Een maandelilkseuitgave van deNederlandse Cementindustrieredactie-adresHerengracht 507 Amsterdamtelefoon juni 1976Roesten van wapeningBeton is duurzaam, sterk en hard ...Afgaande op deze stelling, waarmee ook deinstructiefilm 'Opbouw van beton" begint,moet men wel concluderen dat beton eigenlijkeen ideaal bouwmateriaal is. En dat is het ook,al zijn er uiteraard ook beperkingen.Bekend is, dat beton wel een relatief hogedruk, maar daarentegen weinig trek op kannemen. Een gevolg daarvan is, dat ongewapendbeton dat bij voorbeeld op buiging wordt :be-last gemakkelijk zal scheuren. Omdat staal welveei trek kan opnemen, kan een constructievan gewapend beton de belasting waardooreen ongewapende betonconstructie zou be-zwijken, eenvoudig opnemen. Voorwaardehiervoor is dan wel, dat de wapening dáárwordt aangebracht, waar de constructie op trekwordt belast.Voor het goed kunnen slagen van de samen-werking tussen staal en beton is het nodig dater een goede hechting tussen beide compo-nenten bestaat en dat het staal tegen roestenwordt beschermd. Gebeurt dit laatste niet dankan een uiterst onaangename schade aan debetonconstructie ontstaan. Door roestendewapening kan namelijk de betondekking vande wapening worden losgedrukt, omdat ge-roest staal meer plaats inneemt dan ongeroest*Instructiefilm, vervaardigd door de Neder-landse Cementindustrie, bestemd voor onder-wijsdoeleinden.staal. Staal moet dus tegen roesten worden be-schermd en beton is daar nu juist uitstekendgeschikt voor. In ongescheurd beton, en zelfsin gescheurd beton als de scheurwijdteminste beperkt blijft, zal staal onbeperkt Ingoede staat blijven, waarmee de vande constructie dus gewaarborgd IS.Om te begrijpen hoe dit alles in zijn werk gaaten welke eisen aan de dekking dienen te wor-den gesteld, moeten we een uitstapje in dechemie maken: roesten is nu eenmaal eenchemisch probleem.Chemie van het roestenChemisch gezien is roest een verbinding vanijzer met zuurstof en water. In de natuureen soort erts voor dat er sprekend op hJkt:limoniet. In hoogovens wordt uit limoniet enandere ijzerertsen ten koste van nogal veelenergie ijzer gemaakt. In de natuur streeftechter alles naar een toestand van laagsteenergie, zodat het geproduceerde ijzer of staaleigenlijk een instabiel materiaal is dat,het er de kans voor krijgt, weer terug wil kerennaar de oorspronkelijke toestand van lageenergie. Die kans krijgt het, wanneer de beidein de hoogoven uitgedreven bestanddelen,water en zuurstof, weer in contact met hetmetaal worden gebracht: het gaat roesten.Dat voor de vorming van roest naast zuurstofook water nodig is, kan iedereen in de praktijkvaststellen. De inhoud van een pakje spijkerswordt in een vochtige schuur al snel bedektmet een roestlaagje, maar blijft op een drogezolder gedurende lange tijd gaaf en blank. Ditvoorbeeld bewijst overigens bovendien datvoor de vorming van roest weliswaar waternodig is, maar dat dit beslist niet veel hoeft tezijn. Wat vochtige lucht is voldoende.De omstandigheden waaronder wel of geenroesten optreedt, zijn overigens nog wat in-gewikkelder. Dat blijkt uit het volgende proefjedat iedereen thuis gemakkelijk kan nawerken.Een viertal glazen (lege jampotjes voldoenheel goed) wordt gevuld met respectievelijkazijn, gewoon leidingwater, water waarin eenpaar theelepeltjes soda zijn opgelost (evenlaten bezinken en de bovenstaande helderevloeistof gebruiken) en ten slotte ammonia. Inelk glas wordt een flinke, met schuurpapierblank gemaakte draadnagel geplaatst, waarnahet geheel op een veilige plaats wordt weg-gezet. Terwille van de huiselijke vrede, maarook om te snelle verdamping te voorkomen,worden de glazen luchtig afgedekt. Luchtigomdat het in ieder geval nodig is dat lucht endaarmee zuurstof vrije toegang houdt.Wanneer na enkele dagen de glazen weer te-voorschijn worden gehaald, zal blijken dat inhet glas met leidingwater de draadnagel isbedekt met een wollige bruine massa. Het isijzerhydroxide, de eerste fase in het procesvan roestvorming. In het glas met azijn lijkt dedraadnagel onveranderd te zijn. Op het deelboven de vloeistof bevindt zich echter eenzwarte massa en bij nadere bestudering ziethet blanke deel er bovendien duidelijk geêtstuit. Roesten is blijkbaar niet de enige manier2waarop ijzer kan worden aangetast. In deglazen met soda-oplossing en ammonia tenslotte is op het oog helemaal niets gebeurd.Deze beide vloeistoffen hebben gemeen dat ze,wat de chemicus noemtalka/isch zijn. De matevan alkaliteit kan worden uitgedrukt in eengetal: de pH. Hoe hoger de :pH hoe alkalischer,hoe lager de pH hoe zuurder de vloeistof is.Ammonia is met een pH van 13 het sterkstalkalisch, direct gevolgd door de soda-oplos-sing van bijna 12. Het leidingwater heeft eenpH van 7 en wordt door de chemicus alsneutraal, dat wH zeggen noch zuur, noch al-kalisch aangemerkt. Ten opzichte hiervan is deazijn met een pH van 2,5 duidelijk zuur.Als conclusie van dit oriênterende proefjekunnen we dus stellen:lage pH: oplossen;neutraal: roesten;hoge pH: geen aantasting.Het proefje is daarom zo interessant, omdat inbeton eveneens een pH van 12 à 13 heerst.Onder dein beton heersende omstandighedenmag dus een vergelijkbare bescherming tegenaantasting worden verwacht.De rol van zuurstofDealkaliteit van de omgeving is blijkbaar eenbepalende factor. Nog niet duidelijk is echterHet hUis-, tuin- en keukenproefje met despijkers. Links een glas met azijn; daarnaasteen glas met water,vervolgens een glas metde soda- en zoutoplossing en ten slotte rechtseen glas met alleen opgeloste sodade rol van de zuurstof bij dit alles. Bij nadereanalyse. met behulp van wat verfijnderemetingen dan in ons huls-, tuin- en keuken-proefje mogelijk was, blijkt dat bij een pHkleiner dan 7 het ijzer onder waterstot-ontwikkeling oplost. Misschien was u de aan-wezigheid van kleine gasbelletjes op de draad-nagel in de azijn at opgevallen. Hoe lager depH is hoe heftiger de reactie verloopt en hoesneller het metaal in oplossing gaat. Aanwezig-heid van zuurstof is in dit geval niet nood-zakelijk, maar bevordert de reactie wel. Innormaal beton, onder normale omstandighedenzal een dergelijke lage pH echter nooit voor-komen.Bij pH-waarden van ongeveer 7 tot on-geveer 9 wordt de bekende laag van water-houdende roest gevormd. Hoe hoger de pH is,hoe langzamer de aantasting verloopt. Ook bijafwezigheid van zuurstof kan in principe nogroest worden gevormd, maar de snelheid vanhetcorrosieproces is dan te verwaarlozen.Bij een pH groter dan ca. 9 en voldoende aan-voer van zuurstof ontstaat een wat anderssamengesteld reactieprodukt dat geen waterbevat, maar alleen ijzer en zuurstof. Dit pro-dukt, dat qua samenstelling. overeenkomt methet ijzererts hematiet en door de chemicuswordt aangeduid als vormt een huidjedat zo dun is dat het met. het blote oog nietis te zien. Het is echter tevens zo dicht dat hettoch het onderliggende metaal vrijwel volledigafschermt tegen verdere aantasting. Men zegtin zo'n geval dat het staal wordt gepassiveerd.Komt er een scheurtje of een krasje in hethuidje dan herstelt het zichzelf automatisch.Passivering is dus een zeer gunstig reactie-mechanisme, waarvan dan ook in de praktijk3een dankbaar gebruik wordt gemaakt. Metalenals zink, aluminium, nikkel en chroom enbepaalde staallegeringen worden onder nor-male atmosferische omstandigheden al ge-passiveerd. IJzer en ongelegeerd staal hebbenhet nadeel dat de pH veel hoger moet zijn,maar vinden in beton de ideale omstandig-heden. Toch zal in niet uitgedroogd betonweinig of geen passivering optreden: de aan-voersnelheid van zuurstof door de met vloei-stof gevulde capillairen is veel te gering. Dat isechter geen enkel bezwaar: voor een gevaar-lijke corrosiesnelheidis ook bij deze hogepH's een goede aanvoer van zuurstof een on-misbare voorwaarde. Wanneer het-beton uit-droogt kan zuurstof wel binnendringen en kanalsnog passivering optreden. Met de zuurstofhebben nu echter ook andere gassen toegang.Met name koolzuurgas en zwaveldioxidekunnen, hoewel ze in zeer geringe concen-traties voorkomen, een belangrijke invloed ophet corrosieverloop hebben.CarbonatatieIn niet uitgedroogd beton zijn de poriën gevuldmet water dat Is verzadigd aan calciumhydro-xide, beter bekend als vrije kalk of in de bouwals gebluste kalk. Een dergelijke oplossingheeft een pH van 12 à 13 en geeft dus de ge-noemde automatische bescherming aan hetwapeningsstaal. In lucht zit evenwel naast ruim20% zuurstof ook een kleine hoeveelheidandere gassen, die de nare eigenschap hebbendat ze met de vrije kalk kunnen reageren ondervorming van kalkzouten. Het meest bekend iskoolzuur, dat in een hoeveelheid van slechts0,03% in lucht voorkomt, maar als er tijdgenoeg is toch een belangrijk deel van de vrijekalk in het betonoppervlak kan omzetten, indit geval in calciumcarbonaat. Deze reactie isonder meer verantwoordelijk voor de vormingwitte uitslag. Belangrijker voor ons onder-werp is echter dat bij dit soort reacties tevensde pH wordt verlaagd. Aangezien hierbij waar--- beneden de 9 kunnen worden bereikt,etekent dit dat de bescherming van de wape-ling in zo'n gevai nietmeer is gewaarborgd.Dit soort pH-verlagende reacties (door kool-zuur, maar ook door het om andere redenenberuchtezwaveldioxyde) wordt in de beton-technologie aangeduid door de naam carbona-tatie. Er zijn bepaalde vloeistoffen (indicatoren)die bij verschillende pH-waarden een verschil-lende kleur hebben. Een ervan is tenolftatelne,dat bij een pH kleiner dan ca. 9 kleurloos is,maar bij hogere waarden fel paarsachtig-roodkleurt. Zo'n stof is bij uitstek geschikt om deveiligheid met betrekking tot roestvorming aante geven. Wanneer een vers breukvlak vanbeton met fenolftaleïne wordt ingesmeerd dansteekt het gecarbonateerde deel duidelijk aften opzichte van de roodgekleurde, nog al-kalische rest van het beton. Komt in zo'n stukbeton geroeste wapening voor dan blijkt zo'nroestplek vrijwel altijd in het ongekleurde, dusgecarbonateerde gebied te liggen.Een gelukkige omstandigheid is dat zuurstofover het algemeen sneller doordringt dan depH-verlagende gassen. Hierdoor is het moge-lijk dat het staal al redelijk gepassiveerd isvoor de pH-verlaging optreedt. En een passt-verende laag blijft toch een enigszins bescher-mende werking houden, ook bij lagere pH's.Hoewel uiteraard beschadigingen nu niet meerautomatisch worden hersteld.Het gevaar van chloridenHet is in debetonwereld zo langzamerhandwel bekend dat calciumchloride een slechte4Een gevolg van roestende wapening; debetondekking wordt losgedrukt en de wape-ning komt bloot te liggennaam heeft, vooral met betrekking tot hetroesten van wapening. Het is de moeite waardom de reden daarvan nog eens in zo'n spijker-proefje na te gaan.We vullen weer een glas met een heldere soda-oplossing, maar voegen nu ook nog eenlepeltje keukenzout (natriumchloride voor :dechemicus) toe. Reeds na enkele dagen ver-toont een in deze vloeistof geplaatste draad-nagel duidelijke tekenen van corrosie. In ditgeval wordt echter niet een vrij egale licht-bruine roestlaag gevormd, maar ontstaan zeerplaatselijk zwarte knobbeltjes, terwijl de restvan het metaal blank blijft. Vooral wanneer hetproces een tijdje heeft doorgelopen, bevindenzich onder de zwarte knobbeltjes duidelijkeholtes in het metaaloppervlak. Men spreektdaarom van putvormige corrosie of 'pitting'.Omdat zo'n put in ernstige mate de doorsnedevan het staal kan verminderen, is pitting vooralgevreesd bij de toepassing van voorgespannenwapening. Daar komt nog bij dat de modernevoorspanstalen juist bijzonder gevoelig zijnvoor deze vorm van aantasting. Een en anderis de reden dat voor voorgespannen betonbijzondere eisen worden gesteld aan hetchloridegehalte van het beton.Men zou kunnen tegenwerpen dat in het be-schreven proefje het chloride wordt toe-gevoegd voordat het staal was gepassiveerd.In de praktijk hoeft dat niet altijd het geval tezijn; denk maar aan dooizouten of constructiesin de buurt van de zee (gezonde zeeluchtbevat wel een verrassend grote hoeveelheidchloride!). Ook deze omstandigheden zijn welna te bootsen: een draadnagel krijgt bij voor-beeld gedurende een week de tijd om tepassiveren in een zuivere soda-oplossing enwordt pas dan overgeplaatst in een soda-oplossing waaraan keukenzout is toegevoegd.Het zal blijken dat ook nu putvorming optreedt,echter in mindere mate dan bij het vorigeproefje. Chloride blijkt dus ook een reeds aan-wezige passiverende laag plaatselijk onwerk-zaam te kunnen maken.Een gelukkige omstandigheid bij dit alles is,dat cement een betrekkelijk grote hoeveel-heid chloride blijkt te kunnen binden. Dit ver-mogen heeft echter zijn grenzen. Bij over-schrijding daarvan moet dan toch weer ernstigrekening worden gehouden met een sterk ver-groot corrosiegevaar.Invloed van de buitenhuidWanneer geen chloriden aanwezig zijn, is voorroesten van wapening noodzakelijk de aan-wezigheid van zuurstof en van water met eenpH kleiner dan ongeveer 9. Voor de lage pH ishet nodig dat koolzuurgas en dergelijke vanbuitenaf de wapening bereikt. De snelheidwaarmee gassen in beton kunnen doordringenis vrijwel te verwaarlozen wanneer de poriëngevuld zijn met water. Slechts in uitgedroogdeporiën is er sprake van enige snelheid. Dezewordt echter ook dan nog beperkt door degeringe afmetingen van de poriën, door hetfeit dat de in de poriën aanwezige vrije kalkreageert met deze gassen en ten slotte ulter-5aard ook door de afstand die moet wordenafgelegd voor de wapening wordt bereikt.Het uitdrogen zelf gebeurt eveneens het snelstin de grovere poriën. Het is dus duidelijk datvooral een dichte poriestructuur, gecombi-neerd met een niet te geringe dekking debeste waarborg levert voor een duurzamewapening. Een dichte structuur wordt bevor-derd door een lage water-cernenttactor, doorgoede verdichting en door een hoge hydratatie-graad. Om deze laatste juist in debuitenhuidte kunnen garanderen, is het van belang om tewaken tegen voortijdige uitdroging. Een goedenabehandeling is dus ook een vereiste.Een lage water-cementfactor heeft eenstige invloed op de poriestructuur, maar is ookom een andere reden nog van belang. Wanneerde betonspecie teveel water bevat, ontstaandoor sedimentatie aan de onderzijden van dewapening waterlenzen. Wanneer het beton uit-droogt, worden deze ruimten gevuld met luchten is het staal ter plaatse niet meer in contactmet de sterk alkalische porievloeistof. Doorverdamping en condensatie blijft er toch welwat vocht in contact met de wapening, maardit heeft een veel lagere pH. Het gevolg kanzijn een sterke plaatselijke roestvorming.Is door een juiste betonsamenstelling en eengoede verdichting en nabehandeling eenacceptabele kwaliteit van de dekking ver-kregen, dan zal in de buitenlucht het vochtfrontzich steeds vrij dicht onder het oppervlak be-vinden. Carbonatatie kan daardoor nooit verdoordringen en de bescherming van dewapening is vrijwel gegarandeerd, zeker als dedekking zo'n 20 mm bedraagt.Uit het voorgaande is een aantal regels af teleiden die vrijwel zeker een goede kwaliteit vande combinatie wapening -beton garanderen.Een aantal ervan zal de trouwe BETONlEK-lezer vertrouwd in de oren klinken... Vermijd een overmaat aan chloriden. Denkhierbij vooral aan chloridehoudende ver-6snelIers en aan dooizouten... Zorg voor een voldoende dekking, niet alleenin het ontwerp, maar vooral ook bij de uit-voering... Gebruik een goed verdichtbare betonsamen-stelling met een zo laag mogelijke water-cementfactor. Gebruik liever geen lagercementgehalte dan 300 kg/m3· let er op dataan het oppervlak geen overmatige ont-menging optreedt... Zorg voor een goede nabehandeling omin de kwetsbare buitenhuid een redelijkehydratatiegraad te verkrijgen... Pas op, dat bij het verdichten de wapeningniet wordt geraakt: hierdoor wordt de vormingvan waterlenzen in de hand gewerkt.Dat bij een goede samenstelling en verwerkingvan het beton geen wapeningscorrosie behoeftop te treden, bewijst nevenstaande foto; dezewapeningsstaven die praktisch geen roest-verschijnselen vertonen, kwamen tevoorschijnuit een 18 jaar oude betonconstructie.7