Korrosjon på forzinket stål i betong

En artikkel av Tor-Gunnar Vinka og Mikael Becker, Korrosionsinstitutet i Stockholm.

Korrosjonsegenskapene til forzinket stål i betong er omdiskuterte. Det påstås ofte at man ikke skal støpe inn forzinket material i betong. Bland annet sies det at zinken korroderer hurtig og med kraftig hydrogenutvikling som fører til dårlig heft. Korrosionsinstitutet i Stockholm har gjennomført et prosjekt hvor korrosjonsbestandigheten til forzinket stål i betong er blitt undersøkt. Resultatene viste at forzinket stål klarte seg meget bra i betong med redusert kromatinnhold. Frykten for høy korrosjonshastighet med sterk hydrogenutvikling og dårlig heft synes ikke å være berettiget.

Forzinket armeringsstål er blitt lansert som et mer korrosjonsbestandig alternativ til ubelagt armeringsstål i betong. Siden 1983 har kromatinnholdet blitt redusert i all svensk sement, for å minske helserisikoen for dem som arbeider med betongen. I et forprosjekt – finansiert av Zinc Info Norden AB (Nordisk Forzinkingsforening) og NUTEK (Närings- och teknikutvecklingsverket i Sverige) – har korrosjonsegenskapene til forzinket stål blitt undersøkt under kontrollerte betingelser, for å bestemme anvendbarheten til forzinket stål i betong. Videre har man undersøkt om reduksjonen av kromatinnholdet har en negativ effekt på zinks korrosjonsbestandighet i betong.

Eksponering under anvendelsesbetingelser
I prosjektet ble korrosjonens initieringsfase i kromatredusert betong uten klorider, undersøkt under anvendelsesbetingelser. Initieringsfasen i fersk, ung og nesten herdet betong er blitt ansett for å være kritisk for forzinkningssjiktet. I denne perioden skal zinkens korrosjonshastighet være høy, og den kraftige hydrogenutviklingen på zinkoverflaten skal gi dårlig heft mellom det forzinkede stålet og betongen. For å simulere driftsforhold ble prøveplatene eksponert i betong, og ikke i vannløsninger, for eksempel kalsiumhydroksidløsning, som ofte har vært tilfelle i tidligere undersøkelser.

I prosjektet ville man i første rekke få svar på følgende spørsmål;

a) vil zinkoverflaten passivere, dvs. gå fra en aktiv tilstand med høy korrosjonshastighet til passiv tilstand med meget lav korrosjonshastighet, og
b) hvor lenge pågår hydrogenutviklingen på zinkoverflaten.

I undersøkelsen ble følgende parametre variert:
1) strukturen til zinksjiktet på prøveplatene
2) forbehandlingen av prøveplatene, og
3) sementtype.

Prøveplater av varmforzinket karbonstål med blankt zinksjikt (zinkbeleggets overflate består av ren zink) og med grått zinksjikt (jern-zinklegeringer i hele sjiktet) ble støpt inn i betongblokker. Den gjennomsnittlige beleggtykkelsen på prøveplater med blankt zinksjikt var 78 µm (1 µm = 0,001 mm), mens den for platene med grått zinksjikt var 107 µm. Prøveplatene med blankt zinkbelegg hadde typisk et såkalt h(eta)-sjikt bestående av ren zink med tykkelse 10-15 µm ytterst i belegget. Hele sjiktet på prøveplatene med grått zinkbelegg besto av jern-zinklegering med et vel 75 µm tykt såkalt x(zeta)-sjikt ytterst. Dette sjiktet har et jerninnhold på ca. 6 vektprosent.

Forbehandlingen av zinkoverflaten ble variert på følgende måte:

1) ingen forbehandling
2) dypping i natriumsilikatløsning (vannglassløsning) før innstøpning, samt
3) en utendørseksponering under tak i 60 døgn før innstøpning i betong.

Prøveplatenes dimensjoner var 120 x 100 x 5 mm. For hver forsøksvariant ble tre prøveplater støpt inn i betongen. To ulike svenske standard Portlandsementer, Std P Slite og Anläggningscement (Std P Degerhamn), med og uten tilsats av silikastøv (mikrosilika), inngikk i undersøkelsen. Anläggningscement er en lavalkalisk og sulfatresistent sement. Silikastøv, et restprodukt fra framstilling av ferrosilisium og silisium metall, inneholder ca. 90 vektprosent amorf silisiumdioksid, SiO2. Silikastøv ble tilsatt for å redusere pH-verdien til det absorberte vannet i betongen. I enkelte forsøk ble 10 vektprosent av sementen erstattet med silikastøv.

Under tilvirkning av betongen ble det tilsatt luftinnførende tilsetningsstoff samt tilsetningsstoff som bedrer flytegenskapene. Ingen andre tilsetningsstoffer ble anvendt. Betongens sammensetning fremgår av tabell 1. Betongens vann-sement forhold var 0,44, det samme som vannbindemiddelsforholdet etter tilsats av silikastøv til betongen. Minste betongtykkelse over armeringen, var 35 mm.

Betongblokken med de innstøpte prøveplatene sto utendørs uten noen form for vern mot regn, ved Korrosionsinstitutet i Stockholm, dvs. bymiljø. Prøveplatene ble tatt inn i to etapper, først etter ca. 50 døgn, og andre gang etter ca. 100 døgn. Under eksponeringen ble platenes korrosjonspotensial målt, bl.a. for å bestemme hvor lenge det var hydrogenutvikling på zinkoverflaten. Med korrosjonspotensial menes den korroderende prøveplatens elektrodepotensial, målt som potensialforskjellen (spenningen) mellom prøveplaten og en referanseelektrode. Prøveplater med kabeltilslutning for potensialmålinger, og en referanseelektrode (sølv/sølvkloridelektrode, Ag/AgCl) ble støpt inn i betongblokken. Sølv/sølvklorid-elektrodens potensial var ved 22 °C -24 mV sammenlignet med mettet kalomelelektrode (SCE) og +223 mV sammenlignet med standard hydrogenelektrode (SHE). Som grenseverdi for når hydrogenutviklingen opphørte ble korrosjonspotensialverdien -1100 mV relativt Ag/AgCl, benyttet.

Bestemmelse av vekttap – pålitelig metode
Korrosjonshastigheten ble bestemt på tradisjonelt vis, gjennom å måle vekttap. Prøveplatene veies før de eksponeres for en gitt tid i korrosjonsmediet, i dette tilfellet betong. Deretter veies de på nytt etter at korrosjonsproduktene er fjernet ved beising. Beisingen ble gjort i en kromsyreløsning ved 80 °C. Vekttapsmåling er den eneste helt pålitelige metoden for bestemmelse av korrosjonshastighet, og blir derfor brukt som referansemetode når korrosjonshastigheten bestemmes på annet vis, for eksempel ved hjelp av elektrokjemiske målemetoder.

Avvirkning og tid med hydrogenutvikling
Med utgangspunkt i middelverdien for hver gruppe av tre prøveplater med samme zinksjiktstruktur, samme forbehandling og eksponering i samme sementtype, viser tabell 2 avvirkningen, i enheten µm, for to eksponeringsperioder. Hver periode har en varighet på ca. 50 døgn. Avvirkningen for den andre eksponeringsperioden ble beregnet gjennom å bestemme differansen mellom avvirkningen etter ca.

100 døgns eksponering og avvirkning etter ca. 50 døgn. Den totale avvirkningen etter 100 døgn fås gjennom å addere avvirkningen fra de to eksponeringsperiodene. For prøveplatene som ble eksponert utendørs før innstøpning, så angir tabellen summen av avvirkning under foreksponering og eksponering i betong. Som det fremgår av tabell 2, var avvirkningen meget lav i den andre eksponeringsperioden. Nesten all korrosjon har skjedd i løpet av første perioden.

I figuren i begynnelsen av denne artikkelen  vises to diagram; det øverste viser korrosjonspotensialets variasjon for prøveplater med blankt (Dx 420) og grått (Dx 690) zinksjikt uten forbehandling i løpet av eksponeringens første 50 timer i betong med Std P Slite. Det nedre diagrammet viser forløpet gjennom hele eksponeringsperioden på knapt 2400 timer. Etter 15 timers eksponering av prøveplatene med grått zinksjikt, og 25 timer for plater med blankt zinksjikt, steg korrosjonspotensialet kraftig i positiv retning. Dette indikerer at zinkoverflaten passiveres, dvs. at den går fra aktiv til passiv tilstand.

Hydrogenutviklingen pågikk i 21 timer for plater med grått zinksjikt, og 30 timer for prøveplater med blankt zinksjikt, i betong med Std P Slite. Korrosjonspotensialet steg kraftig i positiv retning for alle prøveplater ett til to døgn etter innstøpningen, uavhengig av zinksjiktets struktur, forbehandling eller sementtype. Hydrogenutviklingen på platene pågikk også i ett til to døgn, mens metalloverflaten var aktiv. Tid med hydrogenutvikling på zinkoverflaten for de ulike forsøksvariantene fremgår av tabell 3. Det er trolig at nesten all registrert avvirkning har skjedd i løpet av de to første døgnene, mens zinkoverflaten var aktiv og korroderte under hydrogenutviklende korrosjon.

Forzinket stål klarer seg bra i betong!
Forzinkede prøveplater med både blankt og grått zinksjikt passiverte i kromatredusert betong med de svenske sementsortene Std P Slite og Anläggningscement. Korrosjonshastigheten til zinksjiktet var meget lav i passiv tilstand: Omregnet til avvirkning pr. år var den mindre enn 1 µm/år. Av zinkbelegget korroderte det på det meste kun 6 µm i løpet av 100 døgn. Det innebærer for eksempel at det for et 75 µm tykt zinkbelegg gjenstår minst 69 µm, eller 92%. Det er blitt påstått at forzinket stål ikke ville passivere i betongen, men at det ville korrodere aktivt med høy avvirkning. Undersøkelsene viser at det ikke er noen risiko for dette.

Avvirkningen var noe lavere i Anläggningscement enn i Std P Slite. Dypping i natriumsilikatløsning før innstøpningen i betong hadde en viss positiv effekt med lavere avvirkning i Std P Slite. Denne behandlingen hadde imidlertid ingen effekt i Anläggningscement. Tilsetning av silikastøv i betongen hadde lignende virkning: Noe lavere avvirkning i Std P Slite, men ingen klart effekt i Anläggningscement. Zinksjiktet oppbygging kunne imidlertid synes å ha en viss effekt; avvirkningen var noe lavere for stål med blankt zinksjikt (ren zink) enn for stål med grått zinksjikt (jern-zinklegering). Utendørseksponering av prøveplatene før innstøpning ga ingen tydelig effekt.

Tiden med hydrogenutvikling kan estimeres til ett til to døgn. Ved inspeksjon av betongen nær inntil prøveplatene kunne det ikke ses sprekker eller porer med det blotte øye. På prøveplatene fant man et meget tynt sjikt med grå-hvite korrosjonsprodukter. Det var altså ingen risiko for at korrosjonsproduktene på zinkoverflaten skulle virke sprengende på betongen. Hefte mellom prøveplater og betong var også meget god. Betongen satt meget hardt fast på platene, og løsnet først under beiseprosessen. Det må legges til at det ikke ble foretatt målinger av heftfasthet mellom forziket stål og betong. Det ble altså ikke funnet noen negative virkninger som følge av hydrogenutviklingen. Årsaken til dette må nok være at hydrogenutviklingen pågikk over så kort tid at all gass kunne løses i det absorberte vannet i betongen. Metningsnivået for hydrogengass i vann ble altså ikke oversteget. Det bygde seg derfor ikke opp blærer av hydrogengass, men gassen ble transportert bort gjennom diffusjon i det absorberte vannet. Som konklusjon av undersøkelsen kan det sies at risikoen med hydrogenutvikling på forzinket stål i betong synes å være sterkt overdrevet.

Sluttord
Som en sammenfatning kan man konstatere at forzinket stål klarer seg meget bra i kromatredusert betong. Det er ikke nødvendig å ta forholdsregler som dypping av det forzinkede godset i natriumsilikatløsning (vannglassløsning) før innstøpning, tilsats av silikastøv i betongen eller utendørseksponering av forzinket material før innstøpning i betong.

Prosjektet fortsetter nå med fase 2, som innebærer undersøkelser av forzinket stål i kloridholdig betong.

Takk
Først ønsker vi å takke Nordic Galvanizers og NUTEK som finansierte prosjektet. Vi vil også takke Sten B. Axelsen ved SINTEF Materialteknologi, Trondheim, som oversatte artikkelen til norsk.

Denne artikkelen er publisert i Bygg & teknik nr. 7/99, og BETONGindustrien NR 1 – 2000.
Artikkelen er gjengitt med tillatelse fra Korrosionsinstitutet i Stockholm og BETONGindustrien.