Betong som byggemateriale:
Betong har lange tradisjoner som byggemateriale, og er i dag et av de mest benyttede materialene. Det har opp gjennom tidene dannet seg en oppfatning av at betong er et vedlikeholdsfritt og evigvarende byggemateriale. Erfaring fra de seneste tiårene viser at denne oppfatningen har medvirket til dårlig utførelse og prosjektering.
Moderne betongkonstruksjoner består hovedsakelig av sand/stein, sement, vann og armeringsstål. Bruken av armert betong startet på 1900-tallet. Det vil si at man begynte å legge inn armeringsstenger slik at en kunne bygge slankere konstruksjoner med større spennvidder. Dette var en revolusjon for bruk av betong som konstruksjonsmateriale. Eksempel på betongkonstruksjoner er boligblokker, garasjeanlegg, bruer, kaier, idrettsarenaer etc.
Nedbrytningsmekanismer:
I nystøpt betong er armeringen beskyttet av en oksidfilm som dannes på ståloverflaten. Dette fordi sementpastaen danner et basisk miljø med høy PH (ca. 12-14). Hvis denne oksidfilmen brytes ned kan armeringen begynne å korrodere (ruste). Nedbrytningen kan forekomme ved et for høyt innhold av klorider (salter) i betongen, ved karbonatisering, eller en kombinasjon av disse. Armeringskorrosjon kan påvirke både konstruksjonens levetid og ytelse.
Ved korrosjon må det alltid være minst en anode og en katode som er forbundet metallisk og omgitt av en elektrisk ledende væske (porevannet). Ved anoden skjer det en oksidasjon, altså en frigiving av elektroner, og jern går i oppløsning/korroderer. Ved en pH på < 9 kan oppløsning av jern foregå slik følgende ligning viser:
2Fe = 2Fe2+ + 4e–
Ved en pH > 12-13 blir ligningen følgende:
2Fe + 6OH– = 2HFeO2– + 2H2O + 4e–
Ved katoden skjer det en tilsvarende reduksjon, altså opptak av elektroner. Den mest vanlige prosessen er reduksjon av oksygen oppløst i porevannet, som foregår etter følgende ligning:
O2 + 2H2O + 4e– = 4OH–
Utvikling av hydrogen kan også forekomme i noen tilfeller:
4H+ + 4e– = 2H2
Totalreaksjonen blir da følgende:
2Fe + O2 + 2H2O = 2Fe2+ + 4OH– = 2Fe(OH)2
I korrosjonsprosessen produseres jernhydroksid, som vist i de kjemiske ligningene. Dette reagerer videre med oksygen som deretter fører til rust. Rustproduktene som dannes har et 5-7 ganger større volum enn stålvolumet. Denne volumutvidelsen gir en sprengvirkning i betongen. Når denne sprengvirkningen er større enn betongens strekkfasthet, oppstår det riss og deretter avskallinger. Prosessen kan også virke inn på bæreevnen og føre til sammenbrudd.
Rustprodukt gir volumutvidelse med påfølgende riss og avskalling.
Korrosjonshastigheten vil være avhengig av oksygentilgang, temperatur, relativ fuktighet (RF), forurensninger og elektrisk ledingsevne i betongen. Ved RF på 90-95 % blir hastigheten veldig rask. Hastigheten blir derimot ubetydelig ved RF < 50 %. Korrosjonshastigheten øker også med økende temperatur.
I tillegg til armeringskorrosjon, kan det oppstå skader som følge av frost, alkali/kisel-reaksjon, kjemisk, biologisk og mekanisk nedbrytning. De ulike nedbrytningsmekanismene fører til utvikling av ulike typer skader, for eksempel avskallinger, sprekker, riss, rustutslag, frostskader, kalkutfelling og oppløsning av sementpastaen. Mangelfull utførelse og feil materialbruk kan også ha innvirkning på skadeutviklingen.
Klorider:
Skader som følge av klorider bør en alltid være på vakt mot, da disse skadene ofte er alvorlige. Kjennetegnet ved kloridinitiert korrosjon er at det gir seg utslag i tydelige gropdannelser på armeringen (ofte omtalt som pitting eller groptæring). Det kan gi store lokale korrosjonsangrep der armeringstverrsnittet blir betydelig redusert, uten at det er synlige tegn til skader på betongoverflaten.
Groptæring på grunn av for høyt innhold av klorider i betongen.
Klorider kan bli tilsatt betongen enten som urenheter i materialer eller tilsetningsstoff, eller ved at de trenger inn i betongen utenfra. Kloridinnholdet til tilsetningsstoffer er i dag begrenset, men tidligere ble det brukt kalsiumklorid som akselerator. Det ble tilsatt ved støping for å unngå at betongen frøs om vinteren, og gav samtidig en akselererende herding av betongen. Kalsiumklorid i betong har skapt store korrosjonsproblemer, og er derfor ikke akseptert lenger. Tinesalter, sjøvann, klorering i vann og industrielle prosesser er i dag de største kloridkildene.
I henhold til Norsk Standard NS 3420 skal ikke kloridinnholdet i armert betong overstige 0,4 masseprosent av sementvekten. For enkelte spesielle konstruksjoner er kravet vesentlig strengere. Det er blant annet konstruksjoner med spennarmering og konstruksjoner i spesielt kloridrike miljøer (utsatt for sjøvann og veisalt). Disse har et krav på at kloridinnholdet ikke skal overstige 0,1 masseprosent av sementmengden.
Når betongen utsettes for klorider, oppstår diffusjonen via et system av kapillærporer, riss og svakheter i betongen. Klorider trenger lettere inn i en porøs og/eller opprisset betong enn i tett betong.
Transportmekanismene blir vanligvis delt inn i følgende kategorier:
- Diffusjon: Transport av klorider skjer på grunn av ulike konsentrasjoner av klorider i forskjellige soner. Kloridene diffunderer alltid til områder med mindre kloridinnhold.
- Permeabilitet: Kloridtransporten oppstår på grunn av variasjoner i hydraulisk trykk. Kloridioner forflytter seg til områder med lavere hydraulisk trykk. Permeabilitet kan oppstå i konstruksjoner med høy intensitet av riss og defekter.
- Migrering: Klorider transporteres på grunn av forskjeller i elektrisk potensial. Kloridene transporteres til soner med mindre elektrisk potensial. Et eksempel er ved krypstrøm fra T-bane-tunneler. De negative kloridionene migrerer til de anode (positive) sonene av armeringen, øker korrosjonsraten og forårsaker rust. Migrering anvendes ved elektrokjemisk kloridutvinning, og med variable testmetoder bestemmes diffusjonskoeffisienten for kloridene.
- Konveksjon: Transport av klorider skjer på grunn av det variable fuktinnholdet i betongen. Vannet, med klorider, beveger seg alltid til mindre fuktige områder, selv om alle andre parametere er like. Et spesielt tilfelle av konveksjon er ved herdingen av betongoverflaten. Porevannet i betongen beveger seg mot overflater som er utsatt for fordampning. Et annet spesielt tilfelle er ved gjentagende intervaller med fukt og tørke, som kan involvere høye konsentrasjoner av klorider i overflaten.
Karbonatisering:
Karbonatisering er en kjemisk prosess som oppstår fordi CO2 (karbondioksid) i luften trenger inn og forsurer betongen (reduserer pH-verdien til under 9,5). Dette skjer med all ubehandlet betong og hastigheten på denne prosessen er sterkt avhengig av betongkvaliteten. Når prosessen har kommet så dypt i betongen at den når armeringen, vil denne kunne begynne å ruste. All betong som ikke er beskyttet er utsatt for denne prosessen. Et typisk kjennetegn ved karbonatiseringsinitiert korrosjon er en jevn rustoverflate på armeringsjernet. Betongen utenfor armeringsjernet er ofte ”sprengt” løs. Armeringsjern som ligger like under overflaten (liten overdekning) har minst beskyttelse og ruster først. Hvor langt denne prosessen er kommet kontrolleres ved å borre/meisle inn i betongen og påføre et stoff som heter Fenoftalein. Karbonatisert betong beholder da sin naturlige gråfarge, mens betongen som ikke er karbonatisert blir rød-rosa. Ut i fra dette kan karbonatiseringsdybden bestemmes.
Karbonatiseringsprosessen