Studie naar de toepassing van roestvast staal constructieve bekleding voor een betonconstructie

Transcriptie

1 ./CSS tw Studie naar de toepassing van roestvast staal constructieve bekleding voor een betonconstructie p. BSW r a p ±p o r t fn-r t^^^l r»t ' -". * I 1. 1 I Bouwdienst Rijkswaterstaat afd. Bouwspeurwerk Postbus L A UTRECHT l maart 1997 i 11 1s

2

3 Dit rapport is uitgegeven door: Bouwdienst Rijkswaterstaat afdeling Bouwspeurwerk Postbus LA Utrecht BIBLIOTHEEK BOUWDIENST RIJKSWATERSTAAT BIBLIOTHEEK Bouwdienst Rijkswaterstaat Postbus LA Utrecht Telefoon: Auteursrechten Het overnemen van (delen van) dit rapport is toegestaan mits als bron wordt vermeld: "Studie naar de toepassing van roestvast staal als constructieve bekleding voor een betonconstructie, rapport BSW 97-07, Bouwdienst Rijkswaterstaat, Utrecht" Bouwdienst Rijkswaterstaat, afdeling Bouwspeurwerk. Aansprakelijkheid Bouwdienst Rijkswaterstaat, afdeling Bouwspeurwerk, en degenen die aan dit speurwerkrapport hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het verwerken van de in dit rapport opgenomen gegevens. Deze gegevens geven de stand van de techniek op het moment van uitgifte weer. Nochtans moet de mogelijkheid niet worden uitgesloten dat er zich onjuistheden in dit rapport bevinden. Degene die van dit rapport gebruik maakt, aanvaardt daarvoor het risico. Bouwdienst Rijkswaterstaat sluit mede ten behoeve van al degenen die aan dit rapport hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze gegevens.

4 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Bouwdienst RWS, Stafafdeling Bouwspeurwerk

5 Studie naar de toepassing van roestvast staal als constructieve bekleding voor een betonconstructie BSW rapportnr Dit rapport is opgesteld door: ir. J.J.W. Gulikers, Bouwdienst RWS Bouwdienst Rijkswaterstaat afd. Bouwspeurwerk Postbus LA UTRECHT maart 1997

6

7 Samenvatting Dit rapport bevat de resultaten van een beknopte literatuurstudie naar de eigenschappen van roestvast staal met het oog op de mogelijke toepassing in combinatie met gewapend beton. Daarnaast is informatie verwerkt die is ingewonnen bij TNO Bouw, TNO Metaalinstituut, INTRON en Technische Universiteit Delft (Metaalkunde). Naast algemene informatie over roestvast staal is vooral aandacht besteed aan de beschrijving van de verschillende corrosiefenomenen zoals spleetcorrosie en putcorrosie. Voor zover er roestvast staal in de bouwpraktijk is toegepast als wapening voor beton, is dat beperkt gebleven tot austenitische staalsoorten, voornamelijk AISI 304 (met 18% Cr en 10% Ni) en 316 (toevoeging van molybdeen). Langdurige praktijkervaring onder agressieve condities zoals die na verloop van tijd in gewapend beton kunnen voorkomen (carbonatatie en chloride-indringing), ontbreekt. Onderzoek naar het gedrag van roestvast staal toegepast als staafwapening in beton is tot nu toe beperkt gebleven tot enkele soorten roestvast staal. Op basis van het voorlopige ontwerp voor het kunstwerk, waarbij de onderzijde van het dek en de kolommen volledig met een beplating van roestvast staal worden bekleed, zijn op basis van de aanwezige kennis de potentiele problemen geinventariseerd die bij een gecombineerd gebruik met gewapend beton kunnen optreden. Hierbij is ook rekening gehouden met de mogelijke constructieve functies die het roestvast staal tijdens de gebruiksfase kan vervullen. Voor de staaloppervlakken die continu in aanraking zijn met alkalisch en chloridevrij beton bestaat geen kans op corrosie gedurende de volledige ontwerplevensduur van de constructie. Problemen kunnen echter optreden ter plaatse van de beeindiging van de beplating waar spleetcorrosie kan optreden ten gevolge van een combinatie van carbonatatie en belasting door chloride-houdende dooizouten. Lasnaden ter plaatse van de beeindiging van de beplating en aan de buitenzijde zijn gevoelig voor putcorrosie en spleetcorrosie, met name in die gebieden waar belasting door dooizouten kan optreden. Door een goede controle bij de uitvoering, gecombineerd met de toepassing van koolstofarm roestvast staal, met name AISI 316L, kan dit risico sterk verminderd worden. In dit verband is het aan te bevelen een las te beitsen en te passiveren. Door verschillen in thermische uitzettingscoefficient tussen beton en roestvast staal, met name type AISI 316L, kunnen onaanvaardbare temperatuurspanningen optreden en bij gevolg leiden tot een verminderde constructieve samenwerking tussen beide materialen. In de constructieberekeningen moet dit mogelijke nadelige effect worden verdisconteerd;

8 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Bouwdienst RWS, Stafafdeling Bouwspeurwerk tevens moet rekening worden gehouden met de in het roestvast staal toelaatbare trekspanningen. Een verder probleem vormt het oplassen van het grote aantal stalen deuvels. Hierdoor kunnen ter plaatse van de bevestiging hoge krimpspanningen in het staal optreden die kunnen leiden tot sterke vervormingen. De mate waarin dit zal optreden is mede afhankelijk van de warmtegeleidingscoefficient van het staal en de eventuele warmtevoorbehandeling. Het rapport wordt afgesloten met een aantal conclusies en aanbevelingen voor nader onderzoek in het geval de variant waarbij gerekend wordt op een constructieve samenwerking tussen staal en beton serieus wordt overwogen. Dit betreft experimented onderzoek naar de corrosiebestendigheid van roestvast staal in cementbeton, de verschillen in thermische uitzettingscoefficient, en de krimpspanningen ten gevolge van het lassen van de deuvels. Door een aangepaste detaillering kan het aantal en de ernst van de mogelijke corrosieproblemen worden beperkt. Uit overwegingen van corrosie- en uitvoeringstechnische, en wellicht financiele, aard lijkt het echter verstandiger aan de bekleding van roestvast staal alleen een esthetische en eventueel een beschermende functie toe te kennen. Hierbij wordt de bekleding constructief volledig losgekoppeld van de betonconstructie, waardoor veel problemen worden voorkomen. De dekconstructie en de kolommen kunnen in traditioneel gewapend beton worden uitgevoerd.

9 Roestvast staal is geschikt voor toepassing in combinatie met of in contact met (gewapend) beton mits voldoende aandacht wordt besteed aan de details die van nature gevoelig zijn voor het optreden van spleetcorrosie. Dat geldt in het bijzonder voor lasnaden en aansluitnaden met beton die in direct contact staan met de buitenlucht. Gezien de beperkte en kortdurende praktijkervaring met combinaties van roestvast staal en (gewapend) beton verdient het aanbeveling kritieke details in het ontwerp te inventariseren en deze te onderzoeken op corrosiegevoeligheid door middel van versnelde laboratoriumproeven. Hierbij kan ook aandacht worden besteed aan de toepassing van roestvast staal in beton dat wordt voorzien van een voor lucht slecht doorlaatbare asfaltlaag. Daarnaast kan het definitieve ontwerp ter beoordeling worden voorgelegd aan (externe) deskundigen.

10 ^ ^ ~ Ministerie van Verkeer en Waterstaat Bouwdienst RWS, Stafafdeling Bouwspeurwerk ^^ ^ Inhoudsopgave SAMENVATTING INHOUDSOPGAVE 1 INLEIDING i 2 BESCHRIJVING VAN DE PROBLEMATIEK 1 3 ROESTVAST STAAL 2 4 CORROSIE VAN ROESTVAST STAAL 4 5 EIGENSCHAPPEN VAN AISI 316L EN DUPLEX ROESTVAST ST AAL 6 6 TOEPASSING VAN ROESTVAST STAAL IN BETON 8 7 PROBLEEMANALYSE VOOR KUNSTWERK KW Corrosie Constructieve problemen Uitvoer ingsproblemen \\ 7.4 Metalliseren \\ 8 CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN 13 9 LITERATUUR 1 5

11 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Bouwdienst RWS, Stafafdeling Bouwspeurwerk 1 Inleiding In het gedeelte Heiloo-Ommering van RW9 wordt de bouw van twee nieuwe kunstwerken (KW1 en KW2) voorzien. In de voorontwerpfase van het viaduct KW2 is uit innovatieve overwegingen ook een afwijkende ontwerpvariant gemaakt. Deze variant kenmerkt zich door een gecombineerd gebruik van gewapend beton en roestvast staal dat daarbij als bekleding functioneert voor een groot deel van het buitenoppervlak. Daarnaast biedt de aanwezigheid van de beplating de mogelijkheid deze constructief in het kunstwerk te integreren. De opdrachtgever, directie Noord-Holland, heeft een voorkeur uitgesproken voor deze variant 3. Roestvast staal is een populair constmctiemateriaal vanwege de goede weerstand tegen corrosie. In een agressieve industriele omgeving zijn echter de meeste soorten roestvast staal gevoelig voor lokale corrosie, zoals putcorrosie en spleetcorrosie. Dit zijn gevaarlijke corrosievormen omdat de aantasting meestal onvoorspelbaar is, snel voortschrijdt en ernstige schade veroorzaakt. Tot nu toe is de toepassing van roestvast staal als wapening in beton beperkt gebleven tot incidentele gevallen, voornamelijk vanwege kostenoverwegingen, en bij gevolg is slechts weinig (lange termijn) ervaring beschikbaar. Met het oog op de specifieke constructieve toepassing zoals in de genoemde variant 3 wordt overwogen, is het daarom raadzaam eerst de mogelijke problemen t.a.v. corrosie en uitvoering te inventariseren. Daartoe is een beknopte literatuurstudie uitgevoerd en is informatie ingewonnen bij een aantal onafhankelijke instituten, met name TNO Bouw, TNO Metaalinstituut, INTRON en Technische Universiteit Delft (Metaalkunde). 2 Beschrijving van de problematiek Het ontwerp volgens variant 3 behelst de toepassing van gewapend beton als constmctiemateriaal voor zowel het dek als de 3 tussensteunpunten. De totale lengte van het viaduct bedraagt ca. 91 m met 4 overspanningen varierend van 19 tot 27 m. In eerste instantie werden om louter architectonische redenen de volledige onderzijde van het dek en de manteloppervlakken van de tussensteunpunten bekleed met een beplating van roestvast staal. Vervolgens is het idee ontstaan om het roestvast staal multi-functioneel toe te passen, namelijk ook als een zogenoemde verloren bekisting in de uitvoeringsfase en vervolgens constructief te laten meewerken met het (gewapend) beton van het dek en van de kolommen in de gebruiksfase. In die laatste hoedanigheid functioneert de rvs-beplating als externe wapeningszone voor het opnemen van (trek-)spanningen. -1-

12 De constructieve samenwerking met het beton wordt daarbij verzekerd door het aanbrengen van deuvels op de binnenzijde van de beplating. Deze opzet zou kostenbesparing kunnen opleveren ten opzichte van de traditionele uitvoering in gewapend beton. en het ontwerp rechtvaardigen. De toepassing van roestvast staal als wapening in betonconstructies wordt vaker gesuggereerd als mogelijkheid om wapeningscorrosie te voorkomen. Meestal wordt uit kostenoverwegingen de voorkeur gegeven aan de traditionele (koolstof-)wapening, waarbij de vereiste duurzaamheid van de constructie wordt bereikt door de kwaliteit en/of de dikte van de dekking te verhogen. Voor de toepassing van roestvast staal in combinatie met (gewapend) beton moeten zowel de corrosiewerende als de mechanische en thermische eigenschappen worden beoordeeld. 3 Roestvast staal Roestvast staal is een samenvattende benaming voor een aantal staalsoorten van uiteenlopende samenstelling die niet roesten in vochtige lucht en bestand zijn tegen verschillende chemicalien. Roestvast staallegeringen putten hun bijzondere eigenschappen uit het feit dat zij een zogenoemde actief/passief overgang vertonen waarbij de legering binnen een bepaald elektrochemisch potentiaalgebied tegen corrosie worden beschermd door de vorming van een stabiel en effectief oxidelaagje. Het passief gedrag van een legering is echter niet alleen een bepaalde materiaal-karakteristiek, maar wordt ook beinvloed door het milieu waaraan de legering wordt geexposeerd. Daarom is de passiviteit van roestvast staal geen absoluut gewaarborgde grootheid maar kan verbroken worden door allerlei invloedsfactoren. Naar de structuur is roestvast staal in te delen in: ferritisch, half-ferritisch, martensitisch, austenitisch en austenitisch-ferritisch staal. De eerstgenoemde soort ontstaat door legeren met ca. 20% chroom (Cr) en maximaal 0.15% koolstof (C). Bij een hoger gehalte zal een half-ferritische structuur van ferriet en carbiden ontstaan, tenzij ook het chroomgehalte hoger wordt. De martensitische soorten worden gebruikt voor roestvaste messen. Austenitisch roestvast staal met 18% Cr en 8% Ni wordt veel in de chemische industrie toegepast, vooral in plaatvorm, maar ook in de huishouding voor aanrechten, keukengerei, pannen, bestek, enz. Er zijn soorten 18/8-staal ontwikkeld die voldoen aan specifieke eisen van lasbaarheid, koudvervormbaarheid en bestendigheid tegen bepaalde stoffen. Lasbare soorten hebben een laag C-gehalte of zijn gelegeerd met een koolstofbindend element zoals titanium (Ti) of niobium (Nb). Daardoor wordt de afscheiding van chroomcarbiden langs de korrelgrenzen, die interkristallijne corrosie veroorzaakt, vermeden. De blootstelling van -2-

13 austenitisch staal aan verhoogde temperaturen gedurende langere perioden kan resulteren in de vorm van verschillende afscheidingen. Carbide-afscheiding kan leiden tot een fenomeen dat bekend staat als sensitization, dat onder bepaalde omstandigheden aanleiding kan geven tot interkristallijne corrosie. Door toepassing van een laag koolstofgehalte (maximaal 0.03%) kan sensitization in austenitisch staal worden verminderd. In de koudvervormde soorten is het nikkel- (Ni) of mangaan- (Mn) gehalte iets opgevoerd. Molybdeen (Mo) verbetert de corrosievastheid van 18/8 staal tegen chloride (Cl)-ionen en tegen warm zwavelzuur. De samenstelling van een groot aantal soorten roestvast staal is genormaliseerd, waarbij ook in Europa veelal de Amerikaanse aanduidingen worden gebruikt. Duplex roestvast staal is een legering die globaal bestaat uit 50% austeniet en 50% ferriet. Dit type staal combineert de voordelen van een austenitische en een ferritische structuur, waardoor naast een goede corrosiebestendigheid eveneens hoge mechanische eigenschappen worden verkregen. Het voordeel van een ferritische structuur is de ongevoeligheid voor chloride spanningscorrosie en een geringere pittinggevoeligheid in zeewater in vergelijking met de voile austenitische kwaliteiten. De austenitische staalsoorten hebben weliswaar een goede lasbaarheid maar kunnen om de volgende redenen niet worden toegepast: gevoeligheid voor chloride spanningscorrosie slechte verschroevingseigenschappen lage vloeigrens (280 N/mm 2 ). In het algemeen kan worden gesteld dat een toenemend ferrietgehalte in sterke mate de rekgrens verhoogt en in mindere mate de treksterkte.

14 4 Corrosie van roestvast staal Onder normale atmosferische omstandigheden zal roestvast staal in de loop van de tijd een nauwelijks meetbaar materiaalverlies ten gevolge van gelijkmatige corrosie vertonen. Roestvast staal is in de regel niet geschikt om ingegraven te worden omdat het voor de instandhouding van de oxidelaag in goed beluchte omstandigheden moet worden toegepast. Het verbruik van zuurstof voor het handhaven van de passieve conditie is meestal echter zo gering dat niet wordt verwacht dat dit tot problemen zal leiden voor aan de atmosfeer geexposeerd beton. De toepassing van min of meer impermeabele afdekkingen, bijvoorbeeld asfalt, zou in dit verband echter tot problemen kunnen leiden. De beschermende oxidelaag van roestvast staal kan echter door sterk alkalische stoffen worden opgelost, waardoor de legering onder zulke omstandigheden toch door gelijkmatige corrosie bedreigd kan worden. Dergelijke omstandigheden zouden in cementbeton kunnen optreden omdat het poriewater ph-waarden bezit die varieren van 12 tot 14 (ongecarbonateerd beton). Uit de geraadpleegde literatuur [1,2,3] wordt echter geen corrosie van roestvast staal in een alkalisch en chloridevrij betonmilieu waargenomen. Roestvast staal kan worden bedreigd door putcorrosie. Dit is een lokale vorm van aantasting die ontstaat ten gevolge van heterogeniteiten aan het oppervlak, hetzij aan de metaalzijde hetzij aan de milieuzijde. Bij het ontstaan van putcorrosie in passieve metalen als roestvast staal wordt aangenomen dat het beschermende oxidehuidje plaatselijk verzwakt is door onregelmatigheden in het onderliggende metaal. Putten die in chloridehoudende milieus ontstaan, kenmerken zich door hun klokvormige uiterlijk. Door verhoging van de ph (zoals in beton het geval is) wordt de kans op putcorrosie echter aanzienlijk kleiner. De oppervlaktegesteldheid speelt een belangrijke rol op de corrosiebestendigheid. De aanwezigheid van een ruw oppervlak, krassen, butsen en een slechte kwaliteit van de oxidehuid be'invloeden de putcorrosiebestendigheid in negatieve zin. Een lasbehandeling zal altijd een plaatselijke kwaliteitsvermindering van de oxidehuid te zien geven. De praktijk heeft dan ook uitgewezen dat putcorrosieproblemen vaak net naast of op de las voorkomen. Vandaar dat het altijd aanbevelenswaardig is, een las te beitsen en te passiveren, wat inhoudt dat de kwaliteit van de oxidehuid ter plaatse aanzienlijk verbetert. Spleetcorrosie is een corrosievorm die alleen kan voorkomen in nauwe ruimten als spleten en holten. In de spleet kan de beschermende oxidehuid door een tekort aan beluchting niet in stand worden gehouden waardoor het metaal daar zal oplossen. De agressiviteit van het medium in de spleet neemt daarbij aanzienlijk toe door het aantrekken van negatieve chloride-ionen. De kans op spleetcorrosie kan worden verkleind door in de uitvoeringsdetails hiermee rekening te houden. -4-

15 Spleetcorrosie op lasfouten kan op twee manieren ontstaan: 1. Ten gevolge van onvoldoende doorlassing, waardoor aan de onderzijde van de lasverbinding een spleet ontstaat. 2. Ten gevolge van een geheel ontbrekende en/of gebrekkige inbranding op de laskant, waardoor ter plaatse van de overgang lasmetaal/warmtebeinvloede zone een spleet ontstaat. Tijdens een warmtebehandeling als gloeien of lassen verandert de materiaalstructuur van de oxidelaag in negatieve zin. Vooral in dergelijke gevallen wordt beitsen en passiveren van het oppervlak aanbevolen. Corrosieschaden bij lasverbindingen zijn veelal terug te voeren op oxidatie die ten gevolge van de hoge temperatuur tijdens het lassen aan de grondnaadzijde optreedt. Deze oxidatie veroorzaakt een dikke oxidehuid, zichtbaar als een verkleuring van het staaloppervlak. Deze dikke huid biedt aanmerkelijk minder weerstand tegen lokale corrosie dan de natuurlijke, passieve huid. Om overmatige oxidatie (ofwel verkleuring) te voorkomen wordt tijdens het lassen met backinggas (een inert gas) gespoeld. De praktijk heeft uitgewezen dat bij het lassen van roestvast staal de mogelijkheid van het optreden van galvanische corrosie niet moet worden onderschat. De las heeft een relatief hoog ferrietgehalte, waardoor ze onedeler is dan het austenitische plaatmateriaal. Bij het lassen van roestvast staal is waakzaamheid geboden ten aanzien van interkristallijne corrosie. Interkristallijne corrosie is corrosie tussen de kristallen, m.a.w. aantasting van de korrelgrenzen en onmiddellijke omgeving. Het komt er op neer dat de minder edele korrelgrenzen in oplossing gaan, waarbij de korrelvlakken worden beschermd. Vanwege de ongunstige oppervlakteverhouding vindt de aantasting van de korrelgrenzen versneld plaats. Interkristallijne corrosie kan zich vrij snel ontwikkelen doordat de korrels op het oppervlak op den duur hun binding met de onderliggende korrels verliezen waardoor ze afbrokkelen. Een voorwaarde voor het ontstaan van interkristallijne corrosie bij austenitisch roestvast staal is het verblijf van de legering gedurende een bepaalde tijd in het temperatuurgebied tussen de 500 C en 800 C. Tijdens en na een lasbehandeling passeert een zone vrijwel altijd het C temperatuurgebied gedurende een voldoende lange tijd om carbiden uit te scheiden. Dit is het gebied dat gevoelig is geworden voor interkristallijne corrosie. Voor staalsoorten met een laag koolstofgehalte, zoals AISI 316 L en AISI 318LN, is de kans op interkristallijne corrosie nauwelijks aanwezig. -5-

16 5 Eigenschappen van AISI 316L en duplex roestvast staal Voor toepassing bij de uitvoering van KW 2 wordt type AISI 316L of een duplex roestvast staal overwogen. Het type AISI 316L behoort tot de zogenoemde 300-serie die roestvast staalsoorten met modificaties van de klassieke samenstelling 18/8 (18% Cr en 8% Ni) omvat (chroomnikkel staal). Hiervan is type 304 de kwaliteit die voor algemene doeleinden het meest gangbaar is. Voor toepassing op KW2 is type 316L genoemd. AISI 316L (UNS S31603; AFNOR Z2CND18.13) bezit een austenitische materiaalstructuur en de volgende chemische samenstelling: 16-18% Cr 10-14% Ni max. 0.03% C max. 2.0% Mn max. 1.0% Si max % P max % S 2-3% Mo In verband met de mogelijke constructieve toepassing zijn ook enkele mechanische eigenschappen van belang, namelijk: treksterkte: 517 N/mm 2 0.2%-reksterkte: 220 N/mm 2 rekgrens: 50% hardheid: 79 Rockwell B N.B. De gegevens van de firma CL. Staal b.v. wijken hiervan enigszins af, namelijk: treksterkte: N/mm 2 0.2%-reksterkte: 190 N/mm 2 breukrek L=5d: 40% insnoering: 60% kerfslag-arbeid: 85 J Type 316 bevat molybdeen (Mo) en bezit bijgevolg een grotere weerstand dan type 304 tegen aantasting door put- en spleetcorrosie in maritieme en chemische milieus. Type 316L bevat een lager koolstofgehalte hetgeen de kans op interkristallijne corrosie in gelaste materialen vermindert. De toevoeging van Ni verbetert de weerstand tegen spanningscorrosie. -6-

17 Voor de volledigheid wordt vermeld aan welke mechanische beproevingseisen type AISI 316L volgens ASTM Designation: A 240/A 240M - 95a moet voldoen: min. treksterkte: 485 N/mm 2 0.2%-reksterkte: 170 N/mm 2 minimale vervorming: 40% maximale hardheid: 217 Brinell 95 Rockwell B Volgens de datasheet van de firma CL. Staal b.v. is type AISI 316L bijzonder aan te bevelen bij zware lasprocessen waarna normaal altijd gegloeid dient te worden. Men dient er extra op te letten dat het materiaal niet in aanraking komt met koolstof omdat de opnamedrang groot is en dat vooral bij verhoogde temperatuur. Daarnaast bezit AISI 316L een warmtegeleidingscoefficient van 15 W/m C en een thermische uitzettingscoefficient van 17.0xlO~ 6 / C. Ter vergelijking: wapeningsstaal, zoals toegepast in gewapend beton, heeft een warmtegeleidingscoefficient van 40 W/m C en een thermische uitzettingscoefficient van 13.2xlO~ 6 / C. Voor grindbeton moet worden gerekend met een thermische uitzetttingscoefficient van 12xlO _6 / C, hetgeen bij toepassing van AISI 316L problemen zou kunnen veroorzaken. Er bestaan diverse soorten duplex roestvast staal. In ASTM Designation: A 240/A 240M - 95a worden 9 soorten met name genoemd. Volgens de datasheet van de de firma CL. Staal b.v. is type AISI 318LN (UNS S31803; AFNOR NFA ) de bekendste roestvast staalkwaliteit. Dit type is ook bekend onder de handelsnamen SAF 2205 (Sandvik) en AF 22 (Mannesmann). Naast de uitstekende mechanische waarden biedt dit type een zeer goede corrosieweerstand in chloridehoudende milieus en dat ook bij verhoogde temperatuur. Ook biedt het metaal een goede bestendigheid tegen spanningscorrosie. Vanwege het lage koolstofgehalte heeft men nagenoeg geen last van chroomcarbidevorming na het lasproces. Doordat de 0.2%-rekgrens zo'n 30% hoger ligt dan bij de gewone austenieten kan men ook lichter construeren. Boven 1200 C is het materiaal 100% ferritisch. De vorming van austeniet vindt plaats bij afkoeling tussen 1200 C en 800 C. Bij veldlassen kan een dergelijke behandeling niet worden toegepast en daarom moet de ferriet-austeniet balans in de las en de warmtebeinvloede zone verkregen worden door de warmtetoevoer en de afkoeltijd gedurende de transformatie bij het lassen onder controle te houden. -7-

18 De chemische samenstelling van AISI 318LN is als volgt: 21-23% Cr % Ni max. 0.03% C max. 2.0% Mn max. 1.0% Si max % P max % S % Mo % N Volgens de gegevens van de firma CL. Staal b.v. gelden voor AISI 318LN de volgende mechanische eigenschappen: treksterkte: N/mm 2 0.2%-reksterkte: 450 N/mm 2 breukrek L=5d: 30% kerfslag-arbeid: 120 J Vergeleken met AISI 316L hebben de ferritisch-austenitische stalen betere warmtegeleidingscoefficienten (19-21 W/m C), de uitzettingscoefficient is te vergelijken met koolstofstaal ( xl0~ 6 / C) en ligt veel lager dan die van AISI 316L. Een lage waarde voor de warmtegeleidingscoefficient kan tot problemen leiden bij het lassen. Dit houdt in de geproduceerde warmte voor AISI 316L in een kleiner volume gevangen blijft in vergelijking met AISI 318LN. 6 Toepassing van roestvast staal in beton Bij de toepassing van roestvast staal als wapening in cementbeton zijn de volgende factoren belangrijk: weerstand tegen (lokale) corrosie; mechanische eigenschappen; verwerkbaarheid; lasbaarheid; thermische geleiding; thermische uitzettingscoeffcient. -8-

19 In een beluchte neutrale of alkalische omgeving, dat wil zeggen zowel in gecarbonateerd als alkalisch beton dat aan de buitenlucht is geexposeerd, gedragen roestvast staalsoorten zich in het algemeen passief, maar in aanwezigheid van chloride zijn ze gevoelig voor lokale corrosie (put- en spleetcorrosie). Het aantastingsproces is identiek aan dat voor wapening vervaardigd van koolstofstaal in alkalisch beton dat verontreinigd is met chloride. Roestvast staal is echter bestand tegen veel hogere chloridegehalten. Na initiatie kunnen desalniettemin lokale corrosiesnelheden voorkomen van meer dan 1 mm/jaar. De Building Research Establishment heeft in de zeventiger jaren een onderzoek uitgevoerd naar de toepassing van roestvast staal as wapening voor betonconstructies. Na 10 jaar expositie vertoonden de staalsoorten AISI 304 en 316 geen corrosie zelfs voor het hoogste chloridegehalte (3.2% t.o.v. cementmassa). De ferritische staalsoorten AISI 405 en 430, met respectievelijk 13% en 17% Cr, bleken tot een chloridegehalte van 1% corrosiebestendig te zijn. In het onderzoek van Bertolini uitgevoerd in gesimuleerde betonporievloeistoffen, werden naast AISI 304 en 316 ook een soort duplexstaal onderzocht (23Cr4Ni) en een soort superaustenitisch staal (254SMO) betrokken. Voor AISI 316 en 23Cr4Ni werd corrosie gei'nitieerd bij een kritisch chloridegehalte van 6%. Op basis van de resultaten werd geconcludeerd dat onder alkalische omstandigheden met chloridegehalten tot 2% roestvast staalsoorten met 13% Cr gebruikt kunnen worden. Voor hogere chloridegehalten (tot 4.5-5%) zou 18Cr8Ni beter geschikt zijn. Sorensen stelde vast dat het kritische chloridegehalte voor roestvast staal (AISI 304 en 316) meer dan 10 maal hoger ligt dan voor gewoon wapeningsstaal. De aanwezigheid van lassen (weerstand- en MIG/MAG-lassen) heeft echter tot gevolg dat het kritische gehalte wordt gereduceerd tot 1/3 a 2/3 van dat voor ongelast roestvast staal, waarbij slijpsel e.d. de lokaties zijn waar corrosie begint. In het onderzoek van Nurnberger werd bevestigd dat AISI 304 en AISI 316 niet onderhevig zijn aan putcorrosie in zowel alkalisch als gecarbonateerd beton voor chloridegehalten tot 2.5%, zelfs in de gelaste toestand. Voor ferritisch roestvast staal met 11% Cr (zowel gelast als niet gelast) trad pitting niet op in alkalisch beton waaraan maximaal 2.5% chloride was toegevoegd. Voor gecarbonateerd beton met 1% chloride werd lichte putcorrosie vastgesteld, terwijl voor 2.5% ernstige aantasting werd waargenomen. -9-

20 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Bouwdienst RWS, Stafafdeling Bouwspeurwerk 7 Probleemanalyse voor kunstwerk KW2 7.1 Corrosie In cementbeton heerst in het algemeen een sterk alkalisch milieu dat gekenmerkt wordt door ph-waarden die varieren van 12 tot 14. Onder dergelijke omstandigheden wordt staal dat volledig door beton is omgeven, spontaan gepassiveerd mits voldoende zuurstof tot het staaloppervlak kan doordringen om de beschermende oxidehuid in stand te houden. In deze passieve toestand van het staal is het verbruik van zuurstof uiterst gering. De daartoe benodigde zuurstof kan via de tussen het beton en de staalbeplating en via de betondekking in voldoende mate tot het staaloppervlak doordringen. Aan deze voorwaarden voor passiviteit is voor de hier geldende omstandigheden voldaan mits chloride-indringing en carbonatatie gedurende de gebruiksduur het staaloppervlak niet bereikt. Voor de binnenzijde van de staalbekleding (in contact met beton) en de daarop bevestigde stalen deuvels hoeft daarom geen corrosie te worden verwacht. De stalen deuvels mogen van normaal koolstofstaal zijn vervaardigd omdat galvanische corrosie voor gepassiveerd staal niet kan optreden. De aanwezigheid van asfalt op het buitenoppervlak van het beton en een permanent hoog vochtgehalte van het beton kunnen evenwel de toetreding van zuurstof nadelig be'invloeden en bijgevolg tot mogelijke problemen leiden. Ter plaatse van de beeindiging van de staalbekleding kan als gevolg van een slechte hechting, maar ook door de porositeit van het materiaal beton een spleet ontstaan. Deze lokaties zijn daarom in principe gevoelig voor spleetcorrosie. Te verwachten is dat het aansluitende beton op termijn gecarbonateerd wordt (ph-verlaging) en dat daarnaast chloride-indringing (door toepassing van dooizouten) zal optreden waardoor de oorspronkelijke passiviteit gevaar loopt. Door de grote oppervlakteverhouding tussen de gepassiveerde binnenzijde van de staalbekleding en het gedepassiveerd staal (randzone), kan zeer sterke lokale corrosie van de randen optreden. Door het grote aantal lassen in de stalen bekleding is de kans groot dat er spleten ontstaan. Bijgevolg bestaat er een reeel gevaar voor het optreden van spleetcorrosie in een alkalisch milieu (ten gevolge van beluchtingsverschillen). Door een goede controle bij de uitvoering, en behandeling door middel van beitsen en passiveren kan dit probleem worden voorkomen. -10-

21 Aan de buitenzijde van de staalbekleding bevinden zich eveneens een groot aantal lasnaden. Hiervoor geldt in principe hetzelfde als het voorgaande. Bij een voldoende kwaliteit van de dekking (dikte en permeabiliteit) bestaat er geen gevaar dat de aanwezige wapeningsstaven (bovenwapening) binnen de gestelde levensduur zullen gaan corroderen. Indien het indringingsfront voor chloride of het carbonatatie desondanks de wapening bereikt kan zeer sterke lokale corrosie optreden aangezien een groot passief staaloppervlak als kathode ter beschikking staat. 7.2 Constructieve problemen De constructieve samenwerking tussen de staalbekleding en het beton wordt verkregen door het lassen van een groot aantal lassen op de binnenzijde. De samenwerking tussen roestvast staal en beton kan evenwel nadelig worden beinvloed door grote verschillen in thermische uitzettingscoefficienten tussen beide materialen. Type AISI 316L zou wat dat betreft ongunstiger zijn dan duplex staal omdat AISI 316L een ca. 40% hogere uitzettingscoefficient bezit dan beton. Het warmtegeleidingsvermogen van AISI 316L is aanmerkelijk minder dan duplex staal. Bij het lassen van de deuvels kunnen hierdoor grote laimpspanningen in de staalbekleding ontstaan omdat de geproduceerde warmte onvoldoende gelijkmatig verdeeld kan worden afgevoerd. 7.3 Uitvoeringsproblemen Bij grote plaatdikten kunnen moeilijkheden ontstaan bij het buigen of omzetten. 7.4 Metalliseren Indien roestvast staal voornamelijk om esthetische redenen wordt toegepast, kan worden overwogen goedkopere ongelegeerd staalsoorten toe te passen en deze door middel van metalliseren te conserveren. Met aluminiseren kan een vergelijkbare verschijning worden bereikt, terwijl een zeer duurzame bescherming tegen corrosie kan worden verkregen, met name wanneer zogenoemd lichtboogaluminiseren wordt toegepast. Hierbij wordt een -11-

22 elektrische boog getrokken tussen twee synchroon aangevoerde draden in een spuitpistool. Bij een temperatuur van 4500 C worden aluminiumdeeltjes door middel van perslucht op de ondergrond gespoten. Om de hoge kwaliteit van de conservering te bereiken is een ondergrondvoorbehandeling tot Sa3 noodzakelijk. Mede om deze reden wordt de volledige behandeling fabrieksmatig uitgevoerd. In combinatie met een sealer wordt voor off-shore constructies een levensduur van meer dan 50 jaren geclaimd. De kosten voor het appliceren van aluminium deklagen varieren van /150 tot /225 per m 2 staaloppervlak. Deze behandeling kan met name worden overwogen voor de kolommen. -12-

23 Ministerie van Verkeer en Waterstaat Bouwdienst RWS, Stafafdeling Bouwspeurwerk 8 Conclusies en aanbevelingen Gezien de beperkte ervaring met de toepassing van roestvast staal in combinatie met gewapend beton en de hierboven beschreven onzekerheden is nader experimenteel onderzoek gewenst naar de volgende onderwerpen: 1) de gevoeligheid van roestvast staal voor corrosie in een alkalisch milieu met name bij grotere dekkingen en bij bedekking van het buitenoppervlak van het beton met asfalt; 2) de gevoeligheid van roestvast staal voor spleetcorrosie ter plaatse van de plaatbeeindiging; 3) de gevoeligheid van roestvast staal voor spleetcorrosie ter plaatse van de lasnaden in een alkalisch milieu; 4) de invloed van verschillen in thermische uitzettingscoefficient tussen staalbekleding en beton op de constructieve samenwerking; 5) de invloed van krimpspanningen ten gevolge van het oplassen van de deuvels op de vervorming van de staalbekleding; 6) de gevoeligheid van roestvast staal voor spleetcorrosie ter plaatse van de lasnaden (buitenzijde). Bij het ontwerpen van de details kan rekening worden gehouden met mogelijke corrosie. Dit is bijvoorbeeld het geval ter plaatse van de beeindiging van de staalbekleding aan de bovenzijde van de schampkant. De kans op corrosie kan aanmerkelijk worden verkleind door de staalbeplating over de schampkant om te zetten zodat chloridehoudend spatwater niet tussen het beton en het staal kan dringen. Een groot deel van de mogelijke problemen kan worden voorkomen door de bekleding van roestvast staal constructief los te houden van het gewapende beton (zowel dek als kolommen). Het roestvast staal heeft nu louter en alleen een esthetische functie. Dit biedt de mogelijkheid het kunstwerk traditioneel te ontwerpen als een gewapend beton en de uiterlijke vormgeving met behulp van de roestvast stalen bekledingsplaten te bereiken. De stalen bekleding wordt pas na de voltooiing van de draagconstructie aangebracht waardoor de kans op beschadiging wordt beperkt. De staalbekleding kan zo worden gedetailleerd dat de kans op corrosie minimaal is, bijvoorbeeld door het aanbrengen van ventilatiegaten en het met een speling van enkele mm tegen elkaar plaatsen van de bekledingselementen (geen lassen). De kolommen worden eveneens bekleed met losse elementen. Dit geeft de mogelijkheid na een plaatselijke beschadiging van de bekleding door een calamiteit de betreffende bekledingsplaat eenvoudig te vervangen. De dikte van het bekledingsstaal kan nu erg klein worden gekozen, tenzij om andere redenen een dikkere plaat gewenst is. -13-

24 Vergeleken met AISI 316L hebben de ferritisch-austenitische stalen betere warmtegeleidingscoefficienten (19-21 W/m C); de uitzettingscoefficient is te vergelijken met koolstofstaal ( xl0~ 6 / C) en ligt veel lager dan die van AISI 316L. Daarnaast zijn de sterkte-eigenschappen gunstiger. Op basis van resultaten van laboratoriumonderzoek kan worden geoncludeerd dat het chloridegehalte waarbij actieve corrosie wordt gei'nitieerd voor alle soorten roestvast staal aanmerkelijk hoger ligt dan voor normaal wapeningsstaal. Onder alkalische omstandigheden is het kritische chloridegehalte meer dan 2% (op cementmassa); voor AISI 316 bedraagt het kritisch chloridegehalte ca. 6%. De stalen deuvels, die worden aangebracht ten behoeve van een constructieve samenwerking tussen een beplating van roestvast staal en alkalisch en chloridevrij beton, mogen van normaal koolstofstaal zijn vervaardigd omdat galvanische corrosie voor gepassiveerd staal niet kan optreden. Ter plaatse van de beeindiging van de staalbekleding kan als gevolg van een slechte hechting, maar ook door de porositeit van het materiaal beton een spleet ontstaan. Deze lokaties zijn daarom in principe gevoelig voor spleetcorrosie. Te verwachten is dat het aansluitende beton op termijn gecarbonateerd wordt (ph-verlaging) en dat daarnaast chloride-indringing (door toepassing van dooizouten) zal optreden waardoor de oorspronkelijke passiviteit gevaar loopt. Door de grote oppervlakteverhouding tussen de gepassiveerde binnenzijde van de staalbekleding en het gedepassiveerd staal (randzone), kan zeer sterke lokale corrosie van de randen optreden. Met het oog hierop moet in de detaillering van de constructie hieraan veel aandacht worden besteed. De constructieve samenwerking tussen roestvast staal en beton kan nadelig worden beinvloed door verschillen in thermische uitzettingscoefficient tussen beide materialen. In de constructieve uitwerking moet met deze mogelijke verschillen rekening worden gehouden. Type AISI 316L zou wat dat betreft ongunstiger zijn dan duplex staal omdat AISI 316L een ca. 40% hogere uitzettingscoefficient bezit dan beton. De toepassing van aluminium deklagen aangebracht door middel van lichboogmetalliseren op ongelegeerd staal kunnen ondanks de hoge applicatiekosten een economisch aantrekkelijk duurzaam alternatief vormen voor de kolomconstructies. -14-

25 9 Literatuur 1. L. Bertolini, F. Bolzoni, T. Pastore en P. Pedeferri; Behaviour of stainless steel in simulated concrete pores solution, British Corrosion Journal, 1996, Vol. 31, No. 3, pp B. Sorensen, P.B. Jensen en E. Maahn; The corrosion properties of stainless steel reinforcement, in Corrosion of Reinforcement in Concrete, Society of Chemical Industry, 1990, pp J. Hewitt en M. Tullmin; Corrosion and stress corrosion cracking performance of stainless steel and other reinforcing bar materials in concrete, in Corrosion and corrosion protection of steel in concrete, 1994, pp CP. Dillon; Corrosion resistance of stainless steels, A.J. Sedriks; Corrosion of stainless steels, L. Jansen; Pitting corrosion of stainless steels, dissertatie TU Delft, J. Heselmans; Corrosie van roestvast staal, TCM Thema Publicatie Nummer 2, K. Groenewoud en A.J. Schornagel; Duplex roestvast staal, TCM Thema Publicatie Nummer 5,

26