismer.
Diffusjonen følger i hovedsak Ficks klassiske diffusjonslover [524], men kompliseres ved at diffusjonen skjer i kapillærporer som kan variere fra delvis vannfylte til helt vannfylte. Diffusjonshastigheten er en funksjon av blant annet vann/bindemiddel-forholdet, sementtype, porøsitet, temperatur og type kation (Na+ eller Ca2+) som følger kloridionene. Diffusjonshastigheten er tilnærmet proporsjonal med kvadratroten av eksponeringstiden. I praksis har det vist seg at hastigheten avtar noe med tiden.
Fig. 43
Kloridprofil i betong
Fig. 441
Kloridioner som reagerer kjemisk med passivfilmen og løser den opp
Kloridangrep: Fe + 2 Cl− ® FeCl2 (løselig) + 2 e−
Filmreparasjon: Fe + 2 OH− ® Fe(OH)2 (uløselig) + 2 e−
Et høyt Cl−/OH−-forhold i porevannet som er i kontakt med stålet bidrar derfor til økt kloridangrep. Er forholdet lavt nok, kan stålet repassiveres, og den aktive korrosjonen kommer ikke i gang. Er forholdet høyt nok, kan kloridangrepet føre til en «utgraving» i stålet der oksidfilmen ble fjernet. Det dannes en grop (engelsk: pit) i stålet. Denne korrosjonstypen, som er illustrert i fig. 442, kalles pittingkorrosjon eller groptæring. I gropa kan oppløste jernioner protolysere under reaksjon med vann og kloridioner og danne sure H+-ioner. Dersom slike ioner akkumuleres i gropa, der det også er kloridioner til stede, dannes det saltsyre (HCl). Vannet i gropa kan derfor bli svært sur, noe som igjen setter fart i jernoppløsningen ved at jern nå også vil oksidere i surt miljø (oppløsning i syre). Prosessen kan bli selvakselererende (autokatalytisk). Korrosjonshastigheten i en slik grop kan bli svært høy og kan raskt føre til betydelig lokal tverrsnittsreduksjon av armeringen.
Kloridforbindelsene som inngår i pittingkorrosjon er lettløselige i vann, og de verken forbrukes eller uskadeliggjøres i prosessen. Klorid fungerer kun som en katalysator for korrosjonsprosessen.
Fig. 442
Kloridinitiert pittingkorrosjon på stål i betong
Selv om klorid generelt kan gi lokale og kraftige korrosjonsangrep på metaller, vil ofte armeringskorrosjon temmes noe av naturlige «bremseklosser» i betong: diffusjonsbegrensninger og høy elektrisk motstand. Betongens elektriske motstand antas å være den viktigste faktoren i betongkonstruksjoner i relativt tørre omgivelser. I svært fuktige omgivelser er ofte oksygentilførselen til katodereaksjonen den hastighetsbestemmende faktoren. Effekten av betongens fukttilstand på korrosjonshastigheten er vist i tabell 45.
Sammenhengen mellom fukt, elektrisk motstand og korrosjonshastighet i betong
Betongens fuktmengde |
Elektrisk motstand |
Oksygendiffusjon |
Faktor som bestemmer korrosjonshastighet |
Høy |
Lav |
Lav |
Oksygendiffusjon |
Lav |
Høy |
Høy |
Elektrisk motstand |
Med kritisk kloridinnhold menes den terskelverdien i kloridkonsentrasjon som er nødvendig for initiering av pittingkorrosjon i en gitt konstruksjon. Denne terskelverdien er avhengig av mange faktorer. En av de viktigste faktorene er betongens pH-verdi, se pkt. 211. Et lavt forhold mellom klorid- og hydroksylkonsentrasjonen (Cl−/OH−) medfører at armeringen tåler mer klorid ved høy pH-verdi. Undersøkelser i væsker (kunstig porevann) har vist at kloridinitiert korrosjon inntreffer dersom dette forholdstallet overstiger ca. 0,6 [522].
Sementens kloridbindingsegenskaper, stålets elektrokjemiske potensial og forekomsten av hulrom i grensesjiktet stål/betong bestemmer også kritisk kloridinnhold.
– som kloridkonsentrasjonen i porevannet (uttrykt ved mol per liter)
– som total kloridmengde i betongen (uttrykt ved prosentvis mengde i forhold til sementvekt)
Som beskrevet i pkt. 44, er det vanlig å anta at det kun er oppløste kloridsalter i porevannet som kan initiere korrosjon. En betydelig del av kloridsaltene blir imidlertid bundet kjemisk til sementpastaen i betong, og medfører derfor ingen umiddelbar korrosjonsrisiko. Det er ikke uvanlig at halve kloridmengden blir bundet kjemisk til sementens aluminatfaser, særlig trikalsiumaluminathydrat (C3A). Derfor tåler stålarmert betong laget av sement med lavt C3A-innhold (for eksempel sulfatresistent sement) normalt en mindre kloridpåkjenning enn betong med standard portlandsement.
Det eksisterer en likevekt mellom frie og bundne klorider avhengig av sementens egenskaper (C3A, alkalier) og betongens sammensetning. Dersom betongen inneholder store mengder pozzolaner, vil pH-verdien synke betydelig. Dette medfører i sin tur en senkning i kapasiteten for kloridbinding. På den annen side gir innslag av pozzolaner som regel en betydelig tettere betong i forhold til kloridinntrenging. Denne tettheten vil som regel overskygge ulempen med noe lavere pH-nivå i betongen.
Kloridinnhold og risiko for armeringskorrosjon.
Kloridinnhold (% av sementvekt) |
Korrosjonsrisiko |
< 0,4 0,4–1,0 1,0–2,0 > 2,0 |
svært liten liten stor svært stor |
Kloridinnhold i betong kan beregnes ved hjelp av kjemiske analysemetoder, enten i felt eller i laboratorium. Feltmetodene er raske og enkle å utføre, men ofte beheftet med dårlig nøyaktighet. Laboratoriemetodene er mer nøyaktige, tidkrevende, relativt kostbare og krever spesialkompetanse. Alle metodene utføres i tre trinn før selve analysen:
– prøvetaking (som regel borstøv eller borkjerner)
– preparering (knusing, homogenisering, tørking)
– oppløsning av klorid (vanligvis i salpetersyre)
Beregning av kloridinnhold i betong er nærmere beskrevet i Byggdetaljer 520.034.
En rekke faktorer er med på å påvirke kloridinntrengingen og tiden det tar før kloridkonsentrasjonen ved armeringen overskrider kritisk kloridinnhold:
– Inntrengingshastigheten avtar med synkende vann/bindemiddel-forhold og økende mengde pozzolaner i betongen.
– Dobling av overdekning gir omtrent firedobling av tiden det tar før klorid diffunderer inn til armeringen.
– Konstruktive detaljer som leder til at kloridholdig vann i minst mulig grad kommer i fysisk berøring med betongen, kan begrense kloridinntrengingen (for eksempel bruk av dryppneser).
– Vannavvisende overflatebehandling kan redusere kloridinntrengingen betydelig.
Denne anvisningen er revidert av Roar Myrdal. Den erstatter anvisning med samme nummer, utgitt i 1990. Prosjektleder har vært Henning Vik. Faglig redigering ble avsluttet i oktober 2009.
© 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.
November 2009 ISSN 2387-6328
Vær obs på at anvisningen kan være utarbeidet i henhold til tidligere regelverk.
§ 10-2 KonstruksjonssikkerhetUtgave | Ver | Tittel | Dato | |
---|---|---|---|---|
November 2009 | 2.0 | Armeringskorrosjon | ||
Tilbaketrukket
Denne anvisningen er erstattet av: |
||||
Høst 1990 | 1.0 | Armeringskorrosjon | ||
|