? ? onderzoek ? betontechnologieir.J.J.W.Gulikers, TU Delft, faculteit der Civiele Techniek/Bouwdienst Rijkswaterstaating.J. de Vries, Bouwdienst Rijkswaterstaat, stafafdeling Bouwspeurwerkdr.R.B.Polder, TNO BouwHet chloridegehalte in een betonconstructie is een belangrijke graadmeter voorde kansop wapeningscorrosie. Twijfel over de betrouwbaarheid van chloridebepalingen door ver?schillende laboratoria, was voor Bouwdienst Rijkswaterstaat aanleiding een vergelij-kend onderzoek te doen onder zeventien laboratoria. De uitslag was teleurstellend.Slechts vijf laboratoria kwamen tot goede resultaten. Ook bleek er geen enkele relatietussen de geleverde kwaliteit en de in rekening gebrachte kosten.DE BETROUWBAARHEID VAN CHLORIDE-BEPALINGENINVERHARD BETONCEMENT1996/11Voor een goed beheer en onderhoud vankunstwerken wordt het veelal noodzakelijkgeacht tussentijds een betrouwbaar beeldte verkrijgen van de kans op wapeningscor-rosie. Met het oog hierop wordthet chloride"gehalte beschouwd als een belangrijkegraadmeter. De daartoe noodzakelijke ana-lyses worden meestal in een laboratoriumaan betonmonsters uitgevoerd.Als beheerder van de meeste Nederlandsekunstwerken is de Bouwdienst Rijkswater-staatin het recente verleden enkele malengeconfronteerd met meetresultaten waar-van de juistheid sterk werd betwijfeld. Eenverificatie van de gerapporteerde resultatenis moeilijk, omdat de werkelijk in een beton-constructie aanwezige chloridegehalten na-tuurlUk niet bekend zijn. Slechts in incidente-le gevallen is het mogelijk om op basis vande toestand van de wapening en/of de ex-positieduur en -omstandigheden een groveindicatie van de betrouwbaarheid van demetingen te krijgen. Het aldus gegroeidewantrouwen wordt mede gevoed door soort-gelijke ervaringen in het buitenland [1, 2].Gezien het grote praktische en economi-sche belang van betrouwbare chlorideme-tingen moet dit als een zeer ongewenste si-tuatie worden beschouwd.Mede door het ontbreken van regelgevingvoor de bepaling van het chloridegehalte inverhard beton, heeft BouwdienstRijkswater-staat onder een aantal Nederlandse labora-toria een vergelijkend onderzoek uitgevoerdnaar de betrouwbaarheid van chloridebepa-lingen. Hiermee werd beoogd de in Neder-land gangbare analysemethoden en proce-dures te inventariseren en te evalueren. Deconclusies werden gebruikt voor het opstel-len vaneen Bouwdienst Rijkswaterstaat-aanbeveling om daarmee, althans tijdelijk,het gemis aan Nederlandse voorschriftenop dit gebied te compenseren.WapeningscorrosieHet is algemeen bekend dat de meestestaalsoorten die aan atmosferische condi-ties worden blootgesteld, binnen korte tijdgaan roesten (corroderen). In gewapend be-ton wordt het daarin opgenomen staalech"ter doordeaanwezigheid van een betondek-king tegen corrosiebeschermd. De bescher-mende werking van het beton berust op eencombinatie van fysische en chemische me-chanismen, namel?k de barri?rewerking te-gen de indringing van agressieve stoffen ende hoge alkaliteit (pH) van het poriewater.Naarmate de leeftijd van een betoncon-structie vordert, kan de effectiviteitvan dezebescherming afnemen en bijgevolg wordtdan de kans op wapeningscorrosie groter.Voor de initiatie van het corrosieproces inbeton zijn twee oorzaken van belang, name-lijk de indringing van CO2 ? waarbij de pH vanhetporiewatersterk daalt (carbonatatie), ofde aanwezigheid van chloriden. Door carbo-natatie ge?nitieerde corrosie gaat in het al-gemeen gepaard met een gelijkmatige aan-tasting van het staal als het carbonata-tiefront de wapening heeft bereikt. Chlori-den daarentegen vormen een groter gevaarvoorde duurzaamheid van gewapend beton,omdat het corrosieproces wordt geken-merkt door lokale aantastingen van de wa-pening die met relatief grote snelheid voort"schrijden (putcorrosie). Foto 1 toont eenpraktijkvoorbeeld van door chloride ge?ni-tieerde wapeningscorrosie.29? ? onderzoek ? betontechnologieCD Voorbeeld van aantasting van de wapening in beton doorde aanwezigheid van chloride;staafdiameter circa 25 mmUit een eerder uitgevoerdliteratuuronder-zoek [5] blijkt dat voor de bepaling van hetchloridegehalte aan een betonmonster uitde praktijk de volgende stappen kunnenworden onderscheiden:? het drogen van het ontvangen betonmon-ster;? het malen van het gedroogde betonmon-ster;? het homogeniseren van het vermalen be-tonmonster;? de extractie van chloride uit een analyse-monster;? de kwantitatieve analyse van de extractie-vloeistof op chloride;? de bepaling van het cementgehalte aaneen analysemonster;? de berekening van het chloridegehalte opcementmassa.De chloriden kunnen afkomstig zijn van zee-water, dooizouten of andere chloridehou-dende bronnen. Het betonmengsel kan ech-ter ook reeds bij hetaanmaken chloriden be-vatten, bijvoorbeeld door toevoeging vanCaCI2 als verhardingsversneller of door ge-bruik van met chloride verontreinigde toe-slagmaterialen (zeegrind) of aanmaakwa-ter.Met het oog op het lokale, maar heftige ka-rakter van de aantasting en het frequenteoptreden, wordt chloride-ge?nitieerde corro-sie beschouwd als de grootste bedreigingvoor de levensduur van gewapend beton inbruggen, viaducten, tunnels enz. Voor eengoed beheer en onderhoud van kunstwer-ken is hetdaarom gewenst een betrouwbareindicatie te verkrijgen van de kans op wape-ningscorrosie.Chloridegehalte als graadmeter voor dekans op wapeningscorrosieDe kans op corrosie van de wapening in be-ton wordtmeestal gerelateerd aan het chlo"ridegehalte, datwordt uitgedruktals percen-tage chloride op de cementmassa (% mlm).Hoewel bekend is dat alleen het vrije chlori-de een actieve rol speelt in het corrosiepro-ces, wordt om praktische redenen de voor-keur gegeven aan de bepaling van hettotalegehalte aan chloride. Hierin is ook het che-misch en fysisch gebonden chloride begre-pen.Voor de initiatie van corrosie moet het aldusgedefinieerde chloridegehalte een bepaal-de drempelwaarde overschrijden. De waar-de voor dit zogenoemde kritische chloride-30gehalte is afhankelijk van een aantal facto-ren zoals vochthuishouding, temperatuur,pH, oorsprong van het chloride (ingedron"gen of ingemengd) en dikte en permeabili-teit van de betondekking. Op basis van prak-tijkervaring kan worden aangenomen datvoor een goede kwaliteit van de (niet-gecar-bonateerde) betondekking een kritischchloridegehalte van ongeveer 1% (gemetenbij de wapening) kan worden aangehouden,terwijl voor een geringe kwaliteit een aan-merkelijk lagere waarde moet worden ge-hanteerd.Omdatde kwaliteitvan debetondekkingnietaltijd vooraf bekend is, kan, gebaseerd op deconclusies van [3] en [4], wordenaangeno-men dat chloridegehalten tussen 0,5 en1,0% het grijze gebied vormen voor wat be-treft het optreden van wapeningscorrosie.Daarom moeten in dit gebied relatief hogeeisen aan de nauwkeurigheid van de Chlori-debepaling worden gesteld. Bij gehalten bo-ven 1%is de kans op corrosie (vrij) groot, zo-datin principe mindernauwkeurigheid nodigis.Uitvoering van chlorideanalysesDe bepaling van het chloridegehalte op ce-mentmassa wordt meestal chemisch-analy-tisch uitgevoerd in een laboratorium. Aaneen betonmonsterdienen feitelijktwee ana-lyses te worden uitgevoerd, namelijk de be-paling van de cementhoeveelheid en van dechloridehoeveelheid. De analyse van eenbetonmonster uitdepraktijk omvat een aan-tal stappen, die meestal zijn afgestemd opde te gebruiken analysemethode.Blijkens het literatuuronderzoek bestaan erlegio analysemethoden voor de kwantitatie"vebepaling van het chloride. De meeste vandeze chemisch-analytische methoden wor-den echter toegepast op waterige (chloride"houdende) oplossingen. Voor de toepas-sing op verhard cementbeton is het daaromnoodzakelijk dat het daarin aanwezige chlo-ride uit het betonmonster wordt ge?xtra-heerd. Deze stap wordtaangeduid met hetontsluiten van het betonmonster. De ont-sluiting wordt meestal uitgevoerd in eenzuur, waarbij ook het cement oplost. De ef-fectiviteit waarmee het extractieproces kanworden uitgevoerd, is in hoge mate bepa-lend voor het succes waarmee het chloride-gehalte kan worden bepaald.Internationaal bestaan er slechts weinignormen die expliciet betrekking hebben opde bepaling van het chloridegehalte in ver-hard cementbeton. In de meeste gevallenbestaan er alleen analytisch-chemischevoorschriften voor de bepaling van het chlo-ridegehalte van (waterige) oplossingen. Be-ton onderscheidt zich daarvan, doordat heteen vaste stofis waaruit het daarin aanwezi-ge chloride eerst moet worden ontslotenmet een geschikt (chemisch) extractiemid-del. Na deze ontsluiting kan eventueel ge-bruik worden gemaakt van de diverse aan-wezige normen voor de bepaling van hetchloridegehalte van een waterige oplossing(bijvoorbeeld NEN 3104).Slechts de Amerikaanse [6, 7] en de Engel-se norm [8] beschrijven de complete proce-dure voor de uitvoering van een chloride-analyse aan verhard beton.CEMENT1996/11Opzet van het multi-Iaboratoriumonder-zoekIedere stap in de chloridebepalingkan wor-den opgevat als een potenti?le bron van fou-ten. De twijfel over de betrouwbaarheid vangerapporteerde chloridegehalten heeftBouwdienstRijkswaterstaat doen besluiteneen multi-laboratoriumonderzoek uitte voe"ren. Hiermee werd beoogd inzicht te verkrij-gen in:? de gangbare analysemethoden;? de gehanteerde methoden voor de bepa-ling van het cementgehalte;? de bereikte nauwkeurigheid van de metin"gen;? de reproduceerbaarheid van de metho-den.Voor het verifi?ren van de juistheid van degerapporteerdechloridegehalten was hetnoodzakelijk geprefabriceerde betonmon-sters te vervaardigen waarvan de samen-stelling nauwkeurig bekend was. Bij de keu-ze van de toe te voegen chloridegehaltenwerd rekening gehouden met een voor chlo-ride-ge"initieerde corrosie onzeker gebied.Dit heeft ertoe geleid dat drie chloridegehal-ten werden toegevoegd, namelijk 0,20% CI-(corrosie treedt niet op), 0,67% CI- (kans ophet optreden van corrosie istwijfelachtig) en1,33% Cl- (kans op corrosie is groot). Methet oog op de Nederlandse bouwpraktijkwerden zes betonmengsels vervaardigd vanzowel portland- als hoogovencement, meteen cementgehalte van 320 kgjm3 en eenwater-cementfactor van 0,50. De zes ver-schillende betonmengsels werden vooraf-gaande aan verzending gemalen tot 0max 50%. Deze resultaten tonen aan dat indeze gevallen de eerder geuite twijfel over debetrouwbaarheid gegrond is.De resultaten zijn (gedeeltelijk) grafischweergegeven in de figuren 2 en 3.In de figuren 2a en 2b zijn van de zes ver-schillende monsters de afzonderlijke resul-taten weergegeven van de duplo-bepaling,aangeduid met monster 1 en monster duplo1. Zoals eerdervermeld hebben de laborato-ria drie monsters in tweevoud ontvangen. Dittweede stel monsters is eveneens in duploonderzocht en aangeduid als monster 2 enmonster duplo 2. In totaal zijn dus per labo-ratorium negen monsters in duplo onder-zocht, waaruit achttien resultaten volgden.In figuur 2a zijn als voorbeeld de individueleCEM ENT1996/1190+-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~100.-~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~0: >o"''I-~~~l------~->< V;~~vI>< ~~ ~ 0:vI>< KvI>< I>< KI>< Ltl:~ monster 1b ~monster1a30~~roiDOl 20IL?QJroc.~ 10c:>ti+'OlC~'j......l1J~jg ~10l1J"'?~~1:~ ~ I~~jg ~ ~ rx9' -20+----i:>Oo.,I--~~ I> 2,88 M worden toegepast,waarb? de verkregen oplossing gedurendeminimaal twee minuten tot het kookpuntwordt verhit.Voor de kwantitatieve analyse van de extrac-tievloeistof op de aanwezigheid van chloridez?n drie chemisch-analytische methodengeschikt, namel?k:? de terugtitratie volgens Volhard;? de potentiometrische titratie;? twee gemodificeerdeversies van de direct-potentiometrie.In de prakt?k worden boor(stof)monstersgenomen of kernen geboord. Een stofrnon-ster wordt vaak geboord over circa 0-20 rnmdiepte rnet een massieveboor van 16 tot 32mm diameter, of met een boor van 12 mm,maar dan worden twee monsters tezamengenomen om een voldoende materiaalhoe~veelheid te verkr?gen. Hetverdientaanbeve-ling het betonoppervlak eerst schoon te rna-34ken voordat wordt geboord, om eventuelevervuiling in het oppervlak niet in het rnon-ster mee te nemen. Boorkernen z?n vaak 30of 50 mm in diarneter (soms ook 100mm).Om een chlorideprofiel te bepalen kunnende kernen in plakken worden gezaagd vanb?voorbeeld telkens 15 mm dikte vanaf debovenzijde.B?kleine monsterhoeveelheden is de kansgroot datsterke afw?kingen van een (lokaal)gemiddelde optreden. Daarom moet eenanalysemonster alt?d ten minste 10 gramgrootz?n b? de bepaling van het chloride- encementgehalte aan hetzelfde monster en20 gram b? de bepaling aanafzonderl?kedeelmonsters.Buiten het bestek van het hier beschrevenonderzoek, maartoch relevant voor de prak-t?k, is het nemen van een voldoende aantalmonsters op representatieve plaatsen. Hetis vaak nietgoed mogel?k een goed beeld teverkr?gen van de chloridebelasting op eengehele constructie uit ??n oftwee monsters,of alleen van monsters uit b?voorbeeld eenbrugdek, zonder ook de onderliggende bal-ken of kolommen, die verontreinigd kunnenz?n met lekkend dooizoutwater, mee te ne~men.Ook moet rekening worden gehouden metde spreiding in de cementjtoeslagverhou-ding in boormonsters. In een willekeurig ge-kozen groep boorrnonsters bleek de ce-mentjtoeslagverhouding uiteen te lopenvan 1:4 tot 1:10. Zou alleen het chloridege-halte op betonmassa (monstermassa) wor-den bepaald, dan ontstaat mogel?k een ver-keerd beeld. Voor het beoordelen van dekans op wapeningscorrosie moet daaromaan prakt?kmonsters alt?d het chloridege-halte op de cementmassa worden bepaald.Deze conclusies en aanbevelingen z?n ver-werkt in [10]. De Aanbeveling is van toepas-sing op beton vervaardigd met portland- ofhoogovencementdatriviergrind en -zand alstoeslagmaterialen bevat. De Aanbevelingvoorziet niet in analyses van beton op basisvan vliegas oftras, of van beton vervaardigdmet toeslagmaterialen die veel oplosbarebestanddelen bevatten zoals kalksteen, do-lomiet en zeegrind of -zand. De in de Aanbe-veling beschreven methoden en procedureszijn geschiktvoor een relatiefsnelle en goed-kope toepassing op prakt?kmonsters in hetlaboratorium. Het is de verwachting datwan-neer de richtl?nen in deze Aanbeveling wor-den gevolgd en de nodige zorgvuldigheid inacht wordt genomen, betrouwbare chloride-gehaltenkunnen worden bepaald. De Aan-beveling is inmiddels van toepassing ver-klaard op alle opdrachten van R?kswater-staat.Literatuur1. Nustadt, G.E., Production and use of stan-dardized chloride bearing concrete dusts forthe calibration ofequipment and procedu-res for chloride analysis, Corrosion and cor-rosion protection of steel in concrete. Ed.R.N. Swamy, Sheffield, 1994,blz. 515-526.2. Grantham, M., Van Es, R., Admitting thatchlorides are variabie, Construction Repair,November-December 1995.3. B?en, J.M.J.M., Van der Winden, N.G.B.,Onderhoud en reparatie van betonconstruc-ties (IX); reparatie ten gevolge van schadeten gevolge van chloride. Cement 1988,nr. 5.4. Bakker, R.F.M, Kritisch chloridegehalte ingewapend beton. CUR-rapport 92-7, 1992.5. Bouwdienst R?kswaterstaat, Literatuur-studie naar meetmethoden voor de bepa-ling van het chloridegehalte in verhard ce-mentbeton. BSW rapportnr. 95-19, 1995.6. Annual book ofASTM standards, Vol. 4.01,Cement; Iime; gypsum, C114-88, Standardtest method for chemical analysis of hydrau-lic cement. American Society for Testing andMaterials (ASTM), 1993, blz. 85-103.7. Annual book of ASTM standards, Vol.4.02, Concrete and aggregates, C1152-1990, Standard test method for acid-solu-bie chloride in mortar and concrete. Ameri-can Society for Testing and Materials(ASTM), 1993, blz. 616-617.8. British Standard BS 1881, Part 124, Tes-ting concrete, Methodsfor analysis ofharde-ned concrete. BritishStandards Institution,1988.9. Bouwdienst R?kswaterstaat, Evalua-tierapport van onderzoek naar meetmetho-den voor de bepaling van het chloridegehal-te in verhard cementbeton. BSW rapportnr.95-20, 1995.10. Bouwdienst R?kswaterstaat, Aanbeve-ling voor de bepaling van het chloridegehal-te in verhard cementbeton volgens de eisenvan Bouwdienst R?kswaterstaat. BSW rap-portnr. 96-01, 1996.?CEMENT1996/11