Levensduur beton2 2 01176 Levensduur beton Tegenwoordig kunnen betonconstructies in chloridehoudend milieu worden ontworpen op levensduur. De vereiste prestatie van het beton kan proefondervindelijk worden bepaald. Op basis van eerdere ervaringen is de methode DuraCrete zodanig aangepast dat een levensduur- ontwerp nu kan worden gemaakt op drie niveaus: met behulp van ontwerptabellen, semi-proba- bilistisch en (volledig) probabilistisch. Ook kwaliteitscontrole tijdens de productie is mogelijk. Dit artikel gaat in vogelvlucht in op de achtergronden van CUR Leidraad 1. Materiaalonderzoek in beweging (4) geleden is hiervoor een kwantitatieve methode ontwikkeld in het Europese onderzoeksproject DuraCrete [1]. In de eerste jaren daarna is de methode met succes toegepast op onder meer de hogesnelheidslijn. Het gebruik was echter dermate ingewikkeld dat er behoefte ontstond aan een vereenvoudigde methodiek. CUR voorschriftencommissie VC81 is in 2003 hieraan begonnen, wat in 2009 leidde tot publicatie van CUR Leidraad 1 [2]. Dit artikel gaat in vogelvlucht in op de achter- gronden en de verschillende varianten. Voor details wordt verwezen naar de volledige Leidraad. In dit artikel wordt een methode behandeld waarmee eisen kunnen worden gesteld aan materiaaleigenschappen met het oog op toepassing in constructies in agressief milieu. Daarmee gaat het dus niet om onderzoek naar specifieke (verbeterde) materiaaleigenschappen maar over de beoordelingssystematiek. Het belang van een betrouwbare lange levensduur van beton- constructies wordt al geruime tijd ingezien: onderhoud en reparaties moeten tot een minimum worden beperkt omdat zij (veel) geld kosten en het gebruik belemmeren. Ruim tien jaar 76_80 18_Levensduur.indd 76 14-03-2011 14:28:05 Levensduur beton 2 2 011 77 + ? Na + Cl ? Na + OH ? 1 Schematische opzet van de Rapid Chloride Migration (RCM) proef. In het gele gebied is chloride ingedrongen Achtergrond Al sinds het eerste Bouwbesluit kennen we het begrip prestatie. In het kader van levensduur gaat het om het beperken van de gevolgen van veroudering en aantasting op de lange termijn. Omdat het meest voorkomende aantastingsmechanisme bij betonconstructies wapeningscorrosie is, en voor civiele constructies vooral de door chloride-geïnitieerde vorm daarvan, ligt daarop de nadruk. De eenvoudigste 'levensduur- prestatie' is de afwezigheid van corrosie-initiatie. De kans op corrosie-initiatie wordt aanzienlijk als het chloridegehalte bij de wapening het kritisch chloridegehalte bereikt. Het tijdstip waarop dat gebeurt, is afhankelijk van belasting (milieu), mate- riaal (dichtheid voor chloride en oorspronkelijk gehalte) en dikte (betondekking), en daarom moet dat worden voorspeld met behulp van een rekenmodel. Modellen voor chloriden- transport bestaan al decennia; de meeste zijn gebaseerd op diffusie. Een praktisch bruikbaar model moet voldoen aan nogal wat eisen: de formule(s) moet(en) fysisch correct of ten minste empirisch onderbouwd zijn, de input moet duidelijk omschreven zijn, de belangrijkste invloedsfactoren (materiaal, milieu) moeten vertegenwoordigd zijn en de uitkomsten moeten gevalideerd zijn. Een dergelijk model is ontwikkeld in [1], onder meer gebaseerd op langeduur-expositieproeven. Belangrijke aspecten zijn een methode voor het meten van de weerstand tegen chloriden- transport van een bepaald beton en (waarden voor) coëfficiën- ten voor nabehandeling, cementsoort, milieu en oppervlakte- chloridegehalte. Een fundamenteel verschil met het verleden is dat daarnaast het betrouwbaarheidsdenken in het levensduurontwerp werd geïntroduceerd. In het constructief ontwerp kent men al veel langer het begrip betrouwbaarheid: men ontwerpt op een uiter- ste grenstoestand (bezwijken) met een faalkans van circa 0,01% (betrouwbaarheidsindex 3,6). In DuraCrete werd gesteld dat corrosie-initiatie qua ernst en gevolgen niet overeenkomt met bezwijken; het is een vorm van waarschuwen dat op enige termijn actie nodig is, enigszins vergelijkbaar met een bruik- baarheidsgrenstoestand. Daarom mag de faalkans groter zijn dan voor bezwijken, bijvoorbeeld 1 tot 10%. Dit maakt nodig dat de levensduur probabilistisch wordt berekend. Een 'gewone', dat wil zeggen deterministische, berekening leidt tot een kans van 50% op de gebeurtenis (hier corrosie-initiatie). Een kans van 50% op corrosie-initiatie zou ertoe leiden dat binnen de levensduur op grote schaal reparaties nodig zijn (en op enige schaal ook al ruim daarvoor); dat is niet acceptabel! Een proba- bilistische berekening neemt de onzekerheden (in materiaal, model, afmeting, belasting enz.) zo goed mogelijk mee. Deze benadering is een breuk met het verleden: sinds midden jaren 80 is duurzaamheid geregeld via een receptbenadering ('deem-to-satisfy' regels): een maximum water-cementfactor (wcf) en een minimum cementgehalte (plus een minimumdek- king), afhankelijk van de milieuklasse. De levensduur is hierbij niet gekwantificeerd en alternatieven (nieuwe materialen) kunnen niet goed worden vergeleken. Belangrijk is ook dat geen onderscheid wordt gemaakt tussen cementsoorten en dat economische optimalisatie niet mogelijk is. In een tijd dat de opdrachtgever ontwerp en materialen bepaalde, voldeed dit. Met het terugtreden van de overheid en het stellen van presta- tie-eisen ontstaat vrijheid voor de markt op economisch opti- prof.dr. Rob Polder TNO / TUDelft, fac. CiTG dr.ir. Gert van der Wegen SGS INTRON B.V prof.dr.ir. Klaas van Breugel TUDelft, fac. CiTG 1 Serie Materiaalonderzoek in beweging Dit is het vierde deel van een serie over materiaal- ontwikkelingen vanuit de sectie Materialen en Milieu bij de TU Delft, faculteit CiTG. In de serie komen de volgende thema's aan bod: ? Simulaties van virtuele microstructuur (Cement 2010/2) ? Simulatie van scheurvorming (Cement 2010/3) ? Ontwerpen op levensduur (Cement 2011/2) ? Vorst-dooischade ? Kathodische bescherming ? Zelfherstellend beton ? Ecologische footprint ? Multiscale modellen ? Nanotechnologie 76_80 18_Levensduur.indd 7714-03-2011 14:28:06 Levensduur beton2 2 01178 0 10 20 30 40 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 CEM ICEM III/A&B slak > 45%CEM I 52.5 R + 21-30% vliegas vliegas extrapolatie D(RCM) x 10¹² m²/s wbf 2 RCM-coëfficiënt op 28 dagen als functie van wbf voor ver- schillende cementsoorten 3 Relatie tussen de inverse weer- stand 1000/TEM (in 1000/?m) en de RCM-waarde (in 10 -12 m 2 /s) voor dertien betonmeng- sels op ouderdommen tussen 28 en 1090 dagen plus zes mengsels onderzocht bij ibac 4 Opzet van de twee-elektroden- methode (TEM) voor het bepa- len van de elektrische weer- stand van beton; weerstand is spanning/stroom een normale diffusietest en de spreiding zijn goed [4, 5]. Het onderzoek hield in dat een groot aantal door commissiele- den en hun achterban ingebrachte proefresultaten is geanaly- seerd. Hierbij bleek dat er duidelijke verschillen optraden als functie van cementsoort en water-cementfactor, zoals weerge- geven voor een ouderdom van 28 dagen in figuur 2, en als functie van de ouderdom. Interessant is dat met hoogovence- ment (met ten minste 50% slak) lage waarden worden bereikt, die bovendien niet sterk afhangen van de wcf. Met portlandce- ment is de waarde veel sterker afhankelijk van de wcf. Dit komt goed overeen met gepubliceerde verbanden [6]. Ook de tijdafhankelijkheid vertoonde de verwachte verbanden (sterkere afname van de chloridediffusiecoëfficiënt voor hoog- oven- en vliegascement dan voor portlandcement). De conclu- sie was dat deze proef geschikt is voor het beoogde doel, name- lijk als toetsingsmethode voor de prestatie van betonmengsels. Tegelijk betekent dit dat verschillende grenswaarden moeten worden gesteld voor verschillende cementsoorten. In aanvulling hierop is gekeken naar de elektrische weerstand van beton. Deze bleek goed te correleren met de diffusiecoëf- ficiënt, zeker binnen mengsels met hetzelfde cement. Figuur 3 illustreert het verband tussen de inverse weerstand en de RCM- waarde voor een uiteenlopende reeks betonmengsels op ouder- dommen tussen 28 en 1090 dagen. Bij de bouw van de Groene Harttunnel is hiermee ervaring opgedaan [7]. Naar verwach- ting kunnen kleine verschillen in wcf met deze methode goed worden gedetecteerd. Daarom lijkt dit een goede proef voor kwaliteitscontrole. Zij wordt uitgevoerd op kubussen, vooraf aan de bepaling voor druksterkte, met de twee-elektrodenme- thode (TEM), weergegeven in figuur 4. Ten slotte is het model gevalideerd aan metingen aan construc- ties aan zee [8] en aan gegevens van bruggen en viaducten [9]. Gemaakte keuzen CUR-commissie VC81 heeft gekozen voor een voorzichtige benadering: een nieuw principe, met behoud van de 'oude' grenzen als plafond. Concreet: de eisen uit NEN-EN 206-1 en male wijze aan de prestatie-eisen te voldoen; daarvoor moet dan ook een geschikte grondslag aanwezig zijn ('aantonen'). CUR Leidraad 1 wil hieraan tegemoetkomen. Onderzoek Naast literatuuronderzoek is op beperkte schaal eigen onder- zoek gedaan, geconcentreerd op de bepaling van de chloride- diffusiecoëfficiënt. Een bepalingsmethode voor zo'n belangrijke eigenschap moet natuurlijk proeftechnisch betrouwbaar en tegelijk eenvoudig uitvoerbaar zijn, maar vooral zinvolle resul- taten opleveren. Een proef die aan die eisen leek te voldoen was de Rapid Chloride Migration test (RCM). Deze methode is in de jaren 90 in Scandinavië ontwikkeld en genormeerd als NTBuild 492 [3]. In [1] werd deze proef aangewezen als stan- daard 'compliance test'. Het chloridentransport in een proefstuk wordt versneld door een elektrisch potentiaalverschil aan te leggen, schematisch weergegeven in figuur 1. De uitvoering duurt daardoor één tot enkele etmalen en de verwerking is relatief simpel (voorverza- digen onder vacuüm, na afloop splijten en besproeien met zilvernitraat waardoor het chloridenindringfront zichtbaar wordt; dit wordt opgemeten en omgerekend). De correlatie met Tabel 1 Maximale waarde DRCM op 28 dagen voor een ontwerplevensduur van 100 jaar gemiddelde betondekking (mm) maximale waarde van D RCM (10 -12 m 2 /s) op 28 dagen ouderdom betonstaal voorspanstaal CEM l CEM l + lll 25-50% slak CEM lll 50-80% slak CEM ll/B-V CEM l + 20-30% vliegas XD1, XD2, XD3, XS1 XS2, XS3 XD1, XD2, XD3, XS1 XS2, XS3 XD1, XD2, XD3, XS1 XS2, XS3 XD1, XD2, XD3, XS1 XS2, XS3 35 45 3,0 1,5 2,0 1,0 2,0 1,0 6,5 5,5 40 50 5,5 2,0 4,0 1,5 4,0 1,5 12 10 45 55 8,5 3,5 6,0 2,5 6,0 2,5 18 15 50 60 12 5,0 9,0 3,5 8,5 3,5 26 22 55 65 17 7,0 12 5,0 12 5,0 36 30 60 70 22 9,0 16 6,5 15 6,5 47 392 76_80 18_Levensduur.indd 78 14-03-2011 14:28:06 Levensduur beton 2 2 011 79 y = 1,25x R² = 0,86 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 28 90 3651090 prin ibac 28linear (prin) 1000/TEM RCM A V len gelden voor 80 en 200 jaar. De DRCM-waarden gelden voor nat nabehandelde proefstukken bepaald op 28 dagen ouder- dom met de RCM-methode. De vetgedrukte getallen zijn waarden die met de huidige betontechnologie (samenstellingen volgens de NEN-EN 206-1 en NEN 8005) kunnen worden gerealiseerd; lagere waarden zijn alleen met bijzondere samen- stellingen realiseerbaar; hogere waarden worden afgeraden, omdat zij typisch zijn voor betonmengsels die niet voldoen aan de plafonds van NEN-EN 206-1 en NEN 8005. De aangegeven dekking geldt voor betonstaal en voorgerekt voorspanstaal of omhullingsbuis (nagerekt). De milieuklassen zijn ingedeeld naar hoogte van de zoutbelasting. Als voorbeeld van het gebruik van de tabel: een gewapend- betonconstructie in dooizoutmilieu (XD3) wordt gebouwd voor 100 jaar. De aannemer kiest voor hoogovencement CEM III/B (met 75% slak), een dekking van 45 mm en een wcf van 0,45. Bij 45 mm dekking hoort een maximum DRCM van 6,0 .10 -12 m 2 /s. Met de gekozen wcf van 0,45 kan echter vrij gemakkelijk 4,0 . 10 -12 m 2 /s worden gehaald. Daarmee kan men een regel omhoog gaan in de tabel en kan de dekking worden verlaagd tot 40 mm. Niveau 2 In de aanpak van niveau 2 wordt de indringing van chloride berekend met de formule: C(x,t) = C s ? ( C s ? C i ) erf [ x ________ ?? ________ 4 k D(t) t ] (1) waarin: C(x,t) is het chloridegehalte op diepte x en tijdstip t; C s is het chloridenoppervlaktegehalte; C i is het initiële chloridegehalte; k is een constante; D(t) is de tijdafhankelijke diffusiecoëfficiënt. De constante k is het product van een milieu- en materiaalfactor en een nabehandelingsfactor. NEN 8005 (samenstelling) en NEN 6722 (nabehandeling) zijn geldig als randvoorwaarden. Deze sluiten ook een gebrek aan duurzaamheid uit als gevolg van andere mechanismen (carbo- natatie, vorst). Andere keuzen zijn geweest: ? het DuraCrete-model met aanpassingen, onder meer naar aanleiding van eerder onderzoek aan constructies aan zee [8] en op het land [9]; ? een semi-probabilistische vereenvoudiging op basis van een veiligheidsmarge op de betondekking; ? een faalkans aan het einde van de levensduur van circa 10%; ? invullen van een aantal ontbrekende coëfficiënten; ? NTBuild 492 als standaardproefmethode met een referentie- methode [3], en ? een methode voor productiecontrole op basis van elektrische weerstand. Methodiek Leidraad 1 geeft drie manieren ('niveaus') aan om prestatie- eisen voor de levensduur van constructief beton te formuleren tussen partijen: 1 aan de hand van tabellen waarmee eisen worden gesteld aan de chloridediffusiecoëfficiënt van een betonmengsel als functie van de betondekking, het bindmiddel en het milieu; deze tabellen zijn gebaseerd op niveau 2; 2 aan de hand van de chloridediffusiecoëfficiënt van een betonmengsel, een rekenformule en gemiddelde waarden voor de invoer plus een veiligheidsmarge op de betondek- king; dit is een semi-probabilistische vereenvoudiging van niveau 3; 3 aan de hand van de chloridediffusiecoëfficiënt van een betonmengsel, een rekenformule en statistische informatie over de invoerwaarden (gemiddelde, standaardafwijking, type verdeling) met behulp van een probabilistische bereke- ning. Niveau 1 De tabellen staan centraal bij niveau 1; een voorbeeld voor 100 jaar ontwerplevensduur wordt gegeven in tabel 1; andere tabel- 43 76_80 18_Levensduur.indd 79 14-03-2011 14:28:06 Levensduur beton2 2 01180 Besluit Met de nieuwe Leidraad is het mogelijk de ontwerplevensduur van betonconstructies te toetsen. Een betrouwbare lange levensduur en economische optimalisatie worden hierdoor bevorderd. Op dit moment inventariseert CUR-commissie C177 ervaringen teneinde een volgende, verbeterde versie mogelijk te maken: uw opmerkingen zijn welkom! ? D(t) wordt gegeven door D(t) = D 0 ( t 0 __ t ) n (2) waarin: D 0 is de RCM-waarde bepaald op het referentietijdstip t 0 (meestal 28 dagen); t is de tijd en n is de verouderingscoëfficiënt, een functie van materiaal (cementsoort) en milieu (nat of droog). In de formules worden de gemeten D 0 en de andere coëfficiën- ten uit de tabellen (zie [2]) ingevoerd; verder de ontwerple- vensduur. Om de benodigde dekking te berekenen wordt eerst de diepte berekend waarop het kritisch chloridegehalte van 0,60% chloride op cementmassa wordt bereikt aan het einde van de gewenste levensduur. Deze diepte wordt dan verhoogd met een veiligheidsmarge. Uit probabilistische berekeningen van diverse gevallen is afgeleid dat een veiligheidsmarge van 20 mm leidt tot circa 10% faalkans; en een marge van 30 mm tot ongeveer 5% faalkans. Daarom is gekozen voor een veiligheids- marge van 20 mm voor betonstaal en van 30 mm voor voor- spanstaal. Niveaus 1 en 2 hebben beperkingen; bijvoorbeeld een aangeno- men initieel chloridegehalte van 0,10% (met 0,025% standaard- afwijking) en een standaardafwijking van de dekking van 5 mm voor prefab en 10 mm voor ter plaatse gestorte constructies. Indien hier wezenlijk van wordt afgeweken, is een berekening op niveau 3 nodig of zinvol. Niveau 3 Niveau 3 betekent een volledig probabilistische berekening. Hiermee kan het effect van bijvoorbeeld een verhoogd initieel chloridegehalte worden berekend (minder gunstig) of van een kleinere spreiding in de dekking door nauwkeuriger uitvoering (gunstiger). Dergelijke berekeningen zijn specialistenwerk, waarbij probabilistische software nodig is. In dit kader gaan we daar niet verder op in. Met deze optie kunnen (gevalideerde) betere modellen of verbeterde invoerparameters direct worden toegepast. CUR Leidraad 1 CUR Leidraad 1 is bij het artikel te downloaden op www.cement online.nl. Betoniek 14/26 Betoniek 14/26 ? Spelregels voor 100 jaar gaat geheel over CUR Leidraad 1. De uitgebreide versie van deze uitgave is te downloaden op www.betoniek.nl. Artikelen online De eerder verschenen artikelen in deze serie zijn te raadplegen op www.cementonline.nl. ? LiteRatuuR 1 DuraCrete Final Technical Report R17, Docu- ment BE95-1347/R17, The European Union ? Brite EuRam III, DuraCrete ? Probabilistic Performance based Durability Design of Concrete Structures. CUR, Gouda, 2000. 2 CUR Leidraad 1, Duurzaamheid van constructief beton met betrekking tot chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie, Leidraad voor het formule- ren van prestatie-eisen. CUR, Gouda, 2009, te downloaden op www.curbouweninfra.nl. 3 NT Build 492 Concrete, mortar and cement- based repair materials: chloride migration coefficient from non-steady-state migration experiments (approved 1999-11). 4 Tang, L., Sørensen, H.E., Precision of the Nordic test methods for measuring the chloride diffu- sion/migration coefficients of concrete. Mate- rials and Structures, Vol. 34, October 2001. 5 CHLORTEST/Tang Luping, Guideline for Practi- cal Use of Methods for Testing the Resistance of Concrete to Chloride Ingress. CHLORTEST Deliverable D23, EU project GRD1-2002-71808, SP, Boras, Sweden, 2005. 6 Gehlen, C., Probabilistische Lebensdauerbe- messung von Stahlbetonbauwerken, Deut- scher Ausschuss für Stahlbeton 510. Berlin, 2000. 7 Rooij, M.R. de, Polder, R.B. & Oosten, H. van, Validation of durability of cast in situ concrete of the Groene Hart railway tunnel, HERON Vol. 52 (4), 2007. 8 Rooij, M.R. de & Polder, R.B., Toestand van betonconstructies aan zee. Cement 2005/8. 9 Gaal, G.C.M., Prediction of Deterioration of concrete bridges. Ph.D. thesis, Delft University Press, Delft, 2004. 76_80 18_Levensduur.indd 8014-03-2011 14:28:07