Betoniek augustus 2009 V a k b l a d v o o r b o u w e n m e t b e t o n BAND UITGAVE 14 26 Spelregels voor 100 jaar Een gezellig spelletje kan al snel uitlopen op onenigheid als vooraf de spelregels niet goed zijn afgesproken. Iedereen probeert het spel in zijn eigen voordeel uit te leggen en uiteindelijk krijgt meestal degene die het hardste roept gelijk. Spelen we de volgende keer in een ander gezelschap, dan kan de discussie weer van voor af aan beginnen. Zo is het eigenlijk ook met ontwerpen op levensduur. Steeds vaker wordt voor betonconstructies een levensduur van 80, 100 of zelfs 200 jaar gevraagd. Er zijn echter nog geen spelregels die aangeven hoe we op levensduur kunnen ontwerpen. Iedereen kan dus zijn eigen spelregels hanteren. Door de onlangs gepubliceerde CUR Leidraad 1 lijkt er echter een einde te komen aan deze situatie. In deze Betoniek laten we zien hoe we in de praktijk met deze nieuwe spelregels een constructie op levensduur kunnen ontwerpen. 1
Wat is de leidraad? De leidraad vermeldt in het voorwoord het volgende: Dit document is een leidraad voor het formuleren van prestatie-eisen door betrokken partijen ten aanzien van de duurzaamheid van beton met betrekking tot chloridegeïnitieerde wapeningscorrosie. Uit deze zin kunnen we een aantal dingen afleiden. 1 Hoe kunnen we de levensduur van beton voorspellen? Bij steeds meer projecten wordt voor betonconstructies een levensduur van 80, 100 of zelfs 200 jaar gevraagd. Maar hoe tonen we dit aan? Hoe kunnen we uitspraken doen over de toekomst? We kunnen onze toevlucht nemen tot tarotkaarten, een glazen bol of koffiedik kijken, maar we kunnen ook gebruikmaken van aannames en modellen. Omdat zowel het materiaal (de betonsamenstelling) als de omgeving (de blootstelling) voor iedere situatie anders is, kunnen we alleen steeds met nieuwe modellen aankomen. Veel van die modellen zijn nog maar half af en mogelijk zelfs fout. Om in deze situatie toch iets af te kunnen spreken hebben we spelregels nodig. CUR-Voorschriftencommissie 81 (VC81) heeft op basis van de huidige kennis spelregels voor het ontwerpen op levensduur geformuleerd. Deze zijn opgeschreven in de leidraad Duurzaamheid van constructief beton met betrekking tot chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie. In deze Betoniek kijken we wat er in deze leidraad staat en laten we zien hoe we er in de praktijk mee aan de slag kunnen gaan. Om te beginnen is het een leidraad, oftewel een hulpmiddel. De status is nog vrijblijvend, het is geen norm of CUR-Aanbeveling. Er moet overeenstemming zijn tussen de betrokken partijen voor het gebruik van de leidraad. Vervolgens zien we dat het gaat om het formuleren van prestatie-eisen. Een prestatie-eis geeft een grenswaarde waaraan een bepaalde eigenschap moet voldoen. Er zijn verschillende mogelijkheden om aan de prestatie-eis te voldoen. Verder zien we dat het gaat om de duurzaamheid van beton. De duurzaamheid is de mate waarin een materiaal of constructie bestand is tegen interne en externe invloedsfactoren. Naast de term duurzaamheid komen we ook de termen (ontwerp)levensduur en referentieperiode tegen. In kader 4 (p. 11) is meer over deze terminologie te lezen. Tot slot is duidelijk dat de leidraad is gericht op het specifieke aantastingmechanisme chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie. In kader 1 is te zien wat hier de achtergrond voor is. In de leidraad kun je vinden welke kwaliteit van het beton en grootte van de dekking nodig is om een bepaalde ontwerplevensduur te bereiken. Het rapport bestaat uit drie delen. Deel I is de leidraad zelf. Deel II bevat achtergrondinformatie. Deel III bevat tot slot de beschrijving van een testmethode. Hoe passen we de leidraad toe? Het hart van de leidraad wordt gevormd door drie tabellen (tabel 1, 2 en 3), van toepassing op een ontwerplevensduur van respectievelijk 80, 100 of 200 jaar. In de tabellen zijn de prestatie-eisen weergegeven voor de kwaliteit van het beton in relatie tot de dekking op de wapening. Interessant hierbij is dat de kwaliteit van beton en 2
de grootte van de betondekking tegen elkaar kunnen worden uitgewisseld. Bij beton met een hoge kwaliteit, dat wil zeggen een dichte structuur, kunnen we met een kleinere dekking volstaan dan bij beton met een minder hoge kwaliteit. Laten we eerst eens goed kijken naar deze 3 tabellen. Kader 1: Waarom alleen chloride geïnitieerde wapeningscorrosie? Voor de levensduur van een betonconstructie kunnen verschillende aantastingmechanismen een rol spelen. De leidraad richt zich echter op één specifiek mechanisme, namelijk chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie. De redenering hierachter lopen we in dit kader kort na via een veel bredere beschouwing van aantastingmechanismen. Aantasting door vorst/dooi-wisselingen met of zonder dooizouten (XF) is een mechanisme dat niet tijdsafhankelijk is: het treedt op of het treedt niet op. Indien wordt voldaan aan de voorschriften kan aantasting door vorst/dooi-wisselingen worden uitgesloten. Een langere levensduur verandert hier niets aan. Indien wordt voldaan aan de voorschriften hoeft aantasting door vorst/dooi-wisselingen dus verder niet te worden beschouwd. Veel meer over vorstschade is te vinden in Betoniek 14/5, De stukken eraf. Bij alkali-silica reactie (ASR) reageren alkaliën (vaak uit het cement) met reactieve silica uit het toeslagmateriaal. Het product dat hierdoor ontstaat zwelt sterk op bij aanwezigheid van water. Hierdoor wordt het beton van binnenuit kapot gedrukt. Veel meer over ASR is te vinden in Betoniek 13/4, ASR in beeld. ASR is in principe een tijdsafhankelijk mechanisme. Maken we echter gebruik van CUR-Aanbeveling 89, dan wordt het risico op ASR uitgesloten. De uitsluiting van het risico op ASR is onafhankelijk van de levensduur. Bij carbonatatie-geïnitieerde wapeningscorrosie (XC) speelt de vochthuishouding in het beton een grote rol. Bij blootstelling van het beton aan de lucht treedt carbonatatie op. Door een reactie van het beton met CO 2 gaat de ph-waarde omlaag, waardoor het wapeningsstaal op den duur niet meer beschermd is tegen corrosie. Pas wanneer er vervolgens zowel vocht als zuurstof bij de wapening aanwezig is, kan ook daadwerkelijk corrosie optreden. Veel meer over carbonatatie-geïnitieerde wapeningscorrosie is te vinden in Betoniek 8/22, Carbonatatie en corrosie. Carbonatatie-geïnitieerde wapeningscorrosie is een tijdsafhankelijk proces, maar het is onder Nederlandse omstandigheden niet vaak maatgevend. Er kan worden aangenomen dat indien wordt voldaan aan de geldende betonvoorschriften carbonatatie-geïnitieerde wapeningscorrosie normaliter niet optreedt. Oppervlakte per kg Bij chemische aantasting (in (XA) tennisvelden) kan sprake zijn van blootstelling aan allerlei verschillende stoffen. Het kan gaan om continue blootstelling, maar het kan ook incidenteel zijn. Een algemeen geldende levensduurbeschouwing is bij chemische aantasting daarom niet te maken. Indien er sprake is van chemische aantasting zal elk geval specifiek moeten worden beoordeeld. Chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie (XD of XS) kan optreden bij voortdurende of herhaalde blootstelling aan dooizouten of zeewater. Chloriden dringen steeds verder het beton in en de chlorideconcentratie neemt toe. Indien een bepaalde grenswaarde wordt bereikt is er kans dat de wapening gaat corroderen bij aanwezigheid van zuurstof en water. De grenswaarde wordt het kritisch chloridegehalte genoemd. Meer over chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie is te vinden in Betoniek 13/24, Beton onder spanning. Chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie is een tijdsafhankelijk mechanisme. De kans dat wapeningscorrosie optreedt, hangt sterk af van de levensduur. Hoe langer de chloriden de tijd hebben om in te dringen hoe groter het risico dat daadwerkelijk corrosie optreedt. Chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie is hierdoor meestal maatgevend bij een gevraagde levensduur van 80, 100 of 200 jaar. De leidraad richt zich daarom op dit mechanisme. 3
gemiddelde betondekking (mm) maximale waarde van D RCM (10-12 m 2 /s) CEM I CEM I+III 25-50% S CEM III 50-80% S CEM II/B-V CEM I + 20-30% V 35 45 3,5 1,5 2,5 1,0 2,5 1,0 7,0 6,0 40 50 6,0 2,5 4,5 2,0 4,0 2,0 12 10 45 55 9,5 4,0 6,5 3,0 6,5 2,5 19 16 50 60 13 6,0 10 4,0 9,0 4,0 27 24 55 65 18 8,0 13 5,5 13 5,5 37 32 60 70 24 10 17 7,5 16 7,0 49 42 80 jaar Tabel 1: Maximale waarde van D RCM na 28 dagen verharden bij een bepaalde betondekking per type bindmiddel en milieuklasse voor een ontwerplevensduur van 80 jaar gemiddelde betondekking (mm) maximale waarde van D RCM (10-12 m 2 /s) CEM I CEM I+III 25-50% S CEM III 50-80% S CEM II/B-V CEM I + 20-30% V 35 45 3,0 1,5 2,0 1,0 2,0 1,0 6,5 5,5 40 50 5,5 2,0 4,0 1,5 4,0 1,5 12 10 45 55 8,5 3,5 6,0 2,5 6,0 2,5 18 15 50 60 12 5,0 9,0 3,5 8,5 3,5 26 22 55 65 17 7,0 12 5,0 12 5,0 36 30 60 70 22 9 16 6,5 15 6,5 47 39 100 jaar Tabel 2: Maximale waarde van D RCM na 28 dagen verharden bij een bepaalde betondekking per type bindmiddel en milieuklasse voor een ontwerplevensduur van 100 jaar gemiddelde betondekking (mm) betonstaal voorspanstaal betonstaal voorspanstaal betonstaal voorspanstaal maximale waarde van D RCM (10-12 m 2 /s) CEM I CEM I+III 25-50% S CEM III 50-80% S CEM II/B-V CEM I + 20-30% V 40 50 4,0 1,5 3,0 1,0 3,0 1,0 10 8,0 45 55 6,5 2,5 5,0 1,5 5,0 1,5 16 12 50 60 9,0 3,5 7,0 2,5 7,0 2,5 23 18 55 65 13 4,5 9,5 3,5 9,5 3,5 31 24 60 70 16 6,0 12 4,5 12 4,5 41 32 65 75 21 7,5 16 5,5 16 5,5 51 40 70 80 26 9,0 20 7,0 19 7,0 64 50 200 jaar Tabel 3: Maximale waarde van D RCM na 28 dagen verharden bij een bepaalde betondekking per type bindmiddel en milieuklasse voor een ontwerplevensduur van 200 jaar N.B.: De vetgedrukte getallen zijn waarden die met de huidige betonmengselsamenstellingen volgens de NEN-EN 206-1 + NEN 8005 kunnen worden gerealiseerd; lagere waarden zijn alleen met bijzondere samenstellingen/additieven realiseerbaar; hogere waarden worden afgeraden omdat zij typisch zijn voor betonmengsels die niet voldoen aan de plafonds van NEN-EN 206-1 + NEN 8005 N.B.: Vanwege de meetnauwkeurigheid zijn de getallen in bovenstaande tabellen afgerond op 0,5 eenheden bij een waarde onder 10 en op 1 eenheid bij een waarde gelijk aan of boven 10 4
Uitleg van de tabellen De titel van de tabel In de titel van de tabel zien we dat er maximale waarden worden gegeven voor D RCM na 28 dagen. De D RCM -waarde is de chloridemigratiecoëfficiënt die wordt bepaald volgens de Rapid Chlorid Migration test zoals beschreven in NT Build 492. Meer informatie over deze proef is te vinden in Betoniek 13/24, Beton onder spanning. De D RCM -waarde geeft aan hoe makkelijk chloriden het beton binnen kunnen dringen. Hierbij geldt dat een lagere waarde staat voor een dichter beton, dus minder indringing van chloriden. De D RCM -waarde van beton verandert in de tijd. Doordat het beton voortdurend door blijft verharden wordt het beton steeds dichter en de D RCM -waarde dus steeds lager. Standaard wordt de D RCM -waarde bepaald bij een ouderdom van 28 dagen. Het is ook mogelijk oudere proefstukken te beproeven (tot 6 maanden). Deze waarden kunnen vervolgens worden teruggerekend naar een waarde bij 28 dagen. De D RCM -waarde wordt berekend als gemiddelde van minimaal 3 metingen. De eenheid van de D rcm -waarde De D RCM -waarde wordt altijd uitgedrukt als een getal maal 10-12 m 2 /s. De waarden die in de tabellen worden gegeven zijn gebaseerd op proefstukken uit het laboratorium. De cementsoorten Er wordt onderscheid gemaakt tussen vier verschillende cementsoorten: portlandcement; cement met een gehalte aan hoogovenslak van 25-50%. Dit kan ook een combinatie zijn van portlandcement en hoogovencement; cement met een gehalte aan hoogovenslak van 50-80%; cement met 20-30% vliegas. De reden dat er onderscheid wordt gemaakt is dat voor de verschillende cementsoorten de D RCM -waarde een andere ontwikkeling in de tijd kent, terwijl de waarde wel voor allemaal na 28 dagen wordt bepaald. De milieuklassen Voor elke cementsoort worden twee groepen van milieuklassen onderscheiden. Een groep met XD1, XD2, en een groep met. De achtergrond van deze groepering is de mate van blootstelling aan chloriden. Constructies geheel in zee of in de getijde- of spatzone worden voortdurend blootgesteld aan een grote concentratie chloriden (XS2 en ). Bij een constructie aan zee, maar niet direct in contact met zeewater (XS1) is de concentratie veel lager. Bij XD (dooizouten) is de chloridenbelasting niet het hele jaar aanwezig, alleen in de wintermaanden. Uit onderzoek blijkt dat voor de Nederlandse situatie de chloridebelasting voor constructies blootgesteld aan dooizouten aanzienlijk minder is dan bij constructies in contact met zeewater. De chloridebelasting bij XS1 is vergelijkbaar met die van XD1, XD2 en XD3, terwijl die bij XS2 en aanzienlijk hoger is. In de leidraad zit hier een factor 2 tussen. De dekking Er wordt onderscheid gemaakt tussen verschillende dekkingen. De tabellen kunnen hiermee op twee verschillende manier worden gebruikt. Indien de D RCM -waarde bekend is, kan worden afgelezen welke dekking nodig is. Andersom kan als de dekking bekend is ook juist de benodigde D RCM -waarde worden afgelezen. Let erop dat een lagere D RCM -waarde beter is. Als de D RCM -waarde bekend is, kijken we daarom naar de eerste waarde die we in de tabel kunnen vinden die hier net boven ligt. Betonstaal of voorspanstaal We zien bij de dekking dat er steeds twee waarden worden gegeven: één voor betonstaal en één voor voorspanstaal. De belangrijkste reden hiervoor is dat de gevolgen van corrosie bij voorspanstaal over het algemeen ernstiger zijn dan bij betonstaal. Bij voorspanstaal is het daarom wenselijk op een grotere betrouwbaarheid te ontwerpen dan bij betonstaal. In de leidraad is ervoor gekozen dit verschil tot uitdrukking te brengen in 10 mm extra dekking. Indien in een constructie zowel betonstaal als voorspanstaal aanwezig is, moeten we dus goed kijken welke maatgevend is. 5
Key Fotografie Vetgedrukte waarden In de eerste noot onder de tabel wordt uitgelegd waarom bepaalde waarden in de tabel vetgedrukt zijn en andere niet. Het is te verwachten dat de vetgedrukte waarden met betonsamenstellingen volgens de NEN-EN 206-1 en de NEN 8005 kunnen worden gerealiseerd. Houd hierbij wel in het hoofd dat de laagste vetgedrukte waarden vaak een behoorlijke uitdaging vormen om te realiseren. Zo kan bijvoorbeeld een erg lage water-cementfactor nodig zijn. Zie kader 2 (p. 9) voor meer informatie over de relatie tussen water-cementfactor en D RCM -waarde. Lagere waarden dan de vetgedrukte waarden zijn met de huidige betonsamenstellingen over het algemeen niet haalbaar. Dit is ook de reden waarom de tabellen niet lager gaan dan een dekking van 35 mm op het betonstaal en 45 mm op het voorspanstaal. De D RCM -waarden die horen bij lagere dekkingen zijn niet realistisch. Hogere waarden dan de vetgedrukte worden afgeraden omdat deze typisch zijn voor betonsamenstellingen die niet aan NEN-EN 206-1 en NEN 8005 voldoen, bijvoorbeeld met een hele hoge watercementfactor. De D rcm -waarde mag niet worden aangenomen, maar moet daadwerkelijk worden bepaald voor de te gebruiken samenstelling. Toepassing in de praktijk Nu we weten hoe de tabellen in elkaar zitten, denken we meteen aan de slag te kunnen gaan. Laten we dan ook direct beginnen met een voorbeeld om er in te komen. Voorbeeld 1: Beoordeling prefab ligger Voor een viaduct is een ontwerplevensduur gevraagd van 100 jaar. Er kan gebruik worden gemaakt van geprefabriceerde liggers. Beoordeeld moet worden of met deze liggers aan de gevraagde ontwerplevensduur kan worden voldaan. Van de prefab liggers zijn de volgende gegevens bekend: betonsamenstelling met 380 kg/m 3 hoogovencement CEM III/A met een slakgehalte van 44%; water-cementfactor = 0,41; nominale dekking is 40 mm op de wapening en 60 mm op de voorspanning; gemeten D RCM -waarden zijn: 2,8 / 2,6 / 2,8 / 3,0 / 3,1 / 2,7 10-12 m 2 /s; het gemiddelde is 2,8 10-12 m 2 /s; milieuklasse is XC4/XD1. Om te beoordelen of we de liggers kunnen gebruiken kijken we naar tabel 2 voor een ontwerplevensduur van 100 jaar. We zien dat de dekking van 40 mm op de wapening hoger in de tabel staat dan de dekking van 60 mm op de voorspanning. Dit betekent dat in dit geval het betonstaal maatgevend is. Bij milieuklasse XD1, een cement met een slakge- voorspanning betonstaal beugel 60 mm 40 mm 2 Prefab betonligger wordt ingehesen bij de verbreding van de Hollandse brug 3 Betondoorsnede uit voorbeeld 1 6
halte tussen 30% en 50% en een dekking van 40 mm, kunnen we in de tabel aflezen dat de maximale D RCM -waarde 4,0 10-12 m 2 /s is. De gemiddelde D RCM -waarde van de gebruikte betonsamenstelling is 2,8 10-12 m 2 /s en dus voldoende. Een lagere D RCM -waarde is immers beter. Randvoorwaarden en uitgangspunten De liggers voldoen dus aan de tabel. Maar zijn we daarmee klaar? Zo eenvoudig is het helaas niet. Er is nog een aantal zaken waar we rekening mee moeten houden: Aan het gebruik van de leidraad is een aantal randvoorwaarden gesteld. We moeten controleren of aan deze randvoorwaarden is voldaan, anders kunnen we de leidraad helemaal niet voor onze situatie toepassen. De tabellen zijn gebaseerd op een aantal uitgangspunten. We moeten controleren of aan deze uitgangspunten is voldaan, anders kunnen we de tabellen helemaal niet gebruiken. Als alternatief kan dan een berekening worden gemaakt volgens deel II van de leidraad. Bij het ontwerp mag niet worden afgeweken van de geldende Nederlandse normen, deze blijven onverkort van toepassing. In ons voorbeeld voldoen dekking, cementgehalte, water-cementfactor en scheurwijdte aan NEN 6720 en NEN-EN 206-1 + NEN 8005. De wand wordt uitgevoerd conform NEN 6722. Milieuklasse XD3 is van toepassing. Indien er geen XD of XS van toepassing is, is gebruik van de leidraad niet relevant. Er wordt alleen gewoon betonstaal (koolstofstaal) toegepast. De leidraad is niet van toepassing voor andere materialen zoals roestvast staal of koolstofvezelversterkte kunststoffen of indien een andere corrosiebescherming is toegepast zoals kathodische bescherming of gecoat staal. Er worden geen poreuze toeslagmaterialen toegepast, zoals in lichtbeton. Bij het opstellen van de leidraad is beton vervaardigd met poreuze toeslagmaterialen buiten beschouwing gelaten. Bij ons voorbeeld wordt voldaan aan alle randvoorwaarden voor gebruik van de leidraad. Om inzichtelijk te maken waar we allemaal aan moeten denken bij het gebruik van deze leidraad, hebben we een stroomschema opgesteld (fig. 4). Vervolgens zullen we het stroomschema doorlopen aan de hand van een tweede voorbeeld. Voorbeeld 2: Keuze dekking in het werk Voor een in-situ te storten wand met milieuklasse XD3 wordt een ontwerplevensduur van 80 jaar gevraagd. De betonsamenstelling is nog niet ontworpen. Wel is bekend dat CEM III/B wordt toegepast en de water-cementfactor maximaal 0,45 bedraagt. Als toeslagmateriaal wordt riviergrind toegepast. De constructie bevat alleen gewoon betonstaal, geen voorspanstaal. Stap 1: Controle randvoorwaarden We moeten eerst controleren of wel wordt voldaan aan alle randvoorwaarden voor het gebruik van de leidraad (tabel a uit het stroomschema). Het gaat hier om het ontwerp van een nieuw te bouwen betonconstructie. De leidraad is niet beoogd voor gebruik bij de kwaliteitsborging tijdens de uitvoering. Stap 2: Controle uitgangspunten Vervolgens controleren we of we de tabellen uit deel I mogen gebruiken (tabel b uit het stroomschema). De tabellen zijn gebaseerd op een initieel chloridegehalte van de betonspecie van 0,10 % [m/m]. Het initieel chloridegehalte van de betonspecie wordt berekend ten opzichte van de cementmassa op basis van het chloridegehalte van de grondstoffen volgens de NEN-EN 206-1. Voor gebruik van de tabellen moet het initieel chloridegehalte dus maximaal 0,10 % [m/m] zijn. Bij gebruik van riviergrind, zoals in ons voorbeeld, zal over het algemeen het initieel chloridegehalte kleiner zijn dan 0,10 % [m/m]. Zodra de exacte betonsamenstelling bekend is, moet worden gecontroleerd of dit uitgangspunt inderdaad juist is. Bij XD3 moet het oppervlak worden nabehandeld gedurende minimaal 3 dagen. In de tabellen wordt uitgegaan van nabehandeling van 3 dagen op het land (milieuklassen XD3 en XS1) en 7 dagen aan zee (XS2 en ). Als alternatief voor de opgegeven dagen kan als criterium ook 50% van de 28-daagse sterkte worden 7
Stroomschema voor het gebruik van de Leidraad Gevraagde ontwerplevensduur (in jaren) Stap 1 Voldaan aan alle randvoorwaarden leidraad? (zie tabel a) ja Stap 2 Voldaan aan alle uitgangspunten bij de tabellen uit de leidraad (deel I)? (zie tabel b) ja Benodigde gegevens Cementsoort, cementgehalte en percentage slak of vliegas D RCM waarde (als gemiddelde van 3 of 6 metingen) Initieel chloridegehalte % {m/m} Milieuklasse(n) Nominale dekking op betonstaal en voorspanstaal Water-bindmiddelfactor Maximale scheurwijdte Nabehandeling: methode en duur nee nee Stap 3a Beoordeling volgens tabellen (deel I) Dekking ligt vast D RCM voldoet aan tabel voor betreffende levensduur? D RCM ligt vast Dekking voldoet aan tabel voor betreffende levensduur? Stap 3b Berekening volgens achtergrondrapport (deel II) Semi-probabilistische berekening Dekking met aftrek van veiligheidsmarge en D RCM geven voldoende levensduur? Probabilistische berekening Faalkans voldoende klein? Er kan niet op basis van de leidraad aan de gevraagde ontwerplevensduur worden voldaan ja nee Op basis van de leidraad is voldaan aan de gevraagde ontwerplevensduur Tabel a Randvoorwaarden voor gebruik van de Leidraad De Leidraad wordt gebruikt voor het ontwerpen op levensduur van een nieuw te bouwen constructie in beton Er wordt voldaan aan de geldende normen: NEN 6720 of NEN-EN 1992-1-1, NEN 6722 en NEN-EN 206-1 + NEN 8005 Er is een milieuklasse XD en/of XS van toepassing Er wordt alleen koolstofstaalwapening of voorspanning toegepast Er zijn geen poreuze toeslagmaterialen gebruikt, zoals in lichtbeton Tabel b Uitgangspunten voor gebruik tabellen Het berekende initieel chloridegehalte van de betonspecie is 0,10 % [m/m] De nabehandeling komt overeen met 3 dagen op het land ( ) en 7 dagen aan zee ( ), of tot 50% van de 28-daagse sterkte (voor alle milieuklassen) De gevraagde ontwerplevensduur is 80, 100 of 200 jaar 4 Stroomschema voor het gebruik van de leidraad 8
gebruikt (zowel op het land als aan zee). Let op dat het hierbij gaat om de daadwerkelijke sterkte en niet om de sterkteklasse. Dit wijkt af van hetgeen in de NEN 6722 (VBU) staat vermeld. Er wordt een levensduur gevraagd van 80 jaar. Hier is een tabel voor gegeven. De leidraad geeft tabellen voor een ontwerplevensduur van 80, 100 en 200 jaar. Deze levensduureisen worden namelijk ook het meest gevraagd. Bij ons voorbeeld wordt ook voldaan aan alle uitgangspunten voor gebruik van de tabellen. Stap 3a: Beoordeling volgens tabellen Aangezien de betonsamenstelling nog niet is ontworpen zijn er ook geen D RCM -waarden bekend. Op basis van de figuur in kader 2 kan worden ingeschat dat de D RCM -waarde van een betonsamenstelling met CEM III/B en een watercementfactor van maximaal 0,45 naar verwachting niet hoger is dan 5,0 10-12 m 2 /s. Uitgaande van deze waarde kan uit de tabel worden afgeleid dat een nominale dekking van 45 mm voldoende zou moeten zijn voor een ontwerplevensduur van 80 jaar. Als de betonsamenstelling bekend is, moeten nog wel D RCM -waarden worden bepaald om te controleren of het gemiddelde hiervan daadwerkelijk kleiner is dan 5,0 10-12 m 2 /s. Conclusie voorbeeld 2 Er is voldaan aan alle randvoorwaarden en uitgangspunten en het voorbeeld voldoet aan de tabellen uit deel I. Met een nominale dekking van 45 mm wordt voldaan aan de gevraagde ontwerplevensduur. Aan de hand van voorbeeld 2 hebben we gezien hoe we het stroomschema kunnen gebruiken. Om aan te geven wat de mogelijkheden zijn als niet aan de uitgangspunten wordt voldaan nemen we nog een voorbeeld door. Voorbeeld 3: Beoordeling in-situ gestorte vloer Een in het werk gestorte vloer wordt beoordeeld op een ontwerplevensduur van 100 jaar. De volgende gegevens zijn bekend: betonsamenstelling met 340 kg/m3 portlandvliegascement met 25% vliegas; water-cementfactor = 0,44; Kader 2 - Relatie waterbindmiddelfactor en D RCM -waarde Voor de leidraad is een groot aantal D RCM -waarden geanalyseerd. Op basis hiervan is voor verschillende cementsoorten een globaal verband vastgesteld tussen de water-bindmiddelfactor en de D RCM -waarde (fig. 5). Met figuur 5 kan een inschatting worden gemaakt over de D RCM -waarde die met een betonsamenstelling mag worden verwacht. Dit is handig als de betonsamenstelling nog moet worden ontworpen. Denk er aan dat het om een verwachting gaat, elke specifieke betonsamenstelling kan in werkelijkheid weer anders uitvallen. De werkelijke D RCM -waarde moet daarom altijd door een proef worden bepaald. We zien in de figuur dat portlandcement veel gevoeliger is voor veranderingen in de waterbindmiddelfac- tor dan hoogovencement. Portlandvliegascement zit daar tussenin. DRCM. 10-12 m 2 /s 40 30 20 10 0 0,30 0,35 CEM I CEM III A & B slak >45% CEM I 52.5 R + 21-30% vliegas vliegas extrapolatie 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 5 Trendlijn voor de relatie tussen waterbindmiddelfactor en D RCM - w/b waarde voor verschillende cementsoorten (bron : CUR Leidraad 1) 9
6 Voorbeeld 3 gaat over een in-situ gestorte vloer gebruikte toeslagmaterialen zijn zeegrind en zeezand; het initieel chloridegehalte is 0,25 % [m/m] ten opzichte van de cementmassa; nominale dekking is 50 mm op betonstaal, geen voorspanning; gemeten D RCM -waarden zijn: 15,2 / 15,9 / 14,3 / 16,4 / 15,4 / 16,1 10-12 m 2 /s; het gemiddelde is 15,6 10-12 m 2 /s; milieuklasse is XC2/XD2. Stap 1: Controle randvoorwaarden We moeten eerst controleren of wel wordt voldaan aan de randvoorwaarden voor het gebruik van de leidraad (tabel a uit het stroomschema). Het gaat hier om een nieuw te bouwen betonconstructie. Dekking, cementgehalte, water-cementfactor en scheurwijdte voldoen aan NEN 6720 / NEN-EN 206-1 + NEN 8005. De vloer wordt uitgevoerd conform NEN 6722. Milieuklasse XD2 is van toepassing. Er wordt alleen gewoon betonstaal (koolstofstaal) toegepast. Er worden geen poreuze toeslagmaterialen toegepast. Voor dit voorbeeld wordt voldaan aan alle randvoorwaarden voor gebruik van de leidraad. Stap 2: Controle uitgangspunten Vervolgens controleren we of we de tabellen uit deel I mogen gebruiken (tabel b uit het stroomschema). x Het initieel chloridegehalte is met 0,25 % [m/m] ten opzichte van de cementmassa hoger dan 0,10 % [m/m]. Bij XD3 moet het oppervlak worden nabehandeld gedurende minimaal 3 dagen. Er wordt een levensduur gevraagd van 100 jaar. Voor dit voorbeeld kunnen de tabellen uit deel I niet worden gebruikt, omdat niet aan alle uit- 10
gangspunten is voldaan. Maar geen paniek: in het stroomschema zien we dat er nog wel een uitweg is. We kunnen nog een berekening uitvoeren volgens het achtergrondrapport (stap 3b). Voordat we dat met ons voorbeeld gaan doen, zullen we eerst eens kijken wat dit inhoudt. Berekening volgens het achtergrondrapport De benaderingswijze die in het achtergrondrapport (deel II) wordt behandeld, is gebaseerd op Dura- Crete. Dit is een methode die in Europees verband is ontwikkeld voor het ontwerpen op levensduur van betonconstructies op basis van prestaties en betrouwbaarheid. In Nederland hebben we de laatste jaren al de nodige ervaring opgedaan met DuraCrete, bijvoorbeeld bij de bouw van de Hogesnelheidslijn. Voor de leidraad is de DuraCrete methodiek vereenvoudigd en aangepast aan nieuwe informatie. Ook is de indeling in expositieomstandigheden die in Dura- Crete wordt gebruikt, vervangen door het gebruik van de milieuklassen volgens de NEN-EN 206-1. Voor het berekenen van de levensduur maken we gebruik van allerlei parameters. Deze parameters kennen allemaal een bepaalde spreiding. In de levensduurberekeningen kan hier op verschillende manieren mee worden omgegaan: Deterministische berekeningen zijn gebaseerd op gemiddelde waarden, waardoor er een faalkans van 50% is. Over het algemeen is dit niet acceptabel. Bij semiprobabilistische berekeningen wordt op eenvoudige wijze rekening gehouden met variaties door middel van een vaste factor of een vaste marge. De tabellen in deel I zijn gebaseerd op semiprobabilistische berekeningen. Bij probabilistische berekeningen wordt de variatie in de waarden voor de parameters meegenomen door gebruik te maken van verdelingsfunctie. De uitkomst is een faalkans. Probabilistische berekeningen zijn over het algemeen erg complex en specialistisch. Deel II geeft gegevens over de verdelingfuncties van alle parameters. Dit kan worden gebruikt voor een probabilistische berekening. Voor deze berekening zelf is specialistische kennis en software nodig. Wij zullen hier in deze Betoniek niet verder op ingaan. Wel gaan we kijken naar de semiprobabilistische berekeningen. De waarden in de tabellen in deel I zijn gebaseerd op semiprobabilistische berekeningen volgens de volgende formule: C(x, t) = C s - (C s - C i ) erf { In de formule moeten we de volgende parameters invullen: C s C i D 0 t 0 t } oppervlakte chloridegehalte % [m/m] ten opzichte van de cementmassa initieel chloridegehalte % [m/m] ten opzichte van de cementmassa D RCM waarde na 28 dagen [m 2 /s] 28 dagen uitgedrukt in seconden [s] ontwerplevensduur uitgedrukt in seconden [s] n cl verouderingsexponent [-] K tot k e k c [-] k e coëfficiënt voor de omgeving [-] k c coëfficiënt voor de nabehandeling [-] x nominale dekking minus veiligheidsmarge [m] De uitkomst van de formule is het chloridegehalte C(x,t) % [m/m] ten opzichte van de cementmassa op diepte (x) na tijd (t). De formule ziet er misschien ingewikkeld uit, maar eigenlijk valt dit best mee. Het erf dat in de formule staat is een afkorting voor de error functie. Dit is een goed vastgelegde wiskundige functie waarvan de waarden vrij nauwkeurig zijn op te zoeken in tabellen. Als je op internet zoekt op erf en table krijg je meteen diverse resultaten. Voor de parameters worden gemiddelde waarden ingevoerd. De spreiding in de parameters wordt op vereenvoudigde wijze in rekening gebracht door een veiligheidsmarge op de betondekking van 20 mm bij betonstaal en 30 mm bij voorspanstaal of omhullingsbuis. x 2 K tot D 0 t ( ) t 0 t n cl 11
De waarden voor parameters C s, k e, k c en n cl zijn afhankelijk van cementsoort en/of milieuklasse en zijn te vinden in deel II van de leidraad. Hierin is ook meer te vinden over de achtergronden voor de gekozen waarden. Op het moment dat C(x,t) gelijk wordt aan het kritische chloridegehalte (C crit ) kan corrosie optreden. Dit wordt in de leidraad als het einde van de levensduur beschouwd. Dit betekent natuurlijk niet dat de constructie dan op instorten staat, maar voor eigenaars en beheerders is dat een belangrijk criterium. Voor alle situaties wordt een kritisch chloridegehalte van 0,6 % [m/m] ten opzichte van de cementmassa aangehouden. Indien een chloridegehalte C(x,t) lager dan dit kritisch chloridegehalte wordt berekend is voldaan aan de gevraagde ontwerplevensduur. Voor het opstellen van de tabellen zijn per cementsoort en groep milieuklassen vaste waarden gekozen voor C s, C i, k e, k c, t 0 en n cl. Alleen D 0 (D RCM ), diepte x (nominale dekking minus veiligheidsmarge) en de levensduur (t) blijven dan nog over als variabelen. Als wordt afgeweken van de vast gekozen waarden kunnen we de tabellen in deel I niet gebruiken. Dan zijn we aangewezen op de berekening volgens het achtergrondrapport. Vervolg voorbeeld 3 We zullen het maken van een semiprobabilistische berekening proberen te verduidelijken aan de hand van het vervolg van het derde voorbeeld. We hadden bij stap 1 geconcludeerd dat aan alle randvoorwaarden is voldaan, maar bij stap 2 bleek dat we niet aan alle uitgangspunten voor het gebruik van de tabellen voldeden. We gaan nu verder met stap 3b uit het stroomschema. Stap 3b: Beoordeling volgens achtergrondrapport Volgens de gegevens bij voorbeeld 3 en de parameters uit deel II van de leidraad gelden de volgende invoerparameters: C s 1,5 % [m/m] ten opzichte van de cementmassa C i 0,25 % [m/m] ten opzichte van de cementmassa D 0 15,6 10-12 [m 2 /s] t 0 2.419.200 [s] (dit is 28 dagen uitgedrukt in seconden) t 3.153.600.000 [s] (dit is 100 jaar uitgedrukt in seconden) n cl 0,8 [-] K tot 1,33 1,5 = 1,995 [-] k e 1,33 [-] k c 1,5 [-] x 50 20 = 30 mm, is 0,03 [m] Ingevuld geeft dit een chloridegehalte C(x,t) van 0,54 % [m/m] (zie kader 3). Omdat dit kleiner is dan het kritisch chloridegehalte van 0,6 % [m/m], kan worden geconcludeerd dat voldaan wordt aan de gevraagde ontwerplevensduur. Conclusie voorbeeld 3 Er is voldaan aan alle randvoorwaarden voor het gebruik van de leidraad en de uitkomst van de semiprobabilistische berekening is een chloridegehalte dat kleiner is dan het kritische chloridegehalte. Op basis hiervan is voldaan aan de gevraagde ontwerplevensduur. Aandachtspunten bij ontwerpen op levensduur We hebben nu gezien hoe we de tabellen uit deel I van de leidraad kunnen gebruiken. Hoewel de leidraad het ontwerpen op levensduur een stuk toegankelijker maakt, blijft het van belang goed te weten waar je mee bezig bent. We geven hierna een aantal aandachtspunten die van belang zijn voor het ontwerpen op levensduur. Kader 3 - Ingevulde formule voorbeeld 3 C(x, t) = 1,5%[m/m] - (1,5-0,25)%[m/m] erf { } 0,03 [m] 2 1,995 15,6 10-12 [m 2 2.419.200[s] /s] 3.153.600.000 [s] ( ) 3.153.600.000[s] 0,8 12
Scheurvorming De leidraad veronderstelt dat het beton ongescheurd is. Beton wordt als ongescheurd beschouwd als de maximale scheurwijdte kleiner is dan de maximale toegestane scheurwijdte voor de betreffende milieuklasse. Indien er grotere scheurenwijdtes zijn geconstateerd kunnen deze worden gerepareerd. De reparatiemethode moet echter wel aansluiten bij de gevraagde levensduur. Nabehandeling Het is belangrijk dat de kwaliteit van de dekking goed is. Nabehandeling speelt hierin een belangrijke rol. In deel II van de leidraad staat dat moet worden aangetoond dat er voldoende lang is nabehandeld, bijvoorbeeld op basis van een rijpheidsmeting. Het criterium is dat er tot 50% van de werkelijke 28-daagse sterkte wordt nabehandeld. Nabehandeling kan plaats vinden volgens één van de methoden zoals beschreven in bijlage B van NEN 6722: laten staan van de bekisting; afdekken met dampdichte folie of natte bekleding; zichtbaar nat houden van het oppervlak; het aanbrengen van een curing compound met een vochtvasthoudend vermogen van minimaal 70% als gemiddelde van de waarden na 1, 3 en 7 dagen. D RCM -waarde representatief De D RCM -waarde is een belangrijke parameter in de beoordeling van de levensduur. Het is daarom belangrijk dat de D RCM -waarde representatief is. In de leidraad is aangegeven hoeveel proefstukken moeten worden gebruikt om het gemiddelde te berekenen. Dit zijn 3 proefstukken bij een maximale korreldiameter tot 16 mm en 6 proefstukken bij een grotere maximale korreldiameter. De D RCM -waarde moet zijn bepaald op een mengsel dat gelijk is aan het mengsel dat voor de constructie zelf wordt gebruikt, voor wat betreft de grondstoffen en de leverancier. Denk er ook aan dat de waarde recent is. Bij een D RCM -waarde Kader 4 - Terminologie Duurzaamheid is de mate waarin een materiaal of constructie bestand is tegen interne en externe invloedsfactoren. Duurzaamheid is een eigenschap van de constructie zoals ook bijvoorbeeld sterkte dat is. De duurzaamheid van betonconstructies wordt voornamelijk bepaald door de betonsamenstelling, dekking, nabehandeling en de maximale scheurwijdte. Duurzaamheid komen we tegenwoordig ook veel tegen in de betekenis van groen. De Engelsen hebben voor duurzaamheid twee woorden: durability en sustainability. Wij hebben het hier over de eerste betekenis. De levensduur is de tijdsperiode waarin de constructie voldoet aan de prestatie-eisen. De levensduur hangt af van de duurzaamheid enerzijds en de invloedsfactoren, de blootstelling, anderzijds. Als de duurzaamheid laag is, maar de constructie wordt blootgesteld aan een weinig agressief milieu, dan kan een constructie toch nog een behoorlijk lange levensduur hebben. Is de duurzaamheid hoog, maar wordt de constructie blootgesteld aan een erg agressief milieu, dan is de levensduur van de constructie toch beperkt. Als een opdrachtgever een levensduur vraagt, wordt daarmee een ontwerplevensduur bedoeld. Dit betekent dat we moeten aantonen dat op basis van het ontwerp van de constructie een levensduur kan worden verwacht die minimaal gelijk is aan de gevraagde levensduur. Het ontwerp is daarbij gebaseerd op de huidige kennis. Ook gaan we ervan uit dat de constructie tijdens de levensduur normaal wordt onderhouden. In de normen komen we de term referentieperiode tegen. De referentieperiode is het tijdsbestek waarin de bouwconstructie of een deel daarvan aan de gestelde eisen moet voldoen met een vastgestelde mate van betrouwbaarheid. Voor de meeste betonconstructies geldt een referentieperiode van 50 jaar, voor betonnen bruggen is de referentieperiode 80 jaar. Vaak wordt aangenomen dat de levensduur hiermee ook 50, respectievelijk 80 jaar is, maar strikt genomen is dit niet helemaal correct. De referentieperiode wordt in de normen namelijk gebruikt om de grootte van de in rekening te brengen piekbelastingen te bepalen, bijvoorbeeld de windbelasting. Er wordt niet expliciet gekeken naar de aantastingmechanismen die de constructie bedreigen. 13
7 De leidraad kan niet zomaar in andere landen worden toegepast van een paar jaar oud is de kans groot dat er iets in de grondstoffen is gewijzigd, ook al lijken de samenstellingen op papier wel gelijk. Ophoping chloriden De leidraad geeft aan dat bij de XD-milieuklassen sprake kan zijn van ophoping van chloriden. Let daarbij vooral op gevoelige details zoals lekkende voegen. Risicovol zijn plaatsen waar chloridehoudend water blijft staan: het vocht verdampt, terwijl de chloriden achterblijven. Indien er sprake kan zijn van ophoping van chloriden moeten de waarden voor milieuklassen XS2/ worden aangehouden. Alles in de dekking telt Alles wat zich in de dekking bevindt is van invloed op de levensduur. Denk aan afstandhouders of aan reparatieproducten, zoals reparatiemortels en gietmortels, maar ook betonproppen die worden gebruikt voor het afwerken van conusgaten. Deze vormen een integraal onderdeel van de constructie en moeten dus ook aan de levensduureis voldoen. Bij cementgebonden producten, zoals afstandhouders, betonproppen of reparatieproducten kan dezelfde benadering als voor het omringende beton worden gehanteerd. Voor de beoordeling kan dus ook de leidraad worden gebruikt. Dit betekent dat er van deze producten gegevens beschikbaar moeten zijn over samenstelling en D RCM -waarden, maar bedenk ook dat de nabehandeling moet worden gecontroleerd. Nederlandse situatie De leidraad is gebaseerd op de Nederlandse situatie en kan ook niet zomaar in andere landen worden toegepast. Het klimaat, vooral vochtigheid en temperatuur, is van grote invloed op de levensduur van betonconstructies. Ook het gebruik van dooizouten, en dus de concentraties chloriden waaraan het beton wordt blootgesteld, kan in andere landen heel anders zijn. Tot slot Met het verschijnen van de leidraad ligt er een standaard aanpak vast voor het ontwerpen op levensduur. We kunnen onderling afspreken deze 14
spelregels te gebruiken om een bepaalde ontwerp - levensduur aan te tonen. Met het verschijnen van de leidraad zijn we echter niet klaar, het is nog te vroeg om achterover te leunen. In de praktijk zullen we moeten ervaren hoe de leidraad functioneert en waar verbeteringen nodig en mogelijk zijn. De CUR-Commissie stelt terugkoppeling van ervaring dan ook bijzonder op prijs. Deze ervaring samen met aanvullend onderzoek is hard nodig om uiteindelijk te komen tot een voorschrift voor het ontwerpen op levensduur. Dankwoord De redactie van Betoniek bedankt ir. Nynke ter Heide voor het inbrengen van haar kennis en expertise bij de totstandkoming van dit nummer. Literatuur CUR Leidraad 1: Duurzaamheid van constructief beton met betrekking tot chloride-geïnitieerde Wapeningscorrosie, Leidraad voor het formuleren van prestatie-eisen achtergrondrapport. Deel I: Leidraad Deel II: Achtergrondrapport Deel III: Beschrijving testmethoden Deze leidraad kan gratis worden gedownload op www.curbouweninfra.nl. In onze volgende uitgave 14/27 Examen Betontechnoloog 2009 In het volgende nummer van Betoniek bespreken we net als andere jaren het examen betontechnoloog (BTE) van 2009. Zo kunt u controleren of uw kennisniveau op het gebied van de betontechnologie nog op peil is. Colofon Betoniek is hét vakblad over het materiaal beton en verschijnt 10 keer per jaar. Betoniek wordt uitgegeven door Æneas in opdracht van het Cement&BetonCentrum. In de redactie zijn vertegenwoordigd: BAM Infra, BMC, CUR Bouw & Infra, ENCI, Mebin en TU Delft. Uitgave: Æneas, uitgeverij van vakinformatie bv Postbus 101, 5280 AC, Boxtel T: 0411 65 00 85 E: info@aeneas.nl Webiste: www.betoniek.nl Redactie: T: 0411 65 35 84 E: betoniek@aeneas.nl Vormgeving: Twin Media bv Abonnementen/adreswijzigingen: Uitgeverij Æneas Postbus 101, 5280 AC, Boxtel T: 0411 65 00 85 E: info@aeneas.nl Abonnementsprijzen 2009: Nederland 46 (excl. 6% btw) België 51 (excl. 6% btw) Kijk voor de mogelijkheden van meelees- en online abonnementen op www.betoniek.nl. Aanmeldingen/opzeggingen: Abonnementen kunnen op ieder gewenst moment ingaan en worden automatisch voor een jaar verlengd, tenzij twee maanden voor de vervaldatum schriftelijk wordt opgezegd. Overname van artikelen en illustraties (met uitzondering van foto s) is toegestaan onder voorwaarde van bronvermelding. ISSN 0166-137x Redactie en uitgever stellen deze uitgave zorgvuldig en naar beste weten samen. Zij aanvaarden echter geen enkele aansprakelijkheid voor schade, van welke aard ook, die het gevolg is van handelingen en/ of beslissingen gebaseerd op de informatie in deze uitgave. Niet altijd kunnen alle rechthebbenden van gebruikt beeldmateriaal worden achterhaald. Belanghebbenden kunnen contact opnemen met de uitgever. foto pagina 1: Eveline Heemskerk 15