O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2007 5 730501001502002503003500,2 0,40,3 0,6 0,7 0,8kritisch chloridegehalte, Ccrit (%m/m)berekendelevensduur,tdsl(jr)0,5referentie45mm50mm55mmCs = 4,0%Ci = 0,1%n = 0,50Da,o = 5,367 10-12 m2/sto = 28dIn de afgelopen tien jaar zijn er inNederland in opdracht van ofbegeleid door Rijkswaterstaat viertunnels gebouwd, te weten (inchronologische volgorde):? Tweede Heinenoordtunnel;? Tweede Beneluxtunnel;? Westerscheldetunnel;? Groene Harttunnel.Al deze tunnels hebben gemeendat zij zijn uitgevoerd in gewa-pend beton en ontworpen op eenlevensduur van 100 jaar. Hierbij isin de levensduurberekeninggebruik gemaakt van een zogehe-ten probabilistische aanpak. Metuitzondering van de Tweede Bene-luxtunnel betreft het boortunnels,wat inhoudt dat de tunnel-liningis opgebouwd uit een groot aantalgeprefabriceerde elementen vangewapend beton.Tijdens de gebruiksduur wordende betonoppervlakken aan de bui-tenzijde continu belast door chlo-ridehoudend grondwater, terwijlde binnenoppervlakken wordenblootgesteld aan een verhoogdeconcentratie aan CO2(autover-keer) en chloridehoudend lekwa-ter, en tijdens de winterperiodedoor chloridehoudend spatwater.Het binnenoppervlak van deGroene Harttunnel, waarin alleentreinen rijden, wordt minderblootgesteld aan agressieveomstandigheden.Ten aanzien van de duurzaamheidwordt corrosie van de wapeningals maatgevend schademecha-nisme beschouwd. De ontwerpbe-rekening is er dan ook op gerichtom de kans op corrosie-initiatieten gevolge van carbonatatie enchloride-indringing zodanig kleinte houden dat kan worden aange-nomen dat de tunnelconstructiegedurende de volledige ontwerple-vensduur vrijwel onderhoudsvrijblijft.Gezien de continue vochtbelas-ting op het buitenoppervlak ende constante, relatief lage, lucht-temperatuur aan de binnenzijde,wordt de levensduur bepaalddoor het indringen van chloridedoor de betondekking. Door eengeschikte combinatie van dicht-heid (transportsnelheid) en dikte(transportweg) van de betondek-king wordt bereikt dat binnen degestelde ontwerplevensduur van100 jaar op de diepte van dewapening het zogeheten kriti-sche chloridegehalte niet zalworden overschreden. In degenoemde tunnels is daaromgekozen voor een minimalebetondekking van 50 mm en ishet beton vervaardigd metcement met een hoog slakge-halte van meer dan 50%.W a a r o m m o n i t o r e nHoewel de expositie-omstandighe-den voor tunnels, met name aanhet betonoppervlak dat in contactstaat met grondwater, vrij nauwkeu-rig bekend zijn, is in de levensduur-berekening gebruik gemaakt vaneen aantal vereenvoudigingen enaannamen. Dit heeft met namebetrekking op het transportmecha-nisme van chloride vanaf de buiten-zijde en het kritisch chloridege-halte. Wanneer het buitenoppervlakvan de geprefabriceerde tunnelele-menten bij het plaatsen enigszins isuitgedroogd, zal het transport vanchloride door capillaire absorptiesneller kunnen optreden dan in hetrekenmodel wordt verondersteld.Het model gaat uit van diffusie alsoverheersend transportmechanismehetgeen voor betondekkingen vanmeer dan 30 mm een acceptabeleen praktische benadering is. Daar-naast is er geen eenduidige waardevoor het kritisch chloridegehalteaan te geven, vooral omdat dewapening aan de buitenzijde naverloop van relatief korte tijd doormet water verzadigd beton wordtomgeven. Onder dergelijke omstan-digheden, waarbij amper zuurstoftot de wapening kan doordringen,bestaat er gewoonlijk geen gevaarvoor wapeningscorrosie. In tunnel-constructies waar de wapening aande binnenzijde is blootgesteld aanatmosferische condities kan echterzogeheten macrocelcorrosie optre-Monitoren van duurzaamheidin tunnelsir. J. Gulikers, Rijkswaterstaat BouwdienstOndanks het nauwkeurig bekend zijn van de expositie-omstandigheden is hetoptreden van wapeningscorrosie moeilijk te voorspellen. Dit ligt met nameaan vereenvoudigde levensduurberekeningen en het feit dat het kritisch chlo-ridegehalte moeilijk is aan te geven. Het monitoren van tunnels kan een beterinzicht in de levensduur geven en zo onderhoud en beheer van de tunnel ver-eenvoudigen. Dit artikel gaat in op het monitoren met anodeladders.1 |Invloed van het kritischchloridegehalte op deberekende ontwerple-vensduur (indicatievesituatie; deterministi-sche berekening)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheid74 cement 2007 5tijd (jr)passief actiefE (mV)-200-500tipotentiaalverschuivingden. Het gevolg is dat de wapeningin met water verzadigd beton zichanodisch gedraagt ten opzichte vande binnenwapening en daardoorversneld zal worden aangetast.In figuur 1 wordt de aanzienlijkeinvloed van het kritisch chloride-gehalte op de corrosie-initiatietijd,ti, getoond. Als referentiesituatiegeldt dat voor Ccrit= 0,5% en eenbetondekking van d = 50 mm eeninitiatietijd van ti= 100 jaar wordtbereikt. Ter vergelijking wordt ookde significante invloed van debetondekking getoond voor situa-ties met d = 45 en 55 mm.In tunnels moet tenslotte reke-ning worden gehouden met hetfeit dat:? de mogelijkheden voor visueleinspecties en herstelwerkzaam-heden beperkt zijn (toestem-ming met name bij tol- en trein-tunnels);? destructief onderzoek met hetoog op lekkage ongewenst is;? grote delen van de constructieonzichtbaar en/of onbereikbaarzijn door grond, tegels of brand-werende bekleding;? schade grote gevolgen kanhebben voor het verkeer.Gezien de vragen over de kwanti-ficering van bepaalde invoerpara-meters en de beperkte moge-lijkheden van inspecties enonderhoud wordt het interessantom sensoren in te bouwen die hetgedrag van de constructie in detijd kunnen volgen.Aan de in te bouwen sensorenmoeten echter de nodige eisenworden gesteld:? de sensoren moeten nuttigeinformatie opleveren diegebruikt kan worden voorbeheer en onderhoud;? de verkregen resultaten moetenbij voorkeur eenduidig te inter-preteren zijn;? de sensoren mogen niet leidentot schade of lekkage;? de sensoren en bekabelingmoeten robuust en duurzaamzijn.Om een goed beeld te krijgen vande conditie van de totale tunnel-constructie, moet een geschiktaantal sensoren worden gebruiktmet een goede verdeling overrepresentatieve locaties. Hierbijmoet echter opgemerkt wordendat er slechts beperkte ervaring ismet de toepassing van sensoren intunnels.Met betrekking tot wapeningscor-rosie is het met name van belanginformatie te verkrijgen over hetverloop in de tijd van de:? chloride-indringing;? ligging van het carbonata-tiefront;? elektrochemische conditie vande wapening;? vochtverdeling in het beton.T o e g e p a s t e s e n s o r e nIn de vier eerder genoemdetunnels zijn de volgende viertypen sensor toegepast:? anodeladders zijn ingestort inde betonelementen van deTweede Heinenoordtunnel,Tweede Beneluxtunnel enGroene Harttunnel;? multiring-elektroden zijn inge-stort in de elementen van deGroene Harttunnel en achterafingebouwd in de elementen vande Westerscheldetunnel;? rekstrookjes bij schadeplekkenin de Westerscheldetunnel;? leksensoren in de Westerschel-detunnel.In dit artikel wordt alleen op deanodeladder meer gedetailleerdingegaan.A n o d e l a d d e rEen anodeladder is bedoeld omvast te stellen op welk momentdepassivering van staal op eenbepaalde diepte in de betondek-king optreedt. Daartoe is doorSensortec een laddersysteemontwikkeld, waarbij de zes elek-trisch van elkaar ge?soleerdetreden wat betreft samenstellingen elektrochemisch gedrag ver-gelijkbaar zijn met wapenings-staal, zie figuur 2. De sensor isbovendien uitgerust met eenhulpstaaf van roestvast staal ofvan geactiveerd titanium. De zestreden bevinden zich met vastetussenafstand op verschillendediepten van het expositie-opper-vlak. De ladder wordt daarbijelektrisch ge?soleerd aan dewapening bevestigd. De hulp-staaf, voorzien van een stroom-kabel, wordt op enige afstandvan de ladder, eveneens elek-trisch ge?soleerd van de wape-ning, geplaatst. Op regelmatigetijdstippen wordt nu een seriemetingen uitgevoerd die de vol-gende informatie opleveren:? het potentiaalverschil tusseniedere trede en de hulpstaaf;? de elektrische weerstand vanhet beton tussen twee opeenvol-gende treden;2 |Anodeladder3 |Ontwikkeling van de cor-rosiepotentiaal vanwapeningsstaal in de tijd(schematisch)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2007 5 75600 25 50 75 10050403020100tijd, t (jaar)dieptewaaropinitiatieplaatsvindt,xi(mm)T1T2T3T4T5T6xi = a tib? de galvanische stroomsterkte(macrocelstroom) tussen dehulpstaaf en iedere trede.Wanneer de chloride-indringingzover is gevorderd dat op dediepte van een bepaalde tredehet kritisch chloridegehaltewordt bereikt, zal er een veran-dering optreden van een elektro-chemisch passieve naar eenactieve conditie. Deze verande-ring manifesteert zich in eenverlaging van de potentiaal (ziefig. 3) en een vermindering vande weerstand voor het in oplos-sing gaan van ijzerionen. Dedepassivering van een trede kandus zowel worden gedetecteerduit een plotselinge toename vanhet potentiaalverschil als uit eensignificante toename van demacrocelstroom.Op deze manier kan wordenvastgesteld op welk tijdstip hetkritisch chloridegehalte op eenbepaalde diepte wordt bereikt.Deze gegevens kunnen wordengebruikt om de aannames in deontwerpberekening te verifi?ren.Het is echter niet mogelijk ommet deze meetmethode eenbetere inschatting te krijgen vanhet kritisch chloridegehalte.T h e o r e t i s c h ei n t e r p r e t a t i eIn het ideale geval verloopt deindringing van chloride in de tijdvolgens de ontwerpberekening.Wanneer daarbij wordt aangeno-men dat voor iedere trede dezelfdewaarde voor het kritisch chloride-gehalte geldt, dan kan wordenvoorspeld wanneer depassiveringvan een trede zal optreden. Dezeideale situatie is geschetst infiguur 4, waarbij de zes tredenzijn gepositioneerd op een dieptevan respectievelijk 10, 16, 22, 28,34 en 40 mm. De echte wapeningbevindt zich op een diepte van 50mm, en rekenkundig wordt hetkritisch chloridegehalte Ccrit=0,5% daar na exact 100 jaarbereikt. Wanneer depassiveringvan minimaal drie treden isgeconstateerd, kan worden afge-leid wat het verwachte tijdstip iswaarop op de diepte van de wape-ning de werkelijke waarde van Ccritzal worden bereikt. Deze voorspel-ling kan worden uitgevoerd doorgebruik te maken van de vergelij-king:xi= a . tibwaarin:xide diepte van trede i waarvandepassivering is gedetecteerd;tihet tijdstip waarop voor trede idepassivering is gedetecteerd.De waarden van de co?ffici?nten aen b kunnen uit de meetresultatenvia regressieanalyse worden bere-kend. In het hier beschouwdeideale geval geldt a = 15,81 enb = 0,25 (deze waarden geldenwanneer tiin jaren en xiin mmwordt opgegeven).E r v a r i n g e nIn de genoemde tunnels wordtgemiddeld tweemaal per jaar eenserie metingen uitgevoerd. Geziende beperkte variaties in de exposi-tie-omstandigheden en de trageindringing van chloride zoukunnen worden volstaan met ??nmeting per jaar.Bij de Groene Harttunnel is detoegankelijkheid om metingen uitte voeren een groot probleem. Inde toekomst wordt dit een noggroter probleem. In januari 2007zijn werkzaamheden uitgevoerdom de metingen volledig geauto-matiseerd en draadloos uit tekunnen voeren. De automatise-ring voorziet ook in de mogelijk-heid om de frequentie en de aardvan de metingen naar behoefte tekunnen aanpassen.Indien in een toekomstig projectmonitoring wordt overwogen ishet verstandig om hierover in eenvroeg stadium te overleggen. Bijde Tweede Heinenoordtunnel, deTweede Beneluxtunnel en de Wes-terscheldetunnel is pas in eenzeer laat stadium toestemmingverleend om te monitoren. Hier-door was de mogelijkheid vaninbouwen van sensoren beperkt ofhelemaal niet meer aanwezig.De interpretatie van met name destroomsterktemetingen bij de ano-deladders is minder eenduidigdan oorspronkelijk werd aangeno-men. Het lijkt verstandig om deaard van de metingen aan tepassen en de treden continu metde hulpstaaf of met de wapeningkort te sluiten. De gemetenstroomsterkten weerspiegelen danechter stationaire waarden.T e n s l o t t eMonitoring van duurzaamheidstaat wat betreft toepassing intunnels nog in de kinderschoe-nen. In dat licht bezien moet ditproject worden beschouwd als eenpilot. De resultaten moeten tezijner tijd uitwijzen in welke matemonitoring een toegevoegdewaarde heeft voor het beheer enonderhoud van tunnels. nL i t e r a t u u r1 Symposium Levensduur enOnderhoud van de GroeneHarttunnel. Rijkswaterstaat,Delft Cluster en TNO, 26 april2007 Delft4 |Verloop van de initiatie-tijd voor corrosie alsfunctie van de diepte vande treden van een anode-ladder (ideale situatie)5 |Toepassing anodeladderin de TweedeBeneluxtunnel