Debonding - Corrosie.info

Innovatieve Corrosiebescherming bij
Ondergronds Bouwen
Debonding tussen staal en beton
Nicolas Denies WTCB
Noël Huybrechts WTCB
07.10.2016
Debonding tussen staal en beton – inhoud van de presentatie
Inhoud van de presentatie:
 Resultaten van het literatuuronderzoek
 Variatie van de afschuifsterkte in functie van de corrosiegraad
 Analyse van de bestaande correlaties
 Identificatie van de relevante/bepalende parameters
 Invloed van de coating
 Voornaamste conclusies op basis van het literatuuronderzoek
 Lijst van relevante referenties
Debonding tussen staal en beton – inhoud van de presentatie
Inhoud van de presentatie:
Eerste waarneming:
o weinig info beschikbaar in de literatuur
i.v.m. debonding van staal-beton door corrosie
o niets i.v.m. debonding van staal-soilmix door corrosie
o niets i.v.m. debonding van staal-grouting type materiaal
door corrosie
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
= experimenteel onderzoek + overzicht van de bestaande
literatuur
 Het maken van de cilinders in gewapend beton (10cm diameter en 20cm
hoog)
Corrosie is na verankering in beton geïnduceerd
Geribde stalen stang Y10
(10mm diameter)
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
Verankeringslengte van 155
mm met een totale lengte
voor de stang van 355 mm
Afschuifsterkte tussen staal en beton (MPa)
 Uittrekproeven op cilinders in gewapend beton (10cm diameter en 20cm
hoog)
Geen corrosie =
controlewaarde
% massa verlies = % corrosie = mfin/minit x 100% = Vfin/Vinit x 100 %
Overzicht
literatuur
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
Afschuifsterkte tussen staal en beton (MPa)
 Uittrekproeven op cilinders in gewapend beton
Een % massa verlies minder dan 2% resulteert
in een vergroting van de afschuifsterkte.
Deze vergroting is gerelateerd aan de vorming
van de corrosieproducten. Gedurende de
eerste fasen van de verschijning van de
corrosie ontwikkelt zich een druk op de
interface tussen staal en beton. Deze druk is
gerelateerd aan de vergroting van het volume
van de stalen wapening. Dat resulteert in een
steundruk op de stalen wapening (vóór de
vorming van scheuren in het omringende
beton) en dat veroorzaakt een initiële
% massa verlies = % corrosie = m /m x 100% = V /V x 100 %
verhoging van de afschuifsterkte.
Deze resultaten werden in Al-Sulaimani et al.
(1990) en Shang et al. (2010) waargenomen.
fin
init
fin
init
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
 Uittrekproeven op cilinders in gewapend beton
Afschuifsterkte tussen staal en beton (MPa)
Voor een corrosiegraad hoger dan 4% is
de afschuifsterkte minder dan de
controlewaarde (zonder corrosie).
Na de beproeving en het terugvinden van
de wapeningen is er waargenomen dat de
corrosie begint op het niveau van de
ribben. De hoogte van de ribben
vermindert progressievelijk met de
ontwikkeling van de corrosie tot 2%
corrosiegraad. Op dit niveau verdwijnen
de ribben volledig (zie ook Almusallam et
al. 2002 en Chung et al 2004).
2% is de kritische corrosiegraad die
in
% massa verlies = % corrosie = m
een vermindering van de afschuifsterkte
resulteert.
nog
1 MPa
fin/minit
x 100% = Vfin/Vinit x 100 %
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
Genormaliseerde afschuifsterkte tussen
staal en beton (%)
 Uittrekproeven op ciliders in gewapend beton
 Vergelijking met bestaande empirische relaties van de literatuur
C0 < Cc
% massa verlies = % corrosie = mfin/minit x 100% = Vfin/Vinit x 100 %
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
 Empirische correlaties van de literatuur
ub is de afschuifsterkte tussen staal en beton (MPa)
fcu = druksterkte UCSkubus (MPa)
fc’ = druksterkte UCScilinder (MPa)
C0 is de corrosiegraad (%)
Cc is de corrosiegraad die resulteert in het
verschijnen van scheuren (%)
C0 < C c
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
 Bepaling van de corrosiegraad (%) volgens het proces
van Stanish et al. (1999) en wet van Faraday
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
 Bepaling van de corrosiegraad (%) volgens het proces
van Stanish et al. (1999) en wet van Faraday
Validatie van de methode
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
“Effect of corrosion products on bond strength and flexural
behavior of reinforced concrete slabs” - Kearsley and Joyce (2014)
 Conclusies van de uittrekproeven volgens de auteurs
 Corrosiegraad minder dan 2% impliceert geen vermindering van de
werking van het gewapend beton
 Afschuifsterkte tussen staal en beton is niet verminderd wegens de
corrosie voor een lage corrosiegraad (minder dan 2%)
 Beschouwing van de tijd nodig om 2% corrosie te bereiken in het
ontwerp van langetermijn structuren om hun levensduur te bepalen
 vraag van het WTCB: welke meettechniek is beschikbaar om de
corrosiegraad in-situ te meten/monitoren?
 Validatie van de bepaling van de corrosiegraad met Faraday
OPMERKINGEN WTCB:
 In deze proeven: corrosie is na verankering in beton geïnduceerd
 In dit artikel: corrosiegraad = % staal massa verlies
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Overzicht
literatuur
OPMERKINGEN WTCB:
 2% corrosie betekent dat de initiële diameter van de stang (10mm)
tot 9.9mm vermindert = een verlies van 0.1mm van de diameter
van de stang  cf. corrosietabellen EN 1993-5?
Alle waarden > 0.1 mm
Maar deze waarden
zijn onafankelijk van de
initiële afmetingen van
de palen en de planken
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
INVLOED TYPE
CEMENT
“Deterioration of concrete due to reinforcement corrosion” –
Cabrera (1996)
 Uittrekproeven op kubussen in gewapend beton (zijde 150cm)
Stalen stang (12mm diameter)
Geen info i.v.m. de afmeting
van de ribben
Verankeringslengte = 4 x
diameter van de stang
Samenstelling beton
350 kgcement/m³
W/C = 0.55
Weight ratios:
1:2.3:3.5
cement: zand: grind
Corrosie is na verankering in beton geïnduceerd
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
INVLOED TYPE
CEMENT
“Deterioration of concrete due to reinforcement corrosion” –
Cabrera (1996)
 Uittrekproeven op kubussen in gewapend beton (zijde 150cm)
Stalen stang (12mm diameter)
Geen info i.v.m. de afmeting
van de ribben
Invloed type cement
70% normale Portland
cement and 30% Pulverized
Fuel Ash = vliegas
100% normale Portland
cement
Gelijksoortig effect
nog
5 MPa
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
INVLOED TYPE
PROEF
“Corrosion effects on bond strength in reinforced concrete” –
Stanish, Hooton and Pantazopoulou (1999)
 Op basis van buigproeven  afschuifsterkte is afgeleid door middel
van een back analysis van de moment-doorbuiging curves
Geribde stalen stang M10
(10mm diameter)
Geen info i.v.m. de afmeting van de ribben
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
INVLOED TYPE
PROEF
“Corrosion effects on bond strength in reinforced concrete” –
Stanish, Hooton and Pantazopoulou (1999)
 Op basis van buigproeven  afschuifsterkte is afgeleid door middel
van een back analysis van de moment-doorbuiging curves
Corrosie is na verankering in beton geïnduceerd
Geribde stalen stang M10
(10mm diameter)
Geen info i.v.m. de
afmeting van de ribben
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Governing
parameters
“Evaluation of the bond properties between concrete and
reinforcement …” – Lee, Noguchi and Tomosawa (2002)
 Op basis van uittrekproeven
Corrosie is na verankering in beton geïnduceerd
Geribde stalen stang SD 295A D13 (13mm diameter)
Geen info i.v.m. de afmetingen van de ribben
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Governing
parameters
“Evaluation of the bond properties between concrete and
reinforcement …” – Lee, Noguchi and Tomosawa (2002)
 Op basis van uittrekproeven
1 - Voor de vorming van de scheuren
2 - Na de vorming van de scheuren
nog
1 MPa
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
“Effect of reinforcement corrosion on bond strength” –
Almusallam et al. (1996)
Invloed
ribben en
scheuren
 Op basis van uittrekproeven
Info beton en wapening:
Beton samenstelling bepaald om 30 MPa na 28 dagen te bereiken.
Portland cement, W/C = 0.45
12 mm diameter stang – geen info i.v.m. de afmetingen van de ribben
Corrosie is na verankering in beton geïnduceerd
glad
staal
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
“Effect of reinforcement corrosion on bond strength” –
Almusallam et al. (1996)
Invloed
ribben en
scheuren
 Op basis van uittrekproeven
Info beton en wapening:
Beton samenstelling bepaald om 30 MPa na 28 dagen te bereiken.
Portland cement, W/C = 0.45
12 mm diameter stang – geen info i.v.m. de afmetingen van de ribben
Corrosie is na verankering in beton geïnduceerd
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Invloed
coating
FHWA report on the “Feasability of various coatings for the
protection of reinforcing steel-corrosion and bond testing” (2000)
Overzicht van de literatuur:
 Uittrekproeven  afschuifsterkte van epoxy-coated wapeningen
 Vermindering van de afschuifsterkte indien epoxy-coating wordt
gebruikt (Cairns and Abdullah 1994, Choi 1991, Clifton 1983, Cusens
1993, Hamad and Jirsa 1990, Kayyali 1995)
 Gemiddelde afschuifsterkte van epoxy-coated wapeningen is minder
dan de gemiddelde afschuifsterkte van uncoated wapeningen:
tcoated 80%-95% tuncoated
 Krachtoverdracht is minder efficiënt met een coating (Cusens 1993)
Nieuwe proeven van FHWA (2000): BOND RATIO = tcoated/tuncoated
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Conclusies
 Afschuifsterkte tussen staal en beton is niet verminderd door corrosie zolang de
corrosiegraad minder dan 2% blijft
 Voor hogere waarden induceert de corrosie een vermindering van de
afschuifsterkte tussen staal en beton in functie van
 de verhoging van de corrosiegraad
 de vergroting van de scheurbreedte
 de vermindering van de hoogte van de ribben (te weinig of geen info
i.v.m. de initiële afmetingen van de ribben!)
 Dit effect is voor verschillende types beton waargenomen
 De afschuifsterkte is aan de druksterkte gerelateerd (voor de vorming van de
scheuren) en aan de corrosiegraad (na de verschijning van de scheuren in het
beton)
 Corrosiegraad is in het algemeen bepaald als het % staal massa verlies
(Mfin/Minit x 100%) maar is niet altijd in de literatuur duidelijk gedefiniëerd
 Verschillende correlaties bestaan in de literatuur tussen afschuifsterkte en
corrosiegraad (maar soms op basis van verschillende proeven!)
 Deze conclusies betreffen stalen stangen gecorrodeerd na integratie in het
beton
 Met een PVC of een epoxy coating: tcoated 80%-95% tuncoated
Debonding tussen staal en beton – literatuuronderzoek
Conclusies
 IN DE PRAKTIJK  hoe is het mogelijk de corrosiegraad van
langetermijn structuren te meten/monitoren
Debonding tussen staal en beton – relevante referenties
Referentielijst
















Almusallam, Al-Gahtani, Aziz and Rasheeduzzafar. Effect of reinforcement corrosion on bond strength. Construction
and Building materials. Vol. 10, no 2, pp. 123-129, 1996
Al-Sulaimani, Kaleemullah, Basunbul and Rasheeduzzafar. 1990. Influence of corrosion and cracking on bond
behavior and strength of reinforced concrete members. ACI Structural journal. March-April 1990.
Cabrera, Deterioration of concrete due to reinforcement steel corrosion, Cement and concrete composites, 18 (1996)
47-59
Cairns, J., & Abdullah, R. (1994). Fundamental tests on the effect of an epoxy coating on bond strength. ACI
Materials Journal, 91, 331–337.
Choi, O. C., Hadje-Ghaffari, H., Darwin, D., & McCabe, S. L. (1991). Bond of epoxy-coated reinforcement: Bar
parameters. ACI Materials Journal, 88, 207–217.
Chung, Cho, Kim and Yi. 2004. Correction factor suggestion for ACI development length provisions based on flexural
testing of RC slabs with various levels of corroded reinforcing bars. Engineering structures, 26, pp. 1013-1026
Clifton, J. R., & Mathey, R. G. (1983). Bond and creep characteristics of coated reinforcing bars in concrete. ACI
Materials Journal, 80, 288–293.
Cusens, A. R., & Yu, Z. (1993). Bond strength and flexural behavior of reinforced concrete beams with epoxy-coated
reinforcing bars. The Structural Engineer, 71, 117–124.
FHWA/TX-03/4904-3. Feasability of various coatings for the protection of reinforcing steel-corrosion and bond
testing. 2000.
Hamad, B. S., & Jirsa, J. O. (1990). Influence of epoxy coating on stress transfer from steel to concrete. In
Proceedings of the First Materials Engineering Congress: Serviceability and Durability of Construction Materials (pp.
125–134).
Hassan. 2003. Bond of reinforcement in concrete with different types of corroded bars. MSc dissertation, Cairo,
Egypt: Ain Shams University
Kayyali, O. A., & Yeomans, S. R. (1995). Bond and slip of coated reinforcement in concrete. Construction & Building
Materials, 9, 219–226.
Kearsley and Joyce, Effect of corrosion products on bond strength and flexural behavior of reinforced concrete slabs,
Journal of the south African institution of civil engineering, vol 56, N°2, August 2014, pp. 21-29, paper 1024
Lee, Noguchi and Tomosawa. Evaluation of the bond properties between concrete and reinforcement as a function of
the degree of reinforcement corrosion. Cement and Concrete research 32, pp. 1313-1318, 2002
Shang, Mishima and Maekawa. 2010. Open-slip coupled model for simulating three-dimensional bond behavior of
reinforcing bars in concrete after corrosion. In Oh et al (Eds), Fracture mechanics of concrete and concrete
structures, Seoul, Korean Concrete Institute, pp. 859-865
Stanish, Hooton and Pantazopoulou, Corrosion effects on bond strength in reinforced concrete, ACI structural
journal, Nove-Dec 1999 Vol 96, No. 6, pp. 915-922