themaLevenslang duurzaam, maar niet vanzelf1201250themaLevenslangduurzaam,maar niet vanzelfDuurzaamheid van beton is een onderwerp dat veel belangstellingtrekt: publicaties, studiedagen, discussies. Het gaat om definities,ontwerpfilosofie, materiaaleigenschappen, technische invulling, prak-tijkervaring, maatschappelijke ontwikkelingen, te stellen doelen enmogelijke oplossingen. Elders in dit nummer van Cement wordtverslag gedaan van diverse recente ontwikkelingen. Dit artikel geefteen overzicht van kwesties die spelen rond duurzaamheid van beton-constructies vanuit het oogpunt van de levensduur.1Intreerede Rob Polder (1)Duurzaamheid, wat is dat? Tegenwoordig weet iedereen dat:het is groen, minder CO2, v??r het klimaat, biologisch. Maar,dat is nog niet heel erg lang zo. In de jaren tachtig betekendeduurzaam een lange levensduur. Echter, in de jaren negentigkwam er iets bij, of zelfs voor in de plaats: wat we nalaten voortoekomstige generaties. In het geval van beton was dat heteffect ervan op het milieu. In het Engels zijn dat twee verschil-lende woorden: `durability' voor levensduur en su'stainability'voor milieu en toekomstige generaties. In het Nederlands is datallebei duurzaam, of duurzaamheid. Ook in de wetenschapIntreeredeDit is het eerste van twee artikelendie zijn gebaseerd op de intreerededie de auteur heeft uitgesprokenop 13 mei 2011, ter gelegenheidvan het aanvaarden van het ambtvan hoogleraar Materials & Durabi-lity aan de faculteit Civiele Technieken Geowetenschappen van deTechnische Universiteit Delft.Levenslang duurzaam, maar niet vanzelf 12012 51levensduur betonconstructiesmateriaal belastingaantastingsmechanismenverouderingschadepreventievemaatregeleninspectiemonsteronderzoekmonitorenniet-destructief metenreparatie bescherming(rest)levensduureconomischeenmilieueectenmodellenonzekerheid,spreidingmaken we dat onderscheid. In dat verband is binnen de sectieMateriaalkunde van de TU Delft collega prof. Michiel Haasverantwoordelijk voor Materials & Sustainability, en ben ikverantwoordelijk voor Materials & Durability.LevensduurDe levensduur van een constructie is de periode waarin dieveilig en betrouwbaar functioneert. Daarbij heb ik het overinfrastructuur: bruggen en viaducten, tunnels, sluizen, kade-muren, parkeergarages. Wat verstaan we daarbij onder veilig enbetrouwbaar? Dat is niet van het moment van bouwen totdatde constructie instort. Dat functioneren heeft betrekking ophet gebruik dat we van een kunstwerk maken, het milieu dat erop inwerkt en het materiaal waar het uit is gemaakt. En dat weover een periode spreken, heeft ermee te maken dat veroude-ring kan optreden, ofwel degradatie. Maar wat is veroudering?Foto 2 is een ouderwetse foto, gemaakt op film. Eigenlijk nogeen beetje ouderwetser: een fotogram. Het is een foto van mijnrechterkaak, gemaakt door mijn tandarts en haar assistente.Wat ik wil zeggen is dat we allemaal veroudering meemaken.Dat hebben we met onze tanden en kiezen. Als we suiker etendan zijn er bacteri?n die daar zuur van maken, dat inwerkt ophet glazuur en de tandsteen. Het resultaat is dat we gaatjeskrijgen. Dan moet er worden geboord en gevuld, want anderszouden de zuren je hele gebit opeten. Maar die vullingen staanbloot aan (wisselende) belastingen, thermisch, mechanisch,chemisch, en daardoor ontstaat er slijtage. Links boven in deroze cirkel zien we een vulling die eerst is gescheurd, toengebroken en toen is daar weer een gaatje ontstaan. Na enige tijdkwam ik bij mijn tandarts en die zei: boren en vullen! In deonderste foto staat de nieuwe vulling: aanzienlijk dieper dan deoude, want de nieuwe aantasting moest weg voordat gerepa-reerd kon worden! Zo'n vulling heeft een levensduur van zeventot tien jaar. Waarschijnlijk zat hij er al langer, dus misschienwas hij wel echt aan het einde van zijn levensduur. En wat doeje dan om die nieuwe vulling een zo lang mogelijke levensduurte geven? Veel poetsen, zo vaak mogelijk flossen en af en toe opcontrole. Dat klinkt naar onderhoud.. Als het goed is doen wedat ook met betonconstructies.BetonBeton is een composiet van cementsteen, toeslagmateriaal (zanden grind) en wapening. Bij het bestuderen en begrijpen van betonerkennen we een reeks lengteschalen. Die gaan van macro, opconstructieniveau ? waar mechanica en fysica het gedrag bepalen?, via meso, de betondekking ? een afstand van een paar centime-ters (de transportafstand voor agressieve stoffen) ?, naar micro? waar kleine korreltjes en pori?n samen de structuur vormen enweerstand bieden tegen transport. Het is echter nodig nog eenniveau kleiner te gaan, naar de nanometerschaal. Want daar zienwe pas hoe de cementgel, de lijm van het beton, in elkaar zit. Ookzien we hoe de passivering van wapeningsstaal er uitziet, dechemie. Daarvan zullen we nog zien hoe belangrijk die is.In het schema in figuur 3 staan de elementen van de levens-duur van betonconstructies. In dit bestek worden die alleen23prof.dr. Rob PolderTNO / TU Delft, fac. CiTG1 Een door ASR aangetaste constructie2 Foto van rechterkaak, 18 januari 2011 (boven), 16 februari 2011 (onder)foto: D. Wooning, R. de Leeuw3 Schematische voorstelling van processen en aspecten bij levensduur vanbetonconstructiesthemaLevenslang duurzaam, maar niet vanzelf1201252t1t24 Door ASR aangetaste toeslagkorrel waar de gel uitstroomtfoto: J. Larbi5 Carbonatatie van beton6 Indringen van chloride in betonvoorkomend probleem. Echter, vanwege de lokale aard vantoeslagmaterialen zijn die problemen overal een beetje verschil-lend. De reactie vormt silicagel, dat water opneemt en uitzet,waardoor de constructie van binnenuit opzwelt en uiteindelijkgaat scheuren. Foto 4 toont een microscopiebeeld van eenaangetaste korrel waar de gel uitstroomt. Foto 1 toont eenconstructie die flink is aangetast door ASR, waardoor zij zwelten zich als het ware opdeelt in losse blokjes. Gelukkig is hetaantal constructies dat hier echt last van heeft in Nederland vrijklein. Maar de gevolgen zijn ernstig. Er zijn diverse flinkebruggen en viaducten gesloopt vanwege sterke ASR.CorrosieHet andere aantastingsmechanisme is corrosie van wapening[2]. Wapening zit in beton om trekspanningen op te nemen.Dat is staal, betonstaal, of voorspanstaal. Chemisch gedraagtzich dat allemaal ongeveer hetzelfde, namelijk als ijzer, eenonedel metaal dat in de atmosfeer de neiging heeft tot corrode-ren. Het goede nieuws is dat de porievloeistof sterk alkalisch iskort aangetipt. Op het materiaal werken belastingen in. Ertreden aantastingsmechanismen op, waardoor verouderingontstaat. Daarop zijn preventieve maatregelen van effect. Alsdie niet helemaal goed werken, treedt schade op. Daar kun jeinspecties naar uitvoeren, monsteronderzoek naar verrichten,je kunt het monitoren en niet-destructief meten. Op een zekermoment moet je repareren en beschermen. Dan heb je eennieuwe levensduur. Haaks op dit schema staan modellen. Aldeze zaken spelen zich af over lange tijdsschalen, dus wemoeten het materiaal- en constructiegedrag modelleren,waarbij ook onzekerheid en spreiding een belangrijke rolspelen. En ten slotte hebben we ook nog economische en mili-eueffecten om rekening mee te houden. Kortom een heelbouwwerk aan kwesties. Ik wil er een paar uitlichten.AantastingsmechanismenAantastingsmechanismen worden bepaald door fysisch trans-port en chemische reacties. Stoffen die transporteren en reage-ren zijn water, daarin opgeloste ionen en gassen. Van buitenkomen kooldioxide, chloride-ionen, zuurstof en water. Vanbinnenuit zijn er natrium-, kalium- en hydroxylionen en ookwater. Ik wil het hebben over wapeningscorrosie en alkali-silicareactie als aantastingsmechanismen. Verder is er aantas-ting door vorst-dooiwisselingen, eventueel in combinatie metdooizouten en door chemicali?n als zuren en zouten. Dieblijven buiten beschouwing.Alkali-silicareactieAlkali-silicareactie (ASR) is een reactie van natrium-, kalium-en hydroxylionen in de porievloeistof in beton (het water) metreactief of amorf silica in het toeslagmateriaal. Soms is dat hetzand, zoals in bepaalde streken in Engeland, soms het grind,zoals dat in Nederland wel voorkomt. Dit is een wereldwijd45 6Levenslang duurzaam, maar niet vanzelf 12012 537 Roest op wapeningsstaaf8 Roestvorming rondom wapeningsstaaf veroorzaakt expansie,scheuren van beton en afdrukken van de dekking [1]Na depassivering treden elektrochemische reacties op: ijzer lostop in de porievloeistof in de vorm van ijzerionen, waarbij elek-tronen achterblijven in het staal. Die reageren vervolgens metzuurstof en water tot hydroxylionen. IJzer- en hydroxylionenontmoeten elkaar en er ontstaat een vaste stof, ofwel een neer-slag van ijzer(II)hydroxide. Wanneer er nog wat zuurstofbeschikbaar is, reageert dat door tot ijzer(III)hydroxide, eenporeuze en volumineuze massa die we kennen als roest (foto 7).Fe Fe2++ 2 e? O2+ H2O + 2 e 2 OH-Fe2++ 2 OH- Fe(OH)2(s)meer O2 Fe2O3.H2O ROESTHet volume van de roestproducten is groter dan dat van hetstaal waar ze uit voortkomen. Rondom zo'n wapeningsstaafkrijg je dus expansie die leidt tot scheuren van beton en afdruk-ken van de dekking (fig. 8).De verschillende stappen en fasen voor beton dat voldoendewater en zuurstof bevat, zijn schematisch weergegeven infiguur 9 [3]. Er treedt een hele tijd geen corrosie op, maar tege-lijk is dit de periode waarin carbonatatie optreedt, of chloridenindringen. We noemen dat de initiatiefase. In die fase is er nogniets fysieks aan de hand, maar het proces bouwt (overdrachte-lijk) zijn spanning op. Op het tijdstip gemarkeerd met 1 (depas-sivering) bereikt het carbonatatiefront, of het kritisch chloride-gehalte, de wapening. Dan begint het corrosieproces daadwer-kelijk te lopen. Daarna zien we op zeker moment dat de drukdoor de hoeveelheid corrosieproducten zo groot is, dat hetbeton gaat scheuren (markering 2). Bij punt 3 wordt de dekkingafgedrukt. Als we het laten doorgaan, ontstaat de situatiewaarin bezwijken mogelijk wordt. Die tweede fase, de propaga-tiefase, begrijpen we veel minder goed en daardoor kunnen wedie minder goed modelleren dan de eerste fase.We zien door het corrosieproces een bepaalde diameterafnameoptreden, waardoor je sterkteverlies van de constructie kuntkrijgen. Bij betonstaal is de tijd tot afdrukken een jaar of tien. Jekunt zeggen dat scheuren en afdrukken van beton waarschu-wen dat er iets aan de hand is. Echter, bij voorspanstaal kandoor de hydroxylionen, met een pH van meer dan 13 en datdaardoor, automatisch en spontaan, passivering optreedt. Erontstaat een atoomdunne oxidehuid op het staal, dus op nano-schaal, die corrosie verhindert. Dit is de toestand van de wape-ning in de grote meerderheid van de betonconstructies. Dietoestand duurt heel erg lang. Maar er zijn drie oorzaken waar-door die passivering verloren kan gaan.De eerste is carbonatatie, een reactie van het beton met kooldi-oxide uit de lucht. Bij die reactie dringt een min of meer scherpfront het beton in (fig. 5). In figuur 5 heeft het beton links vanhet front gereageerd volgens CO2+ Ca(OH)2 CaCO3+ H2Oen rechts nog niet. Bij deze reactie daalt de pH van meer dan 13naar ongeveer 9. Bij die pH is de passiveringslaag niet langerstabiel. Je krijgt depassivering en daardoor corrosie van wape-ning. Het hangt van andere omstandigheden af hoe hard datgaat.De tweede oorzaak is het indringen van chloride-ionen. Diekomen voor in zeewater en in dooizouten, die we in sommigewinters enthousiast gebruiken. Die chloride-ionen dringen vanbuitenaf het beton binnen, echter niet als een scherp front maarals een dalend profiel (fig. 6). Wanneer het chloridegehalte bijde wapening een bepaalde kritische waarde overschrijdt, treedtdepassivering op en kan weer corrosie ontstaan.De derde oorzaak van depassivering is zwerfstroom uit bijvoor-beeld spoortractie. Daar zal ik hier niet op ingaan.78themaLevenslang duurzaam, maar niet vanzelf12012541234propagatiefaseinitiatiefasebezwijkenafdrukkenscheurendepassiveringhoeveelheidcorrosietijd1234bezwijkendepassiveringpropagatiefaseinitiatiefasehoeveelheidcorrosietijd9 Verschillende fasen in en gevolgen van het corrosieproces [2]10 Propagatielijn voor voorspanstaal met snelle breuk na corro-sie-initiatie (depassivering)11 Brug in de Verenigde Staten die is ingestort door breuk doorcorrosie van voorspanstaalMilieu heeft in 2010 in een klein, niet-representatief steek-proefonderzoek aan vijf kleine bruggen uitgevoerd [4]. Bij tweeervan vonden ze dat de veiligheid onder het gewenste niveauzat. E?n vertoonde schadelijke alkali-silicareactie en ??nvertoonde zulke ernstige corrosie dat die is afgesloten, omdathet niet veilig was er verkeer overheen te laten gaan. Kleinesteekproef, toch een waarschuwing!Criteria en modellenNu komen we terug bij levensduur: welk criterium zou jemoeten hanteren? Als je zou kiezen voor de sterkte, dus hetdiameterverlies van de wapening, dan loop je een serieuze kansdat een situatie onveilig wordt. Kies je als criterium scheuren ofafdrukken van de betondekking, dan is dat constructief nog welveilig, maar je moet dan behoorlijk snel in actie komen om hetcorrosieproces aan te pakken en stop te zetten (of je komtalsnog in een onveilige situatie). Kies je voor depassivering alscriterium, dan ben je vrijwel altijd echt aan de veilige kant.Voor betonstaal tenminste, maar niet voor voorspanstaal. Jezou kunnen zeggen dat je op dat moment weet dat de pati?ntkiespijn heeft en dat zij of hij naar de tandarts moet en een ofandere behandeling nodig heeft. Er is tijd om reparatie enbescherming uit te gaan voeren.Daarom is collectief, zowel in Nederland als internationaal,gekozen voor depassivering als criterium bij het ontwerpen oplevensduur, onder andere in CUR-Leidraad 1 [5] [6]. Wehebben modellen die het optreden van depassivering kunnenvoorspellen. Voor het depassiveren door indringen van chlori-den is een functie ontwikkeld die het gehalte chloride op dieptex na tijd t voorspelt als functie van cs, het gehalte in het opper-vlak, en D, de diffusieco?ffici?nt voor chloride in het beton.c(x,t) = f (cserf[ x_______D.t]) < ckritischcorrosie leiden tot vrijwel onmiddellijke breuk. De propagatie-tijd is ongeveer nul. In figuur 10 zie je dat de lijn voor voor-spanstaal heel steil omhoog loopt en dat bezwijken heel kort nade initiatie optreedt. Foto 11 toont een brug in de VerenigdeStaten die is ingestort door breuk door corrosie van voorspans-taal. Dat is een proces dat niet van tevoren waarschuwt enwaarbij grote ongelukken kunnen gebeuren. Ook in Europakomt dat wel eens voor.Is de VS nu een slecht voorbeeld voor ons of is het ons voor-land? De toestand is daar niet best. Circa 25.000 bruggen zijnin `constructief onvoldoende' staat, schrijft men. In 2003hebben ze geschat dat het zes jaar en 5 miljard dollar per jaarzou kosten om de zaak weer op peil te brengen, in totaal 30miljard. Op de IABMAS conferentie in 2010 in Philadelphiavertelde iemand van de staat Pennsylvania dat zij ook de kostenhadden geschat: ettelijke miljarden voor Pennsylvania alleen.Maar na een paar jaar kwamen ze erachter dat ze twee keerzoveel nodig hadden dan ze eerder hadden geschat. Kortomeen fors probleem. Hebben we zo'n fors probleem in Neder-land? Ik denk het niet, maar helemaal in orde is het ook niet.De VROM-inspectie van het ministerie van Infrastructuur en91011Levenslang duurzaam, maar niet vanzelf 12012 550,00,51,01,52,02,53,03,54,0504030201002050kritisch50+sd50-sdkr-sdkr+sdchloride(%cement)diepte (mm)12 Indringen van chloride in beton, berekend met een diffusie-model na 20 en 50 jaar (dalende curven) en kritisch chloride-gehalte (horizontale lijn), met (normale) verdelingen rondomgemiddeldenstaat er al, met al zijn sterke en zwakke kanten en eigenschap-pen. Op bestaande constructies en minder conventionele maat-regelen om een lange levensduur te bereiken, ga ik in hetvervolgartikel in.Opgemerkt moet worden dat onze modellen empirisch zijn. Zegelden en werken dus alleen voor bekende materialen enomstandigheden. Echter, die gaan veranderen, al is het maaromdat het klimaat verandert. We hebben bijvoorbeeld langeredroge perioden zoals het voorjaar en najaar van 2011. Wehebben ook bij vlagen heftiger neerslag. En soms, zoals in2009/2010 en 2010/2011, hebben we ook nog een lange enstrenge winter. Kortom, de belastingsomstandigheden verande-ren. Daardoor zal bijvoorbeeld carbonatatie van beton snellergaan en dus dieper worden over een bepaalde periode. Ik denkdat de combinatie van carbonatatie en chloride, die agressieveris dan elk van beide op zich, belangrijker gaat worden. Maar ergebeurt nog veel meer: we willen minder cementklinker gaangebruiken en we willen andere bindmiddelen gaan gebruiken,omdat die beter zijn voor het milieu. Ik heb al gesteld dat weniet zo heel goed weten hoe snel het corrosieproces gaat. Weweten dat er vaak scheuren zitten in beton, wat misschien welleidt tot snelle depassivering, waardoor de rode lijn een stuknaar links schuift. Het moment waarop je had willen ontwer-pen is al heel snel bereikt. Kortom, de onzekerheid in allerlei(deel)processen is aanzienlijk en zij neemt ook nog eens toe.Op een aantal hiervan en de mogelijkheden om oplossingen tevinden ga ik in het volgende artikel in. Wanneer we er maar voor zorgen dat het chloridegehalte bij hetstaal c(x,t) onder het kritische gehalte voor initiatie van corro-sie ckritischblijft, is er niks aan de hand. Hoe dat in zijn werk gaaten hoe ingewikkeld dat kan zijn, zien we in figuur 12. Onderbepaalde aannamen (met bepaalde invoerparameters) is na 20jaar het chloride ingedrongen volgens het gele profiel. Na 50jaar krijg je het blauwe profiel. Het kritisch chloridegehalte isde rode lijn. Waar geel of blauw rood kruisen, zit het puntwaarop de wapening zal gaan corroderen, het depassiverings-front. Na 50 jaar zit dat op zo'n 25 mm diepte. Echter, het kanook zijn dat de chloridebelasting groter is dan aangenomen.Dan ligt dat punt op het oppervlak hoger en het punt waar hetprofiel de kritische lijn snijdt wat dieper. Maar het kan ook zijndat de belasting geringer is. Het kritische punt schuift dan naarlinks. Het plaatje wordt al iets ingewikkelder. Maar ook dewaarde van het kritisch gehalte kan door omstandigheden lager(minder gunstig) of hoger (gunstiger) liggen. Nu wordt het welecht ingewikkeld. De onzekerheid die hiermee gepaard gaat,drukken we uit in een kansverdeling met een bepaalde vorm,bijvoorbeeld rondom dat eerste punt op 50 jaar. Ook de onze-kerheid in het kritische gehalte krijgt zo'n verdeling. Wemoeten dus kansrekening gebruiken bij dit soort modelleringmet gemiddelden, spreiding en kansverdelingen. Dat is eenbeperking, maar met goed analyseren van waarnemingen aanconstructies komen we een heel eind. Dit is ook de basisgeweest voor CUR-Leidraad 1: rekening houdend met onzeker-heden, eisen stellen aan de grootte van de betondekking en deweerstand tegen chloridetransport van het beton. Dit betreft deconventionele maatregelen op het gebied van ontwerp enbetontechnologie voor het bereiken van een lange levensduur.De leidraad is gericht op nieuwbouw, de situatie waarin je nogallerlei vrijheid hebt om zaken te kiezen en te ontwerpen. Bijbestaande constructies heb je minder vrijheden. De constructie RefeRenties1 Rooij, M.R. de, 2009, Cementsteen, basis voor beton.?neas, 2009.2 Bertolini, L., Elsener, B., Pedeferri, P. & Polder, R.B., 2004,Corrosion of Steel in Concrete: Prevention, Diagnosis,Repair,Wiley-VCHVerlag GmbH & Co. KGaA,Weinheim.3 Tuutti, K., Corrosion of steel in concrete. CBI Stock-holm, 1982.4 Handreiking constructieve veiligheid bestaandebruggen en viaducten, Ministerie van Infrastructuur enMilieu,VROM-inspectie, publicatienummerVI-2011-47,januari 2011.5 CUR-Leidraad 1, Duurzaamheid van constructief betonmet betrekking tot chloride-ge?nitieerde wapeningscor-rosie, CUR Gouda, 2009.6 Polder, R.B., Breugel, K. van,Wegen, G. van der, 2011,Levensduur beton. Achtergronden en varianten CUR-Leidraad 1. Cement 2011/2.12