Nedbrytning og vedlikehold av betongkonstruksjoner - Hvordan redusere kostnader?

I mange tilfeller opplever vi sågar at utførte reparasjoner har gitt motsatt effekt enn det som opprinnelig var hensikten og at disse dermed har akselerert nedbrytningsforløpet ytterligere. Denne artikkelen diskuterer utfordringer og problemstillinger som er vesentlig for byggherrer i forbindelse med forvaltning av betongkonstruksjoner. Generelt Det er i dag velkjent at systematisk vedlikehold er nødvendig for å unngå nedbrytning av armerte betongkonstruksjoner utsatt for aggressive miljøpåkjenninger. I løpet av 15-20 år har det, for et økende antall betongkonstruksjoner, blitt rapportert skader med påfølgende tap av bæreevne og sikkerhetsmarginer. Dette er et globalt problem der skader pga armeringskorrosjon ofte oppfattes som hovedårsaken til problemene selv om skader som skyldes frostnedbrytning, alkalireaksjoner, sulfatangrep, etc utgjør et vesentlig omfang i mange land. Kostnader og vedlikeholdsbehov Behovet for rehabilitering, reparasjon og vedlikehold av betongkonstruksjoner er omfattende i Norge så vel som for omverden. Det kan nevnes at reparasjonsbehovet pga kloridindusert armeringskorrosjon på betongbruer i USA ble estimert til $150 milliarder (Transportation Reseach Board, 1991). Videre ble reparasjonsbehovet, også pga av kloridindusert armeringskorrosjon, for betongbruer på motor- og riksveier i England og Wales estimert til £616 millioner (Highway Agency, 1989). Det eksisterer en rekke estimater mht kostnader for årlig vedlikeholdsbehov for betongkonstruksjoner i Norge. Disse kostnadene estimeres ofte til 1-2 % av nyverdi og ble av Vegdirektoratet/NSB beregnet til ca 200 mill kr for norske betongbruer i 1989 (basert på 1% av nyverdi). Videre eksisterer det ihht Austnes (2000) /1/ et totalt årlig vedlikeholdsbehov på nærmere 2 milliarder kr for alle betongkonstruksjoner i Norge. Metoder for vedlikehold og rehabilitering Vedlikehold og rehabilitering av betongkonstruksjoner kan utføres ved en rekke forskjellige metoder som kan deles inn i tre hovedkategorier: Beskyttelse: Et preventivt tiltak som i første rekke sikter mot å opprettholde konstruksjonens tilstand på det tidspunkt tiltaket iverksettes. Reparasjon: Et inngrep som gjenoppretter konstruksjonens egenskaper mht bestandighet, stivhet og bæreevne og som har som målsetning at konstruksjonens prosjekterte levetid skal oppnås. Forsterkning: Et tiltak som øker konstruksjonens stivhet og bæreevne. Beskyttelse av betongkonstruksjoner kan utføres ved for eksempel overflatebehandling (belegg, impregnering), tilsats av inhibitorer (tilsatt betong i fersk tilstand) og ved elektrokjemiske metoder (katodisk beskyttelse og katodisk vedlikehold). Reparasjon av betongkonstruksjoner assosieres ofte med mekaniske reparasjoner der karbonatisert eller kloridholdig betong fjernes og erstattes slik som beskrevet i for eksempel revidert RIF-norm /2/. Når det gjelder reparasjon, er det viktig å påpeke at reparasjon for å gjenopprette betongens korrosjonsbeskyttende egenskaper også kan utføres ved elektrokjemiske metoder (kloriduttrekk og realkalisering). Forsterkning av betongkonstruksjoner har tradisjonelt blitt utført enten ved å øke dimensjonene (inkludert tilleggsarmering) eller ved ekstern etterspenning. I løpet av det siste tiåret er det imidlertid utviklet nye metoder der eksisterende betongkonstruksjoner kan forsterkes ved bruk av fiberkompositter. Metoden har gitt lovende resultater noe som representerer et viktig framskritt mht reparasjonsteknologi for betongkonstruksjoner. Generelle erfaringer vedr vedlikehold av betongkonstruksjoner NORUT Teknologi har gjennom en rekke år drevet forskning knyttet til bestandighet, vedlikehold/rehabilitering og forsterkning av betongkonstruksjoner. I tillegg gjennomfører vi regelmessig tilstandsanalyser samt utarbeider vedlikeholds- og reparasjonsanbefalinger med tilhørende kostnadsberegninger for alternative reparasjonsstrategier. Gjennom vårt arbeid ser vi dessverre stadige eksempler på mislykket reparasjons- og vedlikeholdsarbeid. Ut i fra dette mener vi at samarbeid rundt dette temaet er nødvendig der byggherrer, konsulenter, entreprenører og FoU-institusjoner bør delta jevnlig for å få til erfaringsutveksling mellom de ulike aktørene i bransjen. Slikt samarbeid kan arrangeres i ulike former ved for eksempel direkte prosjektsamarbeid, generell rådgivning vedr vedlikehold eller ved deltagelse på kurs, konferanser og seminarer. Mht til sistnevnte nevnes det at NORUT Teknologi jevnlig arrangerer 1-2 dagers seminar for de ulike aktørene i bransjen. Ett slikt seminar ble nylig avholdt sammen med konsulentfirmaene Barlindhaug Consult AS (Tromsø), Byggcon AS (Bodø) og Norconsult AS (Harstad). Generelt kan det sies at byggherrer i mange tilfeller igangsetter tilstandsanalyser og vedlikeholdstiltak for sent. Vi opplever ofte at levetiden for konstruksjoner kunne vært vesentlig forlenget dersom grundige tilstandsanalyser med tilhørende vedlikeholdstiltak hadde vært utført på et tidligere tidspunkt. Det optimale tidspunktet for såkalt preventivt vedlikehold er imidlertid ikke før korrosjon initieres men snarere før betongoverdekningen degraderes (ved f.eks. kloridinntregning eller karbonatisering). Dette leder til at det optimale tidspunkt for preventivt vedlikehold er like etter en konstruksjon er oppført, og at dette arbeidet i mange tilfeller bør ses på som en del av investeringen for nybygget. Videre kan det, i forbindelse med eksponering i aggressive miljø, være ideelt å utarbeide planer for regelmessig vedlikehold allerede på prosjekteringsstadiet for en rekke konstruksjoner. Reparasjon av skader som skyldes kloridinntregning I forbindelse med begrenset mekanisk reparasjon av kloridholdige betongkonstruksjoner oppstår det som kjent fare for å skape såkalte makroceller i overgangsonen mellom reparerte og ureparerte områder. Dette er illustrert i figur 2 og 3. Slike angrep gir ofte opphav til svært høye lokale korrosjonshastigheter da anodeområder i utkantene av reparerte områder blir svært små (arealmessig) i forhold til tilstøtende katodeområder. Gjennom et pågående dr.ing studium har Bård Arntsen ved NORUT Teknologi bla gjennomført omfattende feltundersøkelser av utførte mekaniske reparasjoner på en rekke bruer i Norge. Arntsen har foretatt betongtekniske og elektrokjemiske analyser og avdekket omfattende skader svært kort tid etter at reparasjonene ble utført. Skadene skyldes i hovedsak at hensyn til økonomi eller bæreevne (under reparasjonsarbeider) har ført til manglende fjerning av kloridinfisert betong. Også fra tidligere forskningsarbeid (utført i Norge og utlandet) er mekaniske reparasjoner kjent som en reparasjonsmetode som kan gi stikk motsatte effekter enn ønsket mht akselerert nedbrytningsforløp og armeringskorrosjon. For en rekke konstruksjoner med pågående kloridindusert armeringskorrosjon vil rett og slett mekaniske reparasjoner være en uheldig og utilstrekkelig reparasjonsmetode uten at det iverksettes vedlikeholdstiltak som for eksempel overflatebehandling og katodisk beskyttelse. I mange tilfeller vil imidlertid katodisk beskyttelse være det eneste formålstjenlige alternativet for å forhindre videre korrosjonsskader (dette gjelder i forbindelse med utbredt og omfattede kloridindusert korrosjon). Reparasjon av skader som skyldes karbonatisering Karbonatisering av betongoverdekningen fører til reduksjon av pH i betongens porevann og kan dermed forårsake armeringskorrosjon. Denne korrosjonsformen er imidlertid mindre alvorlig enn kloridinitiert armeringskorrosjon. Ved karbonatisering oppstår vanligvis generell korrosjon (les: korrosjon jevnt fordelt over armeringsoverflaten) i motsetning til kloridinitiert korrosjon som kan gi opphav til høye lokale korrosjonshastigheter. Korrosjon pga av karbonatisering fører dermed først og fremst til oppsprekking av betong og hefttap mellom armering og betong og ikke til vesentlig reduksjon i armeringstverrsnitt. Ihht til våre erfaringer er det hensiktsmessig å reparere skader som skyldes karbonatisering ved mekanisk reparasjon og påfølgende overflatebehandling. Hensikten med overflatebehandlingen etter mekaniske reparasjoner er å redusere fuktnivået i underliggende betong slik at framtidige korrosjonshastigheter blir neglisjerbare. Reparasjonsmetoden forutsetter at all korrodert armering frilegges og rengjøres for korrosjonsprodukter. Metoden er først og fremst egnet i de tilfeller en begrenset del av armeringen ligger i karbonatisert betong, ellers bør andre metoder vurderes. Elektrokjemiske metoder kan her være et alternativ (les: katodisk beskyttelse eller realkalisering). Når det gjelder betongbygg utsatt for karbonatisering, er det også her grunn til å være føre var mht vedlikehold. Tidligst mulig bør man foreta tilstandsanalyser slik at billigst mulig vedlikeholds- eller reparasjonsmetode kan velges. Anbefalinger til byggherrer Vi ser det hensiktsmessig å gi følgende anbefalinger til aktuelle byggherrer vedr vedlikehold av eksisterende betongkonstruksjoner samt vedr oppføring av nye konstruksjoner: 1. Utfør tilstandsanalyser på et tidlig stadium før synlige betongskader oppstår. Innfør rutiner med enkle tilstandsanalyser i forbindelse med overlevering av betongkonstruksjoner (her kan for eksempel overdekningsmålinger gi viktig informasjon). I noen tilfeller er det til og med hensiktsmessig å gjennomføre grundige tilstandsanalyser av nylig oppførte konstruksjoner. Dette kan være aktuelt for bla betongkaier der det kan nevnes at det nylig er dokumentert at enkelte kaier i Norge har fått betydelig kloridinntregning allerede under byggeperioden (før betongen er tilstrekkelig herdet). 2. Anvend kvalifiserte aktører til å foreta tilstandsanalyser samt til å utarbeide vedlikeholds- og reparasjonsbeskrivelser. Disse bør ha tilstrekkelig fagkompetanse samt nødvendig erfaring innenfor fagfeltet. Videre er det viktig å anvende uavhengige aktører (les: som ikke har noe å tjene på å beskrive unødvendig dyrt vedlikeholdsarbeid) til å foreta tilstandsanalyser. 3. Vær åpen for å stille krav utover minimumskravene i norske betongforskrifter i forbindelse med nybygg. Erfaringer fra for eksempel Lahus /3/ og Gussiås /4/ viser at betongforskriftene ikke er tilstrekkelige for å oppnå god bestandighet av betongkaier langs norskekysten. Det fins metoder for å bygge mer bestandige betongkonstruksjoner som ikke er detaljert beskrevet i relevante normer og standarder. Ett eksempel på dette gjelder bruk av rustfritt eller korrosjonsbestandig armeringsstål i utsatte konstruksjonsdeler for å unngå nedbrytning. Et annet eksempel gjelder installasjon av katodisk vedlikehold (eng.: cathodic prevention) dvs anlegg som påtrykker lavere strøm enn katodisk beskyttelse og som installeres på nybygde konstruksjoner. Slike anlegg kan være betydelig enklere å installere under byggeperioden enn ved installasjon av katodisk beskyttelse på et senere stadium. Et anlegg for katodisk vedlikehold har potensial til å forhindre korrosjonsproblemer gjennom hele levetiden for en gitt konstruksjonsdel. Et tredje eksempel gjelder overflatebehandling av nylig oppførte konstruksjoner for å forhindre degradering av overdekningen. Videre kan det være fornuftig å installere sensorer og instrumentering under byggeperioden for å enklere kunne overvåke tilstandsutviklingen og dermed kunne iverksette vedlikeholdstiltak på hensiktsmessige tidspunkt. Referanser /1/ Austnes, P., Erfaringer og framtid for katodisk beskyttelse Betong Industrien, nr. 1, 23. mars 2000. /2/ Betongrehabilitering. Utfyllende tekniske bestemmelser til NS 3420, RIF-publikasjon, 2000. /3/ Lahus, O., En analyse av tilstand og tilstandsutvikling for betongkaier i norske fiskerihavner, Dr.ing. avhandling, NTNU, Trondheim, 1999. /4/ Gussiås, A., Service life management of concrete harbour structures, Dr.ing. thesis, NTNU, Trondheim, 2001.