Voorafgaand aan renovatie, herstel of uitbreiding van bestaande gebouwen en civiele kunstwerken wordt meestal zoveel mogelijk informatie van de betonconstructie verzameld. Daarbij kan nader onderzoek aan de constructie nodig zijn. Het is dan van belang om beschadigingen en overlast te voorkomen. Niet-destructief onderzoek biedt hier veel mogelijkheden voor. Niet-destructief onderzoek aan bestaande betonconstructies Meten is weten, of toch niet? 54
1 Theodoor Gijsbers SGS INTRON 1 Met moderne, niet-destructieve meettechnieken wordt het inzicht in de constructie vergroot, maar er komt meer bij kijken dan een meting alleen 2 Uitdraai van een eendimensionale meting over een lijn haaks op de langsrichting van de wapeningstaven ter bepaling van de betondekking 2 In dit artikel komen de meest gangbare meettechnieken aan bod. Er wordt ook aandacht besteed aan de valkuilen die bij NDO op de loer liggen. Deskundigheid op het gebied van de meettechniek en kennis van constructies en materialen zijn onontbeerlijk voor goede interpretatie van de meetgegevens. Visuele inspectie Visuele inspectie is de meest voor de hand liggende en veruit meest gebruikte NDO-techniek, maar blijft vaak ongenoemd. Het enige hulpmiddel is in veel gevallen het blote oog. Soms wordt aanvullend een verrekijker voor inspecties op grote afstanden en/of een loepje of scheurenkaart voor het beoordelen van scheuren ingezet. De visuele inspectie blijft echter beperkt tot het betonoppervlak. Wel blijft het de basis. Zonder een goede visuele inspectie moet je niet aan ander NDO willen beginnen. Niet-destructief onderzoek (NDO) aan bestaande betonconstructies vindt voornamelijk plaats om twee redenen: 1 Er is twijfel over de gerealiseerde kwaliteit van de betonconstructie, met name in de eerste levensfase. 2 Er zijn onvoldoende materiaalgegevens bekend, vooral in de fase dat verandering van gebruik wordt overwogen en belastingen op de constructie veranderen. De verwachting is dat met moderne, niet-destructieve meettechnieken het inzicht in de constructie wordt vergroot. Immers, meten is weten. Toch komt er meer bij kijken dan een meting alleen. NDO gericht op wapeningsstaal NDO is bij bestaande betonconstructies op te splitsen in onderzoek aan het beton en aan het wapeningsstaal. In dit artikel wordt eerst ingegaan op NDO van wapeningsstaal. Hiervoor worden niet-destructieve of beperkt destructieve onderzoeksmethoden ingezet om vragen te beantwoorden zoals: Wat is de betondekking? Welke wapening is aanwezig? Hoe is de configuratie van de (voorspan)wapening? In hoeverre is de (voorspan)wapening gecorrodeerd? Meten van de dekking Een dekkingsmeter meet de verstoringen van een opgewekt elektromagnetisch veld. Deze verstoringen worden veroorzaakt door stalen onderdelen (wapeningsstaven) in het beton. De dekkingsmeter bewerkt de meetgegevens zodanig dat de dekking op de wapening wordt gegeven. Dekkingsmeters detecteren tot circa 10 cm diepte de eerste wapeningslaag in het beton. Om de dekking te bepalen, volstaat meestal een meting over een lijn (eendimensionaal) haaks op de langsrichting van de wapeningstaven (fig. 2). 55
3 Tweedimensionale tekening van de meetresultaten voor de ligging, diameter en dekking van het wapeningsstaal 4a Radar van holle ruimten, aangeduid als lichtblauwe vlekken, onder een tegelvloer (in het rood het tegelpatroon) 4b Radar van kolomwapening met diagonaal lopende elektraleiding 4c Radar van vloerverwarming met de hoofdleiding van de centrale verwarming en het onderliggende wapeningsnet Reflecties op wapeningsstaven hebben in een radarprofiel altijd een paraboolvorm. Door het interpreteren van de reflecties is de positie van de wapeningsstaven te bepalen. Naast de reflecties van de wapeningsstaven tekenen zich ook de reflecties van kunststof buizen, al dan niet gevuld met bedrading of water, af (fig. 4) en grenslagen tussen bijvoorbeeld asfalt-beton en beton-lucht (holle ruimten, scheuren). Naast de dekking kan ook de ligging en de indicatieve diameter van de wapeningsstaven worden bepaald. Hiervoor worden metingen in twee richtingen (tweedimensionaal) uitgevoerd. In de afgelopen decennia zijn dekkingsmeters verder ontwikkeld. Moderne meters leggen over een groter gebied in één meting de ligging, diameter en dekking van het wapeningsstaal vast. De meetresultaten worden als tekening gepresenteerd (fig. 3). Extra aandacht is vereist in de situatie als er twee staven dicht bij elkaar liggen. Dekkingsmeters interpreteren het signaal dan regelmatig verkeerd en geven één (dikke) staaf weer. Configuratie bepalen van de (voorspan)wapening Het bepalen van de wapeningsconfiguratie is ook mogelijk met een radar. Een radar zendt radiogolven (elektromagnetische straling van 1,5 tot 4 GHz) uit en ontvangt de gereflecteerde radiostraling via een antenne. Uit de ontvangen reflectie wordt een aantal gegevens van het reflectievlak bepaald ten opzichte van die radar, zoals richting en afstand. 3 De snelheid van de elektromagnetische straling is afhankelijk van het chloridegehalte, het vochtgehalte, de poriën en de luchtbellen in het beton. Door de diversiteit van de betonsamenstelling in bestaande betonconstructies verschilt de snelheid van de radiogolven in verschillende betonconstructies sterk. Voor een exacte dieptebepaling vormt dit een probleem. Een ijking op de constructiedikte of een lokaal vrijgehakte wapeningsstaaf is hiervoor een oplossing. Met een radarantenne van 4 GHz kan tot circa 30 cm diepte in het beton worden gekeken en met een 1,5 GHz antenne tot circa 50 cm diepte. Binnen deze diepten is op de radarprofielen de positie van wapeningsstaven normaliter goed te onderscheiden. De indringingsdiepte van radargolven is afhankelijk van de frequentie van de radarantenne en van de aanwezige wapening (aantal wapeningslagen, h.o.h.-afstand en diameter). Bij een hoge wapeningsdichtheid (doorgaans bij een h.o.h.-afstand < 75 mm) kan soms niet dieper dan de eerste laag wapening worden gekeken. Staven die te dicht naast elkaar (doorgaans bij een h.o.h.-afstand < 40 mm) of onder elkaar liggen, worden niet afzonderlijk onderscheiden. Het diepere bereik van een radar ten opzichte van een dekkingsmeter maakt de radar geschikter voor het bepalen van de positie van voorspanstrengen en mantelbuizen, die geregeld dieper in een betonconstructie liggen. Naast de positie is ook het dekkingsverloop op de voorspanstrengen en mantelbuizen te bepalen. 4a 4b 4c 56
5 Thermografische meting: bij afkoeling blijft een locatie langer warm (rode gebied), wat duidt op een holle ruimte in het beton Het afgelopen decennium heeft de ontwikkeling van radar in de toepassing van het detecteren van wapening in betonconstructies een grote vlucht genomen. Radarreflecties worden softwarematig geïnterpreteerd en vertaald tot grafische twee- of driedimensionale afbeeldingen met een indicatie van de wapeningsconfiguratie. Desondanks blijft interpretatie en/of de beoordeling van de met software verkregen resultaten door een ervaren, gespecialiseerde deskundige noodzakelijk. De vaak complexe situaties in betonconstructies van gebouwen en civiele kunstwerken worden softwarematig soms niet juist geïnterpreteerd. Corroderende wapening Corroderende wapening wordt opgespoord met een zogenaamde halfcel-potentiaalmeting. Door deze meting wordt vastgesteld of en op welke plaats er een risico is op wapeningscorrosie. Een referentie-elektrode (halfcel) wordt elektrisch verbonden met het wapeningsstaal (semi-destructief). Vervolgens wordt de halfcel met een waterverzadigde spons op verdachte plaatsen over het betonoppervlak verplaatst langs een meetgrid en wordt het potentiaal op het betonoppervlak gemeten. Een tussengeschakelde universeelmeter geeft het potentiaalverschil weer. Bij een zilver-zilverchloride-referentie-elektrode geven sterk negatieve halfcel-potentiaalwaarden aan dat er corrosie optreedt. Bij gematigd negatieve waarden is het niet duidelijk of er sprake is van corrosie en bij positieve waarden is geen corrosie te verwachten. De vochtsituatie in het beton heeft invloed op de hoogte van de meetwaarden. Daarom moeten de meetresultaten door een specialist worden beoordeeld en geïnterpreteerd. Voor een projectgerichte beoordeling zijn zelfs destructieve verificaties noodzakelijk. De metingen zelf kunnen door een geautomatiseerde datacollectie en het gebruik van potentiaalmeetwielen redelijk snel worden uitgevoerd. NDO gericht op beton In het volgende deel wordt ingegaan op NDO van beton. Hierbij spelen vaak vragen als: Wat is de kwaliteit (druksterkte) van het beton? Waar komen defecten voor? Zoals holten, onthechtingen en scheuren. Is er hechting tussen het beton en de ondergrond? Zoals bij stalen bruggen die zijn overlaagd. Betondruksterkte De betondruksterkte kan indicatief op een niet-destructieve wijze op locatie worden gemeten met een terugslaghamer. Met de terugslaghamer wordt een stalen cilinder tegen het betonoppervlak gedrukt en wordt de terugslag van de cilinder gemeten. De meting geeft een indicatie voor de betonkwaliteit (druksterkte) van de buitenste betonlaag. De meting is sterk afhankelijk van de samenhang van het betonoppervlak. De meetwaarden hebben vaak een grote spreiding. Om die reden moeten veel metingen worden gedaan, vaak samen met ultrasoonmetingen, om een uitspraak te kunnen doen over de kwaliteit van het beton in de buitenste zone. In NEN-EN 13791 is beschreven hoe de betondruksterkte kan worden bepaald op basis van verkregen meetwaarden met de terugslaghamer in combinatie met een beperkt aantal destructieve beproeving van de betondruksterkte. Holle ruimte(n), onthechting(en) en scheuren De aanwezigheid van holle ruimte(n), onthechting(en) en scheuren in de betonconstructie zijn met verschillende methoden van NDO te onderzoeken, zoals: thermografie; impact echo / impulse response; ultrasoon onderzoek. Thermografie Met thermografie (infraroodcamera) wordt de temperatuur van het oppervlak van een betonconstructie gemeten. Bouwfysici gebruiken de methode veelal om de isolatie van gebouwen te beoordelen. Met thermografie is het niet mogelijk de diepte en de aard van gebreken aan te geven. Het geeft echter wel aan waar nader onderzoek noodzakelijk is. Bij delaminaties van beton zal bij afwijkingen in het beton de warmteafdracht naar en van de ondergrond bij opwarming of afkoeling anders zijn. Dit resulteert in een andere oppervlaktetemperatuur, die met infrarood in beeld kan worden gebracht (fig. 5). 3 57
6 Uitvoering van de impulse response-methode 7 Meetapparaat voor de impact echo-methode 6 7 Temperatuurverschillen worden door de dag-nachtcyclus, zonnestraling of actieve opwarming (lampen) aan een constructie opgelegd. Door afwijkingen in de ondergrond ontstaan in het betonoppervlak temperatuurverschillen. Deze verschillen zijn goed te meten aangezien infraroodcamera s verschillen tot 0,1 C registreren. De interpretatie van de gegevens lijkt redelijk eenvoudig, maar valkuilen liggen op de loer. De kleurverschillen in het beeld lijken enorme kwaliteitsverschillen in de constructie te laten zien, terwijl dit helemaal niet het geval hoeft te zijn. Impact echo / impulse response Impact echo en impulse response zijn methoden om holle ruimte(n) en onthechting(en) in betonconstructies te lokaliseren. Beide technieken zijn gebaseerd op een drukgolf die in het beton ontstaat door de impact van een klap met een hamer (impulse response, foto 6) of kleine bolletjes (impact echo, foto 7). De keuze is afhankelijk van de dikte en stijfheid van de betonconstructie. De ontstane drukgolf reflecteert op grensvlakken tussen beton en lucht, zoals het betonoppervlak aan de tegenovergestelde zijde van het beproevingsvlak, holten, scheuren, grindnesten en onthechtingen. Met de looptijd van de golf wordt de ligging van het reflectievlak bepaald. Voor veel standaardsituaties zijn meetprotocollen opgesteld en is software beschikbaar die helpt de resultaten te interpreteren. Met deze methode is het mogelijk constructies uit meerdere lagen, zoals vloeren in combinatie met dekvloeren en ondergrond, te beoordelen. Een goede interpretatie vraagt echter om deskundig inzicht in de materiaaleigenschappen per laag. Ultrasoon onderzoek Bij een ultrasoonmeting wordt een geluidsgolf in het beton gebracht. Aan de hand van de looptijd van een golf door een constructie met een bekende dikte, wordt de golfsnelheid van het ultrasoongeluid door het beton bepaald. Met deze golfsnelheid worden vervolgens de te onderzoeken locaties onderzocht. Afwijkende looptijden bij dezelfde golfsnelheid duiden op aanwezige gebreken of inhomogeniteiten in de betonconstructie. De ultrasoongolven reflecteren op de grensvlakken, tussen het beton en de gebreken/inhomogeniteiten. De ontwikkeling van ultrasoonmeters is in de tijd doorgegaan. Er zijn meters ontwikkeld met verscheidene zend- en ontvangstcontacten in één apparaat. Hierdoor zijn grotere oppervlakken in één keer te meten en is een betere beoordeling van de resultaten mogelijk. Slot Een betonconstructie is van buitenaf gezien een grijze massa waarin van alles aan de hand kan zijn. Je moet kennis hebben van het materiaal beton en de mogelijke wapeningsconfiguraties om aan de hand van slechts een meetsignaal of -beeld te kunnen zeggen wat er aan de hand is. Voor een juiste meting en interpretatie van de resultaten is daarom meer nodig dan alleen maar een (geijkt) meetapparaat. Het vraagt tevens om een ervaren, gespecialiseerde deskundige die kennis heeft van de desbetreffende NDO-techniek, betonconstructie(s) en daarin toegepaste materialen. Kortom: meten is pas weten als je weet wat je meet. 58