DK157918B - Armeret betonkonstruktion med korrosionsinhiberende egenskaber samt fremgangsmaade til fremstilling heraf - Google Patents

Description

DK 157918 B

Nærværende opfindelse angår en armeret betonkonstruktion og en fremgangsmåde til fremstilling heraf, som indbefatter brugen af visse betonblandinger, som uventet har vist sig praktisk taget helt at inhibere korrosion af ind-5 støbte armeringsjern eller jernholdige metalstykker i et længere tidsrum. Den foreliggende opfindelse omhandler en korrosionsinhiberende betonblanding, som består af beton med høj styrke, fremstillet ud fra hydraulisk cement, og som indeholder mindst ca. 2% calciumnitrit, beregnet på tørvægten 10 af cementen.

Beton fremstillet ud fra hydrauliske cementer, hvoraf Portlandcement er det mest almindelige eksempel, anvendes som byggekomponenter til forskellige anvendelsesformål, såsom til bygning af veje, brodæk, bygningskonstruktioner, 15 parkeringshøjhuse og lignende. For at forbedre betonens egenskaber, således at den kan anvendes til disse formål, anvendes den normalt i kombination med jern- eller stålarmerende konstruktioner. Disse armerende metalkonstruktioner, som sædvanligvis foreligger som metalstænger eller 20 -gitre, er udsat for angreb fra de forskellige korrosive elementer i betonen, samt for angreb på grund af anvendelsen af eksterne, korrosive elementer på konstruktionen, såsom chloridsalte og lignende, som er almindeligt anvendte i forbindelse med fjernelse af is og sne fra veje, broer, 25 gangbroer og lignende. Dertil kommer, at forskellige konstruktioner i anlæg beliggende ved kysterne og lignende steder, er udsat for korrosivt saltangreb fra omgivelserne. Reparation og udskiftning af sådanne konstruktioner, som er blevet svækket på grund af virkningerne af sådanne korrosive 30 kræfter, er omfattende og kræver i visse tilfælde en fuldstændig udskiftning af konstruktionen, da den ikke er egnet til den beregnede anvendelse.

I forsøg på at modvirke de korrosive virkninger, betonkonstruktioner normalt udsættes for, som anført ovenfor, 35 er der foreslået anvendt forskellige korrosionsinhiberende midler som iblandinger i forbindelse med fremstillingen.

DK 157918 B

2

Som eksempel kan nævnes, at brugen af natriumnitrit er beskrevet i japansk patentskrift nr. 33-940. Ifølge dette patentskrift kan natriumnitrit sættes til cement og beton under blandingen for at inhibere korrosion af armerende 5 jern- og stålstænger og -rammer. Som tilslag anvendtes der havsand.

Ifølge US-patentskrift nr. 3.210.207 kan der som acceleratorer i cementer anvendes blandinger af calciumfor-miat med mindre mængder af visse nitrit- eller chromatsalte 10 som korrosionsinhibitorer.

I US-patentskrift nr. 3.427.175 beskrives brugen af calciumnitrit i mængder på fortrinsvis 1-4% af cementvægten som accelerator, der delvis inhiberer korrosion i alitce-menter. Det nævnes, at denne tilsætning har en vis inhibe-15 rende virkning overfor armeringsjernets korrosionstendens, men denne virkning er ikke dokumenteret. Calciumnitritet kan indeholde mindre mængder natriumnitrit og kan anvendes sammen med calciumchlorid og andre acceleratorer.

Ifølge US-patentskrift nr. 3.801.338 kan der anvendes 20 en blanding af calciumformiat og natriumnitrit som tilsætning til cement, der skal indeholde metalarmering. Ifølge dette opnås der en forbedret trykstyrke sammen med en sulfat-resi-stens, foruden at der opnås "en positiv korrosions-inhibe-rings-effekt".

25 Som beskrevet i visse af de foregående referencer har brugen af natriumnitrit vist sig at have skadelige ud-blomstringsvirkninger og at fremme alkali-tilslags-reaktion i betonblandingen, og således at være et dårligt korrosions--inhiberingsmiddel. I ovennævnte referencer er calciumnitrit 30 beskrevet som værende et inhiberingsmiddel ved anvendelse med hvilken som helst type cementblanding. Det har vist sig, at calciumnitrit kun giver et minimum af korrosions--resistens, når det anvendes på den måde, som er beskrevet og kendt.

35 Inden for byggeindustrien såvel som forskellige andre industrier, som anvender denne type materiale, er der behov 3

DK 157918 B

for en særdeles effektiv korrosions-inhibering eller for en cementblanding, som praktisk taget helt kan inhibere korrosion af armeringsjern eller jernholdige metalstykker, som er indeholdt heri i et længere tidsrumn.

5 Nærværende opfindelse angår armerede betonkonstruk tioner fremstillet af betonblandinger med høj styrke og med indstøbte armeringsjern eller jernholdige metalstykker, som er ejendommelig ved det i krav l's kendetegnende del angivne. Blandingerne omfatter en inderlig blanding af hydraulisk 10 cement, tilslag og sand og vand til dannelse af en betonblanding med høj styrke, som kan udvise en trykstyrke på mindst 35 MPa efter 28 dage og med calciumnitrit i en mængde på mindst 2%, baseret på den nævnte cements tørvægt. Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til fremstilling af de 15 her omhandlede, armerede betonkonstruktioner, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved det i krav 5's kendetegnende del angivne.

Som cementkomponenter i de foreliggende betontyper anvendes hydrauliske cementer, såsom Portlandcement. Disse 20 cementer er almindeligt kendte og fremstilles ved calcinering af en blanding af kalksten og ler til dannelse af klinker og ved formaling af klinkerne til et fint pulver. De vigtigste forbindelser i Portlandcement er tricalciumsilicat, dicalciumsilicat, tricalciumaluminat og tetracalciumalumi-25 niumferrit. Tricalcium- og dicalciumsilicaterne menes at være de vigtigste bindingskonstituenter i Portlandcementen. Tricalciumsilicat i blanding med vand danner et calciumsi licathydrat, kendt som tobermoritgel og calciumhydroxid.

Dicalciumsilicatet danner, når det kommer i kontakt med 30 vand, lignende produkter, men ved en meget lavere reaktionshastighed. Tricalciumsilicatet,.som har den største reaktionshastighed, bestemmer i stor udstrækning cementens afbindingshastighed. For at kunne levere materialer, som er egnede til forskellige anvendelsesformål, har man kommercielt frem-35 stillet Portlandcementer med forskellige afbindingshastigheder. Fire almindelige typer Portlandcementer, som pr in-

DK 157918 B

4 cipielt varierer med hensyn til de relative mængder af tri-calciumsilicat og dicalciumsilicat, som er til stede, fremstilles alment. Forholdene mellem de vigtigste forbindelser, der er til stede i hver type cement, fremgår af tabel I.

5

Tabel I

Cementtype I II III IV

10 Sammensætning, vægt-%:

Tricalciumsilicat 53 47 58 26

Dicalciumsilicat 24 32 16 54

Tricalciumaluminat 8382

Tetracalciumaluminiumferrit 8 12 8 12 15 _

Betonkonstruktioner udsættes for forskellige korrosionsmiljøer. I nogle tilfælde er miljøet en fast bestanddel af betonen, f.eks. som ved anvendelse af en calciumchlo-20 rid-accelerator eller chloridholdige materialer eller chlo-ridholdigt vand. I andre tilfælde kan miljøet være et udefra kommende, f.eks. brug af calciumchlorid og/eller salt mod sne og is, udsættelse for salttåge eller saltvand og lignende. Sådanne miljøer har tendens til at angribe og kor-25 rodere metaldele i eller i kontakt med betonen.

De afgørende faktorer, som først og fremmest formodes at bidrage til det uventede resultat med opnåelse af praktisk taget fuldstændig korrosions-inhibering af armeringsjern eller jernholdige metalstykker i beton over en længere pe-30 riode, er brugen af en betonblanding med høj styrke, som kan opnå en trykstyrke på mindst 35 MPa på 28 dage, som beskrevet i det følgende, i kombination med calciumnitrit anvendt i mængder på mindst 2 vægt-%, baseret på vægten af den tørre cement.

35 Til nærværende opfindelse anvendes især betonblandin ger, til forskel fra cementlim eller mørtelblandinger, hvor 5

DK 157918 B

cementlimene er sammensat af en hydraulisk cement og vand, og mørtelblandingerne er sammensat af en hydraulisk cement, sand og vand. Disse materialer udviser ikke den høje styrke og beslægtede egenskaber, der kræves af den her beskrevne 5 blanding.

Den foreliggende opfindelse fordrer, at der anvendes en betonblanding som kan udvise en trykstyrke på mindst 35 MPa på 28 dage bestemt ud fra standardafprøvninger inden for dette område, jfr. f.eks. ASTM. Betonen er en blanding 10 af hydraulisk cement, sand og tilslag i form af en tørblanding, som er klar til blanding med vand således, at der sker en hydratisering.

Den krævede, høje styrke for betonblandingen kan opnås ved en hvilken som helst af en række fremgangsmåder 15 eller ved en kombination af sådanne fremgangsmåder, såsom ved at variere a) forholdet mellem det vand og den hydrauliske cement, som anvendes ved fremstillingen af betonen, b) cementindholdet eller -faktoren, c) den hydrauliske cementsammensætning, især silicatindholdet, d) partikelstør-20 reisesfinheden af den anvendte hydrauliske cement og e) størrelsen og fordelingen af det anvendte tilslag.

Betonblandinger med høj styrke kan fremstilles ved, at man holder forholdet mellem vand og cement så lavt som muligt, når blanding af komponenterne skal være mulig. For-25 holdet vand/cement bør ligge fra 0,25 til 0,5, fortrinsvis mellem 0,25 og 0,45. Forholdet kan sænkes uden tab af blandingsevne ved anvendelse af almindelige midler til reduktion af vand/cementforholdet og/eller superplasticeringsmidler ifølge fremgangsmåder og i mængder, som er almindeligt kend-30 te.

Den omhandlede beton bør have et højt cementindhold eller en høj cementf aktor, dvs. mindst ca. 7 til ca. 12 sække (standard 43 kg), dvs. fra ca. 301 til ca. 516 kg cement pr. m^ beton, fortrinsvis fra ca, 8 til ca. 12 sække, 35 dvs. fra ca. 344 til ca. 516 kg cement. Egnede cementblandinger er hydrauliske cementer med et højt indhold af sili-

DK 157918 B

6 cat-komponenter. S ilicat-komponenterne i form af tricalcium-silicat (C3S) og dicalciumsilicat (C2S) bør foreligge i et samlet indhold på ca. 50% til ca. 90%, fortrinsvis fra ca.

65% til ca. 90%.

5 En anden faktor, som bidrager til en høj styrke af den resulterende betonblanding, der anvendes ifølge opfindelsen, er partikelstørrelsesfinheden af den anvendte cement. Cementen bør have en Blaine-finhed mellem ca. 3200 cm2/g og 5000 cm2/g, fortrinsvis mellem 3200 cm2/g og 4000 cm2/g.

10 Sandet og tilslaget skal svare til specifikationerne i publikation nr. 211 fra American Concrete Institute (ACI).

Beton med høj styrke fremstilles ved at anvende størst mulig mængde af et stort tilslag med jævn tilslags- og sandpar-tikelgraduering ned til omkring cementens partikelstørrelse 15 for at opnå en næsten komplet elimination af porer i den endelige betonkonstruktion.

Blandingen bør gøres praktisk taget homogen og ensartet.

Når calciumnitrit anvendes i visse mængder og i kom-20 bination med den ovenfor nævnte beton, danner det en blanding, som i uventet høj grad eliminerer korrosion af armeringsjern eller jernholdige metalstykker i betonen i en længere periode, og tillader således en forlænget levetid og elimination af reparation af betonkonstruktioner frem-25 stillet ud fra sådanne blandinger. Den nødvendige mængde calciumnitrit ligger på mindst 2 til 3 vægt-%, baseret på tørvægten af cementen. Større mængder kan anvendes, såfremt det er økonomisk muligt. Mængder over 5 vægt-% må skønnes at være unødvendige.

30 Calciumnitritet kan sættes til betonen ifølge forskel lige fremgangsmåder. Calciumnitritet kan sættes til cementklinkerne inden formalingen og kan blandes grundigt med cementkomponenten under formalingstrinet. Calciumnitritet kan også sættes til den tørre betonblanding og kan blandes 35 grundigt for at opnå en ensartet dispersion. Calciumnitritet kan opløses i vandet, som anvendes til fremstilling af beton- 7

DK 157918 B

blandingen. Betonblandingen kan blandes på forhånd med vand og derpå blandes eller bringes i kontakt med calciumnitritet.

Helt generelt kan man anvende en hvilken som helst bindingsmetode, som tillader en praktisk taget ensartet blanding af 5 calciumnitritet med betonblandingen, inden denne danner en hærdet blanding.

Andre konventionelle iblandinger kan sættes til den omhandlede blanding ifølge fremgangsmåder og i mængder, som er almindeligt kendte. Sådanne iblandinger kan f.eks.

10 være midler til reduktion af vand/cementforholdet, såsom calciumligninsulfonat, glucosepolymere, polysaccharider og lignende, eller også superplasticeringsmidler, såsom poly-naphthalensulfonat, polymelaminformaldehydsulfonat og lignende. Andre konventionelle midler kan anvendes ifølge kendte 15 fremgangsmåder og i det omfang, inden for hvilket de bidrager til de ekstra gode egenskaber, som den dannede beton besidder, og ikke forringer den nødvendige trykstyrke som anført ovenfor.

De følgende eksempler tjener til nærmere belysning 20 af opfindelsen. Alle dele og procenter er baseret på vægt, medmindre andet er anført.

Eksempel 1

Beton fra en leverandør af færdigblandinger (maksimal 25 tilslagsstørrelse 25 mm) med en cementfaktor på 8 sække pr. m3, blandes med 2% calciumnitrit på basis af tørvægten af cementen således, at der opnås et sætmål på 10 cm, 4,8% luft indhold og en trykstyrke efter 28 dage på 40 MPa, og anbringes i en form, som måler 183 cm x 61 cm og har en 30 tykkelse på 15 cm, og som indeholder en dobbelt måtte af armerende stænger (16 mm i diameter) 5 cm "on center" strækkende sig i formens længderetning og 2,5 cm under betonoverfladen, som er afpudset med en kost.

Syv dage efter udstøbningen, hvorunder pladen hele 35 tiden har været dækket med sækkelærred og plast og er blevet holdt våd, fjernes formen, og pladen anbringes på piller

DK 157918B

s 1 m over jorden. I løbet af de følgende fem uger konstrueres en opstemning på oversiden, og fra begyndelsen af den syvende uge hældes der dagligt en 3% natriumchlorid-opløsning (1200 ml) ud over overfladen.

5 Åben strømkreds-potentialer måles hyppigt efter frem gangsmåderne ifølge ACI, publikation nr. SP-49, s. 71-82 (1975), California Transportation Laboratory Research Report, CA-DOT-TL-5116-12-75-03, januar 1975, og Uhlig, Corrosion & Corrosion Control, s. 45 (1971). Efter ca. seks måneder 10 viste det sig, at det område, der var omfattet af korrosionen (som havde et mere negativt potentiale end -0,350 volt i forhold til en kobber-kobber sul fat (CCS) referenceelektrode), var 0% på dækpladen med calciumnitrit og 36,4% af det totale område på blindprøven fremstillet ud fra de samme komponen-15 ter, men uden calciumnitrit, således at betonen havde et sætmål på 11 cm, 5,5% luftindhold og en 28 dages styrke på 31,5 MPa.

Eksempel 2 20 Til sammenligning fremstilles der i en 0,3 m3 blander en beton indeholdende 2% calciumnitrit og med en tilslagsstørrelse på maksimalt 16 mm, 8 sække pr. m3 cement, et vand/cement forhold på 0,56, et sætmål på 8 cm, 4,6% luft og med en 28 dages trykstyrke på 31,6 MPa.

25 Efter ca. 6 måneder var denne beton, som var blevet udstøbt i en plade på samme måde som beskrevet i eksempel 1, angrebet af korrosion svarende til 93%, skønt blindprøven (ingen calciumnitrit, et vand/cement forhold på 0,57, et sætmål på 12 cm, 4,5% luft og en 28 dages trykstyrke på 30 25,2 MPa) havde en angrebsgrad på 100%.

Calciumnitritet udøvede en vis effekt ved inhibering af korrosion målt på samme måde som beskrevet i eksempel 1. Området, som havde et åbent strømkreds-potentiale mellem -0,500 volt og -0,550 volt i forhold til CCS-elektroden, 35 androg 0,3% for pladen med calciumnitrit og 7,4% for dækpladen uden calciumnitrit. Området, der viste mellem -0,450

DK 157918 B

9 volt og -0,500 volt i forhold til CCS-elektroden, var 9,4% for calciumnitrit-pladen og 18,5% for pladen uden calcium-nitrit. Alligevel var korrosionsinhiberingseffekten i denne serie ikke så udtalt som i eksempel 1.

5

Eksempel 3

Ligeledes til sammenligning gav betonblandinger af lav styrke, fremstillet praktisk taget på samme måde som beskrevet i eksempel 2, de følgende parametre:.................

10

Inhiberet Blindprøve 8 cementfaktor, sække/m3 8 13 sætmål, cm 10 0,59 vand/cement 0,57 15 4,8 luft, % 4,8 2 calciumnitrit, % 0 71,4 område angrebet af korrosion, % 100

Selv om korrosionen blev formindsket ved anvendelse 20 af calciumnitrit, opnåede man ikke den uventede, praktisk taget komplette inhibering.

Eksempel 4

Beton fremstillet praktisk taget som i eksempel 2, 25 men med tilsætning af 90 ml calciumligninsulfonat-baseret vandreduktionsmiddel, gav de følgende parametre:

Inhiberet Blindprøve 8 cementfaktor, sække/m3 8 30 14 sætmål, cm 14 0,55 vand/cement 0,53 5,2 luft, % 5,8 43,7 28 dages trykstyrke, MPa 35,8 2 calciumnitrit, % 0 35 0 område angrebet af korrosion på 27,6 6 måneder, %

DK 157918 B

10 0 område angrebet af korrosion på 100 19 måneder, %

En en-måneds afprøvning er næsten lig med en et-års Kansas-vinter.

5 Af disse afprøvninger fremgår, at selv om både blind prøven og prøven med calciumnitrit udviste høje trykstyrker, udviste kun den sidstnævnte praktisk taget ingen korrosion efter længere tid.

Claims (8)

1. Armeret betonkonstruktion fremstillet af en betonblanding med høj styrke og med indstøbte armeringsjern eller jernholdige metalstykker, kendetegnet ved, at 5 betonblandingen er fremstillet ud fra hydraulisk cement, sand, tilslag og vand, og at denne blanding indeholder mindst 2% calciumnitrit, baseret på tørvægten af dens cementindhold, samt at blandingen udviser en trykstyrke på mindst 35 MPa efter 28 dages hærdning.

2. Konstruktion ifølge krav 1, kendetegnet ved, at indholdet af calciumnitrit er 2 til 3%, baseret på cementens tørvægt.

3. Konstruktion ifølge krav 2, kendetegnet ved, at betonblandingen er fremstillet ud fra en hydraulisk 15 cement, som indeholder en samlet silicatkomponent-mængde på ca. 50% til ca. 90%, og med et cementindhold på mindst 301 til 516 kg pr. m3, samt et vand/cement forhold fra 0,25 til 0,5 og med en Blaine-finhed på mellem ca. 3200 cm2/g til ca. 5000 cm2/g i en sådan kombination, at den resulterende 20 betonblanding udviser en trykstyrke på mindst 35 MPa efter 28 dage.

4. Konstruktion ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den desuden indeholder et superplasticeringsmiddel og/eller andre midler, som reducerer vandbehovet.

5. Fremgangsmåde til fremstilling af en armeret beton konstruktion ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der fremstilles en ikke-afbundet betonblanding ved praktisk taget ensartet blanding af en betonblanding, bestående af hydraulisk cement, sand, tilslag og vand, og som indeholder 30 mindst 2 vægt-% calciumnitrit, baseret på tørvægten af cementindholdet i betonblandingen, samt at denne betonblanding efter afbindingen udviser en trykstyrke på mindst 35 MPa efter 28 dages hærdning, og der indstøbes armeringsjern eller jernholdige metalstykker i den ikke-afbundne betonblan-35 ding, hvorefter blandingen får lov at afbinde.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 5, kendetegnet DK 157918 B ved, at indholdet af det iblandede calciumnitrit ligger på 2 til ca. 3%.

7. Fremgangsmåde ifølge krav 6, kendetegnet ved, at den ikke-afbundne betonblanding er fremstillet ud 5 fra en hydraulisk cement med et samlet silicatindhold fra ca. 50% til ca. 90%, et cementindhold på mindst 301 til 516 kg pr. m3, og et vand/cement forhold fra 0,25 til 0,5, samt en Blaine-finhed på mellem ca. 3200 cm2/g og ca. 5000 cm2/g i en sådan kombination, at den resulterende betonblanding 10 udviser en trykstyrke på mindst 35 MPa efter 28 dage.

8. Fremgangsmåde ifølge krav 7, kendetegnet ved, at den ikke-afbundne betonblanding indeholder et super-plastificeringsmiddel og/eller andre midler, som reducerer vandbehovet.