7 KONSEKVENSER AV ARMERINGSKORROSJON
7.4 I NNVIRKNING AV KORROSJON PÅ HEFTEGENSKAPER
Heftfasthet mellom armeringsstålet og betongen er nødvendig for de hovedlastbærende mekanismene for bøying, skjær og aksiallast. Heftfastheten kan beskrives som
skjærspenninger på overflaten av armeringsstengene, som ligger innstøpt i betongen, og sørger for samvirke mellom betong og armering [32].
Når armeringskorrosjon oppstår i en konstruksjon, vil dette sannsynligvis først få konsekvenser for heftegenskapene mellom armering og betong. Korrosjonsskader i en konstruksjon blir som oftest oppdaget ved at det danner seg spalteriss i overdekningen utenfor armeringen. Forsøk har faktisk vist at litt korrosjon virker gunstig på heftfastheten, mens det antas en gradvis reduksjon etter at det er blitt spalteriss. At litt rust er gunstig for heftfastheten kan forklares med at armeringen i betongen ikke kan bevege seg like mye dersom mengden rust øker, siden den da påfører betongen rundt et innvendig trykk. I tillegg vil armeringsstålets ruhet øke i de tidligste fasene av korrosjon, og slik får friksjonen mellom armeringen og betongen en økning. Det første spalterisset trenger imidlertid ikke å ha så mye å si for heftfastheten, i hvert fall ikke dersom det befinner seg tverrarmering, som bøyler, utenfor armeringen som krysser risset. Etter hvert som det ruster mer avtar heftfastheten ganske sterkt [24,32].
Glatt stål og kamstål er de vanligste armeringstypene. Heftfasthet mellom glatt stål og betong er avhengig av friksjon og adhesjon, mens heftfasthet mellom kamstål og betong er i tillegg avhengig av mekanisk låsing. Kamstål er i dag mest brukt. Glatt stål har en tendens til å svikte ved at den blir revet ut av betong, uten å etterlate seg store skader på betongen.
Kamstål med liten betongoverdekning vil svikte som et resultat av langsgående riss. Med større overdekning, eller med bøylearmering tilstede, vil kamstål rives ut som et resultat av at kammene knuser den tilstøtende betongen. Kamstål har større heftfasthet enn glatt stål med samme armeringsdiameter [32]. I tillegg til armeringsstype er følgende parametere med på å påvirke heftfastheten mellom armering og betong:
Betongoverdekning Betongens strekkfasthet
Bøylearmering Armeringens forankringslengde
Lateralt trykk Reduksjons av armeringsdiameter som følge av korrosjon
Plassering av armering
Buevirkning
Når en bjelke er påvirket av ytre krefter øker heftspenningene, og vil være størst ut mot oppleggene. Kapasiteten til bjelken er avhengig av heftfasthet for å kunne overføre krefter fra strekkarmeringen til betongen. Med en avtagende heft, får man også en avtagende
7 KONSEKVENSER AV ARMERINGSTVERRSNITT
overføring av krefter mellom armering og betong. Dersom heftfastheten forsvinner helt, vil armeringsstengene og betongen virke uavhengig av hverandre. Med manglende heft vil spenningene i stålet etter hvert jevne seg ut og bli konstante over det frilagte område.
Bjelken vil da gå i brudd, eller finne andre måter å bære lasten på. En buevirkning, som illustrert på Figur 142, kan da bli resultatet. Bjelken bærer da lasten som en bue, og lasten føres langs buen ned til oppleggene. Buevirkning forutsetter tilstrekkelig forankring ved opplegg [32].
Beregning av heftstyrke
Ved beregning av heftstyrke er det i denne oppgaven valgt å legge vekt på Tepfers tilnærming til heftstyrke mellom armering og betong ved korrosjon [32]:
𝑓𝑏 = 𝑓(𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑜𝑛)0,6(0,5 +𝑐
𝐷)𝑓𝑐𝑡
Hvor f(corrosion) = Funksjon for korrodert armeringsmengde
c/D = Forholdet mellom betongoverdekning og armeringsdiameter fct = Betongens strekkfasthet [N/mm2]
Tepfers uttrykk er anvendbart for bestemmelse av både korrodert og ikke-korrodert armeringsjern. For enkelhets skyld settes uttrykket for f(corrosion) og 0,6 lik variabelen k [32]:
𝑓𝑏 = 𝑘(0,5 + 𝑐
𝐷)𝑓𝑐𝑡 (7.1) Webster opplyser at ved hjelp av lineær regresjon av prosentvis korrosjon, reduksjon av armeringsradius, areal av korrodert område og prosentvis reduksjon av armeringens radius fås følgende uttrykk for k:
𝑘 = 0,44 − 0,015𝐴𝑐𝑜𝑟𝑟 (7.2) Figur 142: En bjelke som mister heftfasthet kan få en buevirkning for
lastbæring [32]
7 KONSEKVENSER AV ARMERINGSTVERRSNITT
188
Hvor Acorr angir mengden armeringsareal som har gått tapt på grunn av korrosjon. Kammene på armeringsjernet vil korrodere først. Ulik korrosjonsgrad gir ulik nominell diameter, og gir Acorr med varierende størrelse.
Rodriguez et al [35] har utført tester som indikerer at bøylearmering bidrar betydelig til heftstyrken til korroderte kamstål. Reynolds ligning kan estimerer en økning (fb.link) på heftstyrken for kamstål med bøylearmering [32]:
𝑓𝑏.𝑙𝑖𝑛𝑘 =𝑘𝑙𝑖𝑛𝑘𝐴𝑠𝑣
𝑠𝑣𝐷 (7.3)
Hvor Asv = Bøylearmeringens areal
sv = Avstand mellom bøylearmering D = Lengdearmeringens diameter klink = Variabel fra testing
Webster har i Rodriguez et al. sine testdata funnet at klink kan settes lik 75. Ved å kombinere ligning (7.1), (7.2) og (7.3) får man et uttrykk for total heftstyrke for korrodert kamstål med bøylearmering:
𝑓𝑏 = (0,44 − 0,015𝐴𝑐𝑜𝑟𝑟) (0,5 +𝑐
𝐷) 𝑓𝑐𝑡+75𝐴𝑠𝑣
𝑠𝑣𝐷
7.4.2.1 Studier og testing
Det er blitt utført en rekke studier og forsøk med hensyn til heftfasthet. Tahershamsi [34]
oppsummerer sine studier med utfordringene i å bestemme effekten av korrosjon på heftegenskapene. En ikke-uniform spenningsfordeling gjør bestemmelsen av korrosjonens effekt på heft vanskelig. Ulike miljø- og materialparametre gir ulike forutsetninger for tidligere gjennomførte forsøk, og dermed varierende resultater. Det blir ofte benyttet akselerert korrosjon i forsøk, noe som ikke alltid gjenspeiler situasjonen for en konstruksjon utsatt for naturlig korrosjon. Ved sammenligning mellom akselerert og naturlig korrosjon ser man gjerne at den naturlig korroderte testprøven gir en langt høyere heftfasthet enn den med akselerert korrosjon. Strømstyrke opp til 4-5 mA/cm2 brukes i laboratorier, og er vesentlig høyere enn verdier målt i felt. Prøver med høy strømstyrke kan få et brått fall i heftfasthet, mens lavere strømstyrke gir en mer gradvis reduksjon i fasthet [32,34]. Studiene gir likevel en generell tendens for effekten av korrosjon på heftfastheten, som illustrert i Figur 143.
7 KONSEKVENSER AV ARMERINGSTVERRSNITT
Webster [32] har i sin doktorgradavhandling oppsummert armeringskorrosjonens
konsekvenser på heftfastheten, i de ulike fasene av heftreduksjon. Tabell 59 gir en oversikt over typisk oppførsel av de ulike fasene av heftreduksjon, som Webster kom fram til i sine studier.
Tabell 59: Typisk oppførsel av de ulike fasene av heftreduksjon [32]
Figur 143: Armeringskorrosjonens påvirkning på heftfastheft [24]
7 KONSEKVENSER AV ARMERINGSTVERRSNITT
190
Fang et al. [36] har sett på hva graden av korrosjon har av betydning for heftegenskapene.
Glattstål og kamstål, med og uten bøylearmering, ble testet ved uttrekksforsøk. Testene kunne påvise at kamstål uten bøyler var svært sensitive for korrosjon. Ved økende
korrosjonsnivå avtok heftegenskapene raskt. Ved 9 % korrosjon var heftfastheten redusert til en tredjedel av fastheten til den ikke-korroderte referanseprøven. Prøven viste en økning i heftfasthet ved lav korrosjonsgrad, som nevnt tidligere vil litt korrosjon virke gunstig for heften. I prøver med kamstål og bøylearmering sammen, fant Fang et al. at heftegenskapene var lite påvirket av korrosjonsgraden.
Dette er i samsvar med resultater fra Almusallam et al. [37] sine studier. Almusallam et al.
fant at maksimal heftfasthet oppnås ved 4 % korrosjon. For denne korrosjonsgraden var heftfastheten nesten 13 % høyere enn heftfastheten til den ikke-korroderte prøvebjelken.
Når korrosjonsgraden passerer 4 % fås et markant fall i heftfasthet, og utglidning øker med avtagende bruddlast. For kamstål kommer fallet plutselig på grunn av oppsprekking av betongoverdekningen. Ved økende korrosjonsgrad vil også kamstål oppføre seg mer som glattstål, da kammene korroderer vekk. Heftbrudd oppstår da ved lavere laster fordi armeringsjernet har mistet mye av sin forankringsevne til betongen. Korrosjonsproduktet virker dessuten som et smøremiddel som reduserer friksjon mellom armering og betong. Da korrosjonsnivået på kamstål oversteg 25 % ble det målt en kraftig reduksjon i heftfasthet, og fallet fortsatte opp til 45 %. Ytterligere korrosjon gav ingen stor effekt på heftfastheten.
Dette kan forklares ved at rissene som oppstår vil på et tidspunkt ikke lenger påvirke heftfastheten nevneverdig. Ved brede nok riss har armeringen allerede mistet mye av forankringskraften, og en fortsatt økning i rissvidde vil gi lite effekt. Det er allerede så liten heftfasthet at armeringen lett kan gå til brudd ved at den dras ut av betongen.
Hanjari et al. [38] utførte eksentriske uttrekksprøver. Han ønsket å studere effekten av korrosjon som fører til riss samt effekten av korroderte og ikke-korroderte armeringsbøyler på forankringen av deformerte armeringsstenger. Uttrekksforsøkene ble gjort på tre ulike prøvetyper:
Testresultater viste at prøvene med høyest korrosjonsgrad hadde opp mot 20 % vekttap for lengdearmering, og 35 % for bøylearmering. Resultatet viste tendenser til at heftfastheten var mindre påvirket av korrosjon når konstruksjonsdelen hadde bøyler. Dette indikere hvor viktig det er at bøylearmering er tilstede når betongen påføres riss. Ved avskalling av
betongoverdekning er det kun bøylearmeringen som motvirker tverrutvidelse. Plassering av lengdearmering for Type A hadde stor betydning. Denne typen er uten bøylearmering og ved 8,7 % korrosjon hadde hjørnestengene opp mot 50 % reduksjon i heftfasthet. Det er i tillegg påvist at økt betongoverdekning krever større korrosjonsgrad for at langsgående riss skal oppstå på betongoverflaten. Tykkelsen på betongoverdekning påvirker ikke heftfastheten.
7 KONSEKVENSER AV ARMERINGSTVERRSNITT
For prøvene i Type B og Type C hadde plassering av lengdearmering mindre betydning.
Reduksjon i heftfasthet var minst for Type B, hvor bare lengdearmeringen var utsatt for korrosjon. Dette kan være på grunn av det effektive samspillet mellom bøyler og
lengdearmering i hjørnene av tverrsnittet. For Type C, med korroderte bøyler, krevdes det over 50 % for å få en nevneverdig reduksjon av heftfasthet. En tilsvarende situasjon vil være brudd i bøylebein som følge av pittingkorrosjon, eller at bøylene er nesten borte på grunn av uniform korrosjon [38].
7.4.2.2 Praktiske hensyn
Heftfasthet er oftest et problem i forbindelse med forankring av stengene ved oppleggene og der hvor de gjerne er skjøtt med omfaring. I et vanlig bjelkespenn er heftspenningene vanligvis ikke større enn at en av armeringene vil klare å overføre disse selv om mye av overdekning skulle være skallet av. Oppleggene er mindre utsatt for stor reduksjon i
heftfasthet enn spennet, da det her som oftest oppstår samtidig tverr-trykk. Oppleggene er i tillegg ikke like utsatt siden de ligger mer gunstig til, spesielt med tanke på
kloridinntrengning.
En må være spesielt oppmerksom på korrosjonsskader ved skjøter hvor det er behov for kraftoverføring og der hvor armeringen avtrappes eller avsluttes. Armeringsskjøter skal helst plasseres i områder med lite kraft i armeringen, men dette er ikke alltid gjennomførbart.
Dette kan for eksempel være steder hvor støttearmering i dekker avsluttes. Med dårlig heftfasthet i slike områder, kan en få problemer med å bygge opp spenningen i armeringen over støtte. Opptak av støttemoment blir også problematisk. Støttearmering i dekker på broer som saltes mye er spesielt utsatt. Mangel på tverrarmering på utsiden kan også gjøre støttearmering mer utsatt.
Utbedring av korrosjonsskade i et forankrings-skjøteområde så tidlig som mulig bør derfor være en hovedregel. Selv med utenforliggende tverrarmering, er det ofte et problem at bøylene er tynnere og kan være sterkt angrepet av korrosjon før en ser de langsgående spalterissene langs hovedarmeringen. Dette gjelder spesielt for bøyler i hjørnet av bjelker.