Beton - schade

Introductie[bewerken]

We kennen allemaal roestende wapening die schollen uit het betonoppervlak drukt. Naast roestende wapening bestaan er ook bedreigingen en schademechanismen die zich minder makkelijk laten herkennen. De kwaliteit van het beton en mogelijk optredende schademechanismen bepalen hoe het materiaal moet worden geconserveerd of hersteld.

Beton met een gat erin
Schade door een onzorgvuldige uitvoering. De dekking is te gering en plaatselijk is de betonspecie niet goed gemengd en verdicht. Hierdoor zit om de wapening te weinig cementsteen en te veel grind.
betonwanden met roestende wapening
De dunne wanden van het Dresselhuyspaviljoen van Jan Duiker uit 1931. Onderdeel van het sanatorium Zonnestraal bij Hilversum. De wanden zijn kwetsbaar gebleken. Roestende wapening heeft geleid tot sterke aantasting van het beton
weggehakt beton onder een brugdek. De wapening is zichtbaar
Schade aan een console onder een brugdek dat is gebouwd omstreeks 1930. Het beschadigde beton is weggehakt. Carbonatatie en chloride hebben geleid tot aantasting van het beton en de wapening. Foto afkomstig van R. Polder. TNO Bouw Delft
een betonconsole met een rode streep erin.
Console van een woongebouw met schadeverschijnselen die wijzen op aantasting door chloride. De chloriden zijn in dit geval ingemengd in het beton en tasten de hoofdwapening aan. Foto R. Polder. TNO Bouw Delft)
donker gekleurd betondek met lichtere strepen erin
Afschilfering van dit donker gekleurde betondek wordt veroorzaakt door inwerking van vorst. Dit in combinatie met dooizouten. Foto C. van der Steen. Technoconsult Heeswijk
Een groen met grijze betonmuur van een stelling
Een van de kazematten van de stelling Kornwerderzand. Gebouwd tussen 1932 en 1936 aan de oostzijde van de Afsluitdijk. De schadekenmerken – het scheurpatroon en de witte reactieproducten – wijzen op chemische aantastingdoor alkali-silicareactie. Al dan niet in combinatie met vorming van ettringiet
Een betonnen lijst met een raamkozijn erin. In de betonscheuren is de wapening zichtbaar
Schade door roestende wapening aan een prefab lijstelement van gewassen grindbeton. Het beton is relatief gevoelig voor aantasting doordat het poreus is en plaatselijk een geringe dekking heeft.

Ontstaan

Veel schadeprocessen treden pas op als stoffen het beton binnendringen, bijvoorbeeld water, kooldioxide, zuurstof en zouten. De snelheid waarmee ze binnendringen, heeft vaak direct invloed op de ontwikkeling van de schade en de levensduur van het beton. Zo is de indringsnelheid van gassen in beton sterk afhankelijk van de mate waarin het beton is verzadigd met water. Gassen bewegen zich namelijk tenminste 10.000 maal sneller door lucht dan door water. Beton wordt in het algemeen naar binnen toe vochtiger doordat het aan het oppervlak droogt. Daardoor neemt de indringing van gassen geleidelijk af. De eigenschappen van het beton en het milieu eromheen bepalen samen hoe groot het risico op schade is, en hoe snel deze zich ontwikkelt.

Soorten schade

Schade kan ontstaan door roestende wapening, chemische aantasting van de cementsteen, fysische en mechanische aantasting van het beton, en calamiteiten. Calamiteiten blijven in dit artikel buiten beschouwing.

Roestende wapening

Het belangrijkste schademechanisme voor gewapend beton is betonrot. In gezond beton roest staal niet doordat beton basisch is, met een pH-waarde hoger dan 12. In dit milieu is staal gepassiveerd, waardoor het wordt beschermd tegen doorgaande roestvorming door een stabiel oxidelaagje. Deze gunstige omgeving voor staal kan veranderen door carbonatatie van het beton en door een te hoge concentratie chloride in het beton. Beide kunnen het wapeningsstaal aantasten.

Carbonatatieschade

Proces

Carbonatatie is een natuurlijk proces en treedt bijna altijd in meer of mindere mate op. De snelheid hangt af van de situatie en is soms verwaarloosbaar klein, bijvoorbeeld onder water. Het proces begint aan het betonoppervlak en dringt geleidelijk het beton in. Tijdens dit proces reageert kooldioxide met hydroxiden in de poriën van de cementsteen. De hydroxiden worden omgezet in carbonaten, waardoor de pH-waarde afneemt en de cementsteen verzuurt. Het carbonatatiefront komt geleidelijk dieper in het beton te liggen. De wapening kan gaan roesten wanneer het beton om de wapening is gecarbonateerd. Bij pH-waarden lager dan 10 wordt staal gevoelig voor roestvorming, doordat het beschermende oxidelaagje afbreekt. Daarnaast bepalen de hoeveelheid vocht en de toegankelijkheid van het staal voor zuurstof of het staal ook roest. Als beton kan carbonateren, is er meestal ook voldoende zuurstof om staal te laten roesten. De betonschade ontstaat doordat de corrosieproducten veel groter zijn dan het wapeningsstaal. De inwendige drukopbouw maakt de trekspanningen in het beton te hoog waardoor scheuren ontstaan.

Risico

De dekking en kwaliteit van het beton bepalen het risico op carbonatatieschade. Hoe groter de dekking en hoe lager de permeabiliteit van het beton, des te langer het duurt voordat het carbonatatiefront de wapening bereikt. Hierbij zijn de klimatologische omstandigheden bepalend. Ook het type cement beïnvloedt het risico op schade. Zo heeft hoogovencement een lager kalkgehalte dan portlandcement en carbonateert daarom sneller. Beton dat afwisselend nat en droog is, loopt het grootste risico op carbonatatieschade. Bij beton dat volledig is verzadigd met water en beton dat altijd droog is, is er een klein risico dat roestende wapening tot problemen leidt. Bij beton dat altijd droog is en in een verwarmd binnenklimaat staat, kan de wapening niet roesten omdat er geen vocht is. Bij beton dat onder water staat, kan geen lucht komen. In die omstandigheden kan het beton niet carbonateren.

Herkennen

Carbonatatieschade herken je aan scheuren in het betonoppervlak in combinatie met afgedrukte schollen beton. Hierbij komt de roestende wapening bloot te liggen. Er kunnen lichtbruine roestvlekken zitten, maar in het algemeen vloeien de corrosieproducten weinig uit. Meestal heeft de vermindering van de wapeningsdoorsnede nog geen invloed op de stabiliteit van de constructie wanneer schade te zien is. Op dat moment is de aantasting van het betonoppervlak een ernstiger probleem dan de aantasting van de wapening. Al is het wel belangrijk om in te grijpen. Doe je dat niet, dan roest de wapening versneld verder en kunnen er ook constructieve problemen ontstaan.

Schade door chloride

Proces

Schade door chloride ontstaat doordat de wapening roest door te hoge concentraties chloriden in het beton. Chloride breekt de passiveringslaag op de wapening van het omliggende beton af. Dat kan zeer plaatselijk zijn. Hierdoor ontstaat zogenaamde putcorrosie. Chloride kan in het beton dringen. Vaak is de chloride afkomstig van dooizouten, zeelucht of zeewater. Maar het kan er ook in voorkomen door verontreinigingen in de toeslagstoffen en toevoegingen in de vorm van calciumchloride om de verharding te versnellen. Dat is met name het geval bij bouw uit de tweede helft van de twintigste eeuw. Tegenwoordig is die toevoeging van chloriden niet meer toegestaan. Putcorrosie is zeer verraderlijk en constructief gezien gevaarlijk, omdat het staal plaatselijk diep wordt aangevreten, waardoor de trekcapaciteit afneemt. Corrosieproducten spoelen vaak lokaal uit doordat de hoeveelheid van deze producten gering is en de chloride mobiliteit veroorzaakt. De inwendige drukopbouw en daaruit voortvloeiende schade treedt niet of veel minder op.

Herkennen

Chlorideschade is herkenbaar aan donkerbruine roestvlekken op het oppervlak van het beton. Schade aan het beton in de vorm van scheuren en afgedrukte schollen treedt niet of veel minder op. In een verder gevorderd stadium raakt ook het beton beschadigd en kunnen roestputten in de wapening zichtbaar zijn. De schade aan de wapening vormt vaak, zeker in het beginstadium, een groter probleem dan de schade aan het beton. Voor nieuw te storten beton schrijven de Voorschriften betontechnologie uit 1995 en NEN 8005 voor dat het chloridengehalte in gewapend beton maximaal 0,4 massaprocent van de hoeveelheid cement mag zijn. Deze waarde bevat een aanzienlijke veiligheidsmarge. Hogere waarden tot 0,8 massaprocent geven niet direct schade in bestaand kwalitatief goed en niet-gecarbonateerd beton met voldoende dekking. Het kritische chloridengehalte in beton is afhankelijk van de pH-waarde; hoe lager de pH-waarde, des te lager het kritische chloridengehalte.

Combinatie van carbonatatie en chloride

Chloride die in beton aanwezig is, is voor een belangrijk deel gebonden aan de cementsteen. Bij carbonatatie van het beton komt gebonden chloride vrij, zodat de concentratie aan vrije chloride toeneemt. Dit zorgt voor aantasting van de wapening. De combinatie van carbonatatie en chloride is gevaarlijk, omdat chloridengehalten die in eerste instantie geen corrosie tot gevolg hebben in tweede instantie door carbonatatie wel tot aantasting van het beton kunnen leiden.

Chemische aantasting

Proces

Chemische reacties tussen stoffen die aanwezig zijn in de cementsteen en de toeslagstoffen kunnen ook schade aan beton veroorzaken. Een hoge vochtigheid is daarbij een extra voorwaarde. De schade kenmerkt zich door de vorming van reactieproducten die poriewater absorberen en daardoor zwellen en druk uitoefenen in het beton. De aantasting leidt onder andere tot uitzetting, scheurvorming en uitspoeling van reactieproducten. De twee belangrijkste vormen van chemische aantasting zijn ettringietvorming en alkali-silicareactie.

Herkennen

Ettringietschade is herkenbaar aan microscheuren in de cementsteen en aan het verlies van samenhang. De cementsteen krijgt een wittig uiterlijk en verpulvert, waarbij er grindkorrels los komen te liggen. Ook kunnen grotere scheuren ontstaan, die het beton een gelaagd uiterlijk geven. Vanuit de scheuren ontstaan vaak kalkafzettingen aan het oppervlak. De aantasting ontstaat door reacties van sulfaat met in de cementsteen aanwezige stoffen zoals aluminaat en calcium, waardoor naaldvormige ettringietkristallen ontstaan. Sulfaten kunnen in de toeslagstoffen aanwezig zijn of van buitenaf indringen.

Alkali-silicareactie

Ook bij aantasting door alkali-silicareactie, vaak ASR genoemd, treedt er verlies van samenhang op. De aantasting begint aan het grensvlak van bepaalde toeslagkorrels, waardoor er gescheurde korrels zichtbaar worden. Door de expansie van het beton ontstaat een karakteristiek scheurpatroon, een craquelé, van min of meer evenwijdig lopende scheuren. Deze scheuren zijn onderling verbonden via dwarsscheuren. Vanuit de scheuren vindt vaak uitscheiding van witachtige gel plaats. Bij een alkali-silicareactie reageert reactief toeslagmateriaal met in de poriën van het beton aanwezige alkaliën tot een alkali-silicagel, die zwelt door wateropname. Dit toeslagmateriaal bestaat uit niet of slecht kristallijn silica.

Reactief toeslagmateriaal

Reactief toeslagmateriaal kan echter alleen leiden tot destructieve expansie onder de specifieke omstandigheden van een hoge alkaliteit, de aanwezigheid van portlandcement en een kritische hoeveelheid reactief toeslagmateriaal. Een alkali-silicareactie hoeft overigens niet altijd catastrofale gevolgen te hebben. Soms vindt de gelvorming sterk verspreid plaats en reageert de gel met aanwezig calcium verder tot calciumsilicaathydraten, waardoor de cementsteen verdicht en de reacties worden vertraagd.

Fysische en mechanische aantasting van het beton

Proces

Scheuren in beton kunnen verschillende oorzaken hebben en zijn daarom vaak niet eenvoudig te verklaren. Zoals in veel materialen kunnen er scheuren ontstaan door thermische werking als er vervormingen worden verhinderd, bijvoorbeeld door het ontbreken van dilataties. Zeker bij oudere betonconstructies is de kans hierop relatief groot, omdat ze vaak een monoliet geheel vormen. Problemen worden versterkt door grote dikteverschillen en een combinatie van oud en nieuw beton. De thermische uitzetting van beton is circa 0,01 millimeter per meter per graad Celsius.

Uitdrogingskrimp

Scheuren kunnen ook ontstaan door uitdrogingskrimp kort na de bouw, en zogenoemde kruip. Bij zeer zware betonconstructies kunnen in de eerste weken na de bouw scheuren zijn ontstaan door te snelle verharding en oververhitting. Bijvoorbeeld bij forten en bunkers. Bij de verharding van beton ontstaat namelijk warmte en als die niet voldoende kan worden afgevoerd door het materiaal worden de thermische spanningen te hoog en ontstaan er scheuren. Ook (mechanische) overbelasting kan een oorzaak zijn, evenals ongelijkmatige zettingen en de combinatie met andere materialen. Zoals stalen delen, bevestigingsmiddelen en metselwerk. De thermische uitzettingscoëfficiënt van beton is ongeveer twee keer zo groot als die van metselwerk.

Herkennen

Afgesprongen betonschilfers en scheuren kunnen wijzen op vorstschade en dooizoutschade. Vorst kan tot aantasting leiden wanneer beton tijdens vorstperioden volledig of bijna volledig is verzadigd met water. Water zet bij bevriezing met ongeveer 9% uit. Schade ontstaat wanneer in de poriën onvoldoende lucht aanwezig is om de expansie van het bevriezende water op te vangen. Een goede kwaliteit beton is bestand tegen vorst.

Ouder beton

Beton dat dateert uit het begin van de twintigste eeuw varieert sterk in kwaliteit. Met name wanneer een hoge water-cementfactor heeft geleid tot een hoge porositeit, kan de vorstbestendigheid onvoldoende zijn. De aanwezigheid van dooizouten versterkt enorm de gevoeligheid voor vorstschade. Het schadebeeld dat dan ontstaat, is anders dan bij zuivere vorstschade. Vorst-dooizoutschade treedt met name op in horizontale vlakken en leidt tot afschilfering en verbrijzeling van het oppervlak.

Meer informatie[bewerken]

Zie ook deze artikelen


Hoort bij deze thema's


Specialist(en)


Contact

Deze pagina is voor het laatst bewerkt op 22 feb 2021 om 10:10.