Oorzaken en preventie van betonschade: Corrosie van de wapening

16 September 2019
 

Algemeen

In het algemeen zijn wapening en metalen insluitsels van nature beschermd in beton. Er zijn nochtans twee mechanismen die, in bepaalde omstandigheden, tot corrosie kunnen leiden:

  • lcarbonatatie
  • chloriden-aantasting.


Voor beide corrosie-mechanismen maakt men onderscheid tussen 2 fasen:

  • fase 1 : initiatie, waarvan het einde overeenkomt met de "depassivatie" van de wapening
  • fase 2 : propagatie, die overeenkomt met de eigenlijke corrosie van de wapening.

Corrosie van de wapening kan gedurende de ontwerp-levensduur van een bouwwerk vermeden worden door een goede kwaliteit en dikte van het dekkingsbeton.  Het is eveneens mogelijk om wapeningsstaal met een  verhoogde weerstand tegen corrosie te gebruiken indien extreem strenge eisen gerespecteerd dienen te worden.
 

Oorzaken

In niet-gecarbonateerd beton dat niet belast is met chloriden is wapeningsstaal op een duurzame manier beschermd tegen corrosie. De bescherming wordt gegarandeerd door de hoge alkaliniteit van de poriën- oplossing in de cementsteen, waarvan de pH-waarden zich situeren tussen 12,5 en 13,5 afhankelijk van het cementtype en de aanwezigheid van eventuele toevoegsels (bv. vliegas, silica fume). 

De beschermende laag aan het oppervlak van het wapeningsstaal kan echter vernietigd worden door twee mechanismen : carbonatatie en chloriden-aantasting. De snelheid van depassivatie (fase 1) hangt vooral af van de dikte en de kwaliteit van de betondekking en van de omgevingsvoorwaarden.

Fig 4.3.1 Signes de corrosion visibles en surface du béton - fr

 

Corrosie door carbonatatie
Carbonatatie is de chemische reactie tussen het koolzuurgas CO2 uit de lucht en het calciumhydroxide Ca(OH)2 van de cementsteen. De carbonatatie begint aan het oppervlak van het beton en dringt vervolgens langzaam door in de diepte. De invloed ervan op het beton zelf is gunstig omdat het beton daardoor compacter wordt en de mechanische sterkte en de duurzaamheid toenemen. Carbonatatie werkt als een natuurlijke bescherming tegen de indringing van gassen of vloeistoffen. Ongewapend beton profiteert tenvolle van de gunstige invloed van de carbonatatie.

In gewapend beton daarentegen kan de carbonatatie belangrijke schade toebrengen aan de structuur. De carbonatatie vermindert immers de hoge alkaliniteit van de poriënoplossing van de cementsteen, waardoor de pH van ± 13 (die de wapening beschermt) daalt naar een pH < 9. Zodra het "carbonatatiefront" de zone bereikt waar de wapening zich bevindt, hetgeen overeenkomt met het einde van fase 1 (depassivatie), kan deze beginnen roesten (fig 4.3.2).

De snelheid waarmee het carbonatatiefront binnendringt in het beton, is des te groter naarmate het beton poreuzer is. Het proces vertraagt geleidelijk in de loop van de tijd omdat de reeds gecarbonateerde laag de uitwisselingen met de buitenlucht afremt (fig 4.3.3). De carbonatatiesnelheid en -diepte worden evenwel beïnvloed door vele andere factoren, zoals het cementgehalte, de temperatuurschommelingen en de frequentie van de wisselingen tussen droge en natte toestand van het betonoppervlak.

De corrosie van de wapening (fase 2) start zodra de volgende drie voorwaarden vervuld zijn:

  • het carbonatatiefront heeft de wapening bereikt (depassivatie
  • beschikbaarheid van vocht
  • beschikbaarheid van zuurstof.
In constructie-elementen die permanent verzadigd zijn met water of die volledig droog zijn is het risico op corrosie dus klein omdat hetzij zuurstof hetzij vocht ontbreekt. Omgekeerd verhogen alternerende periodes van droogte en vocht het risico op corrosie. De keuze van de omgevingsklasse EE (of milieuklassen XC) weerspiegelt o.a. deze invloed.



Corrosie door chloriden 
Als gevolg van de infiltratie van chloriden uit dooizouten, zeewater, chloorhoudend water, … stijgt de concentratie van chloriden in het poriënwater van het beton.  Wanneer ter plaatse van de wapeningen een "kritische concentratie" bereikt wordt, kan dit leiden tot een lokale depassivatie van het staaloppervlak, hetgeen overeenkomt met het einde van fase 1 (fig 4.3.4).

De propagatie (fase 2) zal afhangen van de gelijktijdige aanwezigheid van chloriden, water en zuurstof. De keuze van de omgevingsklasse ES (of milieuklassen XS of XD) weerspiegelt o.a. deze invloed.
 

Uiterlijke verschijningsvormen

Betonoppervlak
Afhankelijk van zijn omvang kenmerkt corrosie van de wapening zich aan het oppervlak van beton door roestsporen of loslaten van dekkingsbeton (fig 4.3.1). Roestsporen zijn doorgaans de eerste zichtbare tekenen aan het betonoppervlak. De vorming van roest aan het oppervlak van de wapening gaat gepaard met een 2 à 3- voudige verhoging van het volume. De daaruit volgende druk leidt tot scheurvorming in het dekkingsbeton en, in een verder gevorderd stadium, tot het volledig loskomen van het dekkingsbeton. De wapeningsstaven hebben dan geen enkele bescherming meer en het gewapend beton begint zijn draagvermogen te verliezen.

Wapening
De wapening ondergaat een verlies van doorsnede door de corrosie. Dit heeft een direct effect op de structurele veiligheid van het constructie-element. Men onderscheidt de regelmatige corrosie van het oppervlak van de wapening bij carbonatatie (fig 4.3.5) van de plaatselijke corrosie ("putcorrosie") door de inwerking van chloriden. Het verlies van doorsnede bij putcorrosie is meestal veel meer uitgesproken en kritisch dan bij carbonatatie. De regelmatig verdeelde corrosie kenmerkt zich door afspringen van het dekkingsbeton, terwijl de putcorrosie zich vaak onopgemerkt voordoet omdat er weinig of geen uitwendige tekenen te zien zijn.
 

Preventieve maatregelen

De maatregelen hebben tot doel te verzekeren dat de duur van fase 1 (initiatie) minstens de voorziene  levensduur van het element (50 jaar in het kader van de norm NBN EN 206) overschrijdt.

Daartoe moet men: 

  • De wapeningen omhullen met voldoende dekking. In het algemeen bedraagt deze voor gebouwen 25 à 40 mm. De norm NBN EN 1992-1-1 (Eurocode 2) voor de berekening van constructies in beton legt de eisen voor de betondekking vast in functie van de milieuklasse en de structurele klasse.  Daarbij moet bijzondere aandacht worden besteed aan de wapeningen achter groeven en valse voegen.
  • De regels van de norm NBN EN 206 inzake samenstelling van beton respecteren.
  • Het beton goed verdichten en nabehandelen zodat het oppervlak goed gehydrateerd wordt en de carbonatatiesnelheid vanaf het begin zo sterk mogelijk wordt afgeremd.
  • Scheurvorming van het beton beperken. Scheuren met een opening groter dan 0,3 mm bevorderen immers de indringing van koolstofdioxyde (CO2), chloriden (Cl-), water (H2O) en zuurstof (O2) tot bij de wapening.

Indien het beton wordt blootgesteld aan chloriden (zeewater, chloorhoudend water) verdient het aanbeveling een cement met hoog gehalte aan hoogoven- slak (type CEM III/ B 42,5) te gebruiken. De chloriden in oplossing worden immers (deels) gebonden door de hydratatieproducten van de hoogovenslak waardoor hun mobiliteit beperkt wordt

 

De prestatie van een specifiek beton ten aanzien van de beide corrosie-mechanismen kan beoordeeld worden aan de hand van "prestatieproeven":

  • bepaling van de weerstand tegen carbonatatie volgens NBN EN 13295 en NBN EN 14630 (fig 4.3.6)
  • bepaling van de migratiecoëfficiënt van chloride-ionen volgens NT Build 492 (fig 4.3.7).
 
Fig 4.3.2 Corrosion induite par carbonatation - nl

 

Le rapport entre l’âge du béton et la profondeur de carbonatation est empreint d’une forte dispersion - nl

 

Fig 4.3.4 Corrosion induite par les chlorures - nl

 

Fig 4.3.5 Dégâts de corrosion d’une armature - nl

 

Fig 4.3.6 Mise en évidence du front de carbonatation par un test à la phénolphtaléine - nl

 

Fig 4.3.7 Equipement pour essai accéléré de la migration des ions chlorures - nl