ing.H.H. van SchaikDosbouwDuurzaamheid en corrosie1Faseringen ? het corrosieproces ten gevolgevan chloriden1. InleidingDe in de Deltawet vereiste levensduur van destormvloedkering bedraagt 200 jaar. Vooreen betonconstructie, zeker in het agressie-ve milieu van de Oosterschelde, is dit eenzware eis. De ervaring ontbreekt over zo'nlange periode, terwijl controle en onder-houd schier onmogelijk zijn, omdat vitaledelen van de constructie zich diep onderwater bevinden, ingepakt in een ca. 10 mdikke laag stortsteen. Niettegenstaande hetontbreken van ervaring is getracht het cor-rosieproces rekenkundig te analyseren en iseen indicatie van de te verwachten levens-duur gegeven.Bij de start van het ontwerp in 1976 is hetuitgangspunt geweest dat corrosie van dewapening en dus de duurzaamheid, in be-langrijke mate samenhangen met descheurvorming in beton. Het ontwerp is erderhalve op gericht geweest een zoveel mo-gelijke scheurvrije constructie te verwezen-lijken.2. Het corrosieproces in de tijd2.1. CorrosieHet wapeningsstaal in beton ontleent zijncorrosiebestendigheid aan een passieveoppervlaktelaag, die gevormd wordt doorhet alkalische milieu in het beton (pH =12,5). Dit alkalisch, niet corrosieve milieukan worden omgezet in een corrosief milieudoor verschillende oorzaken:a. carbonatatie van het beton;b. inwerking van agressieve stoffen, waar-onder chloriden.ad.a. Bij carbonatatie ontstaat er een reactiemet deC02 uit de lucht waardoor de pH vande oppervlaktezone van het beton verlaagdwordt tot pH = 9. Echter, in de onderhavigeconstructie met een hoogwaardige beton-dekking van 7 cm zal het carbonatatiefrontin de levensduur van 200 jaar de wapeningnog niet bereikt hebben. Depassivering vanhet staal ten gevolge van carbonatatie is dusniet te vrezen.ad.b. Chloride-indringing blijkt de maatge-vende oorzaak van depassivering en corro-sie van het wapeningsstaal te zijn. In beidegevallen zijn zuurstof en vocht nodig voorhet eigenlijke corrosieproces.2.2. Corrosie, ge?nitieerd door chloride-indringing (fig. 1)Bij dit corrosie-proces zijn de volgende fa-sen te onderscheiden.Fase 1. Chloride-indringing.Hierbij dringt geleidelijk in de loop van detijd de chloride uit water en lucht in het be-ton. Na verloop van tijd bereikt de chloridede wapening en krijgt daar uiteindelijk naeen tijd TQ een dusdanige concentratie (ca.0,5% Ch op cementmassa) dat het corrosie-proces kan starten. Deze periode TQ is af-hankelijk van dikte en eigenschappen vande betondekking. Belangrijk hierbij is dekeuze van de cementsoort. Bij hoogovence-ment is de chloride-indringing veel tragerdan bij portlandcement.Fase 2. In deze fase vindt het roesten van dewapening plaats bij voldoende zuurstofaan-bod.Dit roestproces gaat gepaard met een toe-name van volume, zodat uiteindelijk de be-tondekking van de wapening gedrukt wordtof langsscheuren evenwijdig aan de wape-ning optreden in de dekking.Fase 3. In deze fase is de deklaag zodanigbeschadigd dat de nagenoeg blootliggendewapening corrodeert, vrij onder invloed vanweer en wind of water.Het corrosieproces gaat nu sneller dan in devoorgaande fase, namelijk ca. 0,1 mm/jaar.Voor outsiders zal nu het acceptatie-niveauvoor verval bereikt zijn en onderhoud zalworden uitgevoerd. Het incasseringsvermo-gen van de pijlers is echter zo groot, mededoor de grotere betondekking op de voor-spankabels, dat zij nog niet zullen bezwij-ken.2.3. Corrosiemilieus (fig. 2)Uitgaande van de genoemde faseringen inhet corrosieproces ten gevolge vanchloride-indringing kunnen drie principieelverschillende corrosiemilieus onderschei-den worden, afhankelijk van het aanbod vanzuurstof en chloride.1. SpatzoneHet zuurstofaanbod uit de lucht is hier rela-tief hoog. De diffusiesnelheid van de zuur-stof is ook hoog daar het beton niet metwater is verzadigd. De chloride-diffusie isrelatief laag te noemen.2. OnderwaterzoneHet zuurstofaanbod uit water is betrekkelijklaag, terwijl de zuurstofdiffusie door metCement XXXIV (1982) nr. 11 729water verzadigd bet?n veel lager is dan door'droger' beton. De chloride-diffusie daaren-tegen is relatief hoog te noemen.3. Getij-zoneTenslotte kan nog de getij-zone worden ge-noemd, waarbij een menging van voor-noemde omstandigheden op kan treden. In-dien het beton met water verzadigd is, zal dezuurstofdiffusie lager zijn dan in de spatzo-ne.3. De levensduur van de stormvloedkeringZoals in de inleiding vermeld, is de vereistelevensduur van de stormvloedkering op 200jaar gesteld. Daar de ervaring over zo'n pe-riode ontbreekt bestond de behoefte eenvoorspelling van de duurzaamheid te geven.Theoretisch is het mogelijk het corrosiepro-ces ten gevolge van chloride-indringing re-kenkundig te benaderen. Hiervoor is een li-teratuurstudie gedaan met betrekking totduurzaamheid- en corrosieonderzoek [1].Op basis van deze literatuurstudie is eenaantal parameters vastgesteld zoalsdiffusie-constanten voor chloor en zuurstofin beton, kritisch chloorgehalte enz., waar-mee uiteindelijk het corrosieproces in detijd is benaderd. Resultaten van kortlopendeproeven (10-50 jaar) zijn gebruikt, zodat devoorspelling van de levensduur slechts alsindicatie gezien moet worden.in figuur 3 is het corrosieproces als functievan de tijd weergegeven voor drie corrosie-milieus:- spatzone;- onderwaterzone;- getijzone.Het corrosieproces is in de drie reeds ge-noemde faseringen onderverdeeld: Fase 1Chloride penetratie, Fase 2 Corrosie bij aan-wezigheid van de dekking, Fase 3 'Vrije' cor-rosie na verlies van de dekking.3Corrosieproces in de tijdSpatzoneNa ca. 80 jaar bereikt het chloor de wape-ning in een dusdanige concentratie dat hetcorrosieproces kan starten. In de 'spatzone'is in ruime mate O2 aanwezig zodat het cor-rosieproces zeer snel verloopt. Na enkelejaren reeds springt de dekking van de corro-derende staaf af.OnderwaterzoneOpvallend in deze zone is de relatief snellechloorpenetratie in ca. 30 jaar ten gevolgevan een hoog chloride-aanbod. Daarnaechter schrijdt het corrosieproces zeertraag voort door een gering aanbod van O2en een zeer lage -diffusiesnelheid. Naruim 200 jaar treedt pas verlies van de be-tondekkingop!GetijzoneIn de getijzone verloopt de chloride-indringing nagenoeg gelijk, mogelijk ietssneller dan in de spatzone. Omdat het betonechter meer met water is verzadigd, zal de-diff usieconstante ?ets kleiner zijn en der-halve ook de corrosi.e.Conclusies uit het corrosieprocesBij het ontwerp van de pijlers is geen onder-scheid gemaakt in het deel onder water enhet deel boven water.Uit het corrosieproces blijkt dat het onder-watergedeelte een veel langere levensduur,ca. 200 jaar heeft dan het gedeelte bovenwater. Dit is een goede zaak, immers groot-schalige onderwaterreparatie is bijna on-mogelijk. Boven water daarentegen is denoodzaak van reparatie van de dekking na80 tot 100 jaar niet uitgesloten en reparatieis hier ook praktisch uitvoerbaar.Overigens moge worden opgemerkt dat dekering bij verlies van de huidwapening nogvoldoende veiligheid biedt. De voorspanka-bels worden door hun grotere betondekkingpas in een veel later stadium door corrosieaangetast. Verlies van dekking zal echtervoor velen, zeker voor de beheerder, eenpsychologische grenstoestand zijn, waarbijonderhoud wordt uitgevoerd.4. Ontwerp [2]4.1. AlgemeenAangezien wapeningscorrosie en duur-zaamheid van de betonconstructie in be-langrijke mate samenhangen met descheurvorming, gold als uitgangspunt bijhet ontwerpen het verwezenlijken van eenzoveel mogelijk scheurvrije constructie. Omdeze reden, naast andere redenen is geko-zen voor voorspanning. Daarnaast wordteen huidwapening toegepast ter beperkingvan de scheurvorming, die toch niet geheelte vermijden is.4.2. Semi-probabilistische ontwerpmetho-deHet ontwerp is gebaseerd op de semi-probabilistische ontwerpmethode. Figuur 4toont hiervan het principe. De ene 'kromme'toont de kansdichtheidsfunctie van desterkte R van het materiaal. De andere'kromme' geeft de verdelingsfunctie van debelasting O weer. De belangrijkste grens-toestanden waarop het ontwerp is geba-seerd zijn:- degebruiksgrenstoestand;- de bezwijkgrenstoestand.4Semi-probabilistische ontwerpmethodeCement XXXIV (1982) nr. 11 7305Ontwikkeling van temperatuur enelasticiteitsmodulus 6aSpanningen door hydratatie in wand envloerplaat (ongekoeld)6bSpanningen door hydratatie in wand envloerplaat (gekoeld)7Ontwikkeling van temperatuur in wand'gekoeld' en 'ongekoeld'De eisen die aan de constructie in het ge-bruiksstadium worden gesteld, zijn in hetalgemeen maatgevend. Uit figuur 4 blijkt datde overschrijdingskans van de hydraulischebelastingen, toegepast in het gebruikssta-dium, 10"2/jaaris!4.3. VoorspanningIn het gebruiksstadium, onder invloed vaneigen gewicht en hydraulische belastingenzijn de volgende eisen gehanteerd:ab =?0 =?0,5 feOb = buigtrekspanning (beton) = hoofdtrekspanning (beton)/b = rekenwaarde voor de treksterktevan beton4.4. WapeningHet is ondenkbaar te veronderstellen dateen betonconstructie ongescheurd blijft, in-dien de trekspanningen onder de gebruiks-belastingen worden gehouden. Bijzondereinvloeden zoals het hydratatieproces, krimpen temperatuursverschillen kunnen trek-spanningen veroorzaken die spanningenten gevolge van de gebruiksbelastingen nogovertreffen! Op deze bijzondere invloedenwordt teruggekomen in paragraaf 4.6.Wapening wordt nu toegepast om descheurvorming ten gevolge van deze bijzon-dere invloeden te beperken. Tevens wordtmet de wapening de trekspanning, die toe-gelaten wordt in het gebruiksstadium, ge-compenseerd.4.5. ScheurvormingIn het ontwerp is de scheurwijdte Wbeperkttot:W =?0,4 mm voor incidentele scheuren;W =?0,3 mm voor blijvende scheuren;W =s0,15 mm voor scheuren ter plaatsevan voorspankabels.4.6. Bijzondere maatregelen ter beperkingvan scheurvorming in bouwfase4.6.1 Kunstmatige koeling van het betonTijdens het hydratatieproces ontstaat in hetbeton een aanzienlijke temperatuurverho-ging, in dikkere onderdelen zelfs tot ca. 40?C. Een groot deel van deze temperatuurver-hoging vindt plaats in een fase waarin hetbeton praktisch geen stijfheid heeft, terwijlde afkoeling plaatsvindt in een fase waarinhet beton bijna zijn volledige stijfheidsei-genschappen bezit (fig. 5).Wordt nu bijvoorbeeld een pijlerwand opeen pijlervloer gestort, dan ontstaan na af-koeling hoge trekspanningen in de wand,immers de vloer verhindert de vrije vervor-ming van de wand. Figuur 6a laat zien datdeze spanningen oplopen tot ver boven detreksterkte van beton. Bij de pijler wordendeze zogenaamde hydratatiespanningendoor kunstmatige koeling van het beton ge-durende ca. 4dagen, beperkt tot globaal hetniveau van de treksterkte van het beton. Hetkoelen gebeurt met een systeem van inge-storte koelwaterleidingen, aangesloten opkoelunits. In figuur 6b is de koeling weerge-geven voor de pijlerwand.Aan de onderzijde van de wand wordt deverwachte temperatuurstijging geheel doorkoeling teniet gedaan, terwijl op een hoogtevan 8 m geen koeling meer plaatsvindt. Tus-sen deze twee uitersten wordt gestreefdnaar een lineair verloop van de koeling.Degemiddelde trekspanningen worden nuteruggebracht van 7,0 naar 1,0 N/mm2.Figuur 7 toont de ontwikkeling van de tem-peratuur in de tijd voor het niet gekoeldewandgedeelte en voor een wanddoorsnedeop 4 m hoogte waar de helft van de tempera-tuurstijging door koeling teniet wordt ge-daan. Deze kunstmatige koeling wordt ca. 3dagen op volle capaciteit en ca. 1 dag ophalve capaciteit toegepast. Na ca. 4 dagen,afhankelijk van de buitentemperatuur wordtde koeling be?indigd. Uit figuur 7 blijkt ookdat in de wanddoorsnede een temperatuur-8Temperatuurgradi?nt en spanningen inongekoelde wanddoorsnede9Kunstmatige koeling beton van de pijlersCement XXXIV (1982) nr. 11 73110Ontwikkeling van temperatuur en spanningin vloerplaat (niet ge?soleerd)11Ontwikkeling van temperatuur en spanningin vloerplaat (ge?soleerd)12Faseringen in de horizontale voorspanningvan de pijlergradi?nt ontstaat in het niet gekoelde wand-gedeelte ten gevolge van een snellere af-koeling aan de buitenzijde. In figuur 8 zijnvoor deze gradi?nt de bijbehorende span-ningen aangegeven.Figuur 9 tenslotte geeft een overzicht van dekoeling in de verschillende stortfaseringenvan de pijler.4.6.2. Thermische isolatie van de pijlervloerBij een niet ge?soleerde pijlervloer doet zichhet verschijnsel voor dat in figuur 10 inbeeld is gebracht. Door het hydratatiepro-ces ontstaat in het onderste deel van devloer een temperatuurverhoging van ca. 40?C. Aan de bovenzijde blijft deze verhogingbeperkt tot ca. 10 ?C. Er ontstaat nu eentemperatuursgradi?nt van ca. 30 ?C. Dezegradi?nt wordt spanningsloos gedurendede eerste twee dagen na het storten opge-bouwd, daar het beton gedurende die perio-de praktisch geen stijfheid bezit (zie fig. 5).Latere afkoeling veroorzaakt nu aan deonderzijde van de vloer hoge trekspannin-gen waardoor gevaar voor scheurvormingontstaat. Thermische isolatie op de boven-zijde van de vloer gedurende 5 dagen na hetstorten verlaagt de gradi?nt aanzienlijk endus ook het niveau van de trekspanningen(fig. 11). Na het verwijderen van de isolatietreden tijdelijk hoge trekspanningen aan debovenzijde van de vloer op.4.6.3. KrimpvoorspanningEen andere maatregel die genomen is omscheurvorming te beperken is de zoge-naamde krimpvoorspanning. Uitgangspunthierbij is om bij elk gestort onderdeel van deconstructie een deel van de voorspanningzo vroegtijdig mogelijk aan te brengen. Hetvoordeel hiervan is dat optredende trek-spanningen die zich in de loop van de tijdopbouwen, door de voorspanning beperktkunnen worden en daarmee het risico vanscheurvorming verminderen.Figuur 12 toont een overzicht van de fase-ring van de voorspanning voor de pijler. Hetnadeel van deze maatregel is dat het nogalwat organisatorische problemen geeft in deuitvoering.4.7. Duurzaamheid in detailsTot dusver zijn de belangrijkste ontwerpuit-gangspunten met betrekking tot de duur-zaamheid behandeld. In de praktijk blijkt datoptredende schadegevallen bij constructiesvaak veroorzaakt worden door onvoldoendeverzorging van details. Dit geldt niet alleenvoor bezwijken van constructies doch ookvoor vroegtijdig onderhoud.In de navolgende voorbeelden zal getoondworden hoe ook in details de duurzaamheidverzorgd is.? Het vullen van de sparingen ten behoevevan de voorspanverankeringen (foto 13).De binnenzijde van de sparing wordt afge-werkt met drie lagen teerepoxy met een to-tale dikte van 150 ?im. De strengen wordenvoorzien van een plastic beschermkapje. Desparingen worden volgespoten met spuit-beton.? Elektrische isolatie van metalen onderde-len aan de buitenzijde van de constructie.Indien metalen onderdelen aan de buitenzij-de van de constructie elektrisch contact ma-ken met de inwendige wapening, ontstaanpotentiaalverschillen, waardoor corrosiewordt ge?nitieerd. Teneinde dit te vermijdenCement XXXIV (1982) nr. 11 73273aGegritstraalde ankersparingen13bVullen van ankersparingen14Elektrische isolatie van de schuifaanslag15Controlemeting elektrische weerstandankerboutworden de metalen onderdelen aan de bui-tenzijde elektrisch ge?soleerd. Figuur 14geeft hiervan een voorbeeld voor de schuif-aanslag. Door middel van een achtervullingmet een expoxymortel is de isolatie tot standgebracht.? Ankerbouten.Die isolatie wordt hier verzorgd door rilsa-nering van het anker. Foto 15 toont de con-trolemeting van de elektrische weerstand.5. Kwaliteitscontrole uitvoeringTot nu toe is gesproken over ontwerpuit-gangspunten die erop gericht zijn een veili-ge en duurzame constructie te verkrijgen.Echter, naast de theoretische uitgangspun-ten is uiteraard de kwaliteit van de uitvoe-ring minstens zo belangrijk. In verband hier-mee is in de organisatie een speciale stafaf-deling 'kwaliteitscontrole' opgenomen. De-ze afdeling beschikt over hoogwaardig ge-schoold personeel en een goed geoutilleerdlaboratorium. Naast de normale controlevan druk- en splijtsterkte van het beton, zet-maat, water-cementfactor enz., worden re-gelmatig kritische details zoals vulling vancenterpengaten, sparingkastjes van veran-keringen en dergelijke op permeabiliteit ge-controleerd. Verder wordt de constructieuitvoerig op grindnesten en ontoelaatbarescheurvorming (> 0,15 mm) gecontroleerd.De afdeling kwaliteitscontrole staat er borgvoor dat de theoretische kwaliteitseisen ookpraktisch worden verwezenlijkt.Literatuur1. De levensduur van de StormvloedkeringOosterschelde; Een rekenkundige benade-ring van het corrosieproces in gewapendbeton, door ir. J.G.Hageman2. Cement nr. 12, 1979, StormvloedkeringOosterschelde: 'Ontwerpcriteria en bereke-ning betonconstructie', door ir. F.F.M, deGraaf en ing.H.H. van Schaik, 'Probabilisti-sche ontwerpmethode', door ing.H.H. vanSchaik en ir.D.KoomanCement XXXIV (1982) nr. 11 733