Vähähiilisten betonien säilyvyysluokitus : Kloridien tunkeutuminen betoneihin

Abstract

Uudessa eurokoodi 2:ssa betonit luokitellaan säilyvyysluokkiin eli ERC-luokkiin (exposure resistance class) sen perusteella, kuinka tehokkaasti ne vastustavat eri ympäristörasituksia. Käyttämällä paremman ERC-luokan betonia voidaan valita pienempi betonipeitepaksuus raudoitusteräksille. Yksi ympäristörasituksista on kloridirasitus, joka aiheutuu esimerkiksi merivedestä ja teiden suolauksesta, ja se aiheuttaa raudoitusterästen korroosiota. Kloridirasituksen vaikutuksia voidaan vastustaa valmistamalla mahdollisimman tiivistä betonia, mikä hidastaa kloridien diffuusiota betonissa. Betonista saadaan tiivistä käyttämällä suurta sideainemäärää, pientä vesi-sideainesuhdetta, pientä ilmamäärää ja korvaamalla osa sementistä masuunikuonalla. Masuunikuonaa saadaan terästeollisuuden sivuvirroista, joten käyttämällä sitä saadaan pienennettyä myös betonin hiilijalanjälkeä.

Kloridien tunkeutuminen betoniin on hidas prosessi, mutta sitä voidaan mallintaa kiihdytetyillä kloridikokeilla, joita ovat klorididiffuusiokoe ja kloridimigraatiokoe. Kloridimigraatiokoe on lyhytkestoinen ja yksinkertainen, mutta sen tulokset tulee kalibroida tarkemman mutta hitaamman klorididiffuusiokokeen tulosten avulla. Tässä diplomityössä testattiin kloridien tunkeutumista useihin eri betonilaatuihin molempien kokeiden avulla.

Kloridikokeiden tulosten perusteella testattavat betonit jaettiin ERC-luokkiin. Näille ERC-luokille mallinnettiin tarvittavat betonipeitepaksuudet suomalaisissa olosuhteissa eri rasitusluokissa 50 ja 100 vuoden käyttöiässä. Tämän lisäksi betonipeitepaksuudet laskettiin betonilaatukohtaisesti. Tulokset olivat loogisia ja pääosin alan kirjallisuuden mukaisia. Tulosten mukaan kloridien tunkeutumisnopeutta betoniin saadaan hidastettua käyttämällä suurta sementtimäärää, pientä vesi-sementtisuhdetta, pientä ilmamäärää ja suurta masuunikuonamäärää sideaineessa. CEM I-sideainetta sisältävät betonit estivät kloridien tunkeutumista niin heikosti, ettei niille voitu määrittää uuden eurokoodin mukaista ERC-luokkaa. CEM II/B-, CEM III/A- ja CEM III/B-sideaineet estivät kloridirasitusta sitä enemmän, mitä suurempi osa sementistä oli korvattu masuunikuonalla.

Betonipeitepaksuudet laskettiin betoneille kaksilla eri parametreillä, joista toisilla saatiin pienempiä minimipeitepaksuuden arvoja ja toisilla suurempia. Pienempiä arvoja aikaan saavia arvoja kutsuttiin alaraja-arvion mukaisiksi parametreiksi ja suurempia arvoja aikaan saavia arvoja kutsuttiin yläraja-arvion mukaisiksi parametreiksi. Kaksia eri arvoja käytettiin, koska paikallisen datan puuttuessa minimipeitepaksuuksille ei voitu määrittää tarkkoja arvoja. Alaraja-arvion mukaisilla parametreillä lasketut peitepaksuuden arvot olivat pääosin pienempiä kuin uudessa eurokoodissa esitetyt arvot, ja yläraja-arvion mukaisilla parametreillä lasketut arvot olivat pääosin suurempia kuin eurokoodissa esitetyt arvot. Lopulliset minimipeitepaksuuden arvot ovat todennäköisesti jotakin näiden väliltä.

In the upcoming Eurocode 2, concretes will be divided into ERC-classes (exposure resistance class) depending on their ability to prevent the actions of environmental stresses. A smaller concrete cover depth can be determined to a structure by choosing concrete with a better ERC-class. Chloride ingress is an environmental stress that causes depassivation and corrosion of concrete reinforcement. Chlorides ingress to concretes from seawater, road salting, and other sources. Chloride ingress can be prevented by using dense concrete. Concrete can be made dense by using a large amount of cement with a little water-binder ratio along with a small air amount and by replacing some of the cement with ground granulated blast furnace slag (ggbs). Ggbs is a by-product of the steel industry, so using it also reduces the carbon footprint of the concrete.

Chloride ingress in concrete is a slow process but can be modeled with the chloride migration test and the chloride diffusion test, which are accelerated chloride tests. Chloride migration test is a quick and simple method to test the ingress, but its results must be calibrated by using the results of the chloride diffusion test. In this thesis, chloride ingress to different concretes were tested using both tests.

Concretes were divided into different ERC-classes using the results of the accelerated chloride tests. Concrete cover depths were calculated to these ERC-classes using Finnish environment parameters in different exposure classes and with 50- and 100-years’ service life. Concrete cover depths were also calculated directly to each concrete type. The results were logical and consistent with literature. The results indicate that chloride ingress can be retarded by using a large amount of cement with a little water-binder ratio along with a small air amount and replac-ing some of the cement with ggbs. Concretes containing binder CEM I had the worst properties to preventing chloride ingress, and these concretes couldn’t be classified in the ERC-class ta-ble presented in the new Eurocode. Concretes containing binders CEM II/B, CEM III/A and CEM III/B prevented chloride ingress better the more blast furnace slag they contained.

Minimum concrete cover depths were calculated with two different sets of parameters. One set produced smaller cover depth values, and the other set produced larger cover depth values. The set that produced smaller values was called lower limit estimate, and the other set was called upper limit estimate. Two different sets of parameters were used because precise values could not be determined without sufficient local data for the parameters. Minimum cover depths calculated with the lower limit estimate parameters were mainly smaller than those presented in the new Eurocode, and cover depths calculated with the upper limit estimate parameters were mainly larger than those presented in the Eurocode. The final values for minimum cover depths will probably be something in between these values.