Een maandelijkse uitgave van deVereniging Nederlandse Cementindustriepostbus 3011,5203 DA 's-Hertogenbosch maart 1984ChloridepenetratieOnder normale omstandigheden is wapening inbeton blijvendbeschermd tegen corrosie.Die bescherming kan echter falen wanneer aantenminste twee voorwaarden is voldaan: er moettegelijkertijd zowel voldoende water als voldoendelucht contact maken met die wapening. De redenenzijn:WaterRoest is een verbinding van ijzer, zuurstof enwater.Zuurstof uit de lucht kan alleen via reactie metwater (en onder opname van elektronen uit het staal)op de wapening inwerken.- Het corrosieproces is een elektrochemischproces. Dat wil zeggen dat de roestvorming in standmoet worden gehouden door een elektrischestroom. (De zojuist genoemde opname vanelektronen maakt daar deel van uit). Hetporiewateris een geleidende schakel in de voor corrosienoodzakelijke stroomkring. Weinig water betekentslechte geleiding en dus lage corrosiesnelheid.LuchtLuchtbevatde voor het corrosieprocesnoodzakelijke zuurstof.Lucht bevatkoolzuurgas, een zuurreagerendeverbinding die het alkalische milieuinbeton aantastenhetstaal daardoorgevoelig maaktvoor corrosie.In nietgecarbonateerdbeton is de wapening, ook bijaanwezigheid van luchten water, beschermd tegencorrosie door een passiverende oxidelaag op hetstaal (zie BETONlEK 6/11).De invloed van chlorideChloridekan bij dit alles een belangrijke rol spelen.De aanwezigheid van chloride in het poriewaterheeft de volgende consequenties:De geleidbaarheid van het poriewater wordtvergroot. Dit heeft een groterestroomsterkte, en duseen versneld corrosieproces tot gevolg.Chloride-ionen kunnen, ook onder alkalischeomstandigheden, de beschermende passiverings-laag op het staal doorbreken. Er kunnen daarbijplaatselijke, soms zeer diepe invretingen ontstaan,zonder dat er veel roest wordt gevormd. Daardoor isdeze vorm van corrosie erg verraderlijk. Men spreektvan putvormige corrosie, pitting, en ook wel vanchloride-aantasting. Putvormige corrosie is vooralgevaarlijk bij voorspanstaal.- Chloriden trekken water aan. Zelfs onder sterkdrogende omstandigheden kan daardoorrond dewapening toch voldoende water aanwezig zijn voorhet corrosieproces.AI met al voldoenderedenen om de invloed vanchloride op wapeningscorrosie wat nader onderdeloupe te nemen.Chloride in betonDe eerste vraag is dan hoe chloride bij de wapeningterecht kan komen. Vroegerwas dat geen vraag.Een niette grote hoeveelheid calciumchloride,toegevoegd bij het bereiden van betonspecie,zorgde voor kortere ontkistingstijden. Omdaterverder weinig nadelige consequenties aanwezigleken te zijn werd calciumchloride te pas en helaasook vaak te onpas, gebruikt.Tegenwoordig is men wat voorzichtigergeworden;de gevaren van chloridetoevoeging worden ingezien1en uiteraard ook wel eens wat overtrokken.BËTONIEK 6/1 geefteen historisch overzicht.De huidige situatie is dat chloride niet meeropzettelijk mag worden toegevoegd en dat ook hetnatuurlijke voorkomen in de grondstoffen aanbanden is gelegd.Dat betekent niet dat tegenwoordig geen gevaarlijkechlorideconcentraties meerte verwachten zijn.Daarbij denken we dan niet zozeer aan incidentelefouten bij de samenstelling van de betonspecie. Veelreëler is het probleem van chloride dat pas op eenlatertijdstip, van buitenaf het verhardende ofverharde beton binnendringt. Zoiets is helemaal niettheoretisch. Twee mogelijkheden zijn zelfs heelnormaal in de betonpraktijk:- directe of indirecte inwerking van zeewater;- inwerking van dooizouten.Gelukkig wat mindergewoon is de indringing vanzoutzuurdamp zoals die kan ontstaan bijverbranding van bepaalde kunststoffen.In al deze gevallen dringt chloride van buitenaf hetbeton binnen. De belangrijkste vraag daarbij is hoesnel dit indringingsproces'verloopt.Indringing van chlorideIndringing van chloride in beton kan wordenvergeleken met die van koolzuurgas.Er zijn echter enkele principiële verschillen.Koolzuurgas, en ook andere gassen, zoals zuurstof,2Pijlers in één van de sluitgaten van de Oostersehelde;duidelijk voorbeeld van betonconstructies die wordenblootgesteld aan indringing van chloride.foto: Peter Blok, Sprang-Capellebewegen zich in water veel moeilijkervoort dan inlucht. Koolzuurgas bijvoorbeeld beweegt in luchtongeveer 10 000 maal zo snel als in water.Chloride-ionen en vergelijkbare positief of negatiefgeladen deeltjes kunnen daarentegen alleen maar inwater bestaan en zich daarin voortbewegen. Eenmet luchtgevulde porie vormt een onoverkomenlijkebarrière.Een aangename consequentie hiervan is datomstandigheden die gunstig zijn voor carbonatatie,ongunstig zijn voor chloride-indringing enomgekeerd.Het feit dat bij chloride sprake is van een concentratieis een tweedeverschil met de indringing vankoolzuurgas. Bij de indringing van koolzuurgas issprake van een min of meer scherp carbonatatie-front, datbovendien meestal samenvaltmet eeneveneens min of meer scherp uitdrogingsfront.Bij van buitenaf binnendringend chloride is er geensprake van een front; verwacht moet worden dat dechlorideconcentratie in de buitenste schil het hoogstis en naarbinnen toe geleidelijk aan steeds lagerwordt. Dat betekent ook datniet zonder meer kanworden gezegd hoe ver chloride het beton isbinnengedrongen. Wel kan worden geschat op welkmoment, op een bepaalde diepte onder hetoppervlak, een bepaalde kritische concentratiewordt overschreden.Bewust wordt gezegd dat de concentratie wordtgeschat. Dit heeftte maken met een derde verschil.De indringing van koolzuurgas is simpel vast testellen doorop een vers breukoppervlak eenindicatorte druppelen. Wanneer daarvoorfenolftaleïne wordt gebruikt, kleurt nog nietgecarbonateerd beton zich fel paarsrood; hetcarbonatatiefront tekent zich daarbij scherp af.Voor het vaststellen van de aanwezigheid vanchloride bestaat helaas niet zo'n simpele test, laatstaan dat de concentratie ook maar bij benaderingkan worden weergegeven. Chemische analyse vaneen op een bepaalde diepte getrokken monster isnog de eenvoudigste mogelijkheid. Ook hettrekkenvan het monster is lastiger. Voorhet vaststellen vandecarbonatatiediepte wordt meestal een cylindergeboord, die vervolgens overlangs wordt gespleten.Op het splijtvlak wordt dan fenolftaleïne gedruppeld.Voor chlorideanalyse kan een schijfop de gewenstediepte uit zo'n geboorde cylinder worden gezaagd enop chloride geanalyseerd. Bij het boren .enzagenwordt normaal echter veel water gebruikt, enchloride is helaas erg goed oplosbaar in water.Water als koelvloeistof is daardoor onbruikbaar.PenetratiesnelheidHoe staat het nu met de snelheid van indringing, depenetratiesnelheid, van chloride? Kan daar, evenalsin BETONIEK6/11 voor de carbonatatiesnelheid isgedaan, een kwalitatieve indruk van wordengegeven?Vooral in verband met recente, ernstige corrosiege-vallen waarbij chloride was betrokken, is er delaatste tijd veel onderzoek naar gedaan. Hierdoorkan momenteel inderdaad een goed beeld wordengegeven van de invloed van de belangrijkstefactoren. Het hiernavolgende is gebaseerd op eenzeer uitgebreid onderzoek, verricht in West-Duits-land door Brodersen (zie lit.).Uitgangspunt is, net als voor carbonatatie,een verondersteld mathematisch verband. Bijcarbonatatie leidt zo'n veronderstelde samenhangtot de veel gebruikte yt-formule: de carbonatatie-diepte zou evenredig zijn met de wortel uit deexpositietijd. In de praktijk blijkt deze formule helaasmeestal niet op te gaan omdat de uitgangspuntenniet juistzijn. Niet het transport van koolzuurgas isbepalend voor de carbonatatiediepte, maardeuitdroogsnelheid van hetporiesysteem. Deze hangtvooral af van de expositieomstandigheden en deporiestructuur van hetbeton.Deuitgangspunten voor indringing van chloridelijken beter te kloppen, hoewel ook hier de nodigereserve toch op zijn plaats is. In iedergeval hangt deohlorideconcentratie C op een bepaalde afstandonder het betonoppervlak en na een bepaaldeexpositietijd af van de volgende factoren:- chlorideconcentratie aan de buitenzijde van hetbeton, Co- afstand tot het oppervlak, x- expositietijd, tporiestructuur, die net als bij carbonatatie wordtweergegeven door een diffusiecoëfficiënt, DWanneer de indringdieptein cm en de expositietijd injaren wordt uitgedrukt, dan heeft de diffusiecoëffi-ciëntde dimensie van cm2/jaar.Hierbij moet wel worden bedacht dat de diffusie-coëfficiënt voor indringing van chloride heel anderewaarden aanneemt dan die voor koolzuurgas, enook op een heel andere manierafhankelijk is van deheersende omstandigheden.Voor indringing van chloride in cementsteen geldtdat, voor een bepaalde waardevan x, ten D, Cevenredig is met Co'Is bijvoorbeeld voor een stuk beton Cotwee maal zogroot als voor een ander stukbeton. dat zichoverigens onder precies dezelfde omstandighedenbevindt, dan zal in het eerste de chlorideconcentratie 'C ook overal ongeveer twee maal zo hoog zijn als inhet tweede.Verder is, voor een bepaalde chlorideconcentratieen een niette lange expositietijd de indringdiepte minof meerevenredig met de wortel uit de tijd en dewortel uit de diffusiecoëfficiënt. Is bijvoorbeeld na1jaar expositie dechlorideconcentratie op 1 cmonder het oppervlak 0,5% t.o.v. het cementgewicht,dan wordt die concentratie op 2 cm onder hetoppervlak bereikt na ongeveer 4 jaaren op 3 cm naongeveer9 jaar.Bijtwee betonsoorten, de één met een diffusiecoëffi-ciënt D = 2 cm2/jde ander met D = 0,5 cm2/j,zal,wanneerde verdere omstandigheden hetzelfde zijn,bij de eerste een bepaalde chlorideconcentratietwee maal zo ver onder het oppervlak zijndoorgedrongen als bij de tweede.Den tkunnen ook gelijktijdig worden bekeken.Onder verder gelijke omstandigheden geeft eentwee maal zo kleine diffusiecoëfficiënt na een tweemaal zo lange expositietijd gelijke chlorideconcentra-ties in het beton.Dit alles uiteraard bij benadering.31Verband tussen de chlorideconcentratie in hetporiewater,C, en de indringdiepte, x,voor hetgevaldatzowel Co, ten D gelijkzijn aan 10,80,6oo0,4oo 2 3indringdiepte xHet verband tussen concentratie en afstand tot hetoppervlak is ingewikkelder. Figuur 1 geeft een beeldvoor het geval dat zowel Co, t als 0 gelijk aan 1 zijn.Uit deze figuur kan de concentratie in het poriewatervoor andere waarden van Co, ten Dgemakkelijkworden berekend.Voorbeeld 1Stel Co= 20 gil (de concentratie van zeewater), Lp.v.1 gil. Figuur 1blijftgelijk, maaralle waarden langs deY-as moeten met 20 worden vermenigvuldigd. Dechlorideconcentratie op 1 cm diepte is dan dus niet0,48 gil, maar 9,6 g/1.Voorbeeld 2Stel Co 20 gil terwijl 0 = 2cm2/j. Voor eenbepaalde concentratie is de indringing nu maalzo groot. Voor een concentratie van 9,6 gil dus1,4 cm Lp.v. 1 cm. Hetzelfde effect wordtverkregenvoor D = 1 cm2/j en een expositietijd van 2 jaari.p.v. 1jaar.Voorbeeld 3Stel 0 = 2 cm2/j,t = 3 jaar, Co= 100 gil (watermetdooizouten). Stel verder dat de maximaaltoelaatbaar geachte concentratie in hetbeton terplaatse van de wapening 10 gil bedraagt. Op welkeafstand tot het oppervlak isdan deze concentratiete verwachten?Antwoord: De relatieve concentratie CICois 0,10.Voor 0= 1 en t = 1 is de indringdieptevoor dezeconcentratie (zie weer figuur 1), 2,2 cm. Voor0=2 en t = 3 is de indringing maal zo groot enbedraagt dus 5,4 cm. Onder normale omstandighe-den is dan te verwachten dat de wapening metteveelchloride in contactstaat.Voorbeeld 4Als de dekking op de wapening 2 cm bedraagt, welkewaarde van 0 is dan hoogstens toelaatbaar om :in4het voorgaande voorbeeld nog net aan de eis tevoldoen?Antwoord: Voor 0 = 2 en t = 3 is deindririgdiepte5,4 cm. Toegelaten is maximaal 2 cm. 0 moet danminstens (2/5,4 = 0,14 maal zo klein zijn en magdus niet meer bedragen dan 0,3 cm2/j.Het is duidelijk dat de waarde van 0 erg belangrijk is.Een 4 maal zo kleine waarde van 0 laat een 4 maalzo lange expositietijdtoe of eventueel een 2 maal zokleine dekking.Invloeden op de diffusiecoëfficiënt 0ogeeftde invloed van de betonstructuurop depenetratiesnelheid van chloride weer. Het zal danook geen verbazing wekken dat de volgendefactoren weer invloed blijken te hebben:- cementsoort;- water-cementfactor;- duur van de nabehandeling.Uit voornoemd onderzoek blijkt verder ook detemperatuur van belang te zijn en bovendien, inbelangrijke mate, de maximum korrel van hettoeslagmateriaal. Tenslotte blijkt ook de soortChloride invloed te hebben. Voor de hieronderverderuitgewerkte resultaten werd een oplossing vannatriumchloride (keukenzout) met een concentratievan 105 gil chloride gebruikt;bij gebruikvancalciumchloride werden 1,5-2 maal zo grotediffusiecoëfficiënten gevonden. Hetgebruik vancalciumchloride als dooizout lijkt dus gevaarlijkerdan natriumchloride.Met betrekking tot de invloed van cementsoort,nabehandeling, wcfen betontemperatuurwerd, inverband met de gewenste nauwkeurigheid,onderzoek gedaan aan cementsteen in plaats vanbeton. De volgende invloeden op de diffusiecoëffi·ciënt werden gevonden (ter herinnering: een twee2Invloed vanhetslakgehalte op de diffusiecoëfficiëntvancementsteen (wct = 0,60, nabehandeling 28 dagen,21°C).Euooslakgehaltecementmaal zo grotewaarde voor 0 betekent een maalzo grote indringing).1. Invloed cement(bij wcf = 0,60, nabehandeling 28 dagen, 210C)De diffusiecoëfficiënt 0 wordt groter in de richtingportlandcement. Het slakgehalte van het hoogoven-cementblijktdaarbij een onverwacht grote invloed tehebben.cement o(cm Ij)naarmate de tijd van nabehandeling langer isbetekent voor de praktijk dat ook in de expositie-periode de diffusiecoëfficiëntvoortdurend kleinerwordt.Het beton wordt steeds dichtervoor chloride. De bijhet beschreven onderzoek gevonden diffusie-coëfficiënten zijn gemeten aan jong beton. Voorlangere expositietijden zal daarom de chloridepene-tratie belangrijk kleiner kunnen zijndan met behulpvan de gegeven formules kan worden berekend. Netals voor carbonatatie gaat het vr-verband op denduurzeker niet meer op.CsA-vrijpcpchc (15% slak)hc(25% slak)he (30% slak)he(40% slak)hc (50% slak)hc (60% slak)he (80% slak)3,32,01,91,61,30,50,20,070,023Invloed van de duur van de nabehandeling op dediffusiecoëfficiënt van portlandcementsteenen hoogovencementsteen (hoogovencement met60% slak; wet = 0,60, 21°C)hc-60pcoo 2 4 6 8 10 12nabehandelingstijd (weken).Enabehandeling pc hc-607dagennat 4,4 0,1014 dagen nat 2,5 0,0828 dagen nat 2,0 0,0791 dagen nat 1,6 0,07Portlandcement is duidelijkgevoelig voor deduurvan de nabehandeling, hoogovencementnauwelijks. Een resultaat dat even verrassend isals de grote invloed van het slakgehalte op dediffusiecoëfficiënt;men zou verwachten dat juisthoogovencement gevoeligerzou zijn voor slechtenabehandeling.Het feit datde diffusiecoëfficiënt kleiner wordt2. Nabehandeling(pc en hc-60% slak, wcf = 0,60, 21 "O)50,65wcfhc-600,601QJ04Invloed van de water-cementfactorop de diffusiecoëffi-ciëntvan portlandcementsteen en hoogovencementsteen(hoogovencementmet60% slak; 28 dagen nebenenee-ling,21°C)5Invloed van de temperatuur op diffusiecoëfficiënt vanportlandcementsteen 0,60, 28 dagennabehandeling) ECouQJ115 20 25 30temperatuur (%)3. Water-cementfactor(pcenhc-60% slak, 28 dagen nabehandeling, 21° C)wcf pc hc-600,55 1,1 0,040,60 2,0 0,070,65 2,7 0,13De invloed van de water-cementfactor is duidelijk,maar niet overheersend.4. Temperatuur(pc, wcf 0,60, 28 dagen nabehandeling)temperatuur pc15°C 1,321°G 2,025°C 2,53,4Ook de invloed vande temperatuur blijkt duidelijk:10°Ctemperatuurverhoging geefteen circa 2 maalzo grote diffusiecoëfficiënt. Een resultaat waarmeebij constructies in warme landen rekening moetwordengehouden. (De metingen zijn alleen metportlandcement uitgevoerd).Cementsteenten opzichtevanbetonAIdeze resultaten hebben betrekking op diffusiedoor cementsteen; uit aanvullende proeven blijkt datde diffusie door mortel en vooral beton belangrijksneller kan verlopen. Figuur 6 geefteen beeld van deindringing van chloride in beton.Uit deze kromme's blijkt een diffussiecoëfficiënto= 0,4 cm2voorhoogovencementbeton en0= 5 cm2/jvoorportlandcementbeton. Voordezelfde wet(0,56) en nabehandelingstijd (14dagen)werd voor cementsteen respectievelijk 0,055 en1,6 cm2/jgevonden. Bij hoogovencementblijkt dediffusiecoëfficiënt voorbeton dus circa 7 maal zogrootals voor cementsteen, bij portlandcement circa3 maal zo groot. Waarschijnlijk wordt deze sterketoename van de diffusiecoëfficiënt veroorzaaktdoordat het chloridetransport gedeeltelijk viahechtscheurtjes langs de korreloppervlakken kanverlopen. Dat dit effectvoor hoogovencementbetonsterker is dan voor portlandcementbeton, isbegrijpelijk: de invloed van de dichtere cementsteenwordt relatief gezien kleiner.Voor een wcf = 0,66 werd voor hoogovencement-beton 0 = 0,9 cm2/jgevonden,voor portlandcement-beton 0 = 9 cm2/j.Voor cementsteen met dezelfdewcf en nabehandelingstijd waren deze waardenrespectievelijk 0,25 en 3,5 cm2/j, dus respectievelijk3,5 en 2,5 maal zo groot. Voor een hoge wcf is hetverschil tussen de D-waarden voor cementsteen enbeton dus kleiner. Ook dat is bij de hierbovengegeven verklaring te begrijpen.640 6020o16Indringing van een dooizoutoplossing in hoogoven-cementbeton en portlandcementbeton, na 1jaarexpositie(wcf= 0,56)AI met al worden voor beton geen principieel andereresultaten verkregen dan voor cementsteen, zodatde gegevens in de bovenstaande tabellen toch welals een globale indicatie mogen worden gebruikt.Verrassend is daarbij de sterke invloed van decementsoort, en daarbijdan weer speciaal van hetslakgehalte. Dit kan zeker niet alleen wordentoegeschreven aan verschillen in poriestructuur.Let bijvoorbeeld op hoogovencement met eenverhardingstijd van 7 dagen; in die korte tijd is hetniette verwachten dat al zo'n groot verschil metportlandcement is ontstaan. Ook de relatief geringeinvloed van de wcf wijst er op dat er iets bijzondersaan de hand is. De juiste oorzaak is echter niet metzekerheid bekend. Men neemt momenteel wel aandat de structuur van het hoogovencementgel eenzodanig karakter heeft dat grote hoeveelhedenchloride door adsorbtie worden gebonden, maar erworden ook wel andere verklaringen gegeven. Hetenorme verschil tussen (slakrijk) hoogovencementen portlandcement wordt echterdoor alleonderzoekers vastgesteld.Wanneer het uitgedroogde beton vervolgens incontact komt met een nieuwe zoutoplossing danvullen de poriën zich zeer snel, waarbij duschloride-ionen in korte tijd tot op het vroegereuitdroogfront worden getransporteerd. Bovendienneemt dit water eerder achtergebleven chloride weerop en wordt de concentratie nog eens vergroot.Herhaald uitdrogen en weer bevochtigen met eenzoutoplossing isdus een voor de wapening zeergevaarlijke omstandigheid. Deze situatie doet zichvoor in de getijde- en spatzonebij constructies aanzee, maarook bijvoorbeeld in parkeergarages, waarperioden vanbevochtiging met sterk zouthoudendwater en perioden van uitdroging elkaar afwiseten.Het nare is dat de chlorideconcentratie bij elke cyclusalleen maartoeneemt en nooit kleiner wordt.Algemeen geldt: chloride dringt gemakkelijk betonbinnen, maar is er praktisch gesproken niet meer uitte verwijderen. Heden te meerom al bij hetontwerpen en uitvoeren van betonconstructiesrekening te houden met eventuele indringing vanchloride.Invloed van uitdrogingWanneer beton uitdroogt zal het zich terugtrek-kende vochtfront een deel van het binnengedrongenchloride versneld naar binnen transporteren.In de uitdrogende cementsteen zullen echterookgebiedjes met een fijnere structuur, en dus eenhogervochtgehalte, geïsoleerdraken van het zichterugtrekkende poriewater. Een deel van hetchloride blijft hier achter, en is voorlopig onschadelijk.De chlorideconcentratie van het naar binnentrek-kende water neemt desondanks toe, maar dat geldtook voor de concentratie van de hydroxylionen,waardoor de kwalijke invloed van de hogerechlorideconcentratie enigszins wordt gecompen-seerd. Wanneer het uitdroogfront de wapening zoubereiken, istoch een zeer gevaarlijke situatieontstaan: de combinatie van lucht, water en chloride.LiteratuurH. A. Bredersen. Zur Abhänqlqkeit der Transport-vorgänge verschiedener lonen im Beton vonStruktur und Zusammensetzung des Zementsteins:dissertatie TH Aken, 1982.7I r 1II I1BETONlEK verschijnt 10 x per jaar.Abonnementsprijzen per jaar, inclusief verzamelbandvoor 3 jaargangen (incl. 5% BTW):Nederland, Nederlandse Antillen, België foverige landen fISSN 0156-137X8administratie:postbus 3011, 5203DA 's-Hertogenboschtelefoon (073)401231Abonnementen lopen per kalenderjaar. Aan het eindvan een kalenderjaar wordt het abonnement auto-matisch verlengd, tenzij het abonnement vóór1 december schriftelijk wordt opgezegd.