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.
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
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 sikrer betonens høje pH-værdi god beskyttelse af den sorte armering. Med tiden kan luftens kuldioxid dog trænge ind i betonen og dermed sænke pH-værdien. Det kaldes karbonatisering.
Korrosionsforløb hos armering
• Væske/fugt og eventuelle klorider trænger ind i betonen.
• Den ubehandlede armering korroderer.
• Korrosionsproduktet har en stor volumen og sætter betonen under tryk.
• Når trykket bliver for højt, sprækker betonen og skaller af.
• Når betonen er væk, accelererer korrosionsforløbet.
Varmforzinkning som korrosionsbeskyttelse af armeringsstål har været anvendt i flere årtier i kystregionerne i det nordlige USA og i store dele af Canada. Brugen af varmforzinket armering er stigende på grund af de åbenlyse fordele, hvad angår korrosion, samtidig med at det koster mindre end for eksempel epoxybelagt armering. For nogle år siden blev der gennemført en inspektion af en række broer i de amerikanske delstater Pennsylvania, Vermont, Wyoming, Florida og Michigan, som alle var opført i 70’erne.
Omfattende feltstudier af vejbroer
Den gode korrosionsbeskyttelse, som varmforzinket armering giver, ses tydeligst i feltstudier af armering, som gennem mange årtier har været udsat for krævende forhold. Både langs kysterne i Florida og i de nordlige dele af USA trænger korrosive klorider ind i betonen via saltmættet vanddamp. Kloriderne gennemtrænger betonen og akkumuleres i sådanne mængder, at det sætter gang i en korrosionsproces. Takket være de korrosionsprodukter, der dannes af zinken, beskyttes det underliggende stål mod angreb. Construction Technology Laboratories (CTL) har undersøgt en række broer placeret i aggressive miljøer rundt omkring i USA. CLT udførte potentialmålinger på hver af de undersøgte broer for at fastslå, hvor korrosionsangrebet var størst. Da områderne var identificeret, blev der udtaget prøver for at bestemme kloridindholdet ved armeringsstålets overflade samt zinklagets tykkelse.
Nedenfor følger en sammenfatning af den evaluering, der blev foretaget.
LONGBIRD BRIDGE, BERMUDA
En af de ældste broer, der er konstrueret med varmforzinket armering, er Bermudas Longbird Bridge. Broen blev opført allerede i 1952, og den seneste evaluering blev foretaget i 1995. Efter 42 års brug var zinklagets gennemsnitlige tykkelse stadig højere end den nedre grænseværdi, der gælder for nyt varmforzinket armeringsstål, hvilket indikerer, at en levetid på yderligere 40 år kan forventes. Og det til trods for, at udgangspunktet ikke var optimalt set ud fra et korrosionsmæssigt synspunkt, idet der blev brugt saltvand til støbningen af betonen. Altså var kloridkoncentrationen fra begyndelsen betydeligt højere end den gældende grænseværdi for, hvornår aktiv korrosion kan starte.
CURTIS ROAD BRIDGE, ANN ARBOR, MICHIGAN
Broen blev opført i 1976. Ved den seneste inspektion i 2002 viste de varmforzinkede brofag i denne firefagsbro sig at være i udmærket stand. Selvom det målte kloridniveau på 4 kg/m3 viser, at der er tale om et aggressivt miljø, var zinklagets tykkelse stadig 155 mikrometer. Det betyder, at selv med dette høje kloridindhold vil broen sandsynligvis være vedligeholdelsesfri i mindst 40 år endnu.
BOCA CHICA BRIDGE, KEY WEST, FLORIDA
Broens kørebane er placeret umiddelbart over det salte vand, og trafikbelastningen er hård. Alligevel har den varmforzinkede armering fungeret perfekt, uden at det har været nødvendigt med vedligeholdelse. Det har været en stor fordel, at man har kunnet undgå trafikforstyrrelser på dette vigtige forbindelsespunkt. Broen blev oprindeligt opført i 1972 og har været inspiceret tre gange siden da, senest i 1999. Zinklagets tykkelse er i størrelsesordenen 102 til 157 mikrometer, hvilket er tilstrækkeligt til at yde god korrosionsbeskyttelse af broen i yderligere 60-75 år. Og det til trods for, at kloridindholdet i betonen er 2,5 til 5 gange højere end det niveau, der giver korrosion hos ubeskyttet armeringsstål.
SPRING STREET BRIDGE, MONTPELLIER, VERMONT
Denne bro, som er asfalteret, blev opført i 1971. Asfalten er mere porøs end beton, hvilket gør det lettere for klorider at trænge ind til den varmforzinkede armering. Målinger udført i 2002 viste en gennemsnitlig tykkelse på 190 mikrometer, hvilket ligger langt over det oprindelige kravniveau og garanterer mindst yderligere 40 års korrosionsbeskyttelse.
EVANSTONE INTERCHANGE, EVANSTONE, WYOMING
Evanstone Interchange Bridge blev opført med varmforzinket armering. Betonlagets oprindelige tykkelse var 2,5 cm. Ved prøvetagning og analyse i 2002 viste lagtykkelsen på den varmforzinkede armering sig at være 236 mikrometer, hvilket indikerer, at levetiden uden problemer kan strække sig til efter 2040.
TIOGA BRIDGE, TIOGA, PENNSYLVANIA
Der findes over 250 broer i delstaten Pennsylvania, som er opført med varmforzinket armering. En af disse er Tioga Bridge på den stærkt trafikerede vej, der forbinder Pennsylvania med Finger Lakes-området i delstaten New York. Der forekommer kraftigt snefald i området, hvilket indebærer, at veje og broer saltes for at holde dem isfri. Til trods for, at saltningen bidrager til et kraftigt forhøjet kloridniveau i betonen, har undersøgelser vist, at betonen er uskadt og den varmforzinkede armering i meget god stand, hvilket betyder, at også denne bro har mange vedligeholdelsesfri år endnu. Broen blev oprindeligt opført i 1974. Der er blevet udført inspektion hvert tiende år siden 1981. Ved den seneste inspektion viste målinger, at zinklagets tykkelse stadig er over 178 mikrometer, hvilket garanterer mindst yderligere 40 års vedligeholdelsesfri brug.
ATHENS BRIDGE, ATHENS, PENNSYLVANIA
Denne tosporede bro opført med varmforzinket armering stod færdig i 1973. Også denne bro ligger på en stærkt trafikeret strækning mellem industriområderne i Pennsylvania og Five Finger-området tæt på New York. Kraftigt snefald om vinteren kræver saltning for at holde veje og broer isfri. Ved den seneste kontrol viste målinger, at zinklagets tykkelse stadig var hele 280 mikrometer. Med denne lagtykkelse kan den resterende levetid sættes til mindst 60 år, trods den hårde belastning.
Konklusioner fra feltstudierne
Studierne viste, at korrosionen hos armeringen har været yderst marginal. Prøver udtaget til analyse viser, at lagtykkelsen på armeringsstålet stadig er højere end den værdi, der kræves af nyt armeringsstål, som varmforzinkes i dag.Man kan forvente yderligere mindst 40 års korrosionsbeskyttelse af armeringen i disse broer.
Den korrosionsbeskyttelse, som opnås ved at bruge forzinket armering, er en kombination af flere gavnlige effekter. Dels tåler den varmforzinkede armering et højere kloridindhold, dels tåler den karbonatiseringen, som sker, når betonen ældes, betydeligt bedre end den ubelagte armering.
Tåler både klorider og karbonatisering
Zinkens korrosionsprodukter består af løse, pulveragtige mineraler, som har en lavere volumen end stålets korrosionsprodukter og har evnen til at migrere væk fra det forzinkede armeringsjerns overflade i betonmatricen. Det betyder, at zinkens korrosionsprodukt har en meget begrænset indvirkning på betonens styrke. Billedet til venstre viser, hvordan de hvide prikker har flyttet sig væk fra grænsefladen mellem den varmforzinkede armering og betonen.
Der er også tegn, der tyder på, at spredningen af zinkens korrosionsprodukter bidrager til at udfylde porerne i grænsefladen mellem armeringen og betonen, hvilket gør dette område mindre gennemtrængeligt og bidrager til at mindske transporten af aggressive klorider gennem denne grænseflade til zinklaget. Reaktionerne mellem zinken og betonen og den resulterende diffusion af korrosionsprodukter forklarer også den gode bindingsstyrke til betonen.
Bindingsstyrke
En af de vigtigste parametre, når det gælder en armeret betonkonstruktion, er uden tvivl bindingsstyrken mellem armeringsstålet og betonen. Der skal udvikles en stærk binding, for at konstruktionen opnår den beregnede bæreevne.
Der er gennemført sammenlignende studier af bindingen mellem henholdsvis varmforzinket og ubelagt armering og beton baseret på portlandcement. Resultaterne af disse studier indikerer følgende:
Udviklingen af bindingsstyrken mellem stål og beton afhænger af alder og miljø.
I visse tilfælde er den tid, det tager at udvikle fuld bindingsstyrke mellem stål og beton, længere for varmforzinket armering end for ubelagt armering.
Den fuldt udviklede bindingsstyrke hos varmforzinket og ubelagt armering er den samme.
Formning før eller efter forzinkning?
Varmforzinket armering kan enten formes før eller efter, at materialet varmforzinkes. Når formningen sker før forzinkningen, anbefales det, at bukningsradiussen holdes så stor som muligt for at modvirke accelereret ældning som følge af koldbearbejdningen.
Mekaniske egenskaber
Armeringsstålets formbarhed og styrke er vigtige for at forhindre sprøde brud i den armerede beton. Studier af, hvordan varmforzinkningen påvirker de mekaniske egenskaber hos armeringen, har vist, at de i princippet er helt upåvirkede, så længe den rigtige type stål anvendes.
Hvad angår træthedsbrudstyrken, har omfattende studier vist, at varmforzinkning giver et mere holdbart produkt i korrosionsudsatte miljøer. Selvom varmforzinkningen kan sænke træthedsbrudgrænsen noget, kompenserer den øgede styrke, som opnås, når konstruktionen er korrosionsbeskyttet, for dette.
Galvanisk korrosion
Zink er et uædelt metal, som normalt bliver offeranode, når det kommer i kontakt med andre metaller. Når varmforzinket armering anvendes i beton, bør den derfor ikke forbindes direkte med store områder med sort stålarmering, kobber eller andre uens metaller, da det kan skabe en galvanisk celle, som bevirker, at zinken forbruges betydeligt hurtigere end forventet.
Reference: https://www.galvanizedrebar.com – International Zinc Association