Frost-induced deterioration of concrete in hydraulic structures : Interactions between water absorption, leaching and frost action

Sammanfattning: Frostnedbrytning av betong kan få allvarliga konsekvenser för en konstruktions säkerhet, beständighet och funktionsduglighet eftersom betongens hållfasthet försämras. Frostskador uppstår vanligtvis i konstruktioner med hög fuktbelastning och som periodvis utsätts för frostangrepp. Olika typer av betongskador, vilka kan misstänkas vara frostrelaterade, har påträffats i svenska vattenkraftsanläggningar. Följaktligen har frågor väckts kring betongens beständighet i vattenbyggnader i kalla klimat. Vattenbyggnader är ett samlingsnamn för konstruktioner i anslutning till vatten - vattenkraftstationer, dammar, slussar, kanaler, hamnar och bropelare.I föreliggande avhandling har olika typer av misstänkta frostrelaterade skador i svenska vattenkraftverk identifierats och kategoriserats. De bakomliggande orsakerna har undersökts experimentellt genom laboratorie- och fältstudier. Kunskap om betongens nedbrytning är viktig i syfte att säkerställa och möjliggöra lång livslängd för vattenbyggnader. Erhållna resultat kan användas som underlag dels vid reparation av befintliga konstruktioner samt dels vid om- och nybyggnationer. Erhållna slutsatser från de olika studierna bedöms även vara tillämpbara för vattenbyggnader i andra länder med liknande förhållanden.Miljöförhållandena vid de flesta vattenbyggnader i Sverige kan antas vara hårda. Många vattenbyggnader står i kontakt med vatten året om, samt utsätts för frostangrepp vintertid. Vattnet i svenska sjöar och vattendrag kan generellt klassas som mjukt till följd av de geologiska förutsättningarna i Sverige. Dessutom kan is och övrigt drivgods orsaka nötningsrelaterade skador på vissa konstruktioner.Successiv nedbrytning av betongens yta längs vattenlinjen sker på de flesta vattenbyggnader. Skadorna påminner om avskalning orsakad tösalter trots att konstruktionerna står i kontakt med sötvatten. Nedbrytningen av betongytan leder till friläggandet av grövre ballastkorn, samt i förlängningen även armeringsjärn. Genom bestämning av cementpastans kemiska samansättning har det visats att långvarig kontakt med mjukt vatten orsakar urlakning av det yttre betongskiktet. Urlakningen leder i sin tur till att ytans beständighet gentemot frost och nötning försämras. Även betong som anses vara frostbeständig uppvisar frostskador om ytan urlakas innan frostangreppet inträffar. Att olika nedbrytningsmekanismer kan förstärka varandras effekter bekräftades experimentellt genom att samverkan mellan urlakning, frysning och nötning orsakade mer omfattande skador på betongens yta än vad de enskilda mekanismerna gjorde tillsammans.Den successiva nedbrytningen av betongytan längs vattenlinjen börjar med att ytskiktet urlakas under vår, sommar och höst. Betongens yta blir därmed känslig för frostangrepp och ytskiktet skadas under den följande vintern. På våren faller det skadade skiktet bort. Därefter börjar processen om på nytt.I en del fall har inre skador påträffats vid och strax ovanför vattenlinjen i betong tillhörande vattenkraftverk uppförda företrädesvis innan 1950-talet. Resultat från försök i laboratoriet bekräftar att inre skador kan inträffa ovanför vattenlinjen i icke frostbeständig betong. Bestämning av fuktnivåer i befintliga konstruktioner och i provkroppar efter laboratorieförsök visar däremot att risken för inre skador vid och ovanför vattenlinjen är låg i frostbeständig betong.En annan typ av inre skador har påträffats långt under vattenlinjen i tunna och dämmande betongkonstruktioner. Skadornas art kan karaktäriseras av spjälkning av större betongsjok. Den gemensamma faktorn för konstruktionerna är att de har utsatts för långa perioder av ensidig frysning under vintern. Genomförda studier har visat att låg betongkvalitet, samt effekter av åldring och defekter från byggtiden kan möjliggöra makroskopisk islinsbildning, vilken orsakar spjälkning.I fullt frisk betong med vattencementtal (vct) lägre än 0.9 är dock risken för makroskopisk islinsbildning låg. I betong med inre sprickbildning till följd av frostskador kan däremot spjälkning inträffa inom några dagar oberoende av betongens vct. Även i betong med inre defekter, till exempel mindre håligheter, kan spjälkning inträffa. Högre kvalitet på betongen kräver dock längre perioder av ensidig frysning för att makroskopisk islinsbildning ska orsaka skador. Eftersom ofördelaktiga temperatur- och fuktförhållanden kan existera vintertid i tunna och dämmande betongkonstruktioner bör risken för spjälkning av betong beaktas.Genom bestämning av vattenmättnadsgrader i en 55-årig damm har det visats att höga fuktnivåer i betong kan uppkomma över tid så att även frostbeständig betong riskerar skadas vid frostangrepp. Mikrostrukturella observationer av betongprover från dammen visade även att frostbeständigheten kan försämras över tid till följd av att luftporerna i betongen fylls med ettringit och kalciumhydroxid. Trots att höga fuktnivåer uppkommer över tid kan risken för en del frostskador minimeras genom att speciellt utsatta konstruktioner skyddas från frostangrepp.