Levensduur beton2201176Levensduur betonTegenwoordig kunnen betonconstructies in chloridehoudend milieu worden ontworpen oplevensduur. De vereiste prestatie van het beton kan proefondervindelijk worden bepaald. Opbasis van eerdere ervaringen is de methode DuraCrete zodanig aangepast dat een levensduur-ontwerp nu kan worden gemaakt op drie niveaus: met behulp van ontwerptabellen, semi-proba-bilistisch en (volledig) probabilistisch. Ook kwaliteitscontrole tijdens de productie is mogelijk.Dit artikel gaat in vogelvlucht in op de achtergronden van CUR Leidraad 1.Materiaalonderzoek in beweging (4)geleden is hiervoor een kwantitatieve methode ontwikkeld inhet Europese onderzoeksproject DuraCrete [1]. In de eerstejaren daarna is de methode met succes toegepast op ondermeer de hogesnelheidslijn. Het gebruik was echter dermateingewikkeld dat er behoefte ontstond aan een vereenvoudigdemethodiek. CUR voorschriftencommissie VC81 is in 2003hieraan begonnen, wat in 2009 leidde tot publicatie van CURLeidraad 1 [2]. Dit artikel gaat in vogelvlucht in op de achter-gronden en de verschillende varianten. Voor details wordtverwezen naar de volledige Leidraad.In dit artikel wordt een methode behandeld waarmee eisenkunnen worden gesteld aan materiaaleigenschappen met hetoog op toepassing in constructies in agressief milieu. Daarmeegaat het dus niet om onderzoek naar specifieke (verbeterde)materiaaleigenschappen maar over de beoordelingssystematiek.Het belang van een betrouwbare lange levensduur van beton-constructies wordt al geruime tijd ingezien: onderhoud enreparaties moeten tot een minimum worden beperkt omdat zij(veel) geld kosten en het gebruik belemmeren. Ruim tien jaarLevensduur beton 22011 77+ ?Na+Cl?Na+OH?1 Schematische opzet vande Rapid ChlorideMigration (RCM) proef. Inhet gele gebied is chlorideingedrongenAchtergrondAl sinds het eerste Bouwbesluit kennen we het begrip prestatie.In het kader van levensduur gaat het om het beperken van degevolgen van veroudering en aantasting op de lange termijn.Omdat het meest voorkomende aantastingsmechanisme bijbetonconstructies wapeningscorrosie is, en voor civieleconstructies vooral de door chloride-ge?nitieerde vormdaarvan, ligt daarop de nadruk. De eenvoudigste `levensduur-prestatie' is de afwezigheid van corrosie-initiatie. De kans opcorrosie-initiatie wordt aanzienlijk als het chloridegehalte bijde wapening het kritisch chloridegehalte bereikt. Het tijdstipwaarop dat gebeurt, is afhankelijk van belasting (milieu), mate-riaal (dichtheid voor chloride en oorspronkelijk gehalte) endikte (betondekking), en daarom moet dat worden voorspeldmet behulp van een rekenmodel. Modellen voor chloriden-transport bestaan al decennia; de meeste zijn gebaseerd opdiffusie. Een praktisch bruikbaar model moet voldoen aannogal wat eisen: de formule(s) moet(en) fysisch correct of tenminste empirisch onderbouwd zijn, de input moet duidelijkomschreven zijn, de belangrijkste invloedsfactoren (materiaal,milieu) moeten vertegenwoordigd zijn en de uitkomstenmoeten gevalideerd zijn.Een dergelijk model is ontwikkeld in [1], onder meer gebaseerdop langeduur-expositieproeven. Belangrijke aspecten zijn eenmethode voor het meten van de weerstand tegen chloriden-transport van een bepaald beton en (waarden voor) co?ffici?n-ten voor nabehandeling, cementsoort, milieu en oppervlakte-chloridegehalte.Een fundamenteel verschil met het verleden is dat daarnaasthet betrouwbaarheidsdenken in het levensduurontwerp werdge?ntroduceerd. In het constructief ontwerp kent men al veellanger het begrip betrouwbaarheid: men ontwerpt op een uiter-ste grenstoestand (bezwijken) met een faalkans van circa 0,01%(betrouwbaarheidsindex 3,6). In DuraCrete werd gesteld datcorrosie-initiatie qua ernst en gevolgen niet overeenkomt metbezwijken; het is een vorm van waarschuwen dat op enigetermijn actie nodig is, enigszins vergelijkbaar met een bruik-baarheidsgrenstoestand. Daarom mag de faalkans groter zijndan voor bezwijken, bijvoorbeeld 1 tot 10%. Dit maakt nodigdat de levensduur probabilistisch wordt berekend. Een `gewone',dat wil zeggen deterministische, berekening leidt tot een kansvan 50% op de gebeurtenis (hier corrosie-initiatie). Een kansvan 50% op corrosie-initiatie zou ertoe leiden dat binnen delevensduur op grote schaal reparaties nodig zijn (en op enigeschaal ook al ruim daarvoor); dat is niet acceptabel! Een proba-bilistische berekening neemt de onzekerheden (in materiaal,model, afmeting, belasting enz.) zo goed mogelijk mee.Deze benadering is een breuk met het verleden: sinds middenjaren 80 is duurzaamheid geregeld via een receptbenadering(`deem-to-satisfy' regels): een maximum water-cementfactor(wcf) en een minimum cementgehalte (plus een minimumdek-king), afhankelijk van de milieuklasse. De levensduur is hierbijniet gekwantificeerd en alternatieven (nieuwe materialen)kunnen niet goed worden vergeleken. Belangrijk is ook datgeen onderscheid wordt gemaakt tussen cementsoorten en dateconomische optimalisatie niet mogelijk is. In een tijd dat deopdrachtgever ontwerp en materialen bepaalde, voldeed dit.Met het terugtreden van de overheid en het stellen van presta-tie-eisen ontstaat vrijheid voor de markt op economisch opti-prof.dr. Rob PolderTNO / TUDelft, fac. CiTGdr.ir. Gert van der WegenSGS INTRON B.Vprof.dr.ir. Klaas van BreugelTUDelft, fac. CiTG1Serie Materiaalonderzoek in bewegingDit is het vierde deel van een serie over materiaal-ontwikkelingen vanuit de sectie Materialen enMilieu bij de TU Delft, faculteit CiTG. In de seriekomen de volgende thema's aan bod:? Simulaties van virtuele microstructuur (Cement2010/2)? Simulatie van scheurvorming (Cement 2010/3)? Ontwerpen op levensduur (Cement 2011/2)? Vorst-dooischade? Kathodische bescherming? Zelfherstellend beton? Ecologische footprint? Multiscale modellen? NanotechnologieLevensduur beton22011780102030400,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65CEM ICEM III/A&B slak > 45%CEM I 52.5 R + 21-30% vliegasvliegas extrapolatieD(RCM)x10??m?/swbf2 RCM-co?ffici?nt op 28 dagenals functie van wbf voor ver-schillende cementsoorten3 Relatie tussen de inverse weer-stand 1000/TEM (in 1000/m)en de RCM-waarde (in 10-12m2/s) voor dertien betonmeng-sels op ouderdommen tussen28 en 1090 dagen plus zesmengsels onderzocht bij ibac4 Opzet van de twee-elektroden-methode (TEM) voor het bepa-len van de elektrische weer-stand van beton; weerstand isspanning/stroomeen normale diffusietest en de spreiding zijn goed [4, 5].Het onderzoek hield in dat een groot aantal door commissiele-den en hun achterban ingebrachte proefresultaten is geanaly-seerd. Hierbij bleek dat er duidelijke verschillen optraden alsfunctie van cementsoort en water-cementfactor, zoals weerge-geven voor een ouderdom van 28 dagen in figuur 2, en alsfunctie van de ouderdom. Interessant is dat met hoogovence-ment (met ten minste 50% slak) lage waarden worden bereikt,die bovendien niet sterk afhangen van de wcf. Met portlandce-ment is de waarde veel sterker afhankelijk van de wcf. Dit komtgoed overeen met gepubliceerde verbanden [6].Ook de tijdafhankelijkheid vertoonde de verwachte verbanden(sterkere afname van de chloridediffusieco?ffici?nt voor hoog-oven- en vliegascement dan voor portlandcement). De conclu-sie was dat deze proef geschikt is voor het beoogde doel, name-lijk als toetsingsmethode voor de prestatie van betonmengsels.Tegelijk betekent dit dat verschillende grenswaarden moetenworden gesteld voor verschillende cementsoorten.In aanvulling hierop is gekeken naar de elektrische weerstandvan beton. Deze bleek goed te correleren met de diffusieco?f-fici?nt, zeker binnen mengsels met hetzelfde cement. Figuur 3illustreert het verband tussen de inverse weerstand en de RCM-waarde voor een uiteenlopende reeks betonmengsels op ouder-dommen tussen 28 en 1090 dagen. Bij de bouw van de GroeneHarttunnel is hiermee ervaring opgedaan [7]. Naar verwach-ting kunnen kleine verschillen in wcf met deze methode goedworden gedetecteerd. Daarom lijkt dit een goede proef voorkwaliteitscontrole. Zij wordt uitgevoerd op kubussen, voorafaan de bepaling voor druksterkte, met de twee-elektrodenme-thode (TEM), weergegeven in figuur 4.Ten slotte is het model gevalideerd aan metingen aan construc-ties aan zee [8] en aan gegevens van bruggen en viaducten [9].Gemaakte keuzenCUR-commissie VC81 heeft gekozen voor een voorzichtigebenadering: een nieuw principe, met behoud van de `oude'grenzen als plafond. Concreet: de eisen uit NEN-EN 206-1 enmale wijze aan de prestatie-eisen te voldoen; daarvoor moetdan ook een geschikte grondslag aanwezig zijn (`aantonen').CUR Leidraad 1 wil hieraan tegemoetkomen.OnderzoekNaast literatuuronderzoek is op beperkte schaal eigen onder-zoek gedaan, geconcentreerd op de bepaling van de chloride-diffusieco?ffici?nt. Een bepalingsmethode voor zo'n belangrijkeeigenschap moet natuurlijk proeftechnisch betrouwbaar entegelijk eenvoudig uitvoerbaar zijn, maar vooral zinvolle resul-taten opleveren. Een proef die aan die eisen leek te voldoen wasde Rapid Chloride Migration test (RCM). Deze methode is inde jaren 90 in Scandinavi? ontwikkeld en genormeerd alsNTBuild 492 [3]. In [1] werd deze proef aangewezen als stan-daard `compliance test'.Het chloridentransport in een proefstuk wordt versneld dooreen elektrisch potentiaalverschil aan te leggen, schematischweergegeven in figuur 1. De uitvoering duurt daardoor ??n totenkele etmalen en de verwerking is relatief simpel (voorverza-digen onder vacu?m, na afloop splijten en besproeien metzilvernitraat waardoor het chloridenindringfront zichtbaarwordt; dit wordt opgemeten en omgerekend). De correlatie metTabel 1 Maximale waarde DRCM op 28 dagen voor een ontwerplevensduur van 100 jaargemiddeldebetondekking(mm)maximale waarde van DRCM(10-12m2/s) op 28 dagen ouderdombetonstaalvoorspanstaalCEM l CEM l + lll25-50% slakCEM lll50-80% slakCEM ll/B-VCEM l + 20-30%vliegasXD1, XD2,XD3, XS1XS2,XS3XD1, XD2,XD3, XS1XS2,XS3XD1, XD2,XD3, XS1XS2,XS3XD1, XD2,XD3, XS1XS2,XS335 45 3,0 1,5 2,0 1,0 2,0 1,0 6,5 5,540 50 5,5 2,0 4,0 1,5 4,0 1,5 12 1045 55 8,5 3,5 6,0 2,5 6,0 2,5 18 1550 60 12 5,0 9,0 3,5 8,5 3,5 26 2255 65 17 7,0 12 5,0 12 5,0 36 3060 70 22 9,0 16 6,5 15 6,5 47 392Levensduur beton 22011 79y = 1,25xR? = 0,86024681012141618200 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2028903651090prinibac 28linear (prin)1000/TEMRCMAVlen gelden voor 80 en 200 jaar. De DRCM-waarden gelden voornat nabehandelde proefstukken bepaald op 28 dagen ouder-dom met de RCM-methode. De vetgedrukte getallen zijnwaarden die met de huidige betontechnologie (samenstellingenvolgens de NEN-EN 206-1 en NEN 8005) kunnen wordengerealiseerd; lagere waarden zijn alleen met bijzondere samen-stellingen realiseerbaar; hogere waarden worden afgeraden,omdat zij typisch zijn voor betonmengsels die niet voldoen aande plafonds van NEN-EN 206-1 en NEN 8005. De aangegevendekking geldt voor betonstaal en voorgerekt voorspanstaal ofomhullingsbuis (nagerekt). De milieuklassen zijn ingedeeldnaar hoogte van de zoutbelasting.Als voorbeeld van het gebruik van de tabel: een gewapend-betonconstructie in dooizoutmilieu (XD3) wordt gebouwdvoor 100 jaar. De aannemer kiest voor hoogovencement CEMIII/B (met 75% slak), een dekking van 45 mm en een wcf van0,45. Bij 45 mm dekking hoort een maximum DRCM van6,0 .10-12m2/s. Met de gekozen wcf van 0,45 kan echter vrijgemakkelijk 4,0 . 10-12m2/s worden gehaald. Daarmee kan meneen regel omhoog gaan in de tabel en kan de dekking wordenverlaagd tot 40 mm.Niveau 2In de aanpak van niveau 2 wordt de indringing van chlorideberekend met de formule:C(x,t) = Cs ? (Cs ? Ci) erf[x________________4 k D(t) t] (1)waarin:C(x,t) is het chloridegehalte op diepte x en tijdstip t;Csis het chloridenoppervlaktegehalte;Ciis het initi?le chloridegehalte;k is een constante;D(t) is de tijdafhankelijke diffusieco?ffici?nt. De constante kis het product van een milieu- en materiaalfactor eneen nabehandelingsfactor.NEN 8005 (samenstelling) en NEN 6722 (nabehandeling) zijngeldig als randvoorwaarden. Deze sluiten ook een gebrek aanduurzaamheid uit als gevolg van andere mechanismen (carbo-natatie, vorst). Andere keuzen zijn geweest:? het DuraCrete-model met aanpassingen, onder meer naaraanleiding van eerder onderzoek aan constructies aan zee [8]en op het land [9];? een semi-probabilistische vereenvoudiging op basis van eenveiligheidsmarge op de betondekking;? een faalkans aan het einde van de levensduur van circa 10%;? invullen van een aantal ontbrekende co?ffici?nten;? NTBuild 492 als standaardproefmethode met een referentie-methode [3], en? een methode voor productiecontrole op basis van elektrischeweerstand.MethodiekLeidraad 1 geeft drie manieren (`niveaus') aan om prestatie-eisen voor de levensduur van constructief beton te formulerentussen partijen:1 aan de hand van tabellen waarmee eisen worden gesteld aande chloridediffusieco?ffici?nt van een betonmengsel alsfunctie van de betondekking, het bindmiddel en het milieu;deze tabellen zijn gebaseerd op niveau 2;2 aan de hand van de chloridediffusieco?ffici?nt van eenbetonmengsel, een rekenformule en gemiddelde waardenvoor de invoer plus een veiligheidsmarge op de betondek-king; dit is een semi-probabilistische vereenvoudiging vanniveau 3;3 aan de hand van de chloridediffusieco?ffici?nt van eenbetonmengsel, een rekenformule en statistische informatieover de invoerwaarden (gemiddelde, standaardafwijking,type verdeling) met behulp van een probabilistische bereke-ning.Niveau 1De tabellen staan centraal bij niveau 1; een voorbeeld voor 100jaar ontwerplevensduur wordt gegeven in tabel 1; andere tabel-43Levensduur beton2201180BesluitMet de nieuwe Leidraad is het mogelijk de ontwerplevensduurvan betonconstructies te toetsen. Een betrouwbare langelevensduur en economische optimalisatie worden hierdoorbevorderd. Op dit moment inventariseert CUR-commissieC177 ervaringen teneinde een volgende, verbeterde versiemogelijk te maken: uw opmerkingen zijn welkom! D(t) wordt gegeven door D(t) = D0 (t0__t)n(2)waarin:D0is de RCM-waarde bepaald op het referentietijdstip t0(meestal 28 dagen);t is de tijd enn is de verouderingsco?ffici?nt, een functie van materiaal(cementsoort) en milieu (nat of droog).In de formules worden de gemeten D0en de andere co?ffici?n-ten uit de tabellen (zie [2]) ingevoerd; verder de ontwerple-vensduur. Om de benodigde dekking te berekenen wordt eerstde diepte berekend waarop het kritisch chloridegehalte van0,60% chloride op cementmassa wordt bereikt aan het eindevan de gewenste levensduur. Deze diepte wordt dan verhoogdmet een veiligheidsmarge. Uit probabilistische berekeningenvan diverse gevallen is afgeleid dat een veiligheidsmarge van 20mm leidt tot circa 10% faalkans; en een marge van 30 mm totongeveer 5% faalkans. Daarom is gekozen voor een veiligheids-marge van 20 mm voor betonstaal en van 30 mm voor voor-spanstaal.Niveaus 1 en 2 hebben beperkingen; bijvoorbeeld een aangeno-men initieel chloridegehalte van 0,10% (met 0,025% standaard-afwijking) en een standaardafwijking van de dekking van 5 mmvoor prefab en 10 mm voor ter plaatse gestorte constructies.Indien hier wezenlijk van wordt afgeweken, is een berekeningop niveau 3 nodig of zinvol.Niveau 3Niveau 3 betekent een volledig probabilistische berekening.Hiermee kan het effect van bijvoorbeeld een verhoogd initieelchloridegehalte worden berekend (minder gunstig) of van eenkleinere spreiding in de dekking door nauwkeuriger uitvoering(gunstiger). Dergelijke berekeningen zijn specialistenwerk,waarbij probabilistische software nodig is. In dit kader gaan wedaar niet verder op in. Met deze optie kunnen (gevalideerde)betere modellen of verbeterde invoerparameters direct wordentoegepast.CUR Leidraad 1CUR Leidraad 1 is bij het artikel tedownloaden opwww.cementonline.nl.Betoniek 14/26Betoniek 14/26 ? Spelregels voor100 jaar gaat geheel over CURLeidraad 1. De uitgebreide versie van dezeuitgave is te downloaden op www.betoniek.nl.Artikelen onlineDe eerder verschenen artikelen indeze serie zijn te raadplegen opwww.cementonline.nl. LiteRatuuR1 DuraCrete Final Technical Report R17, Docu-ment BE95-1347/R17, The European Union ?Brite EuRam III, DuraCrete ? ProbabilisticPerformance based Durability Design ofConcrete Structures. CUR, Gouda, 2000.2 CUR Leidraad 1, Duurzaamheid van constructiefbeton met betrekking tot chloride-ge?nitieerdewapeningscorrosie, Leidraad voor het formule-ren van prestatie-eisen. CUR, Gouda, 2009, tedownloaden op www.curbouweninfra.nl.3 NT Build 492 Concrete, mortar and cement-based repair materials: chloride migrationcoefficient from non-steady-state migrationexperiments (approved 1999-11).4 Tang, L., S?rensen, H.E., Precision of the Nordictest methods for measuring the chloride diffu-sion/migration coefficients of concrete. Mate-rials and Structures, Vol. 34, October 2001.5 CHLORTEST/Tang Luping, Guideline for Practi-cal Use of Methods for Testing the Resistanceof Concrete to Chloride Ingress. CHLORTESTDeliverable D23, EU project GRD1-2002-71808,SP, Boras, Sweden, 2005.6 Gehlen, C., Probabilistische Lebensdauerbe-messung von Stahlbetonbauwerken, Deut-scher Ausschuss f?r Stahlbeton 510. Berlin,2000.7 Rooij, M.R. de, Polder, R.B. & Oosten, H. van,Validation of durability of cast in situ concreteof the Groene Hart railway tunnel, HERON Vol.52 (4), 2007.8 Rooij, M.R. de & Polder, R.B., Toestand vanbetonconstructies aan zee. Cement 2005/8.9 Gaal, G.C.M., Prediction of Deterioration ofconcrete bridges. Ph.D. thesis, Delft UniversityPress, Delft, 2004.