Definitie van het einde van de levensduur van beton blootgesteld aan wapeningscorrosie en effect hiervan op de milieuscore van het beton Renée Callens Promotor: prof. dr. ir. Nele De Belie Begeleider: Philip Van den Heede Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in Civil Engineering Vakgroep Bouwkundige Constructies Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013-2014 De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef. Gent, 2 juni 2014 De auteur Renée Callens ii V OORWOORD Men zegt wel eens dat je studententijd de mooiste tijd van je leven is. Daarover kan ik nog niet oordelen, maar leerrijk en tegelijkertijd amusant was het in elk geval. Nu mijn studententijd met rasse schreden aan het naderen is, neem ik graag de tijd om een aantal mensen speciaal te bedanken. Mijn begeleider Philip verdient het zeker en vast om in dit dankwoord als eerste vernoemd te worden. Hij stond gedurende het ganse jaar klaar om mij bij te staan en mijn vragen te beantwoorden. Zelfs in drukke perioden nam hij de tijd om mijn teksten met een kritische noot te verbeteren. Kortom, zonder Philip was dit eindresultaat er niet. Daarnaast zou ik ook graag mijn promotor, prof. dr. ir. De Belie, bedanken omdat zij interesse toonde in de voortgang van mijn thesis. Mijn vrienden en studiegenoten verdienen uiteraard ook een plaatsje in dit dankwoord. Aan de vele legendarische feestjes, gezellige roddelavonden en lopen rond de watersbaan,… zal ik nog vaak met een glimlach aan terug denken. Twee vrienden zou ik graag in het bijzonder vernoemen. Ten eerste mijn beste vriendin Jolien. Per toeval kwam ik naast haar te zitten tijdens de eerste lessen Wiskundige basistechniek in het eerste jaar. Sindsdien zijn we vriendinnen geworden en heeft Jolien altijd voor mij klaar gestaan. Daarnaast zou ik ook graag mijn studiegenoot en tegelijkertijd goede vriend Jonas bedanken omdat hij met veel geduld mijn vragen tijdens examenperiodes beantwoord heeft. Bedankt ook aan mijn medepraesidiumleden van het VTK. Ik ben trots op de evenementen die we samen georganiseerd hebben. Met de zotte feestjes in de Vooruit maakten jullie mijn studententijd onvergetelijk! Mijn ouders verdienen ook zeker en vast een apart dankwoord. Ze boden én bieden me alle kansen aan om me te ontwikkelen. Ook bedankt aan mijn zus omdat ik steeds bij haar op kot mocht komen eten en aan mijn broer omdat hij voor mij niet één maar twee fietsen in elkaar gestoken. Mijn grootvader zou ik ook graag vernoemen omdat hij van kinds af aan interesse toonde in mijn studies. Hij was altijd zo trots op zijn kleindochter en zou dit waarschijnlijk nu nog meer dan ooit geweest zijn. Om mijn dankwoord te eindigen zou ik graag mijn vriend, Stefaan, bedanken omdat ik altijd op hem kon rekenen. Renée Callens, mei 2014 iii O VERZICHT Definitie van het einde van de levensduur van beton blootgesteld aan wapeningscorrosie en effect hiervan op de milieuscore van het beton Renée Callens Promotor: prof. dr. ir. Nele De Belie Begeleider: Philip Van den Heede Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master of Science in Civil Engineering Vakgroep Bouwkundige Constructies Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2013- 2014 Samenvatting In het kader van de opwarming van de aarde is de zoektocht naar methodes om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen meer dan ooit aan de orde. Gezien met de cementproductie een aanzienlijke CO -uitstoot gepaard gaat en beton op vandaag wereldwijd met aanzienlijke 2 hoeveelheden toegepast wordt, wordt er op zoek gegaan naar een potentieel ‘groen beton’, een beton dat de prestatiemogelijkheden, zoals de druksterkte en levensduur, van traditioneel beton evenaart maar waarbij het vrijkomen van schadelijke stoffen tijdens het productieproces lager is. iv In dit eindwerk wordt een levensduurvoorspelling, een input bij de levenscylcusanalyse waarmee de milieu-impact kan bepaald worden, gedaan voor mengsels met gedeeltelijke vervanging van portlandcement door puzzolanen, meer bepaald door vliegas of silica fume. Aan vliegas en silica fume, bijproducten bij respectievelijk kolengestookte elektriciteitsproductie en productie van silicium- en ferrosiliciumlegeringen, wordt immers slechts een deel van de CO - 2 uitstoot tijdens het productieproces toegeschreven, waardoor deze in aanmerking te komen voor een potentieel ‘groen beton’. Voor het onderzoek werden er twee traditionele betonmengsels op basis van portlandcement en twee waarbij 50% van het portlandcement vervangen werd door respectievelijk 50% vliegas en 40% vliegas en 10% silica fume. Voor een omgeving blootgesteld aan carbonatatie-/chloride-geïnduceerde corrosie zijn in de literatuur heel wat modellen terug te vinden die een levensduurvoorspelling toelaten waarbij de tijd tot depassivatie van de wapening, namelijk de initiatietijd, wordt ingeschat. Dit betekent echter niet dat niet dat het einde van de levensduur van de betonconstructie al bereikt is. De propagatiefase waarbinnen daadwerkelijk wapeningscorrosie optreedt gevolgd door scheur- vorming wordt buiten beschouwing gelaten. In dit eindwerk wordt de levensduur op probabilistische wijze geschat aan de hand van de modellen in DURACRETE BE95-1347/R9 (2000) waarbij de propagatieperiode, die geschat wordt op basis van resistiviteitsmetingen, opgeteld wordt bij de initiatieperiode die volgt uit versnelde carbonatatie- en chlorideproeven. Er werd vastgesteld dat verdere experimentele verificatie van de inputparameters tot deze modellen aangewezen is. Uit onderzoek bleek dat de propagatieperiode in het geval van carbonatatie-geïnduceerde corrosie een aanzienlijke bijdrage heeft in de levensduur. Daarentegen wordt de levensduur bij chloride-geïnduceerde corrosie slechts in geringe mate onderschat wanneer enkel de initiatieperiode in acht wordt genomen. Resistiviteit van beton kan gekoppeld worden aan het corrosieproces omdat de weerstand die elektrische ladingen ondervinden afhangt van dezelfde factoren als de weerstand die schadelijke stoffen zoals chloriden en CO -moleculen ondervinden, namelijk van de poriënstructuur en de 2 poriënoplossing. Op een ouderdom van 28 dagen bleek de resistiviteit van het betonmengsel met gedeeltelijke vervanging van portlandcement door zowel vliegas als silica fume met een factor 3 tot 6 hoger te zijn dan die voor de andere mengsels. Dit mengsel heeft dan ook een dichtere poriënstructuur door enerzijds het zogenaamde ‘filler-effect’, dat beschreven wordt als het opvullen van de poriën met de veel kleinere korrels van het silica fume. Anderzijds is er een zeer hoge puzzolane activiteit bij silica fume waardoor er meer hydratatieproducten gevormd worden die de porositeit sterk doen afnemen. Op latere leeftijd, bleek ook de resistiviteit van het mengsel op basis van portlandcement en vliegas met een factor 3 tot 4 keer hoger te zijn dan voor de mengsels op basis van alleen portlandcement. De puzzolane reactie van vliegas komt immers trager op gang dan de hydratatiereactie van portlandcement omdat eerst Ca(OH) moet 2 gevormd worden. Maar eenmaal de puzzolane reactie van vliegas gestart is, worden er echter hydratatieproducten gevormd die de porositeit sterk doen dalen, wat de sterke toename in resistiviteit verklaart op latere leeftijd. Om de milieu-impact te bepalen werd de levenscyclus gemodelleerd in de LCA-software SimaPro. Indien er rekening gehouden werd met de CO -uitstoot tijdens de productie, de 2 druksterkte en de levensduur bleek dat mengsels met puzzolanen een lagere milieu-impact hebben dan de traditionele betonmengsels wanneer deze toegepast worden in constructies blootgesteld aan chloride-indringing. Uit het onderzoek kon echter niet vastgesteld worden of de milieu-impact voor mengsels met puzzolanen al dan niet hoger of lager is dan voor traditionele betonmengsels voor constructies blootgesteld aan een verhoogde concentratie CO of dus met 2 kans op carbonatatie-geïnduceerde corrosie. Trefwoorden: Wapeningscorrosie, groen beton, levensduur, levenscyclusanalyse, resistivi v Definition of the End of Service Life for Concrete exposed to Corrosion of the Reinforcing Steel and the corresponding Effect on the Environmental Impact Renée Callens Supervisor(s): prof. dr. ir. N. De Belie, ir. arch. P. Van den Heede Abstract – This article presents the results of a research used as reference for respectively an environment with conducted to assess the difference in environmental impact exposure to chloride- and carbonation-induced corrosion. between potential ‘green’ concretes and traditional concretes. First, the service life of mixtures with a 50% replacement of B. Methods Portland cement with respectively fly ash and fly ash and silica fume and traditional Portland cement mixtures was estimated. The service life was quantified probabilistically using the This service life could be used as input for life cycle assessment to models given in Duracrete BE95-1347/R9 (2000). The determine the environmental impact. Further on, the under- propagation period, as estimated from resistivity measure- estimation of service life that results from not including the ments was added to the initiation period, which resulted from propagation period, as estimated from resistivity measurements, accelerated carbonation- and chloride-tests. was quantified. This last investigation was done for both Per concrete mixture, resistivity measurements were execu- chloride- and carbonation induced corrosion. ted with a four-point Wenner probe on concrete samples with a different geometry at different ages. Keywords – Corrosion of reinforcing steel, green concrete, To determine the environmental impact the life cycle was service life, life cycle assessment, resistivity modelled in the LCAsoftware SimaPro. I. INTRODUCTION III. RESULTS Given the problem of global warming, the search for A. Resistivity methods to reduce CO emissions is more than ever an issue. 2 The bulk resistivity of a cube (side: 200 mm) at the age of 4 Since high amounts of CO are emitted during the production 2 and 20 weeks for each mixture is shown in Figure 1 for each of cement, there is a real need for ‘green’ concrete types. By mixture. replacing a part of cement with by-products from other industries, these emissions can be reduced. Therefore, concrete mixtures with fly ash or silica fume, by-products from respectively coal fired electricity production and the manufacturing of silicon and ferrosilicon alloys, are potential ‘green’ concretes [1]. In literature numerous models can be found which allow an estimation of the time to depassivation of the reinforcement, also known as the initiation period. However this time span does not really correspond with the end of service life. The propagation period during which active corrosion and corrosion-induced cracking occurs, is not taken into account. In this research both the propagation period was estimated from resistivity measurements. Resistivity of concrete can be Figure 1 – Bulk resistivity of cube at the age of 4 and 20 weeks linked to the corrosion process because the resistance the Resistivity at the age of 4 weeks — The resistivity of electric charges encounter is dependent on the amount of mixture F40S10 seems to be 4 times as high in comparison pores and the pore solution of the concrete. The concrete’s with the other mixtures (see Figure 1). This higher resistivity resistance to ingress of harmful substances such as chlorides is due to the smaller porosity of this mixture. There is a and CO2 molecules is dependent on the same parameters [2]. twofold explanation for this. First of all, there is the filler effect of the very fine silica fume. As a consequence, a better II. MATERIALS AND METHODS particle packing can be achieved. Secondly silica fume is A. Concrete mixtures characterized by a high pozzolanic activity. More hydratation For this research 4 different concrete mixtures were made: 2 products are formed and the porosity decreases. reference mixtures with Portland cement (CEM I 52.5 N) and Resistivity at the age of 20 weeks — After 20 weeks the 2 mixtures with 50% of the cement replaced by respectively resistivity of F50 has increased the most (see Figure 1). It 50% fly ash (F50) and 40% fly ash and 10% silica fume equals about 4 times the resistivity of T(0.45) and T(0.55). (F40S10). The mixtures made with Portland cement only, and The pozzolanic reaction of the fly ash is known to be slow a W/CM ratio of 0.45 (T(0.45)) and of 0.55 (T(0.55)) were because first a sufficient amount of Ca(OH)2, a hydration product of the remaining Portland cement, has to be present nation exposed environments as determined with the model first. However, once the pozzolanic fly ash reaction has from Duracrete BE95-1347/R9 (2000) is still necessary. started, more hydration products will be formed and the porosity will decrease. This explains the delay in increase of C. Life cycle assessment resistivity for mixture F50. With life cycle assessment the environmental impact in terms of global warming potential (GWP) expressed in kg B. Service life CO was determined (Table 1). Therefore, also the estimated 2,eq The initiation and propagation period, together equal to the service life and the compressive strength of the concrete were total service life, are shown in Figure 2. Exposure to chloride- taken into account. As functional unit the required volume of induced corrosion submerged marine environment was concrete per unit of strength and service life was used. considered (exposure class XS2) while for exposure to In case of chloride-induced corrosion the GWP is about 20 carbonation-induced corrosion a sheltered outer environment times smaller for F50 and F40S10 (6.3 en 3.9 x 10-2 kg CO ) 2,eq (exposure class XC3) was assumed (NBN EN 206-1, 2000). in comparison with the reference mixture T(0.45) (101 x 10-2 kg CO ). In contrast the difference is less remarkable in case 2,eq of carbonation-induced corrosion. The GWP of T(0.55) (5.7 x 10-2 kg CO ) is 18% and 46% higher than the GWP for F50 2,eq en F40S10 (4.8 en 3.9.10-2 kg CO ). An important note has 2,eq to be made. The service life of F50 and F40S10 (310 and 748 year) were set equal to 100 year, the highest service life prescribed for important structures (Fib Bulletin 34, 2006). Table 1 Input and output from LCA-analyse Figu re 2 – Initiation- and propagation period: chloride-induced corrosion (left), carbonation-induced corrosion (right) IV. CONCLUSIONS Chloride-induced corrosion — The underestimation of the Resistivity seems to be seriously influenced by pore service life is limited when not considering the propagation structure of the concrete. period in case of chloride-induced corrosion (see Figure 2, Not taking into account the propagation period leads to a left). Furthermore, the service lives of F50 and F40S10 (76 small underestimation of service life in case of chloride- and 99 year) are remarkably higher than the service life of induced corrosion. In case of carbonation-induced corrosion T(0.45) (5 year). In literature can be found that concrete this underestimation is substantial. mixtures with pozzolanic materials have a higher resistance Higher service lives were found for mixtures with pozzola- against penetration of chlorides due to their lower nic materials for both chloride- and carbonation-induced permeability. Therefore, these mixtures show also higher corrosion. However, further research on the validity of the performance in terms of resistance to chloride-induced models from Duracrete BE95-1347/R9 (2000) is strongly corrosion. The lower permeability of the silica fume recommended. containing concrete due to ‘filler effect’ and the high For structures submerged in seawater (XS2) concrete pozzolanic activity of the by-product also explains the longer mixtures with pozzolanic materials can be considered as service life for F40S10 than for F50. It should be noted that replacement for traditional mixtures. On the other hand, for there is still a high variation possible with respect to the structures exposed to a sheltered outer environment (XC3) duration of initiation period of F50 and F40S10 because were no solid conclusions could be drawn in this perspective. values for the critical chloride content for mixtures with The reduction in GWP possible for mixtures containing large pozzolanic materials are not available for the moment. amounts of pozzolanic materials is limited. Also not that this Carbonation-induced corrosion — In case of carbonation GWP was calculated while assuming a higher service life for induced corrosion the propagation period contributes most to mixtures with pozzolanic materials than what is found in the overall service life (see Figure 2). As a consequence, the literature. service life is seriously underestimated when only the initia- tion period is taken into account. The service lives of F50 and REFERENCES F40S10 (310 and 748 year) are remarkably higher than for [1] X. Shi, N. Xie, K. Fortune, N. Gong, Durability of steel reinforced T(0.55) (100 year). Quite the opposite behavior is expected concrete of chloride environments: An overview, Construction and based on literature findings, and this for two reasons. First of building materials, nr. 30, 128-138, 2012. [2] M. Raupach, Models for the propagation phase of reinforcement all, there is a reduced binding capacity with CO due to of the 2 corrosion – an overview, Mater and Corros, nr.8, 605-613, 2006. fact that there is less Ca(OH)2 available. Secondly, less CaCO3 [3] C. Andrade, R. D’Andrea, Electrical resistivity as microstructural is formed which takes a larger volume. And thus can establish parameter for the modelling of service life of reinforced concrete a decrease in porosity. It should be noted that further research structures, 2nd International Symposium on Service Life Design for Infrastructures, 379-388, 2010 on the validity of the longer propagation periods in carbo- I NHOUD Voorwoord........................................................................................................................................................................... iii Overzicht .............................................................................................................................................................................. iv Inhoud ................................................................................................................................................................................ viii Lijst met afkortingen .................................................................................................................................................... xiii I. Inleiding ....................................................................................................................................................................... 1 II. Inleidende begrippen ............................................................................................................................................. 3 II.1 Inleiding ............................................................................................................................................................. 3 II.2 Het corrosieproces ......................................................................................................................................... 3 II.2.1 Reactiemechanismen .......................................................................................................................... 3 II.2.2 Wapeningscorrosie .............................................................................................................................. 4 II.2.3 Passivatie en depassivatie van de wapening ............................................................................. 5 II.2.4 Carbonatatie-geïnduceerde corrosie ............................................................................................ 6 II.2.5 Chloride-geïnduceerde corrosie .................................................................................................. 10 III. Groen beton ............................................................................................................................................................. 14 III.1 Inleiding .......................................................................................................................................................... 14 III.2 Milieu-impact van beton ........................................................................................................................... 14 III.2.1 Algemeen ............................................................................................................................................... 14 III.2.2 Methodes om de milieu-impact te verlagen ........................................................................... 15 III.3 Puzzolanen ..................................................................................................................................................... 15 III.3.1 Puzzolanen in het algemeen .......................................................................................................... 15 III.3.2 Vliegas .................................................................................................................................................... 16 III.3.3 Silica Fume ............................................................................................................................................ 18 III.3.4 Invloed van puzzolanen bij carbonatatie-geïnduceerde corrosie ................................. 20 III.3.5 Invloed van puzzolanen bij chloride-geïnduceerde corrosie .......................................... 21 IV. Elektrische resistiviteit ....................................................................................................................................... 23 IV.1 Inleiding .......................................................................................................................................................... 23 IV.2 Theoretische achtergrond ....................................................................................................................... 23 IV.2.1 Definitie elektrische resistiviteit ................................................................................................. 23 IV.2.2 Resistiviteit en corrosieweerstand............................................................................................. 23 IV.2.3 Resistiviteit en elektrochemisch mechanisme wapeningscorrosie .............................. 24 IV.2.4 Resistiviteit en corrosiesnelheid ................................................................................................. 24 IV.2.5 Waarden voor resistiviteit in beton ........................................................................................... 25 IV.3 Invloedsfactoren .......................................................................................................................................... 25 IV.3.1 Algemeen ............................................................................................................................................... 25 viii IV.3.2 Invloed van de ouderdom ............................................................................................................... 25 IV.3.3 Invloed van chloride-indringing................................................................................................... 26 IV.3.4 Invloed van carbonatatie ................................................................................................................. 26 IV.3.5 Invloed van temperatuur ................................................................................................................ 26 IV.3.6 Invloed van de poriënoplossing ................................................................................................... 27 IV.4 Principe van resistiviteitsmetingen...................................................................................................... 27 IV.4.1 Algemeen ............................................................................................................................................... 27 IV.4.2 Elektrische stroom door beton ..................................................................................................... 27 IV.4.3 Verschillende meettechnieken...................................................................................................... 28 V. Modellen voor het corrosieproces .................................................................................................................. 29 V.1 Inleiding ........................................................................................................................................................... 29 V.2 Algemeen ......................................................................................................................................................... 29 V.3 Initiatie- en propagatieperiode .............................................................................................................. 30 V.4 Verschillende modellen propagatieperiode ...................................................................................... 31 V.4.1 Empirische modellen ........................................................................................................................ 31 V.4.2 Numerieke modellen ......................................................................................................................... 32 V.4.3 Analytische modellen........................................................................................................................ 32 V.5 Besluit ............................................................................................................................................................... 33 VI. Meettechnieken ...................................................................................................................................................... 34 VI.1 Inleiding ........................................................................................................................................................... 34 VI.2 Half-cel potentiaalmetingen .................................................................................................................... 34 VI.2.1 Gebruik en toepassingen ................................................................................................................. 34 VI.2.2 Theoretische achtergrond .............................................................................................................. 35 VI.2.3 Voor- en nadelen ................................................................................................................................. 37 VI.3 Polarisatieweerstand methode .............................................................................................................. 37 VI.3.1 Gebruik en toepassingen ................................................................................................................. 37 VI.3.2 Theoretische achtergrond .............................................................................................................. 37 VI.3.3 Voor- en nadelen ................................................................................................................................. 39 VI.4 Resistiviteitsmetingen ............................................................................................................................... 39 VI.4.1 Gebruik en toepassingen ................................................................................................................. 39 VI.4.2 Theoretische achtergrond .............................................................................................................. 39 VI.4.3 Voor- en nadelen ................................................................................................................................. 40 VI.5 Ingebedde sensoren .................................................................................................................................... 40 VII. Materialen en testmethoden ............................................................................................................................. 41 VII.1 Inleiding ...................................................................................................................................................... 41 ix VII.2 Materialen .................................................................................................................................................. 42 VII.2.1 Betonsamenstellingen ..................................................................................................................... 42 VII.2.2 Vervaardiging ...................................................................................................................................... 43 VII.3 Testmethoden .......................................................................................................................................... 44 VII.3.1 Druk-, Buig- en Splijtproeven ....................................................................................................... 44 VII.3.2 CTH-test ................................................................................................................................................. 45 VII.3.3 Carbonatatietest ................................................................................................................................. 47 VII.3.4 Resistiviteitsmetingen met Wenner probe ............................................................................. 48 VII.3.5 Half-cel potentiaalmetingen / Galvanostatische pulsmeting .......................................... 52 VII.3.6 Bijkomende metingen chloride-indringing controlecilinders ........................................ 54 VII.3.7 Overzicht testen ................................................................................................................................. 54 VIII. Berekeningsmethoden ........................................................................................................................................ 57 VIII.1 Inleiding ...................................................................................................................................................... 57 VIII.1.1 Algemeen .......................................................................................................................................... 57 VIII.1.2 Initiatieperiode bij chloride-geïnduceerde corrosie ...................................................... 58 VIII.1.3 Initiatieperiode bij carbonatatie-geïnduceerde corrosie ............................................. 64 VIII.1.4 Propagatieperiode bij chloride-/carbonatatie-geïnduceerde corrosie .................. 67 VIII.2 Levenscyclusanalyse ............................................................................................................................. 73 VIII.2.1 Algemeen .......................................................................................................................................... 73 VIII.2.2 Doel en reikwijdte ........................................................................................................................ 73 VIII.2.3 Analyse van de stoffenlijst......................................................................................................... 73 VIII.2.4 Impactanalyse en interpretatie ............................................................................................... 74 IX. Resultaten en discussie....................................................................................................................................... 75 IX.1 Inleiding .......................................................................................................................................................... 75 IX.2 Druk-, Buig- en Splijtsterkte ................................................................................................................... 75 IX.3 Chloridemigratiecoëfficiënt .................................................................................................................... 76 IX.4 Carbonatatiecoëfficiënt ............................................................................................................................. 78 IX.4.1 Invloed van het type bindmiddel ................................................................................................ 78 IX.4.2 Grootte orde carbonatatiecoëfficiënt ........................................................................................ 79 IX.4.3 Opmerking ............................................................................................................................................ 79 IX.5 Resistiviteitsmetingen ............................................................................................................................... 79 IX.5.1 Resistiviteitsmetingen op 28 dagen ouderdom .................................................................... 79 IX.5.2 Evolutie van resistiviteit en massa met de tijd ...................................................................... 86 IX.5.3 Ouderdomsfactor resistiviteit ...................................................................................................... 88 IX.5.4 Resistiviteit na droging in oven ................................................................................................... 90 x
Description: