O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2005 872dr.ir. M.R. de Rooij, TU Delft fac. CiTG/TNOBouw en Ondergronddr. R.B. Polder, TNO Bouw en OndergrondIn 1981 verscheen CUR-rapport 100, `DuurzaamheidMaritieme constructies' [1]. Dit rapport was het resultaatvan het eerste grootschalige onderzoek in Nederlandnaar de duurzaamheid van bestaande betonconstructiesin zeemilieu. Om de duurzaamheid ook te kunnen voor-spellen, werd eind jaren negentig het DuraCrete-modelontwikkeld. Een vervolg hierop was de instelling vanCUR-onderzoekcommissie B82 `Duurzaamheid beton-constructies in marien milieu'. In dit artikel wordt stilge-staan bij het inspectiewerk, de verzamelde gegevens ende conclusies die uit het onderzoek te trekken zijn. In eenvolgend artikel wordt nader ingegaan op de voorspellin-gen van DuraCrete, de vergelijking met de praktijk en derichtlijnen die dit geeft voor het gebruik van DuraCrete.Beton is duurzaam. Zeker op de zorgvuldige manierwaarop in Nederland met het bouwen van betoncon-structies aan zee wordt omgegaan. Maar hoe zekeris dat dan precies? Hoe kan dat worden gekwanti-ficeerd? Tien jaar is geen probleem, maar honderdjaar, of tweehonderd, zonder onderhoud, kan dat?In Nederland worden veel van bovenstaande vragentoch nog steeds op basis van ervaring beantwoord.Wordt gekeken naar de inventarisatie van die erva-ring, dan blijken de harde gegevens daarachtermaar in zeer geringe aantallen aanwezig, De meestuitgebreide documentatie van lange-duurexpositiein zeemilieu is voornamelijk afkomstig uit hetpraktijkonderzoek uit eind jaren zeventig, vastge-legd in [1] en uit het expositieonderzoek van [2, 3].De afgelopen tien ? vijftien jaar zijn er veel vorderin-gen gemaakt op het gebied van zowel de inspectie-technieken, als de modelbeschrijving van degrada-tieprocessen. Eind jaren negentig is in dit gebied hetDuraCrete-model ontwikkeld voor het ontwerpen oplevensduur van betonconstructies op basis van pres-taties en betrouwbaarheid. De nadruk bij DuraCretelag sterk op de ontwerpfase van nieuw te bouwenconstructies, waarmee inmiddels ervaring is opge-daan bij het ontwerpen op levensduur van ondermeer de Westerscheldetunnel en de Groene Hart-tunnel. De DuraCrete-methode kan in principe ookworden gebruikt voor bestaande constructies, maarde ervaring hiermee ontbrak tot nu toe. De aanbeve-ling vanuit [1] om constructies opnieuw te inspecte-ren op hogere ouderdom, alsmede de mogelijkheidom de gegevens die hieruit komen te gebruikenvoor de validatie van DuraCrete, specifiek voor deNederlandse situatie, hebben geleid tot de instellingvan CUR-onderzoekcommissie B82 `Duurzaamheidbetonconstructies in marien milieu'.K e u z e e n b e s c h r i j v i n g v a nd e c o n s t r u c t i e sDe constructies die zijn onderzocht in het onder-zoek van CUR B82 zijn geselecteerd in een voortra-ject uitgevoerd door de preadviescommissie PB82.Bij de keuze is door de commissie gelet op ouder-dom, cementsoort, uitvoering (prefab, ter plaatsegestort) ligging/milieu, gebruik en te verwachtenschademechanismen. Verder heeft een aantal prak-tische zaken een rol gespeeld, zoals bereikbaarheid,redelijke hoeveelheid informatie vooraf beschikbaar,oorspronkelijke staat, representativiteit voor een gro-ter aantal constructies en interesse bij de beheerdervoor het onderzoek. De locaties van de uiteindelijkonderzochte constructies zijn globaal aangegevenin figuur 1. In de volgende alinea's zal kort wordeningegaan op de belangrijkste voor dit onderzoekrelevante kenmerken van de constructies.Pier van ScheveningenVan de Pier van Scheveningen is de betonnenonderbouw gebouwd rond 1960. Het grootste deelbestaat uit geprefabriceerde elementen op basisvan portlandcement. De niet-standaard gedeeltenzijn ter plaatse gestort met een mengsel op basisvan hoogovencement. Er zijn helaas geen archief-stukken of artikelen gevonden waarin de gebruiktebetonsamenstelling staat beschreven. In het onder-zoek is de betonnen onderbouw bekeken en danmet name enkele cassetteplaten en kespen (beideprefab), alsmede wat ter plaatse gestort beton,zowel boven strand als boven zee.Oosterschelde StormvloedkeringDe Oosterschelde Stormvloedkering (OSVK) bestaateigenlijk uit drie gedeelten: Hammen, Schaar enRoompot. Het grootste gedeelte van het onderzoekheeft plaatsgehad aan de Hammen. Over de gehelekering, alsmede aan de loswal Noordland zijn aan-vullend chloridemetingen uitgevoerd. De OSVK isLeren van de praktijkToestand vanbetonconstructies aan zeeW e t e n s c h a pO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaam heidcement 2005 8 73gebouwd in de periode 1980-1986. Mede hierdoorkonden de originele betonsamenstellingen nog wor-den achterhaald. Belangrijkste kenmerken zijn: eenhoog cementgehalte (tussen 325 en 400 kg/m3),een hoog slakgehalte (CEM III/B 42,5 N), een wcfvan 0,40-0,45 en een relatief grote dekking (40 ? 70mm). Bij de kering is gekeken naar het beton van depijlers rond de waterlijn, naar de bovenbalk en naarde verkeerskokers.Kademuren Havens RotterdamIn het onderzoek zijn enkele kademuren bekekenin de buitenhavens van Rotterdam: Calandkanaal,Europahaven en Hartelhaven. Het onderzoek heeftzich hierbij geconcentreerd rond de hoogwaterlijn.De kademuur aan het Calandkanaal is gebouwdin 1968. Er is in het archief bij de beheerder geeninformatie gevonden over de betonsamenstelling.De kademuur in de Europahaven is gebouwd in1984. Het is de eerste constructie in Nederland waarde methode van gewogen rijpheid is toegepast. Hetbeton is ter plaatse gestort, waarbij 320 kg hoog-ovencement klasse A (nu vergelijkbaar met CEMIII/B 42,5 N) per kubieke meter beton is gebruikt.De wcf is 0,55. De maximale verhardingstijd voorontkisten was 60 uur. Er is niet teruggevondenop welke sterkte dit is gebaseerd. De wapeningzou volgens het ontwerp een dekking van 50 mmmoeten hebben. De kademuur op de hoek van deHartelhaven is gebouwd in 1973. Deze kademuur isbijzonder, omdat ze tot november 1997 afgeslotenwas van het zoute water en de getijdebeweging doorde Beerdam. Het beton is ter plaatse gestort in eenhouten bekisting. Voor het mengsel is 310 kg/m3hoogovencement klasse A (nu vergelijkbaar metCEM III/B 42,5 N) gebruikt. Verder is er 30 kg/m3tras toegevoegd. De wapening zou volgens het ont-werp een dekking van 40 mm moeten hebben.Haringvliet SpuisluizenVan de Haringvliet Spuisluizen zijn de betonnenpijlers onderzocht; de pijlers zijn neergezet in deperiode 1961-1963. Er zijn helaas weinig gedetail-leerde gegevens over het beton meer te vinden.Het is bekend dat er gebruikgemaakt is van speci-aal hoogovencement, zogenoemd Deltacement. Ditcement is grover gemalen dan destijds gebruikelijkwas om de warmteontwikkeling verder af te rem-men. Verder is bekend dat de grondstoffen voorhet beton voor verwerking op open opslagplaatsennabij het water opgeslagen zijn geweest. Het betonis ter plaatse gestort, waarbij de stortcyclus een weekduurde. Om het lossen van de kist te vergemakkelij-ken werd (zoet)water tussen de rand van de kist enhet beton gespoten. Het beton is onderzocht op ver-schillende hoogten; zie ter illustratie drie meetplaat-sen aan een pijler op de Haringvliet in figuur 2.M e e t p r o g r a m m aPer constructie zijn ??n tot vier meetplaatsen (circa1 x 1 m2groot) intensief onderzocht. De meetplaatsis visueel onderzocht en de ligging van de wapeningen de dekking zijn geheel in kaart gebracht. Bij dedekking was niet alleen de gemiddelde dekkingvan belang, maar juist ook de spreiding in de dek-king. Om dit eenvoudig en snel te kunnen meten isgebruikgemaakt van een Hilti Ferroscan FS10.De carbonatatiediepte is op de gebruikelijke manierter plaatse bepaald met fenolftale?ne als indicatorvloeistof.1 |Overzicht van de inhet kader van CUR B82onderzocht constructiesOosterscheldeStormvloedkeringHaringvlietSpuisluizendrie kademurenbij de MaasvlaktePier ScheveningenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2005 874Op locatie is ook de specifieke elektrische weer-stand van het beton bepaald. Hiervoor is gebruik-gemaakt van de 4-punts- of Wenner-methode. Despecifieke elektrische weerstand gemeten met dezemethode geeft met name informatie over de voch-tigheid van het beton. Voor meer informatie overdeze methode zie [4].Om te controleren of wapening daadwerkelijkcorrodeert, kunnen potentiaalmetingen wordenuitgevoerd. Hierbij is van belang te beseffen datde meting een resultaat geeft van het proces, zoalsdat op het moment van meten verloopt! In hetonderzoek zijn deze metingen uitgevoerd met eenGalvapulse-apparaat. Voor meer informatie over detechniek wordt verwezen naar [5, 6].Naast de metingen op locatie is een aantal kernengeboord voor nadere analyse in het laboratorium.Per meetplaats zijn drie kernen geboord (?50 mm,l = 100 mm) voor polarisatie- en fluorescentie-(licht)microscopie (PFM). Hierbij wordt een stukjevan de betonkern zodanig geprepareerd, dat er nietveel meer overblijft dan een vliesje van de beton-doorsnede. Het stukje beton in dit zogenoemdeslijpplaatje is dan zo dun (20 ? 30 ?m), dat er doorhet beton heen kan worden gekeken.Per meetplaats zijn zes kernen geboord (?50 mm,l = 100 mm) voor het bepalen van een chloridepro-fiel. De kernen zijn in plakjes gezaagd van 10 mmelk, inclusief 3 mm zaagsnedeverlies. Vervolgens isper plakje het gehalte aan chloride bepaald, met demethode van Volhard, uitgedrukt in massa % tenopzichte van het cementgewicht.Per meetplaats zijn er meestal zes kernen?100 mm geboord om proefstukken uit te halenvoor de druksterkte (drie proefstukken) en de splijt-treksterkte (drie proefstukken), alsmede voor deRapid Chloride Migration test (zes proefstukken).De druk- en splijttreksterkte zijn bepaald op cilin-ders met een hoogte-diameterverhouding van 1:1volgens de normen NEN-EN 12390-3 en NEN-EN12390-6. Dit houdt onder meer in dat de proefstuk-ken enkele dagen onder water werden bewaard(`waterverzadigd'). V??r de test is de wisselstroom-weerstand op de proefstukjes gemeten met de zoge-noemde Twee Elektrode Methode (TEM). Met deRCM-test kan de diffusieweerstand van het betontegen chloride-indringing worden bepaald. Bij dezeproef wordt een vooraf onder vacu?m verzadigdproefstuk in een oplossing geplaatst, waarbij aan??n zijde van het proefstuk een chloridehoudendeen aan de andere kant een chloridevrije oplossingaanwezig is. Onder invloed van een spanningsver-schil dringen chloride-ionen het beton binnen. Na??n tot enkele dagen wordt het proefstuk gespletenwaarna met een kleurindicator de indringdieptewordt bepaald. Hieruit wordt de diffusieco?ffici?ntberekend. Meer informatie over de RCM-test staatbeschreven in [7].R e s u l t a t e nBij het uitzoeken van de verschillende meetplaat-sen aan de constructies die zijn onderzocht, is eenglobale indruk gevormd over de gehele constructie.Het algemene beeld dat daarvan blijft hangen isdat er nauwelijks schade is geconstateerd. Wordt2 |Typische meetplaat-sen uit het onderzoek,hier op de pijler van deHaringvliet SpuisluizenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaam heidcement 2005 8 75de Pier van Scheveningen buiten beschouwinggelaten, dan verkeren de onderzochte constructiesmomenteel nog allemaal in uitstekende conditie.Het verschil tussen betondekking op tekening enbetondekking in de praktijk is dat in de praktijkde werkelijk gerealiseerde spreiding op de beton-dekking kan worden gemeten. Binnen DuraCretewordt tot wel 30% van de gemiddelde waarde voorde spreiding genomen. De gemeten spreiding bijde onderzochte constructies ligt veel meer in debuurt van de 10% of soms zelfs nog lager. De Piervan Scheveningen heeft de laagste dekking metlokaal zelfs maar 25 mm. De Haringvlietpijlers heb-ben de grootste dekking (60-90 mm). Werd veertigjaar geleden nog ontworpen op 35 mm dekking,inmiddels lijkt dit te zijn opgeschoven naar 55 mmvoor zwaar met zeewater belaste constructies; deHaringvliet Spuisluizen lijken in deze trend huntijd ver vooruit te zijn geweest.De gemeten carbonatatiediepte is laag (1-4 mm) meteen enkele uitschieter naar waarden van 8-9 mm.De resultaten van de elektrische weerstand terplaatse gemeten met Wenner liggen tussen de300 en 600 ?m, uitgezonderd de hoge delen van depijlers van de Haringvliet, waar waarden van circa3300 ?m worden gemeten. Dit komt overeen met deverwachting dat drogere gedeelten een hogere speci-fieke weerstand laten zien. Door Wenner-data uit hetveld te vergelijken met data van waterverzadigde ofvacu?mverzadigde waarden, kan het gemeten vocht-gehalte in de praktijk worden gerelateerd aan eenmet water verzadigd proefstuk. Uit vergelijking vanTEM- en RCM-data blijkt dat de weerstand geme-ten via RCM consequent lager ligt dan de waardengemeten met TEM. Hieruit volgt, dat er wel degelijkverschil is tussen het verzadigen van een proefstukonder water of via vacu?mverzadiging.De resultaten van de potentiaalmetingen met namebij de Pier van Scheveningen gaven geen corrosie-activiteit aan, terwijl bij het openhakken de wape-ningstaven toch behoorlijk gecorrodeerd waren.Nadere vergelijking met vochtgehalte gaf aan dat indeze situaties het beton telkens zeer droog was. Ophet moment van potentiaalmeten was er dus geencorrosie (vocht is nodig voor het corrosieproces:geen vocht, geen corrosie). De gecorrodeerde toe-stand van de wapening geeft aan dat er in het verle-den (regelmatig) wel degelijk periodes zijn geweestdat het beton wel nat genoeg was voor corrosie.In totaal zijn 45 kernen uit de constructies onder-zocht met polarisatie- en fluorescentiemicroscopie(PFM). Wat daarbij opvalt is de hoge dichtheid(lage capillaire porositeit) die de microstructuur nazoveel jaren hydrateren inmiddels heeft gekregen.Op basis van schattingen van de capillaire porositeitvergeleken met referentieplaatjes, kan een uitspraakworden gedaan over de schijnbare wcf waarmee hetbeton is gemaakt. Het blijkt dat deze geschatte wcfvoor de onderzochte kernen meestel tussen de 0,40en 0,50 ligt. Van sommige constructieonderdelen isde mengselsamenstelling bekend. Vergelijking vande geschatte met de werkelijk gebruikte wcf leertdat de schattingen voor deze `oude' monsters aande (te) lage kant liggen. Verondersteld wordt datde hydratatie van de hoogovenslak (over tientallenjaren!) in zeemilieu hiervan de oorzaak is.Er zijn in het onderzoek meer dan 170 chloride-profielen bepaald. De gevonden extremen voor watbetreft het schijnbare oppervlakte chloridegehalteliggen daarbij tussen 0,4 en 5,5 % chloride bere-kend op cementmassa. De gevonden extremen voorwat betreft de effectieve chloride-diffusieco?ffici?ntliggen tussen 0,10 en 0,36 ? 10-12m2/s. Een bespre-king van deze resultaten kan eigenlijk niet wor-den losgezien van de gebruikte modellen. Hieropwordt in een volgend artikel nader ingegaan. Welvermeldenswaardig is de grote spreiding die metregelmaat in de chlorideprofielen is gevonden. Voorde resultaten van zes kernen uit dezelfde vierkantemeter wordt ter illustratie verwezen naar figuur 3.De resultaten van de druk- en splijttreksterkte zijnweergegeven in figuur 4. De grote dichtheid vanhet beton uit zich in hoge waarden van zowel dedruksterkte als de splijttreksterkte.De resultaten van de RCM-bepalingen liggen tus-sen 0,82 en 3,88 ? 10-12m2/s voor constructies tus-sen de twintig en veertig jaar oud. Ter vergelijking:op 28 dagen ouderdom worden waarden gevondenvan 3 ? 8 (hc) en 10 ? 20 (pc) ? 10-12m2/s.C o n c l u s i e sDe belangrijkste observatie uit het onderzoek aande onderzochte constructies die reeds twintig totveertig jaar aan zeeklimaat zijn blootgesteld, isdat er nauwelijks schade is geconstateerd. Wordtde Pier van Scheveningen buiten beschouwinggelaten, dan verkeren de onderzochte constructiesmomenteel nog allemaal in uitstekende conditie.De Pier van Scheveningen is voor een groot deelgemaakt met portlandcement. De portlandcement-prefabmeetplaats vertoont flinke schade door corro-sie. Echter, de staat van de Pier volledig afwentelenop het gebruikte cement is niet juist, want ook hetgedeelte boven strand, vervaardigd met hoogoven-cement, is er erg slecht aan toe. Als er een oorzaakmoet worden aangegeven voor het verschil in pres-tatie tussen de Pier van Scheveningen en de overigeonderzochte constructies, dan is de dekking zeerwaarschijnlijk de belangrijkste parameter. Na veer-tig jaar laten met name de plekken met een dek-king van minder dan 35 mm een verhoogde kansop schade zien. Wat hierbij de bijdrage is van denabehandeling is in dit onderzoek niet onderzocht.Gelet op de gevoeligheid tijdens de uitvoering voorO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2005 876met name de nabehandeling, lijkt op basis van deverkregen gegevens in dit onderzoek, een dekkingvan 35 mm in zeemilieu een te lage waarde.Uit het onderzoek naar de dekking komt naarvoren, dat in de onderzochte constructies erg net-jes is gewerkt. De standaarddeviatie in de dekkingbleek overal minder dan 7 mm. In variatieco?ffi-ci?nt betekent dit een percentage van ongeveer 10%en vaak nog lager.De uitgevoerde potentiaalmetingen hebben eenaantal belangrijke eigenschappen van de metingnog eens duidelijk gemaakt. In principe geeft demeting een momentopname van het actieve cor-rosieproces. Aangezien vocht een noodzakelijkecomponent is voor het corrosieproces (zonder vochtgeen corrosie) wordt sterk aangeraden bij poten-tiaalmetingen altijd vochtmetingen uit te voeren.Wanneer uit de vochtmetingen blijkt dat het betondroog is, dan kunnen de waarden van de potentiaal-metingen niet worden gebruikt om vast te stellen ofde wapening aan het corroderen is of niet.Een manier om het vochtgehalte ter plaatse temeten is via de Wenner-methode. Dit geeft eeneerste indicatieve indruk. Voor een goede referen-tie is het noodzakelijk ook in het laboratorium deweerstand van een met water verzadigde betonkernte bepalen, bijvoorbeeld met TEM.In het onderzoek is PFM-analyse gebruikt voor hetschatten van de wcf. Daarbij is geconstateerd, dat dehoge dichtheid van de microstructuur van de oudereconstructies problemen geeft bij de schatting van dewcf op basis van de capillaire porositeit. Vergelijkingvan de geschatte wcf met de werkelijk gebruiktewaarde levert dan ook dat de schattingen voor de`oude' monsters aan de te lage kant liggen. Dit isvoor de onderzochte kernen in dit onderzoek medehet gevolg van langdurig doorreageren van de slak.Binnen de meeste meetplaatsen in dit onderzoekwerden flinke variaties in ingedrongen chloridegeconstateerd. Omdat de meetplaatsen steeds circa1 x 1 m2klein waren, is spreiding in de indringingdoor spreiding in de belasting met zeewater nieterg waarschijnlijk. Het microscopieonderzoek gafaan dat het beton binnen elke meetplaats redelijktot zeer homogeen is. Daaruit kan de geconsta-teerde spreiding niet worden verklaard.Langs en over hele constructies is ook flinkespreiding vastgesteld. Daaraan kunnen uiteraardwel verschillen in belasting ten grondslag liggen.Verschillen door hoogteligging zijn nog vrij goedverklaarbaar in termen van golfhoogte en contactmet stuifwater. Helaas zijn er nog geen modellenvoorhanden om de ruimtelijke spreiding over con-structies veroorzaakt door verschillen in belastinggoed te modelleren. nL i t e r a t u u r1. CUR-rapport 100, `Duurzaamheid Maritiemeconstructies'. CUR, Gouda, 1981.2. Lange, J.I. de, `Vergelijkend onderzoek naar hetgedrag van gewapend betonnen prisma's na 2en 8 jaar expositie in 5 en 100 meter diep Noord-zeewater'. SMOZ-rapport XXVIII/TNO-IBBCrapport B-84-486/60.5.0400, 1984.3. Polder, R.B., J.A. Larbi, `Investigation of Con-crete Submerged in North Sea Water for 16years'. Report 96-4, CUR, Gouda, 1996.4. Polder, R.B., `Test methods for on site measure-ments of resistivity of concrete'. A RILEM TC-154 Technical Recommendation, Constructionand Building Materials, Vol. 15, no. 2-3, 2001.5. ASTM, C876-87, `Standard Test Methods forHalf-cell Potentials of Uncoated ReinforcingSteel in Concrete'. 1987.6. Elsener, B., C. Andrade, J. Gulikers, R. Polder& M. Raupach, `Recommendations on Half-cellPotential measurements ? Potential mappingon reinforced concrete structures'. Materialsand Structures, Vol. 36.7. NT Build 492, `Concrete, mortar and cement-based repair materials: chloride migration coef-ficient from non-steady migration experiment'.Espoo, Finland, 1999.diepte (mm)3 |Spreiding in chloridepro-fielen binnen een meet-plaats van 1 m24 |Druk- en treksterkte alsfunctie van de ouderdom;druksterktemetingenhoogovencementbeton(hc) en portlandcement(pc) (Pier) apart aange-geven