Kathodische bescherming (KB) van beton
Gewapend beton is een heel stevig bouwmateriaal met grote flexibiliteit dat met name de laatste decennia veel is toegepast in Nederland. Gezond beton is duurzaam, het kan jarenlang met relatief weinig onderhoud blijven staan. Beton heeft een hoge druksterkte en een lage treksterkte. IJzer heeft juist een hoge treksterkte echter het oxideert indien onbeschermd. De combinatie van deze twee bouwmaterialen biedt een hele mooie synergetische werking: het ijzer vangt de treksterkte op en de hoge alkaliteit van het beton vormt een beschermende laag om het wapeningsstaal waardoor het niet roest. Externe invloeden kunnen het beton echter dusdanig beïnvloeden dat door indringing van zouten in beton de synergie tussen beton en wapeningsstaal wordt verstoord en betonrot kan ontstaan.
Kathodische bescherming wordt al sinds 1980 commercieel ingezet in betonconstructies, sinds 1986 ook in Nederland. Kathodische bescherming kan preventief worden ingezet op locaties waar sprake is van bekend agressief milieu, dit wordt ook wel kathodische preventie genoemd. Als onderdeel van betonreparatie is kathodische bescherming vaak van essentieel belang om te zorgen dat de kwaliteit van de reparatie geborgd blijft.
Waarom kathodische bescherming van beton?
Externe invloeden zoals bijvoorbeeld strooizout en zilte zeewind dringen in, in het beton en verbreken de synergie tussen het beton en het wapeningsstaal. Als er sprake is van chlorideindringing of carbonatatie van het beton spreekt men op de betreffende locaties van gedegradeerd beton. Gededrageerd beton is verzuurd en heeft daardoor niet meer de alkaliteit die nodig is voor de passiveringslaag om het wapeningsstaal die het staal beschermt tegen corrosie. Met als gevolg dat het wapeningsstaal gaat roesten, in de volksmond betonrot genoemd, corrosie van de wapening is het meest voorkomende probleem van beton. De corrosieproducten van het staan zijn in omgang aanzienlijk groter dan het oorsponkelijke staal, hierdoor ontstaat een interne druk in het beton die er voor scheurvorming kan zorgen en uiteindelijk het afdrukken van delen van het beton. Daarnaast zijn de corrosieproducten niet in staat de treksterkte van het oorspronkelijke staal op de vangen en verlies ook hier de constructie zijn stevigheid. Door carbonatatie van het beton of een teveel aan chloride in het beton is handmatige reparatie: het verwijderen van het 'gedegradeerde' beton tot achter de wapening en aan brengen van nieuwe reparatiemortel, een onvoldoende oplossing voor langdurige reparatie. Hetzelfde probleem zal binnen relatief korte termijn opnieuw optreden, vaak vlak naast de reparatieplek.
Kathodische bescherming van beton grijpt in op het elektrochemische corrosieproces van het wapeningsstaal en is gericht op stoppen van de corrosie van het wapeningsstaal. Kathodische bescherming is een potentiële beschermtechniek, welke met name kan worden toegepast bij chloride geïnitieerde wapeningscorrosie en door carbonatatie geïnitieerde corrosie in een vroeg stadium. Kathodische bescherming van wapeningsstaal in beton heeft een aantal zeer belangrijke voordelen. Zo behoeft de gecarbonateerde betonschil c.q. het verontreinigde beton niet volledig verwijderd te worden, aangezien de wapening op een andere wijze beschermd zal gaan worden. Slechts de reeds loszittende betondekking dient vooraf verwijderd en hersteld te worden. Corrosieproducten op het staaloppervlak kunnen na het aanbrengen van de genoemde bescherming in principe weinig kwaad (zolang deze geen schade tot gevolg hebben gehad) en worden derhalve niet verwijderd. Dit geldt ook voor eventueel op het staal aanwezige pitten. Een en ander gaat alleen op indien in alle gevallen nog steeds aan de constructieve veiligheid van de constructie wordt voldaan. Met andere woorden de toelaatbare afname van de staaldiameter is beperkt. Al met al wordt de overlast ten gevolge van het betonherstel beperkt en wordt een geavanceerd systeem aangebracht dat in staat is reeds gestarte corrosie te stoppen.
Wat is kathodische bescherming van beton?
Corrosie is een elektrochemische reactie, wat betekent dat chemische reacties gepaard gaan met het lopen van stroom. Geladen deeltjes bewegen ten gevolge van deze reacties. Omgekeerd is het kan men door een stroom te laten lopen de chemische reacties beïnvloeden. Dit is precies wat we bij kathodische bescherming willen bereiken: het beïnvloeden van het chemische proces: corrosie van staal. Bij KB van beton wordt een extern systeem aangesloten en verbonden met het wapeningsstaal om corrosie van het wapeningsstaal te verminderen danwel te stoppen.
Uit welke onderdelen bestaat het KB-systeem?
Een KB-systeem bestaat, los van de bekabeling, uit een minimaal aantal te onderscheiden onderdelen:
En indien van toepassing ook referentie-elektroden.
De verschillende onderdelen van het KB-systeem zullen hier onder stuk voor stuk behandeld worden.
Elektrolyt in een KB-systeem
Het elektrolyt verzorgt het ionentransport en maakt het mogelijk dit deel van de stroomkring te sluiten. In het geval van KB van beton is het elektrolyt altijd het beton. Beton heeft een relatief hoge weerstand, maar is in normale omstandigheden prima in staat het ionentransport te faciliteren. De weerstand van beton wordt in enige mate beïnvloed door de vochtigheidsgraad van het beton, waarbij droog beton een hogere weerstand heeft. Coating op het betonoppervlak heeft vrijwel altijd een isolerende werking, daarom moet in het geval dat het anodemateriaal op het betonoppervlak wordt aangebracht de coating eerst worden verwijderd, anders benadeelt dit de werking van het KB-systeem. Belangrijk bij betonreparatie met kathodische bescherming is het gebruik van een juiste reparatiemortel. In reparatiemortel wordt vaak een kunststofcomponent toegevoegd, er kan niet te veel kunststof in de reparatiemortel aanwezig zijn aangezien de kunststofvezels niet geleidend zijn.
Anodesysteem in een KB-systeem in beton
Het anodesysteem heeft als functie de beschermstroom gelijkmatig verdeeld naar het wapeningsstaal te leiden. Aan het anodesysteem dienen de volgende eisen gesteld te worden:
- Het moet belastingen (verkeer, invloeden vanuit de omgeving e.d.) kunnen weerstaan;
- De levensduur dient groter te zijn dan die van de deklaag;
- Het moet een voldoende groot elektrisch geleidend oppervlak bezitten om vroegtijdig falen van het aangrenzende beton door zure, anodische aantasting te voorkomen; en
- Het moet economisch aantrekkelijk zijn in relatie tot de beoogde levensduur
Anodesystemen zijn op verschillende manieren categoriseren allereerst bijvoorbeeld de werking op basis van een interne of externe stroombron.
Galvanische anodesystemen (GCP) zijn gebaseerd op anodes van metalen die meer minder edel zijn dan staal. Deze anodes offeren zich op voor het staal en functioneren zelf als een soort batterij; een interne stroombron.
Anodesystemen op basis van opgedrukte stroom (ICCP) zijn gebaseerd op anodes van metalen die juist heel edel zijn. Deze worden met kabels aangesloten op een externe stroombron.
Een andere manier van categoriseren is de uitvoering/mate van oppervlaktedekking van het anodesysteem:
- Discreet / lokaal anodesysteem, waarbij afzonderlijke plaatsen met anodische werking zijn verdeeld over het betonoppervlak.
- Semi-continu anodesysteem, waarbij het gehele betonoppervlak wordt bedekt met een gaasvormige anode.
- Continu / dekkend anodesysteem, waarbij een laag met anodische eigenschappen het gehele betonoppervlak bedekt.
Van de drie groepen worden onderstaand voor iedere groep een voorbeeld gegeven.
Strip- of pinvormige anodes: Strips of pinnen van geactiveerd titanium of keramisch titaniumoxide worden in of op het beton aangebracht. De lengte en breedte van de strips of de lengte en dikte van de pinnen worden afgestemd op de wapeningsgeometrie en de beoogde beschermstroomdichtheid. De plaatsing van de elementen en het totale aantal hiervan worden doorgaans bepaald door de wapeningsgeometrie in relatie tot bijvoorbeeld het chlorideprofiel.
Anode van titaniumgaas: Het gaas bestaat uit titaan (sterk en flexibel), waarbij de anode-eigenschappen worden bepaald door een op het titaan aangebrachte coating van metaaloxiden (zogenaamde activeringslaag). De anode/beton verhouding is relatief klein (1:4 tot 1:10) zodat de zuurproductie ter plaatse van het anode/beton grensvlak relatief groot zou kunnen zijn. Omdat het gaas echter op zeer veel plaatsen omhuld is door de mortellaag, mag er worden verwacht dat hierdoor geen hechtingsproblemen zullen ontstaan. Bij een Anodesysteem die een klein deel van het betonoppervlak bedekt, zal de stroom per eenheid van anode-beton-grensvlak groter zijn dan bij een geheel bedekkend systeem. Bij een bedekkend systeem is er echter geen “mechanische verankering”, zodat bij sterkteverlies van een dunne laag (bijvoorbeeld ten gevolge van zuurvorming aan de anode) reeds onthechting kan optreden. Een Anodesysteem van het gaastype zal echter, ondanks het plaatselijk oplossen van het beton, nog goed kunnen functioneren en blijven zitten, omdat de gaasvormige anode geheel is omhuld door niet aangetaste beton. Derhalve blikt dus ook de geometrie van de anode van belang te zijn voor de duurzaamheid van het kathodische beschermingssysteem.
Geleidende verfsystemen (conductive coating): Geplatineerde draden worden hierbij als primaire Anodesysteem op het oppervlak gezet met stukjes glasvezelmat, waarover een geleidende verf als secundaire Anodesysteem wordt aangebracht. De verf is een dichte coating, die veelal geleidend is gemaakt met grafiet als vulstof (zwart van kleur, derhalve afwerken met een cosmetische laag). Dit systeem is zeer geschikt voor verticale of overhangende vlakken, doch niet voor wegdekken. Grote voordelen van dit systeem zijn de grote oppervlakteverhouding anode/beton (1:1), de relatieve eenvoud van het systeem en het makkelijk kunnen repareren van eventuele defecten. Als nadeel kunnen de problemen rondom de hechting van coatings worden genoemd en de hierbij behorende beperkte levensduur (circa 10-15 jaar).
Kathode in een KB-systeem in beton
De kathode bij een KB-installatie is het te beschermen staal, bij kathodische bescherming van gewapend beton is de kathode altijd het wapeningsstaal in het beton. Het voordeel is dat dit reeds aanwezig is maar dat betekend niet dat er niets aan hoeft te gebeuren. Onderzoek is nodig naar de huidige status van het wapeningsstaal om te beoordelen wat de constructieve stevigheid is van de constructie. Als men in een vroegtijdig stadium onderzoek laat uitvoeren en besluit kathodische bescherming toe te passen is het wapeningsstaal op de meeste plaatsen nog in een prima staat. In gevallen van gevorderde betonschade zal extra wapeningsstaal moeten worden bijgelegd. Een ander essentieel onderdeel is onderzoek naar de wapeningscontinuïteit. Bij dit type onderzoek worden op verschillende locaties metingen verricht om te beoordelen welke delen van het wapeningsstaal dusdanig verbonden zijn dat er sprake is van elektrische continuïteit. Dit is van essentieel belang omdat alleen het wapeningsstaal dat verbonden is aan het KB-systeem wordt beschermt door het KB-systeem, dat staal wat niet verbonden is wordt dus ook niet beschermt.
Stroombron in een KB-systeem in beton
Zoals hierboven reeds besproken mbt. tot het anodesysteem kan er sprake zijn van twee verschillende soorten stroombronnen: interne stroombron of externe stroombron. Zoals besproken werkt de anode bij galvanische KB als een soort batterij, waarbij de hoeveelheid anodemateriaal de levensduur van de batterij bepaald. Hier is verder niets meer aan te regelen: het systeem staat altijd aan en hier heeft men geen omkijken meer naar.
Een stroombron voor een KB-systeem op basis van opgedrukte stroom is een ander verhaal. Een van de essentiële onderdelen van een KB-systeem op basis van opgedrukte stroom is een gelijkspanningsstroombron (DC). Het potentiaalverschil dat deze stroombron opwekt dwingt het staal aangesloten op de minpool in de kathodische positie. De hoeveelheid te beschermen wapeningsstaal bepaalt de benodigde beschermstroom. Bij het ontwerp van het KB-systeem bepaald men hoeveel vermogen men nodig heeft, vaak wordt de constructie onderverdeeld in verschillende zones. Elke zone heeft een eigen aansluiting en kan afzonderlijk worden aangestuurd. Hierbij houdt men rekening met spanningsval binnen een zone, risico op kortsluiting en het gebruikte anodesysteem. Bij de toepassing van kathodische bescherming met opgedrukte stroom op een flatgebouw kan men bijvoorbeeld variëren tussen één of enkele verdieping per zone, of omgekeerd één of enkele zones per verdieping, wellicht is het handiger te kiezen voor een onderscheid tussen de voor- en achterkant, danwel noord-/zuidzijde.
