Zink i betong 2

Korrosion på förzinkat stål och kolstål i karbonatiserad och kloridhaltig betong

Det finns farhågor mot att använda förzinkat stål i betong. I ett tidigare arbete, Bygg & teknik (7/99), visades dock att förzinkat stål passiverades snabbt efter ingjutningen: den inledande korrosionen i färsk och ung betong avstannade och vätgasutvecklingen som befarats påverka vidhäftningen var kortvarig. Resultaten från den här redovisade undersökningen visar att förzinkat stål också fungerar bra i både karbonatiserad betong och i kloridhaltig betong. Inte heller är vidhäftningen mellan förzinkade stänger och betong något problem: den är lika bra för förzinkade stänger som för vanliga armeringsstänger av kolstål, men det tar längre för förzinkat stål än för kolstål att nå full vidhäftningsstyrka.

I ett tidigare arbete (Vinka & Becker, 1999) undersöktes korrosionens inledningsskede hos förzinkat stål i betong med kromatreducerad cement utan klorider. Inledningsskedet i färsk, ung och nästan hårdnad betong har nämligen ansetts vara kritiskt för förzinkningsskiktet. I undersökningen framkom att förzinkat stål med både blankt zinkskikt (zinkbeläggningens yttersta skikt består av ren zink) och grått zinkskikt (järn-zinklegering i hela skiktet) passiverades, det vill säga övergick från aktivt tillstånd med hög korrosion till passivt tillstånd med mycket låg korrosion, i betong med de kromatreducerade cementsorterna Std P Slite respektive Anläggningscement.

Tiden för vätgasutveckling på provplåtarna av förzinkat stål kunde uppskattas till 1-2 dygn. Riskerna med vätgasutveckling på förzinkat stål i betong förefaller alltså att vara klart överdrivna. Det kunde konstateras att förzinkat stål klarar sig mycket bra i betong med kromatreducerad cement. Ytterligare skyddsåtgärder som doppning av förzinkat gods i natriumsilikatlösning (vattenglaslösning) före ingjutning, tillsats av silikastoft till betongen eller utomhusexponering av förzinkat material före ingjutningen i betongen är inte nödvändiga.

I det här beskrivna arbetet undersöktes korrosionsegenskaperna hos förzinkat stål i kloridhaltig betong och i karbonatiserad betong med och utan klorider. Resultaten har delvis rapporterats tidigare, Vinka (2002).

Undersökningen delades upp i två moment: (1) Korrosion hos förzinkat stål och kolstål i kloridhaltig betong och (2) Korrosion hos förzinkat stål och kolstål i karbonatiserad betong med och utan klorider. Undersökningarna utfördes under användarbetingelser med exponering i betong och inte i vattenlösningar. Exponeringarna lades upp som jämförande provning mellan varmförzinkat stål och kolstål. Stänger av varmförzinkat kolstål och varmvalsat kolstål med glödskal på metallytan göts in i betong med standard Portlandscement, Std P Slite. Exponeringarna skedde i permeabel betong (vattencementtal, vct, 0,71) och med tunt täckskikt (15 mm) hos betongen.

Vid undersökningarna användes kromatreducerad standard Portlandscement, Std P Slite med beteckning CEM I 42,5 R enligt svensk standard SS-EN 197-1. Cementen tillverkades av Cementa AB, Danderyd. Den kemiska sammansättningen hos det använda cementet har analyserats vid Scancem Research AB, Slite och visas i tabell 1 och 2 .

1) Årsmedelvärde från cementanalyser under 1999 vid Scancem Research AB, Slite.

Betongens proportionering per m 3 betong framgår av tabell 3 . Cementhalten var 270 kg/m 3 . Betongens vattencementtal, vct, var 0,71. Vid betongtillverkningen användes som sand och fingrus betonggrus (0 - 8 mm) och som sten ärtsingel (8 - 16 mm). Kornstorleksfraktioner hos betonggruset framgår av tabell 4 . Medelfuktkvoten hos sanden var 2 mass-% av torrt material och 0,4 mass-% för sten. Inga tillsatsmedel användes vid betongtillverkningen. Som blandning- och härdningsvatten vid betongtillverkningen användes Stockholms tappvatten. Stockholms tappvatten används också vid sprayningen av betongblocken.

Vid undersökningarna användes slät stång Ss 260S av SS-stål 14 11-10 enligt svensk standard SS 14 14 11 med dimension och form enligt svensk standard SS 21 25 11. Stängerna är kommersiell armeringsstång med diametern 16 mm från Fundia Armering AB, Halmstad. Stålets övre sträckgräns är 260 MPa och det är ett varmvalsat kolstål. Stålet i provstängerna innehöll 0,25 mass-% kisel och 0,02 mass-% fosfor. Provstängerna användes i leveranstillstånd med glödskalet på metallytan. Hälften av dem varmförzinkades. Ingen förbehandling utfördes av stängerna av kolstål och förzinkat stål före exponeringen i betong. De varmförzinkade stängerna kromaterades inte.

Provstängerna varmförzinkades av AB Lysezink, Lysekil med så kallad torrförzinkning i blyfritt zinkbad vid cirka 460 ºC. Medelskikttjockleken för zinkskiktet på provstängerna var 184 T m som motsvarar beläggningsmassan 1325 g/m 2 . Vid varmförzinkning bildas zinkskikt med olika struktur och järnhalt. Järnhalten är högst i legeringsskiktet närmast kolstålsytan och avtar successivt i de yttre legeringsskikten. Strukturen hos de bildade zinkskikten undersöktes med mikroskop efter etsning. Hela förzinkningsskiktet på stängerna bestod av järn-zinklegering (grått zinkskikt) med ett tjockt Ñ-skikt och det fanns inget Õ-skikt med nästan ren zink längst ut på zinkskiktet.

Provstängerna, med diametern 16 mm och längden 300 mm, göts in liggande i betong med gjutningsform av formplywood med den invändiga dimensionen 500 x 400 x 55 mm. Täckskiktet hos betongen var 15 mm. I varje betongblock göts sammanlagt sex provstänger in, tre stänger av varmförzinkat kolstål och tre stänger av varmvalsat kolstål med glödskal på metallytan. Stängerna var placerade så att materialen alterneras i betongblocken, det vill säga bredvid en kolstålsstång låg en stång av varmförzinkat stål, se figur 1 . I några betongblock göts också in en referenselektrod och stänger med kabelanslutning för mätning av korrosionspotential. Tillverkning av betongen och ingjutningen av provplåtar utfördes i samarbete med Sycon Stockholm Konsult AB, Materialprovningen, Stockholm.

Klorider i form av natriumklorid, NaCl, sattes till betongen med blandningsvattnet vid gjutningen. Kloridhalten i betongen varierades genom att använda blandningsvatten med olika kloridhalt: 0, 0,5, 1 och 2 mass-% Cl· av cementens torra massa.

Efter gjutningen begöts betongytan med tappvatten och betongblocken täcktes med plastfolie. Betongblocken fick fukthärda inomhus under 18 dygn, varefter blocken fick lufthärda inomhus under 45 dygn. Den totala härdningstiden var alltså 63 dygn (två månader). Efter denna inledande härdningsperiod sprayades betongblocken tre gånger i veckan med tappvattnet i Stockholm. Betongblocken med provstängerna exponerades inomhus i en uppvärmd och torr förrådslokal. Temperaturen i lokalen låg i intervallet 15 - 20 °C.

En del av betongblocken karbonatiserades efter härdningen under 30 dygn i en provkammare med hög koldioxidhalt. Karbonatisering innebär att luftens koldioxid, CO 2 , tränger in i betongen och neutraliserar den ursprungliga starkt alkaliska miljön. Karbonatiseringen tränger in som en front i betongen och ger upphov till kraftig sänkning av porvattnets pH-värde. Betongen i hela betongblocket blev karbonatiserad. Efter karbonatiseringen påbörjades sprayningen av betongblocken.

Utvärdering av korrosionshastighet
Korrosionshastigheten utvärderades genom massförlustbestämning. Tillvägagångssättet är att provföremål exponeras under en bestämd tid i ett korrosionsmedium, som i detta fall utgjordes av betong. Massminskningen (massförlusten) på grund av korrosionen bestäms genom att provföremålen vägs före exponeringen och vid exponeringens slut, efter det att provföremålen rengjorts från korrosionsprodukter och betongrester genom upprepad betning i ett betmedel, som väljs med hänsyn till metallen. De varmförzinkade stängerna betades i mättad glycinlösning vid rumstemperatur och kolstålsstängerna i Clarkes lösning (20 g/l Sb 2 O 3 och 60 g/l SnCl 2 ·2H 2 O i koncentrerad HCl) vid rumstemperatur.

Vid bestämning av lokal korrosionshastighet uppmättes de tre djupaste frätgroparna på varje kolstålsstång med mikroskop. De lokala korrosionsangreppen på kolstålsstängerna granskades speciellt. Vid bedömning av de lokala angreppen användes bedömningstal som visas i tabell 5 . I tabell 6 och 7 anges ett medelbedömningstal för lokala korrosionsangrepp från tre provstänger.

Tabell 5 Bedömningstal för lokala korrosionsangrepp vid visuell granskning av kolstålsstänger efter
exponering i betong:

Bedömningstal	Lokalt korrosionsangrepp
0 1 2 3 4	Inget lokalt korrosionsangrepp Obetydligt lokalt korrosionsangrepp Litet lokalt korrosionsangrepp Måttligt lokalt korrosionsangrepp Kraftigt lokalt korrosionsangrepp

Kloridhalten i betongen analyserades som lättlöslig Cl· vid spräckning av betongblocken. Vid analysen löstes cementen i betongen upp i svag syra, 10 mass-% ättiksyra, och kloridhalten bestämdes sedan med jonselektiv elektrod. Kloridanalyserna av betongen utfördes av Sycon Stockholm Konsult AB, Materialprovningen, Stockholm.

Karbonatiseringsdjupet i betongen analyserades enligt svensk standard SS 13 72 42. Vid bestämningen sprayas en indikatorvätska bestående av 3 mass-% fenolftalein löst i 95 mass-% etanol på ett frilagt tvärsnitt av betongen. I basisk miljö (pH ³ 9,2) färgas indikatorvätskan röd och den blir ofärgad vid lägre pH-värden. Karbonatiserad betong förblir ofärgad, medan icke karbonatiserad betong rödfärgas.

I tabell 6 visas medelskikttjocklek och korrosionshastighet för jämn korrosion för zinkskiktet på de varmförzinkade stängerna. För kolstål visas korrosionshastighet för jämn och maximal lokal korrosion samt medelbedömningstal för lokala korrosionsangrepp på stängerna. Stängerna exponerades i betong med varierande kloridhalt under 0,73 respektive 1,44 år. I tabell 7 visas samma parametrar för varmförzinkade stänger och kolstålsstänger som exponerats i betong med olika behandling (ingen behandling, tillsats av 1 mass-% Cl·, karbonatiserad betong med och utan tillsats av 1 mass-% Cl·) under 1,86 år. Alla betongblock sprayades under exponeringarna tre gånger i veckan med tappvatten.

Som framgår av tabell 6 hade stängerna av kolstål korroderat mer än stängerna av varmförzinkat stål i kloridhaltig betong. Korrosionsangreppen ökade också för båda materialen med ökande halt av klorider i betongen. Korrosionsangreppen på de förzinkade stängerna var av jämn karaktär (jämn korrosion, tidigare benämnd allmän korrosion). De kraftigaste korrosionsangreppen var för båda materialen lokaliserade till stängernas ovansida närmast betongytan som sprayades. För förzinkat stål ökade korrosionshastigheten kraftigt i kloridhaltsintervallet 1 till 2 mass-% Cl·, figur 2 . Detta är i mycket god överensstämmelse med de tidigare fältundersökningar av förzinkat stål i betong (Treadaway, Brown & Cox, 1980; Nürnberger, 1995). Ett gränsvärde för förzinkat stål i betong förefaller ligga vid den totala kloridhalten 1,5 mass-% av cementmassan. Nürnberger (1995) kom också fram till samma slutsats. För kloridhalter £ 1,5 mass-% Cl· kommer alltså förzinkat stål att klara sig bra. För högre kloridhalter än 1,5 mass-% kommer zinkskiktet på stålet att ge ett tidsmässigt mera begränsat skydd. På kolstålsstängerna erhölls kraftiga lokala korrosionsangrepp med djupa frätgropar vid kloridhalter ³ 1 mass-% Cl·.

Förzinkat stål korroderade också mindre än kolstål i karbonatiserad betong med och utan tillsats av kloridjoner i betongen, tabell 7 . Förzinkat stål har mycket god korrosionshärdighet i karbonatiserad betong. Av undersökningen framgår att förzinkat stål är mera känsligt för höga kloridhalter än av pH-sänkningen i karbonatiserad betong. Korrosionsangreppen på de förzinkade stängerna var av jämn karaktär. I karbonatiserad betong utan kloridtillsats var korrosionsangreppet på kolstålet också av jämn karaktär. Vid tillsats av klorider till betongen erhölls kraftiga lokala korrosionsangrepp med djupa frätgropar på kolstålsstängerna. I figur 3 visas förzinkade stänger och i figur 4 kolstålstänger efter exponering 1,86 år i betong med olika behandling.

Vid användning av Anläggningscement istället för Std P Slite i betongen torde korrosionsangreppen bli än lägre på förzinkat stål i kloridhaltig betong eftersom dels var korrosionshastigheten något lägre i Anläggningscement än i Std P Slite i den tidigare undersökningen vid Korrosionsinstitutet (Vinka & Becker, 1999) och dels är kloridbindningsförmågan bättre i Anläggningscement, trots lägre C 3 A halt, än i Std P Slite (Byfors, 1990). Mindre permeabel betong med lägre vattencementtal och tjockare täckskikt hos betongen kommer givetvis att fördröja transporten av kloridjoner fram till armeringen och öka livslängden hos det förzinkade stålet.

I det tidigare arbetet (Vinka & Becker, 1999) och i den här redovisade undersökningen framkom att den initiala vätgasutvecklingen på zinkytan inte ställer till några problem för förzinkade stänger i betong. Däremot är användningen av förzinkade stålfibrer i fiberarmerad betong mera problematisk, Fratesi (2001). I fiberarmerad betong kan vätgasutvecklingen på zinkytorna ge upphov till porös betong och dålig vidhäftning mellan fibrerna och betongen. Detta beror på att arean hos fibrerna per m 3 betong är mycket stor. Mängden bildad vätgas ökar med ökande mängd förzinkade fibrer per m 3 betong. I fiberarmerad betong kommer inte alltid all bildad vätgas att kunna lösas i porvattnet i betongen och transporteras bort via diffusion i vätskefas. Mättnadsgränsen för vätgas i vattnet överstigs då och vätgasblåsor bildas. Vid borttransport av vätgas i gasfas (gasströmning) kan betongen närmast stålfibrerna bli porös. Den tekniska lösningen på problemen är att kromatera de förzinkade fibrerna eller att limma ihop fibrerna till flak med ett kromathaltigt lim.

Tabell 6. Korrosionsparametrar för provstänger som exponerats i betong med olika kloridhalt under 0,73 respektive 1,44 år. För zinkskiktet på varmförzinkat kolstål anges medelskikttjocklek och korrosionshastighet för jämn korrosion. Korrosionshastighet för jämn och maximal lokal korrosion samt medelbedömningstal för lokal korrosion anges för kolstål. Resultaten redovisas som medelvärde (med standardavvikelse) för tre provstänger som exponerats i samma betongblock. I tabellen anges också kloridhalten vid provstängerna på avståndet 15 - 31 mm från betongens ytteryta.

Tabell 7. Korrosionsparametrar för provstänger som exponerats i betong med olika behandling av betongen under 1,86 år. För zinkskiktet på varmförzinkat kolstål anges medelskikttjocklek och korrosionshastighet för jämn korrosion. Korrosionshastighet för jämn och maximal lokal korrosion samt medelbedömningstal för lokal korrosion anges för kolstål. Resultaten redovisas som medelvärde (med standardavvikelse) för tre provstänger som exponerats i samma betongblock.

Vid spräckningen av betongblocken kunde det konstateras att vidhäftningen mellan stängerna – både av förzinkat stål och kolstål – och betongen var mycket god. Vidhäftningen var dessutom bättre för de förzinkade stängerna än för kolstålsstängerna. Betongen satt mycket hårt fast på de förzinkade stängerna och betongresterna på stängerna löstes upp först vid betningen. Att det är svårare att få loss förzinkade stänger än kolstålsstänger från betong har också rapporterats av Kayyali & Yeomans (1995).

I undersökningar av Belaïd, Arliguie & François (2001) framkom att vidhäftningshållfastheten växer långsammare för förzinkade stänger än för kolstålsstänger. Detta gäller för både släta stänger och kamstänger. Vidhäftningen undersöktes med utdragsförsök efter 3, 7 och 28 dygns exponering. Vidhäftningen ökade med exponeringstiden för förzinkat stål. För släta stänger var vidhäftningen bättre för förzinkade stänger redan efter tre dygns exponering och för kamstänger var vidhäftningen lika bra för förzinkat stål som för kolstål efter 28 dygns exponering. Liknande resultat framkom i undersökningar av Koch & Wohlfahrt (1988). Vidhäftningen undersöktes för förzinkat stål efter 7, 14 och 63 dygns exponering och för kolstål efter sju dygns exponering. Vidhäftningen var bättre för förzinkat stål än för kolstål för både släta stänger och kamstänger. Vidhäftningen för förzinkat stål växte också med exponeringstiden. Fratesi, Moriconi & Coppola (1996) fann bättre vidhäftning för släta stänger av förzinkat stål än för kolstålsstänger vid exponering upp till ett år i kloridhaltig betong. Vidhäftningen för förzinkade stänger ökade också här med exponeringstiden. Fratesi (2002) fann även att vidhäftningen var lika för kamstänger av förzinkat stål och av kolstål efter exponering upp till ett år. Slutligen rapporterade Kayyali & Yeomans (1995) lika bra vidhäftning för kamstänger av förzinkat stål som av kolstål efter 35 dygns exponering.

Tidigare undersökningar av vidhäftningen mellan stänger av förzinkat stål respektive kolstål och betong har givit divergerande resultat. Orsaken till detta torde vara att utdragsförsöken utförts efter mycket kort exponeringstid, i vissa fall redan efter några dygn. För att få representativa resultat måste exponeringstiden vara betydligt längre. Den i betongsammanhang vanliga exponeringen på 28 dygn är också klart i minsta laget.

Släta stänger häftar mot betongen genom kemisk vidhäftning och kamstänger häftar genom friktionsvidhäftning. Friktionsvidhäftningen är betydligt större än den kemiska vidhäftningen. Vidhäftningsspänningen var för kamstänger ungefär dubbelt så hög som för släta stänger (Belaïd, Arliguie & François, 2001). Som slutsats av undersökningarna kan det konstateras att efter några månaders exponering i betong är vidhäftningen bättre för släta förzinkade stänger än för släta kolstålsstänger (den kemiska vidhäftningen är större för förzinkat stål än för kolstål) och vidhäftningen är lika bra för förzinkade kamstänger som för kamstänger av kolstål (friktionsvidhäftningen är lika stor för förzinkade kamstänger som för kamstänger av kolstål). Sammanfattningsvis kan det sägas att vidhäftningen mellan förzinkade stänger och betong inte är något problem eftersom vidhäftningen är lika bra som för vanliga armeringsstänger av kolstål.

I undersökningarna framkom att förzinkat stål har mycket god korrosionshärdighet i karbonatiserad betong. I kloridhaltig betong kommer förzinkat stål att klara sig bra vid totala kloridhalter mindre än 1,5 mass-% av cementmassan. För kloridhalter över 1,5 mass-% kommer zinkskiktet på det förzinkade stålet också att skydda det underliggande stålet men under en mera begränsad tid. Vidhäftningen mellan förzinkade stänger och betong är inte heller något problem: den är lika bra för förzinkade stänger som för vanliga armeringsstänger av kolstål.

Tack till Zinc Info Norden AB och medlemsföretagen i Nordic Galvanizers samt VINNOVA som finansierade projektet. Ett stort tack också till Veikko Lehtonen, Sycon Stockholm Konsult AB samt Mikael Becker (numera vid AvestaPolarit AB, Degerfors) och Jörgen Almqvist vid Korrosionsinstitutet.

Belaïd, F, Arliguie, G & François, R (2001), Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 13, sid 454 - 458.

Fratesi, R, Moriconi, G & Coppola, L (1996), Corrosion of Reinforcement in Concrete Construction (Page, C L, Bamforth, P B & Figg, J W, eds.). Special Publication No 183, sid 630 - 641. Society of Chemical Industry, Cambridge.
Fratesi, Romeo (2001), Universitetet i Ancona, Italien: Personligt meddelande.

Fratesi, R (2002), COST 521: Corrosion of Steel in Reinforced Concrete Structures. Prevention – Monitoring – Maintenance. Proc. Final Workshop, 18 - 19 February 2002, Luxembourg (Weydert, R, ed.), sid 33-44. RW Consult and IST – Luxembourg University of Applied Sciences, Luxembourg.

Kayyali, O A & Yeomans, S R (1995), Construction and Building Materials, vol. 9, sid 219 - 226.

Koch, R & Wohlfahrt, R (1988), Betongwerk + Fertigteil-Technik, vol. 54, nr 3, sid 64 - 70.

Nürnberger, U (1995), Korrosion und Korrosionsschutz im Bauwesen. Band 2, sid 900 - 904. Bauverlag GmbH, Wiesbaden.

Vinka, T-G (2002), COST 521: Corrosion of Steel in Reinforced Concrete Structures. Prevention – Monitoring – Maintenance. Proc. Final Workshop, 18 - 19 February 2002, Luxembourg (Weydert, R, ed.), sid 59-64. RW Consult and IST – Luxembourg University of Applied Sciences, Luxembourg.