Definitie van het einde van de levensduur van beton blootgesteld aan wapeningscorrosie en effect hiervan op de milieuscore van het beton

Definitie van het einde van de levensduur van beton blootgesteld aan wapeningscorrosie en effect hiervan op de milieuscore van het beton Renée Callens Promotor: Prof. dr. ir. Nele De Belie Begeleider: Philip Van den Heede Dinsdag 25 november 2014

I. Inleiding II. Materialen & Methoden A. Betonsamenstellingen B. Methoden III. Resultaten & Discussie A. Resistiviteitsmetingen B. Levensduurvoorspelling C. Levenscyclusanalyse IV. Conclusies Overzicht 2

I. Inleiding cementproductie = hoge milieu-impact op zoek naar groen beton mengsels met 50% vervanging portlandcement door vliegas (en) silica fume in aanmerking? = 1 ste onderzoeksvraag (1 ste luik) milieu-impact: afhankelijk van CO2-uitstoot productie druksterkte levensduur 3

I. Inleiding levensduur = initiatieperiode + propagatieperiode tijd tot depassivatie na indringing - CO2-moleculen = carbonatatie-geïnduceerde corrosie - Chloriden = chloride-geïnduceerde corrosie tijd na depassivatie tot bereiken van kritieke scheurwijdte (1 mm) = einde van de levensduur meeste modellen: enkel initiatieperiode 2 de onderzoeksvraag (1 ste luik): in welke mate wordt levensduur onderschat als propagatieperiode niet in rekening gebracht? 4

Overzicht I. Inleiding II. Materialen & Methoden A. Betonsamenstellingen B. Methoden III. Resultaten & Discussie A. Resistiviteitsmetingen B. Levensduurvoorspelling C. Levenscyclusanalyse IV. Conclusies 5

A. Betonsamenstellingen T(0,45): standaard milieuklasse XS2 ondergedompeld in zeewater = referentie chloride-geïnduceerde corrosie T(0,55): standaard milieuklasse XC3 beschutte buitenomgeving = referentie carbonatatie-geïnduceerde corrosie portlandcement 50% portlandcement vervangen door: F50: 50% vliegas F40S10: 40% vliegas en 10% silica fume groen beton? 6

Overzicht I. Inleiding II. Materialen & Methoden A. Betonsamenstellingen B. Methoden III. Resultaten & Discussie A. Resistiviteitsmetingen B. Levensduurvoorspelling C. Levenscyclusanalyse IV. Conclusies 7

B. Methoden CO2-uitstoot productie milieu-impact: afhankelijk van druksterkte levensduur levenscyclusanalyse: LCA-software SimaPro levensduurvoorspelling: probabilistische modellen uit Duracrete BE95-1347/R9 - initiatieperiode: versnelde chloride- en carbonatatieproeven - propagatieperiode: resistiviteitsmetingen met Wenner Probe 8

B. Methoden propagatieperiode: resistiviteitsmetingen met Wenner Probe RESISTIVITEIT beton (= weerstand indringing elektrische ladingen) poriënstructuur & poriënoplossing WEERSTAND CORROSIE (=weerstand indringing schadelijke stoffen) 2 de luik: verband resistiviteit corrosie, indringing CO2/ chloriden, invloed verzadigingsgraad, afmetingen proefstuk, 9

Overzicht I. Inleiding II. Materialen & Methoden A. Betonsamenstellingen B. Methoden III. Resultaten & Discussie A. Resistiviteitsmetingen B. Levensduurvoorspelling C. Levenscyclusanalyse IV. Conclusies Bulkresistiviteit kubus 1) op 4 weken ouderdom 2) op 20 weken ouderdom 10

Resistiviteit [Ωm] A. Resistiviteitsmetingen 1) op 4 weken ouderdom resistiviteit F40S10 ± 4 keer hoger: resistiviteit als porositeit REDEN: kleinere porositeit F40S10 door silica fume 1) filler effect 2) hoge puzzolane activiteit 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 T(0,45) F50 F40S10 T(0,55) na 4 weken na 20 weken Bulkresistiviteit kubus uit natte kast 11

Resistiviteit [Ωm] A. Resistiviteitsmetingen 2) op 20 weken ouderdom resistiviteit F50 het meest REDEN: porositeit het meest 1) trage puzzolane reactie vliegas 6000 5000 4000 -> eerst voldoende Ca(OH)2 uit hydratatiereactie van portlandcement 2) eenmaal puzzolane reactie gestart: meer hydratatieproducten 3000 2000 1000 0 T(0,45) F50 F40S10 T(0,55) na 4 weken na 20 weken Bulkresistiviteit kubus uit natte kast 12

I. Inleiding Overzicht II. Materialen & Methoden A. Betonsamenstellingen B. Methoden III. Resultaten & Discussie A. Resistiviteitsmetingen B. Levensduurvoorspelling C. Levenscyclusanalyse IV. Conclusies 1) Parameterstudie referentiemengsels 2) Aandeel propagatieperiode 3) Cl-geïnduceerde corrosie 4) CO2-geïnduceerde corrosie 13

B. Levensduurvoorspelling 1) parameterstudie referentiemengsels - T(0,45) = referentie chloride-geïnduceerde corrosie levensduur: 1) atmosferische blootstelling 2) getijdenzone 3) spatzone 4) ondergedompeld in zeewater - T(0,55) = referentie carbonatatie-geïnduceerde corrosie levensduur: 1) bewaring in laboratorium 2) beschutte buitenomgeving 3) onbeschutte buitenomgeving 14

tijd [jaar] tijd [jaar] B. Levensduurvoorspelling 2) aandeel propagatieperiode in totale levensduur chloride-geïnduceerde corrosie (ondergedompeld in zeewater) carbonatatie-geïnduceerde corrosie (beschutte buitenomgeving) 100 800 90 80 70 60 700 600 500 50 400 40 30 20 10 300 200 100 0 0 T(0,45) F50 F40S10 T(0,55) F50 F40S10 initiatieperiode propagatieperiode initiatieperiode >> propagatieperiode -> geringe onderschatting initiatieperiode propagatieperiode propagatieperiode >> initiatieperiode -> aanzienlijke onderschatting!!!! 15

tijd [jaar] B. Levensduurvoorspelling 3) chloride-geïnduceerde corrosie levensduur: F40S10 (99 jaar) en F50 (76 jaar) >> T(0,45) (5 jaar) mengsels met puzzolanen: grotere weerstand tegen indringing chloriden door lagere porositeit nog hogere levensduur F40S10 door nog lagere porositeit door silica fume: 1) filler - effect 2) hoge puzzolane activiteit opmerking: grote variatie levensduur F50 en F40S10 door ontbreken waarden voor Ccr 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 T(0,45) F50 F40S10 initiatieperiode propagatieperiode ondergedompeld in zeewater 16

tijd [jaar] B. Levensduurvoorspelling 4) carbonatatie-geïnduceerde corrosie levensduur: F40S10 (748 jaar) en F50 (310 jaar) >> T(0,55) (100 jaar) tegenstrijdig met literatuur: mengsels met puzzolanen lagere weerstand door: 1) verminderde bindingscapaciteit met CO2 (minder Ca(OH)2 beschikbaar) 2) minder CaCO3 gevormd (zorgt voor porositeit ) verder onderzoek geldigheid van langere propagatieperiodes vereist 800 700 600 500 400 300 200 100 0 T(0,55) F50 F40S10 initiatieperiode propagatieperiode beschutte buitenomgeving 17

Overzicht I. Inleiding II. Materialen & Methoden A. Betonsamenstellingen B. Methoden III. Resultaten & Discussie A. Resistiviteitsmetingen B. Levensduurvoorspelling C. Levenscyclusanalyse IV. Conclusies 1) Algemeen 2) Cl-geïnduceerde corrosie 3) CO2-geïnduceerde corrosie 18

1) Algemeen C. Levenscyclusanalyse milieu-impact in termen van GWP [kg CO2 equivalent] afhankelijk van CO2-uitstoot productie druksterkte levensduur functionele eenheid [FU]: 19

C. Levenscyclusanalyse 2) Cloride-geïnduceerde corrosie INPUT T(0,45) F50 F40S10 T(0,55) Sterkte [N/mm²] 60 50 60 45 Levensduur Cl geïnduceerde corrosie [jaar] 5 76 99 / CO2 geïnduceerde corrosie [jaar] / 100 100 100 OUTPUT T(0,45) F50 F40S10 T(0,55) GWP Cl geïnduceerde corrosie [10 ^-2kg CO2eq] 101,2 6,3 3,9 / CO2 geïnduceerde corrosie [10 ^-2kg CO2eq] / 4,8 3,9 5,7 GWP T(0,45) 20 x GWP F50 en F40S10 -> grote verschil GWP grotendeels door verschil in levensduur MAAR: nog grote variatie levensduur F50 en F40S10 door ontbreken waarden voor CCr 20

C. Levenscyclusanalyse 2) Carbonatatie-geïnduceerde corrosie INPUT T(0,45) F50 F40S10 T(0,55) Sterkte [N/mm²] 60 50 60 45 Levensduur Cl geïnduceerde corrosie [jaar] 5 76 99 / CO2 geïnduceerde corrosie [jaar] / 100 100 100 OUTPUT T(0,45) F50 F40S10 T(0,55) GWP Cl geïnduceerde corrosie [10 ^-2kg CO2eq] 101,2 6,3 3,9 / CO2 geïnduceerde corrosie [10 ^-2kg CO2eq] / 4,8 3,9 5,7 GWP T(0,55) 18% groter dan GWP F50 46% groter dan GWP F40S10 opmerking: levensduur F50 en F40S10 > 100 jaar Literatuur: levensduur F50 en F40S10 < levensduur T(0,55) -> voordeel F50 en F40S10??? > 21

Overzicht I. Inleiding II. Materialen & Methoden A. Betonsamenstellingen B. Methoden III. Resultaten & Discussie A. Resistiviteitsmetingen B. Levensduurvoorspelling C. Levenscyclusanalyse IV. Conclusies 22

IV. Conclusies 1) Resistiviteit sterk afhankelijk van poriënstructuur 2) Onderschatting levensduur bij niet in rekening propagatieperiode - Cl-geïnduceerde corrosie: gering - CO2-geïnduceerde corrosie: aanzienlijk 3) Levensduur F50 en F40S10 >> T(0,45) en T(0,55) -> nog verder onderzoek modellen Duracrete 23

IV. Conclusies 4) Groen beton? Cl-geïnduceerde corrosie (ondergedompeld in zeewater) -> F50 en F40S10: komen in aanmerking CO2-geïnduceerde corrosie (beschutte buitenomgeving) -> geen conclusie mogelijk: GWP T(0,55) slechts weinig hoger & GWP F50 en F40S10 berekend met hogere levensduur 24

Contactgegevens: Callens Renée Westdorp 95 8573 Tiegem renee.callens@gmail.com 25