? ? materialen?dr.R.B.Polder, TNO Bouwen dr.R.F.M.Bakker, stichting Optimat,respectievelijk rapporteur en voorzitter van CUR-commissie B47 'Kathodische bescher-ming van beton'Reeds eerder is in Cement over kathodische bescherming gepubliceerd [1, 2]. Sinds deeerste toepassing in 1987 isin de praktijk ruime ervaring opgedaan en is laboratoriumon-derzoek uitgevoerd [3]. Die ervaring isdoor CUR-commissieB47 bijeengebracht en vast-gelegd in CUR-Aanbeveling45, die bij dit nummer van Cementisgevoegd. In ditartikel zaleerst worden uiteengezet op welk principe de kathodische bescherming berust, vervol-gens zal worden behandeld hoeditin de praktijkin hetgeval vangewapend beton kan wor-den gerealiseerd. Tenslotte zal worden aangegeven in welke gevallen kathodische be-scherming als mogelijke preventie van te verwachten corrosie in ieder geval zal moetenworden overwogen.KATHODISCHE BESCHERMINGVANWAPENING INBETON18Kathodische bescherming is een reeds de-cennia bekende techniek om metaal tegencorrosie (het in oplossing gaan van het me-taal) te beschermen. Met name bij onder-grondse leidingsystemen en bij schepenwordt deze techniek veelvuldig toegepast.Kathodische bescherming, verder aange-duid als KB, zal echter bijna nooitde primairebeschermingzijn. Zo zal bij een pijpleiding deprimaire bescherming geleverd moeten wor-den dooreen coating. Echter, de coating kangebreken vertonen of beschadigd zijn. Opdie plaatsen kan dan toch corrosie optre-den, hetgeen zal leiden tot lokaal doorroes-ten van het metaal, met lekkages als moge-lijkgevolg. KB zorgt er nu voor datop die (vante voren niet bekende) plaatsen, waar decoating verdwenen is, het metaal niet in op-lossing kan gaan.Op analoge wijze kan de wapening in betonworden beschermd indien de normale be-scherming (de betondekking) het lokaal aflaat weten. KB kan ook worden toegepastin-dien isvastgesteld dat de dekking of de kwa-liteit van de dekking onvoldoende is om co~rosie van de wapening tijdens de geplandelevensduur te beschermen.Principe van KBIndien wapening corrodeert hebben op hetstaaloppervlak steeds twee reacties gelijktij-dig plaats, een anodische reactie:Fe --+ Fe2++ 2 e- (1)en een kathodische reactie:02+2H20+4e---+40H- (2)Indien nu ??n van beide reacties kanwordenverhinderd, zal de andere reactie evenminplaatshebben. De reacties houden elkaarnamelijk in stand. De anodische reactie le-vert de elektronen die de kathodische reac-tie nodig heeft en omgekeerd neemt de ka-thodische reactie de elektronen op die deanodische reactie levert. Dit is de essentievan een elektrochemische reactie.De anodische reactie wordt onder normaleomstandigheden verhinderd, doordat in hetbetonmilieu het staal is gepassiveerd. Deijzerionen (Fe2+) kunnen de passivering-slaag niet passeren. Bij neutralisering vanhet alkalisch milieu in het beton (meestaldoor carbonatatie) of bij aanwezigheid vante veel chloriden rond de wapening, zal depassiveringslaag worden doorbroken en zul~len de Fe2+-ionen in oplossing kunnen gaan.Door KB kan dit nu worden verhinderd. KBhoudt juist in dat elektronen worden toege-voerd aan het staal. Dit heeft verschillendegevolgen:? de anodische reactiesnelheid wordt ver-minderd doordat de potentiaal negatieverwordt; het negatievere staaloppervlaktrekt de positieve ijzerionen sterker aan,waardoor reactie (1) naar linksverschuift;? de elektronen reageren met zuurstof enwater tot hydroxyde-ionen volgens (2),waardoor het porievocht rondom het(voorheen anodisch reagerende) staal al-kalischer wordt en de passivering weerwordt verbeterd;? negatief geladen chloride-ionen wordenweggedrukt van het staal, waardoor dedoorbreking van de passiveringslaagweerkan worden hersteld.CEMENT1996/9!T 4 -_Lstaal lkathodeje__. .__ .-_._.-CD Elektrisch circuit bij kathodische be-scherming van wapening in betonAnodestroomdichtheidZoals hiervoor is aangegeven hangt de hoe-veelheid stroom door het systeem af van depotentiaal en dient overbescherming van dewapening door te veel stroom te worden ver-meden. B? een homogeen systeem zal over-al evenveel stroom lopen. In de meeste ge-vall?n echter zal in iedergeval het beton niethomogeen z?n, met name de grootte en dekwaliteit van de dekking. Het gevolg hiervanis dat ook de ionenstroom door het betonplaatsel?k veel groter kan z?n dan elders.Dat betekent dan ook dat er op die specifie-ke locaties verschil zal z?n in de hoeveelheidionen die de anode opneemt en de hoeveel-heid zuurstof of chloride die daar wordt vrij"gemaakt. De stroomdichtheid zal daar danveel groter z?n, met het gevolg dat de anodedaarsneller wordt aangetast. Vandaar dat inde Aanbeveling ook beperkingen worden ge-steld aan de stroomdichtheid.Indien b? de juiste beschermingspotentiaalde stroomdichtheid plaatselUk te groot zouworden, dienen maatregelen te worden ge-nomen om deze locaties minder ionengelei-dend te maken. Vandaar ook dat bij het on-derzoek aan de constructie de weerstandtussen wapening en betonoppervlak dientte worden gemeten om vast te stellen of ergeen te grote verschillen in weerstand aan-wezig z?n. Inzicht in deze weerstand is danook noodzakel?k voor het ontwerp en de uit-voering van KB.De maximaal te accepteren stroomdicht-heid is afhankel?k van het gekozen ano"desysteem en is voor op koolstof gebaseer"de systemen gesteld op 20 mA/m2 en voorop geactiveerd titanium gebaseerde syste-men op 100 mA/m2? De achtergrond van ditverschil is datkoolstof (grafiet) in zekere ma-te wordt aangetast (verbruikt) door het ge-bruik als anode, geactiveerd titanium echterniet.Dit toevoeren van elektronen aan de wape-ning kan plaatshebben door de wapeningaan te sluiten aan de negatievepool van eengel?kstroombron, b?voorbeeld een accu ofeen gel?krichter (aangesloten op het wissel"stroomnet). Omdat de elektronen in hetstaal zullen weglekken door de kathodischereactie, die nu juist wel wordt gestimuleerd,zullen er continu elektronen in het staalmoeten worden gebracht. Dit betekent datde stroomkring dientte worden gesloten. Deelektronen die het staal verlaten, moetenweernaarde positieve pool van de (externe)spanningsbron worden teruggevoerd omweer opnieuwte kunnen worden toegevoerdaan het wapeningsstaal. De positieve poolvan de spanningsbron dientdan ook contactte maken met het beton, om de door het be-ton aangevoerde negatieve ionen van elek-tronen te ontdoen. Het elektrische circuit isweergegeven in figuur 1.Om een minimale weerstand te hebben tus-sen de minpool van de spanningsbron enhet wapeningsstaal wordt de negatieve poolaan de wapeningsstaaf gelast. De aange-voerde elektronen verlaten het staal opplaatsen waar de kathodische reactie (om-zetting van zuurstof) plaatsheeft. Via de OH-ionen worden de elektronen getranspor-teerd naar de op het beton extern aange-brachte anode. Deze externe anode, die po"sitief is geladen door contact met depluspool van de spanningsbron, zet de ge-vormde OH-ionen weer om in zuurstof en wa"ter volgens:40H--'2H20+02 +2e- (3)De door de externe anode opgenomen elek-tronen worden afgevoerd naar de pluspoolvan de spanningsbron. Hiermee is hetcircuitgesloten. In theorie een simpel verhaal.Praktisch r?zen nu de volgende vragen:? hoe en waar brengen we de externe anodeaan op het beton;? hoe stellen we vast dat de potentiaal vande wapening voldoende negatief is om de?zerionen vast te houden (de zogenaam-de beschermingspotentiaal);? kan de potentiaal ookte laagz?n en watz?ndan de consequenties;? hoe is de potentiaal te regelen;? de wapening mag dan wel beschermdz?n, maar hoe duurzaam is het anodesys-teem;? hoe moet het KB-systeem worden ontwor"pen;? hoez?n hetonderhoud en de bewakingvanhet systeem geregeld?Aanbrengen van de anodeVoordat KB, dus ook het aanbrengen van deanode, kan plaatshebben, dient het gewa-pend beton op die plaatsen waar schade isontstaan, te worden gerepareerd. KB ver-vangt dus niethetrepareren, maarvoorkomtverdere schade. De externe anode zal ver-volgens op die plaatsen moeten worden ,aangebracht, waar gedurende de levens-duur corrosie van de wapening te verwach-ten is.Onderzoek aan de constructie zal dan ooknoodzakel?k z?n om dit risico te beoordelen(zie CUR-Aanbeveling 45, onder 6.).Omdat ionentransport van het wapenings-staal (de kathode) via het beton naar de ex-terne anode moet plaatshebben, dient dezeanode goed geleidend aan het beton te wor-den bevestigd.BeschermingscriteriumUit figuur 1 is duidelijk dat de corrosiesnel-heid van het staal afhangt van de hoeveel"heid elektronen die worden toegevoerd ende potentiaal die het staal daardoor aan-neemt. Omdat niet exact de potentiaal kanworden aangegeven waarb? staal in een be-tonconstructie beschermd is, wordt vooreen ander criterium gekozen. Dat criteriumis het verschil in potentiaal van het staal meten zonder stroomtoevoer vanuit de KB-voe-ding. Als criterium wordt aangehouden hetverschil in potentiaal, gemeten direct na hetuitzetten van de stroombron en 4 tot 24 uurlater. Deze waarde wordt depolarisatie ge-noemd en moet groter z?n dan 100 mV.B?een te groot verschil (250 mVof meer) isde potentiaal van het staal te laag en zaloverbescherming optreden. Voor de wape-ningkan dat geen kwaad. Echter, zoals uithet schema in figuur 1 is af te leiden, zalnaarmate de potentiaal van het staal lageris, er meer stroom gaan lopen en dus ookmeer zuurstof aan de anode worden ge-vormd. Afhankel?k van de samenstelling vande externe elektrode zal deze hierdoor meerof minder snel worden aangetast. Overbe-scherming moetdan ook nietzozeer wordenvermeden ter bescherming vanhetstaal, alswel ter bescherming van de externe anode(zie CUR-Aanbeveling 45, onder 4.).In chloridehoudend beton komt daar nogeen mogel?ke aantasting van de anode b?,doorgevormd chloorgas. Chloride-ionen zui-len immers door de positieve anode wordenaangetrokken en daar hun elektronen afge-ven onder vorming van chloorgas volgens:2CI--'CI2+2e- (4)rexterne anode4e- ~/l"2HzO Oz 40Wbeton ~l/--.!:t4+\CEMENT1996/9 19? ? materialen?+ +Ir%t IJf l? Meetmethode voor het bepalen van despanningsval in de anodeAlkali-silicareactieBij zeer natte constructies in portlandce-mentbeton moet de gevoeligheid vooralkali-silicareactie (ASR) worden beoordeeld vol"gens CUR-Aanbeveling 38. Indien het betongevoelig is voor ASR, moet de beslissing omkathodische bescherming toe te passenworden heroverwogen. Door de wapeningeen negatieve lading te geven (zoals bij KBnadrukkelijk de bedoeling is), worden name"lijk natrium- enkaliumionen aangetrokken.Indien het toeslagmateriaal reactief iS,kanhierdoor het alkaligehalte plaatselijk bovende kritische waarde komen te liggen en kanASR-schade ontstaan. Bij speciaal hiervooropgezette proeven is het 'gelukt' expansiedoor ASR op te wekken [4]. Bij twijfel kanworden onderzocht of er bij toepassing vanKB gevaar bestaat voor ASR.Externe stromenGecontroleerd moet worden of nabij de con-structie gelijkstroombronnen aanwezig zijn,zoals gelijkstroomtractie of KB van andereobjecten. Onderlinge be'invloeding (interfe-rentie) kan schadelijk zijn en moet wordenvoorkomen.OntwerpOp basis van het onderzoek aan de te be-schermen constructie worden het ontwerpen de begroting gemaakt. Er moet voor wor-den gezorgd dat de stroom (de elektronen)betrouwbaar en in voldoende mate naar dewapening loopt. Daarpm dient aandacht teworden besteed aan devolgende aspecten:? de hoedanigheid van de constructie;? de plaatsing van de anode;? de materialen (reparatiemortel, anode);? het elektrisch ontwerp (voeding, zones,monitoring);? uitvoeringsaspecten;? eventueel een proefprojectfase.Hoedanigheid van de constructieHet beton mag geen scheuren bevatten dieKB nadelig kunnen beinvloeden. Delamina-ties vormen een belemmering voor de20stroomloop; wijde scheuren loodrechtophetoppervlak kunnen paden vormen met lageweerstand, waardoor plaatselijk een te hogestroomdichtheid ontstaat. Gedelamineerdbeton zal moeten worden verwijderd en ver-vangen. Wijde loodrechte scheuren (> 0,3mm) moeten worden ge?soleerd of ge'injec-teerd.Kunstharsgebonden mortels gelei-den geen stroom; dit kan betekenen datoude reparaties verwijderd moeten wordenom een gelijkmatige stroomdoorgangte rea-liseren. Dit geldt ook voor coatings die destroomdoorgang verhinderen.Plaats van de anodeDe beste plaats van de anode ten opzichtevan de doorsnede moet worden bepaald.Vaak zal die logisch voortvloeien uit de geo-metrie van het bouwdeel en/of de bron vanaanwezig chloride. Bijvoorbeeld bij ??n wa"peningsnet in een galerijplaat met corrosiedoor ingemengd chloride kan de anode een-zijdigworden aangebracht, welkezijde is on-belangrijk. In een prefab balk met inge-mengd chloride, met staven in de hoeken enbeugels, ligt het voor de hand de anode alzij-digaan te brengen ofcentraal in de doorsne-de. Bij een brugdek met uit dooizout inge-drongen chloride zal een anode op de boven-kant het meest effectief zijn.De stroom moet gelijkmatig worden ver-deeld, ook binnen de externe anode zelf.Door de inwendige weerstand van de anodezal de potentiaal van de anode afnemennaarmate de afstand tot de positieve poolvan de spanningsbron toeneemt. Hierdooris er een maximum-anodeoppervlak dat kanworden gevoed door een invoerdraad die deverbinding vormt met de positieve pool.Daarom wordt gesteld datde spanning op in-dividuele plaatsen binnen de anode tenhoogste 10% lager mag zijn dan de klem"spanning ( = de totale spanning op het sys-teem) (fig. 2).Anodesystemen en anodematerialen wor-den beschreven in een informatieve bijlagebij de Aanbeveling. Belangrijk blijft, zoalsreeds gesteld, dat vanwege de duurzaam-heid de stroomdichtheid per anode-opper-vlak wordt beperkt tot 20 mA/m2voor opkoolstof gebaseerde systemen en tot 100mA/m2 voor op geactiveerd titanium geba-seerde systemen.VoedingDe voeding moet ten minste een stroomkunnen leveren die voldoende is voor 20 tot50 mA/m2staaloppervlak. In de praktijk isgebleken dat op den duur aanzienlijk lagerestroomdichtheden voldoende zijn. Dit wordtwaarschijnlijk veroorzaakt door de al ge-noemde toename van de hydroxyde-ionen-concentratie en afname van de chloride-io-nenconcentratie bij de wapening en moge-lijk doordat er minder vocht bij de wapeningkomt (een bij-effect van coatings en dekla-gen). De omstandigheden worden na ver-loop van tijd minder agressief en er is dusminder stroom nodig om de agressiviteit tecompenseren.ZonesEen installatie moet worden opgedeeld inverschillende zones als het beton in elek-trisch opzicht niet min of meer gelijk is, bij-voorbeeld doordat een deel nat is (blootge-steld aan weer en wind), terwijl een anderdeel beschut is. In het natte deel zou veelmeer stroom gaan lopen dan in het drogedeel. In principe is dit geen bezwaar, omdatde meeste stroom ook daar hoort te lopenwaar de corrosieve omstandigheden hetmeest ongunstig zijn. Het probleem is ech-ter, datde stroomdichtheid plaatselijk bovende, in verband met de duurzaamheid van deanode vereiste waarde kan komen, terwijlhetgemiddelde van de zone onder die waar-de ligt. Om dit te voorkomen worden eisengesteld aan de elektrische weerstand vanhet beton in een zone. Als richtwaarde geldtdat de elektrische weerstand van de beton-dekking nietmeervarieertdan een factor 2.MonitoringDe controle van de bescherming geschiedtdoor het uitvoeren van een depolarisatie-proef. Hierbij wordt de reactie van de staal-potentiaal gemeten over een periode van 4tot 24 uurna het uitschakelen van de stroom(fig. 3). De metingen worden uitgevoerd metreferentie-elektroden die in het beton wor-den aangebracht. De bescherming van hetstaal wordtgecontroleerd in de directe nabij-heid hiervan. De representativiteit is daar"om van groot belang. Het aantal referentie-elektroden is ten minste drie per installatieof ??n per 100 m2? Zij moeten bij de poten-tieel meest corrosieve plaatsen worden in-gebouwd. Als de bescherming daarvoldoen-de is, is dit het geval op alle plaatsen in deconstructie. Metingen kunnen ook wordenverricht met externe elektroden die tijdelijkop het betonoppervlak worden geplaatst.Een beschrijving van de verschillende soor"ten referentie-elektroden wordt in een infor-matieve bijlage bij de Aanbevelinggegeven.CEMENT1996/9spuitbetondeklagen mag op een langere le-vensduur worden gerekend.? Verloop van de staalpotentiaal tijdenseen depolarisatieproet (controle van de cor-rosiebescherming)252015depolarisatiestroom Uit1--7 tijd (uur)"5 0 5 10Na voltooiing van een deel van een zonemoet de weerstand tussen anode enkatho-de worden gemeten om kortsluiting vollediguit te sluiten. De Aanbeveling geeft richt-waarden voor het uitvoeren en beoordelenvan deze proef.>..?. -250roro+:c:2o0.-3501KabeJsen verbindingenKabels en verbindingen moeten goed zijnge?soleerd; vooral in het anodecircuit zijn zijgevoelig voor versnelde corrosie bij slechteisolatie. Aanbevolen wordt de doorsnedevan kabels zo te kiezen, dat despanningsvalerin wordt beperkt tot maximaal 5% van deklemspanning en ten minstetwee kabelaan-sluitingen per zone (zowel in de plus- als deminleiding) te maken om de storingsgevoe-ligheid te beperken. Kabels in het positieve,negatieve of monitoring-circuit moeten alszodanig herkenbaar zijn aan de kleur en bijde voeding per zone worden gemerkt.Verbindingen moeten goed en deugdelijkcontact maken. Hiervoorworden schroeven,klemmen en lassen gebruikt. Bij een verbin"ding moet roest zorgvuldig van de wapeningworden verwijderd. Als richtwaarde voor deweerstand tussen kabel en wapening geldtmaximaal 1 Q.ProefprojectenSoms kan een proefproject worden uitge-voerd om bepaalde details of varianten vanhet ontwerp of de uitvoering te toetsen.Meestal wordt dan op meer punten en/offrequenter gemeten dan normaal. Indieneen proefproject nodig wordt geacht, moetde proetten minste drie maanden bij gema-tigde temperatuur worden uitgevoerd omvoldoende representatief te zijn.UitvoeringBij de uitvoering worden de ontwerpuit-gangspunten gecontroleerd. Het gehele be-tonoppervlak wordt nagelopen, waarbij:? losse delen en delaminaties worden opge-spoord, verwijderd en gerepareerd volgenshet ontwerp;? plaatsen met lage dekking ? 10 mm)worden opgespoord, opgedikt of ge?so-leerd;? eventuele vermindering van de kenmiddel-lijn van de wapening wordt bepaald, opgrond waarvan zonodig wapening wordtbijgelegd;? eventuele binddraadjes en ander materi-aal in het oppervlak worden opgespoorden verwijderd of ge?soleerd; dit zijn plaat-sen waar kortsluiting kan ontstaan.Het reparatiewerk moet uiteraard volgensde regels van de kunst worden uitgevoerd(goede voorbehandeling, correct verwerkenvan mortels, nabehandeling, afkloppen opgoede hechting enz.). Voorstrijken met eenpolymeergebonden hechtbrug is niet toege-staan, omdat die de stroomdoorgang be-lemmert.Ten minste 14 dagen na hetvoltooien van deinstallatie worden zogenaamde nulmetin-gen uitgevoerd van weerstanden en poten-tialen. De stroom wordt kort aangezet en erwordtgecontroleerd ofde polariteit (min aande wapening) correct is. Als dit in orde is,wordt de installatie geactiveerd door destroom aan te zetten op een uit ervaring ge-schatte beginwaarde. In de eerste driemaanden wordt regelmatig de bescherming(depolarisatie) gecontroleerd en eventueelwordt (voorzichtig) b?geregeld. Daarna gaatde onderhoudsperiode in. De details van deuitvoering en de elektrische metingen moe"ten goed worden gedocumenteerd om hetopsporen van eventuele defecten in de toe-komst te vereenvoudigen.Periodieke controle en onderhoudIn de onderhoudsperiode worden controleen onderhoud meestal geregeld via een con-tract tussen de beheerder en het uitvoerendbedr?f. Dit houdt in: controlevan de depola-risatieten minste elke zes maanden,metb?-regelen als dat nodig is (zie eisen); visuelecontrole eenmaal perjaar. Herstel van even-tuele defecten zal geregeld moeten z?n. Metbehulp van computers en modemverbindin-gen kan de monitoring en het b?sturen op af-stand gebeuren.Op grond van de huidige ervaring met KBwordt verwacht dat de tijd tot groot onder-houd ten minste 10jaarzal bedragen. Na dieterm?n kan het nodig z?n (groot) onderhoudaan geleidende coating-anodes te plegen.B? systemen met geactiveerd titanium enWanneer KB te overwegenUithethiervoorgestelde zal duidel?kZ?n dat,hoewel het principe van KB simpel is, detechniekniet eenvoudig is en als vrij specia-listisch moet worden aangemerkt.De uiteindelijke vraag wanneer toe te pas-sen zal meestal op grond van economischebeschouwingen moeten wordenbeant-woord. Er is vooralsnog geen geval te beden"ken waarb? KB de enige technisch mogelijkeoplossing is. KB zal dan ook steeds in concu-rentie staan met alternatieve oplossingen.B? deze beschouwingen mag het voor KBnoodzakel?ke onderhoud nietworden verge-ten. KB dient in ieder geval als oplossing teworden beschouwd in constructies met gro-te chloridehoudende oppervlakken, waarb?verwacht mag worden dat een groot gedeel-te van de wapeningzal (gaan) corroderen in-dien geen maatregelen worden getroffen.In een volgend artikel zal verslag worden ge-daan vaneen aantal projecten waar geko-zen is voor kathodische bescherming.Literatuur1. Van der Wegen, G., Polder, R.B., Kathodische be-scherming van wapeningsstaal in beton. Cement1988, nr. 6.2. Nuiten, P.C., Polder, R.B., Kathodische bescher-ming van gewapend beton, achtergronden bij hetontwerpen en dimensioneren. Cement 1991, nr. 4.3. CUR-rapport 94-7, Experimenteel onderzoek naarkathodische b?scherming van gewapend beton.CUR, Gouda, 1994.4. Sergi, G., Page, C.L., Thompson, O.M., Electroche-mical induction of alkali-silica reaction in concrete.Mater/als and Structures 1991, nr. 24. ?CEMENT1996/9 21