? ? onderzoek ? duurzaamheiding. w..A.Segers en drs.M.A.T.M.Broekmans, Nebest BV, Groot AmmersHet doel van inspectie en onderzoek - tot nu toe meestal gericht op de vaststelling vaneen schade-oorzaak en een reparatie-advies [1] - betreftsteeds vaker devaststellingvaneen algemene onderhoudsstatus en een indicatie van de (rest-)Ievensduur, kortom, deduurzaamheid. Hierdoor wordt een extra dimensie toegevoegd aan de karakterisatie'betonkwaliteit'.Van een technisch correct uitgevoerde betonconstructie wordt het bouwmateriaal - opmacroscopische schaal- als homogeen beschouwd. De zeerverscheiden aard van dege-bruikte bestanddelen zand, cement, toeslag, water, staal en eventueel nog vulstoffenalsmede de verschillende uitvoeringsomstandigheden en de mogelijke verschillen in ex-positie-omstandighedenbemoeilijken een allesomvattende meetmethodevanhet uitge-breide begrip 'betonkwaliteit'. Het doel van een uit te VOeren onderzoek verandert, endaarmee ook de methoden en de te gebruiken apparatuur.METENISWETENHOE GOED MOET GOED ZIJN OM GOED TE ZIJN?Op de vraag: 'Hoe goed is deze betoncon,structie?' zijn veel antwoorden mogelijk.Heel lang heeft men genoegen genomenmet de druksterkte van het beton als kwali-teitsaanduiding. Die eigenschap stelt deconstructeur in staat berekeningen uit tevoeren die aangeven of de consUuctiekanMeest gangbare vorm van sterkte'controle: bepaling van de kubusdruksterkte28worden geaccepteerd dan wel moet wordenverbeterd.In de ontwerpfase heeft hij de mogelijkhe,den de betonsamenstelling te wijzigen, eenander materiaal te kiezen of het ontwerpaan te passen. Men is dan ook al in eenvroeg stadium ge?nteresseerd in de sterktevan het beton en dus in manieren om die tebepalen, niet alleen als voorspelling voorafmaar ook als controle gedurende de techni-schelevensduur van de constructie.DuurzaamheidIn recente ontwikkelingen van het onder-houdsbewustzijn speelt het begrip 'duur-zaamheid' een steeds belangrijker rol. Menraakt daardoor ge?nteresseerd in m??r danalleen de st?rkte van beton. Hetbegrip dUUr-zaamheid wordt een eigenschap.Duurzaamheid is hetvermogen omgeduren-de een bepaalde tijd tevoldoen aan een pak-ket van eisen ten aanzien van kwaliteit enfunctionaliteit, niet alleen van de construc-tie in zijn geheel maarook van de samenstel-lende delen afzonderlijk. In sommige defini-ties wordt zelfs de omgeving van de con-structie erin betrokken.Als van een betonconstructie als geheel indeze definitie wordt aangenomen dat er vaneen natuurlijke degradatie sprake is, dientmen dit ook van het beton als bouwmate~riaal te accepteren. Het wordt dus steedsbelangrijker te weten hoe lang het beton alsbouwmateriaal zijn sterkte behoudt en wel-ke andere eigenschappen nog invloed heb-ben op de duurzaamheid.CEMENT1996j4Tabel 1Overzicht van de uit verschillende betononderzoeksmethoden te verkrijgen informatieBegrippen als schademechanismen en es-senti?le betoneigenschappen als permea-biliteit, porositeit, diffusieweerstand, homo-geniteit, elektrische weerstand etc. wordengeleidelijk aan erkend en zijn hard op wegeen andere dimensie aan 'betonkwaliteit' tegeven dan de Newtons per vierkante milli-meter. Dat de kwaliteit niet all??n door desterkte wordtbepaald, is reeds enigszins on-dervangen doorde milieu-omstandighedenvan de constructie te classificeren, zodatook de duurzaamheidsaspecten aandachtkrijgen.Het 'Merck toch hoe sterck' wordt steedsmeer 'Meten is Weten'. Probleem is nu al-leen: Hoe wordt de duurzaamheid van betongemeten?CEMENT1996/4ScalaDe sterkte blijft vastgesteld zoals ookal in deoudere voorschriften: door drukproeven. Desteeds grotere behoefte aan betrouwbaar-heid, nauwkeurigheid en snelheid hebbengeleid tot de ontwikkeling van alternatievemethoden - soms combinaties van verschil-lende methoden - waarvan de resultatenzeer bruikbaar zijn gebleken. Om overige ei-genschappen met betrekking tot de duur-zaamheid van beton vast te leggen bestaateen groot scala van meet- en inspectietech-nieken. Voor het overzicht zijn de typen on-derzoeken te onderscheiden in:? bepalingen van sterkte-eigenschappen;? metingen aan elektrochemische proces-sen (wapeningscorrosie);? onderzoek van chemische aspecten vanbeton en/of samenstellende bestandde-len;? onderzoek aan fysische aspecten van be-tontconstructies).De scheidslijn tussen wel- en niet-destruc-tief onderzoek is arbitrair. Aangenomenwordt dat onderzoek niet-destructief is alsde constructieve integriteit niet wordt aan"getast en herstel eenvoudig en zonder con-sequenties voor de duurzaamheid kan wor-den uitgevoerd. In de volgende opsommingwordt een overzicht gegeven van een aantal(min of meer) niet-destructieve onderzoek-en inspectietechnieken.Tabel 1 geeft alvast een overzicht.29? ? onderzoek ? duurzaamheidSterkte-eigenschappenDrukproevenOp monsters (kubus of cilinder) wordt eentoenemende drukkracht uitgeoefend tot hetproefstuk bezwijkt. De bezwijkbelastingwordt direct omgezet naar een classificatievan de sterkte van het beton. Om uniformevergelijkingen te kunnen maken is de metho-de volledig genormaliseerd.Als de correlatie tussen de oppervlakte-hardheid en de druksterkte bekend is, is eenaantal relatief eenvoudige methoden be-schikbaar om indicatief een betonkwaliteitvast te stellen, zoals:TerugslagwaardeDe terugslagwaarde (rebound) van een ge-standaardiseerde hamer wordt gemeten.De bekendste zijn de Schmidt-hamer (meteen veer) en de pendulum- of slingerhamer(foto 1) (gebruikt bij kwaliteitsmetingen aanmetsel- of voegenspecie).PenetratieDe indringdiepte van een in het betonopper-vlak geschoten spijkerbout wordt gemeten.De hardheid van het materiaal wordt daar-aan gerelateerd. Bekendste uitvoering is deWindsor-probe of -gun.UittrekweerstandOmgekeerd aan de penetratiemethodenkan ook een bout worden ingestort die laterwordt uitgetrokken. De uittrekkracht (pullout) wordt daarbij gemeten en gerelateerdaan de druksterkte. In de prefab industrie isvooral de Lok-test bekend.Break OffDoor in het oppervlak een buis in te stortenen na verharding te verwijderen ontstaateenbetoncilinder die aan de basis homogeenmet de constructie is verbonden. Evenals bijachteraf geboorde kernen wordt deze zij-waarts afgebroken. De relatie tussen dedaarvoor benodigde kracht en de druksterk-te is bekend.Resonantie-frequentieAfhankelijk van de samenstelling en hetsoort beton kan de dynamische elastici-teitsmodulus ook worden afgeleid uit metin-gen van de eigenfrequenties. Correlatiestussen dynamische en statische elastici-teitsmoduli en sterkte-eigenschappen vanbeton zijn onderzocht, maar dienen bij voor-keur per situatie steeds opnieuw te wordenbepaald.30CD Met een pendulum- of slingerhamerworden kwaliteitsmetingen verricht aan met-sel- of voegenspecieTer bepaling van de druksterkte wordt de'betontester' gebruikt in combinatie metbijvoorbeeld deSchmidt-hamer.Elektrochemische processenHalfcel-metingenWapeningscorrosie is een elektrochemischproces waarbij sprake is van verschillen tus-sen anode en kathode [2]. Aangezien demeeste betonschade te wijten is aan wape-ningscorrosie, bestaat er vanuit de betonin-spectie grote belangstelling voor meettech-nieken die de aanwezigheid van het corro-sieproces op zichzelf of specifieke parame-ters ervan vaststellen. De meest bekende isde halfcel-meting [3]. De spanning tussenhet wapeningsstaal en een zogenoemdehalfcel-elektrode wordt gemeten. De elek-trode wordt op het betonoppervlak gehou-den en elektrisch contactwordt gemaaktviaeen vochtige spons. De relatie tussen de ge-meten potentiaal en de corrosiewaarschijn-lijkheid wordt ontleend aan de Amerikaansenormen. Bij de analyse van de resultatendient echter de nodige voorzichtigheid teworden betracht.PolarisatiemetingenGebaseerd op de halfcel-metingen is eenmethode ontwikkeld om ook de corrosie-snelheid of corrosie-intensiteit te kunnenbepalen. Hiervoor wordt, na een bepaaldeaanpassingstijd, het effect van een aan dewapening opgelegde spanning op de corro-siepotentiaal gemeten. Feitelijk wordt be-paald hoeveel 'vermogen' de corrosiecelheeft, door deze uit zijn evenwicht te bren-gen en vervolgens te meten hoe snel de cor-rosiecel zich weer herstelt.WeerstandsmetingenWeerstandsmetingen nemen een afzonder-lijke plaats in, omdat de weerstand van be~ton, naast informatie over de activiteit tus-sen anode en kathode, ook een indicatiegeeft van de permeabiliteit en het vochtge-halte. Deze parameters hebben direct in-vloed op de duurzaamheid van beton, zodatspeciaal voor weerstandsmetingen aan be-tonconstructies extra belangstelling be-staat.Chemische aspecten van beton en/of sa?menstellende bestanddelenChemische analyseMeer en meer wordt het chemisch karaktervan een aantal schademechanismen onder-kend. Daarmee, ?n doordetoenemende mi-lieu-eisen, komen steeds meer de chemi-sche onderzoekstechnieken in de belang-stelling. De wijze van bemonsteren bepaaltof een methode wel of niet destructiefis. Dechemische samenstelling van het beton alsgeheel en/of haar samenstellende be-standdelen (grondstoffen) kunnen op ver-schillende manieren worden bepaald:? XRF: X-ray (r?ntgen) fluorescentie? ICP-AES of -MS: inductively coupled plas-ma atomie emmission spectrometry ofmass spectrometry? INAA: induced neutron activation analysis? GF-AAS: graphite furnace atomic absorp-tion spectrometry? EPMA: electron probe micro-analysisElk van de genoemde technieken heeft zijneigen toepassingsgebied in de analyse [4]van hoofd- en/of sporenelementen. Een enander wordt bepaald door de relevantievansoort, aantal en concentratie van elemen-ten alsmede door de gewenste nauwkeurig"heid en soort en aantal monsters. Bepalin-gen van gehalten aan zwavel, koolstof, chlo-ride, fluoride enz. heeft veelal plaats meteen ion-selectieve elektrode volgens de Le-co-methode. Ook wordt gebruik gemaaktvan specifieke nat-chemische methoden.Bepaling van de carbonatatiediepteEen kleurindicatorwordt doorgaans gebruiktom de diepte te bepalen waarop de oor-spronkelijke hoge pH van beton benedeneen voor wapeningscorrosie kritische waar-de komt. De pH-verlaging is een gevolg vaneen chemische reactie met CO2 uit de lucht,waardoor de passiveringslaag op beton-staal instabiel wordt en ontwikkelingvan cor-rosie mogelijk wordt.CEMENT1996/4? Petrografie met een stereomicroscoopverschaft onder meer informatie over hettoeslagmateriaalBepaling van chloridegehalteEen andere initiator van wapeningscorrosieis chloride dat bijgemengd of ingedrongenkan zijn. De hoeveelheid chloride kan op ver-schillende manieren worden bepaald (5].Voor gebruik in hetveld bestaan er indicatie-ve tests; kwantitatieve bepalingen worden inhet laboratorium verricht. Met een titratie-methode kan het chloridegehalte in oplos-sing direct bepaald worden, met de RCT (ra-pid chloride test met een ion-selectieveelectrode) methode door vergelijking meteen ijkreeks.Gewogen r?pheidVan de betonsamenstelling volgens receptwordt een hydratatiewarmte-curve bepaald.Door het temperatuurverloop in de tijd daar-in te plotten kan worden afgeschat in welkefase van verharding (sterkte-ontwikkeling)het beton verkeert en wanneer kan wordenontkist. Deze methode is dus een soort in-termediair: door het meten van fysische pa-rameters wordt een chemische hoedanig-heid (mate van hydratatie) bepaald.Fysische aspecten van (constructies van)betonPetrografiePetrografie [6] ('beschrijvingen van desteen') wordt op verschillende grootte-scha-len uitgevoerd. Macroscopisch onderzoek,met loep of stereomicroscoop aan hand-stukken, verschaft informatie over soort enhoeveelheid alsmede de verdeling van toe-slagmateriaal. Ook de gevolgen van onvolko-menheden in de uitvoering zijn op deze wijzegoed aan te tonen.Cementsoort en -gehalte, ASR, ettringiet,CEMENT1996j4verdichtingsgraad, porositeitsverschillen,effectieve w.cAactor, carbonatatiediepteenz. kunnen worden aangetoond door mi-croscopisch onderzoek met gepolariseerdlicht of met UV-fluorescentie in slijpplaatjes[7]. Uit een betonmonster wordt daartoeeen plaatje gefabriceerd van circa 20.um dikdat eventueel met UV-fluorescerende harsis ge?mpregneerd [8] (foto 2).RadiografieGamma ( -ray) of r?ntgen (X-ray) doorstra-ling zijn technieken die het meest bekendzijn uit de medische wereld. In feite wordteen r?ntgen-opname [9] gemaakt door hetbeton heen. De bruikbare informatie betreftalle heterogeniteiten die het eerst worden'doorstraald'. De methode heeft zich vooralbewezen bij het lokaliseren van holle ruim-ten,grindnesten, objecten, (voorspan)wa-pening, scheuren en deformaties.Akoestisch onderzoekVanwege het gebruiksgemak en de gebrui-kersveiligheid hebben diverse vormen van(ultra-)akoestische onderzoeken opganggedaan als NDO-techniekvoor betoninspec-ties. Pulse-echo, impulse-respons en pulse-velocity-method zijn enkele voorbeelden. Erwordt gebruik gemaakt van verschillendesoorten golven: longitudinale en transversa"Ie golven die het materiaal ingaan en opper-vlaktegolven: Rayleigh- en Love golven.De snelheid van deze golven is afhankelijkvan de elastische eigenschappen van hetmateriaal [10]. Net als bij de resonantie-fre-quentie kan uit de voortplantingssnelhedenvan geluidsgolven of akoestische golveneen aantal sterkte-eigenschappen wordenafgeleid. Door ontwikkeling van nieuwe In-strumenten, koppeling aan meetcomputersen geavanceerde software om het meetsig-naal te bewerken is het mogelijk gewordenom niet alleen een druksterkte af te leiden,maar tevens onvolkomenheden als grind-nesten, stortnaden, bleedinglagen, holtenenz. precies te lokaliseren.Impact-echoDe bekende 'hamertje tik'-methode, oor-spronkelijk ontwikkeld voor onderzoek aanbetonnen heipalen, is gebaseerd ophet me-ten van de tijd die een drukgolf, veroorzaaktdoor een mechanische impact op het opper-vlak, nodig heeft om heen en terug te reizen.Als de homogeniteit van het medium wordtonderbroken door bijvoorbeeld een scheurof holle ruimte wordt de reistijd bernvloed enkan de afgelegde weg worden berekend. Deverdere ontwikkeling heeft geleid tot het'DOCtertest' apparaatdatstaat voor 'DefectOrientation Confirmation test'. Een compu-terprogramma bewerkt de gemeten reflec"ties en interpreteertdeze in termen van aarden grootte van de schade. In feite is het 'af-kloppen' van een betonoppervlak een vormvan impact-echo onderzoek.Pu/se-echoHet principi?le verschil met de impact-echois dat de momentane mechanische pulswordt vervangen door een ultrasone pulsemet enige tijdsduur. Voordeel hiervan is datdeze gericht kan worden gestuurd. Evenalseen inspectie met impact-echo kunnenscheuren, grindnesten, holle ruimten en de-laminaties worden gelokaliseerd. De meestgebruikte toepassing is echter het metenvan wand- of plaatdikten.Dynamic responseDoor versnellingsopnemers (transducers)op een aantal geselecteerde locaties teplaatsen worden versnellingen en verplaat-singen gemeten tengevolge van het normaledynamische gedrag van een constructie.Door grondige analyse van de geregis-treerde versnellingen is een algemene struc-turele integriteit van een constructie te be-palen. Deze 'handtekening' wordt met latereopnamen vergeleken, zodat eventuele ont-wikkelingen kunnen worden bestudeerd.RadarRAdiowave Detecting And Ranging is eenoorspronkelijk voor militaire toepassingenontwikkelde techniek, waarbij hoogfrequen-te elektromagnetische golven worden uitge"zonden en de reflecties daarvan geregis-treerd. Toegepast op bodems etc. wordt detechniekground penetrating radar(GPR) ge-noemd. Hiermee worden holle ruimten en af-wijkende objecten in de bodem gelokali-seerd. Een specifieke toepassing is het me-ten van asfalt-dikten vanuit een rijdende in-spectiewagen. Men maakt daarbij gebruikvan het vo?rdeel dat de antenne(s) waar-mee de energie wordt uitgezonden en gere-gistreerd geen directcontact hoeven te heb-ben met het te inspecteren object.Het gebruik van SPR (short pulse radar)techniek maakt het mogelijk ook betonin-specties onder het asfalt uitte voeren. Meergedetailleerde beelden (hogere resoluties)en steeds hogere frequenties (> 2,5 GHz)worden gebruikt om bij betoninspecties de~31.? ? onderzoek ? duurzaamheid? Een dekkingsmeter lokaliseert en meet de diepteligging van wapeningsstavenresultaten te verbeteren. Recente onder-zoeken richten zich vooral op de verbeteringvan de signaalverwerking en de interpretatieervan.MagnetismeOm de dekking op de wapening te metenwordt gebruik gemaakt van dekkingsmetersof wapeningsdetectors (foto 3). Het lokali-seren en meten van de diepteliggingvan wa"peningsstaven is als standaard meettech-niek geaccepteerd [11]. Het principe berustop het meten van wijzigingen in kunstmatigopgewekte magnetische velden. Het ont-staan van tegengestelde polen bij scheurenin een gemagnetiseerde staaf heeft geleidtot een specifieke methode om breuken invoorspanstaal op te sporen.Elektromagnetische reflectometrie (RIMT)Een hoogfrequente elektromagnetischepuls [12] wordt via een verbindingskabelaan het begin van een voorspansysteem in-gestuurd. Uit de vastgelegde reflecties daar-op is af te leiden ?f en w??r holle ruimten ofcorrosie op het voorspanelement aanwezigzijn. Naast het lokaliseren is ook het kwanti-ficeren van de eventuele schade mogelijk.Akoestische emissieScheurvorming en deformatie in beton ver-oorzaken geluid. Microfoons met een gevoe-ligheid die vele malen groter is dan die vanhet menselijk oor, registreren dit geluid enmaken het zichtbaar op een oscilloscoop.Verschillende fenomenen hebben elk hun ei-genkarakteristiektriHingspatroon. Deze zijnopgeslagen in een bibliotheek, waarmee hetmeetsignaal steeds wordt vergeleken.Infrarood thermografieDe mogelijkheid om bij infrarood licht een(oppervlakte)temperatuur grafisch vast teleggen is aanleiding geweest om hier veel-vuldig mee te experimenteren. Zo zijner po-gingen gedaan om actief temperatuur-schommelingen te cre?ren en de warm-testraling vast te leggen. Onregelmatighe-den in dethermische structuur zijn op die wij-ze te achterhalen. De meest voorkomendetoepassing is gebaseerd op passieve tem-peratuurmetingen aan gevels, waarbij lekka-ges in isolaties worden opgespoord.Optische fiberkabelVooral bij de specifieke problemen van scha-de aan voorspanningssystemen is ge?xperi-menteerd met ingestorte of meegetrokkenglasvezelkabels. In feite worden de verande"ringen in looptijden van lichtreflecties gere-gistreerd en vergeleken met de nul-metin-gen die zijn opgenomen na de installatie vaneen systeem [13]. Ook verschillen in licht-verliezenbij een wijziging in de geometrischevorm van de kabel geven een indicatie vanonvolkomenheden onderweg.Visuele inspectieHet gewicht van een visuele inspectie mag,mits met de nodige ervaring en kennis uitge-voerd en gerapporteerd, niet worden onder"schat. Eventueel met een endoscoop, waar-mee via een boorgat of andere kleine ope-ningtoegangwordtverkregen tot ruimten dienormaal niet toegankelijk zijn, kan een juistgeYnterpreteerde visuele waarneming zeerwaardevolle informatie opleveren.literatuur1. Diverse auteurs, Onderhoud en reparatievan betonconstructies (serie van twaalf arti-kelen). Cement 1987 en 1988.2. Leek, D.S., The passivity of steel in con-crete. Quarterly Joumal of EngineeringGeo/ogy, 1991 (nr. 24), blz. 55-66.3. Lobry de Bruin, C.A., en E.M.Theissing,Elektrochemische Untersuchungsmetho-den zur Frage der Betonstahlkorrosion durchChloride. Zement-Kalk-Gips, 1962 (nr. 2),blz. 71-77.4. Kristmann, M., Portland cement clinker:mineralogical and chemical investigations.Part 1: Microscopy, X-ray fluorescence andX-ray diffraction. Cement and ConcreteResearch, 1977 (nr. 7), blz. 649-658.5. Neville, A., Chloride attack of reinforcedconcrete: an overview. Materials andStructures, 1995 (nr. 28), blz. 63-70.6. French, WJ., Concrete petrography: a re-view. Quarterly Joumal of EngineeringGeology, 1991 (nr. 24), blz. 17-48.7. Macleod, G., A.J.Hall en A.E.Fallick, An ap~plied mineralogical investigation ofconcretedegradation in a major concrete road bridge.Mineralogical Magazine, 1990 (nr. 54), blz.637-644.8. Mather, K., Applications of light microsco-py in concrete research. American Societyfor Testing and Materiais, Special TechnicalPublication, 1953 (nr. 143): 51-70.9. Dufay, J.C., Une nouvelle possibilit? d'exa-men des ouvrages d'art: la radioscopie.Bulletin de Liaison des Laboratoires PhYSi-que et Chimique, 1978 (nr.98), blz. 85-94.10. Kadieek, V., J.Dohn?lek, Spectral analy-sis of ultrasonic signals in the testing ofcon-crete.ln: Maso, JC (editor): Proceedings ofthe first international RILEM congress, 1987(nr. 1), blz. 127-130.11. Deichsel, T., J.Krell (1989): Bestimmungder Betondeckung der Bewehrung am Bau-werk. In: Wischers, G. (Herausgeber): Beton-technische Berichte 1986-88. Far-schungsinstitut der Zementindustrie, D?s-seldorf, 1989, blz. 101-116.12. Segers, WA (1994): Reflectometrischeimpulsmeettechniek. Cement 1994 (nr. 1),blz. 27-29.13. Dill, M.J., I.L.Curtis, Monitoringofconcre-te structures using opticaI fibre sensors.Concrete, 1993 (nr. 27), blz. 31-35.?32 CEMENT1996/4