De chemische aantasting van beton

.
NORMALISERING – REGLEMENTERING – CERTIFICERING
De chemische
aantasting van beton
Bouwwerken uit beton staan niet
zelden bloot aan agressieve omgevingsvoorwaarden. Dit geldt met name in de boerderijbouw, voor industriële installaties en riolen. Een studie,
uitgevoerd in twee Vlaamse provincies [5], heeft aangetoond dat de granulaten van het beton bij 15 % van de
varkensmesterijen reeds na twee jaar
rechtstreeks blootgesteld worden aan
de omgeving. Na een gebruiksduur
van 15 jaar stelt men dit verschijnsel
vast in 87 % van de boerderijen.
1
_
VORMEN VAN CHEMISCHE
AANTASTING
Sulfaten en zuren zijn de belangrijkste agressieve agentia. De aantasting door sulfaten
komt hier echter niet aan bod. Voor meer informatie over dit onderwerp verwijzen we
naar een artikel uit WTCB-Tijdschrift [9].
Beton kan aangetast worden door verschillende types zuren (zwavelzuur, salpeterzuur,
fosforzuur, azijnzuur, melkzuur, …). Zwavelzuur staat bekend als een van de belangrijkste
bronnen van aantasting. Ondergrondse betonconstructies kunnen bijvoorbeeld aangetast
worden door het grondwater dat deze stoffen
van nature bevat (door de oxidatie van mineralen zoals pyriet) of door de afzetting van
industrieel chemisch afval.
Ook in riolen kan men te maken krijgen met
ingewikkelde aantastingsverschijnselen : het
afvalwater bevat namelijk zwavelverbindingen
en sulfaatafbrekende bacteriën die deze
verbindingen omzetten in waterstofsulfide
(H2S). Het komt als gas uit het afvalwater vrij
en kan vervolgens door andere bacteriën
geoxideerd worden en omgevormd tot zwavelzuur (H2SO4) dat het beton aantast. Dit verschijnsel wordt aangeduid als ‘bacteriële aantasting door zuren’. Het komt voor aan de bovenzijde van riolen. De aantastingsdiepte kan
oplopen tot 6 à 12 mm per jaar.
Zure regen vormt eveneens een belangrijke
bron van aantasting voor betonconstructies (er
werden pH-waarden van 5 tot 3 opgemeten) [1].
Een ander voorbeeld van chemische aantasting
is deze van betonconstructies die blootstaan
aan landbouwproducten. Men treft azijn- en
melkzuur aan in de vloeistoffen, gevormd in
silo’s tijdens de gisting van het veevoer [8] of
Afb. 1 Proefstuk van beton (320 kg/m3
cement CEM I 42,5 R, W/C 0,5) dat
gedurende 27 dagen blootgesteld
werd aan aantastingscycli met
azijnzuur (pH 4-4,5). Rechts : identiek
proefstuk dat niet aan het zuur
blootgesteld werd (ter vergelijking).
op de grond van vee- of varkensstallen in aanwezigheid van water (speeksel). Er werden
pH-waarden van 3,8 opgemeten in de gistingsvloeistoffen van varkensvoer [4].
Chemische meststoffen en industrieel afvalwater bevatten op hun beurt vaak agressieve zouten, zoals ammonium- of magnesiumzout, die
verhard cement kunnen ontbinden. Indien
ammoniumzout reageert met calciumhydroxide, wordt ammoniak gevormd, een vluchtig
gas dat uit het beton ontsnapt. Aangezien er
geen evenwichtstoestand kan bereikt worden,
zal deze reactie steeds verdergezet worden.
2
AANTASTINGSMECHANISMEN
De aantasting van beton door zuren omvat een
aantal complexe processen die leiden tot een
vermindering van de structurele eigenschappen
(bv. de druksterkte) van het materiaal. Aangezien beton (net zoals kalksteengranulaten) een
basisch materiaal is (met een pH hoger dan
12,5), is het gevoelig voor aantasting door zuren. Deze reageren met de calciumverbindingen
uit het beton, wat leidt tot de vorming van
calciumzouten van het corroderende zuur. Als
het zuur voldoende in beweging is, zodat de zouten onophoudelijk verwijderd worden, zal de
aantasting steeds verdergezet worden.
" Vinciane Dieryck, ir., technologisch adviseur (*), projectleider, laboratorium ‘Betontechnologie’, WTCB
Jan Desmyter, ir., technologisch adviseur (*), hoofd van de afdeling Technologie en
Milieu, WTCB
TERMINOLOGIE
Een zuur is een chemische verbinding
die doorgaans gedefinieerd wordt door
de reacties ervan met complementaire
chemische producten : basen. Volgens
de chemici Joannes Bronsted en
Thomas Lowry is een zuur een
chemische verbinding die de neiging
heeft een proton af te geven aan een
complementaire eenheid, een base.
De reacties tussen een zuur en een
base worden aangeduid als ‘zuurbasereacties’.
De pH is een logaritmische aanduiding van de effectieve concentratie
aan waterstofionen (pH = potential
Hydrogen). De pH karakteriseert de
zuurtegraad of basiciteit van een
product of een milieu. Hoe lager de
pH, hoe sterker de zuurtegraad. Een
oplossing of een product wordt beschouwd als zuur indien de pH lager
is dan 7, als basisch of alkalisch
indien de pH hoger is dan 7 en als
neutraal als de pH gelijk is aan 7. Als
de pH-waarde met een eenheid vermindert, moet men de zuurtegraad
met 10 vermenigvuldigen. Een oplossing met een pH van 6 is dus 10 keer
zuurder dan water met een (neutrale)
pH van 7, terwijl een oplossing met
een pH van 5 100 keer zuurder is dan
water met een pH van 7.
Sterk zuur en zwak zuur
Sterke zuren (bv. zoutzuur (HCl),
salpeterzuur (HNO3) en zwavelzuur
(H2SO4), …) worden volledig ontbonden in water.
Een zwak zuur lost daarentegen niet
volledig op in water. Een toename van
de concentratie van een dergelijk zuur
zal bijgevolg niet automatisch leiden
tot een lagere pH. Dit geldt onder
andere voor koolzuur (H2CO 3),
azijnzuur (CH3COOH) en melkzuur
(C2H5OCOOH). Om een gegeven pHwaarde te bereiken, zal een sterkere
concentratie zwak zuur dan sterk zuur
nodig zijn. De pH is dus niet enkel
afhankelijk van de concentratie van
het zuur, maar ook van het type zuur
(zwak of sterk).
(*) Technologische Adviseerdienst ‘Uitvoering van speciale betonsoorten’, gesubsidieerd door het Vlaamse Gewest (via IWT)
en door het Waalse Gewest.
WTCB-Dossiers – Katern nr. 9 – 4e trimester 2004 – pagina 1
.
NORMALISERING – REGLEMENTERING – CERTIFICERING
De beweeglijkheid van de zure vloeistof is dus
van belang voor de graad van aantasting.
Tabel 1 Eisen met betrekking tot de betonsamenstelling voor beton dat
blootstaat aan chemische aantasting (norm NBN EN 206-1).
OMGEVINGSKLASSE
De reactie van de zuren met de calciumgebonden materialen leidt uiteindelijk tot een ontbinding van de structuur van het verharde cement.
Volgens de naslagwerken wordt de snelheid
van de aantasting beïnvloed door verschillende parameters :
• factoren verbonden met de zure oplossing :
concentratie, pH, beweeglijkheid, type zuur,
oplosbaarheid van het calciumzout van het
zuur, ...
• factoren verbonden met het beton of het cementgebonden materiaal : betonkwaliteit
(nabehandeling, verdichting, …), samenstelling (W/C-verhouding, cementhoeveelheid,
cementtype, alkaliteit van het beton, …),
permeabiliteit van het beton (die zelf afhankelijk is van de afmetingen van de poriën
en de poriënverdeling), …
• andere factoren zoals de temperatuur, de
aantastingsvoorwaarden (het aantastingsmechanisme zal strenger zijn indien het
beton blootstaat aan onderdompelings- en
drogingscycli), …
3
HUIDIGE PROEVEN TER BEPALING VAN DE ZUURBESTANDHEID
Er werden verschillende (niet-genormaliseerde) proeven ontwikkeld voor de bepaling
van de zuurbestandheid van beton. De meeste
proeven zijn bestemd voor gebruik in het laboratorium. Er bestaan echter ook methoden
voor gebruik in situ. Zo kan men bijvoorbeeld
via een meting van de ruwheid van een aangetast oppervlak een idee krijgen over de graad
van aantasting [7].
Het doel van laboratoriumproeven is de realiteit zo veel mogelijk te benaderen, wat bij versnelde proeven niet altijd evident is. Bij gebruik
van een geconcentreerd zuur lossen alle cementtypes immers op, wat het moeilijk maakt hun
relatieve kwaliteit te beoordelen. Men moet dus
altijd voorzichtig zijn wanneer men de resultaten van versnelde proeven interpreteert.
In de meeste artikels worden proeven besproken waarbij betonprisma’s blootgesteld worden aan aantastingscycli in een zure oplossing.
Door de onderdompelingscycli af te wisselen
met drogingscycli kan men de aantasting versnellen. Aan het einde van de proeven kunnen de prisma’s afgeborsteld worden om de
losgekomen stukken beton te verwijderen.
Er kunnen verschillende parameters gebruikt
worden ter bepaling en ter vergelijking van
de aantasting :
• de volumeverliezen
• de gewichtsverliezen
• de vermindering van de druksterkte
VOORSCHRIFTEN
Maximale water-/cementverhouding
Minimale sterkteklasse
Minimale cementhoeveelheid (kg/m3)
Andere voorschriften
Het buitenvolume van het beton neemt af tengevolge van de ontbinding van de verharde
cementpasta of het loskomen van de granulaten. Ook onder het betonoppervlak kan zuuraantasting optreden, voornamelijk door de
uitloging van de verbindingen onder het betonoppervlak. Aangezien de cementpasta en de
granulaten een verschillende dichtheid hebben
en de dichtheid van de cementpasta zelf plaatselijk kan variëren, is het dus nuttig zowel het
(buiten)volumeverlies als het massaverlies te
bepalen [6]. Een gemeten volumeverandering
kan immers overeenstemmen met verschillende gewichtsverliezen.
Een ander type proeven, waarbij gebruik gemaakt wordt van een draaiende corrosiemeter,
bestaat erin een betonblok te laten ronddraaien
in een oplossing. Door de automatisering van
dit procédé is de uitvoeringstermijn korter en
kan de herhaalbaarheid van de proeven verbeterd worden.
WAT SCHRIJFT DE NORM NBN
EN 206-1 VOOR INZAKE DE
KEUZE VAN HET BETON ?
De norm NBN EN 206-1 (2001) voorziet drie
omgevingsklassen – XA1, XA2 en XA3 –
voor beton dat blootstaat aan chemische aantasting. Katern nr. 4 van de WTCB-Dossiers
3/2004 [10] bevat een tabel waarmee men de
omgevingsklasse kan kiezen aan de hand van
de chemische karakteristieken van het water
en de bodem.
Naarmate de omgeving agressiever is, dient
men te streven naar een beton met zwakkere
porositeit. Daarom bevat voorvermelde norm
een aantal eisen met betrekking tot de betonsamenstelling (zie tabel 1 hierboven).
In het geval van een betonnen bouwwerk dat
behoort tot omgevingsklasse XA3, beveelt de
norm NBN B 15-001 (uitgave 2004) het gebruik van een beschermende laag aan.
WTCB-Dossiers – Katern nr. 9 – 4e trimester 2004 – pagina 2
XA2
XA3
0,55
0,50
0,45
C30/37
C30/37
C35/45
300
320
360
Sulfaatbestendig cement (HSR) indien het
sulfaatgehalte hoger is dan 500 mg/kg in het
water of hoger is dan 3000 mg/kg in de bodem.
• het calciumgehalte en de verandering van de
pH van de oplossing
• de indringdiepte van het zuur.
4
XA1
5
HET WTCB-ONDERZOEK
Indien men de aantasting door zuren precies wil
nabootsen, is het belangrijk dat de pH van de
oplossing constant blijft. Bij de uitvoering van
proeven op beton met een zure oplossing, zal
de pH na verloop van tijd echter stijgen tengevolge van de alkaliteit van het materiaal.
Dankzij WTCB-onderzoek kon een proefmethode ontwikkeld worden om de chemische
aantasting van beton te simuleren terwijl de pH
automatisch geregeld wordt. Onderdompelings- en drogingscycli laten toe de aantasting
te versnellen. Bovendien worden de proefstukken op het einde van elke cyclus automatisch gereinigd met een borstel. De simulatie
omvat dus zowel een chemische als een mechanische belasting. De schade wordt beoordeeld aan de hand van metingen van het massaen volumeverlies, waarvan de herhaalbaarheid
goed blijkt te zijn.
Zoals verwacht, tonen de onderzoeksresultaten aan dat het type proefstuk de aantasting
beïnvloedt als gevolg van de verhouding oppervlakte/volume : op cilinders met een diameter van 113 mm en een hoogte van 100 mm
is de aantasting belangrijker dan op prisma’s
van 100 x 100 x 350 mm3.
De proeven werden uitgevoerd met drie types
zuren met een verschillende pH. Het beton
varieerde op het vlak van W/C-verhouding,
cementhoeveelheid en cementtype. In totaal
werden meer dan 80 combinatiemogelijkheden
beproefd op hun bestandheid tegen zuuraantasting door middel van de hierboven beschreven versnelde methode (combinatie van
chemische en mechanische belasting). Het
onderzoek laat vermoeden dat de voorschriften uit de nieuwe normgeving nog voor verbetering vatbaar zijn.
r De omgevingsklassen uit de norm worden
bepaald aan de hand van de zuurtegraad (pH)
van het milieu, terwijl de aantasting van het
beton afhankelijk blijkt te zijn van de concentratie en de aard van het zuur. Bij een equivalente pH zal de aantasting door azijnzuur 5
keer groter zijn dan door melkzuur (zie gra-
.
NORMALISERING – REGLEMENTERING – CERTIFICERING
Afb. 2 Proefpost van het WTCB.
fiek uit afbeelding 3). Azijnzuur is bij eenzelfde pH meer geconcentreerd dan melkzuur.
20
r De resultaten, bekomen met een cement
van het type CEM I 42,5 R, geven aan dat de
verhoging van de cementhoeveelheid de aantasting niet vertraagt (zie grafiek uit afbeelding 4). Volgens de norm NBN EN 206-1
moet men de cementhoeveelheid echter verhogen (en de W/C-verhouding verlagen), naarmate de omgevingsklasse ten opzichte van
agressieve oplossingen strenger is. Hierbij
moet opgemerkt worden dat de proeven uitgevoerd werden op beton met een redelijk
hoge sterkte (gaande van 50 tot 61 N/mm2).
De vraag stelt zich dan ook of de resultaten in
de andere sterkteklassen bevestigd zullen worden.
16
r Met porfiergranulaten treden de massaverliezen 4 tot 20 keer trager op dan met
kalksteengranulaten, terwijl de norm hieromtrent geen gegevens bevat. Bij dergelijke betontypes is het massaverlies niet de enige para-
¡ Ammoniumzout
Massaverlies [%]
s Melkzuur
14
n
Zwavelzuur
12
10
8
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
Dagen
60
70
80
90
100
Afb. 3 Massaverlies bij constante pH (5,5 tot 6) bij een beton
(320 kg/m3 cement CEM I 42,5 R, W/C 0,5), aangetast door verschillende types zuren met een pH van 5,5 tot 6,5.
1,2
pH 4-4,5
Volumeverlies
Massa- en volumeverlies [%/dag]
r Ook het cementtype blijkt relevant te zijn.
Bij de aantasting met azijnzuur (pH van 5,5
tot 6,5) waren de massaverliezen het kleinst
met de samengestelde cementtypes CEM II/AM 32,5 R en CEM II/B-M 32,5, evenals met
hoogovencement HSR LA (*) met minstens
65 % slakken (CEM III/B 42,5 HSR LA,
CEM III/C 32,5 HSR LA). De verliezen waren het grootst met de cementtypes CEM I
52,5 R HSR LA en CEM I 52,5 R. Bij lagere
pH-waarden (tussen 4 en 4,5) vertoont hoogovencement HSR LA met minder dan 65 %
slakken minder massaverliezen dan de andere
cementsoorten.
³ Azijnzuur
18
1,0
Massaverlies
0,8
0,6
0,4
pH 5,5-6,5
0,2
0
(*) Cement HSR LA (High sulfate resisting –
Low alkali) : cement dat zeer goed bestand
is tegen sulfaten en met een laag alkaligehalte.
300 kg/m3 320 kg/m3 360 kg/m3 360 kg/m3 300 kg/m3 320 kg/m3 360 kg/m3
W/C 0,55 W/C 0,50 W/C 0,45 W/C 0,55 W/C 0,55 W/C 0,50 W/C 0,45
Afb. 4 Massa- en volumeverlies (per dag) bij beton met cement CEM I
42,5 R, afhankelijk van de pH-waarde.
WTCB-Dossiers – Katern nr. 9 – 4e trimester 2004 – pagina 3
.
NORMALISERING – REGLEMENTERING – CERTIFICERING
r Er blijkt tevens nauwelijks een verband te
zijn tussen de druksterkte na 28 dagen en het
massaverlies tengevolge van de zuuraantasting
(zie afbeelding 5). Men merkt dat er een zwakke correlatie bestaat tussen verschillende betontypes met kalksteengranulaten die blootstaan
aan een aantasting met azijnzuur (pH van 5,5
tot 6,5). Er bestaat ook een correlatie tussen de
aantasting en de druksterkte, indien de schommelingen van de druksterkte te wijten zijn aan
schommelingen van de W/C-verhouding van
het beton. Deze correlatie verdwijnt echter wanneer het granulaat-, het cement-, het zuur- of het
aantastingstype of de pH gewijzigd wordt. De
druksterkte na 28 dagen kan dus niet gebruikt
worden om het gedrag van het beton te voorspellen in geval van zuuraantasting.
r De buigsterkte wordt sterker beïnvloed
door zuuraantasting dan de druksterkte. Dit
verschil kan toegeschreven worden aan het feit
dat de druksterkte bepaald wordt met proeven
waarbij de massa van het beton wordt belast,
terwijl bij een buigproef de grootste trekspanningen gegenereerd worden aan het ondervlak
van het proefstuk, in de zone die het verst
verwijderd is van de neutrale lijn. Als net deze
zone door een zuur aangetast wordt, is de kans
op het ontstaan van buigtrekscheuren vanuit
een statistisch oogpunt hoger. De spreiding van
de buigsterktewaarden is echter erg groot. We
willen er eveneens op wijzen dat er geen correlatie bestaat tussen de buigsterkte en de
massa- of volumeverliezen van het beton.
Verder onderzoek is alvast noodzakelijk. Zo
kan bijvoorbeeld nagegaan worden of de vaststellingen in het laboratorium ook voor andere
sterkteklassen gelden. Daarnaast is het ook
belangrijk te onderzoeken in hoeverre de
laboratoriumproeven relevant zijn voor de
praktijk. De simulatie in het laboratorium is in
vele gevallen immers te agressief. n
30
Azijnzuur
25
pH 4-4,5
Andere zuren
20
Massaverlies [%]
meter die in rekening gebracht moet worden
om de graad van aantasting in te schatten. Voor
eenzelfde massaverlies blijken de carbonatatiediepte en de vermindering van de druksterkte als gevolg van de aantasting groter te
zijn bij beton met porfiergranulaten. Dit verschil is te wijten aan de grotere chemische bestandheid van de porfiergranulaten. De schade
aan de porfiergranulaten blijft redelijk beperkt;
het is vooral de cementmatrix die aangetast
wordt. Door het feit dat de porfiergranulaten
bloot komen te liggen na de aantasting van de
mortel, kunnen ze soms aanleiding geven tot
problemen (bv. kwetsen van dieren bij beton
dat gebruikt wordt in de landbouwsector).
15
CEM III/B 32,5 LA
10
5
Porfier
0
0
10
20
30
40
50
60
Druksterkte na 28 dagen [N/mm2]
70
80
-5
Afb. 5 Massaverlies aan het einde van de aantastingscycli, afhankelijk
van de druksterkte na 28 dagen.
t
LITERATUURLIJST
1. Allahverdi A. en Skvara F.
Acidic corrosion of hydrated cement based materials. Part 1. Mechanism of the
phenomenon. Praag, Institute of Chemical Technology – Academy of Sciences of the
Czech Republic, Ceramics-Silikaty, nr. 44 (3), p. 114-120, 2000.
2. Belgisch Instituut voor Normalisatie
NBN EN 206-1 Beton. Deel 1 : Eisen, gedraging, vervaardiging en overeenkomstigheid. Brussel, BIN, 2001.
3. Belgisch Instituut voor Normalisatie
NBN B 15-001 Aanvulling op NBN EN 206-1. Beton. Eisen, gedraging, vervaardiging
en overeenkomstigheid. Brussel, BIN, 2004.
4. De Belie N.
Betondegradatie in veestallen onder invloed van voederzuren. Simulatieproeven.
’s-Hertogenbosch, Vereniging Nederlandse Cementindustrie, Cement, vol. 47, nr. 4,
p. 52-59, 1995.
5. De Belie N., De Blaere B., Debruyckere M. en Van Nieuwenburg D.
Concrete attack by feed acids : accelerated tests to compare different concrete
compositions and technologies. Detroit, American Concrete Institute, ACI Materials
Journal, vol. 94, nr. 6, p. 547-554, december 1997.
6. De Belie N., De Coster V. en Van Nieuwenburg D.
Use of fly ash or silica fume to increase the resistance of concrete to feed acids.
Londen, Thomas Telford, Magazine of Concrete Research, vol. 49, nr. 181,
p. 337-344, december 1997.
7. De Belie N. en Sonck B.
Meten van aantasting en oppervlakteruwheid van betonroosters. ’s-Hertogenbosch,
Vereniging Nederlandse Cementindustrie, Cement, vol. 50, nr. 6, p. 54-58, juni 1998.
8. ...
Duurzaamheid van beton in agrarische milieus. ’s-Hertogenbosch, Vereniging
Nederlandse Cementindustrie, Betoniek, vol. 10, nr. 5, mei 1995.
9. Elsen J., Jacobs J. en Vyncke J.
Betonschade door sulfaten : probleem uit het verleden of gevaar voor de toekomst ?
Brussel, WTCB-Tijdschrift, herfst 1996.
10. Pollet V., Apers J. en Desmyter J.
Nieuwe normen voor beton. Deel 1 : nieuwe versie van de norm NBN B 15-001.
Brussel, WTCB-Dossiers, Katern nr. 4, 3/2004.
WTCB-Dossiers – Katern nr. 9 – 4e trimester 2004 – pagina 4