The Use of Aluminium in Sustainable Concrete Structures

Abstract

Denne masteroppgaven er en del av det norske forskningsprosjektet DARE2C som er finansiert av Norges forskningsråd. Ved å erstatte stålarmering med aluminiumarmering, ønsker DARE2C å utvikle en ny, mer holbar og miljøvennlig betong. Denne oppgaven fokuserer på den kjemiske stabiliteten og heften av fire aluminiumslegeringer i betong: 6082, 5052, Al-9Si-2Cu, og Al-9Si-0.3Mg. I tillegg utforskes mulighetene for å bruke resirkulert aluminium fra bilindustrien som armering.

Kjemisk stabilitet ble undersøkt gjennom målinger av hydrogengass. Utvikling av hydrogengass er et tegn på at aluminium korroderer. Alle aluminiumslegeringene reagerte med betongen, men oppnådde stabilitet etterhvert. Varmebehandlet Al-9Si-0.3Mg hadde minst hydrogenutvikling og 5052 hadde mest.

Varmebehandlet 6082 og 5052 hadde den dårligste heften og de varmebehandlede Al-Si-legeringene hadde den beste. Betongprøvene ble splittet etter hefttesting, noe som avslørte porer i den herdede betongen til T6-6082 og 5052. Det ble antatt at porene skadet heften og var forårsaket av hydrogenutvikling. To andre mulige grunner for forskjellen i heft ble foreslått; (1) forskjell i termisk utvidelseskoeffisient, og (2) dannelsen av et reaksjonsprodukt mellom T6-6082 og betong.

Heften mellom aluminium og betong var lavere enn heften mellom standard stålarmering og betong. Den beste heften ble oppnådd av Ø20mm T6-Al-9Si-2Cu med 9.3 MPa, mens Ø20mm stål hadde 13.7 MPa. Rillene i aluminiumarmeringen, var mye dårligere enn de i stålarmeringen. Dermed, hvis rillene forbedres kan det være at heften nærmer seg samme heft som stålarmering oppnår.

Basert på heftstyrken og utviklingen av hydrogengass hos Al-9Si-2Cu og Al-9Si-0.3Mg, ble det konkludert med at bruken av resirkulert aluminium fra bilindustrien som armering er lovende. Det er viktig å påpeke at sekundær aluminium er uforutsigbar, og derfor bør flere undersøkelser gjennomføres.

This master's thesis is a part of the Norwegian research project DARE2C. By replacing steel reinforcement with aluminium reinforcement, DARE2C wants to develop a new, more durable, and environmentally friendly concrete. This thesis focuses on the bond strength and chemical stability of four different aluminium alloys in concrete: 6082, 5052, Al-9Si-2Cu, and Al-9Si-0.3Mg. In addition, the possibility of using recycled automotive aluminium as reinforcement is investigated.

Chemical stability was investigated through hydrogen gas measurements. The evolution of hydrogen gas indicates corrosion of the aluminium reinforcement. It was found that all of the alloys initially reacted with the concrete, but achieved stability after some time. Heat-treated Al-9Si-0.3Mg resulted in the least hydrogen evolution and 5052 in the most.

Heat-treated 6082 and 5052 had the poorest bond strength and the heat-treated Al-Si-alloys had the best. Visual inspection of the split concrete samples after bond testing revealed pores in the hardened concrete of T6-6082 and 5052. It was assumed that the pores harmed the bond strength and was caused by hydrogen evolution. Two other possible reasons for the difference in bond strength were suggested; (1) difference in coefficient of thermal expansion, and (2) the formation of an expansive reaction product between T6-6082 and concrete.

The bond strength of aluminium was lower than the bond strength of standard steel reinforcement. The best bond strength was achieved by Ø20mm T6-Al-9Si-2Cu with 9.3 MPa, while Ø20mm steel had 13.7 MPa. However, the quality of the Al reinforcement ribs was poorer than the steel ribs, and improving the Al ribs might increase the bond strength to the same level as steel reinforcement.

Based on the bond strength and hydrogen gas results for Al-9Si-2Cu and Al-9Si-0.3Mg, it was concluded that the use of recycled automotive aluminium as reinforcement is promising. However, due to the unpredictable nature of secondary Al-alloys, more research is needed.