SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES

SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES Fahim Al-Neshawy & Esko Sistonen 04.12.2015 Course Outline Concrete types Service environment CO2 Cl etc. Ingredients Proportioning Cement hydration Hydration heat Strength development Permeability Durability Service life estimation

Review: Durability of concrete Concrete will remain durable if: The cement paste structure is dense and of low permeability Under extreme condition, it has entrained air to resist freeze-thaw cycle. It is made with graded aggregate that are strong and inert The ingredients in the mix contain minimum impurities such as alkalis, chlorides, sulphates and silt Review: Durability of concrete Durability of Concrete depends upon the following factors: Cement content water / cement ratio and permeability material. Compaction voids can be caused by inadequate compaction Curing permit proper strength development and to ensure hydration process occur completely Cover Thickness of concrete cover must follow the codes Permeability the most important factor for durability. It can be noticed that higher permeability is usually caused by higher porosity.therefore, a proper curing, sufficient cement, proper compaction and suitable concrete cover could provide a low permeability concrete

Review: Types of durability of concrete Physical Durability is against the following actions Freezing and thawing action Percolation / Permeability of water Temperature stresses i.e. high heat of hydration Chemical durability is against the following actions Alkali Aggregate Reaction Sulphate Attack Chloride Ingress Delay Ettringite Formation Corrosion of reinforcement Review: causes for the lack of durability in concrete 1. External Causes: Extreme Weathering Conditions Extreme Temperature Extreme Humidity Abrasion Electrolytic Action Attack by a natural or industrial liquids or gases 2. Internal Causes a) Physical Volume change due to difference in thermal properties of aggregates and cement paste Frost Action b) Chemical Alkali Aggregate Reactions Corrosion of Steel

SERVICE LIFE OF CONCRETE STRUCTURES What is Service Life? ACI 365.1 Service life (of building component or material) is the period of time after installation (or in the case of concrete, placement) during which all the properties exceed the minimum acceptable values when routinely maintained. Three types of service life have been defined: 1. Technical service life is the time in service until a defined unacceptable state is reached, such as spalling of concrete, safety level below acceptable, or failure of elements 2. Functional service life is the time in service until the structure no longer fulfills the functional requirements 3. Economic service life is the time in service until replacement of the structure (or part of it) is economically more advantageous than keeping it in service.

Life Cycle of Concrete Structures Service Life (Reinforced Concrete)

Finnish concrete code In the Finnish concrete code BY 50: Service life requirements can be designed with: (i) tabular data or (ii) calculation method DESIGN WITH TABULAR DATA

i) Design with tabular data Tabular data design can be used for a structure whose design life is either 50 or 100 years. The data are presented in tables by exposure classes: 1) Limit values of concrete composition and properties 2) The concrete cover depth 3) Cracking of the structure. i) Design with tabular data (BY 50 /2012) Table 4.6. Limit values of concrete composition and properties with the design working life of 50 years.

i) Design with tabular data (BY 50 /2012) Table 4.7. Limit values of concrete composition and properties with the design working life of 100 years. i) Design with tabular data (BY 50 /2012) Table 2.17. Minimum cover (nominal cover permitted negative deviation) for different exposure classes.

i) Design with tabular data (BY50/2012) Table 2.16a. Requirements for the integrity and cracking of a structure in different exposure classes, where the design working life of the structure is 50 years. Points a) and b) refer to requirements for long-term and short-term loads respectively. Point b) shall be considered as being the requirement for the i) Design with tabular data (BY50/2012) Table 2.16b. If the working life of a structure is more than 50 years, the permissible crack width shall be reduced in accordance with following tables C = concrete cover

i) Design with tabular data If the working life of a structure is more than 50 years, the permissible crack width shall be reduced in accordance with following tables DESIGN WITH CALCULATION METHOD

ii) Service life design with calculation method The expected service life-span can be estimated by equation (Factor Method): = t L is the estimated service life-span t R is the reference service life-span (50 years) A G are life-span coefficients reflecting various factors ii) Service life design with calculation method Factors influencing frost resistance in Finnish concrete code BY 50/2012

ii) Service life design with calculation method Factor A: quality of components A takes into consideration air content, water/cement ratio, and maximum aggregate size Factor B: design level B depends on massiveness (volume to surface area ratio) of the structure and possible coating of the structure. Factor C: work execution level C takes into consideration the curing measures. Factor D: indoor environment (interior climate) Factor E: outdoor environment E depends on the geographical direction and geographical location of the structure Factor F: in-use conditions Factor G: maintenance level G gives the impact of inspection and maintenance frequency Categories of design service life for buildings

Review: Exposure classes Class XO XC XD XS XF XA Corrosion induced by No risk Carbonation XC1, XC2, XC3,XC4 Chlorides (excl seawater) XD1, XD2, XD3 Seawater XS1, XS2, XS3 Freeze/thaw attack XF1, XF3 (no salt), XF2, XF4 (salt) Chemical attack XA1, XA2, XA3 BY 50: Design by calculation of the working life of concrete structures 1. General 2. Working life with regard to frost exposure in exposure classes (without de-icing agents) XF1 and XF3 3. Working life with regard to carbonation 4. Working life in exposure classes (de-icing agents) XF2 and XF4 using P factor 5. Working life in exposure classes XS and XD

WORKING LIFE WITH REGARD TO FROST EXPOSURE IN EXPOSURE CLASSES XF1 AND XF3 XF1 Moderate water saturation, without de-icing agent XF3 High water saturation, without de-icing agent ii) calculation method - XF1 and XF3 Factor A value

ii) calculation method - XF1 and XF3 Factor A value ii) calculation method - XF1 and XF3 B1 Massivity of structure depends on the massivity of structure B1 = 1.3 for smallest dimension of structure > 600 mm B1 = 1 other structures B2 Coating The coating coefficient is given as the function of the parameter t LP /t RP t LP is the design working life of the coating [year] t LR is the design re-coating frequency [year]

ii) calculation method - XF1 and XF3 C Curing C = 1.0 (curing and 70% of nominal strength) C = 0.7 otherwise ii) calculation method - XF1 and XF3 E1 Geographical direction E2 Geographical location

ii) calculation method - XF1 and XF3 G Inspection and maintenance frequency WORKING LIFE IN EXPOSURE CLASSES XF2 AND XF4 - USING P-RATE METHOD XF2 Moderate water saturation, with de-icing agent XF4 High water saturation, with de-icing agent or sea water

P-rate method What is P-rate method? Method to design frost-resistant concrete with defined service life in defined exposure conditions Developed by D.Sc. (Tech.) Seppo Matala Finnish Transport Agency Used in practice since 1991 http://alk.tiehallinto.fi/sillat/julkaisut/siltabetoni en_p-lukumenettely_10062008.pdf (In Finnish) Liisa Salparanta (2013) P-rate method for frost-resistant concrete in Finnish bridges. NVF Annual Bridge Conference 2013, Helsinki, Finland P-rate method How to use P-rate method? Frost resistance classes P20, P30, P50 and P70. The higher the better. P-rate is calculated on the basis mix parameters and air content of fresh concrete (measured at the end of dropchute) or determined by direct frost salt test Liisa Salparanta (2013) P-rate method for frost-resistant concrete in Finnish bridges. NVF Annual Bridge Conference 2013, Helsinki, Finland

P-rate method -1 Liisa Salparanta (2013) P-rate method for frost-resistant concrete in Finnish bridges. NVF Annual Bridge Conference 2013, Helsinki, Finland P-rate method Working life in exposure classes xf2 and xf4 In exposure classes XF2 and XF4 with salt-frost attack, working life may be calculated as follows: Exposure class XF2: working life = 2.00 P factor Exposure class XF4: working life = 1.25 P factor

EXERCISE 11 EXERCISE 01 Calculate the service life for a K30 foundation with regard to carbonation for which a CEM I A cement was used and the air content of the concrete was measured at 2,0 %. Input data: Exposure = carbonation Structure = foundation Strength = C30 Cement = CEM I A Air content = 2.0 %

EXERCISE 01 BY 50: Appendix 4 3. Working life with regard to carbonation = Exposure classes X for foundations: XO no risk of corrosion or chemical attack - XC carbonation + XS chlorides, sea water - XD chlorides, from other sources - XF freezing and thawing + XA chemical loads + EXERCISE 01 Foundation 50 years service life Exposure class XC2 wet, rarely dry XC2 Minimum cover of concrete 30 mm (+tolerance)

EXERCISE 01 = A value C30 CEM I A Air = 2% A1 (Strength class) = 0.95 A2 (Binder) = 1.0 A3 (Air content) =1.08 EXERCISE 01 = B value Cover 30 mm No coating B1 (Cover 30 mm) = 1.44 B2 (No coating) = 1.0

EXERCISE 01 = C value C (Cured) = 1.0 D value, internal climate - E value, Exterior exposure to weather E1 (XC2) = 1.4 E2 E4 = 1 EXERCISE 01 = F value Working loading - G value, Inspection and maintenance frequency G1 (none) = 0.85

EXERCISE 01 = A B C E G =..... =. = EXERCISE 02 Calculate the service life for a K40 balcony element (situated in Helsinki) with regard to frost exposure for which a water/cement ratio of 0,55 (maximum size of aggregate 16mm) was used and the air content of the concrete was measured at 6,0 %. Input data: Exposure = Frost Structure = balcony element Strength = C40 W/C = 0.55 Max. Aggregate size = 16 mm Air content = 6.0 % Location = Helsinki

EXERCISE 02 Balcony = H al surface / without ice XF3 = A = 1.61 EXERCISE 02 B1 = 1.3 C (curing) = 1.0 E1 (south) = 1.0 E2 = 1.0

EXERCISE 02 G = 0.7 = A B C E =.... G =. = EXERCISE 03 Design a foundation for a service life of 100 years using tabular data (taulukkomitoitus) Exposure classes X for foundations: XO no risk of corrosion or chemical attack - XC carbonation + XS chlorides, sea water - XD chlorides, from other sources - XF freezing and thawing + XA chemical loads +

EXERCISE 03 EXERCISE 03 Chemical load, XA XA2

EXERCISE 03 Possible exposure classes: XC2 & XF3, XA2 (XA2) Minimum amount of cement 320 kg/m 3 (XA2) Strength grade C35 / C45 (XA2) W/C = 0.45 Water = 144 kg/m³ (XF3) Air content 5.5% F- factor The F-factor describes the freeze-thaw resistance in a non-saline environment: F = max 0,25 ; 7,2 1 ( w/ c) ( a-1) 0,45 0,14-4,0 Where w/c is the effective water/cement ratio a is the measured air content

F-factor (XA2) W/C = 0.45 (XF3) min. Air content 5.5% From table 4.8 with max. aggregate size > 16 mm min. air = 4.0% F = = max max (0.45) 0.25 ; 7.2 (4,0-1) 1 { 0.25 ; 0.31} 1 = min 0.45 0.14-4.0 { 4 ; 3.2} F-factor Calculated life span is the product of F-factor and 50 years (k x t 50 years) Life span = 50*3.2 = 160 years

Esimerkkejä betonivalinnoista, kun käyttöikä on 50 vuotta (RakMK B4, BY50). Rakenne Rasitusluokka Betonin raja-arvot, suositeltava max rae ja notkeus rakenteet kuivissa sisätiloissa X0 Vaatimukset: lujuusluokka K15 Suositus: maksimi raekoko #16; notkeus S2 normaali rakennebetoni K30 rakenteet kosteissa sisätiloissa XC1 Vaatimukset: lujuusluokka K25 minimisementtimäärä 200 kg/m 3 Suositus: maksimi raekoko #16; notkeus S2 normaali rakennebetoni K30 perustukset (maan alla) sokkeli (sisäkuori, maan alla) sokkeli, ulkokuori (ei kloridirasitusta) sokkeli, ulkokuori (kloridirasitus) XC2 XC2 XC3,4; XF1 XC3,4; XF2; XD1 Vaatimukset: lujuusluokka K30 minimisementtimäärä 230 kg/m 3 Suositus: maksimi raekoot #32, #16; notkeus S2 normaali rakennebetoni K30 sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan Vaatimukset: lujuusluokka K30 minimisementtimäärä 230 kg/m 3 Suositus: maksimi raekoko #16; notkeus S2, S3 normaali rakennebetoni K30 sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan Vaatimukset: lujuusluokka K35 vesi-sementtisuhde 0.60 F-luku 1.0 minimisementtimäärä 270 kg/m 3 Suositus: maksimi raekoko #16; notkeus S2, S3 pakkasenkestävä betonilaatu K35 (ilma 5 8 %) sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan Vaatimukset: lujuusluokka K35 vesi-sementtisuhde 0.55 P-luku P25 minimisementtimäärä 300 kg/m 3 Suositus: maksimi raekoko #16; notkeus S2, S3 P-luku betoni K35 P25 (ilma 5 8 %) sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan lattiat (kuiva lämmin sisätila) X0 Vaatimukset: lujuusluokka K15 Suositus: maksimiraekoot #16, #12, #10 (#8 vain silloin kun on pakko) rakeisuuskäyrä hierrettävyyden mukaan notkeus S3 lattiabetoni K30 tarvittaessa nopeasti kuivuva betonilaatu talvi: nopea sementti/sideaine kesä: hidas sementti/sideaine laatta ulkona, parvekelaatta (voi jäätyä märkänä) XC4; XF3 Vaatimukset: lujuusluokka K35 vesi-sementtisuhde 0,50* minimi sementtimäärä 300 kg/m 3 F-luku 1.5 taulukko jatkuu 411

Rakenne Rasitusluokka Betonin raja-arvot, suositeltava max rae ja notkeus väliseinä (kuiva lämmin sisätila) ulkoseinä, parvekekaide (voi jäätyä märkänä) välipohjat (kuiva lämmin sisätila) pysäköintitilan laatta (kylmä tila, vähän liikennettä, ei suojausta) laituri makea vesi (ei suolata) laituri meren ranta (suolavesi) XC0 XC3,4; XF1 XC0 XC3,4; XF2; XD2 XC3,4; XF3 XC3,4; XS3; XF4 Suositus: maksimiraekoot #32, #16, #12, #10 notkeus S3, S2 pakkasenkestävä lattiabetoni K40* (ilma 5 8 %) talvi: nopea sementti/sideaine kesä: hidas sementti/sideaine Vaatimukset: lujuusluokka K15 Suositus: maksimi raekoko #16; notkeus S3 normaali rakennebetoni K30 sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan Vaatimukset: lujuusluokka K35 vesi-sementtisuhde 0.60 minimisementtimäärä 270 kg/m 3 F-luku 1.0 Suositus: maksimi raekoko #16; notkeus S3 pakkasenkestävä betoni K35 sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan Vaatimukset: lujuusluokka K15 Suositus: maksimiraekoko #32; notkeus S2 normaali rakennebetoni K30 tarvittaessa nopeasti kuivuva betonilaatu talvi: nopea sementti/sideaine kesä: hidas sementti/sideaine Vaatimukset: lujuusluokka K35 P-luku P25 vesi/sementtisuhde 0,55 minimi sementtimäärä 300 kg/m 3 Suositus: maksimiraekoko #32, #16, #12, #10 notkeus S3, S2 P-luku betoni K35 P25 (ilma 5 8 %) sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan Vaatimukset: lujuusluokka K35 F-luku 1.5 vesi/sementtisuhde 0,50* minimi sementtimäärä 300 kg/m 3 Suositus: maksimiraekoko #32, #16; notkeus S2 pakkasenkestävä betoni K40* (ilma 5 8 %) sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan Vaatimukset: lujuusluokka K45 P-luku P40 vesi/sementtisuhde 0,45 minimi sementtimäärä 320 kg/m 3 Suositus: maksimiraekoko #32, #16; notkeus S3 p-luku betoni K45 P40 (ilma 5 7 %) sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan 412 taulukko jatkuu

Rakenne Rasitusluokka Betonin raja-arvot, suositeltava max rae ja notkeus kemiallisesti rasitettu altaan seinät, pohja (ei pakkasrasitusta, pinnan alla) XC2; XA2 Vaatimukset: lujuusluokka K45 vesi/sementtisuhde 0,45* minimi sementtimäärä 320 kg/m Suositus: maksimiraekoko #16, #32 notkeus S3 esim. sulfaatinkestävä betoni K50* (sideaineet kemiallisen rasituksen mukaan) sementtilaatu muottienpurkunopeuden mukaan * v/s-suhde vaatimus vaikuttaa lujuusluokkaan minimisementtimäärät ovat tässä CEM I sementtiä, joksi käytettävä sementti on muutettava. Yleensä on käytettävä pumpattavuuden takia vähintään lujuusluokkaa K30. Pumppaus 3 / 4 letkukoko normaali suhteutus, #32/#16. Pumppaus 2 / 2,5 letkukoko hienompi suhteutus, pienempi max raekoko. Sitoutuminen kesällä normaali tai hidas sideainekombinaatio. Sitoutuminen talvella nopea sementti, lämmitetty alusta, suojaus, lämmitys, (kuumabetoni). Massiivirakenne hidas karkea sementti, kuonabetoni, matala betonin lämpötila. Itsetiivistyvä betoni Itsetiivistyvää betonia voidaan käyttää valukohteissa, joissa normaalia tiivistystä ei voida toteuttaa. Tyypillisiä kohteita ovat korkeat ohuet tiheästi raudoitetut seinät, korkeat pilarit ja erilaiset saneerausrakenteet. Itsetiivistyvällä betonilla saadaan myös korkealuokkaisia puhdasvalupintoja. Korkeat rakenteet voidaan valaa myös alhaalta ylös painevaluna venttiilin kautta. Itsetiivistyvä betoni täyttää painovoiman avulla muotin valuen terästen ja varausten ohi. Itsetiivistyvä betoni vaatii enemmän laadunvalvontaa ja työmaalla on tehtävä notkeuden mittauksia. Kuitubetonit Teräskuitubetonin käyttö on lisääntynyt nopeasti ja se on saavuttanut suosiota erityisesti maanvaraisissa laatoissa. Kun raudoitus voidaan korvata osin tai kokonaan teräskuiduilla, nopeutuu rakennustyö ja joskus hankalien olosuhteiden raudoitustyö voidaan välttää. Teräskuitulaatuja on paljon, ja siksi teräskuitujen myyjät mitoittavat rakenteessa tarvittavan oman teräskuitunsa määrän. Betonin valmistaja sekoittaa valitun kuitutyypin yleensä betoniasemalla, jotta kuitujen sekoittuminen on tehokasta. Teräskuitubetonit ovat hieman työläämpiä työstää, joten massat ovat usein notkistettuja ja levitys sekä hierto on koneellistettu. Teräskuitubetonien käyttömäärä tullee lisääntymään ja niille kehitetään uusia rakennesovellutuksia. Muovikuitujen tyypillisiä käyttökohteita ovat laatat ja pintalattiat, jolloin niillä pyritään estämään plastista kutistumaa ja halkeilua. Hankalissa valuolosuhteissa (isot laatat, voimakas haihtuminen, pieni v/s-suhde) voi olla perusteltua vähentää halkeiluriskiä muovikuiduilla. Muovi- ja teräskuitujen käytölle betoniasemalla on tärkeää annostelun automaattisuus, jolloin niiden käyttö ei hidasta tuotantoa ja on turvallista. Rakenteiden vaatimuksenmukaisuus Betonirakenteiden kelpoisuus määritellään Suomessa vuoden 2004 jälkeen pääosin eurooppalaisten standardien perusteella (SFS-EN206-1 ja sen viitestandardit). (SFS EN-206). Euroopan yhteisön jäsenenä Suomessa tulee noudattaa rakennustuotedirektiiviin perustuvia eurooppalaisia standardeja. Kansallisia sovelluksia on lähinnä säilyvyyteen liittyvissä asioissa. Kaikissa hankkeissa tilaaja päättää, mitkä asiakirjat viranomaisvaatimusten lisäksi asetetaan työselityksissä betonirakenteen vaatimustasoiksi. Tarvittaessa asiakirjat tulee asettaa pätevyysjärjestykseen. Hankkeeseen osallistuvien tulee tietää, minkälaista laatua tavoitellaan ja miten laadun toteutuminen arvioidaan. Parhaillaan Suomessa eletään siirtymäaikaa ja vielä osin on päällekkäisiä ohjeita eurooppalaisissa standardeissa ja kansallisissa ohjeissa. Vaatimustasojen suhteen on siis syytä olla tarkkana. Vuoden 2010 jälkeen Suomessa noudatetaan näillä näkymin sekä suunnittelussa että betonirakentamisessa eurooppalaisia standardeja täysimääräisesti. Eurokoodien ja EN 206-1 standardien sallimat kansalliset valinnat ovat ympäristöministeriön vahvistamissa kansallisissa liitteissä. Lähinnä säilyvyyden raja-arvoihin jää voimaan kansallisia arvoja. Betonirakenteen kelpoisuuden arviointi riippuu rakenteen suunnittelukäyttöiästä ja sen käyttöolosuhteista eli rasitusluokista. Näiden perusteella saadaan vaadittu laatutaso sekä sen arviointimenetelmät. Normaali vaatimustaso (RakMK B4, BY50) riittää kaikkiin betonirakenteisiin ja lisävaatimuksia tarvitaan vain merkittävissä tai vaikeissa hankkeissa. Tällaisia 413