1 Potentiaalmetingen Nederrijnbrug Grootschalig onderzoek corrosie-activiteit wapeningsstaal 1 Model van de Nederrijnbrug Aan de Nederrijnbrug in de A50 is onderhoud uitgevoerd aan de binnen ­ en buitenzijde van de betonnen kokerliggers en de pijlers. Hierbij zijn op grote schaal potentiaalmetingen uitgevoerd om corrosie van de wapening vast te kunnen stellen en de omvang van de betonschade in kaart te brengen. De onderzoeksgegevens zijn in 3D BIM gekoppeld aan de planning, waardoor de constructieve veiligheid tijdens de uitvoering van het project kon worden geborgd. 18? CEMENT 7 2020 De Nederrijnbrug bij Heteren bestaat uit twee naast elkaar ge- legen betonnen voorgespannen kokerbruggen die onderdeel zijn van de Rijksweg A50 tussen knooppunt Grijsoord en knoop- punt Valburg. De brug is een belangrijke schakel in het noord-zuidverkeer en vormt een belangrijke verbinding tussen de A12 en de A15 in het oost-westverkeer. De bouw van de brug startte in 1966 en de brug werd in 1972 in gebruik genomen. De brug telt 2 x 3 rijstroken, verdeeld over twee naast elkaar gelegen bruggen, en heeft aan beide zijden voorzieningen voor langzaam verkeer. De totale overspanning is 974 m, verdeeld in 15 overspanningen. 11 van de 15 overspannin - gen betreffen de aan bruggen met overspan - ningen van elk 60 m. Twee overspanningen hebben een grootte van 75 m en de hoofd- overspanning bedraagt 120 m (fig. 1). Begin 2019 is het Engineering & Construct- contract voor het groot onderhoud gegund aan Mourik Infra op basis van de economisch meest voordelige inschrijving met de beste prijs-kwaliteitverhouding. Onder andere zeer hoogwaardig betonherstel en minimale hinder voor wegverkeer, voetgangers, fiet- sers, landbouwverkeer en scheepsvaart tijdens de werkzaamheden in combinatie met de grootschalige inzet van potentiaal - metingen, 3D BIM en hoogwaardig beton - herstel, waren belangrijke kwaliteitsaspecten die geresulteerd hebben in de gunning. Het onderhoud aan de hoofddraag - constructie is uitgevoerd van juli 2019 tot en met mei 2020. Het project bestond in hoofd - lijnen uit het herstellen van betonschade aan de binnen- en buitenzijde van de kokerliggers en aan de pijlers. Dit artikel beschrijft de aanpak van de binnenzijden van de kokerliggers. Onderzoek In de brug is corrosie van de wapening ge- constateerd, met betonschade tot gevolg. Al in de voorfase (voorafgaand aan de tender) bleek dat de oorzaak lag in het feit dat chlo- ridehoudend water afkomstig van dooizouten door lekkende hemelwaterafvoeren in de kokers terecht was gekomen. Hierdoor is op grote schaal chloride-geïnitieerde wapenings- corrosie ontstaan (zie kader). Aangezien er beperkingen waren voor de uitvoering van het herstel, is op grote schaal onderzoek uitgevoerd naar de exacte schadeomvang aan de binnenzijde. Hiertoe is de betonschade in de betonconstructie visueel en akoestisch (door middel van af - kloppen) in kaart gebracht en afgetekend. Daar waar visueel en/of akoestisch geen schade was waargenomen, is onderzoek uit- gevoerd door middel van potentiaalmetingen. Op basis van deze gegevens is de exacte scope van het betonreparatiewerk bepaald. Potentiaalmetingen? Het toepassen van potentiaalmetingen op deze schaal is uniek in Nederland. De specialistische meetappara - tuur is ingezet om op een efficiënte wijze het totale betonoppervlak aan de binnenzijden van de kokerliggers, ongeveer 50.000 m 2 te meten. Bij potentiaalmeten wordt de corrosie- activiteit van de wapening non-destructief in kaart gebracht. Hiertoe wordt de elektro- chemische reactie van de corrosie 'in' het beton bepaald door te meten 'op' het beton. De onderzoeken zijn uitgevoerd door middel van half-cel potentiaalmetingen in overeen - stemming met RILEM TC 145-EMC en ASTM C876-15. Hierbij is specialistische meetappa - ratuur ingezet waarmee het betonoppervlak wordt afgetast (foto 2). Deze apparatuur meet de corrosiepotentiaal E corr (wapening/ beton) als potentiaalverschil (of spanning) ten opzichte van een referentie-elektrode (fig. 3). Als voorwaarde voor de meettechniek geldt dat de te onderzoeken (op corrosie ver- dachte) wapening in de betonconstructie elektrisch continu moet zijn. Dit wil zeggen dat de aanwezige wapeningsstaven een onderlinge elektrische weerstand moeten hebben kleiner dan 1 Ohm, waarmee wordt aangetoond dat de aanwezige wapeningsta - ven onderling verbonden zijn. Daarnaast IR. RICHARD TER MATEN Projectingenieur Vogel Kathodische Beschermingauteurs ING. JELLE LECLUIJZE Technisch Manager Solid Services PROJECTGEGEVENS project Onderhoud Nederrijnbrug opdrachtgever Rijkswaterstaat Midden-Nederland Noord opdrachtnemer Mourik Infrapartners Vogel (betononderhoud), Vogel Kathodische Bescherming, Solid Services (potentiaalmetingen) opleverdatum mei 2020 CEMENT 7 2020 ?19 2 3 2 Het vaststellen van corrosie door potentiaalmetingen3 Principe van potentiaalmetingen mogen op de betonconstructie geen (elek - trisch) isolerende materialen aanwezig zijn. Om het overgangspotentiaal, ofwel de voor een project specifieke potentiaalwaarde, te bepalen waarbij corrosie aannemelijk is, zijn de meetwaarden van de potentiaalme- ting regelmatig geijkt aan visuele beoorde- lingen. Resultaten potentiaalmetingen? In dit pro- ject werd verwacht dat dat de zogenaamde Van Daveer-criteria, (zie kader) die worden gebruikt bij de interpretatie van de meetre- sultaten zoals opgenomen in ASTM C876-15, niet zonder meer konden worden gehan - teerd. Dit is ook via ijkingen aangetoond. Dit kwam onder andere door de relatief grote CHLORIDE-GEÏNITIEERDE WAPENINGSCORROSIE Op voorhand bleek dat de geconsta- teerde corrosie het gevolg was van chlo- riden afkomstig van dooizouten, met betonschade als gevolg. Chloride-geïni- tieerde wapeningscorrosie is een vorm van wapeningscorrosie waarbij de pas- siveringslaag van het wapeningsstaal ten gevolge indringing of inmenging van chloride wordt aangetast. Deze aantas- ting onderscheidt zich van wapenings- corrosie als gevolg van carbonatatie van het beton. Bij door carbonatatie geïnitieerde wapeningscorrosie waar- schuwt het beton voordat van ernstige corrosie sprake is doordat lokaal eerst microscheuren ontstaan. Deze groeien vervolgens uit tot macroscheuren en daarna zal de betondekking worden afgedrukt. Deze scheurvorming wordt veroorzaakt door het verschil in volume tussen het oorspronkelijke ijzer en het nagenoeg op dezelfde plaats gevormde roestproduct. Omdat het roestproduct zeer volumineus is, zal al bij geringe afroesting de betondekking worden afgedrukt en dus waarschuwen alvorens van ernstige corrosie sprake is. Bij door chloriden geïnitieerde wape- ningscorrosie komt vaak putcorrosie voor. Dit betekent dat bij eenzelfde hoe- veelheid omgezet ijzer (mate van corro- sie) de effecten ernstiger zijn dan bij door carbonatatie geïnitieerde corrosie. De doorsnede van een wapeningsstaaf kan bij chloride-geïnitieerde corrosie lokaal al sterk zijn verminderd zonder dat dit duidelijk waarneembaar is door scheuren of een afgedrukte betondek - king. Dit komt doordat het restproduct dat ontstaat eenvoudig oplosbaar is in water en dus het waarschuwende karakter van scheuren en afgedrukte betonschollen pas in een later stadium optreedt. Het gevolg hiervan is dat locaties met actieve corrosie niet altijd zichtbaar zijn. De inzet van potentiaalmetingen is een goede techniek om inzicht te krijgen in de corrosie-activiteit van de wapening. 20? CEMENT 7 2020 betondekking in sommige onderdelen (groter dan 60 mm). Daarnaast bleek dat, hoewel het betonoppervlak voorafgaand aan de metingen nat is gemaakt, de potentialen werden beïnvloed door een aanzienlijke spanningsval in de betondekking. Hieruit volgde dat het beton over het algemeen zeer droog was en dus een hoge weerstand had, waardoor er sprake is van demping van de meetwaarden. Voor beoordeling van de meetwaarden is daarom, naast de absolute meetwaarde, tevens gekeken naar potentiaalgradiënten. Door de hoge weerstand en de grootte van de betondekking is bij de meetresultaten sprake van locaties waarbij over een relatief kleine afstand (30 cm) gradiënten van 200 tot 300 mV zichtbaar zijn. Door middel van de uitgevoerde ijkin - gen is vastgesteld dat bij potentiaalwaarden > -100 mV de wapening gepassiveerd is. Bij potentiaalwaarden < -200 mV werd er actieve corrosie waargenomen. Het tussengebied van -100 tot -200 mV is ter plaatse van schade- locaties de zone waar de potentiaal van de wapening wordt beïnvloed (negatiever wordt) door de anode-/corrosieplek. Deze zone beslaat in de praktijk slechts enkele centimeters rondom een schadelocatie. Daarnaast is in het onderzoek aangetoond dat grote losliggende betondelen ter plaatse van de aanstortingen van de ondervoutes geen relatie hadden met corrosie van wape- ning, maar geheel onthecht waren. Volledig saneren tot achter de wapening was hier niet nodig waardoor aanzienlijk voordeel behaald is in de uitvoering. Constructieve veiligheid tijdens herstel Op basis van het onderzoek was bekend welke delen moesten worden vrijgemaakt en ver- volgens hersteld. De grootste uitdaging gedu - rende de herstelwerkzaamheden was het borgen van de constructieve veiligheid. Om die veiligheid te waarborgen had Rijkswater- staat restricties opgelegd met betrekking tot de uitvoeringsvolgorde en omvang van her- stelwerk in relatie tot de locaties in de brug. Omdat sprake was van chloride-geïni - tieerde wapeningscorrosie is het, voor het verkrijgen van een kwalitatief goede repa - raties en het voorkomen van vroegtijdig falen ervan, nodig om de gecorrodeerde wapening volledig rondom vrij te maken. Zo kan deze volledig worden omsloten door een nieuwe laag cementgebonden repara - tiemortel. Het vrijmaken rondom de wape- ning leidt ertoe dat (mede door de grote aanwezige betondekking) de betondoorsne- de op de schadelocaties aanzienlijk wordt gereduceerd en daardoor tijdelijk een ver- laagde draagkrachtcapaciteit kent. Bij draagkrachtcapaciteit moet gedacht wor- den aan weerstand tegen buiging, torsie, normaalkracht en dwarskracht. Tevens kan dit betekenen dat een voorspankabel met een oriëntatie anders dan in lengterichting van het kunstwerk tijdelijk, over een zekere lengte, een verlaagde tegendruk kent. Daar- om was het nodig deze verzwakkingen te beperken. De geometrie van de kokers van bijvoor- beeld de noordelijke aanbrug hebben in het veldmidden een wanddikte van 500 mm en een vloerdikte van slechts 200 mm (fig. 4). Dit geldt niet voor de volledige lengte van de overspanning; de betondikte voor de wan - den en de vloer neemt toe richting het steunpuntsgebied. Gezien de beperkte vloer- dikte betekende dit dat de werkzaamheden aan de vloer kritischer waren dan aan de wanden. Ditzelfde gold voor de werkzaam - heden in het veld ten opzichte van de werk - zaamheden in het steunpuntsgebied. Het noodzakelijkerwijs tijdelijk verder reduceren van de capaciteit van de doorsne- de en verder verzwakken van de tegendruk van de voorspankabels, was de aanleiding voor diverse restricties met betrekking tot de uitvoeringsvolgorde. Dit vooral ten aan - zien van de omvang van gelijktijdig of aan - eensluitend te saneren betonschades in de velden. Zo was het, naast aanzienlijke res- tricties over de maximale grootte van te saneren oppervlakken, bijvoorbeeld niet toegestaan om in de lengterichting van het kunstwerk op meerdere plaatsen tegelijker- tijd betonreparaties uit te voeren als de af - stand tussen de reparatieplekken kleiner was dan 5 m. Voor de wanden, de voutes (de aansluiting/overgang van wand naar De toepassing van potentiaal ­ metingen heeft geresulteerd in een optimale aanpak van het betonherstel VAN DAVEER-CRITERIA De Van Daveer-criteria zijn door ASTM geaccepteerde criteria die gehanteerd worden voor de interpretatie van de potentiaalwaarden in relatie tot de waarschijnlijkheid voor optreden van corrosie. Hierbij wordt gesteld dat bij gebruik van een koper-kopersulfaat referentie-elektrode: ? de kans op corrosie < 10% is bij potentiaalwaarden positiever dan -200 mV; ? de kans op corrosie 50% (onzeker) is bij potentiaalwaarden tussen -200 mV en -350 mV; ? de kans op corrosie > 90% is bij potentiaalwaarden negatiever dan -350 mV. CEMENT 7 2020 ?21 4 Het vrijmaken rondom de wapening leidt ertoe dat de betondoorsnede tijdelijk wordt gereduceerd met een verlaagde draagkracht­ capaciteit tot gevolg 4 Doorsnedegegevens van de kokerdoorsnede van de noordelijke aanbrug vloer) en de vloer mochten geen betonrepa - raties over de volledige doorsnede tegelijker- tijd plaatsvinden. Tevens moesten betonre- paraties over de breedte van het vloerveld in twee fases worden uitgevoerd. En het was niet toegestaan om te starten met beton - werkzaamheden in de zone van het veld van de overspanning als het totale betonwerk in de volledige dwarsdoorsnede van de steun - puntsgebieden van de betreffende overspan - ning én aangrenzende overspanning nog niet waren hersteld. 3D BIM In verband met een ingewikkelde planning als gevolg van de beschreven restricties, is ervoor gekozen om te werken in 3D BIM. Het model is ingezet ten behoeve van het verza - melen van meetdata en de weergave en het monitoren van de uitgevoerde en geplande werkzaamheden. De meetdata, bestaande uit de resulta - ten van het afkloppen van de betonconstruc- tie en de potentiaalmetingen, verzorgde een volledige weergave van de exacte schadeom - vang per locatie. Met deze weergave kon de planning worden opgesteld, rekening hou - dend met de randvoorwaarden. Door deze succesvolle toepassing kon de constructieve veiligheid en de voortgang op een verant- woorde wijze worden geborgd, tot grote tevredenheid van zowel de gebruikers als de klant. Hydrodemolition Er is voor gekozen de betonschades te sane- ren door middel van hydrodemolition, ook bekend als watersaneren met zeer hoge druk (foto 5). Bij deze straaltechniek wordt met 2500 bar waterdruk beton verwijderd. Het voordeel van deze manier van saneren, ten opzichte van bijvoorbeeld pneumatisch of elektrisch hakken, is dat de (voorspan) wapening niet beschadigd wordt. Tevens voorkomt deze techniek het ontstaan van trillingen in de wapening met mogelijke schade aan het aanliggende beton en/of onthechting van reeds uitgevoerde repara - tievlakken. Deze voordelen sloten aan op de vereisten vanuit het contract waarin werd geëist dat de wapening niet mocht worden beschadigd en dat trillingsschade moest worden voorkomen. Een bijkomstigheid van deze techniek is dat alle chloriden ter plaatse van corrosie- putten in dezelfde arbeidsgang worden ver- wijderd en dat er een zeer ruw betonopper- vlak wordt gecreëerd zonder dat er kans bestaat op vorming van microscheuren in de ondergrond (die bij mechanische bewer- king wel kunnen ontstaan). Op deze manier is een perfecte ondergrondvoorbehandeling voor reparatie gewaarborgd. Traditioneel wordt bij betonreparatie de gecorrodeerde wapening vrijgehakt tot in de lengterichting van de staven (evenwijdig aan het oorspronkelijke betonoppervlak) ongeroest staal vrij ligt, over een lengte die gelijk is aan de dikte van de vereiste beton - dekking. Omdat dit bij saneren door middel van hydrodemolition niet waar te nemen is (het wapeningsstaal wordt in dezelfde ar- beidsgang namelijk volledig blank gestraald tot reinheidsgraad Sa 2,5), zijn de schades vooraf ingekaderd en afgetekend op de ondergrond. Betonherstel Aangezien het een EMVI-criterium was om aantoonbaar te maken dat er een hoger 22? CEMENT 7 2020 5 Duurzame aanpak De inzet van potentiaalmetingen op grote schaal heeft, in combinatie met 3D BIM, geresulteerd in een effectieve, efficiënte en zeer duurzame aanpak. Als gevolg van de combinatie van technieken was de hoeveel- heid te saneren betonschades beperkt. Bij de in de voorfase aangeduide 'schade' ter plaatse van de voutes bleek het op een groot aantal locaties enkel om een losliggende opgestorte betonlaag te gaan. Hier was dus geen sprake van echte betonschade. De losliggende delen zijn verwijderd en niet hersteld, omdat op basis van de potentiaal - metingen gesteld kon worden dat er geen corrosie van wapening aanwezig was. Ook was de betondekking op deze locaties nog ruimschoots voldoende. Herstelwerkzaamheden zijn dus enkel uitgevoerd waar noodzakelijk en op het mo- ment dat dat mogelijk was, met het oog op de constructieve restricties. Het herstel van de Nederrijnbrug past daarmee in een tijd waarin duurzaamheid, beperking van CO 2-uitstoot, constructieve veiligheid en minimale hinder in de uitvoeringsperiode centraal staan. niveau van betonreparaties is, is gekozen om alle betonreparaties aan de binnenzijde volgens CUR-Aanbeveling 118 te beschouwen als constructieve reparatie (RS) met gevolg - klasse GK3. Dit heeft als gevolg gehad dat de controle en vastlegging van de reparaties zijn uitgevoerd volgens niveau 4 uit CUR-Aanbeveling 118. Reparaties zijn uitge- voerd door allround betonreparateurs niveau 3. Daarbij is er uniformiteit in de werkwijze geborgd. De controle vond plaats volgens een gecertificeerd proces en speci - fiek projectplan op basis van BRL 3201 deel 1 'Het technisch repareren en beschermen van beton', BRL 3201 deel 2 'Het constructief repareren en versterken van beton' en CUR-Aanbeveling 118. Dit houdt in dat er een tweedelijns controle door een onafhankelijke partij is uitgevoerd. Bij alle betonreparaties is beoordeeld of de aangetroffen hoofdwapening overeen - stemt met de wapening zoals aangegeven op de beschikbare wapeningstekeningen. Tevens is vastgelegd of de staafdoorsnede is gereduceerd als gevolg van (put)corrosie. Waar benodigd is wapeningsstaal bijge- plaatst. Het beton is met een straaltechniek met 2500 bar waterdruk verwijderd 5 Saneren door middel van hydrodemolition CEMENT 7 2020 ?23