Varmförzinkad armering

Armerad betong är ett betydande material i dagens konstruktioner. Motorvägsbroar, parkeringshus, kontorsbyggnader, tunnlar m.m. är alla konstruerade för att nyttja fördelarna med armerad betong. I många fall behöver inte armeringen något extra korrosionsskydd för att undgå rostangrepp. Den högre alkaliska miljön i betong ger en tunn oxidfilm på stålet, som ”passiverar” eller skyddar stålet mot vidare korrosion. Emellertid händer det ofta att denna ”passivering” inte fungerar tillräckligt bra för att skydda armeringen under längre tider.

Detta förekommer till exempel då:

  • betongen har sprickor, klyvningar, sandfickor eller tunt täckskikt
  • neutralisering av alkaliteten har skett
  • kloridinträngning föreligger (saltning eller marin atmosfär)

Framför allt gäller detta ”ytarmeringen”. Skador på armerad betong har ökat, bland annat på grund av ökad saltning och luftföroreningar. Skador på olika betongkonstruktioner är mer förekommande än vad man tidigare trott. När korrosionen väl inträf­fat hos armeringen är den mycket svår och kostsam att åtgärda. Behovet av att skydda armeringen från korrosion blir mer och mer nödvändigt för många applikationer.

Avspjälkning av täckskiktet över
armeringsstålen på grund av armeringsstålens korrosion.

Varmförzinkningens möjlighet att skydda armering från korrosion bekräftas genom praktisk användning i många länder. Många smäckra byggnadskonstruktioner har varmförzinkad armering just för att undvika sprängningar med kostsamt underhåll som följd. Den säkerhetsrisk som nedfallande betong kan utgöra, framför allt i tättbebyggda områden, bör också påpekas. Av någon anledning får varmförzinkaren ofta order om att inte lägga zink på den del, som skall gjutas in i betong. Förutom att denna åtgärd är helt onödig är kostnaden ofta högre för delvarmförzinkning än för normal behandling.

En orsak kan vara att det sedan tidigare funnits en uppfattning om att vidhäftningen mellan den varmförzinkade ytan och betongen skulle vara dålig. Noggrann provning har dock visat att vidhäftningen mellan zink och betong i de flesta fall är så bra att släggan får tas fram för att skilja dem åt. Sedan länge har zink använts som offeranod för att skydda båtskrov, kajanläggningar, cisterner mm mot korrosion. Av tillgängliga metalliska skikt har varmförzinkade beläggningar visat sig vara de mest livskraftiga och tekniskt lämpliga.

Varmförzinkning av armeringsstål som används i betong har brukats i många år över hela världen. Även vid mycket svåra förhållanden har denna ytbehandling visat sig vara pålitlig. Detaljerade undersökningar, bl. a i Australien och på forskningsinstitutet RISE KIMAB i Stockholm, har visat följande:

  • Förhöjd korrosion i nygjuten betong sker endast under de första timmarna efter ingjutningen. Därefter har zinkskiktet passiverats. Zinkförlusten är låg (2-5 µm).
  • Zinken ger ett katodiskt skydd på exponerat stål, vilket är en fördel vid avklippning, svetsning eller mekanisk åverkan på armeringen.
  • Vidhäftningen mellan armeringsstålet och betongen är god.
  • Betongsprängning sker inte.
  • Risken för rostrinningar på betongen är eliminerad.
  • Armerad betong kan användas även i mer aggressiva miljöer.
  • Varierande betongkvalitet, t ex dålig komprimering, kan lättare tolereras.
  • Tunnare täckskikt kan användas.

Varmförzinkad armering i kloridhaltig miljö

(Photo Credit: New York State Thruway Authority)

Praktiska försök utförda vid RISE KIMAB visar att zink klarar sig mycket bra i kloridhaltig miljö. Upp till 1,5 % klorid i betongen ger obetydlig korrosion på zinken medan det obelagda järnet har betydligt svårare att klara denna koncentration. Zink motstår även högre kloridhalter betydligt bättre än järn men livslängden minskar. Obelagt järn (stål) får förutom allmän korrosion även punktkorrosion, vilket zink inte uppvisar. Även i karbonatiserad betong klarar sig förzinkat stål bättre än obelagt. Varmförzinkad armering är en pålitlig grund i bra betongteknologi. Den minimerar riskerna för stålkorrosion och därmed betongförstörelse samt ger ett starkt och kostnadseffektivt bidrag till betongens livslängd. När kostnader och konsekvenser för en korrosionsskada hos en utsatt byggnad är analyserade är den extra kostnad, som varmförzinkningen innebär, mycket ringa. Den kan närmast ses som en låg försäkringspremie, som endast behöver betalas en gång.

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
Svenska