Band Uitgave STANDAARD voor technologie en uitvoering van beton mei 2018 24 16 Carbonatatie onder de loep Een gedetailleerde beschrijving van het fenomeen carbonatatie 2 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 Carbonatatie onder de loep In gewapend beton werken beton en staal uitstekend samen: het staal levert de benodigde treksterkte en het beton levert de druksterkte en het beschermt het staal tegen corrosie. Door de reactie tussen beton en CO 2 uit de lucht, een proces dat carbonatatie wordt genoemd, kan de beschermende werking van beton echter verloren gaan en de wapening gaan roesten. Gezien het belang van carbonatatie voor de levensduur van beton gaan we in deze Betoniek uitgebreid in op dit fenomeen. Eerst duiken we de chemie in en bespreken uitvoerig het carbonatatieproces zelf. Daarna wordt ingegaan op de invloed van betonkwaliteit en omgevingscondities op de snelheid waarmee carbonatatie plaatsvindt. De zuurgraad, ofwel de pH, is voor beton een belangrijk gegeven. Bij een lage pH heeft het wapeningsstaal eerder de neiging te gaan roesten (corroderen) dan bij een hoge pH (ba - sisch / alkalisch milieu) (zie kader 'Carbonatatie en wapeningscorrosie'). De pH wordt door verschillende factoren beïnvloed. Een belang - rijke invloedsfactor is het fenomeen carbona - tatie, de reactie tussen CO 2 uit de lucht en bepaalde bestanddelen in het beton. Bij deze reactie daalt de pH en neemt dus de kans toe dat de wapening gaat roesten. Dat is de reden dat beton moet worden beschermd tegen overmatige carbonatatie. De mate waarin het beton moet worden beschermd, is afhankelijk van het milieu waarin het beton zich bevindt en wordt uitgedrukt in een milieuklasse XC. Aan de hand daarvan worden eisen gesteld aan de betonsamenstelling en de betondek - king. Overigens is er ook een positief effect aan carbonatatie. Dankzij dit proces wordt er name lijk CO 2 uit de lucht opgenomen (zie Betoniek Vakblad 2017/3 'Balans tussen emis - sie en opname CO 2'). Carbonatatieproces Bij de chemische reactie van carbonatatie is calcium betrokken. Dit calcium wordt onttrokken uit twee belangrijke producten in de cementsteen, namelijk calciumhy - droxide (portlandiet, Ca(OH) 2) en CSH-gel (de belangrijkste component van de cementsteen). ? Voorpagina Wapeningscorrosie 3 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 Carbonatatie van calciumhydroxide De belangrijkste vorm van carbonatatie is de reactie van CO 2 uit de lucht met in het poriewater opgeloste calciumhydroxide (Ca(OH) 2) tot calciumcarbonaat ofwel kalk (CaCO 3). Carbonatatie begint aan het betonoppervlak en dringt langzaam het beton in. Door de reactie daalt de pH van het poriewater (zie kader 'pH poriewater in cementsteen'), wat met een indicator een- voudig zichtbaar is te maken (fig.2 ). De zone met een relatief lage pH (lager dan 8) wordt aangeduid als gecarbonateerd beton; de zone met een hoge pH (hoger dan 10) wordt aangeduid als niet-gecarbonateerd beton. De carbonatatiesnelheid, het tempo waarin de grens tussen gecarbonateerd en niet-gecarbonateerd beton dieper in het beton komt te liggen, is afhankelijk van zowel de betonkwaliteit als van de omge- 1 Na het verwijde- ren van het beton wordt duidelijk zichtbaar dat de wapening aan de onderzijde van het balkon is gecorrodeerd als gevolg van carbo- natatie. De wape- ning aan de bovenzijde is nog in goede staat. Doordat de bovenzijde door neerslag frequent nat wordt ver- loopt de carbona- tatie aan de bovenzijde aan- zienlijk langzamer dan aan de onderzijde, bron: WSP Canada Inc. 100 m m ~ 20 mm ca rbona ta tie fr o n t 2 Bepaling carbonatatie- diepte met de indicator fenolftaleïne. De fenolftaleïneoplossing wordt op een vers breukvlak gesprayd, waarbij het niet-gecar- bonateerde beton paars verkleurt en gecarbona- teerd beton kleurloos blijft. Fenolftaleïne is bij een pH van 8,2 of lager kleurloos en bij een pH van 10,0 of hoger paars 4 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 vingscondities. Op de invloed van de beton - kwaliteit en omgevingscondities zullen we verderop uitgebreid ingaan, maar eerst be - handelen we het reactieproces zelf. Chemische reactie De reactie van CO 2 (koolstofdioxide) met calciumhydroxide bestaat uit een aantal stappen. In de eerste stap lost CO 2 uit de lucht op in het poriewater. Een klein deel van de CO 2 reageert met water tot HCO 3 - en H + en vormt daarmee koolzuur (H 2CO 3, zie kader 'Koolzuur'). Bij de hoge pH van het porie- water splitst de ontstane HCO 3 - zich vervol- gens in H + en CO 3 2-. In het poriewater is ook calciumhydroxide opgelost, waardoor calci- umionen (Ca 2+) en OH --ionen aanwezig zijn. Het ontstane carbonaation CO 3 2- reageert daardoor met een calciumion Ca 2+ tot calci- umcarbonaatkristallen ofwel kalk (CaCO 3). De nettoreactie is als volgt: CO 2 + Ca 2+ + 2OH - ? CaCO 3 + H 2O De calciumhydroxide die is vrijgekomen bij de hydratatie van cement wordt door carbonatatie dus omgezet in het slecht oplosbare calciumcarbonaat. Zolang er nog calciumhydroxide in vaste vorm aanwezig is, zal er steeds opnieuw calciumhydroxide oplossen in het poriewater dat vervolgens door deze reactie neerslaat als calciumcar - bonaat. Uit de reactievergelijking volgt dat zodra er geen calciumhydroxide meer in vaste vorm (lokaal) aanwezig is om in oplossing te gaan, de reactie met CO 2 leidt tot een daling van de concentratie OH --ionen in het poriewater. Hierdoor heeft carbona - tatie een daling van de pH van het poriewater tot gevolg. Rol van water De reactie kan alleen in water plaatsvinden. CO 2 is echter slecht oplosbaar in water en dringt daardoor niet diep in met water gevulde poriën. De omzetting van calcium- hydroxide in calciumcarbonaat vindt daar- door vooral plaats rond het grensvlak van water en lucht en dus rond het uitdrogings- pH poriewater in cementsteen Regulier cement bestaat voor minimaal 20% (hoogovencement CEM III/B) tot maximaal 95% (portlandcement CEM I) uit portlandcementklinker. De belangrijkste klinkermineralen zijn, gebruikmakend van cementchemieafkortingen, C 2S en C 3S. De C staat hierin voor CaO (calciumoxide) en de S voor SiO 2 (siliciumdioxide). Voluit geschreven gaat het dus om dicalciumsilicaat 2CaO.SiO 2 en tricalciumsilicaat 3CaO.SiO 2. Wanneer deze klinkermineralen reageren met water ontstaan twee producten: CSH-gel (de belangrijkste component van de cementsteen) en calciumhydroxide (Ca(OH) 2). De H in CSH staat hierbij voor H 2O ofwel water; de samenstelling van CSH is ongeveer 3CaO.2 SiO 2.3H 2O (de verhoudingen tussen C, S en H kunnen iets variëren). Er ontstaat bij de reactie met water meer calciumhydroxide (portlandiet) dan er kan oplossen in het poriewater. Er is dus sprake van met calciumhydroxide verzadigd poriewater en daarnaast is calciumhydroxide als vaste stof aanwezig in de cementsteen. De in vaste vorm aanwezige calciumhydroxide werkt als een soort buffer. Als er door de reactie met CO 2 calciumhydroxide uit de oplossing verdwijnt, wordt dit namelijk weer aangevuld doordat een deel van de vaste calciumhydroxide dan in oplossing gaat. Calciumhydroxide is een zout dat bij het oplossen in het poriewater zich splitst in de ionen Ca 2+ en OH -. De OH --ionen zorgen ervoor dat het poriewater een hoge pH heeft. Een verzadigde calciumhydroxideoplossing heeft een pH van 12,4. De pH van het met calciumhydroxide verzadigde poriewater kan zelfs meer dan 13,5 worden door de eveneens in het poriewater aanwezige natrium en kalium. Natrium- en kalium - hydroxide zijn namelijk beter oplosbaar dan calciumhydroxide, waardoor de concentratie OH --ionen in het poriewater nog hoger wordt. Als er zoveel calciumhydroxide uit het poriewater is verdwenen dat er geen calciumhydroxide meer (lokaal) in vaste vorm aanwezig is, zal bij verdere reactie van calciumhydroxide met CO 2 de concentratie OH --ionen in het poriewater gaan dalen en daarmee ook de pH. 5 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 front. Bij een deel van de poriën zal er sprake zijn van een waterfilm langs de poriewanden waar de CO 2 in kan oplossen. Als poriën volledig droog zijn, kan er geen carbonatatie optreden omdat het medium water voor de reactie noodzakelijk is. Het mechanisme van carbonatatie wordt weergegeven in figuur 3. Omdat CO 2 slecht oplosbaar is in water en water nodig is als reactiemedium, verloopt de carbonatatie traag onder zowel zeer droge omstandigheden als onder water. De carbo- natatie verloopt het snelst bij een relatieve vochtigheid tussen circa 50 en 70% (fig. 4). Onder de circa 50% relatieve luchtvochtig- heid drogen de poriën uit. Hierdoor lossen Ca(OH) 2 en CO 2 niet op en kan de reactie niet plaatsvinden. Boven de circa 70% zijn de poriën gevuld met water, waardoor de diffu- sie van CO 2 door het beton traag verloopt. Koolzuur Bij de productie van frisdranken wordt CO 2 onder druk opgelost in neutraal water (pH van 7). Hierbij reageert een klein deel van de CO 2 met water tot de ionen HCO 3 - en H + en vormt daarmee het zwakke zuur H 2CO 3. Door toevoeging van CO 2 aan water ontstaat hierdoor niet alleen de bekende prik als gevolg van de bellen CO 2, maar door de H +-ionen ontstaat ook een lage pH van tussen 3 en 4. Om die reden wordt koolstofdioxide ook wel aa\ ngeduid met koolzuur, alhoewel koolzuur formeel het met water gevormde zwakke zuur H 2CO 3 is. Ook schoon regen- water is vanwege de opname van CO 2 altijd licht zuur met een pH van circa 5,6. In met calciumhydroxide verzadigd poriewater ontstaat geen lage pH door het koolzuur, omdat de H +-ionen direct reageren met de in overmaat aanwezige OH --ionen tot H 2O ofwel water. De pH van gecarbonateerd beton is circa 7 à 8. In een zuur milieu gaat calciumcarbonaat weer in oplossing en reageert het met H +-ionen, waarbij weer calciumionen in het poriewater komen en CO 2 en water vrijkomen. Er ontstaat dus een evenwicht tussen het aanwezige \ calciumcar- bonaat en door CO 2 uit te lucht ontstaan koolzuur. Hierdoor blijft het poriewater ondanks de inwerking van CO 2 licht basisch. C O 2 Ca 2 + Ca(O H) 2 ce m en tsteen porie w ate r H2CO 3 H+ OH ? OH ? HCO 3 ? CO 3 2? CaCO 3 CaCO 3 3 Schematische weergave van de carbonatatiereactie in een porie o p tim um v o or C O 2-d iffu sie 0 % R V 70% R V 50% R V 100% R V 50% R V 70% R V o p tim um v o or r e a ctie optimum voor carbonatatieproces 4 Omdat er wel water nodig is voor de reactie tussen CO 2 en calciumhydroxide, maar CO 2 slecht oplosbaar is in water, verloopt de carbonatatie het snelst bij een relatieve luchtvochtigheid tussen circa 50 en 70% 6 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 Carbonatatie van CSH-gel Naast calciumhydroxide bevat cementsteen vooral calciumsilicaathydraatverbindingen (CSH-gel) en daarnaast andere verbindingen zoals ettringiet. In niet-gecarbonateerd beton zijn deze componenten stabiel door onder andere de hoge pH. Door carbonatatie daalt echter de pH van het poriewater van ruim 13 tot minder dan 8. Zodra de pH voldoende is gedaald, zal op termijn ook een groot deel van de calcium in de CSH-gel langzaam wor- den omgezet in calciumcarbonaat. Er ontstaat dan een soort silicagel die poreuzer en zwak- ker is dan de oorspronkelijke CSH-gel. Door de lagere kalkbuffer (de hoeveelheid Ca(OH) 2 die bij de hydratatie van het cement is ont- staan) treedt dit effect overigens eerder op bij hoogovencement dan bij portland cement. Calciumhydroxidekristallen vormen bij portlandcement circa 20% van het totale volume aan vaste bestanddelen van de cementsteen. Bij de carbonatatie van calcium- hydroxide ontstaat calciumcarbonaat in de vorm van het mineraal calciet, waarbij het totale volume met 12% toeneemt. Omdat het calciet zich in de poriën afzet, leidt dit niet tot expansie van het beton maar wordt in het geval van portlandcementsteen de cement- steen dichter en harder. Om die reden wordt ook bij gebruik van een schiethamer bij ouder portland cementbeton aanbevolen de gevonden waarden met een van de ouderdom afhankelijke correctiefactor te verlagen. Bij de carbonatatie van CSH-gel ontstaat er ook calciumcarbonaat maar zoals eerder beschreven tevens een poreuzere silicagel. Hierdoor wordt bij lage klinkergehalten de cementsteen niet zoals bij portlandcement harder en dichter door carbonatatie, maar juist zachter en poreuzer. Dit fenomeen wordt uitgebreid beschreven in het artikel 'Het spanningsveld tussen duur- zaamheid en levensduur' in Betoniek Vakblad 2018/1. De toegenomen porositeit versnelt de verdere carbonatatie. Dat bij lage klinker- gehalten de cementsteen poreuzer wordt door carbonatatie is goed zichtbaar onder de microscoop (fig. 5). Carbonatatiediepte versus carbonatatiegraad Bij beton in een droog milieu (relatieve vochtigheid van circa 50 tot 70%) verloopt het carbonatatieproces zoals eerder aange- geven het snelst. De carbonatatiediepte is gedefinieerd als het punt waarbij de pH van het poriewater omslaat van meer dan 10 naar minder dan 8. Het is niet zo dat de op deze wijze gemeten gecarbonateerde zone ook volledig is gecarbonateerd. indringing CO 2 carbonatatiefront hoge porositeit A BC 5 De toename van de porositeit door carbonatatie is goed zichtbaar onder d\ e microscoop (beton op basis van CEM III/B). a) onder parallel gepolariseerd licht (PPL), b) kruislings gepolariseerd licht\ (XPL) en c) uv-licht (fluorescentiemicroscopie). Bij toenemende porositeit wordt er bij de preparatie meer fluorescerend hars door het b\ eton geabsorbeerd, waardoor de fluorescentie onder uv-licht sterker is. Dit is op foto C te zien aan de groene kleur (foto's: dr. Oguzhan Copuroglu, TU Delft) 7 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 Onder carbonatatiegraad verstaan we de mate van omzetting van calcium uit zowel calcium- hydroxide als de CSH-gel in cal ciumcarbonaat, in vergelijking met de maximaal haalbare om - zetting in de gecarbonateerde zone. Hierbij wordt verondersteld dat calciumhydroxide volledig kan worden omgezet, terwijl bij CSH- gel 50% van de calciumoxide beschikbaar is voor carbonatatie. Door het steeds passerende vochtfront is de carbonatatiegraad van de ge- carbonateerde zone van beton buiten onbe- schut fors hoger (circa 85%) dan die van beton in een droog milieu (circa 40%). Ook buiten beschut wordt door de hoge relatieve lucht - vochtigheid een hoge carbonatatiegraad be- reikt (circa 75%). In figuur 6 wordt een en ander schematisch weergegeven. Carbonatatiesnelheid De carbonatatiesnelheid is zoals eerder aangegeven afhankelijk van zowel de beton- kwaliteit als van de omgevingscondities. Belangrijke invloedsfactoren zijn de vochtcon- dities, de cementsoort, de water-cementfac- tor en de kwaliteit van de oppervlaktezone en dus de kwaliteit van de nabehandeling. Daar- naast is de CO 2-concentratie van belang. Het is gebruikelijk dat de CO 2-concentratie in de lucht circa 0,04% bedraagt, maar in steden kan dit lokaal ook circa 0,05% zijn en in tun- nels zelfs meer dan 0,1%. Voor elke combinatie van betonkwaliteit, omgevingscondities en ouderdom kan de carbonatatiediepte goed worden beschreven met een eenvoudige formule: d = k ? t (1) Hierin is: d de carbonatatiediepte (in mm) na t jaar k de carbonatatiecoëfficiënt (in mm/jaar 0,5) voor een specifieke combinatie van betonkwaliteit en omgevingscondities t de tijd (in jaren) De carbonatatiecoëfficiënt kan eenvoudig in een laboratorium worden bepaald. Hierbij worden proefstukken van een bepaalde be- tonkwaliteit en onder bepaalde condities op - geslagen, waarna op een aantal tijdstippen, bijvoorbeeld na 3, 6 en 12 maanden, de car- bonatatiediepte wordt bepaald. Door op de x-as de wortel van de tijdstippen uit te zetten, ontstaat een lineair verband met de carbona- tatiediepte en kan de carbonatatiecoëfficiënt worden bepaald. Met de in (1) gegeven for- mule en de op deze wijze bepaalde carbonatatie coëfficiënt kan vervolgens redelijk betrouwbaar de carbonatatiediepte over bij- voorbeeld 50 jaar worden voorspeld. De carbonatatiediepte wordt bepaald door op een vers breukvlak fenolftaleïneoplossing te sprayen, waarbij het niet-gecarbona - teerde beton paars verkleurt en gecarbona - teerd beton kleurloos blijft (fig. 2). In werkelijkheid is de overgang van gecarbona - teerd naar niet-gecarbonateerd beton overigens niet zo scherp als op deze wijze zichtbaar wordt gemaakt, maar is er sprake van een overgangszone die enkele millimeters breed kan zijn. In modellen voor de levensduur van beton- constructies worden vaak carbonatatiecoëf- ficiënten gegeven om de carbonatatiediepte en daarmee het risico op corrosie-initiatie aan het einde van de ontwerplevensduur in te kunnen schatten. Ook in NEN-EN 16757 (Product Category Rules voor beton en beto- nelementen) worden voor de meest voor- komende sterkte klassen, bindmiddelen en omgevingscondities carbonatatiecoëfficiën- ten k gegeven, overigens in dit geval om de CO 2-opname te kunnen berekenen. Ter illus- tratie worden in tabel 1 voor enkele combina- ties deze coëfficiënten weergegeven. Uit formule 1 en de in tabel 1 gegeven carbo- natatiecoëfficiënt volgt dat voor beton op 8 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 basis van hoogovencement in de sterkteklasse C30/37 na 50 jaar buiten beschut een carbo- natatiediepte van 40 mm mag worden ver- wacht. In de voor corrosie meer kritische situ- atie buiten onbeschut kan een carbonatatie-diepte van 15 mm worden ver- wacht (zie ook fig. 6). Door ENCI is gedurende 20 jaar onderzoek uitgevoerd naar de carbonatatie van beton op basis van hoogovencement (fig. 8). Het gaat hierbij om beton met 330 kg CEM III/B 42,5 N met een water-cementfactor van 0,50. De proefstukken zijn bij 20 °C tot 3 dagen na aanmaak bewaard in de met plastic afgedekte mal en daarna onder diverse omstandigheden bewaard. De na 20 jaar gevonden waarden komen goed overeen met de volgens formule 1 en tabel 1 berekende waarden. Omdat voor een betrouwbare bepaling van de carbonatatiecoëfficiënt vele maanden nodig zijn, wordt vaak een versneld carbona- tatie-onderzoek uitgevoerd. De proefstukken worden dan niet bij een natuurlijk CO 2-ge- halte van circa 0,04% opgeslagen maar bij een verhoogd CO 2-gehalte van gebruikelijk 1,0%. De zo gevonden carbonatatiecoëffici- enten zijn voor een snelle vergelijking van diverse invloedsfactoren erg nuttig. De carbonatatiesnelheid wordt zeer sterk bepaald door de water-cementfactor en de cementsoort, zoals blijkt uit figuur 9 en 10 (gebaseerd op metingen van het Belgische C O 2 CO 2 CO 2 pH ~ 1 3 p H ~ 8 d ie pte : ~ 60 mm gr aad : ~ 4 0% ca rb on ata tie b inne n ( g em . 40 ?60% R V ) pH ~ 1 3 p H ~ 8 d ie pte : ~ 40 mm gr aad : ~ 7 5% ca rb on ata tie bui te n b esc h ut ( g em . 70 ?90% R V ) pH ~ 1 3 p H ~ 8 d ie pte : ~ 15 mm gr aad : ~ 8 5% ca rb on ata tie bui te n o nbe schut ( g em. 70 ?90 % R V e n r e g en w ate r) gr aad : 0 % gr aad : 0 % gr aad : 0 % 6 Carbonatatiediepte versus carbonatatie- graad (C30/37 op basis van hoog- ovencement en voor de carbonata- tiediepte een ouder- dom van 50 jaar). In een droog milieu verloopt de carbo- natatie snel, maar wordt er door de kortdurende gelijk- tijdige beschikbaar- heid van CO 2 en water relatief weinig calciumhydroxide en calciumoxide omgezet in calcium- carbonaat Tabel 1 Carbonatatiecoëfficiënt in mm/jaar 0,5 als functie van cementsoort en vochtcondities cementsoort CEM I CEM III/B vochtconditie / sterkteklasse C16/20 ? C20/25C25/30 ? C35/45C16/20 ? C20/25C25/30 ? C35/45 buiten onbeschut 2,71,63,52,1 buiten beschut 6,64,48,65,7 binnen zonder coating (RV 45 ? 65%) 9,9 6,612,98,6 9 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 onderzoeksinstituut WTCB [3]), en door de nabehandeling. De carbonatatiecoëfficiënten zijn bepaald bij een CO 2-concentratie van 1% en een relatieve luchtvochtigheid van 55%. Bij een hogere water-cementfactor ontstaat een poreuzere structuur, waardoor CO 2 mak- kelijker kan indringen en het beton sneller kan uitdrogen. Bij lagere klinkergehalten verloopt de carbonatatie sneller door de geringere buffer van calciumhydroxide en door het ont- staan van een poreuzere structuur. De proefstukken die zijn gebruikt voor het onderzoek zijn gedurende 56 dagen onder water bewaard en zijn dus zeer grondig nabehandeld. De carbonatatiecoëfficiënten van proefstukken die na 24 uur verharden tot 56 dagen bij 60% RV werden bewaard ? en dus matig tot slecht zijn nabehandeld ?, ble- ken 1,5 tot ruim 2× zo hoog te zijn als de carbonatatiecoëfficiënten van de zeer goed nabehandelde proefstukken. De effecten van een slechte nabehandeling zijn vergelijkbaar met het effect van een hogere water-cement- factor: door een slechte nabehandeling ont- staat een poreuzere structuur in de buitenste centimeter(s), waardoor het beton sneller kan uitdrogen en CO 2 makkelijker kan indringen. Snellere carbonatatie door hogere natuurlijke CO 2-gehalten De in NEN-EN 16757 opgenomen carbonatatie- coëfficiënten zijn 10% hoger dan de in het rap- port van 2005 [5] opgenomen waarden die als basis hebben gediend. Deze aanpassing was nodig vanwege het hogere CO 2-gehalte in de lucht met de jaren. In het betreffende rapport wordt (gebaseerd op data uit 1988) aangegeven dat een stijging van het CO 2-gehalte van 300 naar 600 ppm (0,03 naar 0,06%) CO 2 in de atmosfeer de carbonatatiesnelheid zal vervijfvoudigen en dat in 50 tot 100 jaar tijd er al sprake zal zijn van een factor van 1,5. In 1980 was de CO 2-concen- tratie circa 340 ppm en inmiddels zitten we op 400 ppm. Jaarlijks komt hier ruim 2 ppm bij, zodat die factor 1,5 mogelijk wat aan de lage kant is. Anderzijds lijkt op basis van andere lite - ratuur een toename van de carbonatatiesnelheid met een factor vijf bij een stijging van het CO 2- gehalte tot 600 ppm wel erg hoog. Er wordt wel algemeen verwacht dat op termijn, indien hierop niet adequaat wordt geanticipeerd, wa- peningscorrosie als gevolg van carbonatatie zal toenemen, zowel door de hogere CO 2-concen- tratie als door de hogere temperatuur en voch- tigheid. 390 380 370 360 350 340 330 320 310 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 CO 2-gehalte [ppm (parts per million)] jaar 7 Atmosferische CO 2 bron: Wikimedia Commons 10 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 0 5 10 15 20 ca rbonat atie d iept e [ mm] t ijd [ja ren] n atu u rlijk e c a rb on ata tie [ 0 ,0 4% C O 2] droog b esc h u t o n b esc h ut 0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 40 50 carbonat atiedi ept e [ mm] t ijd [dag en] v e rs n eld e c arb on ata tie [ 1 % C O 2] wcf 0,525 wcf 0,55 wcf 0,60 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 0 10 20 30 40 50 ca rbonat atiedi ept e [ mm] t ijd [dag en] v e rs n eld e c arb on ata tie [ 1 % C O 2] C EM I C EM II I/ A C EM II I/ B C EM II I/ C 8 Carbonatatieonder- zoek aan hoogoven- cementbeton gedurende 20 jaar 9 Carbonatatiediepte als functie van de water-cementfactor voor beton op basis van een CEM I 42,5 R 10 Carbonatatiediepte voor verschillende cementsoorten bij water-cementfactor 0,525 (CEM I 42,5 R, CEM III/A 42,5 N, CEM III/B 42,5 N en CEM III/C 32,5 N) 11 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 Carbonatatie en wapeningscorrosie Zolang wapeningsstaal zich in niet-gecarbo - nateerd beton bevindt, kan het niet gaan roes - ten ten gevolge van carbonatatie, ook niet als de omstandigheden voor corrosie, aanwezig - heid van zuurstof en vocht, verder gunstig zijn. In niet-gecarbonateerd beton wordt het staal namelijk beschermd omdat er door de hoge pH op het staal een zogeheten passive - ringslaag wordt gevormd. Dit is een dichte dunne laag van ijzerhydroxide die verdere corrosie van het staal voorkomt. Door carbonatatie daalt de pH en is de passi- veringslaag niet langer stabiel, waardoor het staal kan gaan corroderen. Wanneer het staal in de gecarbonateerde zone ligt, bepalen de aanwezigheid van zuurstof en vocht de cor- rosiesnelheid. Meest bepalend voor het al dan niet optreden van corrosie van de wapening als gevolg van carbonatatie zijn daarom de kwaliteit en de dikte van de dekking. Die be- palen tenslotte de snelheid van het carbona- tatieproces en het moment waarop de carbo- natatie de wapening bereikt, en of vocht en zuurstof in voldoende mate tegelijk aanwezig kunnen zijn. Om wapeningscorrosie te voor- komen, stellen de betonvoorschriften daarom, in functie van de omgevingscondities, onder andere eisen aan de betondekking, de water- cementfactor en de nabehandeling. Corrosie is een elektrochemisch proces, wat wil zeggen dat er bij de reactie sprake is van stro - men elektrische ladingen: elektronen en ionen. Bij elk ijzeratoom dat het wapeningsstaal bij de anode verlaat (2Fe ? 2Fe 2+ + 4e -) gaan 2 elektronen door het staal naar de kathode voor de reactie met zuurstof en water (4e - + O 2 + 2H 2O ? 4OH -). Er moet echter een elektrisch evenwicht zijn tussen deze twee reac - ties. Dit wordt bereikt door de migratie van de ijzerionen door het poriewater naar kathodege - bieden waar ijzerhydroxiden ofwel roest wordt gevormd: 2 Fe 2+ + 4OH - ? 2Fe(OH). Deze ijzer - hydroxiden reageren verder met zuurstof tot hogere ijzeroxiden, waarbij het volume steeds verder toeneemt. Deze volumetoename leidt tot interne spanningen in het beton, die uiteindelijk kunnen leiden tot scheurvorming en het afdruk - ken van de betondekking. In droog beton is de diffusiesnelheid van zuur- stof relatief hoog maar ontbreekt water als me- dium voor het transport van ijzerionen, waardoor de corrosiesnelheid laag is. In waterverzadigd beton kunnen de ijzerionen zich gemakkelijk verplaatsen maar is de diffusiesnelheid van zuur- stof ook laag, waardoor de corrosiesnelheid laag is. In beide gevallen kan het wel 100 jaar duren voordat de corrosie problemen gaat veroorza- ken. De corrosiesnelheid is maximaal bij een tussenliggend vochtgehalte van beton waarbij de ionen zich relatief gemakkelijk kunnen ver- plaatsen en de diffusiesnelheid van zuurstof re- latief hoog is. Problemen met corrosie als gevolg van carbonatatie treden daarom vooral op bij beton dat aan een hoge luchtvochtigheid (> 70% RV) of regelmatig aan (regen- of condens-)water wordt blootgesteld. 12 mei 2018 STANDAARD 16 I 24 Uitgave Aeneas Media bv Ruimte 4121 Veemarktkade 8 5222 AE 's-Hertogenbosch Website www.betoniek.nl Lezersservice T: 073 205 10 10, E: lezersservice@aeneas.nlVormgeving Inpladi bv, Cuijk Redactie T: 073 2051010, E: betoniek@aeneas.nl Advertentieverkoop Nancy Verschuren, E: n.verschuren@aeneas.nl, T: 073 2051014 Lidmaatschap 2018 Jaarlidmaatschap: 4x Betoniek Standaard, 4x Betoniek Vakblad en toegang tot het online archief: ? 138,- (excl. btw). Buiten Nederland geldt een toeslag voor extra porto. Lidmaatschappen lopen per jaar en kunnen elk gewenst moment ingaan. Opzeggen moet telefonisch gebeuren, uiterlijk twee maanden voor vervaldatum. Kijk voor de mogelijkheden van online Lidmaatschappen op www.betoniek.nl. Betoniek wordt tevens elektronisch opge- slagen en geëxploiteerd. Alle auteurs van tekstbijdragen in de vorm van artikelen of ingezonden brieven en/of makers van beeldmateriaal worden geacht daarvan op de hoogte te zijn en daarmee in te stemmen, e.e.a. overeenkomstig de publicatie- en/of inkoopvoorwaarden. Deze liggen bij de redactie ter inzage en zijn op te vragen. Hoewel de grootst mogelijke zorg wordt besteed aan de inhoud van het blad, zijn redactie en uitgever van Betoniek niet aan- sprakelijk voor de gevolgen, van welke aard ook, van handelingen en/of beslissingen gebaseerd op de informatie in deze uitgave. Niet altijd kunnen rechthebbenden van gebruikt beeldmateriaal worden achter- haald. Belanghebbenden kunnen contact opnemen met de uitgever. © Aeneas Media bv 2018 ISSN: 2352-1090 Betoniek Standaard is onderdeel van Betoniek Platform, hét kennisplatform over technologie en uitvoering van beton. Betoniek Standaard verschijnt 4x per jaar en is een uitgave van Aeneas Media bv, in opdracht van het Cement&BetonCentrum. In de redactie zijn vertegenw\ oordigd: BAM Infraconsult, BTE Nederland, ENCI, SKG-IKOB, Mebin en TNO. Tot slot We zijn in deze Betoniek uitgebreid ingegaan op het fenomeen carbonatatie. We moeten ons wel bedenken dat het proces in werkelijkheid nog een stuk complexer is dan hier beschreven en ook nog niet volledig wordt begrepen. Gelukkig hebben we wel ruim voldoende kennis om schade aan betonconstructies als gevolg van carbonatatie te kunnen voorkomen. Betoniek = Standaard + Vakblad Onderdeel van het Betoniek-lidmaatschap is naast Betoniek Standaard ook Betoniek Vakblad. Dit is een magazine op groot formaat met artikelen over onder meer projecten, ontwikkelingen, onderzoek, regelgeving en onderwijs. Deze artikelen worden geschreven door de lezers van Betoniek zelf. Daarin wijkt Betoniek Vakblad dus af van Betoniek Standaard, dat volledig door een deskundige redactie wordt geschreven. Betoniek Vakblad verschijnt vier keer per jaar. Alle artikelen zijn te raadplegen op www.betoniek.nl. Voor leden van Betoniek is dat gratis! voor technologie en uitvoering van beton 1 2018 Schoonbeton mooi verouderd Parkeergarage Delft  Korrelpakking  Duurzaamheid vs levensduur  Lucht\ belvormersCo ver Betoniek Vakblad 1-201 8.in dd 1 13- 03-18 11:5 1 Literatuur 1 Czarnecki, L., Woyciechowski, P., Modelling of concrete carbonation; is it a process un- limited in time and restricted in space? Bulletin of the Polish academy of sciences. Techni- cal Sciences, 2015. 2 Durability demands related to carbonation induced corrosion for Finnish concrete buildings in changing climate, Engineering Structures. Elsevier 2014. 3 Wapeningscorrosie door de carbonatatie van beton voorkomen. WTCB-Dossiers\ 2007-3. 4 Betoniek Standaard 15/26, Corrosie uitvergroot, 2012. 5 Lagerblad, B., Carbon dioxide uptake during concrete life cycle , State \ of the art. Swedish Cement and Concrete Research Institute, 2005. 6 NEN-EN 16757:2017 en Duurzaamheid van bouwwerkzaamheden, Milieuverklarin\ gen van producten, Productcategorieregels voor vooraf vervaardigde betonproducten.