I IMATERIALEN IREPARATIEONDERHOUD EN REPARATIEVAN BETONCONSTRUCTIES (X)KATHODISCHE BESCHERMING VAN WAPENINGSSTAAL IN BETONdr.ir.G.J.L. van der Wegen, INTRON, instituut voor materiaal- en milieu~onderzoekBV; Maastrichtdr.R.B.Polder, TNO-IBBC, RijswijkIn Nederland is wapeningscorrosie de belangrijkste oorzaak van schade aan beton.Naast conventionele reparatietechnieken is er sinds kort een alternatievebeschermtechniek op de Nederlandse markt, namelijk die van kathodischebescherming. In de Verenigde Staten en Canada is al heel wat ervaring met dezetechniek opgedaan, vooral bij het herstel van schade aan brugdekken. In dit artikelzal deze beschermtechniek nader worden beschouwd.O2 zuurstof uit de luchtSchematische weergave van de elektro-chemische reacties bijwapeningscorrosieAls de betondekking voldoendedicht endikis, is hetwapenings-staal in een betonconstructieover het algemeen goed beschermd te-gen corrosie. Echter door ontwerp-,materiaal- en/of uitvoeringsfouten ofdoor verandering van het omringendemilieu, blijkt in de praktijk soms tochwapeningscorrosie op te kunnen treden.Bij tijdige onderkenning van het gevaarvoor wapeningscorrosie kan vaak metbehulp van relatief eenvoudige midde-len (aanbrengen van een coating, lokalereparaties, e.d.) eenverkorting van de le-vensduur van de betonconstructie wor-den voorkomen.In een aantal gevallen, zoals bijvoor-beeld indringing van chloride-ionen totaan dewapening, kan hetvoortijdigver-loren gaan van de betonconstructieslechts voorkomen worden door om-vangrijke en dus relatiefdure reparatie~methoden of door vervanging van debetreffende constructiedelen. In gevalvan reparatie is het soms moeilijk ofzelfs onmogelijk om lokaal verdergaan-de corrosie uit te sluiten, bijvoorbeeldals om constructieve redenen volledigeverwijdering van verontreinigd betononmogelijk is. Bij wapeningscorrosieten gevolge van chloriden is het boven-dien heel moeilijk het staal zo goed tereinigen, dat allecorrosieputtenwordengedoofd.In de afgelopenjaren zijn in het buiten-land kathodische beschermingssyste-men ontwikkeld om wapeningsstaal inbeton te beschermen tegen corrosie.Toepassing vindt vooral plaats bij be-tonconstructies waarbij wapeningscor-rosie reeds is begonnen. Het corrosie-proces wordt dan gestopt door middelvan deze beschermingsmethode.In de Verenigde Staten is de FederalCement 1988 nr. 6Highway Administration (FHWA) opbasisvanonderzoekgekomen tot de uit-spraak:: The only rehabilitation techniquethat hasproven to stop corrosion in salt-con~taminatedbridge decks regardless ofthechlo-ride content ofconcrete is cathodicprotection[1].Elektrochemische achtergrondenWapeningsstaal in beton wordt, bij af~wezigheid van agressieve stoffen zoalsbijvoorbeeld chloride, ten gevolge vanhet basisch milieu in het pori?nwater(pH > 12,5) gepassiveerd. Dit wil zeg-gen dat aan het staaloppervlak een dunmaar dicht en goed hechtend laagjeijzeroxide wordt gevormd, welke hetstaal beschermt tegen verdere corrosie.Deze beschermlaag is niet stabiel in eenwaterig milieu met een pH lager dan1ongeveer 10 (gecarbonateerd beton) ofmet een verhoogd chloridegehalte. Ingecarbonateerd beton treedt veelal ge-lijkmatige corrosie op; in door chlorideverontreinigd beton is meestal sprakevanlokale, putvormige corrosie.Eenge-detailleerde beschrijving van corrosievan wapeningsstaal is gegeven indeel Vvan deze artikelenserie [2]. In verbandmet een goed begrip van dewerking vaneen kathodisch beschermsysteem wor-den enkele hoofdzaken hier herhaald.Bij het optreden van corrosie van wape~ningsstaal in beton vindt een aantal ge-compliceerde (elektro)chemische reac-ties plaats. Infiguur 1zijnde belangrijk-ste reacties schematisch aangegeven.Opdieplaatsenwaardepassiveringslaagwordt doorbroken, vinden de volgendeoxidatie-reacties plaats:21IMATERIALEN IREPARATIE2 E-i-diagram; de relatie tussen potentiaal en stroomdichtheid van deverschillende deelreacties(NB.: Het verloop is voor de duidelijkheid schematisch weergegeven, zonderkwantitatieve waarden. Het werkelijke verloop vindt men o.a. in het dictaat vande cursus' Onderhoud en reparatie van beton Il' van de Betonvereniging)-- iCl -----;0.netto geen Fe meer omgezet in Fe2+ en2e-:ia(Fe) ~ - ik(Fe)'Het corrosieproces is dan volledig stop-gezet; het staalis kathodisch beschermd.In depraktijkkan eenzeerlage corrosie-snelheid van het staal worden getole-reerd, waardoor geen volledige katho-dische bescherming noodzakelijk is eneen adequate bescherming verkregenkanwordenbijmindernegatieve poten-tialen dan EFe.In het geval van kathodische bescher-ming van gewapend beton wordt aanhet betonoppervlak een anodesysteemaangebracht en wordt het wapenings-staal met behulp van een stroom uit eengelijkspanningsbron kunstmatig tot eenkathode gemaakt.De belangrijkste elektrochemische re-acties die hierbij optreden zijn schema-tisch weergegeven in figuur 3.Doorhet toevoerenvan elektronen naarhet wapeningsstaal wordt de potentiaalhiervan kunstmatig verlaagd, zodat deanodische reactieCurve 4 is de sommatie van curven 3 en7 en beschrijft dus de totale stroom-dichtheid van het gehele systeem alsfunctie van de potentiaal.EFe enEo2 zijn de evenwichtspotentialenvan beide deelsystemen. Bij deze poten-tialen vindt netto noch ladingtransportnochmateriaaltransportinde respectie-velijke deelsystemen plaats. Em heet demeng- ofcorrosiepotentiaalvan het ge-hele systeem. Hierbij vindt geen nettoladingtransport maar wel netto mate-riaaltransport plaats. Corrosie van hetijzer treedt dus op bij deze potentiaal!Principe van kathodische hescher-ringHet principe van kathodische bescher-ming is nu dat de potentiaal van het wa-peningsstaal kunstmatig verlaagdwordt, waardoor de stroomdichtheid(en dus de omzettingssnelheid) van deanodische deelreactieFe ->Fe2+ + 2e-wordtverminderd. Indien de potentiaalverlaagd wordt vanEm totEFe danwordt(1)(2)Dergelijke plaatsen worden anoden ge-noemd. Op deze plaatsen worden duselektronen (e-) afgestaan. Indien dezeelektronen niet worden afgevoerd, zalde anode eensteeds negatievere potenti-aal verkrijgen en zullen beide bovenge~noemde oxidatie-reacties (die in werke-lijkheid reversibel zijn) worden afge-remd totdat zich een evenwichtssituatieinstelt en netto geen metallisch ijzer inionogeenijzer wordt omgezet.Indien tegelijkertijd door een elektro~chemische reactie elektronen wordenopgenomen(reductie-reactie) dan kun-nen beide oxidatie-reacties blijvenddoorgang vinden en schrijdt het corro-sieproces voort.In beton is de belangrijkste reductie-re-actie die van zuurstof:Plaatsen waar reductie-reacties optre-den, worden kathoden genoemd.De hydroxyl-ionen (OH~) migrerenweg van de kathode, evenals de ijzer-io-nen van de anode. Hierbij treedt de vol-gende reactie op:Fe3+ + 30H- -> Fe(OH)3 (4a)Fe(OH)3 -> Fe203.xHz? (4b)De elektrochemische deelreacties (1)tlm (3) zijn reversibel. De snelheidwaarmee de reacties verlopen kan wor-den uitgedrukt in de stroomdichtheid(mA/m2); de stroomdichtheid van dedeelreacties hangt onder meer afvan depotentiaal aan het grensvlak staallelek-troliet. Dit is schematisch weergegeveninfiguur 2voor de deelreacties (1) en(3).Benadruktwordt dathet in figuur 2 omeenschematischeweergave gaat.Dever-ticale as, waarlangs de potentiaal is uit-.gezet, heeft geen eenduidige schaal.Voor het werkelijke verloop zal men devakliteratuur moeten naslaan. Stippel-lijn 1geeft hetverband tussen de poten-tiaal (E) en de stroomdichtheid (ia) vande anodische reactie:Fe -> Fe2+ + 2e-.Stippellijn 2 geeft het verband tussen depotentiaal en de stroomdichtheid (ik)van de kathodische reactie:Fe2+ + 2e- -> Fe.De getrokken lijn 3 is de sommatie vanbeide stippellijnen en beschrijft dus deevenwichtsreactie:Fe