O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheiddr.ing. W.H.A. Peelen, dr. R.B. Polder, TNO Bouw, afde-ling Civiele Infrastructuuring. J. Kuit, Grontmij Verkeer & InfrastructuurIn het trac? van de Betuweroute is een aantal overklui-zingen aangebracht ter bescherming van stalen gaslei-dingen van Gasunie. Hierbij zijn voorgespannen beton-nen damwanden (Spanwanden?) toegepast [1]. In dezespecifieke toepassing zijn de Spanwanden?onderhevigaan zwerfstromen vanuit de kathodische beschermingvan de gasleidingen, waardoor aantasting kan optre-den. Op grond van een voorstudie door TNO Bouw wer-den bij dit project specifieke maatregelen getroffen omde mate en eventuele gevolgen van interferentie te ver-minderen. Daarnaast werd onderzoek uitgevoerd naarinterferentie en langetermijneffecten. Dit artikelbeschrijft het onderzoek, evalueert de genomen maat-regelen op effectiviteit voor de duurzaamheid van dedamwandplanken en geeft algemene adviezen voorondergrondse betonconstructies onder invloed vanzwerfstromen.De gasleidingen worden tegen corrosie beschermdmet kathodische bescherming (KB), een techniekwaarbij een elektrische stroom door de bodem naarde gasleiding wordt gestuurd. Waar deze stroom dedamwand passeert moet zij worden beschouwd alseenzwerfstroom,waardooraantastingkanoptreden.Zwerfstroomcorrosie van stalen damwanden kanslecht worden voorspeld, daarom wordt een over-diktetoegepastvan0,01-0,03mm/jaar/zijde.Bijeenvereiste levensduur van 100 jaar betekent dit 2 - 6mm extra, wat leidt tot een zeer hoge wanddikte vancirca 18 mm. Ook bij betonnen damwanden kanzwerfstroom het materiaal be?nvloeden. Een deelervan zal via de damwanden en vooral via het voor-spanstaal lopen, waardoor elektrochemische be?n-vloeding van het voorspanstaal optreedt (interfe-rentie). Hierdoor verandert enerzijds de KB-stroom-verdeling in de grond door de aanwezigheid van hetstaal, anderzijds verandert de locale staalpotentiaaldoor de aanwezigheid van KB-zwerfstroom.Er zijn twee vormen van be?nvloeding van het staal:kathodisch en anodisch. Kathodische be?nvloedingtreedt op bij intreden van stroom, waardoor de staal-potentiaal negatiever wordt; dit kan in extremegevallen leiden tot waterstofverbrossing van hetvoorspanstaal. De kans hierop hangt af van de voor-spangraad en de staalpotentiaal. Door anodischebe?nvloeding kan corrosie optreden waar de (posi-tieve) stroom uit het voorspanstaal treedt, dus terhoogte van de gasleiding. Deze corrosie hangt vooralaf van de stroomdichtheid.A a n t a s t i n g s m e c h a n i s m e nVoor voorgespannen damwanden onder invloed vanKB-(zwerf)stroom moet met drie degradatiemecha-nismen rekening worden gehouden [2]:? sterke kathodische zwerfstroombe?nvloeding kanleiden tot waterstofvorming, waterstofverbrossingen brosse breuk van het voorspanstaal;? sterke anodische zwerfstroombe?nvloeding kanleiden tot corrosie en breken van de voorspanning;? geringe anodische zwerfstroombe?nvloeding kanop de lange duur leiden tot chemische verande-ringen in het beton rond het voorspanstaal zoalspH-verlaging, en daardoor tot corrosie van hetvoorspanstaal (en uiteindelijk breuk).O n t w e r p a d v i e z e nIn de ontwerpfase van de Spanwanden?zijn de vol-gende maatregelen genomen om de kans op aan-tasting van het voorspanstaal acceptabel klein temaken:? Betonmeteenzohoogmogelijkeelektrischeweer-stand. Daartoe werd een mengsel van 95% hoog-ovencement, CEM III/A 52,5 en 5% portlandce-ment, CEM I 52,5R toegepast, tegen normaalDuurzaamheid Spanwand?onderbedreiging van zwerfstromenW e t e n s c h a pcement 2004 8761 |Referentie-elektroden enwapeningsaansluitingenin de bekisting van eendamwandplankO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheid65%-35%. Hoogovencement geeft een hogereweerstand, waardoor een kleinere fractie van deKB-stroom door de damwandplanken loopt;? De spanning in het voorspanstaal is zo laag mo-gelijk gekozen, onder de voorwaarde dat in de ge-bruiksfase geen scheurvorming mag optreden.Door de maximale hoeveelheid voorspanstaal aante brengen is de staalspanning met circa 15% ?20% verlaagd. Een lage trekspanning vermindertde kans op waterstofverbrossing;? De koppen van de voorspandraden aan de voet vande damwand zijn beschermd met een kunststof-afwerking om te voorkomen dat de zwerfstroomd??rhetstaalzoubinnentreden.Doordatdekunst-stofafwerking een hoge elektrische weerstandheeft, wordt dit vermeden.? Plaatsen van een monitorsysteem in een aantaldamwanden om de interferentie te meten, de ont-werpuitgangspunten te verifi?ren en de eventueleschadelijke invloed van bijvoorbeeld veranderin-gen in het KB-systeem te bewaken.O n d e r z o e kVervolgens werd een onderzoek uitgevoerd binnende TNO-EZ-cofinancieringsregeling met als cofi-nanciers de Projectorganisatie Betuweroute teUtrecht, Spanbeton te Koudekerk aan den Rijn,Grontmij Verkeer & Infrastructuur te De Bilt en Leg-gedoor beton- en vochtweringstechniek te Gassel-ternijveen. Doelstelling was te bepalen of de ge?istelevensduur van 100 jaar wordt bedreigd door inter-ferentie vanuit de KB van de gasleiding. Met een li-teratuurstudie [2] werden bovengenoemde degrada-tiemechanismen ge?dentificeerd. Verder bleek datzwerfstromen uit gelijkstroombronnen een poten-ti?le bedreiging vormen, waarbij de voornaamstebronnen railtractiesystemen, maar ook KB-syste-men van buisleidingen zijn. De kans op schade doorenkel wisselstroom-zwerfstroom wordt in de litera-tuur verwaarloosbaar klein geacht, een duidelijk cri-terium ontbreekt echter. Omdat de Betuweroute zelfwordt gevoed met 25 kV wisselstroom is deze geenpotenti?le bron, wel de KB van de gasleidingen diede Betuweroute kruisen.Er bestaat weinig kennis omtrent de langetermijn-effecten van interferentie op ondergrondse beton-constructies. Het onderzoek behelsde de ontwikke-ling van die kennis en het bouwen van numeriekgereedschap voor toepassing op specifieke con-structies. De opzet was drieledig:? monitoren van vijf damwandplanken op twee lo-caties om interferentie door KB-stroom te metenin de vorm van een (staal)potentiaalverschuiving;? ontwikkelen van een numeriek (simulatie)model,waarmeedematevaninterferentiekanwordenbe-rekend als functie van de KB-stroomdichtheid opde gasleiding, uitgedrukt in de potentiaalver-schuiving?ndestroomdichtheiddoorhetstaal/be-tongrensvlak;? ontwikkelen van een numeriek model voor che-mische veranderingen in beton door langeduur-interferentie.M o n i t o r s y s t e e mDe mate van interferentie wordt uitgedrukt als deverschuiving van de staalpotentiaal en de stroom-dichtheid door het staal/betongrensvlak door hetlopen van KB-stroom. Alleen de staalpotentiaal kanrechtstreeks worden gemeten. Deze werd gemetenbij het uit- en aanzetten van de KB-stroom op de gas-leiding op twee locaties (Z15 en W10). Daartoewerdenreferentie-elektroden(RE)enkabelsnaarhetvoorspanstaal in het beton gestort (fig. 1). De RE'szijn van het type Mn/MnO2, de meest stabiele enduurzame RE's voor beton.LocatieZ15iseengrondkerendewanddwarsoptwee48 inch gasleidingen, die precies tussen twee ano-debedden van het KB systeem ligt, schematischweergegeven in figuur 2. De damwand is aan weers-zijden van de gasleidingen twaalf planken breed (vanelk 1 m breed en 10,25 m lang) en tussen de gaslei-dingen drie planken breed. Figuur 3 toont de wandna aanleg. Drie planken zijn uitgerust met monito-relektroden. E?n plank bevat tevens een hulpelek-trode voor het opwekken van kunstmatige zwerf-stroom (`veldproef' genoemd), waarmee hetinterferentiemodel gevalideerd is. Twee RE's liggenin de voet, in het midden en in de kop van elke plank,dus zes elektroden per plank. Uit gegevens van decement 2004 8 772 |Schematische voorstel-ling van de grondkeren-de wand Z15 en hetmonitorsysteem3 |Grondkerende wand Z15O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidGasunie werd een KB-stroomdichtheid van 0,068mA/m2gasleiding afgeleid.Locatie W10 is een overkluizing over een12 inch gas-leiding op minder dan een kilometer van een ano-debed. De overkluizing bij W10 bestaat uit twee keer37 planken (37 m breed bij 9,25 m lang, fig. 4). Demiddelste planken aan weerszijden van de gaslei-ding bevatten drie referentie elektroden, in de voet,in het midden en in de kop. De KB-stroomdichtheidbedroeg gemiddeld 0,180 mA/m2gasleiding.ResultatenEerst werd de stabiliteit van de staalpotentialen in detijd bepaald. Deze bleven constant binnen + 5 mVen - 5 mV over een periode van 4 dagen. Op basishiervan werd de meetnauwkeurigheid ingesteld op1 mV. Vervolgens werden in samenwerking metGasunie de potentialen gemeten tijdens het twee-maal aan- en uitschakelen van de KB-stroom (fig. 5).Binnen 4 tot 18 uur na het aan- of uitschakelen vandeKB-stroomtreedtgeensystematischeveranderingin de staalpotentialen op. Uit ervaring met KB vanbetonstaal is bekend dat dit zeker lang genoeg is vooreen eventuele reactie van de potentialen op het aan-en uitschakelen. Deze metingen tonen dus aan datde interferentie kleiner was dan de meetnauwkeu-righeid van 1 mV. Omdat de ruis ongeveer + 1 mVof - 1 mV bedraagt, is een hogere meetnauwkeurig-heid niet zinvol.N u m e r i e k i n t e r f e r e n t i e m o d e lHet monitorsysteem geeft de potentiaalverschuivin-gen op het voorspanstaal. Voor een levensduurprog-nose moet de interferentie ook in termen van destroomdichtheid worden uitgedrukt. In het eindige-elementensoftwarepakketFEMLABwerdeenmodelontwikkeld voor het simuleren van de stroom- enspanningsverdeling in de damwandplanken. Hier-mee werden de volgende differentiaalvergelijkingenopgelost:V = 0 (1)i = V (2)Hierin zijn en respectievelijk de Laplace- en degradi?ntoperator, V de elektrische potentiaal, i destroomdichtheid en de specifieke weerstand van degrond, het beton of het staal. Een representatieve ge-ometrie bestaande uit een stuk grond, beton metvoorspanstaal en een stuk gasleiding werd gemo-delleerd. Berekende resultaten werden vergelekenmet metingen met kunstmatig opgelegde zwerf-stroom bij Z15. Dit was gedeeltelijk succesvol. Waar-schijnlijk is een deel van de aangenomen omstan-digheden anders dan in werkelijkheid. Er wordtvanuit gegaan dat het model juist is.De invoer voor het model is:? de elektrische weerstand van de grond, uit een da-tabase van TNO-NITG (tabel 1);? de elektrische weerstand van het beton, aan ku-bussen in het laboratorium en in een damwandbepaald op 750 m;? de polarisatiecurve van het staal die een maat isvoor de weerstand tegen stroomdoorgang tussenbeton en staal, experimenteel bepaald in Z15.ResultatenVoor Z15 en W10 werden berekeningen uitgevoerdmet de KB-stroomdichtheid als parameter. Figuur 6geeft een voorbeeld van de potentiaalverdeling bijeen KB-stroomdichtheid van 2,6 mA/m2. Linkswordt de stroom `ge?njecteerd'. Bij de damwand-plank, midden in de figuur, wordt de stroomverde-ling bepaald door de bodemweerstand. Rechts vande damwandplank wordt de stroomverdeling medebepaald door de interferentie met het staal.Figuur 7 geeft de gesimuleerde stroomverdeling ophet staal voor W10 bij 2,6 mA/m2. Uit dit soort be-rekeningen werden de maximale potentiaalver-schuiving en de anodische en kathodische interfe-Tabel A | Bodemweerstanden bij Z15 en W10Z15 W10diepte t.o.v. maaiveld bodemweerstand diepte t.o.v. maaiveld bodemweerstand(-m) (m) (-m) (m)0-3 20 0-7 203-20 150 7-12 6020-25 30 12-30 804 |Schematische voorstel-ling van overkluizingW10 met referentie-elek-troden in middelsteplank5 |Interferentiemetingenbij Z15; `aan' en `uit'geven aan of de KB-stroom naar de gaslei-ding aan of uit stondcement 2004 878-0,75-0,74-0,73-0,72-0,71-0,700 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48tijd vanaf start monitoren (h)ref -1ref-6aan uit aan uit aanpotentiaalinVversusMn/MnO2O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidrentiestroomdichtheidalsfunctievandeKB-stroom-dichtheid bepaald. De resultaten zijn weergegevenin de figuren 8 (stroomdichtheid) en 9 (potentiaal).Uit de gemiddelde KB-stroomdichtheid bij Z15 enW10 (0,068 en 0,180 mA/m2) zijn de maximale ano-dische stroomdichtheid en de kathodische potenti-aalverschuiving bepaald (tabel 2).De berekende potentiaalverschuivingen zijn 1 mV ofkleiner. Dit komt overeen met de in het veld gemetenpotentiaalverschuivingen. Deze potentiaalverschui-vingen zijn zo klein dat de staalpotentiaal nooit lagerkan worden dan de limiet gesteld voor waterstof-productie en waterstofverbrossing van - 900 mVSCE(versus de Saturated Calomel Electrode (SCE)) [3, 4].Daarmee is van een bedreiging van de damwand-planken door waterstofverbrossing geen sprake.De berekende anodische interferentiestroomdicht-heid is klein ten opzichte van de (corrosie)stroom-dichtheid van gepassiveerd staal in beton, die onge-veer 0,1 mA/m2bedraagt [4]. Daaruit volgt dat de(additionele) stroomdichtheid door interferentiekleiner is dan de natuurlijke corrosie in passieve toe-stand. Daarom is er geen sprake van een acute be-dreiging van de damplank door corrosie ten gevolgevan de interferentie door KB-stroom.I o n e n t r a n s p o r tDe eventuele langeduureffecten van interferentiewerden onderzocht met een model voor ionentrans-port in beton. Als gevolg van de interferentiestroomzal de chemische samenstelling aan het staal/be-tongrensvlak in de tijd veranderen. Zo zal bij ano-disch gepolariseerde delen van het voorspanstaal(stroomuittreding) OH-worden omgezet in zuurstofen zal de pH dalen, aanvankelijk langzaam. Daar-door zal het vaste Ca(OH)2dat als een pH-bufferwerkt, langzaam oplossen. Als al het Ca(OH)2is op-gelost, zal de pH sterk dalen, met corrosie-initiatietot gevolg (depassivering, vergelijkbaar met carbo-natatie). De zwerfstroom veroorzaakt vervolgens eenhoge corrosiesnelheid. Om het tijdstip van corrosie-initiatie te bepalen is een numeriek ionentransport-model ontwikkeld. Hiertoe zijn diffusie en migratievan de relevante ionen met behulp van de Nernst-Planck (NP) vergelijking gemodelleerd:ci-------- = - (-ziuiFciV - Dici) (3)tcement 2004 8 797 |Schematisch weergavevan de gemodelleerdegeometrie en de positievan het voorspanstaal(links).Ter illustratie de bere-kende stroomverdelingop voorspanstaal voorW10. De assen komenovereen met 9,25 m inverticale en 47 mm inhorizontale richting inhet vlak van de dam-plank (rechts)6 |Berekende resultatenvoor Z15 bij 2,6 mA/m2KB-stroom. De kleurengeven de potentiaal in V,de pijlen de stroomdicht-heid aan. De doorvoervan de gasleiding is aan-gegeven; de verticale asgeeft de diepte tenopzichte van maaiveld inmN.b. De figuur staat opzijn kop, het maaiveld isbeneden.Tabel 2 | Berekende anodische stroomdichtheid en kathodischepotentiaalverschuiving bij Z15 en W10, bij gemiddeldeKB-stroomdichtheidmaximum-anodische maximum-kathodischestroomdichtheid ia,maxpotentiaalverschuiving(mA/m2) (mV)Z15 0,007 1W10 0,02 0,7O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidHier staat civoor de concentraties van OH-, Na+enCa2+, die tezamen het ladingstransport in beton ver-zorgen, ziis de lading, uihet mobiliteitsgetal, Didediffusieconstante van elk ion en F de constante vanFaraday. Verder werden het oplosbaarheidseven-wicht van vast Ca(OH)2en de electroneutraliteits-voorwaarde meegenomen.Zo werd een stelsel van vijf vergelijkingen verkregen(drie voor de ionen, ??n voor Ca(OH)2en ??n voorde neutraliteit), die met de eindige-elementenme-thode in FEMLAB werden opgelost. De hoeveelheidpH-buffer, dus de hoeveelheid vast Ca(OH)2werd alsparameter meegenomen.Met dit model werden pH-profielen in het beton uit-gerekend als functie van de tijd en de anodischestroomdichtheid. Totdat al het vaste Ca(OH)2aan hetgrensvlak was opgelost gaf het model ook kwantita-tief zinnige resultaten. Daarna traden soms nega-tieveCa(OH)2-concentratiesop,watduidelijkonjuistis.Deionenconcentratiesvoldedenaltijdaandeelek-troneutraliteit, terwijl wanneer vast Ca(OH)2aanwe-zigwas,deCa2+-enOH--concentratiesooksteedsaanhet oplosbaarheidsproduct voldeden. Dit geeft aandat het model correct werkt totdat het vaste Ca(OH)2is verbruikt. Omdat de pH vervolgens snel daalt, ishet redelijk te veronderstellen dat corrosie directdaarna initieert.ResultatenMet dit model werden berekeningen uitgevoerd voorverschillende anodische stroomdichtheden. In fi-guur 10 zijn de concentratieprofielen na tien jaar be-lasting met 0,8 mA/m2(anodisch) afgebeeld voorOH-, Na+en Ca2+. De anodische en kathodische kantzijn elkaars gespiegelde, omdat aan de ene kant destroom het beton in gaat en aan de andere juist uit.Figuur 11 toont een uitvergroting van de anodischekant. De OH-concentratie is aan de anodische kantmet 5% van 100 naar 95 mol/m3gedaald, een ver-waarloosbare verlaging van de pH. De Ca2+-concen-tratie stijgt om aan het oplosbaarheidsproduct tevoldoen. De OH--daling en de Ca2+-stijging vormeneen overschot aan positieve lading, die door eendalende Na+-concentratie gecompenseerd moetworden voor de elektroneutraliteit.Samengevat kan met het model het tijdstip van op-lossen van al het vaste Ca(OH)2aan het anodischestaal/betongrensvlak worden berekend en daarmeehet tijdstip van initiatie van corrosie. Dit tijdstiphangt af van de interferentiestroomdichtheid en deconcentratie van vast Ca(OH)2. Omdat deze laatstenog niet goed bekend is, is verificatie aan de handvan experimentele gegevens zinvol.VerificatieEr bestaat nauwelijks literatuur over zwerfstroomef-fecten in beton. De enige bron met harde data betreft[5]. In deze experimenten werd een gelijkstroom ge-stuurd tussen twee in mortel of beton ingestorte wa-peningsstaven en werd de benodigde spanninggemeten. Zo werd ??n staaf anodisch belast en deandere kathodisch. Gevarieerd werden de stroom-dichtheid en het chloridegehalte in het beton. Decement 2004 88010 | Concentratieprofiel vanCa2+, Na+en OH-na tienjaar belasting met0,8 mA/m2en een vasteCa(OH)2-concentratievan 40 mol/m311 | Uitvergroting van deanodische kant vanfiguur 109 |Berekende maximaleanodische en kathodi-sche potentiaalverschui-ving door KB-interferen-tie voor W10 en Z158 |Berekende maximaleanodische en kathodi-sche stroomdichtheiddoor KB-interferentievoor W10 en Z151,0E-041,0E-031,0E-021,0E-011,0E+001,0E+011,0E+021,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01 1,0E+02kathodisch - W10anodisch - W10kathodisch - Z15anodisch - Z15-60-40-200204060801001201,0E-03 1,0E-02 1,0E-01 1,0E+00 1,0E+01maximalepotentiaalverschuiving(mV)kathodisch - W10anodisch - W10kathodisch - Z15anodisch - Z15KB stroomdichtheid (mA/m )2maximaleinterferentiestroomdichtheid(mA/m)KB stroomdichtheid (mA/m )22151050-5-10-150 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,90,8-5-10-15500,82 0,84 0,86 0,88 0,9 0,92 0,94 0,96 0,98afstand in mverschilmetbeginconcentratie(mol/m)3kathodischibeton inanodischibeton uitibeton inanodischafstand in mverschilmetbeginconcentratie(mol/m)3OHCaNaOHCaNaO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidstroomdichtheden waren zeer hoog, tussen 1 en 10A/m2. Chloridegehalten varieerden tussen 0 en 0,8%op cementmassa (ingemengd). Na een bepaalde tijdnam de benodigde spanning duidelijk af doordat hetstaal overging van een passieve naar een actieve (cor-roderende) toestand. De wapening in een construc-tie die interferentie ondervindt wordt op de eneplaats binnen de wapeningskorf anodisch belast, enop de andere plaats kathodisch. De experimentenzijn daarom representatief voor anodische en ka-thodische gebieden op wapening die interferentiedoor zwerfstroom ondervindt. Overigens bleek detijd tot corrosie v??l korter te worden bij licht ver-hoogde chloridegehalten (ook al bij 0,4% chloride).In dit onderzoek werden verschillende relatiestussen de corrosie-initiatietijd tien de anodischestroomdichtheid iagetoetst aan de proefresultaten.De beste toets leverde een omgekeerd kwadratischverband op, hier verder de empirische relatiegenoemd [6, 7]:14400ti= -----------------------(h) (6)ia2Met het numerieke model werden berekeningen uit-gevoerd met verschillende hoeveelheden vastCa(OH)2, tussen 40 en 40 000 mol/m3. Deze beideuitersten zijn onrealistisch; in werkelijkheid hangtde concentratie van het bindmiddel af en zijnwaarden tussen de 1000 en 4000 mol/m3realistisch.Uit vergelijking met het experimentele model bleekdat de resultaten met 40 000 mol/m3het meest over-eenkomen met het experimentele model. Figuur 12vat de resultaten samen van de tijd tot initiatie alsfunctie van de anodische stroomdichtheid, met deCa(OH)2-concentratie als parameter. Kwalitatiefgeven beide relaties een 1/ia2-verband tussen tijd totinitiatie en stroomdichtheid, en zijn ze dus consis-tent. Echter, de tijden berekend met de numeriekerelatie en 4000 mol/m3Ca(OH)2zijn veel korter danmet de empirische relatie. Ondanks het grote ver-schil is het op grond van praktijkervaring moeilijk tebeoordelen of de empirische of de numerieke relatiedichter bij de realiteit ligt. Hier moet nog ontwikke-lingswerk worden verricht. In het kader van dit on-derzoek werd de numerieke relatie met4000 mol/m3Ca(OH)2gebruikt, wat een conservatieve tijd tot cor-rosie-initiatiegeeftinvergelijkingmetdeempirischerelatie.L e v e n s d u u r v o o r s p e l l i n gMet de empirische relatie en het numerieke ionen-transportmodel werd voor de berekende anodischestroomdichtheid de tijd tot corrosie-initiatie bere-kend voor de damwandplanken in de overkluizingbij W10 en de grondkerende wand bij Z15 (tabel 3).De tijd tot corrosie-initiatie voor de voorgespannendamwanden door interferentie van de huidige KB-stroom is voor beide modellen zeer hoog. Gecon-cludeerd kan worden dat de levensduur niet wordtbepaald door zwerfstroomeffecten.De KB-stroomdichtheid op de gasleiding is echtergeen constante en kan in de toekomst toenemen,bijvoorbeeld doordat de coating op de stalen buisminder effectief wordt. Daarom is de minimaal be-nodigde (constant veronderstelde) KB-stroom-dichtheid bepaald voor een tijd tot corrosie-initiatie(levensduur) van 100 jaar, met zowel de empirischeals de numerieke relatie. Uit tabel 4 blijkt datvolgens het numeriek model KB-stroomdichthedenvan 25 tot 55 mA/m2(per eenheid van totaal gas-leidingoppervlak) nodig zijn om binnen de ge-wenste levensduur corrosie-initiatie te krijgen.Door de KB-experts van de Gasunie worden KB-stroomdichtheden van 10 mA/m2over een langereperiode als zeer onwaarschijnlijk gezien. Het em-pirische model levert nog veel hogere benodigdestroomdichtheden.C o n c l u s i e sOp grond van het beschreven onderzoek is het effectvan KB-stroom in de bodem op de duurzaamheidvan betonnen damwanden bij twee grondkerendecement 2004 8 8112 | Tijd tot corrosie-initia-tie als functie van deanodische stroomdicht-heid voor de empiri-sche en de numeriekerelatieTabel 3 | Berekende tijd tot initiatie timet de empirische relatie enhet numerieke model met 4000 mol/m3Ca(OH)2voor deoverkluizing bij W10 en de grondkerende wand bij Z15 bijde (maximaal) gemeten interferentiestroomdichtheidmaximale iatiempirisch tinumeriek(A/m2) (jaar) (jaar)Z15 < 2 10-5> 5 109> 5 106W10 < 2 10-5> 5 109> 5 106Tabel 4 | KB-stroomdichtheden nodig om binnen 100 jaar corrosiete initi?ren berekend met de empirische en numeriekerelatiesKB-stroomdichtheid KB-stroomdichtheid- empirisch - - numeriek -(mA/m2) (mA/m2)Z15 2100 55W10 1000 251.E+001.E+021.E+041.E+061.E+081.E+101.E+121.E+140,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5anodische stroomdichtheid (mA/m )emperisch modelnumeriekmodelCCa(OH)240000400040040levensduur(jaar)2O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidconstructies beschouwd. Bij de heersende KB-stromen bedroeg de meest conservatieve schattingvan de tijd tot corrosie-initiatie door zwerfstroomef-fecten 8 ? 105jaar. Daarnaast werd de minimaal be-nodigde (dus maximaal toelaatbare) KB-stroom be-rekend die nodig is om corrosie-initiatie binnen 100jaar te laten plaatshebben. Hier gaf de meest con-servatieve benadering een KB-stroom van minimaal25mA/m2aan.Ditiseenzeerhogestroomdichtheid,zeker in vergelijking met de huidige waarden vanmaximaal 0,180 mA/m2. Ook als in de toekomst deKB-stroombehoefte van de gasleidingen toeneemt,zullenstroomdichthedenvandezegroottenietnodigzijn. De afrondende conclusie is dat de levensduurvan (voorgespannen) betonnen damwanden op debeschouwde locaties (overkluizing, grondkerendewand) niet wordt bedreigd door de KB-stromen in debodem.Evaluatie ontwerpadviezenMet de in het onderzoek opgedane kennis kunnende op voorhand gegeven ontwerpadviezen wordenge?valueerd. Het toepassen van een cement met eenextra hoog hoogovenslakgehalte is niet noodzakelijkomdat de te verwachten interferentie door de lageKB-stroomdichtheid gering is. Er hoeven geen res-tricties op de toegepaste (mechanische) spanning inhet voorspanstaal opgelegd te worden. Op grond vande geringe interferentie is waterstofverbrossing zeeronwaarschijnlijk. De kunststof afwerking van dekoppen van de voorspandraden aan de voet van dedamwandplanken die niet door beton beschermdworden, is vanuit het gezichtspunt van interferentieniet noodzakelijk.Algemene adviezenAanbevolen wordt in de gebruiksfase geen scheur-vorming in het beton toe te laten. Scheurvormingleidttoteeninhomogenestroomverdeling,waardoorbij scheuren hogere stroomdichtheden door hetstaal/betongrensvlaklopendaninditonderzoekaan-gehouden.In het algemeen wordt de mate van interferentie nietnoemenswaardig verminderd door het toepassenvan hoogovencement (met een hogere elektrischeweerstand). Wel geeft hoogovencement een betereweerstand tegen chloride-indringing. Volgens de ex-perimentele resultaten is de tijd tot corrosie-initiatiedoor zwerfstroom omgekeerd evenredig met het ch-loridegehalte. Daarom is het bij zwerfstroombelas-ting van ondergrondse constructies in bodem metchloride aan te bevelen hoogovencement te gebrui-ken. Bovendien is dan een nadere duurzaamheid-analyse aan te bevelen.Aanbevolen verder onderzoekAanbevolen wordt de numerieke modellen voorcorrosie-initiatie verder te ontwikkelen: het correctmodelleren van tijdstippen na het opraken van depH-buffer aan de wapening, alsook een experi-mentele verificatie van de voorspelde pH-profielenen/of grootte van de Ca(OH)2-vrije zone. Ook eenmeer rigoureuze verificatie van het numerieke in-terferentiemodel is belangrijk om tot betrouwbarevoorspellingen te komen. Verder is de invloed vanscheurvorming belangrijk, omdat deze tot een con-centratie van stroom op het staal, en dus lokaal toteen aanzienlijke hogere stroomdichtheid, kanleiden (`hot spots'). Dit effect is in het onderhavigewerk niet meegenomen, maar kan met verdere ont-cement 2004 882Vanuit een bron (hier het KB-systeem van de gaslei-ding) loopt een gelijkstroom door de bodem. Waar destroom de betonconstructie ingaat, treedt kathodischebe?nvloeding op, vooral van de wapening. Een geringemate daarvan is gunstig, feitelijk kathodische bescher-ming. Sterke kathodische interferentie geeft vorming vanwaterstofatomen en kans op waterstofverbrossing enbrosse breuk. Betonstaal is hiervoor niet gevoelig; voor-spanstaal onder hoge trekspanning wel. Waar de stroomhet staal en het beton verlaat, treedt anodische be?nvloe-ding op. Anodische be?nvloeding leidt tot verzuring vanhet beton en initiatie van corrosie van het staal en ver-volgens versneld oplossen van het staal. Een en ander iskwalitatief ge?llustreerd in figuur A. Bij de beschouwdedamwanden kan de gehele damwand stroom opvangen(kathodisch), maar zal de stroom vrij geconcentreerdworden afgestaan (anodisch) door de nabijheid van degasleiding (fig. B).A | Processen bij zwerfstroombe?n-vloeding van een betonconstructiein bodem waarin een gelijkstroomloopt; de pijlen geven de deelstro-men weerB | Ontvangen en afstaan van KB-stroom in de bodem door een dam-wand bij een gasleiding+ _kathodisch1/2 O2+ H2O + 2 e 2 OH-2 H2O + 2 e H2 + 2 OH-anodisch2 OH- 1/2 O2+ H2O + 2 eFe Fe2+ + 2 ebronconstructiebescherming,waterstofvormingverzuring,corrosieanodebed gasleidingwapeningZ w e r f s t r o o m i n b o d e m d o o r K B v a n e e n g a s l e i d i n g+ -m.v.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidwikkeling van de ontwikkelde modellen wel wordengekwantificeerd. L i t e r a t u u r1. Bosschaart, J.W., Kuit, J., Suijs, P.W.A.J.M.,Overkluizingen met Spanwanden,bij de Betu-weroute. Cement 2004, nr. 8.2. Peelen, W.H.A., Polder, R.B., Literature Surveyof stray current induced corrosion of concretereinforcement. TNO Bouw rapport 2000-BT-MK-R0307/02, 2000.3. NEN-EN 12696:2000, Cathodic protection ofsteel in concrete.4. Bertolini, L., Elsener, B., Pedeferri, P., Polder,R.B., Corrosion of Steel in Concrete: Preven-tion, Diagnosis, Repair. Wiley-VCH VerlagGmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2004.5. Bertolini L., Pedeferri P., Influence of stray cur-rents on corrosion of steel in concrete. Euro-corr'01, Riva del Garda, Italy, 2001.6. Polder, R.B., Siemes, A.J.S., A DegradationModel for Stray Current Induced Corrosion inUnderground Reinforced Concrete Structures? DARTS, Durable and Reliable Tunnel Struc-tures. Document GRD1-25633/R0193, 2002.7. Polder, R.B., Peelen, W.H.A., A degradationmodel for stray current induced corrosion inunderground reinforced concrete structures.Eurocorr'03, Budapest, Hungary, 2003.scholz KLEURPIGMENTEN VOOR ELK PROJECTScholz Benelux BV, Radboudweg 3Postbus 126, NL 3910 AC RhenenTel.: 0317 - 61 70 44Fax: 0317 - 61 77 05E-mail: info@scholz-benelux.nlWebsite: www.scholz-benelux.nlPartner van Bayer