Restauratie van betonoppervlakken : Het effect van bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton

Vakgroep: Bouwkundige constructies Laboratorium Magnel voor Betononderzoek Directeur: prof. dr. ir. L. Taerwe Restauratie van betonoppervlakken : Het effect van bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton door: Dieter Debrouwer Promotor: prof. dr. ir. N. De Belie Scriptiebegeleider: ir. W. De Muynck Academiejaar 2005-2006 Eindwerk ingediend tot het behalen van de academische graad van BURGERLIJK INGENIEUR BOUWKUNDE

Vakgroep: Bouwkundige constructies Laboratorium Magnel voor Betononderzoek Directeur: prof. dr. ir. L. Taerwe Restauratie van betonoppervlakken : Het effect van bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton door: Dieter Debrouwer Promotor: prof. dr. ir. N. De Belie Scriptiebegeleider: ir. W. De Muynck Academiejaar 2005-2006 Eindwerk ingediend tot het behalen van de academische graad van BURGERLIJK INGENIEUR BOUWKUNDE

Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze eindverhandeling voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze eindverhandeling. Gent, juni 2006 Dieter Debrouwer

DANKWOORD Bij het begin van deze thesis wens ik graag mijn oprechte dank te betuigen aan alle personen die het mij mogelijk hebben gemaakt dit eindwerk te realiseren. Eerst en vooral dank ik mijn promotor, professor N. De Belie, voor de uitstekende mogelijkheden die mij werden geboden voor de realisatie van een onderzoek naar de specifieke toepassingsmogelijkheden van bacteriën in de bouwkunde. Verder hou ik eraan mijn begeleider, ir. W. De Muynck, te bedanken voor het enthousiasme waarmee hij mij ondersteunde bij de realisatie van dit eindwerk en tevens in contact bracht met de Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen. Tevens wil ik ook het personeel van Laboratorium Magnel bedanken voor hun ondersteuning en assistentie bij het uitvoeren van mijn experimenteel onderzoek. Graag zou ik daarbij S. De Buck en N. Coppieters in het bijzonder bedanken voor hun bereidwillige medewerking. Tenslotte, maar niet in het minst, wil ik mijn ouders en vrienden bedanken voor alle steun die ze mij tijdens mijn studies hebben gegeven.

Het effect van bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton door Dieter DEBROUWER Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk bouwkundig ingenieur Promotor: prof. dr. ir. N. De Belie Scriptiebegeleider: ir. W. De Muynck Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Academiejaar 2005-2006 Vakgroep: Bouwkundige constructies Laboratorium Magnel voor Betononderzoek Voorzitter: prof. dr. ir. L. Taerwe Samenvatting Huidige bezorgdheden omtrent mogelijke degradatie van beton en de daarbij horende economische impact voor onderhoud en herstellingen hebben de aandacht gevestigd op enerzijds de schadeprocessen in beton en anderzijds de middelen om degradatie af te remmen of te stoppen. Voor het ogenblik zijn tal van organische en anorganische producten op de markt aanwezig om de aantasting te vermijden maar deze traditionele behandelingen brengen ook negatieve effecten met zich mee. Daarom wordt onderzoek verricht naar een biologisch middel dat de eigenheid en structuur van de matrix niet aantast en dus beter past in de huidig ecologisch verantwoorde ethiek. In dit werk is een mogelijk alternatief bestudeerd dat gebaseerd is op de bacteriële carbonaat precipitatie en geeft aanleiding tot een beschermende minerale oppervlaktelaag. Het eerste luik van dit werk omvat een uitgebreide bespreking van de verschillende transporten schademechanismen die optreden in betonstructuren. Daarnaast werden de werking en de invloed van de biodepositie en traditionele beschermingsproducten op de voormelde processen toegelicht. In het experimentele luik van dit werk werden de effecten van deze biodepositietechniek op de transportprocessen en schademechanismen onderzocht. Hierbij werd aandacht besteed aan de relatie tussen de doorlatendheidskenmerken en de duurzaamheid van beton. Aansluitend werd een vergelijkende studie uitgevoerd, waarbij de efficiëntie van deze innovatieve techniek werd vergeleken met verschillende traditionele beschermingsproducten. Uit dit onderzoek blijkt dat de aanwezigheid van bacterieel gevormd CaCO 3 in de oppervlaktelaag van mortelproefstukken resulteert in een daling van de permeabiliteit. Deze daling geeft aanleiding tot een verminderde penetratie van chloriden, een afname van de capillaire wateropname en een daling van de permeabiliteit t.o.v. gassen. Deze daling in permeabiliteit heeft niet alleen gevolgen voor de transportprocessen in de betonmatrix, maar resulteert ook in een verhoogde weerstand tegenover schademechanismen. De aanwezigheid van deze biodepositielaag resulteert in een daling van de carbonatatiesnelheid van de betonmatrix. Gezien het feit dat carbonatatie- en chloridegeïnitieerde corrosie instaan voor de grootste problemen betreffende de duurzaamheid van beton, biedt deze biodepositiebehandeling mooie perspectieven voor de bescherming van betonstructuren. Trefwoorden: biodepositie, CaCO 3 -precipitatie, duurzaamheid, oppervlaktebehandeling

The effects of bacterial calcium carbonate precipitation on the durability of concrete Dieter Debrouwer Supervisor(s): N. De Belie & W. De Muynck Abstract: Bacterially induced carbonate precipitation has been proposed as a novel and environmentally friendly strategy for the protection of concrete against the transport of detrimental materials. This paper describes the results of an innovative approach in which pure cultures of Bacillus sphaericus are applied for the improvement of the durability of concrete. The effect of the bacterial CaCO 3 precipitation on the porosity, the transport properties (water vapour diffusion, water absorption and gas permeability) and the durability (carbonation, chloridemigration) was determined. The most pronounced results were obtained for the treatments in the presence of biomass, urea and an external calcium source. Keywords: mortar, calcium carbonate precipitation, biodeposition, surface-treatment I. INTRODUCTION Current concern about possible degradation of concrete and the associated economic impact of the maintenance and repair of concrete structures have drawn the attention to processes of concrete deterioration and to the resources to slow down or even to eliminate degradation. Service environment, together with the permeation properties of concrete determine the risk of damage and the speed at which it can develop. Many of the physical and chemical deterioration mechanisms of concrete are related to aggressive substances in aqueous solution. An important measure to protect concrete against damage exists thus in diminishing the uptake of water. Surface treatments play an important role in limiting the infiltration of water - and consequently of detrimental components - into concrete. Nowadays a broad array of organic and inorganic products is available on the market for the protection of concrete surfaces, such as a variety of coatings, water repellents and pore blockers. These traditional means of protection show however beside their favourable influences also a number of disadvantageous aspects such as different thermal expansion coefficient of the treated layers, degradation over time and the need for constant maintenance. Furthermore the use of certain solvents contributes to pollution. [1] To partially overcome these disadvantages, more ecological methods have been suggested. Within this framework, bacterial induced carbonate mineralization has been proposed as a novel and environmentally friendly strategy for the protection and remediation of stone and mortar. We have investigated the influence of the bacterial carbonate precipitation on the durability of mortar. The effect of this innovative technique on the substrate characteristics was determined and compared against traditional products. II. MATERIALS AND METHODS A. Materials In order to investigate the effects of the bacterial treatment on the durability of low and high porosity specimens, mortar mixtures of varying porosity were prepared (w/c = 0.5, 0.6 and 0.7). The specimens were cured in water for 28 days and stored in laboratory conditions until treatment. The specimens for the biodeposition treatment were immersed in solutions of varying composition in order to investigate the effects of an external calcium source. The nutrient solution consisted out of urea, nutrient broth, sodium bicarbonate (1), and calcium chloride (2) or calcium acetate (3). The specimens for the traditional treatment were treated according the technical data instructions. B. Methods The durability of the mortar specimens was assessed by the measurement of the porosity and transport processes. Transport mechanisms, such as absorption and diffusion of gases, liquids and ions, are important physical properties in relation to concrete durability parameters such as chloride ingress and carbonation. [2] The influence of the bacterial CaCO 3 deposition on the porosity was investigated by means of mercury intrusion porosimetry. [3] The increase in resistance towards water penetration obtained by the deposition of the CaCO 3 layer was measured by a sorptivity test for 168 h. [4] For the determination of the gas permeability a pressure was applied over the specimens and the volume flow rate through the specimens was measured. [5] For the evaluation of the breathability of surface-treated mortar a water vapour diffusion test was carried out. A different relative humidity was applied over the element. The loss of mass over the element gives an indication of the diffusion. [6] Complementary tests (= carbonatation and chloride penetration) were performed in order to investigate the effect of the precipitation on the durability of mortar. In

the accelerated carbonatation test the specimen is exposed to an enriched carbon dioxide environment the carbonatation depth gives an indication of the effect of the treatment. [2] The resistance of the treated specimens to chloride penetration was evaluated with a chloride migration test. An external electrical potential was applied across the specimen and forced chloride ions outside to migrate into the specimen. The effect of the treatment is a function of the penetration depth. [7] III. RESULTS AND DISCUSSION The results of the mercury intrusion porosimetry indicate that the presence of bacteria reduces the porosity due to the physical obstruction of the pores. The addition of an external calcium source led to an extra reduction that was caused by calcium carbonate precipitation. The presence of this carbonate layer resulted in an improvement of the impermeability of the specimens as could be seen from the capillary water suction experiments. The most pronounced reduction compared to the untreated samples was reached for the most porous mortar (wcf = 0.7) and when an external calcium source was provided. This treatment resulted in a 10-fold decrease in the uptake of water and these results were comparable to the traditional water repellents. The improvement of the impermeability could also be seen from the water vapour diffusion test and the gas permeability test. The most pronounced reduction of the water vapour diffusion (25%) was obtained for the less porous mortar (wcf = 0.5) and when an external calcium source was provided. These results were comparable to the results obtained with the synthetic resin. The presence of a bacterial treatment in addition of an external calcium source had a pronounced reduction on the gas permeability (50%) of the more porous elements (wcf = 0.6 and 0.7). These results were comparable with those of the synthetic resin. The results of the carbonation test confirmed the expectation that a reduction of the transport processes caused by the bacteria leads to an improvement of the durability [8]. The most pronounced reduction (50%) of carbonatation compared to the untreated samples was reached when an external calcium source was provided regardless the porosity of the specimens. The carbonatation coefficient was more or less the same as the one from the synthetic resin. The corrosion due to chloride ingress progresses at much higher rate than due to carbonation [8]. Therefore the reduction of the penetration of chlorides is a very important durability issue. The presence of a bacterial treatment in addition of an external calcium source resulted in a reduction of the chloride migration coefficient (25%) regardless the presence of a external calcium source. These results were comparable to those of the synthetic resin. IV. CONCLUSION From the results of this research it appears that the biodeposition treatment has the ability to improve the durability of concrete structures. The most pronounced results were obtained from the mortar with the highest porosity in the presence of biomass, urea and an external calcium source. The positive results should however be nuanced because the behaviour of the carbonate layer under aggressive circumstances is unknown. This bacterial treatment is for the moment expensive in comparison with water repellants and synthetic resins but it is a very ecological treatment. Further investigations will focus on the behaviour of the carbonate layer in aggressive circumstances. In future research the composition of the medium will be optimized because of the fact that the availability of the nutrients could have an influence on the growth of other micro-organisms. V. ACKNOWLEDGEMENTS Tests were carried out within the framework of a master s thesis at the faculty of civil engineering of Ghent University. VI. REFERENCES [1] Pèrez, J.L., Villegas, R., Vale, J.F., Bello, M.A., Alcade, M. Effects of consolidant and water repellent treatments on the porosity and pore size distribution of limestones. Methods of Evaluating Products for Conservation of Porous Building Materials in Monuments, ICCROM, Rome, 1995, 203-211. [2] Basheer, L., Kropp, J. & Cleland, D.J. 2001. Assessment of conrete durability from its permeation properties: a review. Construction and Building Materials,15:93-103. [3] Diamond S., Mercury porosimetry: An appropriate method for the measurement of pore size distributions in cement-based materials, Pergamon, Cement and Concrete Research, 2000, 1517-1525. [4] De Muynck W., De Graef B., De Belie N., Microbial ureolytic calciumcarbonate precipitation for remediation of concrete surfaces, Magnel Laboratory for Concrete Research, Dept. of Structural Engineering, 2004, pp. 1-6. [5] Carcassès M., Abbes A., Ollivier J.-P., Verdier J., An optimised preconditioning procedure for gas permeability measurement, Materials and Structures, vol. 35, January-February 2002, pp. 22-27. [6] Basheer P.A.M., Basheer L., Cleland D.J., Long A.E., Surface treatments for concrete: assessment methods and reported performance, Elsevier, Construction and Building Materials, vol. 11, nr. 7-8, July 1997, pp. 413-429Basheer. [7] NORDTEST METHOD NT BUILD 492, Concrete, mortar and cement-based repair materials: chloride migration coefficient from non-steady state migration experiments, 1999, pp. 1-8.

INHOUDSTAFEL Deel 1: Literatuurstudie HOOFDSTUK 1: DUURZAAMHEID VAN BETON...1 HOOFDSTUK 2: TRANSPORTMECHANISMEN...5 1. Inleiding...5 2. Transportprocessen...7 2.1 Diffusie...7 2.2 Capillaire wateropname...9 2.3 Permeabiliteit...12 2.4 Elektromigratie...13 2.5 Thermische migratie...13 2.6 Osmose...14 HOOFDSTUK 3: SCHADEMECHANISMEN...15 1. Inleiding...15 2. Indirecte aantasting...15 2.1 Algemeen...15 2.2 Roestvorming...16 2.3 Beschermende werking van de betondekking...17 2.4 Carbonatatiegeïnitieerde corrosie...17 2.5 Chloridegeïnitieerde corrosie...20 3. Directe aantasting...21 3.1 Aantasting door vorst...21 3.2 Aantasting door vorst in combinatie met dooizouten...23 3.3 Aantasting door nat-droogwisselingen...24 3.4 Aantasting door indringen van sulfaten...24 3.5 Aantasting door indringen van zuren...25 3.6 Alkali-silicareactie...25 I

HOOFDSTUK 4: BESCHERMINGSSYSTEMEN...27 1. Inleiding...27 2. Traditionele behandelingen...27 2.1 Inleiding...27 2.2 Impregneermiddelen: hydrofobering...28 2.3 Impregneermiddelen: poriëndichter...30 2.4 Coatings...31 2.5 Combinatiesystemen...33 3. Biodepositiebehandelingen...34 3.1 Inleiding...34 3.2 Principe...34 3.3 Toepassingen...37 4. Effect van de oppervlaktebehandelingen op de duurzaamheid van beton...37 4.1 Resultaten met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen...37 4.2 Resultaten met betrekking tot de beschermende werking...40 HOOFDSTUK 5: DOELSTELLING...42 Deel 2: Materialen en methodes HOOFDSTUK 1: MATERIALEN...43 1. Proefstukken...43 2. Beschermingsbehandelingen...44 2.1 Traditionele behandelingen...44 2.2 Biodepositiebehandelingen...45 HOOFDSTUK 2: METHODES...48 1. Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen...48 1.1 Kwik intrusie porosimetrie...48 1.2 Waterdampdiffusie...52 1.3 Capillaire wateropname...55 1.4 Gaspermeabiliteit...62 2. Proeven met betrekking tot de beschermende werking...66 2.1 Carbonatatie...66 2.2 Penetratie van chloriden...69 II

2.3 Vorst-dooicycli...72 2.4 Vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten...77 3. Statistische resultaatverwerking...80 Deel 3: Resultaten en discussie HOOFDSTUK 1: RESULTATEN...81 1. Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen...81 1.1 Kwik intrusie porosimetrie...81 1.2 Waterdampdiffusie...82 1.3 Capillaire wateropname...84 1.4 Gaspermeabiliteit...95 2. Proeven met betrekking tot de beschermende werking...97 2.1 Carbonatatie...97 2.2 Penetratie van chloriden...99 2.3 Vorst-dooicycli...101 2.4 Vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten...106 HOOFDSTUK 2: DISCUSSIE...109 1. Inleiding...109 2. Verband w/c-factor porositeit transportmechanismen...109 3. Biodepositiebehandelingen...110 3.1 Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen...110 3.2 Proeven met betrekking tot de beschermende werking...111 4. Traditionele behandelingen...114 4.1 Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen...114 4.2 Proeven met betrekking tot de beschermende werking...116 5. Technisch overzicht...119 5.1 Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen...119 5.2 Proeven met betrekking tot de beschermende werking...121 6. Overzicht kostprijs behandelingsproducten...123 7. Vergelijkende studie...124 III

Deel 4: Besluiten en verder onderzoek HOOFDSTUK 1: BESLUITEN...129 HOOFDSTUK 2: VERDER ONDERZOEK...134 Deel 5: Literatuurlijst Bijlage 1: Voorschriften traditionele behandelingen IV

AFKORTINGEN EN SYMBOLEN AFKORTING - BETEKENIS EENHEID SYMBOOL α Significantieniveau - A Waterabsorptiecoëfficiënt kg/(m². s) A.S.R. Alkali-silicareactie - C Carbonatatiecoëfficiënt mm/ dag D Waterdampdiffusiecoëfficiënt m²/s D nssm Chloridemigratiecoëfficiënt m/s² ε Porositeit - f cspl Splijttreksterkte N/mm² i.a.v. In aanwezigheid van - I Ca Absolute capillariteitsindex - I Cr Relatieve capillariteitsindex - J Waterdampstroming kg/(m².s) K oxygen Gaspermeabiliteitscoëfficiënt m² M Hoeveelheid afgeschilferd materiaal g M t Hoeveelheid geabsorbeerd water na een periode t kg NVT Niet van toepassing - Q Hoeveelheid geabsorbeerd water per oppervlakte-eenheid kg/m² RAG Relatieve absorptiegraad % RV Relatieve vochtigheid % SNK Student Newman Keuls - T Temperatuur C of K U Spanning V v Voortplantingssnelheid m/s wcf Water/cement-factor - w/c-factor Water/cement-factor -

Deel 1: Literatuurstudie

Deel 1 Literatuurstudie HOOFDSTUK 1: DUURZAAMHEID VAN BETON Beton is een belangrijk bouwmateriaal in de wereld en tevens één van de meest populaire. Het is goedkoop, wereldwijd beschikbaar en relatief éénvoudig in gebruik. Op de bouwplaats kan beton vele vormen en groottes aannemen en deze flexibiliteit heeft bijgedragen tot de ontwikkeling van beton als constructiemateriaal. [1] Bij combinatie van beton en staal wordt geprofiteerd van hun complementair gedrag waarbij het basische milieu van het beton zorgt voor de passivatie van de wapening waardoor roesten wordt voorkomen en het staal zorgt voor het opnemen van de trekkrachten daar het beton geen noemenswaardige bijdrage kan leveren tot het opnemen van deze krachten. Bovendien hebben beide een vergelijkbare uitzettingscoëfficiënt en hecht het beton goed aan het staal [2]. Algemeen wordt gesproken van een materiaal met zeer goede mechanische en fysische eigenschappen. Beton is inherent duurzaam en vergt weinig onderhoud. De basisbestanddelen, namelijk Si-, Al- en Fe-oxides, zijn dezelfde als deze afkomstig van duurzame natuurlijke rotsgesteentes. Wel dient opgemerkt te worden dat een aantal omgevingseffecten snel een goed beton kunnen degraderen. De karakteristieken van kwaliteitsvol beton zijn niet éénvoudig te definiëren en daarbij dient opgemerkt te worden dat doorheen de levensduur van de betonconstructie niet duurzaam beton visueel hetzelfde gedrag kan hebben als duurzaam beton. [1] De belangrijkste oorzaken betreffende duurzaamheidsproblemen in betonconstructies zijn weergegeven in Figuur 1-1. Ontwerp- en constructiefouten zijn eerder dan de materialen op zich verantwoordelijk voor de aantasting van de duurzaamheid van het beton. Beton wordt toegepast in verschillende omgevingen die elk een specifieke impact hebben op het beton en/of het wapeningsstaal [1]. De kans op aantasting is relatief groot en de duurzaamheid van het beton wordt in belangrijke mate bepaald door de snelheid waarmee de structuur van dat materiaal verandert [3]. Ontwerp Constructie & onderhoud Materialen 10% 50% 40% Figuur 1-1: Oorzaken duurzaamheidproblemen bij betonconstructies [1] 1

Deel 1 Literatuurstudie De aantasting vindt plaats ten gevolge van fysische 1, fysisch-chemische 2, chemische 3 of biologische 4 processen. Bij veel processen wordt materie van de ene naar de andere plaats getransporteerd, al dan niet na chemische omzetting. De snelheid waarmee het transport plaatsheeft, hangt enerzijds af van de aard en de hoeveelheid van de aantastende stoffen (het milieu) en anderzijds van de samenstelling en de structuur van het materiaal (de kwaliteit van het beton). [3] Dit impliceert dat wanneer een schatting van de mogelijke duurzaamheid van het beton dient gemaakt te worden, een voldoende kennis van enerzijds de betonkarakteristieken en anderzijds het milieu waarin het beton wordt toegepast, vereist is. De factoren die de duurzaamheid beïnvloeden zijn weergegeven in Figuur 1-2. Figuur 1-2: Invloedsfactoren duurzaamheid [1] 1 Fysische verwering: De wijze waarop poreuze materialen onder invloed van weer en wind of het milieu in de loop van de tijd zijn samenhang verliezen, waarbij er geen veranderingen optreden in chemische en mineralogische samenstelling. 2 Fysisch-chemische verwering: De wijze waarop gesteenten onder invloed van het milieu in de loop van de tijd hun samenhang verliezen, waarbij chemische reacties plaatsvinden zonder dat de chemische samenstelling van het beton wijzigt. 3 Chemische verwering: De wijze waarop gesteenten onder invloed van het milieu in de loop van de tijd hun samenhang verliezen, waarbij chemische reacties plaatsgrijpen. 4 Biologische verwering: Verwering ten gevolge van levende organismen 2

Deel 1 Literatuurstudie Deze factoren zijn divers en kunnen al dan niet samen optreden. Algemeen kunnen de factoren in vier categorieën worden ingedeeld: 1) Falen van het interne materiaal, bijvoorbeeld Alkali-silicareactie (A.S.R.); De problemen veroorzaakt door deze categorie kunnen éénvoudig worden opgelost door de samenstelling van de basisbestanddelen te wijzigen. 2) Indringing van fluïdum en/of ionen uit de omgeving die het beton en/of wapeningsstaal kunnen aantasten, bijvoorbeeld penetratie van chloriden en zwavelzuuraantasting; Deze categorie is veruit de grootste oorzaak van de duurzaamheidsproblematiek. De indringing van vocht die opgeloste ionen bevat, in het bijzonder chloriden of koolstofdioxide, kan leiden tot wapeningscorrosie. Het probleem is dat er geen éénvoudige manier bestaat om de weerstand van het beton tegen indringing van dergelijke stoffen te beoordelen. 3) Directe verwering; Deze categorie wordt in verband gebracht met verkeersbelasting zoals bij autosnelwegen. De snelheid van verwering is functie van de karakteristieken van zowel mortel als van de granulaten. 4) Mechanische verstoring ten gevolge van overdreven rekken, bijvoorbeeld thermische belasting, vochtvariatie, vorst- en dooicycli. Deze categorie kan worden onderverdeeld in twee groepen. Enerzijds de factoren die direct de macrostructuur van het beton aantasten zoals vorst- en dooicycli. Anderzijds de factoren die het beton aantasten als deel van de structuur zoals bijvoorbeeld thermische spanningen. [1] Na het storten van het beton bestaat de huid ervan voornamelijk uit gehydrateerd cement. In Figuur 1-3 wordt een snede van een gewapend betonelement voorgesteld en deze specie bevat in de randzone minder grove granulaten, maar meer fijn zand, meer cementkorrels en meer water dan in de kern. De kwaliteit van deze randzone, waarvan Figuur 1-3: Doorsnede gewapend betonelement [4] 3

Deel 1 Literatuurstudie de dikte ongeveer gelijk is aan de helft van de grootste doormeter van de granulaten, bepaalt in grote mate de duurzaamheid van het beton. Uit onderzoek is gebleken dat de grootste problemen betreffende de duurzaamheid worden veroorzaakt door corrosieverschijnselen en niet door aantasting van het beton zelf. Het beton van de randzone moet dus een barrière vormen voor schadelijke stoffen en het is dus belangrijk om de kwaliteit van de randzone zo hoog mogelijk te houden. [1] [4] De economische impact van de duurzaamheidsproblemen heeft de laatste decennia geleid tot uitgebreid onderzoek en dit heeft zijn bijdrage geleverd tot de aanmaak van beter en duurzamer beton of gewapende betonconstructies. Daarnaast heeft het onderzoek ook geleid naar oppervlaktebehandelingen om de verwering van de betonmatrix te reduceren of in het beste geval te stoppen. Veel testmethodes en technieken die de laatste jaren zijn ontwikkeld, kunnen worden gebruikt om de penetratie van schadelijke stoffen in het beton in beeld te brengen. [5] 4

Deel 1 Literatuurstudie HOOFDSTUK 2: TRANSPORTMECHANISMEN 1. Inleiding Beton is een poreus materiaal dat opgebouwd is uit een aantal basisbestanddelen. Deze zijn cement, water, zand en granulaten (Figuur 2-1). Voor de aanmaak van het beton is een minimaal cementgehalte nodig en de w/c-factor moet beperkt worden tot een bepaalde waarde. De w/c-factor is een controleparameter die een grote impact heeft op de afmetingen Figuur 2-1: Basisbestanddelen beton [4] van de poriën en op het aantal ervan. Het volume aan poriën in het beton wordt uitgedrukt door de porositeit (ε) en is gerelateerd aan de bulkdensiteit van het beton (ρ b ) en aan de densiteit van de betonmatrix (ρ m ) en wordt met Formule 2-1 berekend: ρb ε =1 (2-1) ρ m met ε = de porositeit [%] ρ b ρ m = de bulkdensiteit [kg/m³] = de densiteit van de betonmatrix [kg/m³] De aanwezigheid van poriën is een noodzakelijke maar niet voldoende voorwaarde voor het transport van een fluïdum (= gas of vloeistof) omdat voor het transport de poriën een aaneengesloten netwerk doorheen het poreuze materiaal moeten vormen. [6] [7] Naast de w/c-factor heeft het cementtype, het granulaattype en de nabehandeling impact op de eigenschappen van de matrix. Zoals in Figuur 2-2 is te zien, hebben deze hun invloed op de transportmechanismen. 5

Deel 1 Literatuurstudie Figuur 2-2: Overzicht controleparameters - transportmechanismen [1] Het water in de cementmatrix is samengesteld uit verdampbaar en nietverdampbaar water. Het nietverdampbaar water wordt gebruikt voor de hydratatiereactie en verdampbaar water wordt gedefinieerd als het water dat wordt vastgehouden in het capillaire systeem. In Figuur 2-3 zijn de verschillende types water Figuur 2-3: Aanwezigheid van water in beton [4] aangeduid die kunnen verdampen. Het water dat zich in de capillaire poriën (diameter tussen 0,003 µm en 10 µm) bevindt, kan nog worden opgesplitst in twee categorieën. Enerzijds wordt van capillair gebonden water gesproken en anderzijds van vrij water. Dit laatste is het water dat in de wijdere capillairen en grotere holten aanwezig is. Wel dient opgemerkt te worden dat het water dat zich in de gelporiën (diameter < 0,003 µm) en 6

Deel 1 Literatuurstudie tussen de hydraatlaagjes (interstitieel water of interlayer water) bevindt, pas bij hoge temperaturen wordt verdreven. [3] [4] [8] Het transport van een fluïdum doorheen dit netwerk is belemmerd door het poreuze materiaal omdat deze een weerstandbiedend effect uitoefent op het fluïdum. De grootte van de weerstand is afhankelijk van het specifiek oppervlak van de cementmatrix en is evenredig met de verhouding van de porositeit tot de poriëngrootte. [7] De doorlatendheid van een poreus materiaal wordt gekarakteriseerd door drie parameters: de grootte van de capillairen, het aantal capillairen en de interconnectie tussen de capillairen. De permeabiliteit van de betonmatrix heeft zijn invloed op de beweging van gassen, vloeistoffen en ionen en is zeer belangrijk omdat deze stoffen in interactie gaan met betonbestanddelen of met het poriënwater. Dit kan leiden tot directe of indirecte aantasting van de constructie. [5] [7] 2. Transportprocessen Afhankelijk van de drijvende kracht van het proces en het getransporteerde materiaal worden verschillende transportmechanismen voor de schadelijke stoffen gedefinieerd [5]. 2.1 Diffusie Diffusie is het proces waarbij waterdamp, gas of ionen doorheen het beton kunnen bewegen als gevolg van een concentratiegradiënt. De beweging is het resultaat van kleine willekeurige moleculaire bewegingen die over kleine afstanden optreden. [1] [5] De stroming van damp, gas of ionen onder steady-state condities wordt beschreven door de eerste wet van Fick (Formule 2-2): C J = D. (2-2) x met J = de flux [kg/(m².s)] D = de diffusiecoëfficiënt [m²/s] c = de concentratie [kg/m³] x = de lengte volgens de diffusie-as [m] 7

Deel 1 Literatuurstudie De diffusiviteit definieert de snelheid waarmee de beweging van de vermelde stoffen optreedt en deze is een functie van volgende parameters: - de concentratiegradiënt; - hoeveel stoffen reageren met de gevormde hydraatstructuur (afhankelijk van het cementtype); - de afmetingen van de capillairen; - onderlinge connectie van de capillairen. Uit onderzoek door Basheer et al. is gebleken dat bij diffusie van ionen (bijvoorbeeld chloriden) rekening dient te worden gehouden met het feit dat vrije chloride-ionen kunnen reageren met de hydratatieproducten in de betonmatrix waarbij gebonden chloride (Friedlzout) het reactieproduct is. Deze reactie impliceert een afname van beweegbare chlorideionen waardoor de diffusiviteit afneemt. De diffusiecoëfficiënt waar de binding van de chloriden wel respectievelijk niet wordt ingerekend, wordt de effectieve respectievelijk intrinsieke diffusiecoëfficiënt genoemd. De chlorideconcentratie in functie van de diepte wordt voorgesteld in Figuur 2-4 [5]: Figuur 2-4: Diffusie van chloride-ionen al dan niet met chemische reactie [5] Het diffunderen van ionen in verzadigd beton kan plaatsvinden zonder optreden van waterstroming. [9] De diffusie van een gas door beton is in praktijk veelal van belang in het geval van lucht met een verschillende relatieve vochtigheid aan beide zijden (binair mengsel van lucht en waterdamp waarbij voor deze laatste langs beide zijden een concentratiegradiënt over het betonelement bestaat). Het verschil in waterdampconcentratie zorgt voor de gradiënt die het water van de lucht met hoge relatieve vochtigheid naar lage relatieve vochtigheid brengt. [10] 8

Deel 1 Literatuurstudie 2.2 Capillaire wateropname Absorptie is het proces waarbij een poreus materiaal bij contact met een vloeistof een gedeelte ervan opzuigt. Het opzuigen gebeurt door middel van capillaire aantrekking die wordt veroorzaakt door oppervlaktespanningen in de capillairen. Naast deze drijvende kracht dient ook rekening te worden gehouden met een weerstandbiedende kracht, nl. de stromingsweerstand. Als horizontale oppervlakken onderworpen zijn aan een vloeistoflaag dient ook rekening te worden gehouden met de zwaartekracht en in het algemeen heeft wind ook een invloed op de waterabsorptie. Beton met fijne poriën vertoont veel grotere capillaire zuigkrachten en dus een grotere stijghoogte. De weerstandbiedende kracht neemt toe met afnemende breedte van de poriën maar dit wel in minder mate dan de drijvende kracht. In Figuur 2-5 is voorgesteld dat beton met grove capillairen een grotere stijgsnelheid en een groter debiet heeft maar wel een kleinere stijghoogte dan beton met kleine capillairen. De stijghoogte bij deze laatste kan meer dan 20 meter bedragen en bij aanwezigheid van oplosbare zouten neemt de stijghoogte nog toe. Hoe fijner de capillairen, hoe Figuur 2-5: Capillaire poriën in beton trager het materiaal vochtig wordt maar ook hoe [4] trager het droogt. Het geabsorbeerde water in de capillairen kan enkel door middel van verdamping ontsnappen. [4] [11] [12] De absorptie van water in droog beton wordt gekenmerkt door twee basisparameters: - De porositeit: deze wordt bepaald aan de hand van de massa aan water die nodig is om het beton te verzadigen. - De waterabsorptiecoëfficiënt: dit is de snelheid waarmee water in het beton wordt opgenomen. Deze is functie van de grootte van de capillairen, de connectie tussen de verschillende capillaire poriën en het vochtgehalte van het beton. [1] [5] [9] [13] 9

Deel 1 Literatuurstudie De capillaire wateropname wordt beschreven met Formule 2-3: Q = A A. t (2-3) 0 + met Q = de hoeveelheid geabsorbeerd water per oppervlakteeenheid [kg/m²] A = de waterabsorptiecoëfficiënt [kg/(m². s)] t = de contacttijd tussen beton en vloeistof [s] A 0 = een correctieterm om rekening te houden met de oppervlakte-effecten [13] Het fluïdum kan opgeloste zouten, zoals chloriden of sulfaten, en opgeloste gassen, zoals koolstofdioxide, bevatten en kan via absorptie van het fluïdum in de betonmatrix indringen. Het transport van ionen (bijvoorbeeld chloriden) kan daarentegen een combinatie zijn van absorptie en diffusie. Diffusie op zich is een zeer traag verlopend proces en wanneer het beton onverzadigd is, zal absorptie het dominante mechanisme zijn. De absorptiediepte bedraagt ongeveer 20 à 25 mm en daarna worden de ionen door middel van diffusie dieper in het beton getransporteerd. [1] Absorptie kan worden gecontroleerd door het reduceren van de diameter en de connectie tussen de capillaire poriën door het gebruik van een lage w/c-factor en een goede nabehandeling. [1] [9] In Figuur 2-6 wordt de beweging van een droogfront of vochtfront voorgesteld. Als het betonoppervlak wordt bevochtigd, zal water worden opgezogen onder invloed van capillaire krachten. Wanneer het beton vervolgens weer droogt, wordt het water onder de vorm van waterdamp terug aan de omgeving afgegeven. Deze overgang van vloeibare naar Figuur 2-6: Beweging droogfront of vochtfront dampvormige toestand gebeurt aan in beton [4] 10

Deel 1 Literatuurstudie het oppervlak ( droogvlak ) en later binnenin het materiaal: capillair transport gaat over in dampdiffusie. Het droogfront (of vochtfront ) dat de grenszone tussen capillairen met water en capillairen met waterdamp vormt is in functie van de temperatuur en de vochtigheid van de buitenomgeving. Beton dat niet wordt bevochtigd, kan ook water opnemen. Bij stijgende relatieve vochtigheid van de omgeving, dringt waterdamp in de capillairen door diffusie. Daar wordt het omgezet in water door adsorptie tegen de wanden van de capillairen en door condensatie tegen de reeds gevormde watereilandjes. Het vochtgehalte waarbij het capillair watertransport de overhand krijgt op dampdiffusie wordt het kritisch vochtgehalte genoemd. [4] De droging van materiaal gebeurt in twee duidelijk te onderscheiden fasen die zijn voorgesteld in Figuur 2-7: - Tijdens de eerste fase is de droogsnelheid of verdampingssnelheid hoog en constant en in grote mate afhankelijk van de externe omstandigheden. - De tweede fase wordt gekenmerkt door een sterke en continue daling van de droogsnelheid. Naast externe omstandigheden speelt, zoals eerder aangehaald, ook de poriënkarakteristiek mee, nl. hoe fijner de poriën, hoe trager het materiaal droogt. Figuur 2-7: Watergehalte versus tijd [12] 11

Deel 1 Literatuurstudie 2.3 Permeabiliteit Permeabiliteit is een maat voor de eenvoud waarmee een fluïdum door beton stroomt ten gevolge van een drukgradiënt die het gevolg kan zijn van een uitwendige waterdruk of van absorptieprocessen zoals capillaire zuiging en osmose (zie 2.6 Osmose ). Dit proces is in contrast met absorptie en diffusie die het gevolg zijn van een verschil in concentratie. De permeabiliteit is een functie van: - het drukverschil; - de grootte van de capillaire poriën; - de connectie tussen de capillairen. Permeabiliteit en absorptie zijn een functie van twee dezelfde parameters waardoor permeabiliteit op dezelfde manier als absorptie wordt gecontroleerd. [1] Aan de hand van de wet van Darcy kan permeabiliteit worden beschreven. Deze wet definieert een steady-state toestand en stelt voor dat de snelheid van stromen evenredig is met de hydraulische gradiënt. In Formule 2-4 is de wet van Darcy voorgesteld: Q dh v = = K. I = K. (2-4) A dl met v = de stroomsnelheid [m/s] Q = het debiet [m³/s] A = de oppervlakte waarlangs de stroming plaatsvindt [m²] K = de permeabiliteitscoëfficiënt [m/s] I = de hydraulische gradiënt [-] dh = het verval [m] dl = de lengte van de stroomlijn [m] 12

Deel 1 Literatuurstudie De wet van Darcy is op zijn beurt veralgemeend om toe te kunnen passen op vloeistoffen die in elke richting stromen door een poreus materiaal en dit zolang de stroming viskeus is. De wet kan worden uitgedrukt met Formule 2-5: Q dp v = = ( k.µ ). (2-5) A dl met v = de stroomsnelheid [m/s] Q = het debiet [m³/s] A = de oppervlakte waarover de stroming gebeurt [m²] k = de intrinsieke permeabiliteit µ = de viscositeit dp = het drukverschil over het element dl = de lengte van de stroomlijn De intrinsieke permeabiliteit is onafhankelijk van de vloeistofeigenschappen die door het medium stromen. De eigenschappen van de vloeistof worden ingerekend in de viscositeit (µ) en drukken de wrijvingsweerstand van de vloeistof uit.[5] [14] 2.4 Elektromigratie Elektromigratie treedt op wanneer een elektrisch veld aanwezig is dat veroorzaakt wordt door een uitwendige bron maar wordt vaak veroorzaakt door een elektrisch potentiaalverschil die het gevolg is van putcorrosie. [9] 2.5 Thermische migratie Bij thermische migratie beweegt water van warme zones naar koude zones in het poreuze materiaal. De snelheid waarmee dit optreedt, hangt af van de permeabiliteit van het betreffende materiaal. In verzadigd beton kunnen ionen, die zich in warmer poriënwater bevinden, zich naar kouder poriënwater verplaatsen. Dit laatste mechanisme is gebaseerd op het feit dat ionen of moleculen in warm water sneller bewegen en dan ook een grotere waarschijnlijkheid hebben om zich door het beton te bewegen. [9] 13

Deel 1 Literatuurstudie 2.6 Osmose Osmose treedt op bij aanwezigheid van een semi-permeabel membraan waarbij deze laatste een barrière vormt waar water door kan stromen maar de opgeloste stoffen in het water kunnen er niet éénvoudig door. Osmose veroorzaakt een stroom van water van een zwakke, weinig geconcentreerde oplossing naar een sterke, hoog geconcentreerde oplossing. Water dat zich aan de buitenkant van het beton bevindt is een pure of zwakke oplossing en kan in het beton trekken omdat intern een sterke oplossing aanwezig is. [9] 14

Deel 1 Literatuurstudie HOOFDSTUK 3: SCHADEMECHANISMEN 1. Inleiding Het indringen van een fluïdum ten gevolge van transportmechanismen in een gewapende betonconstructie heeft een grote impact op het al of niet kunnen optreden van schademechanismen. Een voorbeeld van de relatie tussen de aanwezigheid van fluïdum en schademechanismen is in Figuur 3-1 geïllustreerd. De aantasting kan in volgende klassen worden ingedeeld: - De indirecte aantasting van beton door aantasting van het Figuur 3-1: Relatieve vochtigheid wapeningsstaal; versus corrosie [15] - De directe aantasting van het beton door inwendige of uitwendige oorzaak. Bepaalde stoffen zijn niet schadelijk voor het beton op zich maar deze stoffen hebben wel een impact op de wapening. Zolang deze schadelijke stoffen de wapening niet kunnen bereiken, zal het beton ook niet worden aangetast door deze stoffen. [3] 2. Indirecte aantasting 2.1 Algemeen Het gebruik van staal in gewapende betonconstructies zal onder invloed van klimatologische omstandigheden worden aangetast. Het gevolg is dat het staal corrodeert door de reactie van het ijzer, de hoofdcomponent van staal, met zuurstof en water. De treksterkte wordt onvermijdelijk gereduceerd en hierdoor kan het staal zijn functie niet meer volledig vervullen. Het corrosieproces treedt op met een specifieke snelheid die beïnvloed wordt door de tijd dat het staal vochtig is, de aanwezigheid van zuurstof, de temperatuur en de afzetting van beschermende stoffen op het staaloppervlak. Op het staaloppervlak bevindt zich een passiveringslaag die zorgt voor de bescherming van het staal en deze laag is gebaseerd op de 15

Deel 1 Literatuurstudie alkaliteit van het poriënwater van beton. Bij een hoge ph-waarde vormt zich een dunne oxidehuid (Fe 2 O 3 en Fe 3 O 4 ) op het staaloppervlak en remt zo het in oplossing gaan van ijzerionen sterk af waardoor het corrosieproces tot stilstand komt. De mogelijkheid bestaat echter dat de passiveringslaag verloren gaat waardoor corrosie kan ontstaan. [16] 2.2 Roestvorming Roesten van het staal is een elektrochemisch proces dat optreedt als de wapening zich in een waterige oplossing bevindt. Ter hoogte van de anode gaat een hoeveelheid ijzer-atomen (Fe) als ijzer-ionen (Fe 2+ ) in oplossing en dit proces wordt de anodereactie genoemd die door reactie 3-1 wordt voorgesteld: 2 + + Fe Fe 2e (3-1) Door de anodereactie komen een aantal elektronen vrij in het staal en deze gaan naar de kathode van het staal waar ze reageren met O 2 en H 2 O-moleculen. Deze laatste twee vormen hydroxide-ionen die samen met de ijzer-ionen reageren tot verschillende roestproducten, afhankelijk van het aanbod van water en zuurstof (vergelijkingen 3-2 t.e.m. 3-4): - Ijzer II-hydroxide + OH Fe( OH ) 2+ Fe (3-2) - Ijzer III-hydroxide 4 ( OH ) 2H O + O Fe( OH ) 2 + 2 2 4 3 2 Fe (3-3) - Ijzer III-oxide 2 ( OH ) 3O 3Fe O + H O Fe + 2 2 3 2 (3-4) 3 3 De stroomkring van het corrosieproces is voorgesteld in Figuur 3-2. Figuur 3-2: Stroomkring corrosieproces [16] 16

Deel 1 Literatuurstudie Corrosie treedt echter maar op als aan volgende voorwaarden wordt voldaan: 1) De aanwezigheid van potentiaalverschillen waardoor een stroomkring kan ontstaan; 2) De anode en kathode moeten zowel via het staal als elektrochemisch met elkaar zijn verbonden; 3) Het in oplossing gaan van het ijzer moet door de depassivering mogelijk zijn; 4) Bij de kathode moet voldoende zuurstof beschikbaar zijn. 2.3 Beschermende werking van de betondekking De wapening in het beton komt zowel met zuurstof als met water in aanraking. Als de vloeistof een hoge zuurtegraad heeft, zijn veel hydroxyl-ionen in de vloeistof aanwezig. Hierdoor zal een neerslag op het staal worden gevormd waardoor het in oplossing gaan van nog meer ijzer bemoeilijkt wordt of in het ideale geval wordt belemmerd. Dit proces wordt het depassiveren genoemd. Bij een lagere ph-waarde blijft de neerslag poreus en permeabel en wordt het corrosieproces niet gestopt. De oorzaak dat het beton toch corrodeert, is te wijten aan het feit dat door externe oorzaken de samenstelling van het poriënwater ter plaatse van de wapening kan worden gewijzigd waardoor de passiveringslaag wordt aangetast. Deze laag kan worden aangetast door het binnendringen van koolstofdioxide (CO 2 ) of chloride-ionen. [3] 2.4 Carbonatatiegeïnitieerde corrosie Vóór er zich calciumcarbonaat kan vormen, moet er eerst diffusie van CO 2 door de capillaire poriën optreden. Dit CO 2 zal oplossen in de waterfilm op de poriënwand en wordt door reactie 3-5 voorgesteld: CO + (3-5) 2 H 2O H 2CO3 Daarna wordt het calciumhydroxide (CaOH 2 ), dat zich in het poriënwater bevindt, geneutraliseerd door diwaterstofcarbonaat (H 2 CO 3 ) waardoor, zoals in Figuur 3-3 is Figuur 3-3: Vorming calciumcarbonaat (CaCO 3 ) [4] 17

Deel 1 Literatuurstudie weergegeven, calciumcarbonaat (CaCO 3 ) wordt gevormd. Het gevolg is dus dat de ph-waarde wordt verlaagd en dit resulteert in een afname van de hydroxyl-ionen en een toename van de waterstof-ionen. Wanneer de kritische zuurtegraad (ph = ±8) is bereikt, wordt de passiveringslaag aangetast met als gevolg dat de wapening gaat roesten. Bij het optreden van corrosie, ten gevolge van het binnendringen van CO 2, wordt gesproken van carbonatatiegeïnitieerde corrosie en de vorming ervan is verdeeld over het gecorrodeerde staaloppervlak. Het volume van de roestproducten is 2,5 tot 6 maal zo groot als van het oorspronkelijke staalvolume met als gevolg dat trekspanningen in het beton worden gecreëerd (Figuur 3-4). [4] Figuur 3-4: Carbonatatiegeïnitieerde corrosie [4] De carbonatatiediepte (x) in functie van de vierkantswortel van de tijd ( t) wordt weergegeven door Formule 3-5: x = C. t (3-5) met x = de carbonatatiediepte [mm] C = de carbonatatiecoëfficiënt [mm/ dag] t = de tijd [dag] [17] De carbonatatiecoëfficiënt is in functie van: - de porositeit van het beton; Een poreuzer beton biedt minder weerstand aan de diffusie van CO 2. Vooral een open poriënstructuur is gunstig voor diffusie. - de w/c-factor; Bij toename van de w/c-factor is het beton meer permeabel en de mate van CO 2 -indringing wordt groter (Figuur 3-5). 18

Deel 1 Literatuurstudie - de chemische samenstelling van het cement; - de atmosfeer. De diffusieweerstand van CO 2 is veel hoger in water dan in lucht (verhouding 10 4 ). [32] Uit onderzoek wordt aangetoond dat de atmosfeer een grote invloed heeft op de carbonatatiediepte waarbij volgende drie mogelijkheden onderscheiden kunnen worden: labo, buitenklimaat onbeschut, buitenklimaat beschut tegen regen (Figuur 3-5): Figuur 3-5: Tijd versus carbonatatiediepte [16] - In een labo droogt het beton snel uit waardoor het carbonatatiefront zich snel naar binnen zal bewegen. De carbonatatiediepte is evenredig met de wortel van de expositietijd en in deze situatie is weinig gevaar voor corrosie omdat onvoldoende water aanwezig is. - Bij een buitenklimaat dat onbeschut is, zullen er periodes van droogte zijn waarbij het water uit de poriën verdampt en er dus carbonatatie kan optreden. De carbonatatie verloopt meestal trager dan in het eerste geval omdat de relatieve vochtigheid in het buitenklimaat meestal hoger is dan in het binnenklimaat. De droge perioden worden afgewisseld met neerslag en in tegenstelling tot het langzaam uitdrogen, nemen de capillaire poriën in deze fase water op. De carbonatatie stopt dan abrupt en kan pas weer doorgaan wanneer in de volgende droge periode het uitdrogingsfront de tot dan toe bereikte carbonatatiegrens passeert. Voor het ontstaan van ernstige corrosieschade is het nodig dat het uitdrogingsfront vele malen de wapening 19

Deel 1 Literatuurstudie passeert. Uit onderzoek is vastgesteld dat de vochtfluctuaties in de dekkingslaag zich beperken tot de buitenste 15 tot 20 mm. Het op grotere afstand van het betonoppervlak gelegen beton droogt langzaam uit en door een gebrek aan water zal de mogelijkheid van corrosie in dat gebied steeds geringer worden. - Bij een buitenklimaat dat beschut is tegen regen zal het poriënsysteem langzaam uitdrogen, zeker in een periode met lage relatieve vochtigheid van de lucht. In een periode met hoge relatieve vochtigheid zal het watergehalte in de poriën toenemen omdat de luchtvochtigheid buiten groter is dan in de poriën. De waterdamp dringt dan naar binnen en condenseert in de poriën. De opname van water door condensatie heeft slechts af en toe plaats en verloopt veel langzamer dan bij direct contact met water. Tevens is de carbonatatiesnelheid kleiner naarmate het front verder naar binnen trekt. Het resultaat is dat het uitdrogingsfront na enige tijd gaat schommelen, waarbij de effectieve vooruitgang van het carbonatatiefront zeer langzaam plaatsvindt. In de betreffende zone is bijna voortdurend de combinatie van lage ph-waarde, zuurstof en water aanwezig. Wanneer de wapening zich in deze zone bevindt, moet voor ernstige corrosie worden gevreesd. [4] [16] 2.5 Chloridegeïnitieerde corrosie Vrije chloride-ionen zijn in het beton in staat de ijzer-ionen uit de passiveringslaag vrij te maken. In een vervolgreactie ontstaat zoutzuur (HCl), waardoor de ph-waarde van het poriënwater wordt gereduceerd. Deze afname zorgt voor het versneld in oplossing gaan van ijzer-ionen waarbij nog een lagere ph-waarde ontstaat. Dit gaat gepaard met een zeer lokale aantasting van de wapening waarbij putjes ontstaan, de zogenaamde putcorrosie (Figuur 3-6). Figuur 3-6: Chloridegeïnitieerde corrosie [4] 20

Deel 1 Literatuurstudie Het effect van de vrije chloriden wordt door vergelijking 3-7 t.e.m. 3-9 voorgesteld: 2+ - Fe + 2Cl FeCl2 (3-7) 2 2 2 + + Cl (3-8) - FeCl ( OH ) Fe( OH ) 2 FeCl 2 + + hydrolyse (3-9) - H O Fe( OH ) 2HCl ( ) 2 2 2 Chloriden in het beton kunnen afkomstig zijn van grondstoffen of vanuit de omgeving zijn ingedrongen. De belangrijkste bronnen zijn: - grondstoffen; - zeewater en wind; constructies nabij of aan de kust; constructies permanent onder water, in getijdezone boven water. - niet maritieme bronnen. constructies blootgesteld aan chloriden in de lucht; horizontale oppervlakken blootgesteld aan dooizouten. De snelheid en de mate waarin de chloride-ionen door de betondekking binnendringen en de wapening bereiken, is primair afhankelijk van: - het cementtype; - het cementgehalte; - de w/c-factor; - de nabehandeling. [2] [4] 3. Directe aantasting 3.1 Aantasting door vorst Tijdens een vorstperiode zal het water in het beton van buiten naar binnen bevriezen en wordt het nog niet bevroren water in de betonmatrix van de omgeving afgesloten. Bij het bevriezen zet het water ongeveer met 9% uit waardoor een deel van het nog niet bevroren water onder druk komt te staan. Deze drukken zijn zo hoog dat ze het beton inwendig kapot kunnen drukken. Ook al is het beton niet volledig verzadigd met water toch bestaat de kans op schade nog altijd. De schade begint op te treden als de kritische waterverzadigingsgraad is overschreden en dit is de verhouding tussen de werkelijke aanwezige hoeveelheid vrij water 21