Aluminiumslegeringer som armering i betong - et eksperimentelt studie

Abstract

Ti aluminiumslegeringer ble sett på som kandidater for å erstatte stål som armering i konstruksjoner. Denne oppgaven er en del av NFR prosjekt DARE2C (Durable Aluminium Reinforced Environmentally friendly Concrete Construction). DARE2C er et forskningsprosjekt der resirkulert aluminium blir evaluert som erstatning for stålarmering for å lage et mer miljøvennlig konstruksjonsmateriale. Aluminium kan ordinært ikke bli brukt som armering i betong grunnet betongens høye pH verdi, da aluminium korroderer i alkaliske miljøer. Ved bruk av ordinært armeringsstål vil høy pH virke positivt siden stålet danner et passivt oksidsjikt i alkaliske miljøer. Stål er derimot sårbart mot kloridinntrengninger og surt miljø. Surt miljø kan oppstå ved karbonatisering av betongen. Kloridioner kan også diffundere gjennom betongen og angripe stålet. Det har tidligere vært vanlig å benytte ekstra betong for å beskytte stålet mot disse kloridionene. Dette bidrar til sløsing av betong som potensielt kunne blitt brukt andre steder, og er et av problemene DARE2C søker å finne en løsning på. Aluminium har bedre korrosjonsmotstand i kloridholdige miljøer enn stål grunnet sitt selvreparerende oksidsjikt bestående av Al2O3. Dette sjiktet brytes ikke ned av sure miljøer. For å forhindre at aluminiumen korroderer i betongen har 55% av sementen i betong blir erstattet med kalsinert leire. Gjennom reaksjoner med betongen gjør dette at aluminiumen ikke blir angrepet i like stor grad. Innblandingen av kalsinert leire lar aluminium kunne bli brukt som armering. Det bidrar også til å redusere mengden sement brukt i betong.

Materialegenskapene til legeringene ble kartlagt ved å studere kornstruktur i lysmikroskop, samt måle hardhetsprofilen gjennom tverrsnittet til legeringene. For å kartlegge legeringenes egnethet i betong ble det utført gasskromotografi for legeringene i sementstøp, samt uttrekkstesting av legeringene i mørtelstøp.

Uttrekkstesting ble utført med ti paralleller fra hver legering. Halvparten av parallellene ble overflatepreget med riller for å bestemme effekten av denne overflatepregingen på uttrekkingskraften. For 7 av 10 legeringer viste rillede prøver høyere gjennomsnittlige skjærspenninger enn prøvene uten riller. Utfra de forsøk gjennomført kan det ikke utelukkes at andre dimensjoner og/eller geometrier på rillene kunne bidratt til bedre heft. Det ble observert forskjeller i skjærspenningene målt for de ulike aluminiumslegeringene. Skjærspenningene som fremkommer fra uttrekkstesten varierer fra 0,07 MPa til 0,58 MPa. Den høyeste skjærspenningen for prøver uten riller ble målt for legeringen 6061. Denne legeringen ble målt til en skjærspenning på 0,51 MPa.

Gasskromotografi ble utført for å kartlegge hydrogenutviklingen av legeringene i sement, og gi en indikasjon på korrosjonkinetikk. Det ble observert forskjeller i hydrogenutvikling for de ulike legeringene. 7046, 6082-585, 5052, Al5Mg, 7108 og 6063 er de legeringene det ble målt minst gassutvikling for i denne oppgaven.

Hardheten som framkom gjennom dette forsøket var som forventet. AlxMg hadde økende hardhet med økende andel magnesium. 7046 var legeringen med høyest gjennomsnittlig hardhet. Det ble ikke funnet noen klar sammenheng mellom hardheten målt for ulike inntrykk, og hvor på tverrsnittet hardhetsmålingen ble tatt.

Resultatene som fremkommer fra denne oppgaven viser lovende resultater for aluminium som armering i betong. Det er fremdeles mange faktorer som er uavklarte og videre studier kreves før det kan konkluderes med om aluminiumsarmering i betong er praktisk gjennomførbart.

Ten different aluminium alloys were investigated as potential candidates to replace steel rebars in concrete constructions. This thesis is a part of the NFR project DARE2C (Durable Aluminium Reinforced Environmentally-friendly Concrete Construction). DARE2C is a research project which aim is to investigate the applicability of aluminum reinforcement in concrete constructions in order to develop a more environmentally-friendly construction material. Aluminium corrodes in highly alkaline environments, which previously has made it unsuitable as reinforcement material for concrete. Steel develops a passive layer which is corrosion resistant in highly alkaline environments. A downside to steel reinforcement is the materials susceptibility to corrosion in contact with chlorides or environments less alkaline. The alkalinity of concrete can drop as a result of carbonation, something which can leave the steel vulnerable to corrosion. Chloride ions can also diffuse through the concrete and access the steel. As a result of this threat it has been common practice to use extra concrete in order to protect the steel. This results in a waste of concrete which could potentially be used elsewhere. DARE2C aims to solve this problem, amongst others. Aluminium has superior corrosion resistance to steel in chloride containing environments, due to its self-healing oxide layer of Al¬2O3. This layer does not degenerate in less alkaline environments. In order to prevent corrosion of the aluminium, there has been developed a new kind of concrete. In this concrete, 55% of the cement was substituted for calcined clay. This substitution reduces the corrosion of the aluminum in contact with the concrete. In this way, the newly developed concrete enables aluminium as a potential reinforcement material, in addition to lowering the amount of cement required in the production of concrete.

The properties of all ten alloys were investigated by analysing the grain structure in a light optical microscope. The hardness of the different alloys were examined through the cross section of the different samples. There were also conducted gas chromotography (GC) for the different alloys submerged in the cement used in the new concrete. Lastly, a pull-out test was conducted to analyse the bond-strength between the different alloys and the mortar.

The pull-out tests were conducted with ten parallells for each alloy. Five of each alloy were machined with grooves, so the effect of surface embossment could be investigated. For 7 out of 10 alloys the average shear stress measured was the highest for the samples with grooves. The results obtained from this thesis can not exclude that the addition in bond-strength for the grooved samples could have been greater, if dimensions and/or geometry of the grooves was to be modified. There was observed different shear stress values depending on the alloy. Observed shear stress values range from 0,07 MPa to 0,58 MPa. The alloy with smooth surface which yielded the highest shear stress was 6061. The highest measure for this alloy was 0,51 MPa.

Gas chromatography was conducted to map the hydrogen development for the alloys in cement and to give an indication of corrosion kinetics. Differences in hydrogen development for the different alloys were observed. The alloys: 7046, 6082-585, 5052, Al5Mg, 7108 and 6063 yielded the least amount of hydrogen evolution measured during this experiment.

The meassured hardness in this experiment was as expected. AlXMg showed increasing hardness with the increasing amount of Mg. 7046 was the alloy with the highest average hardness. There was not a clear connection between the meassured hardness and the placement of the indentions throughout the cross section.

The results presented in this thesis are promising for the applicability of aluminium as reinforcement in concrete. There are still a lot of uncertainties and further studies that needs to be conducted before aluminium reinforced concrete becomes commercially applicable.