Liggerkoppen kathodisch beschermd7201444Liggerkoppenkathodischbeschermd1Restlevensduur van 30 kunstwerken met minimaal 20 jaar verlengdLiggerkoppen kathodisch beschermd 72014 45Tijdens inspecties van verschillende viaducten in en over desnelweg constateerde Rijkswaterstaat dat een aantal van dezeviaducten aanzienlijke schade vertoonde aan de uiteinden vande liggers. Bij een groot aantal liggers bleek dat aan de uitein-den stukken beton waren afgesprongen en werden scheurengeconstateerd in het beton. Nader onderzoek leerde dat dekunstwerken die last hadden van deze problematiek warengebouwd tussen 1965 en 1976 en waren uitgevoerd met voorge-spannen betonnen T-liggers. Deze zogenoemde contactliggerszijn liggers zonder druklaag die in langs- en dwarsrichting zijnvoorgespannen.OorzaakUit onderzoek bleek chloride ge?nitieerde wapeningscorrosiede oorzaak van de schade te zijn. Door lekkage van de voeg-overgangen werden de koppen van de liggers gedurende langetijd blootgesteld aan vochtige omstandigheden. Door indrin-ging van chloriden is in eerste instantie corrosie ontstaan aande zachtstaalwapening, mede door de geringe dekking (gemid-deld ca. 25 mm). Hierdoor werd de betonnen dekking afge-drukt, in het bijzonder in de hoeken achter de oplegblokken(foto 1).Constructieve risico'sDe liggers zijn voorgespannen met een Dywidag voorspan-systeem, dat bestaat uit drie tot zes voorspanstaven per ligger.Deze staven zijn verankerd met een ankerklok en een moer.Omdat het risico bestond dat ook het voorspansysteem gecor-rodeerd zou zijn, is door SGS Intron een destructief onderzoekuitgevoerd naar de conditie van de verankering. Hierbij is eendeel van het beton achter de ankerklok met water weggestraalden is onderzocht in hoeverre de ankerkoppen waren aangetast(foto 2). Uit nadere inspectie bleek dat er sprake was vanoppervlakkige corrosie zonder noemenswaardige materiaal-afname. Wel was het advies om op korte termijn verderecorrosie te stoppen.Door Royal HaskoningDHV is vervolgens onderzoek gedaannaar de constructieve gevolgen van de materiaalafname van dewapening en van het (rekenkundig) bezwijken van een van devoorspanstaven. Geconcludeerd werd dat de afname van dewapeningsdoorsnede nog niet tot een onveilige constructie hadgeleid, maar dat verdere corrosie wel moest worden gestopt,voornamelijk om de betondekking rond de voorspanning instand te houden. Uit de berekeningen volgde tevens dat bij deliggers met een beperkt aantal voorspanstaven (drie of vier) hetbezwijken van een van de voorspankabels al zou kunnen leidentot het bezwijken van een ligger. Hieruit volgde het advies omop korte termijn de kunstwerken met drie of vier voorspan-staven als eerste aan te pakken.Rijkswaterstaat heeft in het kader van onderhoud aan haarkunstwerken ruim 1500 koppen van voorgespannen liggers incirca 30 viaducten gerepareerd en voorzien van kathodischebescherming (KB). De liggerkoppen vertoonden matige totzware schade als gevolg van wapeningscorrosie door hetindringen van chloriden, waardoor het noodzakelijk was in tegrijpen. Met behulp van kathodische bescherming is het corro-sieproces tot stilstand gebracht. Hierdoor is het risico op verderedegradatie en het bezwijken van de voorspanning weggeno-men en zullen de betonreparaties langer in stand blijven.dr.ir. Ernst KlamerRoyal HaskoningDHVir. Joost GulikersRijkswaterstaatir. Hans van den HondelVogel Kathodische Bescherming BVprof.dr. Rob PolderTNO, TU Delft1 Afgedrukte betondekking en corrosie van de zachtstaalwapening2 Oppervlakkige corrosie van de voorspanning (ankerklok)2Liggerkoppen kathodisch beschermd7201446OplossingRijkswaterstaat heeft vervolgens in samenwerking met RoyalHaskoningDHV, TNO en SGS Intron een principeoplossingontworpen waarbij als eerste de lekke voegovergangen wordenvervangen om daarmee de toevoer van water en dooizoutente stoppen. Door deze maatregel kan echter niet worden voor-komen dat de wapening verder corrodeert, omdat het beton alis verontreinigd met chloriden. Het verwijderen van het metchloriden verontreinigde beton bleek geen haalbare oplossing,vanwege de krachtswerking rondom de verankering van devoorspanning in de liggerkop. Om sloop van het kunstwerk tevoorkomen, werd besloten een uitvraag op de markt te zettenwaarin werd gevraagd om, naast het vervangen van de voeg-overgangen, de uiteinden van de aangetaste liggers over 1 mte saneren, te repareren en te voorzien van kathodischebescherming (KB). Zo moest de wapening en de voorspanninggedurende minimaal 20 jaar worden beschermd tegen corrosie.Tevens werd ervoor gekozen om 20 jaar onderhoud en monito-ring van het KB-systeem mee te nemen in de uitvraag. Ervarin-gen in het verleden bij Rijkswaterstaat met KB hadden namelijkgeleerd dat de betrokkenheid van de beheerder na opleveringsnel afneemt. Hierdoor werd de werking van het KB-systeemniet meer in de gaten gehouden. In het verleden heeft dit geleidtot systemen die vroegtijdig zijn uitgezet of niet meer bleken tewerken. Dit ondanks het feit dat de regelgeving (CUR-Aanbe-veling 45 en NEN-EN-ISO 12696) eist dat een KB-systeem tenminste jaarlijks elektrisch wordt gecontroleerd en visueel ge?n-specteerd.Door de opdrachtgever is uiteindelijk gekozen om al in deuitvraag een KB-systeem met opgedrukte stroom voor teKathodische beschermingKathodische bescherming is een techniek om corrosie van staaltot verwaarloosbare snelheid af te remmen door het verlagenvan de elektrochemische potentiaal van het te beschermenmetaal. Kathodische bescherming wordt onderverdeeld ingalvanische systemen en systemen met opgedrukte stroom.Bij galvanische systemen wordt een opofferingsanode (bijvoor-beeld zink of aluminium) aangebracht, die een lagere rustpoten-tiaal heeft dan het al of niet corroderende wapeningsstaal. Dooreen directe metallische koppeling van de wapening met hetminder edele anodemateriaal ontstaat een galvanische celwaarbij het anodemateriaal in oplossing gaat. Bij deze reactiekomen elektronen vrij die vervolgens naar het wapeningsstaalworden getransporteerd. Hierdoor wordt de anodische ijzerreac-tie geremd terwijl de kathodische reactie wordt gestimuleerd.Voordeel van een dergelijk systeem is dat het relatief goedkoopis ten opzichte van een KB-systeem met opgedrukte stroom,omdat er geen spanningsbron en bekabeling nodig is. Nadeelvan een galvanisch KB-systeem is dat op voorhand niet goed iste zeggen in welke mate de wapening en voorspanning wordenbeschermd. Het is niet (eenvoudig) mogelijk om achteraf hetsysteem bij te sturen of aan te passen om zo meer of minderbescherming te krijgen. Bovendien wordt het anodemateriaalletterlijk verbruikt, waardoor de levensduur beperkt is.Bij een KB-systeem met opgedrukte stroom wordt de wapeningmet behulp van een externe spanningsbron tegen corrosiebeschermd. Door de wapening en het voorspanstaal via eenregelbare (gelijk-)spanningsbron te koppelen aan een inerteanode zal er een beschermstroom gaan lopen naar de wapeningen de voorspanning. Voordeel van een dergelijk systeem is datde mate van bescherming te regelen valt door het aanpassenvan de elektrische spanning. Een potentieel risico is echter dathet systeem kan resulteren in zeer negatieve potentialen van devoorspanning. In deze situaties is er sprake van overbeschermingwaarbij als kathodische reactie (zeer kleine) waterstofatomenworden gevormd. Deze atomen kunnen het voorspanstaalbinnendringen en daar uiteindelijk (veel grotere) waterstofmole-culen vormen. Dit resulteert in (extra) mechanische spanningenin de kristalstructuur van het voorspanstaal. In combinatie metde al aanwezige hoge spanning in het voorspanstaal kan ditleiden tot het bros bezwijken van de voorspanning. Doorgaanszijn systemen op basis van opgedrukte stroom duurder dangalvanische systemen, maar daar tegenover staan de langerelevensduur en de betere mogelijkheden van regeling en monito-ring in de gebruiksfase.3Liggerkoppen kathodisch beschermd 72014 473 Ernstig beschadigde liggerkop na verwijderen losliggend beton4 Krappe werkruimte voor het herstellen van beton5 Aanbrengen geleidende coating (CAST3+-systeem)gangen is door Mourik-dochter Vogel Kathodische Bescher-ming BV het beton gesaneerd door alle losliggende delen teverwijderen. Bij enkele liggers bleek dat het beton dusdanig verwas aangetast, dat aan de onderzijde enkel een piramidevormigdrukgebied boven de oplegging overbleef (foto 3). Bij groteafname (> 10%) van het oplegvlak werd door een constructeurvan Royal HaskoningDHV een beoordeling van de construc-tieve veiligheid gemaakt, waarna de liggerkop alsnog werdhersteld.Na het verwijderen van alle loszittende betondelen zijn demeetcellen ten behoeve van de monitoring aangebracht (zieonder kop `Monitoring') door deze in te boren bij de wapeningen de voorspanning. Vervolgens is het beton hersteld met repa-ratiemortel die geschikt is voor het toepassen van KB. Vooralde krappe werkruimte, de diepe ligging van de koppen op desteunpunten en de uitvoering die voor een aantal kunstwerkenin de nacht moest plaatsvinden, bemoeilijkten deze werkzaam-heden (foto 4).Na het uitharden van de reparatiemortel is een geleidendecoating (het CAST3+-systeem; een tweecomponenten alumi-nosilicaat/polymeer gevuld met koolstof) als (secundaire)anode op het betonoppervlak van de liggerkop aangebracht(foto 5). Hierin wordt de primaire, stroomvoerende anode (eenCuNbPt-draad) ingewerkt. Gezien de krappe werkruimte isgekozen de coating aan te brengen door deze op het betonop-pervlak te spuiten. Vervolgens zijn de meetcellen en de anode-schrijven (zie kader `Kathodische bescherming'), om zovoldoende zekerheid te krijgen over de mate van bescherming.UitvoeringDe aanbesteding is uiteindelijk gegund aan de aannemerscom-binatie Mourik-Salverda. Na het vervangen van de voegover-45Liggerkoppen kathodisch beschermd72014486 KB-systeem gereed7 Zonnepanelen en centrale meet- en regelunitte meten. Conform NEN-EN-ISO 12696 en CUR-Aanbeveling45 is het staal voldoende beschermd indien de depolarisatievan het staal (de verschuiving van de staalpotentiaal naar posi-tievere waarden) in de eerste 24 uur na het (tijdelijk) uitzettenvan het KB-systeem minimaal 100 mV bedraagt. Daarbij wordtmet behulp van meetcellen (type geactiveerd titanium, Ti*,waarbij het titanium oppervlak wordt bedekt met een laagplatina) de depolarisatie gemeten ten opzichte van de zoge-noemde `instant-off'-potentiaal, ofwel de potentiaal aan hetstaaloppervlak direct na het afschakelen van de opgebrachteelektrische spanning (fig. 8).Om waterstofverbrossing te voorkomen, zijn in elke liggerkoptevens speciale meetcellen geplaatst ter plaatse van de meestaan het oppervlak gelegen voorspanning, van een type die deabsolute potentiaal kunnen meten (type Ag/AgCl). Om water-stofverbrossing te voorkomen, moet de potentiaal volgensde eerdergenoemde normen altijd minder negatief zijn dan-900 mV (t.o.v. een Ag/AgCl/0,5 M KCl referentie-elektrode).De kunst is nu een spanning te vinden waarbij voldoendebeschermstroom loopt om minimaal 100 mV depolarisatie terplaatse van zachtstaalwapening te krijgen, zonder dat de abso-lute potentiaal aan het staaloppervlak van de voorspanningnegatiever wordt dan -900 mV. Daarbij is de grens voor deabsolute potentiaal aan het staaloppervlak van de voorspanningleidend. In vrijwel alle liggerkoppen (98,7%) bleek bij hetopstarten dat aan beide criteria kon worden voldaan. Bij deresterende liggerkoppen moest op dat moment genoegenen kathodeverbindingen per drie liggerkoppen aangesloten opeen decentrale voedings- en monitoringsunit, die op zijn beurtmet twee (data- en stroom-)kabels is verbonden met decentrale meet- en regelunit (foto 6). Deze unit verzamelt allemeetresultaten per kunstwerk en kan op afstand (`remote')worden uitgelezen. Bovendien kan de spanning op hetKB-systeem, afhankelijk van de resultaten van de metingen,(op afstand) worden aangepast. Alle kabels zijn weggewerktin (rvs-)buizen.De voeding van het KB-systeem wordt bij de meeste kunst-werken verzorgd door een dubbele accu die wordt gevoed doormiddel van zonnepanelen (foto 7). Op vier locaties is hiervanafgeweken vanwege de lokale omstandigheden (schaduw, bebou-wing, bebossing) en is het systeem aangesloten op het stroomnet.MonitoringOm de mate van bescherming te meten, zijn bij de wapening ende voorspanning meetcellen (referentie-elektroden en zoge-noemde potential decay probes) geplaatst om de staalpotentiaal67Liggerkoppen kathodisch beschermd 72014 49050100150200depolarisatie31-7 6:00 31-7 9:00 31-7 12:00 31-7 15:00 31-7 18:00 31-7 21:00 1-8 0:00 1-8 3:00 1-8 6:00 1-8 9:00 1-8 12:00 1-8 15:00potentiaal[mV]tijdRE1RE2RE3RE4RE5RE6051015202530354020 50 80 100 150 200 meerfrequentiedepolarisatie [mV]Ti*Ag//AgCl8 Voorbeeld van een depolarisatiemeting na afschakelen spanning9 Voorbeeld overzicht depolarisatiewaarden per kunstwerkIn geen van de metingen is een absolute staalpotentiaal(instant-off-waarde) gevonden die het criterium van -900 mVoverschrijdt (meest negatieve waarde > -600 mV). Tot slotblijkt de benodigde hoeveelheid beschermstroom gering te zijn.Na het opstarten ging er in eerste instantie relatief veel stroomlopen, maar na enige weken tot maanden nam het stroomver-bruik af tot circa 10-30% van het startniveau. Een verdereafname wordt verwacht naarmate het staal gedurende eenlangere periode door het KB-systeem is beschermd en decondities rondom het staal minder corrosief worden.ConclusieErnstige corrosie van voorspanning zou op termijn grote nade-lige gevolgen kunnen hebben voor de constructieve veiligheidvan de viaducten. Met de gekozen oplossing van het waterdichtmaken van de voegovergangen en het beschermen van dewapening en voorspanning door middel van kathodischebescherming, is de constructieve veiligheid van de liggers weergewaarborgd en wordt de restlevensduur van de kunstwerkenmet minimaal 20 jaar verlengd. Hierdoor is voorkomen datingrijpende saneringsmaatregelen noodzakelijk zijn. Eenbelangrijk aspect hierbij is dat de opdrachtgever voorafcontractueel heeft vastgelegd dat onderhoud en monitoringdoor de aannemer worden uitgevoerd, gedurende een periodevan 20 jaar.Doordat de schade zich manifesteerde aan een groot aantalseriematig vervaardigde liggers was het mogelijk een `stan-daard'-aanpak toe te passen op een groot aantal kunstwerken.De uitvoeringsfase van het project is in februari 2014 afgerond.In principe is de aanpak geschikt voor toepassing op vergelijk-bare kunstwerken. Met het oog op eventuele vervolgprojectenzullen de werking van het KB-systeem en de resultaten van demonitoring de komende jaren kritisch worden ge?valueerd. worden genomen met minder dan 100 mV depolarisatie,omdat anders de absolute potentiaal aan het voorspanstaal tenegatief zou worden. Na verloop van enige tijd, nadat destroombehoefte in de systemen was afgenomen, konden ookdeze liggerkoppen aan beide criteria voldoen.Ervaringen en resultatenDe eerste opgeleverde KB-systemen zijn nu circa 1,5 jaar werk-zaam. Metingen aan het KB-systeem geven aan dat de wape-ning goed wordt beschermd, zoals blijkt uit de depolarisatie-waarden van de Ti*-potential decay probes ( 100 mV) (fig. 9).Ook de voorspanning, die door haar diepere ligging tenopzichte van de wapening minder beschermstroom krijgt,wordt voldoende beschermd. Dit blijkt uit de depolarisatie-waarden van de Ag/AgCl referentie-elektroden. Ook blijkt hetrisico op overbescherming van het voorspanstaal nihil te zijn.89