Varmforzinket armeringsstål

Armeret beton er et betydeligt materiale i nutidens konstruktioner. Motorvejsbroer, parkeringshuse, kontorbygninger, tunneler m.m. er alle konstruerede for at drage fordele af armeret beton.

I mange tilfælde behøver armeringen ikke nogen ekstra korrosionsbeskyttelse for at undgå rustangreb. Det høje alkaliske miljø i beton giver en tynd oxidfilm på stålet, som ”passiverer” eller beskytter stålet mod yderligere korrosion.

Imidlertid sker det ofte, at denne ”passivering” ikke virker eller virker dårligt.

F.eks. hvis:

  • Betonen har sprækker, spaltninger, sandlommer eller tyndt dækningslag
  • Neutralisering af alkaliteten er sket
  • Klorid-indtrængning sker (saltning eller maritim atmosfære)

Frem for alt gælder dette ”overfladearmeringen”. Skader på armeret beton er øget blandt andet pga. øget saltning eller luftforureninger. Derfor bruges i dag udtrykket ”betoncancer”. Skader på forskellige betonkonstruktioner forekommer oftere end man tidligere troede . Når korrosionen er indtruffet ved armeringen, er den meget svær, og kostbar, at reparere. Behovet for at beskytte armering bliver mere og mere nødvendig for visse applikationer.

Afskalning af dæklaget over armeringsstålet på grund af armeringsstålets korrosion.

Korrosionsbeskyttelse for armeringsstål

Varmforzinkningens mulighed for at beskytte atrmeringen fra korrosion bekræftes gennem praktisk anvendelse i mange lande. Mange fine bygningskonstruktioner har varmforzinket armering, netop for at undgå sprængninger med omkostningstunge vedligeholdelser til følge. Den sikkerhedsrisiko, som nedfaldende beton kan udgøre, frem for alt i tæt bebyggede områder, bør også påpeges.

Af en eller anden årsag får varmforzinkere ofte ordrer på at undlade zinkbelægning på den del, der skal støbes ind i beton. Udover at dette er helt unødvendigt, er omkostningen ofte højere for delvis varmforzinkning end for normal behandling. En af årsagerne kan være, at der tidligere har været en opfattelse af, at vedhæftningen mellem den varmforzinkede overflade og betonen skulle være dårlig. Omhyggelig prøvning har dog vist, at vedhæftning mellem zink og beton, i de fleste tilfælde, er så god, at en mukkert må tages i brug for at skille dem ad.

I mange år har man anvendt zink som offeranode for at beskytte skibe, havneanlæg, cisterner mm. mod korrosion. Af tilgængelige metalliske belægninger har varmforzinkede belægninger vist sig at være den mest holdbare, og teknisk fordelagtige. Varmforzinkningen af armeringsstål, som anvendes i beton, har været brugt i mange år over hele verden. Selv ved meget vanskelige forhold har denne overfladebehandling vist sig at være pålidelig.

Detaljerede undersøgelser, bl.a. i Australien og frem for alt på Korrosionsinstitutet i Stockholm, har vist, at varmforzinkning giver følgende fordele:

  • Korrosion sker kun 36 timer efter indstøbning og zinktabet er lavt (2-5 µm)
  • Zinken giver en katodisk beskyttelse på eksponeret stål, hvilket er en fordel ved afklipning, svejsning eller mekanisk skade på armeringen
  • Vedhæftningen mellem armeringsstålet og betonen er god
  • Betonsprængning sker ikke
  • Risikoen for rustafløb på betonen er elimineret
  • Armeret beton oftere kan anvendes i mere aggressive miljøer
  • Varierende betonkvalitet, f.eks. dårlig komprimering, kan lettere tolereres
  • Tyndere dæklag kan anvendes

Varmforzinket armering i kloridmiljø

(Photo Credit: New York State Thruway Authority)

Praktisk udførte forsøg på Korrosionsinstitutet viser, at zink klarer sig meget godt i kloridindholdigt miljø. Op til 1,5% klorid i betonen giver ubetydelig korrosion på zinken, mens det ubehandlede jern har betydeligt sværere ved at klare denne koncentration. Zink modstår selv højere kloridindhold betydeligt bedre end jern, men levetiden mindskes. Ubehandlet jern (stål) giver desuden alment korrosion og punktkorrosion. Dette er ikke påvist ved varmforzinket armeringsstål.

Selv i karbonatiseret beton klarer forzinket stål sig bedre end ubehandlet.

Varmforzinket armering er en pålidelig base i god betonteknologi. Den minimerer risici for stålkorrosion og dermed ødelæggelse af betonen, samt giver et stærkt og omkostningseffektivt bidrag til betonens levetid.

Når omkostningerne og konsekvenserne for en korrosionsskade på en udsat bygning er blevet analyseret, er den ekstraomkostning, som varmforzinkningen indebærer, meget begrænset. Den kan næsten ses som en lav forsikringspræmie, som man kun behøver at betale en gang.

Mens prisen for varmforzinket armeringsstål kan være op til 50% højere end for ubehandlet stål, er denne udgift lille i forhold til den totale bygningsomkostning. Afhængig af byggeriets udformning er meromkostningen ofte en ubetydelig del af totalomkostningen.

Karbonatisering

Normalt ger betongens höga pH ett bra skydd för den svarta armeringen. Med tiden kan luftens koldioxid dock komma in i betongen och då sänka pH. Detta kallas för karbonatisering.

Korrosionsförlopp hos armering

Spalling-ConcretePERFORM

•Vätska/fukt och eventuella klorider tränger in i betongen.

• Den obehandlade armeringen korroderar.

• Korrosionsprodukten har en stor volym och sätter tryck på betongen.

• När trycket blir för högt spricker betongen och spjälkas av.

•  När betongen är borta accelererar korrosionsförloppet.

Varmförzinkning som korrosionsskydd för armeringsstål har använts i decennier i kustregionerna i norra delen av USA samt i stora delar av Canada. Användandet av varmförzinkad armering ökar på grund av de ur korrosionssynpunkt tydliga fördelarna, samtidigt som priset är lägre i jämförelse med till exempel epoxybelagd armering. För ett antal år sedan utfördes inspektion av broar i Pennsylvania, Vermont, Wyoming, Florida och
Michigan, vilka alla uppförts på 70-talet.

Omfattande fältstudier av vägbroar

Det goda korrosionsskyddet hos varmförzinkad armering visas tydligast med hjälp av fältstudier av armering som exponerats under många årtionden under svåra förhållanden. Både längst kusterna i Florida och i norra delarna av USA tränger korrosiva klorider in i betongen med hjälp av saltmättad vattenånga. Kloriderna penetrerar betongen och ackumuleras i sådana mängder att korrosion kan starta. Tack vare de korrosionsprodukter som bildas från zinken skyddas det underliggande stålet från attack. Construction Technology Laboratories (CTL) har undersökt ett flertal broar placerade i aggressiva miljöer runt om i USA. CLT utförde potentialmätningar på varje undersökt bro, för att fastställa var korrosionsangreppet varit störst. När dessa områden lägesbestämts togs prover ut och
kloridhalten vid armeringsstålets yta samt zinkskiktets tjocklek bestämdes. Nedan följer en sammanfattning av den utvärdering som genomförts.

LONGBIRD BRIDGE, BERMUDA
En av de äldsta broarna som är byggd med varmförzinkad armering är Bermudas Longbird Bridge. Bron konstruerades redan 1952, och den senaste utvärderingen gjordes 1995. Efter 42 år i bruk var medeltjockleken på zinkskiktet fortfarande högre än det undre gränsvärdet som gäller för nya varmförzinkade armeringsstål, vilket indikerar att en livslängd på ytterligare 40 år kan förväntas. Detta trots att utgångsläget inte var det mest gynnsamma ur korrosionssynpunkt, eftersom saltvatten användes vid betonggjutningen. Alltså var
kloridkoncentrationen från början betydligt högre än gällande gränsvärde för att aktiv korrosion skall starta.
CURTIS ROAD BRIDGE, ANN ARBOR, MICHIGAN

Bron byggdes 1976. Vid den senaste inspektionen, år 2002, visade sig det varmförzinkade brospannet i denna fyrspannsbro vara i utmärkt kondition. Även om detta är en aggressiv miljö, enligt mätningar är kloridnivån 6.88 Ib/yd3 (4 kg/m3) var zinkskiktets tjocklek fortfarande 155 mikrometer. Detta medför att även vid denna höga kloridhalt
kommer bron sannolikt att vara underhållsfri i minst 40 år till.

BOCA CHICA BRIDGE, KEY WEST, FLORIDA

Brons körbana är placerad strax ovanför det salta vattnet och trafikbelastningen är hård. Trots detta har den varmförzinkade armeringen fungerat perfekt utan att något underhåll behövt utföras. Det har varit en stor fördel att trafikstörningar har kunnat undvikas på denna viktiga led. Bron konstruerades ursprungligen 1972, och har inspekterats tre gånger sedan dess, senast 1999. Zinkskiktets tjocklek uppgår till värden mellan 102 och 157 mikrometer, vilket är tillräckligt mycket för att ge ett gott korrosionsskydd för denna bro i ytterligare 60-75 år. Detta trots att kloridhalten i betongen är 2.5 till 5 gånger högre än den nivå som ger korrosion hos oskyddat armeringsstål.

SPRING STREET BRIDGE, MONTPELLIER, VERMONT

Denna bro, som är asfalterad, byggdes 1971. Asfalten är mer porös än betong, vilket underlättar för klorider att tränga in till den varmförzinkade armeringen. Mätningar utförda år 2002 visade en medelskikttjocklek på 190 mikrometer, vilket ligger högt över den ursprungliga kravnivån och garanterar minst ytterligare 40 års korrosionsskydd.

EVANSTONE INTERCHANGE, EVANSTONE, WYOMING

Evanstone Interchange Bridge byggdes med varmförzinkad armering Betongens ursprungliga täckskikt var 3 tum. Vid provtagning och analys år 2002 visade sig skikttjockleken hos den varmförzinkade armeringen vara 236 mikrometer, vilket indikerar en livslängd som utan problem sträcker sig över år 2040.

TIOGA BRIDGE, TIOGA, PENNSYLVANIA

Över 250 broar i Pennsylvania är byggda med varmförzinkad armering. En av dessa är Tioga Bridge på den hårt trafikbelastade vägen som sammanbinder Pennsylvania med Finger Lake området i New York. Rikliga snöfall förekommer i området, vilket innebär att vägar och broar saltas för att hållas isfria. Trots att saltningen bidrar till kraftigt förhöjda kloridhalter i betongen har undersökningar visat att betongen är oskadd och den varmförzinkad armeringen i mycket gott skick, vilket medför många underhållsfria år även för denna bro. Bron byggdes ursprungligen 1974. Inspektion har utförts vart tionde år sedan 1981. Vid den senaste inspektionen visade mätningar att zinkskiktets tjocklek fortfarande uppgår till mer än 178 mikrometer, vilket garanterar minst ytterligare 40 års underhållsfri användning.

ATHENS BRIDGE, ATHENS, PENNSYLVANIA

Denna dubbelfiliga bro byggd med varmförzinkad armering färdigställdes 1973. Även denna bro ligger på en kraftigt trafikerad sträcka mellan industriområden i Pennsylvania och Five Finger området vid New York. Kraftiga snöfall vintertid kräver saltning för att hålla vägar och broar isfria. Vid senaste kontrollen visade mätningar att zinkskiktens tjocklek fortfarande uppgick till hela 280 mikrometer. Med denna skikttjocklek kan den fortsatta livslängden
sättas till minst 60 år, trots tuff exponering.

Slutsatser från fältstudien

Studien visade att korrosionen hos armeringen varit ytterst marginell. Prover som tagits ut för analys visar att skikttjockleken hos armeringsstålet fortfarande är högre än vad som krävs på nya armeringsstål som varmförzinkas idag.Ytterligare minst 40 års korrosionsskydd är att förvänta hos armeringen i dessa broar.

Tål både klorider och karbonatisering

galv_rebar_element_mapPERFORM

Korrosionsskyddet som fås genom att använda förzinkad armering är en kombination av flera fördelaktiga effekter. Dels tål den varmförzinkade armeringen högre kloridhalter, dels klarar den karbonatiseringen som sker då betongen åldras betydligt bättre än den obelagda armeringen.

Zinkens korrosionsprodukt består av lösa, pulveraktiga mineraler som har lägre volym än stålets korrosionsprodukter och har förmågan att migrera iväg från det förzinkade armeringsjärnets yta ut i betongmatrisen. Detta innebär att zinkens korrosionsprodukt har en mycket begränsad påverkan på betongens hållfasthet. I bilden till vänster syns hur de vita prickarna har förflyttat sig i väg från gränsytan mellan varmförzinkad armering och betong.

Det finns också tecken som tyder på att spridningen av zinkens korrosionsprodukter hjälper till att fylla porutrymmen vid gränssnittet mellan armering och betong, vilket gör detta område mindre genomträngligt och bidrar till att minska transporten av aggressiva klorider genom denna gränssnittszon till zinkskiktet. Reaktionerna mellan zink och betong och den resulterande diffusionen av korrosionsprodukter förklarar också den goda bindningsstyrkan till betongen.

Bindningsstyrka

En av de viktigaste parametrarna när det gäller en armerad betongkonstruktion är utan tvekan bindningsstyrkan mellan armeringsstålet och betongen. En stark bindning måste utvecklas för att konstruktionen ska klara sin beräknade lastförmåga .

Jämförande studier av bindningen mellan varmförzinkad respektive obelagd armering och betong baserad på Portland Cement har undersökts. Resultaten av dessa studier indikerar:

Utvecklingen av bindningsstyrkan mellan stål och betong beror på ålder och miljö

I vissa fall är den tid som krävs för att utveckla full bindningsstyrka mellan stål och betong
längre för varmförzinkad armering än för obelagd.

Den fullt utvecklade bindningsstyrkan hos varmförzinkad och obelagd armering är densamma.

Formning före eller efter förzinkning?

rebar_platesMP

Varmförzinkad armering kan antingen formas före eller efter det att materialet varmförzinkas. När formningen sker före förzinkning rekommenderas att bockningsradien hålls så stor som möjligt för att motverka accelererad åldring till följd av kallbearbetningen. 

Mekaniska egenskaper

Duktiliteten och hållfastheten hos armeringsstål är viktiga för att förhindra sprött brott i den armerade betongen. Studier av hur varmförzinkningen påverkar de mekaniska egenskaperna hos armeringen har visat att dessa i princip är helt opåverkade så länge rätt stål används.

När det gäller utmattningshållfastheten har omfattande studier visat att varmförzinkning ger en mer hållbar produkt i korrosionsutsatta miljöer. Trots att varmförzinkningen kan sänka utmattningsgränsen något kompenserar den ökning i hållfasthet som fås då konstruktionen är korrosionsskyddad för detta.

Galvanisk korrosion

Zink är en oädel metall som vanligtvis blir en offeranod i kontakt med andra metaller. När varmförzinkad armering används i betong, bör den därför inte kopplas direkt till stora områden med svart stålarmering, koppar eller annan olik metall, då detta kan skapa en galvanisk cell som gör att zinken förbrukas betydligt snabbare än förväntat.

Reference: https://www.galvanizedrebar.com – International Zinc Association

For members
Dansk