Teräsbetoni on merkittävä materiaali nykyisissä rakenteissa. Moottoriteiden sillat, pysäköintitalot, konttorirakennukset, tunnelit jne. on suunniteltu niin, että niissä hyödynnetään teräsbetonin etuja. Monissa tapauksissa betoniteräkseen ei tarvita mitään erillistä korroosiosuojausta ruostumisen estämiseksi. Kohtalaisen alkalinen ympäristö betonin sisällä synnyttää teräksen pinnalle ohuen oksidikerroksen, joka ”passivoi” teräksen eli suojaa sen korroosion etenemiseltä.
Joskus tämä ”passivointi” ei kuitenkaan toimi riittävän hyvin suojatakseen terästä pitempiä aikoja.
Tämä tapahtuu esim. kun:
• betonissa on murtumia, halkeamia, hiekkataskuja
tai ohut peitekerros
• alkalisuus on neutraloitunut
• esiintyy kloridin tunkeutumista (suolaus tai meri-
il masto).
Erityisesti tämä koskee ”pintaraudoitusta”. Teräsbetonin vauriot ovat lisääntyneet muun muassa teiden suolaamisen ja ilman epäpuhtauksien vuoksi. Betonirakenteiden vauriot ovat yleisempiä kuin aiemmin on uskottu (kuva 10-14). Betoniraudoituksen korroosion korjaaminen on hyvin vaikeaa ja kallista. Tarve betoniraudoituksen suojaamiseen korroosiolta käy tietyissä kohteissa yhä välttämättömämmäksi.
Kuumasinkityksen käyttö monissa maissa on vahvistanut sen kyvyn suojata raudoitusta korroosiolta. Monissa siroissa rakennelmissa käytetään kuumasinkittyä raudoitusta betonipinnan irtoamisten ja kalliiden korjausten välttämiseksi. Pitää myös ottaa huomioon putoavien betoninkappaleiden aiheuttama turvallisuusriski erityisesti tiheästi asutuilla alueilla.
Jostakin syystä kuumasinkityksen suorittajalle annetaan usein ohje jättää rakenteen betoniin valettava osa ilman sinkkiä. Sen lisäksi, että toimenpide on täysin turha, on osittainen kuumasinkitys usein kustannuksiltaan kalliimpi kuin normaalikäsittely. Yksi syy saattaa olla, että ennen luultiin kuumasinkityn pinnan ja betonin välisen tarttuvuuden olevan huono. Huolelliset kokeet ovat kuitenkin osoittaneet sinkin ja betonin välisen tarttuvuuden olevan useimmissa tapauksissa niin hyvä, että ne on erotettava toisistaan moukarilla (21). Sinkkiä on jo pitkään käytetty uhrautuvana anodina laivojen, laiturirakenteiden, säiliöiden ym. korroosiosuojauksessa. Käytettävistä metallisista pinnoitteista sinkki on osoittautunut kaikkein kestävimmäksi ja teknisesti parhaiten soveltuvaksi. Betoniteräksen kuumasinkitystä on käytetty monia vuosia kaikkialla maailmassa. Tämä pintakäsittely on osoittautunut luotettavaksi hyvin vai- keissakin olosuhteissa. Yksityiskohtaiset tutkimukset mm. Australiassa ja RISE KIMAB -tutkimuslaitoksessa Tukholmassa (21) ovat osoittaneet seuraavaa:
• Uudessa betonissa esiintyy lisääntynyttä korroo- siota vain enintään 36 tunnin ajan betonin valami- sen jälkeen. Sen jälkeen sinkki on passivoitunut. Sinkin häviö on pieni (2–5 µm).
• Sinkki antaa katodisen suojan altistuvalle teräk- selle, mikä on etu, kun terästä leikataan, hitsataan tai kun raudoitus vahingoittuu mekaanisesti.
• Raudoitusteräksen ja betonin välinen tarttuvuus on hyvä.
• Betonipinnan irtoamisia ei tapahdu.
• Ruostevalumien riski betonissa eliminoituu.
• Teräsbetonia voidaan käyttää myös syövyttäväm- missäkin ympäristöissä.
• Betonin laatuvaihteluista, esim. huonosta tiivistyk- sestä, on vähemmän haittaa.
• Voidaan käyttää ohuempia pintakerroksia.
Kuumasinkitty betoniteräs klooripitoisessa ympäristössä
RISE KIMAB -tutkimuslaitoksessa suoritetut käytännön kokeet osoittavat, että sinkki kestää hyvin klooripitoisessa ympäristössä. Kun betonin klooripitoisuus on alle 1,5 %, sinkin korroosio on merkityksetöntä, kun taas pintakäsittelemätön rauta kestää klooria selvästi huonommin. Sinkki kestää myös korkeampia klooripitoisuuksia huomattavasti paremmin kuin rauta, mutta käyttöikä lyhenee. Käsittelemättömään rautaan (teräkseen) syntyy tavallisen korroosion lisäksi pistekorroosiota, mitä sinkissä ei esiinny. Sinkitty teräs kestää myös karbonoidussa betonissa paremmin kuin pintakäsittelemätön.
Kuumasinkitty raudoitusteräs on hyvän betoniteknologian luotettava perusta. Se minimoi teräksen korroosio- ja sen myötä betonin tuhoutumisriskejä sekä antaa voimakkaan ja kustannustehokkaan lisän betonin käyttöikään. Kun rakennuksen korroosiovaurion kustannukset ja seuraukset analysoidaan, kuumasinkityksestä syntyvä lisäkustannus on hyvin vähäinen. Sitä voidaan lähinnä verrata edulliseen vakuutusmaksuun, joka tarvitsee maksaa vain kerran.
Karbonatisaatio
Normaalisti betonin korkea pH-arvo antaa hyvän suojan raudoitukselle. Ajan mittaan ilman hiilidioksidia voi kuitenkin päästä betoniin, mikä laskee pH-arvoa. Tätä kutsutaan karbonatisaatioksi.
Korroosioprosessi raudoituksessa
Vaikka kuumasinkityn raudoitusteräksen hinta saattaa olla ylimmillään 50 % kalliimpi kuin pintakäsittelemättömän raudoitusteräksen, tämä kustannuserä on kuitenkin pieni suhteessa rakennuksen kokonaiskustannuksiin. Rakennuksen suunnittelusta riippuen lisäkustannukset ovat usein merkityksetön osa kokonaiskustannuksista.
• Neste/kosteus ja mahdolliset kloridit tunkeutuvat betoniin.
• Käsittelemätön raudoitus syöpyy.
• Korroosiotuotteessa tilavuus on suuri ja se aiheuttaa painetta betoniin.
• Kun paine muuttuu liian korkeaksi, betoni halkeilee ja lohkeilee.
• Kun betoni on poissa, korroosioprosessi kiihtyy.
Kuumasinkitystä on käytetty betoniteräksen korroosiosuojana jo vuosikymmenien ajan Yhdysvaltojen pohjoisosien rannikkoalueilla sekä suuressa osassa Kanadaa. Kuumasinkityn raudoituksen käyttö lisääntyy korroosion kannalta ilmeisistä eduista johtuen, samalla kun hinta on alhaisempi verrattuna esimerkiksi epoksipinnoitettuun raudoitukseen. Muutamia vuosia sitten Pennsylvaniassa, Vermontissa, Wyomingissa, Floridassa ja
Michiganissa tarkastettiin useita siltoja, jotka kaikki on rakennettu 1970-luvulla.
Tiesiltojen laajat kenttätutkimukset
Vuosikymmenien ajan vaativille olosuhteille altistuneiden kuumasinkittyjen raudoitusten hyvä korroosiosuojaus näkyy selkeimmin raudoituksen kenttätutkimuksissa. Sekä Floridan rannikolla että Yhdysvaltojen pohjoisosissa syövyttäviä klorideja tunkeutuu betoniin suolakylläisen vesihöyryn mukana. Kloridia tunkeutuu ja kerääntyy betoniin niin paljon, että korroosio voi alkaa. Sinkistä muodostuvien korroosiotuotteiden ansiosta alla oleva teräs on suojattu hyökkäykseltä. Construction Technology Laboratories (CTL) on tutkinut useita siltoja, jotka sijaitsevat aggressiivisissa ympäristöissä eri puolilla Yhdysvaltoja. CLT suoritti potentiaalimittauksia jokaisella tutkitulla sillalla määrittääkseen, missä korroosiohyökkäys oli ollut voimakkainta. Kun nämä alueet oli määritelty, betoniteräksen pinnan kloridipitoisuus ja sinkkikerroksen paksuus määritettiin otettujen näytteiden perusteella. Seuraavassa on yhteenveto suoritetusta arvioinnista.
LONGBIRD BRIDGE, BERMUDA
Yksi vanhimmista kuumasinkityllä raudoituksella rakennettu silta on Bermudan Longbird Bridge. Silta rakennettiin vuonna 1952, ja edellinen arviointi tehtiin vuonna 1995. 42 vuoden käytön jälkeen sinkkikerroksen keskipaksuus oli edelleen korkeampi kuin uusiin kuumasinkittyihin betoniteräksiin sovellettava alaraja-arvo, mikä osoittaa, että odotettavissa on vielä 40 vuoden elinikä. Tämä siitä huolimatta, että korroosion kannalta lähtökohta ei ollut kaikkein suotuisin betonivalussa käytetyn suolaveden vuoksi. Siksi
kloridipitoisuus oli alusta alkaen huomattavasti korkeampi kuin aktiivisen korroosion käynnistymiselle voimassa oleva raja-arvo.
CURTIS ROAD BRIDGE, ANN ARBOR, MICHIGAN
Silta rakennettiin vuonna 1976. Viimeisessä tarkastuksessa vuonna 2002 tämän neliaukkoisen sillan silta-aukko osoittautui olevan erinomaisessa kunnossa. Aggressiivisesta ympäristöstä huolimatta kloridipitoisuus oli mittausten mukaan 6,88 Ib/yd3 (4 kg/m3) ja sinkkikerroksen paksuus edelleen 155 mikrometriä. Tämä tarkoittaa, että jopa näin korkealla kloridipitoisuudella
silta selviää ilman huoltoa vielä vähintään 40 vuotta.
BOCA CHICA BRIDGE, KEY WEST, FLORIDA
Sillan ajorata sijaitsee aivan suolaveden yläpuolella ja liikennekuorma on kova. Tästä huolimatta kuumasinkitty raudoitus on toiminut täydellisesti ilman minkäänlaista huoltoa. On ollut suuri etu, että liikennehäiriöt on pystytty välttämään tällä tärkeällä reitillä. Silta rakennettiin alun perin vuonna 1972, jonka jälkeen sen on tarkastettu kolme kertaa, viimeksi vuonna 1999. Sinkkikerroksen paksuus on 102-157 mikrometriä, mikä riittää takaamaan hyvän korroosiosuojan tälle sillalle vielä 60-75 vuotta. Tämä siitä huolimatta, että betonin kloridipitoisuus on 2,5-5 kertaa suurempi kuin taso, joka aiheuttaa korroosiota suojaamattomassa betoniteräksessä.
SPRING STREET BRIDGE, MONTPELLIER, VERMONT
Tämä asfaltoitu silta rakennettiin vuonna 1971. Asfaltti on betonia huokoisempaa, mikä helpottaa kloridien tunkeutumista kuumasinkittyyn raudoitukseen. Vuonna 2002 tehdyissä mittauksissa kerroksen keskipaksuus oli 190 mikrometriä, mikä on selvästi alkuperäistä vaatimustasoa korkeampi ja takaa vielä vähintään 40 vuoden korroosiosuojan.
EVANSTONE INTERCHANGE, EVANSTONE, WYOMING
Evanstone Interchange Bridge rakennettiin kuumasinkityllä raudoituksella. Betonin alkuperäinen pintakerros oli 3 tuumaa. Vuonna 2002 otettujen näytteiden analyysissä kuumasinkityn raudoituksen kerrospaksuuden todettiin olevan 236 mikrometriä, mikä osoittaa käyttöiän ulottuvan ongelmitta vuoteen 2040 asti.
TIOGA BRIDGE, TIOGA, PENNSYLVANIA
Yli 250 Pennsylvanian silloista on rakennettu kuumasinkityillä raudoituksilla. Yksi näistä on Tioga Bridge raskaasti liikennöidyllä tiellä, joka yhdistää Pennsylvanian Finger Laken alueeseen New Yorkissa. Alueella on runsaita lumisateita, mikä tarkoittaa, että teitä ja siltoja suolataan jäätymisen estämiseksi. Vaikka suolaus nostaa huomattavasti betonin kloridipitoisuuksia, tutkimukset ovat osoittaneet, että betoni on vahingoittumaton ja kuumasinkitty raudoitus erittäin hyvässä kunnossa, mikä tarkoittaa monia huoltovapaita vuosia myös tälle sillalle. Silta rakennettiin alun perin vuonna 1974. Tarkastuksia on tehty kymmenen vuoden välein vuodesta 1981 lähtien. Viimeisimmässä tarkastuksessa mittaukset osoittivat, että sinkkikerroksen paksuus on edelleen yli 178 mikrometriä, mikä takaa vielä vähintään 40 vuoden huoltovapaan käytön.
ATHENS BRIDGE, ATHENS, PENNSYLVANIA
Tämä kuumasinkityillä raudoituksilla rakennettu kaksikaistainen silta valmistui vuonna 1973. Myös tämä silta sijaitsee raskaasti liikennöidyllä osuudella Pennsylvanian teollisuusalueen ja Five Fingerin alueen välillä New Yorkissa. Voimakkaat lumisateet talvella vaativat suolaamista teiden ja siltojen pitämiseksi sulina. Viimeisimmässä tarkastuksessa mittaukset osoittivat, että sinkkikerroksen paksuus oli edelleen peräti 280 mikrometriä. Tämän kerrospaksuuden myötä sillan elinikä on vähintään 60 vuotta voimakkaasta altistumisesta huolimatta.
Kenttätutkimuksen johtopäätökset
Tutkimus osoitti, että raudoituksen korroosio oli erittäin vähäistä. Analysoitavaksi otetut näytteet osoittavat, että betoniteräksen kerrospaksuus on edelleen suurempi kuin nykyisin kuumasinkittävän uuden betoniteräksen vaadittu kerrospaksuus. Näiden siltojen raudoitusten korroosiosuojan odotetaan kestävän vielä vähintään 40 vuotta.
Kestää sekä kloridit että karbonatisaation
Kuumasinkittyä raudoitusta käyttämällä saatava korroosiosuoja on useiden hyödyllisten vaikutusten yhdistelmä. Toisaalta kuumasinkitty raudoitus kestää korkeampia kloridipitoisuuksia, ja toisaalta se kestää betonin vanhentuessa tapahtuvan karbonatisaation paljon paremmin kuin pinnoittamaton raudoitus.
Sinkin korroosiotuote koostuu irtonaisista, jauhemaisista mineraaleista, joiden tilavuus on pienempi kuin teräksen korroosiotuotteilla, ja ne pystyvät siirtymään sinkityn raudoitusraudan pinnasta betonimatriisiin. Tämä tarkoittaa, että sinkin korroosiotuotteella on hyvin vähäinen vaikutus betonin lujuuteen. Vasemmalla oleva kuva osoittaa, miten valkoiset pisteet ovat siirtyneet pois kuumasinkityn raudoituksen ja betonin väliseltä rajapinnalta.
On myös viitteitä siitä, että sinkin korroosiotuotteiden leviäminen auttaa täyttämään huokoiset tilat raudoituksen ja betonin välisellä rajapinnalla, mikä tekee tästä alueesta vähemmän läpäisevän ja auttaa vähentämään aggressiivisten kloridien kulkeutumista tämän rajapintavyöhykkeen läpi sinkkikerrokseen. Sinkin ja betonin väliset reaktiot ja siitä johtuva korroosiotuotteiden diffuusio selittävät myös betonin hyvän sidoslujuuden.
Sidoslujuus
Yksi tärkeimmistä teräsbetonirakenteen parametreistä on epäilemättä betoniteräksen ja betonin välinen sidoslujuus. Vahva sidos on kehitettävä, jotta rakenne kestäisi lasketun kantavuutensa.
Portland Cement on suorittanut vertailevia tutkimuksia kuumasinkittyjen ja pinnoittamattomien raudoitusten ja betonin välisestä sidoksesta. Näiden tutkimusten tulokset osoittavat:
Teräksen ja betonin välisen sidoslujuuden kehittyminen riippuu iästä ja ympäristöstä
Joissakin tapauksissa tarvittava aika täyden sidoslujuuden kehittymiseen teräksen ja betonin välille
on kuumasinkityllä raudoituksella pidempi kuin pinnoittamattomalla.
Kuumasinkityn ja pinnoittamattoman raudoituksen täysin kehittynyt sidoslujuus on yhtä suuri.
Muotoilu ennen sinkitystä vai sen jälkeen?
Kuumasinkitty raudoitus voidaan muotoilla joko ennen tai jälkeen materiaalin kuumasinkityksen. Kun muotoilu tehdään ennen sinkitystä, on suositeltavaa pitää taivutussäde mahdollisimman suurena kylmäkäsittelyn aiheuttaman kiihtyvän ikääntymisen torjumiseksi.
Mekaaniset ominaisuudet
Betoniteräksen sitkeys ja lujuus ovat tärkeitä haurasmurtumien estämiseksi teräsbetonissa. Tutkimukset kuumasinkityksen vaikutuksista raudoituksen mekaanisiin ominaisuuksiin ovat osoittaneet, että ominaisuudet pysyvät periaatteessa täysin muuttumattomina niin kauan kun käytetään oikeaa terästä.
Väsymislujuuden osalta laajat tutkimukset ovat osoittaneet, että kuumasinkitys tekee tuotteesta kestävämmän korroosioalttiissa ympäristöissä. Vaikka kuumasinkitys voi hieman alentaa väsymisrajaa, rakenteen korroosiosuojauksella saatava lisälujuus kompensoi tämän.
Galvaaninen korroosio
Sinkki on epäjaloa metallia, josta yleensä tulee uhrianodi kosketuksessa muiden metallien kanssa. Kun betonissa käytetään kuumasinkittyä raudoitusta, sitä ei saa kytkeä suoraan suuriin mustan teräsraudoituksen, kuparin tai muun eri metallin alueisiin, koska tämä voi muodostaa galvaanisen kennon, joka kuluttaa sinkin huomattavasti odotettua nopeammin.
Reference: https://www.galvanizedrebar.com – International Zinc Association