Durability of sprayed concrete : steel fibre corrosion in cracks

A combination of sprayed concrete technique and steel fibre technology gives obvious advantages when saving the work needed to place conventional reinforcement. In rock strengthening applications this is most accentuated. Sprayed concrete in general, made by skilled workmen, will generally be of high quality and good durability. Durability requirements can also be found in today’s regulations with demands on service-life of more than 100 years. Since steel fibre reinforcement in wet-mix sprayed concrete has been common practice only since the late 1980s questions could be raised regarding its resistance to corrosion. It has previously been proved that steel fibres show an excellent durability against corrosion in homogenous concrete. In conditions where conventional reinforcement shows high rates of corrosion the steel fibres may still be unaffected. Fibres have a smaller size than conventional reinforcement and they seem therefore to be better protected by the alkaline environment provided by the concrete. A smaller cathode area compared to the anode area is another argument for better resistance to corrosion. However, the high quality combined with relatively thin layers applied in sprayed concrete structures give rise to deformations imposed by shrinkage, which is a common cause of cracks. In the design of steel fibre reinforced sprayed concrete (SFRSC) for e.g. rock strengthening purposes the fibres are used both to minimize crack widths from shrinkage and to obtain a sufficient post-crack behaviour. A system with bolts and SFRSC is dependent on a long- term residual strength capacity. Therefore, the purpose of this thesis is to investigate the mechanisms governing initiation and propagation of corrosion for cracked sprayed concrete. Field inspections performed on old, cracked, SFRSC show that the amount of corrosion is limited after 5-15 years of exposure. Even in the presence of high chloride concentrations the attack seemed limited. Moreover, it was noticeable that the amount of fibres crossing the cracks was very small in all the inspected structures. Two different approaches to studying the corrosion of steel fibres in cracks have been tested. Cracked beams of SFRSC have been exposed in field at three different sites. Crack width, fibre length, mix-composition, accelerators and spraying technique (wet-/dry-mix) are parameters that have been tested. After 5 years of exposure the samples exposed along a motorway with direct splashing of water containing de-icing salts show heavy corrosion on fibres crossing the crack. A loss of 15-20% of the fibre diameter in the outer 25 mm is common. Samples with longer fibres (+10 mm) show almost a doubled attack. Samples on the other sites start to show corrosion, but to a much more reduced extent. Except for the samples exposed in a tunnel environment, freeze-thaw damages may also be seen. In the river environment there seems to be an effect on the residual strength with reduction due to decreased concrete matrix strength. Differences in frost resistance could also be seen between samples with and without addition of water glass accelerator. According to an air void analysis the samples with water glass addition receive a more coarse air void system and therefore lowered frost resistance. Laboratory studies with accelerated exposure tests have also been performed. The purpose is to develop a technique for isolating parameters in a better way than in field and to perform exposure tests in a more controllable environment. In addition a useful technique combined with a correlation to the field exposures could make it possible to imitate longer real exposures in a shorter period of time and in this way estimate the long-time behaviour. Mainly the same behaviour as in field, with increased corrosive attack with increased crack width and fibre length, could be seen in the laboratory exposures. The influence of fibre length accentuates the importance of the anode- /cathode ratio for the rate of corrosion which has also been noticed for conventional reinforcement. In addition to the parameters tested in field exposures, different steel qualities are also tested in the laboratory exposures. Stainless steels seem to give full protection (at least for approximately 50 years), whilst galvanized fibres give temporary protection. A very rough estimation is that the laboratory exposures accelerate the exposure by about 50 times compared to the motorway environment (1 year in lab. corresponds to 50 years in field). As mentioned the steel fibres are supposed to be able to carry load during their entire service-life. The ductility of fibre reinforced concrete is given from the pullout strength achieved by the interaction between fibre and concrete matrix via bond-strength, friction and fibre deformation. If corrosion is initiated, the corroded fibres give ductility as long as the fibre strength is greater than the pullout resistance. An analytical model developed indicates that the fibre reinforced concrete shows substantial residual strength a long time after corrosion is initiated. Traditional service-life criteria are not valid for steel fibre corrosion in cracks. Instead, the service-life prediction should be based on an acceptable reduction of load bearing capacity. Measures taken at the design stage to ensure the load bearing capacity can be addition of extra amount of fibres, increased thickness of the structure or change of fibre material to a more corrosion resistant materials. A parameter influencing the residual strength of steel fibre reinforced sprayed concrete is the fibre distribution in the concrete. Commonly used methods (e.g. manual counting in a cross-section) for estimating the fibre amount in sprayed samples could be questioned and should be further investigated. Homogenous fibre distribution is important as results from standardised tests and the inventory of old structures point in the direction that cracks occur where the amount of fibres is smallest.Genom att kombinera sprutbetongtekniken med stålfiberarmering erhålls uppenbara fördelar genom inbesparat armeringsarbete. Detta blir särskilt tydligt i bergförstärkningssammanhang. Sprutbetong i allmänhet, tillverkad av kunniga hantverkare, får hög kvalitet och god beständighet. Krav på beständighet finns också i dagens normer med krav på över 100 års livslängd. Eftersom stålfiberarmerad, våtsprutad betong bara använts sedan slutet på 80-talet finns frågetecken kring beständigheten mot fiberkorrosion. Det har tidigare bevisats att stålfibrer uppvisar utmärkt beständighet mot korrosion i homogen betong. Vid förhållanden som ger höga korrosionshastigheter på konventionell armering kan stålfibrer fortfarande vara opåverkade. Fibrer är små jämfört med konventionell armering och skyddas därför bättre i betongens alkaliska miljö. Mindre katodyta i förhållande till anodytan är ett annat argument till varför fibrer uppvisar bättre korrosionsbeständighet. Den höga kvaliteten kombinerat med att sprutbetong appliceras i relativt tunna skikt ger upphov till tvångsdeformationer av t.ex. krympning, som är en vanlig anledning till uppsprickning. Vid dimensionering av en bergförstärkning med stålfiberarmerad sprutbetong används fibrer både till att minska sprickvidder från krympning och att skapa en acceptabel duktilitet efter uppsprickning. I ett system med bultar och stålfiberarmerad sprutbetong är man beroende av vidmakthållen residualbärförmåga under lång tid. Syftet med föreliggande avhandling är bl.a. att undersöka mekanismerna som styr initiering och propagering. I besiktningar av gammal, sprucken stålfiberarmerad sprutbetong kan endast begränsad korrosion ses efter 5-15 års exponering. Även vid närvaro av höga kloridhalter verkar angreppet vara begränsat. I alla de undersökta objekten var dock antalet fibrer som korsade sprickan mycket litet. Två olika angreppssätt har använts för att studera korrosion av stålfibrer in sprickor. Spruckna stålfiberarmerade sprutbetongbalkar har exponerats i fält vid tre olika platser. Sprickvidd, fiberlängd, blandningstyp, acceleratorer och sprutmetod (våt/torr) är parametrar som testats. Efter 5 års exponering uppvisas korrosion, på fibrer som korsar sprickor, huvudsakligen i prover exponerade längs en motorväg med direktstänk av vatten innehållande tösalt. Förlust av 15-20% av fiberdiametern i de yttre 25 mm är vanligt där. Prover med längre fibrer (+10 mm) uppvisar nästan ett dubbelt så kraftigt angrepp. Prover exponerade på de andra platserna visar också korrosion men i betydligt mindre omfattning. Förutom proverna i tunnelmiljö ses också frostskador. I älvmiljö verkar också residualbärförmågan bli påverkad negativt och där en reduktion skulle kunna förklaras med minskad hållfasthet på själva betongmatrisen. En skillnad i frostbeständighet har också kunnat ses när prover med och utan vattenglasaccelerator jämförs. Enligt en analys av luftporsystemet visar prover med vattenglastillsats att de erhåller ett grövre luftporsystem och därför en försämrad frostbeständighet. Laboratorieförsök med accelererad exponering har också genomförts. Syftet är att utveckla en teknik för att på ett bättre sätt, och snabbare, kunna undersöka olika parametrars inverkan på korrosionsbeständigheten i ett mer kontrollerbart klimat. De accelererade försöken måste genomföras på ett sätt som möjliggör en korrelation med fältförsöken. Därmed kan längre tids verklig exponering efterliknas på kortare tid och på så sätt möjliggörs en bedömning av långtidseffekter av korrosion. Huvudsakligen uppvisas samma beteende som i fältexponeringarna med ökat angrepp med ökande sprickvidd och ökad fiberlängd. Inverkan av fiberlängd betonar vikten av anod- /katodförhållandet för korrosionshastigheten vilket också påvisats för konventionell armering. Utöver parametrar som också provas i fält har inverkan av olika stålkvalitet testats. Ett rostfritt stål verkar ge ett fullvärdigt skydd (i alla fall i ca. 50 år), medan de galvaniserade fibrerna endast ger ett tillfälligt skydd. En mycket grov uppskattning är att laboratorieexponeringarna ger ca. 50 gånger acceleration jämfört med normal exponering i motorvägsmiljö (1 år i labb motsvarar 50 år i fält). Som nämnts tidigare förväntas stålfibrerna kunna bära last under hela konstruktionens livslängd. Fiberarmerad betongs duktilitet uppnås genom utdragsmotståndet som uppkommer genom interaktionen mellan fiber och betong genom vidhäftning, friktion och deformation av fibern. Om fiberkorrosion initieras ger de korroderade fibrerna fortsatt duktilitet så länge som fiberhållfastheten är större än utdragsmotståndet. En analytisk modell som utvecklats visar att fiberarmerad betong uppvisar en betydande residualbärförmåga en lång tid efter det att korrosion har initierats. Traditionella livslängdskriterier för armerade betong är inte giltiga för stålfiberkorrosion i sprickor. En livslängdsmodell borde baseras på en acceptabel reduktion av bärförmågan. För att motverka förlust av lastbärande förmåga p.g.a. fiberkorrosion skulle t.ex. extra mängd fibrer, ökad skikttjocklek eller val av mer korrosionsbeständiga fibermaterial kunna föreskrivas vid proportionering. En parameter som inverkar på den ursprungliga residualbärförmågan hos stålfiberarmerad betong är fiberfördelningen i betongen. De vanligaste metoderna som brukar användas (t.ex. manuell räkning av fibrer i tvärsnittet) för att uppskatta fibermängden i sprutbetong kan ifrågasättas. Resultat från standardiserade tester och den inventering av gamla konstruktioner som gjorts pekar mot att sprickor uppkommer där fibermängden är minst.Godkänd; 2005; 20061004 (ysko