? ? onderzoek ? voorspanningir.A. Van Acker, Partek Finance nv, Zaventem (B)Tijdens de bijeenkomst Van CENjTC250jSC2 'Design of concrete structures' in septem-ber1.995 in Madrid zijn mogelijke problemen betreffende de duurzaamheid van voorspan-staal aan de orde geweest. Onderwerp van de discussie was het Duitse standpunt dat hettoepassen van uitsluitend voorspanstaal in constructies op de lange duur kan leiden totonveilige situaties. Het Duitse standpunt komt voort uit enkele recent in Duitsland opge-treden ongelukken metvoorgespannen betonnen liggers, waaruit de conclusie is getrok-ken dat alle voorspanstaal vroeg of laat door spanningscorrosie zal bezwijken: is het nietna 30, dan wel na 100 of 200 jaar. Begin december 1995 is een aanvulling op de Duitsenorm DIN 4227 verschenen, waarin in alle voorgespannen constructiedelen een mini-mum-hoeveelheid wapeningsstaal wordt voorgeschreven; het Duitse NAD voor EC2 Deel1 is overeenkomstig gewijzigd.DUURZAAMHEIDVANVOORSPANSTAALCEMENT1997/2De discussie in Madrid betrof het overne-men van de aanvullende Duitse eis in Euro-code 2. Dit zou echter aanzienlijke gevolgenhebben voor de toepassing van (prefab)voorgespannen beton, reden waarom CEN/TC229 'Prefabricated concrete products'aan de hand van een literatuurstudie hierte-gen stelling heeft genomen. Dit artikel ishiervan een weergave.OngelukkenIn de literatuurzijn in de periode 1955-1965enkele gevallen van spanningscorrosie invoorspanstaal vermeld. Het betrof bruggen,silo's en betonnenbuizen. De spanningscor-rosie werd veroorzaakt door indringing vanwater, slechte injectie, een combinatie vanverschillende metalen voor omhullings-buizen en verankeringen, een hoge concen"tratie van natriumcarbonaat in de injectie-mortel enz.De meer recent gerapporteerde ongelukkenzijn alle in Duitsland opgetreden [1], waarbijmoetworden opgemerkt dathierbijin olie af"gehard voorspanstaal was gebruikt.-In Niederbayem zijn in het begin van de ja-ren zestig verscheidene geprefabriceerdevoorgespannen vloeren in rundveestallenbezweken [2,3]. De oorzaak van de scha-de was corrosie van het in olie afgehardevoorspanstaal. De voorgespannen ele-menten waren vervaardigd met alumi-niumcement en de omgevingsconditieswaren in hoge mate agressief. Gedurendekoude perioden in hetjaarwaren de beton-nen elementen, door koudebruggen, on-derworpen aan hevige condensatie. Ditleidde tot een hoge nitraatconcentratie terplaatse van het betonoppervlak. Gesteldwerd dat in de betreffende systemen voordaken of vloeren de schade het grootstwas op plaatsen waar geen betondekkingaanwezig was, of als deze slechts enkelemillimeters bedroeg en het beton extreemporeus was.- In het begin van dejarentachtig bezwekentwee combinatievloeren in varkensstal"len. De voorspanning in deze elementenbestond uit zes ovale draden 3 x 8 mm2;type Sigma- of Neptunstaal St 145/160.- In 1989 bezweek een voorgespannen lig-ger in de omgeving van Mannheim. De lig-ger was voorzien van nagerekt staal: tweekabels met elk 16 draden NeptunstaalN40. De injectiemortel had een relatiefhoog watergehalte. De omgeving wasdroog en niet-agressief.- In 1991 is in een hal in Berlijn de kwaliteitvan in totaal 48 liggers, voorgespannenmet nagerekt staal, onderzocht. De om-hullingsbuizen werden geopend en hetvoofspanstaal werd gecontroleerd. In 256m omhullingsbuis werden 223 gevallenvan bezwijken van draden waargenomen.De dradenwaren vervaardigd van Neptun-staai N40. De omgeving was droog en erbevonden zich geen agressieve stoffen inde injectiemortel.- In 1992 werd ernstige schade geconsta-teerd aan een ligger in een industriehal inM?hlacker. De liggerwas 24 m lang en wasnagespannen met 6 kabels, elk opge-bouwd uit 16 draden Neptunstaal N40.Ook hier was de omgeving droog en wasgeen sprake van agressieve stoffen in deinjectiemortel.47? ? onderzoek ? voorspanningAlle gerapporteerde ongevallen in Duitslandhadden betrekking op voorgespannen vloer-balkjes vancombinatievloeren of nage-spannen balken, die in de vroege jaren zes-tig waren vervaardigd met voorspanstaalNeptun N40. De hoge treksterkte van hetvoorspanstaal was bereikt door geforceerdafharden. In de meeste andere landen in Eu-ropa werd deze techniek niettoegepast van-wege de bekende gevoeligheid voor span-ningscorrosie die hiermee samenhangt. Demeest gebruikteproductietechniek was enis het koudtrekken, gevolgd door ontlaten.De recente conclusie van een groep Duitseexperts luidt dat voorspanstaal van hettypeNeptun N40, geproduceerd van 1960 tot1965, in hoge mate gevoelig is voor span-ningscorrosie. De groep experts conclu~deert ook dat de kans groot is, dat de diffu~sie van waterstof in het staal al is opgetre-den tijdens de bouw, en meer in het bijzon-der gedurende de periode gelegen tussenhetspannen van de kabels en hetverhardenvan de injectiemortel.In Duitsland is het toepassen van extreemgevoelig voorspanstaal (in olie afgehardstaal N40 van de firma Feiten & GuillaumeCarlswerke AG) dan ook niet langer toege-staan.Tot op heden zijn geen vergelijkbare fenome-nen opgetreden bij voorgespannen kanaal-plaatvloeren. Opgemerkt wordt dat hierbijsteeds koudgetrokken vQor$panstaal incombinatie met een betonsterkteklassevan minimaal B 50 wordt gebruikt.E?n van de basisstudies voor de aanvullingop DIN 4227 is uitgevoerd door Hillemeier.Hoewel dit in de tekst niet wordt vermeld,was zijn onderzoek echter gebaseerd op inolie afgehard voorspanstaal. Dit is namelijkaf te leiden uit de hoge waarden voor Si(0,8%) en Mn [4]. In de Europese norm EN10016 - deel 4 zijn aanzienlijk lagere waar-den voorgeschreven, aangezien deze normalleen betrekking heeft op koudgetrokkenstaal.Het mechanisme van de metaalcorrosieEr zijn drie typen corrosie te onderscheiden[5]:? normale corrosie door oplossing (roest) ofputcorrosie;? scheurvorming door spanningscorrosie:een bezwijkprocesdat voortkomt uit eencombinatie van mechanische invloedenen omgevingsfactoren. De scheurvorming48ontstaat door elektrochemische oplos~sing van de elementen die de anode in hetmetaal vormen (ook wel anodischescheurcorrosie genoemd), in combinatiemet interne spanningen. Er is sprake vanzeer lokale oxydatie: de zuurstofatomenbewegen zich in de richting van het staalen vormen daar FeO, Fe2e3 en/of Fe304;? waterstofbrosheid: een bezwijkprocesdoor eveneens zowel mechanische invloe-den als omgevingsfactoren. De beschadi~ging ontstaat door de diffusie van water-stofatomen die door kathodische reactiein de metaalketen terechtkomen, in com-binatie met de aangebrachte trekspan-ning.Het fenomeen spanningscorrosie in voor?gespannen betonconstructiesScheurvorming door spanningscorrosieScheurvormingdoorspanningscorrosie ont-staat door het elektrochemisch oplossenvan metaal ter plaatse van de anode. Descheurvorming ontstaat als twee parame-ters tegelijkertijd optreden: staalspanningenenerzijds en zuurstofatomen aan het opper-vlak van het voorspanstaal anderzijds. Hetlaatste betekent het ontstaan van elektro-chemische condities, eigen aan de perma-nente vorming van zuurstofatomen die be-wegen naar hetstaaloppervlak. Devolgendecondities kunnen tot die situaties leiden:.de aanwezigheid van vocht ter plaatse vanhet staaloppervlak, waardoor een elektro-lytische omgeving wordt gevormd;? een pH < 13, behalve als sprakeis van deaanwezigheid van chloride-ionen (ophef-fen van de passivering);? de aanwezigheid van micro-galvanischekoppels op het voorspanstaal;? staalspanningen hoger dan 800 - 1000N/mm2.WaterstofbrosheidSpanningscorrosiedoor waterstofbrosheidkomt eveneens voort uit hettegelijkertijd op-treden van twee parameters: enerzijds eenstaalspanning en anderzijds waterstof ge-produceerd aan het oppervlak van het voor-spanstaal. Het laatste betekent het ont-staan van elektrochemische condities dieeigen zijn aan het permanente ontstaan vanwaterstof en de bijbehorende diffusie naarhet oppervlak van het staal (aanwezigheidvan W-atomen). Dit kan optreden in zoweleen vroeg stadium, bijvoorbeeld v??r injec-tie van een nagespannen kabel, als in eenlaat stadium doorde poreusheid van onvol-doende dichte beton. De volgende omstan-dighedenkunnen leiden tot deze vorm vanspanningscorrosie:? de aanwezigheid van vocht aan hetstaaloppervlak, waardoor een elektroly-tische omgeving ontstaat;? de aanwezigheid van waterstofatomen terplaatse van het staaloppervlak;? de aanwezigheid van stoffen die de vor-mingvan atomaire in plaats van moleculai-re waterstof (H2 ) bevorderen (bijvoorbeeldde anionenSH- en CN-);? de aanwezigheid van micro-galvanischeelementen.Eerst en vooral moet water worden be-schouwd als het meest schadelijke element(water leidt tot een elektrolytische omge-ving). Zuiverwaterkan omstandigheden ver-oorzaken die spanningscorrosie bevorde-ren, zelfs door het enkele effect van verschilin vochtigheid. Een testprocedure ontwik-keld door Brachet [6] toont aan dat bij deomgevingstemperatuur waterstof zeer snelin het staal doordringt.De volgende situaties zijn gevaarlijk:? Water kan al aanwezig zijn inomhullings-buizen van nagespannen kabels voordathetspannen van de kabels heeftplaatsge~had. Als niet onmiddellijk na hetspannenwordt ge?njecteerd, kan, eventueel afhan-kelijk van de pH, voortijdige diffusie vanwaterstof optreden.? Andere schadegevallen zijn opgetreden inkabels van hangbruggen, waarbij de be-scherming onvoldoende waterdicht was.? Slechtverdicht beton maakt hetvoor watermogelijk de wapening te bereiken.ConclusiesDe frequentie van het bezwijken van voorge-spannen betonconstructies ten gevolge vanspanningscorrosie, veroorzaakt door water~stofbrosheid, is extreem laag als het wordtvergeleken met de uitgebreide toepassingvan voorgespannen beton in Europa. Ditvindt zijn oorzaak in het feit dat het feno-meen pas optreedt als ongunstige omstan-digheden tegelijkertijd optreden. Als sprakeis van een correct uitgevoerde constructietreden deze omstandigheden niet op. Dezeomstandigheden zijn:? het gebruik van staal dat gevoelig is voorspanningscorrosie;? de vorming van elektrochemische condi-ties, waardoor permanent waterstofato-men worden gevormd die vervolgens tot inhet staal doordringen.Alle in Duitsland opgetreden schadegeval-CEMENT1997/2len betroffen constructies waarbij hetzelfdetype spanningscorrosie-gevoelig staal, na-melijk Neptun N40, was toegepast en datpermanent tijdens het gebruik of voordat in-jectie had plaatsgehad, in contact is ge-weest met water en/of agressieve chemi-sche stoffen.Ontwerpregels en voorschriften moetendaarom dan ook rekening houden met de ri-sicofactoren die samenhangen met het op-treden van spanningscorrosie:OmgevingsconditiesIn een droge omgeving is de kans op het op-treden van spanningscorrosie nagenoegge-lijk aan nul.Wijze van voorspannenBij het toepassen van voorgerekt voorspan"staal is, met name bij prefabricage onderstrikte kwaliteitscontrole, de kans op hetop-treden van spanningscorrosie verwaarloos-baar klein doordat:? de voorspandraden of -strengen volledigworden omhuld door beton;? de verankering over de gehele lengte vande voorspanning functioneert.Bij het toepassen van nagerekt voorspan-staai moet er voor worden gezorgd dat:? water zich niet kan ophopen in de omhul-lingsbuizen alvorens injecteren plaats-heeft;? de injectiemortel geen agressieve stoffenbevat;? de omhullingsbuizen volledig worden ge-vuld.Bij goed toezicht op het werk worden dezeproblemen voorkomen.Detaillering van de constructieHierbij moet onderscheid worden gemaakttussen ge?soleerde en niet-ge?soleerde con-structiedelen.Er is sprake van ge?soleerdeconstructiede-len als, in het geval van bezwijken, geen se-cundair mechanisme voor belastingsaf-dracht aanwezig is, zoals bijvoorbeeld doorherverdeling van interne krachten en mo-menten.Bij een niet-ge?soleerd constructiedeel, zo-als bijvoorbeeld een vloer opgebouwd uitge-prefabriceerde betonnen elementen, is dekans op bezwijken zeer gering omdat dan al-le elementen tegelijkertijd zouden moetenbezwijken ten gevolge van spanningscorro-sie. In feite betekent dit dat alle voorspanka-bels in de gehele vloer op hetzelfde tijdstipen in dezelfde doorsnede zouden moetenbezwijken.CEMENT1997/2Kwaliteit van de uitvoeringBetonelementen met voorgerekt voorspan-staai meteen goede dekking op hetstaal envervaardigd van een goed dicht beton (goe-de mengselsamenstelling en verdichting),voldoen aan alle voorwaarden om span-ningscorrosie te vermijden. Ditgeldt zelfs ineen vochtige en agressieve omgeving. Bij na-gerekt voorspanstaal moeten, in aanvullingop de eisen betreffende voldoende beton-dekking en dicht beton, alle maatregelenworden genomen om te voorkomen datvocht e%~~f water doordringt in de omhul-lingsbuizen. Het is dan ook noodzakelijk datde omhullingsbuizenperfectworden gevuld.Levensduur van de constructieBetonconstrcuties worden niet voor de eeu-wigheid, maar voor een normale levensduurgebouwd: ongeveer 50 jaar voor gebouwenen omstreeks 100jaar voor bruggen. Als deconstructie na het verstrijken van deze ter"mijn in gebruik blijft, moet de veiligheid ervanopnieuwworden beoordeeld. Deze procedu-re is economisch meer verantwoord dan bijhet ontwerp te moeten uitgaan van een le-vensduurvan meer dan 100jaar. Een gevolghiervan is, dat nieuwe methoden moetenworden ontwikkeld die het mogelijk makende kwaliteit van voorspanelementenin eenconstructie te beoordelen.Literatuur1. W?lfel, E., Einzelne Spannbetonbauteilem?glichterweise durch verz?gerte Spann-stahlbr?che gef?hrdet. Anlage zum DGVRundschreiben nr. 154, 1994.2. Rehm, G., Sch?den an Spannbetonbau-teilen, die mit Tonerdeschmelzzement her-gestellt sind. Betonstein-Zeitung 1963, nr.12.3. Rehm, G., UN?rnberger en N.V.Waubke,Untersuchungen aus Viestalldeckenim Hin-blick auf Spannungsrisskorrosionserschei-nungen. Betonwerk- und Fertigteiltechnik1973, nr. 9.4. Hillemeier, B., Das Erkennen von Spann-drahtbr?chen an einbetonierten Spann-st?hlen. TU Berlin, 1994.5. Raharinaivo, A., Conditions de durabilit?des armatures du b?ton pr?contraint.Travaux, oktober 1983.6. Brachet, M., Bilan de guelques ann?esd'observation des ph?nom?nes de corrosi-on sous tension des aciers ? hauter?sistan-ce. AITBTP nr. 267 -268;maart-april1970.?49
Reacties