Corrosion of reinforcement bars in steel ibre reinforced concrete structures

摘要

Stålfibre kan til visse konstruktionstyper være et alternativ til traditionel armering og i løbet af de senere år har brugen af stålfiberarmeret beton (SFRC) været støt stigende. Stålfibre kan reducere vidden af revner i beton som f.eks. kan opstå i forbindelse med svind eller mekanisk belastning. Stålfibre benyttes også sammen med traditionelle armeringsjern hvor formålet med at benytte stålfibre er at minimere revnevidderne i betonen mens den traditionelle armering benyttes af strukturelle, bæreevnemæssige hensyn. På trods af sådanne armeringsarrangementer, såkaldt kombinerede armeringssystemer, vinder indpas i konstruktionsbranchen er de kun i begrænset omfang dækket af eksisterende standarder og guidelines for konstruktionsdesign og den dokumenterede viden omkring de mekaniske og i særdeleshed de holdbarhedsmæssige aspekter af disse armeringssystemer er begrænset.Formålet med arbejdet rapporteret i denne Ph.D. afhandling var at undersøge indflydelsen af stålfibre på korrosion af de traditionelle armeringsjern i kombinerede armeringssystemer i urevnet såvel som revnet beton. Fokus for dette arbejde var at kvantificere stålfibrenes indflydelse på korrosions-propagering i urevnet beton samt at kvantificere stålfibrenes indflydelse på revnedannelse og revneudvikling i beton. Endvidere blev fibrenes indflydelse på korrosions-induceret revnedannelse i beton dæklag undersøgt. Fibrenes indflydelse på korrosions-propagering blev undersøgt ved at studere deres indflydelse på den elektriske resistivitet af beton, som spiller en central rolle i korrosionsprocessen. Studierne af fibrenes betydning for revnedannelse og revneudvikling i beton blev relateret til armeringskorrosion via separate studier (revner i betonen reducerer modstanden mod indtrængning af f.eks. fugt og klorider som kan føre til korrosion-initiering samt accelerere en igangværende korrosionsproces). Ph.D. studiet omfattede numeriske såvel som eksperimentelle studier.Elektrokemisk passive stålfibre er elektrisk isolerede, og har derfor ingen indflydelse på den elektriske resistivitet af beton, hvorimod elektrokemisk aktive (depassiverede/korroderede) stål fibre er elektrisk ledende. Indflydelsen af elektrokemisk aktive stålfibre på den elektriske resistivitet af SFRC blev undersøgt eksperimentelt og analytisk. Disse studier viste, at elektrisk ledende stålfibre potentielt reducerer betons elektriske resistivitet. Numeriske studier af sammenhængen mellem korrosionshastigheden og den elektriske resistivitet af beton blev udført for at undersøge indflydelsen af elektrisk ledende stålfibre på korrosions-propageringsfasen af armeringsjern. Disse numeriske studier viste, at under ekstreme forhold, dvs. elektrisk ledende stålfibre, medførte den reducerede elektriske resistivitet af beton, som følge af stålfibrenes evne til at lede strøm, en markant forøgelse af korrosions-hastigheden. Det skal dog pointeres at en situation, hvor alle stålfibre i betonen er elektrisk ledende, dvs. depassiverede/korroderede, er højst usandsynlig idet ståfibrene er særdeles korrosionsbestandige, hvorfor denne situation svarer til et hypotetisk scenarium.Numeriske og eksperimentelle undersøgelser af stålfibres indflydelse på revnedannelse og revneudbredelse som følge af mekanisk belastning viste at udbredelsen af en bøjningsrevne i dæklaget i SFRC var mindre end i almindelig beton (for den samme lastpåvirkning). Endvidere viste de numeriske undersøgelser, at udbredelsen af separation langs skillefladen mellem beton og armeringsjern, dvs. en deformation vinkelret på armeringsjernet, var mindre i SFRC sammenlignet med almindelig beton, hvorimod udbredelsen af slip i denne skilleflade (deformation parallelt med armeringsjernet) ikke blev ændret pga. stålfibrene. Supplerende eksperimentelle og numeriske studier af korrosion i revnet beton (almindelig beton og SFRC) viste, at korrosion blev inititeret til samme tidspunkt, når revnevidden ved betonoverfladen var ens i de to materialer. Resultater fra de numeriske undersøgelser viste også at korrosionshastigheden og anodens størrelse var sammenlignelige for almindelig beton og SFRC (for den samme revnevidde ved betonoverfladen). På baggrund af dette blev det konkluderet, at stålfibre, under disse forudsætninger, har begrænset indflydelse på korrosion af armeringsjern.Stålfibres indflydelse på korrosions-induceret revnedannelse af dæklag blev undersøgt numerisk. Disse numeriske studier omhandlede armeringsjern i almindelig beton og SFRC, og resultaterne fra undersøgelserne viste, at revneudbredelsen var mindre i SFRC sammenlignet med almindelig beton. Således kan stålfibrene begrænse udbredelsen af korrosions-inducerede revner og dermed reducere den skadelige indvirking af revner i betondæklaget på korrosionsprocessen.