www.pelcon.dk 1

PELCON

PELCON

DBF 19.03.2014

Brug af slaggecement i marint miljø: Frostsikring

Peter LaugesenPelcon Materials & Testing ApS

PELCON

Pelcon assignments since 2004

PELCON

DBF 19.03.2014

60 år gammel betonbelægning

X

PELCON

DBF 19.03.2014

Typiske overfladeparallelle revner - delaminering

Ø: 180 mm kerne boret lodret ned gennem belægningen.

PELCON

DBF 19.03.2014

Dagens tekst

• Der præsenteres nye resultater med at udvikle en frostsikker beton til brug i marine miljøer. Betonerne med anvendelse af slaggecement er nu accepterede i Sverige og anvendes i projekt Värtahamnen v/Per Aarsleff & COWI

– En særlig tak til Jens Worm, PAA!

PELCON

DBF 19.03.2014

Pæle og dækelementer,se animation fra youtube (flot!)

PELCON

DBF 19.03.2014

Produktion af dækelementer:6x6x0,6m og 8x8x0,6mi Swinoujscie, Polen

www.pelcon.dk 2

PELCON

PELCON

DBF 19.03.2014

Cement types & mix design

• CEM III/A 42,5 R - NA– Fck:

• CEM III /A 32.5 N - LH/HSR/NA– Fck:

Cement definition:

– N - normal early strength

– LH - with a low heat of hydration

– HSR - high sulphates resistance

– NA – low alkali

v/c: 0,37

PELCON

DBF 19.03.2014

”Dårlige erfaringer med slaggecementbeton” –…men hvorfor??

PELCON

DBF 19.03.2014

Forudsætninger for holdbare CEM III betonkonstruktioner

Måske ikke overraskende:

• Lavt V/C-tal

• Luftporestruktur– Luftindhold > 4%

– Afstandsfaktor <0,20mm

• Efterbehandling– Forhindre udtørring

• Indregne længere hærdetid!!

Ubetinget forudsætning for permanente brodæk lavet af slaggecementbeton...

PELCON

DBF 19.03.2014

Borås test – example of very little scaling after 112 cycles

<0.1 kg / m2

– or ??

<0.1 kg / m2~3 kg / m2

Mean value: 1.0 kg / m2

Core taken from structure over poor joint.

PELCON

DBF 19.03.2014

Frostbestandighed målt med ‘Borås-test’,Utgenannt & Petersen 1012

Med luftiblanding Uden luftiblanding

Konditionering: Klimaskab ved 65% RH og 20 ± 2 ºC

PELCON

DBF 19.03.2014

Frostbestandighed målt i laboratoriet,Utgenannt & Petersen 1012

Med luftiblanding Uden luftiblanding

www.pelcon.dk 3

PELCON

PELCON

DBF 19.03.2014

Frostbestandighed med CDF-test,Visser & Heijnen 1998

Med luftiblanding, V/C: 0,55 Uden luftiblanding, V/C: 0,45

Modificeret konditionering: Klimaskab ved >95% RH og 20 ± 2 ºC,dvs noget mindre udtørring end v Borås-testen

PELCON

DBF 19.03.2014

Frostbestandighed i forhold til konditionering,Utgenannt & Petersen 1012

CEM I CEM III B

PELCON

DBF 19.03.2014

Konditioneringens betydning ved lab-test,Utgenannt & Petersen 1012

• CEM I concrete

– carbonation leads to an improved scaling resistance.

• CEM III (B) concrete

– Carbonation of concrete with high slag content thus leads to poorer scaling resistance.

– The higher initial scaling is a result of the fact that the carbonated layer is scaled off during the initial part of the test.

PELCON

DBF 19.03.2014

Del-konklusioner,Utgenannt & Petersen 1012

• Concrete with CEM I + 30% slag in general also shows good resistance to internal and external F-T damage

• Concrete with CEM III (B), suffers from severe scaling, even with a w/b-ratio below 0.5 and with entrained air

• Comparing results from laboratory ‘Borås’ testing with results after 14 years’ highway exposure: Laboratory standard classifies most concrete qualities correctly

• Field results for 2 concrete qualities containing medium to high contents of slag indicate more damage than could be expected from the slab test results

PELCON

DBF 19.03.2014

2

Udtørring Karbonatisering og/eller ”iltning”

1

30 mm

PELCON

DBF 19.03.2014

Mag.: x63

Carbonated zone

‘Oxidized zone’

Porous cement paste Dense cement paste

PPL

UVL

XPL

‘Non-oxidized zone’

Mag.: x63

www.pelcon.dk 4

PELCON

PELCON

DBF 19.03.2014

0.35

0.50

0.450.40

0.550.600.65PELCON

DBF 19.03.2014

‘Oxidized zone’ ‘Non-oxidized zone’

Mag.: x500; PPL Mag.: x500; PPL

PELCON

DBF 19.03.2014

Thin pale lines… ?

10 cm

PELCON

DBF 19.03.2014

X63, UVL & PPL X200, UVL & PPL

PELCON

DBF 19.03.2014

ITZ: Kontaktzonen cementpasta-sten er tæt på oversiden, men porøs på undersiden; indikerer ”lidt bleeding”

X63, UVL & PPL

PELCON

DBF 19.03.2014

Generelt er kontaktzonen ”tæt” og cementpastaen ensartet

X63, UVL & PPL

www.pelcon.dk 5

PELCON

PELCON

DBF 19.03.2014

Holdbarhed af CEM IIIA betonerne til Värtahamnen

Mulig skade Prøvningsmetode Risiko med betonerne til Värtahamnen

Termorevner Simulering, temp.-måling & inspektion

Lav

Chloridinduceretarmeringskorrosion

Chloridmigration Meget lav

AKR Petrografi, ASTM C 666og erfaring

Meget lav

Frost Luftporeanalyse og ”Borås” = EN 12390-9

Meget lav

Sulfatskader Cementkemi, temp.-måling og petrografi

Lav(Næste foredrag)

PELCON

DBF 19.03.2014

Efterbehandling straksefter afformning

PELCON

DBF 19.03.2014

NT Build 492 (CTH Test)Chloride migration coefficient D (non steady state):(from the Nernst-Einstein equation)

Proposed acceptance limits (Tang Luping):

PELCON

DBF 19.03.2014

Chloridmigration - resultater

CEM III A 42.5 Z140Sample 1 2 3Thickness 1, mm 49,9 49,7 50,4Thickness 2, mm 49,8 49,8 50,6Time of start 12-03-2013 11:00 12-03-2013 11:00 12-03-2013 11:00Time of finish 13-03-2013 10:50 13-03-2013 10:50 13-03-2013 10:50NaOH temperature at start, °C 18,8 18,8 18,8NaOH temperature at finish, °C 19,7 19,6 19,6Voltage, V 35,0 35,0 35,0Chloride penetration depth 1, mm 13,9 15,3 8,3

- 2, mm 12,5 8,7 8,9- 3, mm 11,7 11,6 8,3- 4, mm 9,5 6,0 7,9- 5, mm 10,8 8,2 8,6- 6, mm 10,7 14,8 13,0- 7, mm 11,8 11,8 15,9

U: applied voltage, V 35 35 35

T: mean temperature, °C 19,3 19,2 19,2

L: mean thickness, mm 49,9 49,8 50,5

xd: mean chloride penetration depth, mm 11,6 10,9 10,1

t: test duration, h 23,83 23,83 23,83

Dnssm: Migration coefficient, x 10-12 m2/s 4,4 4,1 3,8

Dnssm: Mean value x 10-12 m2/s 4,1

Dnssm: Standard deviation 0,3

PELCON

DBF 19.03.2014

Luftporemåling - resultater

Luftindhold: 4,7%Specifik overfl.: 31mm-1Afstandsfaktor: 0,16mm

Luftindhold: 5,0%Specifik overfl.: 28mm-1Afstandsfaktor: 0,17mm

PELCON

DBF 19.03.2014

Frostprøvning - resultater

Sample Scaling Scaling

16 weeks [kg/m2 surface] [kg/m2 surface]

Z140A-1 0,07 0,01

Z140A-2 0,22 0,01

Z140A-3 0,10 0,01

Z140A-4 0,23 0,02

Mean value: 0,16 0,01

Standard deviation: 0,08 0,00

Sample Scaling Scaling

16 weeks [kg/m2 surface] [kg/m2 surface]

Z141A-1 0,09 0,11

Z141A-2 0,06 0,10

Z141A-3 0,07 0,11

Z141A-4 0,13 0,09

Mean value: 0,09 0,10

Standard deviation 0,03 0,01

CEM III A 42.5

Sample Scaling Scaling

8 weeks [kg/m2 surface] [kg/m2 surface]

Z140-1 0,06 0,01

Z140-2 0,11 0,01

Z140-3 0,10 0,01

Z140-4 0,13 0,02

Mean value: 0,10 0,01

Standard deviation: 0,03 0,00

CEM III A 32.5

Sample Scaling Scaling

8 weeks [kg/m2 surface] [kg/m2 surface]

Z141-1 0,08 0,06

Z141-2 0,06 0,04

Z141-3 0,06 0,05

Z141-4 0,11 0,08

Mean value: 0,08 0,06

Standard deviation: 0,03 0,02

www.pelcon.dk 6

PELCON

PELCON

DBF 19.03.2014

Frostprøvning – resultater,Forlænget curingtid 28 56 dage

Sample Scaling [kg/m2 surface] Scaling

week: 1 2 4 6 8 10 12 14 16 [kg/m2 surface]

Z141A-1 0,032 0,018 0,033 0,008 0,011 0,006 0,001 0,003 0,001 0,11

Z141A-2 0,023 0,020 0,045 0,004 0,007 0,002 0,001 0,001 0,000 0,10

Z141A-3 0,012 0,011 0,073 0,001 0,011 0,001 0,002 0,000 0,000 0,11

Z141A-4 0,022 0,029 0,025 0,003 0,002 0,003 0,004 0,000 0,000 0,09

Mean value: 0,10Standard deviation 0,01

Sample Scaling [kg/m2 surface] Scaling

week: 1 2 4 6 8 10 12 14 16 [kg/m2 surface]

Z140A-1 0,005 0,000 0,003 0,001 0,000 0,000 0,000 0,001 0,000 0,01

Z140A-2 0,006 0,001 0,003 0,001 0,001 0,001 0,000 0,000 0,000 0,01

Z140A-3 0,006 0,001 0,003 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,01

Z140A-4 0,004 0,003 0,006 0,002 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,02

Mean value: 0,01Standard deviation: 0,00

PELCON

DBF 19.03.2014

Frostbestandighed i samme Cem IIIA beton uden luftporestruktur

PELCON

DBF 19.03.2014

Borås samples after 112 cycles –dried and vacuum impregnated

1.7 kg / m2 0.4 kg / m2

PELCON

DBF 19.03.2014

Surfaceparallel sections 10mm below exposed surface

1.7 kg / m2 0.4 kg / m2

Borås samples after 112 cycles –dried and vacuum impregnated

1.7 kg / m2 0.4 kg / m2

PELCON

DBF 19.03.2014

Typical frost damages in concrete structures –surface parallel cracks, spaced by e.g. 10-20mm

Ø: ~100mm

Ø: ~180mm

Ø: ~100mm

Ø: ~100mm

Ø: ~100mm

Cores are dried at 35°C, vacuum impregnated in fluorescent epoxy and sectioned axially

Completely different crack pattern from lab test specimens

PELCON

DBF 19.03.2014

Frost damage is not confused with ASR

30 years old Balcony

www.pelcon.dk 7

PELCON

PELCON

DBF 19.03.2014

Hollandske erfaringer siden 1920’erne (CEM IIIB),R.B. Polder et al. 2012

• Freeze-thaw + de-icing salt resistance of CEM III/B concrete is slightly lower than that of CEM I concrete

• Under Dutch climate conditions, CEM III/B and CEM I concrete are considered to be similar in F-T+salt performance

• In some cases, bad curing increases the susceptibility for freeze-thaw + salt damage of CEM III/B, especially in the form of scaling, at young age

PELCON

DBF 19.03.2014

Eksempler på “god” slaggecementbeton

Konstruktioner Eksponeringstid Holdbarhedsskader

Oosterscheldekering >50 år Ingen/få

Polske konstruktioner, generelt

>30-50 år Ingen/få

100-vis af gravitations-vindmøllefundamenter

>10 år Ingen

1000-vis af X-blokke 3 år Ingen

Med mange flere…

PELCON

DBF 19.03.2014

Konklusion:

• Det er muligt at producere Holdbar CEM III (A) beton – også frostbestandig

• Der er klare holdbarhedsmæssige fordele ved denne løsning

• Der er få ulemper (forlænget curingtid)

• Forvent der er forskelle fra cement til cement også indenfor CEM III (A)

Mulig skade Risiko: CEM III(A) i forhold til CEM I

Termorevner Meget mindre

Chloridinduceretarmeringskorrosion

Meget mindre

AKR Meget mindre

Frost Tilsvarende / lidt større

Sulfatskader -(Næste foredrag)

PELCON

DBF 19.03.2014

Tak for opmærksomheden