Kathodisch beschermen nader bekeken1 2012 | onlineonlineKathodischbeschermennader bekekenDebetonreparatietechniek`kathodischbeschermen'(KB)wordtinNederlandalbijna25jaartoegepast.DeprestatiesvanalleindezeperiodegerealiseerdeKB-systemenzijnverzameldineendatabaseengebruiktomnategaanwatdezereparatieshebbenopge-leverdvoorbetonconstructiesenwatdeonderhoudsbehoeftevandezesystemenis.1De prestaties van 25 jaar betonreparaties geanalyseerdKathodisch beschermen nader bekeken 22012 | onlineprimaireanode?stroombronverbindinganodezijdereferentieelektrodewapeningbeton+anodeV1 Betonschade aan de Brunsbruggen bij Babberich na verwijderen los beton meterboven de kabelgoten met kabels voor de KB-installatie2 Schematische voorstelling van de stroomkring in een KB-systeemBeton is een bouwmateriaal met doorgaans een lange levensduur. Toch gebeurt het in een enkel geval dat wapeningscorrosie optreedt door onvoorziene belasting, uitvoeringsfouten of het bereiken van het einde van de levensduur. In datgeval moet worden besloten of de constructie moet wordengerepareerd of vervangen. De betonreparatiemarkt in Nederland heeft een omvang van ongeveer 100 miljoen per jaar, wataantoont dat er zeker in een aantal gevallen wordt gekozenvoor reparatie. Uit het Europese onderzoek ConRepNet [1]blijkt dat traditionele betonreparaties in Europa gemiddeldslechts tien jaar meegaan (55% is bezweken na tien jaar).Recent is dit onderzoek door CUR geverifieerd voor Nederland[2]. Een eerste inventarisatie laat zien dat deze Europese cijfersrepresentatief zijn voor Nederland.Kathodische bescherming (KB) is een alternatieve reparatiemethode, die kan worden toegepast in plaats van traditionelereparatie. Bij toepassing van deze methode wordt het corrosieproces op elektrochemische wijze gestopt en wordt verderedegradatie van de wapening voorkomen, waardoor deconstructie weer met voldoende betrouwbaarheid kan functioneren. Het aanbrengen van een KBsysteem betekent dat eenelektrische installatie onderdeel wordt van de betonconstructie.Met behulp van deze installatie kan op elk moment wordengecontroleerd of de betonreparatie nog goed functioneert endus of de betonconstructie veilig is.KB wordt in Nederland sinds 1987 toegepast. Dit betekent dater nu bijna 25 jaar ervaring is opgedaan met deze techniek. Deprestaties van de systemen die in Nederland gedurende dezeperiode zijn gemaakt, zijn samengevat in een database. Dezedatabase maakt het mogelijk uitspraken te doen over debetrouwbaarheid van KBreparaties gedurende de tijd en watdeze reparaties hebben opgeleverd voor de constructies waaropze zijn toegepast. Dit artikel beschrijft de statistische analysevan gegevens uit de database en geeft op basis hiervanverwachtingen van de onderhoudsbehoefte gedurende delevensduur van een gemiddeld KBsysteem. Deze beschrijvingis bedoeld om meer inzicht te geven in de prestaties van eenKBsysteem. Hierdoor moet dit systeem goed kunnen wordenafgewogen tegen mogelijke alternatieven. Een KBsysteem is inde regel kostbaarder dan een traditionele reparatie, maar dezeextra investering kan vanwege de langere levensduur door dejaren heen worden terugverdiend. Behalve kosten kunnen ookandere aspecten van een KBsysteem de doorslag geven omvoor KB te kiezen. Een aantal voorbeelden hiervan wordt indeze tekst genoemd.WerkingEen KBsysteem is een elektrisch systeem dat ervoor zorgt dater een kleine stroom door een betonconstructie loopt. Destroom is erg klein en daarom niet gevaarlijk voor mens of dier,maar zorgt er wel voor dat het elektrochemische proces vanroesten van de wapening niet meer plaatsvindt. Er wordt eenstroomkring aangebracht op het beton (fig. 2). De stroomwordt vanaf de bron via verschillende verbindingen naar hetbetonoppervlak geleid. Hier wordt de stroom met behulp vaneen zogenoemde anode overgebracht op het beton. De stroomloopt vervolgens vanaf het betonoppervlak door het beton naarde wapening, wat mogelijk is doordat het vocht in het betonstroom geleidt. De stroomkring wordt gesloten door de wapening weer met de stroombron te verbinden. Tot slot worden erreferentieelektroden in het beton geplaatst om te kunnenmeten of er voldoende stroom loopt om de wapening effectiefte beschermen. Er zijn twee normen waarin specifieke eisenzijn beschreven die aan een KBsysteem worden gesteld: CURAanbeveling 45 en NENEN 12696.Het feit dat er stroom loopt door de constructie heeft eengunstig bijeffect: nabij de wapening verdwijnt chloride. Doorhet KBsysteem wordt de wapening negatief geladen. Alsgevolg worden negatief geladen chlorideionen afgestoten. Heteffect hiervan op de levensduur van de betonconstructie is nietsystematisch onderzocht, maar er wordt verwacht dat dit effectzorgt voor een extra veiligheid bij de toepassing van eenKBsysteem. Een recente Engelse studie bevestigt dat de corrosiviteit door KB op termijn afneemt [3].2prof.dr. Rob PolderTU Delft, fac. CiTG/TNOir. Greet LeegwaterTNOKathodisch beschermen nader bekeken3 2012 | onlineonline3 Regelkast van een KB-systeemfoto: EcoRemain4 Titaniumanode: rechts na aanbrengen spuitbeton, links hettitaniumnet met dwars daarover de primaire anodes5 Betonconstructie met verbindingenfoto: Van der HeideBeschrijving onderdelenIn de beschrijving van de diverse onderdelen van eenKBsysteem is ook aandacht besteed aan mogelijke bezwijkmechanismen van deze onderdelen. Immers, een stroomkringwerkt alleen als deze gesloten is, wat betekent dat alle onderdelen goed moeten functioneren. Het beschrijven van demogelijke bezwijkvormen is een essentieel onderdeel van eenlevensduuranalyse zoals is beschreven in dit artikel.Een systeem met opgedrukte stroom bestaat in de eerste plaatsuit een voeding met bijbehorende energiebron en het regelsysteem (foto 3). De energie kan afkomstig zijn van verschillende bronnen, bijvoorbeeld van het lichtnet of uit accu'sgecombineerd met zonnecellen. De hoeveelheid stroom diewordt gebruikt, is beperkt. De regelsystemen en voedingen zijndan ook relatief klein. Regelsystemen en voedingen verouderenrelatief snel, net als bijvoorbeeld computers. Daarnaast is deelektronica in de systemen gevoelig voor weersinvloeden,waaraan ze ondanks de beschermende kasten blootstaan. Erbestaat dus een redelijke kans dat op een bepaald momentgedurende de levensduur van een KBsysteem onderhoud aande voeding of het regelsysteem nodig is. De kosten hiervan zijnechter beperkt en het vervangen is eenvoudig, waardoor degevolgen van het uitvallen goed zijn te overzien.Het volgende onderdeel is de zogenoemde primaire anode.Deze primaire anode wordt gebruikt als tussenstap om deverbinding tussen de stroombron en de anode te maken. Denkhierbij bijvoorbeeld aan een netwerk van metalen (bijvoorbeeldplatina) draden om de stroom over een geleidende coating teverdelen. De primaire anode kan bezwijken door inwerken vanmilieu of mechanische schade. Het vervangen van de primaireKBsystemen zijn op te delen in twee hoofdtypen, namelijk: desystemen met opgedrukte stroom en de galvanische systemen,die stroom halen uit een opofferingsmetaal dat sneller corrodeert dan staal. Het principe is bij beide systemen hetzelfde:met behulp van stroom wordt corrosie op elektrochemischewijze gestopt. De detailuitwerking van beide systemen verschiltechter, waardoor het niet mogelijk is de levensduuranalyse uitte voeren voor beide systemen tegelijk. Dit artikel richt zichdaarom op systemen met opgedrukte stroom.AanbrengenHet aanbrengen van een KBsysteem bestaat globaal uit tweedelen:? Het eerste deel is het herstel van de betonconstructie. Lossedelen beton die zijn afgedrukt door corroderende wapeningworden verwijderd. Indien nodig wordt beschadigde wapeningvervangen. Tot slot wordt er met reparatiemortel weer een netoppervlak gecre?erd. Het herstel van de betonconstructie bij KBis vergelijkbaar met een traditionele reparatie, met als belangrijkste verschil dat bij een KBreparatie het met chloridevervuilde beton niet hoeft te worden verwijderd. Het aanbrengen van KB kan hierdoor bij diep met chloride vervuild betonveel zwaar werk schelen. Dit beperkt de kosten van de reparatieen kan bij woningbouwprojecten bovendien voordelen opleveren met betrekking tot geluidshinder voor omwonenden.? Het tweede deel van de reparatie bestaat uit het aanbrengenvan het elektrische systeem. Dit systeem bestaat uit devolgende onderdelen: de stroombron, eventueel een primaireanode, de anode, referentieelektroden en verbindingen omalle onderdelen op elkaar aan te sluiten. Hierna zullen alleonderdelen worden beschreven.3 4Kathodisch beschermen nader bekeken 42012 | onlinedeld. De benodigde inspanning hiervoor is vergelijkbaar methet aanleggen van een nieuw systeem. Het bezwijken van deanode in het geheel noemen we globaal bezwijken. Lokaalbezwijken komt vaker voor, bijvoorbeeld als de geleidendecoating op een plek afbladdert. Een reparatie kan dan ooklokaal worden uitgevoerd en is een stuk minder kostbaar.Om stroom te laten lopen tussen de verschillende onderdelenvan het KBsysteem moeten deze elektrisch met elkaar wordenverbonden (foto 5). Deze verbindingen zijn relatief zwakkeplekken in het elektrische systeem. Denk bijvoorbeeld aan eenstekker in een stopcontact buitenshuis: een dergelijke verbinding is minder robuust dan een stroomkabel uit ??n stuk. Deverbindingen tussen de voeding en de wapening zijn vanwegede opgedrukte stroom beschermd tegen corrosie. De verbindingen aan de kant van de anode staan door de opgelegdestroom juist bloot aan versnelde corrosie. De stroom uit hetKBsysteem versnelt aan deze zijde de elektrochemischeprocessen. Deze verbindingen moeten dus zorgvuldig wordengemaakt, waarbij goede afsluiting van het buitenmilieu essentieel is. Er is inmiddels veel ervaring opgedaan met het makenvan robuuste verbindingen. Indien ondanks dit toch het falenvan een verbinding wordt geconstateerd, is dit eenvoudig enmet beperkte kosten te herstellen.Het laatste onderdeel van het KBsysteem zijn de referentieelektroden. Deze sensoren worden gebruikt om te meten of hetKBsysteem goed werkt. Hiermee kan de corrosietoestand vande wapening worden gecontroleerd om zo de veiligheid van deconstructie te garanderen. Deze elektroden zijn tegenwoordiggoedkoop; vervangen is echter niet heel eenvoudig. Daaromwordt er vaak voor gekozen een aantal extra elektroden teplaatsen, zodat het uitvallen van een enkele referentieelektrodegeen effect heeft op de controleerbaarheid en dus de betrouwbaarheid van het systeem.anode is meestal goed mogelijk en kan met beperkte inspanning worden uitgevoerd.De anode is een essentieel onderdeel dat de stroom gelijkmatigover het gehele betonoppervlak verdeelt en de inleiding in hetbeton verzorgt. De anode is dan ook het meest kostbare onderdeel van het KBsysteem. Ze wordt van geleidend materiaalgemaakt. In Nederland wordt voornamelijk zogenoemdgeactiveerd titanium of een geleidende coating gebruikt. Titanium wordt in de vorm van netten of strips ingebed in eencementgebonden mortel, die weer in contact staat met hetbeton (fig. 4). Een geleidende coating is een verf waarin koolstofdeeltjes zijn ingemengd, waardoor deze stroom geleidt.Deze coating kan net zoals gewone verf afbladderen. Ditgebeurt eerder op plekken waar veel vocht aanwezig is. Hetgevolg is dat de anode geen stroom meer kan geleiden en dusbezwijkt. Een degradatiemechanisme dat voor beide typenanode geldt, is het bezwijken van het contactvlak tussen deanode en het beton. De elektrochemische reactie, die plaatsvindt bij de overdracht van stroom tussen de anode en hetbeton, zorgt ervoor dat het contactvlak langzaam zuurderwordt, waardoor de hechting vermindert en de stroom moeilijker kan worden overgedragen. Een kortetermijnoplossing isde stroomsterkte te verhogen, echter hierdoor zal het contactvlak sneller verzuren waardoor de stroomoverdracht verderachteruitgaat. Uiteindelijk zal onvoldoende stroom kunnenworden overgedragen om corrosie te voorkomen.Dit effect treedt eerder op bij geleidende coatings dan bij titaniumanodes. Daarom hebben titaniumanodes een langerelevensduurverwachting. Het inzicht in dit degradatiemechanisme is op dit moment alleen kwalitatief. TNO werkt aanmodellen om dit fenomeen te voorspellen. Een bezwekenanode kan worden vervangen. Dit is echter een relatief kostbareactie, waarbij een groot betonoppervlak moet worden behan5Kathodisch beschermen nader bekeken5 2012 | onlineonlineKaplan-Meier-analyse van de kans dat onderhoudvan het KB-systeem nodig is met Weibull-fit00,10,20,30,40,50,60,70,80,910 5 10 15 20 25 30 35leeftijd KB-systeemkansoponderhoudkans dat onderhoud nodig isondergrens 95%betrouwbaarheidbovengrens 95%betrouwbaarheidWeibull-fitWeibull, ondergrens 95%betrouwbaarheidWeibull, bovengrens 95%betrouwbaarheid6 Grafische weergave van kans op onderhoud van hetKB-systeem gedurende de levensduur7 Brunsbruggen bij Babberich na het aanbrengen van deKB-installatieniet worden gemonitord, zijn de prestaties na oplevering dusonbekend en worden dan ook niet gebruikt voor de levensduuranalyse. Dit betekent dat er in totaal 105 systemen zijngebruikt voor de statistische levensduuranalyse. Van een aantalvan deze systemen ontbreekt recente informatie, omdat zeouder zijn dan tien jaar en hun monitorcontract niet isverlengd. Een interessante observatie is dat bij geen enkelsysteem opnieuw wapeningscorrosie is gerapporteerd.Statistische analyse databaseDe gegevens uit de database zijn geanalyseerd met behulp vaneen zogenoemde survival analyse [4]. Deze analyse kijkt naarobjecten ? in dit geval KBsystemen ? en naar de tijd dieverstrijkt totdat een bepaalde gebeurtenis plaatsvindt, in onsgeval het niet meer goed werken van essenti?le onderdelen. Indeze analyse zijn bezwijken van de volgende onderdelenmeegenomen: de anode (globaal of lokaal), de primaire anodeen de verbindingen. Het vervangen van een voeding wordt inde praktijk gezien als onderdeel van het routineonderhoud ende overmaat aan referentieelektroden garandeert de controleerbaarheid van het systeem. Bij dataanalyse is een belangrijkaspect dat er KBsystemen worden gevolgd waarbij tot opheden nog geen falen is opgetreden en dat er systemen zijn dienu niet meer worden gevolgd waarbij geen falen is opgetreden.Dit fenomeen heet `right censoring' en de gebruikte analysetechnieken houden hier rekening mee.Voor de dataanalyse zijn de KaplanMeierbenadering en eenWeibullverdeling gebruikt [4]. De KaplanMeiermethode isniet gebaseerd op een bepaalde verdeling en is daarom in staatde data het meest nauwkeurig te beschrijven. Het gebruik vaneen Weibullverdeling maakt het mogelijk voorspellingen tedoen van de prestaties. Een grafische weergave van de data metbehulp van beide technieken is weergegeven in figuur 6. DeKaplanMeierfunctie wordt weergegeven in de vorm van dehoekige lijn en de Weibullvoorspelling is de vloeiende lijn. BijHet is van belang te beseffen dat in een KBsysteem stromenparallel kunnen lopen. Een KBsysteem wordt vaak verdeeld inzones. Het is daardoor mogelijk dat de stroom in ??n zoneuitvalt, terwijl de andere zones nog goed functioneren. Verderis het ook mogelijk dat bij lokaal falen van een anode het betonlokaal niet meer goed is beschermd, terwijl het resterendegedeelte van de anode nog goed functioneert en het omliggende beton wel is beschermd. In dit geval is het zelfs mogelijkdat via het beton nog voldoende stroom wordt overgebrachtnaar de plaatsen waar de anode niet goed werkt, zodat ook daarnog voldoende bescherming is. Dit is in de praktijk waargenomen bij diverse KBsystemen in Engeland [3].DatabaseZowel de Europese norm als de Nederlandse CURAanbevelingstelt de eis dat een KBsysteem regelmatig moet wordenge?nspecteerd om na te gaan of de bescherming op alle plekkennog intact is. Elk half jaar moet worden gecontroleerd of er nogvoldoende stroom loopt in het KBsysteem en elk jaar moet hetsysteem visueel worden ge?nspecteerd. Omdat dit werk iswaarop niet iedere beheerder is toegerust, bieden aannemersdie KB aanleggen over het algemeen de mogelijkheid dezecontrolewerkzaamheden op zich te nemen, eventueel in combinatie met een garantietermijn van tien jaar. De administratierondom deze controles heeft het voor TNO mogelijk gemaakteen database op te bouwen van de prestaties van KBsystemenin Nederland.Deze database is aangelegd in 2006 en is in 2011 voor de laatstekeer bijgewerkt. In de database wordt de volgende informatiegeregistreerd:? naam object;? jaar van installatie;? type constructie;? beschermd betonoppervlak in m2;? type anode;? benodigd onderhoud;? uitgevoerd onderhoud.De database laat zien dat er sinds 1987 in Nederland 150KBsystemen zijn ge?nstalleerd op woningen, utiliteitsgebouwen en civiele constructies met een totaal beschermd betonoppervlak van 82 500 m2. Van de meeste systemen is informatiebeschikbaar. Van sommige ontbreekt informatie omdat dezesystemen ondanks de voorschriften niet regelmatig wordengecontroleerd. Van de 150 systemen zijn er 65 systemenuitgevoerd met een geleidende coating (43%), 40 met titaniumanode (27%) en 35 met een galvanische anode (23%); voor deresterende 10 systemen is een ander type anode gebruikt of isde anode onbekend. Omdat de meeste galvanische systemen 6Kathodisch beschermen nader bekeken 62012 | onlineConclusiesConcluderend kan worden gesteld dat op basis van de uitgevoerde levensduuranalyse van de bestaande KBsystemen deonderhoudsvrije periode van KBsystemen gemiddeld 50%langer is dan van een traditionele betonreparatie. Het onderhoud dat vervolgens nodig is, zal voor een KBsysteem beperkter zijn. Een bijkomend voordeel van een KBsysteem is dat deprestaties van de reparatie en daarmee de constructie op elkmoment controleerbaar zijn. KB is daarmee een effectieflevensduurverlengend onderhoudssysteem voor betonconstructies waarbij corrosie is opgetreden. LiteRatuuR1 Tilly, G.P. & Jacobs, J., Concrete repairs: Performance in service andcurrent practice. BRE Press, Watford (UK), 2007.2 Visser, J., Prestaties van betonreparaties, Fase 1, Inventarisatiereparaties. TNO-034-DTM-2010-04985, Delft, 2010.3 Christodoulou, C., Glass, G., Webb, J., Austin, S. & Goodier, C.,Assessing the long term benefits of impressed current cathodicprotection. Corrosion Science 52, 2010.4 Kalbfleisch, J.D. & Prentice, R.L., The statistical analysis of failure timedata, 2nd edition. New Jersey, 2002.beide zijn de 95%betrouwbaarheidsintervallen weergegeven.De analyse laat zien dat naarmate systemen ouder worden debehoefte aan onderhoud groter wordt. Met behulp van deKaplanMeierverdeling wordt de kans bepaald dat eenKBsysteem nog functioneert op een bepaald tijdstip. Menmoet zich realiseren dat vanwege het kleine aantal KBsystemen de betrouwbaarheid van deze kans relatief beperkt is; degrote 95%betrouwbaarheidsintervallen maken dit ook zichtbaar (fig. 6). De gemiddelde kans dat er onderhoud nodig isgedurende de eerste zeven jaar dat een KBsysteem operationeel is, is slechts 10%. In de eerste vijftien jaar is de kans dateen KBsysteem onderhoud nodig heeft 50%. Ervaring leert datals er in deze gevallen onderhoud aan het systeem wordtgepleegd, het geheel daarna weer goed functioneert. In de datazijn aanwijzingen dat de levensduur van nieuwere KBsystemenlanger is, wat kan worden verklaard door verbeteringen inontwerp en uitvoering. De hoeveelheid data is nu nog te kleinom dit te met zekerheid te kunnen zeggen.Het is interessant deze getallen over levensduur van KBsystemen te vergelijken met de getallen van traditionele reparaties.Hierbij moet men zich realiseren dat er appels met perenworden vergeleken. De vergelijking gaat namelijk mank op hetverschil in onderhoudsmaatregelen die na een bepaaldeperiode nodig zijn. Een KBsysteem heeft gemiddeld eenonderhoudsvrije periode van vijftien jaar, terwijl een traditionele reparatie gemiddeld een onderhoudsvrije periode heeftvan tien jaar. Alleen, op het moment dat een KBsysteemonderhoud nodig heeft, is de betonreparatie nog intact en isgeen corrosie van de wapening opgetreden. Op het moment dateen traditionele reparatie echter faalt, is de betonreparatiebeschadigd en heeft er voortschrijdende corrosieschade vanwapening plaatsgevonden. Het benodigde onderhoud zal dusin het ene geval het herstellen van een onderdeel van hetKBsysteem betekenen, terwijl in het andere geval de gehelereparatie opnieuw moet worden uitgevoerd.CUR-Aanbeveling 45CUR-Aanbeveling 45`Kathodische beschermingvan wapening in betonconstructies'is beschik-baar op www.cementonline.nl en op www.cur-aanbevelingen.nl.7