Staal in de bouw Deel 1 : Corrosiviteit van de milieus en staalsoorten

Uit de praktijk

De bouwsector is de grootste staal-

gebruiker, vermits staal door architecten en opdrachtgevers erg geapprecieerd wordt omwille van zijn lichtheid, zijn perfecte homogeniteit en zijn voorspelbare gedrag op de bouwplaats. Net zoals alle andere metalen vertoont staal echter ook een minpunt : het corrodeert, wat belangrijke economische gevolgen heeft. Door de evaluatie van het corrosierisico en de goede keuze van de staalsoort en zijn beschermingssysteem kan men de betere duurzaamheid van stalen bouwwerken waarborgen.

1 Inleiding Staal wordt in de bouwsector onder allerlei vormen toegepast : koudgevormde platen voor gevels, dakbedekkingen en vloeren, warmgewalste profielen voor skeletten, wapeningen voor beton, buizen voor leidingen, ... Het wordt tevens aangewend voor hoekprofielen, ramen, trappen, borstweringen, ankers, bouten en hang- en sluitwerk (zie afbeelding 1). Het is een van de meest gebruikte metalen omwille van zijn lichtheid, gecombineerd met uitzonderlijke technische eigenschappen en onweerlegbare economische voordelen. Zo vertoont het een hoge treksterkte, een uitstekend vervormingsvermogen en een goede lasbaarheid. Hoewel staal ontegenzeglijk een aantal kwaliteiten bezit, vertoont het net zoals alle andere metalen het nadeel dat het oxideert als het in contact komt met de corroderende elementen uit zijn omgeving. De corrosie van het staal kan de prestaties van het bouwwerk in het gedrang brengen en de levensduur ervan verminderen. De corrosieproblematiek mag dus in geen geval verwaarloosd worden. De evaluatie van het corrosierisico van het metaal in het milieu waarin het zal toegepast worden, kan toelaten de corrosie te vertragen, de omvang ervan te beperken of – in het beste geval – het ontstaan ervan te vermijden. Hiertoe moet men de corrosiefactoren die in de omgeving aanwezig zijn onderzoeken vóór de uitvoering van het bouwwerk. Na de bepaling van de corrosiviteit van het milieu aan de hand van deze factoren, kan men overgaan tot de keuze van de staalsoort en zijn bescherming, lettend op deze knelpunten. Om het hoofd te bieden aan de corrosieproblematiek werden nieuwe staallegeringen met een betere corrosiebestendigheid en nieuwe staalbeschermingstechnieken ontwikkeld. Door de keuze van een geschikt materiaal kan men aldus de – moeilijk in te schatten – werkingskosten tengevolge van het onderhoud, de herstelling of

Staal in de bouw

Deel 1 : Corrosiviteit van de milieus en staalsoorten de vervanging van de gecorredeerde elementen beperken. In het eerste deel van dit artikel wordt dieper ingegaan op de voornaamste corrosiefactoren die nodig zijn om de corrosiviteit van de verschillende milieus waaraan staal kan worden blootgesteld te beoordelen. Vervolgens worden de diverse staalsoorten en de systemen die ontwikkeld werden voor de aanduiding ervan beschreven en verklaard. De voornaamste maatregelen die kunnen getroffen worden om staal te beschermen tegen corrosie zullen op hun beurt behandeld worden in het tweede deel van dit artikel. Deze tekst geeft geen gebruiksregels voor staal in de bouw, maar kan wel dienst doen als leidraad bij het begrijpen van de risicofactoren voor staalcorrosie en de manieren waarop dit risico kan beoordeeld worden. Hij bevat informatie waarmee men het staal correct kan identificeren. Het tweede deel laat toe meer te weten te komen over de beschermingssystemen die de corrosiebestendigheid van het staal verbeteren. 2 Corrosiviteit van de milieus in contact met het staal Corrosie is de degradatie van een materiaal door de spontane overgang van het metaal naar een natuurlijke toestand met grotere stabiliteit, d.w.z. onder de vorm van oxiden en hydroxiden. Naargelang van zijn toepassing kan staal blootgesteld worden aan al dan niet corrosieve omgevingen, zoals de atmosfeer, water, de bodem of beton. In elk van deze milieus is er een waterige fase aanwezig. Dit is zeer duidelijk in het geval van waterleidingen en -reservoirs, maar meer verdoken in het geval van gewapend beton. De aanwezigheid van twee belangrijke oxidanten in deze waterige fase, met name opgelost zuurstof en H+-ionen of protonen, bevordert de ontwikkeling van corrosie door de oxidatie van ijzer, het hoofdbestanddeel van het staal, volgens de volgende elektrochemische reacties : • oxidatie van het ijzer : 2 Fe  2 Fe2+ + 4e- (1) • reductie van het zuurstof : O2 + 2 H2O + 4e-  4 OH- (2) • reductie van de H+-ionen : 4 H+ + 4e-  2 H2 (3) Deze reacties leiden tot de neerslag van ijzerhydroxide FE(OH)2, dat vervolgens oxideert

Afb. 1 Stalen buitentrap. tot gehydrateerde ijzeroxiden zoals lepidocrociet en goethiet. Deze oxidatieproducten vormen een film op het metaaloppervlak. Als deze film ondoordringbaar, onoplosbaar en solide is, kan hij het metaal gemakkelijk van zijn omgeving afschermen en het corrosieproces afremmen. Men heeft het dan over de passivering van het metaal. In het geval van staal zal de ijzeroxihydroxidefilm slechts beschermend zijn onder specifieke omstandigheden : in een sterk oxiderend zuur milieu of in een basisch milieu (pH > 9-10). Staal (ongelegeerd) is namelijk geen ‘passiveerbaar’ metaal, in tegenstelling tot aluminiumlegeringen of roestvrij staal, waarvan de toepassing voornamelijk berust op deze eigenschap. Vermits deze film geen bescherming biedt, gaat de oxidatie van het ijzer verder, wat de geleidelijke oplossing van het niet-beschermde staal tot gevolg heeft. Dit gaat gepaard met de graduele vermindering van zijn dikte, hetzij plaatselijk, hetzij veralgemeend, wat leidt tot een aantal ongemakken die niet noodzakelijk gevaarlijk zijn, maar wel vaak nadelig en onaanvaardbaar : vlekken op en putcorrosie in de platen en de profielen, verbrokkeling en scheuring van gewapend beton, doorboring van leidingen, … In de praktijk zijn de elektrochemische reacties die leiden tot de corrosie van staal erg

? P. Steenhoudt, ir., onderzoeker, laboratorium ‘Bouwchemie’, WTCB

WTCB-Dossiers – 2006/4 – Katern nr. 6 – pagina

Uit de praktijk

complex en afhankelijk van diverse factoren. Aan elk van de voornoemde milieus kan men een specifieke reeks parameters verbinden die in aanmerking moeten genomen worden bij de beoordeling van de corrosiviteit. Deze parameters en de processen die ermee gepaard gaan, worden hierna verklaard voor elk milieu waarmee het staal in contact kan komen. 2.1 Corrosiviteit

van de atmosfeer

2.1.1 Relatieve vochtigheid : belangrijkste activator voor de atmosferische corrosie Hoewel droge corrosie bestaat, is de ontwikkelingssnelheid ervan in de atmosfeer verwaarloosbaar en weinig verontrustend. Deze is enkel van belang voor apparaten die werken bij erg hoge temperaturen. De atmosferische corrosie van staal is voornamelijk toe te schrijven aan het relatieve waterdamp- of vochtgehalte van de atmosfeer [20]. Bij een hoge relatieve vochtigheid kan er aan het staaloppervlak een zeer zuurstofrijke en soms onzichtbare waterfilm met variabele dikte ontstaan, die een dunne elektrolytlaag vormt. Als de relatieve vochtigheid laag is (minder dan 60 %), zal de corrosiesnelheid van het staal verwaarloosbaar zijn. Dit is onder andere het geval in goed verwarmde, geventileerde gebouwen of gebouwen met airconditioning, met uitzondering van waterpartijen, washokken of keukens, waarin de relatieve vochtigheid tijdelijk zeer hoog kan zijn (tot 100 %). In ‘normale’ atmosferen die zowiezo vervuilende stoffen bevatten (SO2, zeezout, roet, deeltjes, …), gaat men ervan uit dat staal en andere metalen sneller corroderen wanneer de relatieve vochtigheid van de luchtlaag boven het oppervlak hoger is dan 70 % [15]. De condensatie van water bij een relatieve vochtigheid, lager dan 100 %, gebeurt vooral wanneer de luchttemperatuur daalt, indien het

Afb. 2 Condensatie op het dak van een voertuig.

oppervlak zelf afgekoeld wordt door straling, en de lucht, die ermee in contact komt, op zijn beurt begint af te koelen tot onder de dauwpunttemperatuur. Dit is bijvoorbeeld het geval wanneer het oppervlak afstraalt naar een nachtelijke heldere hemel. Hoewel het contact van de lucht met een koud oppervlak een van de belangrijkste oorzaken is voor de vorming van condensatiewater, bestaan er nog talloze andere mogelijkheden. Het kan ook gaan om de condensatie van het water uit minuscule haaropeningen of barstjes als gevolg van de oppervlaktespanning, die de verzadigende druk binnenin de haaropeningen doet dalen [18]. Dit duidt op het belang van de oppervlakteruwheid bij het corrosieverschijnsel. Het gecondenseerde water is ook afhankelijk van de hygroscopiciteit van de wateroplosbare corrosieproducten en van het atmosferische stof [15]. Deze producten kunnen de vorming van een elektrolytfilm bevorderen nog vóór een relatieve vochtigheid van 70 % bereikt wordt.

Afb. 3 Corrosie van het stalen dak van een gebouw.

•

We willen erop wijzen dat de geometrie en de oriëntatie van een stalen bouwwerk eveneens een invloed kunnen hebben op de condensatie van waterdamp. Zo kan men soms de aanwezigheid van dauw vaststellen op het dak van een voertuig, maar niet op de zijkanten ervan (zie afbeelding 2). Dit geldt ook voor gebouwen : de tijdsduur van de bevochtiging (bevochtigingsduur) op een stalen dakoppervlak kan tot twee keer langer zijn dan deze op de gevelelementen. Men kan zich dus verwachten aan een proportionele toename van de corrosiegraad van het dak [38] (zie afbeelding 3). 2.1.2 Gasvormige en vaste vervuilende stoffen

•

Als gevolg van de menselijke activiteiten (industrie, landbouw, verkeer, verwarming, …) komen er grote hoeveelheden gas en stofdeeltjes in de atmosfeer terecht. Deze atmosferische vervuilers kunnen zich afzetten op de oppervlakken waarmee ze in contact komen, kunnen onderling reageren of reageren met de waterdamp die aanwezig is in de atmosfeer. De aldus gevormde nieuwe verbindingen kunnen zich op hun beurt op de oppervlakken afzetten langs droge of vochtige weg (regen, sneeuw, nevel, condensatie). In industriegebieden of zones met een hoge bevolkingsdichtheid zijn deze polluenten sterker geconcentreerd dan in landbouwgebieden of laagbevolkte zones. Sommige van deze vervuilende stoffen kunnen beschouwd worden als activatoren voor atmosferische corrosie, met name : • zwaveloxide of zwavelanhydride (SO2) Deze erg agressieve gasvormige polluent komt voornamelijk voort uit de verbranding van steenkool en aardolie (fossiele brandstoffen). Correlaties tussen het SO2-niveau in de lucht en de aantastingsgraad van het


•

staal hebben aangetoond dat SO2 het corrosieproces gevoelig versnelt. Bij de prognose van de corrosiesnelheid in een regio moet bijgevolg rekening gehouden worden met het jaarlijkse SO2-gehalte in de atmosfeer, maar ook met de plaatselijke vervuiling die bijvoorbeeld kan toegeschreven worden aan een schoorsteen van een gebouw in de omgeving die SO2 uitstoot [38] ozon Het ozon (O3) uit de troposfeer (onderste lagen van de atmosfeer, vanaf de grond tot op een hoogte van ongeveer 20 km) is een uiterst irriterend en kleurloos gas, dat gevaarlijk is voor de mens vermits het ingeademd wordt. Het ozon uit de stratosfeer wordt daarentegen niet ingeademd en beschermt de mens tegen ultraviolette straling. Dit gas ontstaat uit de omzetting van NOx (stikstofoxide) en VOS (vluchtige organische stoffen) onder invloed van UV-stralen. Het ozongehalte in de troposfeer is gewoonlijk laag, maar lijkt in het noordelijke halfrond toe te nemen als gevolg van de menselijke activiteiten. Ozon heeft een oxiderende werking en kan bij een equivalente concentratie even schadelijk zijn voor staal als zwaveloxide [15] de zuurtegraad van condensatiewater De H+-ionen die verantwoordelijk zijn voor de zuurtegraad van water zijn oxidanten die een rol spelen bij de zuurstofreducerende reacties tijdens het corrosieproces. In zijn natuurlijke toestand is het atmosferische water lichtjes zuur (pH 5,6) dankzij de oplossing van koolstofdioxide (CO2 + H2O => HCO3- + H+). De atmosferische vervuiling tengevolge van de industrie en het verkeer kan dit water vandaag de dag echter veel zuurder maken (een pH 4 is niet langer uitzonderlijk). Deze verzuring van de atmosfeer is te wijten aan de omzetting in de lucht van NOx in HNO3 en van SO2 in H2SO3 en H2SO4 [4]. Dit zijn sterke zuren die in water oplossen en protonen afgeven. NOx (NO + NO2) wordt gevormd tijdens alle verbrandingsprocessen bij hoge temperatuur, hetzij door de oxidatie van het stikstof uit de lucht door zuurstof, hetzij door de verbranding van de stikstofhoudende producten in de brandstof de in de atmosfeer aanwezige chloriden Het atmosferische zoutgehalte tengevolge van chloriden leidt tot een merkelijke versnelling van de atmosferische corrosie van het staal, en dit niet enkel door de stijging

Uit de praktijk

van het elektrolytgehalte van het atmosferische water, maar ook door de invloed van het chloor op de concentratie aan H+-ionen in het water (pH) en de oplosbaarheid van de ijzerchloriden die gevormd worden aan het staaloppervlak. In het geval van metalen zoals zink en koper, zijn de chloorzouten minder oplosbaar en zal het chloridegehalte in de atmosfeer een minder grote invloed hebben op de corrosiesnelheid van deze metalen. De impact van de chloriden op de corrosie moet vooral in aanmerking genomen worden in de kuststreek. Hier bedraagt de chlorideconcentratie in de lucht immers ongeveer 100 µg/m3, terwijl deze in een stedelijk of industrieel gebied schommelt rond de 10 tot 30 µg/m3. In een maritieme atmosferische omgeving vertonen de van de regen afgeschermde oppervlakken, waarop de chloriden zich kunnen vasthechten, een hoger corrosierisico omwille van de aanwezigheid van deze hygroscopische zouten. De afzetting van chloriden in de kuststreek is ook afhankelijk van factoren die het zeezouttransport naar het binnenland toe beïnvloeden, zoals de windrichting en de windsnelheid, de plaatselijke topografie of nog de afstand tot aan het zeefront. De extreme effecten van chloriden komen vooral tot uiting in zones met veel stuifwater en aan de kust van regio’s met een warm en vochtig klimaat, maar ook in de spatzones, die aangetast worden door dooizouten • afzettingen van deeltjes (roet, stof, vliegas) aan het staaloppervlak De deeltjes die aanwezig zijn in de atmosfeer, zijn verbindingen met erg verschillende vormen en afmetingen. De grote deeltjes kunnen zowel afkomstig zijn van natuurlijke bronnen, zoals aarde of door de wind voortgeblazen zand, als van antropogene bronnen, zoals stof teweeggebracht door bouwwerken. De fijnere deeltjes kunnen rechtstreeks uitgestoten worden tijdens verbrandingsprocessen (roet, vliegas, …) of voortkomen van de condensatie van gassen of van de chemische reacties tussen gassen, die aanleiding geven tot de vorming van vaste stoffen. De deeltjes kunnen ook onderling gaan samenklonteren. Naarmate de deeltjes zwaarder zijn, zullen ze een grotere neiging tot sedimentatie vertonen, evenals tot de vorming van afzettingen op de oppervlakken waarmee ze in contact komen. Deze afzettingen kunnen de corrosie van het staal in gang zetten, hetzij door de bevordering van de differentiële verluchting in de contactzones (zie § 2.2.3), hetzij door het voorzien van hygroscopische elektrolyten die rechtstreeks deelnemen aan de corrosiereacties. De temperatuur, de intensiteit en de duur van de bezonning, de neerslag (regen en sneeuw) en de windrichting zijn eveneens omgevingsparameters die de corrosiviteit van de atmosfeer kunnen beïnvloeden.

Tabel 1 Indeling van de tijdsduur van de bevochtiging op oppervlakken [27]. Klasse

Tijdsduur van de bevochtiging

τ1 τ2 τ3 τ4 τ5

Uren/jaar

Percentage

τ ≤ 10 10 < τ ≤ 250 250 < τ ≤ 2500 2500 < τ ≤ 5500 5500 < τ

τ ≤ 0,1 0,1 < τ ≤ 3 3 < τ ≤ 30 30 < τ ≤ 60 60 < τ

Tabel 2 Indeling van de vervuiling door zwavelhoudende stoffen (*) [27]. Klasse

Snelheid van SO2-afzetting (per dag) [mg/(m2.d)]

SO2-concentratie [µg/m3]

P0 P1 P2 P3

Pd ≤ 10 10 < Pd ≤ 35 35 < Pd ≤ 80 80 < Pd ≤ 200

Pc ≤ 12 12 < Pc ≤ 40 40 < Pc ≤ 90 90 < Pc ≤ 250

(*) Voorgesteld �� door zwaveldioxide �� (SO2).

Tabel 3 Indeling van de vervuiling door de zouten uit de lucht onder de vorm van chloriden [27]. Klasse

Snelheid van chlorideafzetting (per dag) [mg/(m2.d)]

S0 S1 S2 S3

S≤3 3 < S ≤ 60 60 < S ≤ 300 300 < S ≤ 1500

De hiervoor vermelde factoren werden beschouwd ten opzichte van de buitenatmosfeer. Het spreekt voor zich dat men voor de binnenatmosfeer van gebouwen die bestemd zijn voor een specifiek gebruik (zwembaden, stallen, fabrieken voor chemische producten, …) andere factoren in rekening moet brengen, die echter te talrijk zijn om hier behandeld te worden. Bij wijze van voorbeeld willen we het geval aanhalen van de atmosfeer in gebouwen waar dieren verblijven en waar er veel corrosieoorzaken zijn. Vermits de dieren een grote hoeveelheid vocht in de lucht uitademen, stijgt het condensatierisico indien de gebouwen niet goed geventileerd zijn. Tezelfdertijd kan het ammoniakgas, dat men gewoonlijk aantreft in kwekerijen, zich gemakkelijk vermengen met deze vochtigheid, waardoor vloeibare ammoniak gevormd wordt dat de meeste metalen oppervlakken aantast [26]. 2.1.3 Indeling van de corrosiviteit van de atmosfeer Bij het onderzoeken van de corrosieproblematiek van een metaal dat bestemd is om gebruikt te worden op een welbepaalde plaats, moet men eerst overgaan tot de vaststelling van alle (of de gemiddelde) omgevingsvoorwaarden, zoals beschreven in de norm ISO 9223 [27]. Deze bevat een indeling van de corrosiviteit van verschillende atmosferen, die gebaseerd is op de tijdsduur van de bevochtiging (zie tabel 1) en op de vervuilingsklassen door chloriden en zwavel

anhydriden (tabellen 2 en 3). Deze twee stoffen bieden namelijk de mogelijkheid alle bestaande atmosferen te vertegenwoordigen, met uitzondering van extreme atmosferen zoals deze van chemische of metaalverwerkende bedrijven. Aangezien er talrijke parameters zijn die de vorming van vocht op metalen oppervlakken kunnen beïnvloeden (zie § 2.1.1), komt de in de norm beschouwde tijdsduur van de bevochtiging enkel overeen met de tijd gedurende welke de relatieve vochtigheid hoger is dan 80 % bij een temperatuur van meer dan 0 °C. De atmosferen kunnen ingedeeld worden in 5 klassen met toenemende corrosiviteit, zoals beschreven in tabel 4 (p. 4), afhankelijk van de corrosiesnelheid van het staal. De vermelde getalwaarden rcorr stemmen overeen met de corrosiesnelheid die na een jaar opgemeten werd op referentiestalen die blootgesteld werden aan een atmosfeer met een welbepaalde corrosiviteit. De getalwaarden rlin uit de norm ISO 9224 [28] komen overeen met een gestabiliseerde corrosiesnelheid, die resulteert uit een lange blootstelling aan voornoemde atmosferen. De laatste kolom van tabel 4 (p. 4) beschrijft de typische atmosferische omgevingen die beantwoorden aan elke corrosiviteitsklasse (NBN EN 12500) [10]. Naargelang van de tijdsduur van de bevochtiging en de vervuilingsklassen door chloriden en zwavelanhydride kan men met behulp van tabel 5 (p. 5) de corrosiviteitsklasse bepalen waartoe een gegeven atmosfeer behoort.


Uit de praktijk

Tabel 4 Corrosiviteitsklassen en corrosiesnelheid voor ongelegeerd staal voor een blootstelling in de overeenkomstige corrosiviteitsklasse [27,10]. Corrosiviteitsklasse

Corrosiviteit

C1

Zeer zwak

C2

Corrosiesnelheid van het staal rcorr [g/(m2.jaar)]

Typische omgevingen (voorbeelden)

rlin [µm/jaar]

Binnen

Buiten

rcorr ≤ 10

rlin ≤ 0,1

Verwarmde gebouwen met een lage relatieve vochtigheid en onbeduidende vervuiling (kantoren, scholen, musea, …)

Droge of koude zone, erg zwak vervuilde atmosferische omgeving met uiterst weinig vocht (bepaalde woestijnen, centrum van Antarctica, …)

Zwak

10 < rcorr ≤ 200

0,1< rlin ≤ 1,5

Niet-verwarmde gebouwen met variabele temperatuur en relatieve vochtigheid Gering condensatierisico en weinig vervuiling (opslag, sportzalen, …)

Gematigde zone, zwak vervuilde atmosferische omgeving (SO2 < 12 µg/m3) (landelijke regio’s, kleine steden, …) Droge of koude zone, atmosferische omgeving met weinig vocht (woestijnen, subarctische zones, …)

C3

Gemiddeld

200 < rcorr ≤ 400

1,5 < rlin ≤ 6

Ruimten met matig condensatierisico en matige vervuiling tengevolge van een fabricageproces (voedingsmiddelenproductie, wasserijen, brouwerijen, melkerijen, …)

Gematigde zone, matig vervuilde atmosferische omgeving (SO2 : 12 tot 40 µg/m3) of met matige aantasting door chloriden (stedelijke zones, kustzone met geringe afzetting van chloriden, …) Tropische zone, zwak vervuilde atmosferische omgeving

C4

Sterk

400 < rcorr ≤ 650

6 < rlin ≤ 20

Ruimten met een hoog condensatierisico en sterke vervuiling tengevolge van een fabricageproces (fabrieken, zwembaden, …)

Gematigde zone, sterk vervuilde atmosferische omgeving (SO2 : 40 tot 80 µg/m3) of met aanzienlijke aantasting door chloriden (vervuilde stedelijke zones, industriezones, kustzone zonder zout stuifwater, sterk door dooizouten aangetaste zones, …) Tropische zone, matig vervuilde atmosferische omgeving

C5

Zeer sterk

650 < rcorr ≤ 1500

20 < rlin ≤ 90

Ruimten met een quasi permanent condensatierisico en/of met een zeer sterke vervuiling tengevolge van een fabricageproces (mijnen, grotten voor industriële installaties, ongeventileerde loodsen in vochtige tropische regio’s, …)

Gematigde zone, erg sterk vervuilde atmosferische omgeving (SO2 : 80 tot 250 µg/m3) en/of met sterke aantasting door chloriden (industriezones, kustzones, zeeomgeving met zout stuifwater, …) Tropische zone, sterk vervuilde en/of door chloriden aangetaste atmosferische omgeving

Wanneer men moet overgaan tot de keuze van een bescherming tegen corrosie, zal ook het onderzoek van de micro-omgeving (d.w.z. de voorwaarden in de onmiddellijke omgeving van het gebouw) van groot belang zijn, omdat men hieruit heel nauwkeurig de voorwaarden kan afleiden waaraan het bouwwerk onderhevig zal zijn. Ondanks het feit dat deze voorwaarden niet altijd gekend zijn tijdens de ontwerpfase, moet men toch het nodige doen om deze zo precies mogelijk te identificeren.

2.2 Corrosiviteit

van het water

Aangezien water noodzakelijk is voor het ontstaan van corrosie, zullen stalen constructies die constant of tijdelijk ondergedompeld zijn in luchtrijk water of die dergelijk water vervoeren, meer onderhevig zijn aan corrosie dan deze die blootgesteld zijn aan de omgevingslucht en enkel occasioneel in contact komt met condensatiewater, regen of sneeuw [16].


Hoewel ook bij andere bouwwerken metalen kunnen ondergedompeld zijn in water (havengebouwen, boorplatformen in de zee, pipelines), komt corrosie van metalen door water voornamelijk voor in de leidingen voor sanitaire installaties, de leidingen voor verwarming en in afvoerbuizen [20]. De aard en de chemische samenstelling van het water variëren volgens zijn oorsprong (grondwater, regenwater, afvalwater, industrieel wa-

Uit de praktijk

Tabel 5 Corrosiviteitsklasse van de omgeving, afhankelijk van de vervuilingsklassen en de tijdsduur van de bevochtiging [27]. τ1

τ2

τ3

τ4

τ5

Tijdsduur van de bevochtiging

S0-S1

S2

S3

S0-S1

S2

S3

S0-S1

S2

S3

S0-S1

S2

S3

S0-S1

S2

S3

P0-P1

C1

C1

C1 of C2

C1

C2

C3 of C4

C2 of C3

C3 of C4

C4

C3

C4

C5

C3 of C4

C5

C5

P2

C2

C1

C1 of C2

C1 of C2

C2 of C3

C3 of C4

C3 of C4

C3 of C4

C4 of C5

C4

C4

C5

C4 of C5

C5

C5

P3

C1 of C2

C1 of C2

C2

C2

C3

C4

C4

C4 of C5

C5

C5

C5

C5

C5

C5

C5

ter, stedelijk water, …) en volgens zijn gebruik (vervoerd, opgeslagen, al dan niet luchtrijk, verwarmd, oververhit of afgekoeld). De normenreeks NBN EN 12502 (deel 1 tot en met 5) [13] geeft aanbevelingen voor de beoordeling van het risico op inwendige corrosie van metaalhoudende materialen (waaronder staal) in installaties voor de verdeling en opslag van water. Naast het ontwerp van de installatie, de inwerkingstelling ervan en de functioneringsvoorwaarden, gaan deze normen dieper in op de invloed van de waterkarakteristieken op het corrosierisico. Het water dat in contact komt met het staal van leidingen, vaten of tanks kan een variabele hoeveelheid opgeloste minerale zouten, opgeloste gassen, organische of minerale stoffen in suspensie (zand, leem, klei, plantaardige stoffen) en micro-organismen (bacteriën, amoeben, virussen, …) bevatten. Al deze elementen kunnen de corrosiviteit van het water beïnvloeden. 2.2.1 Opgeloste minerale zouten Opgeloste minerale zouten (Na+, Ca2+, Cl-, Mg2+, SO42-, CO32-, SiO32) of elekrolyten verhogen de geleidbaarheid van het water, wat de uitwisseling van ladingen bevordert en aldus de oplossing van de metalen vergemakkelijkt. ‘Natuurlijk’ water dat over de grond stroomt als gevolg van atmosferische neerslag, verrijkt zich met zouten door de fysische en chemische werking op zijn weg doorheen de lucht en onder de grond. Indien het water door een gipshoudende bodem stroomt, zal het zich verrijken met Ca2+ en SO42-. Als het daarentegen een kalkhoudende bodem betreft, zal het zich verrijken met Ca2+ en CO32-. Dit water blijft echter minder gemineraliseerd dan zeewater, dat veel Na+- en Cl--ionen bevat en dus corrosiever is. Stedelijk water dat als drinkbaar beschouwd wordt, wordt daarentegen behandeld om te beantwoorden aan de eisen uit de Europese

Richtlijn 98/83/EG betreffende de kwaliteit van voor menselijke consumptie bestemd water (elk Gewest heeft een reglementering opgesteld aan de hand van deze Richtlijn) [13]. Deze eisen bevatten onder meer grenswaarden voor de concentratie aan zouten, zoals chloriden, sulfaten, nitraten, fluoriden en natrium. De Richtlijn legt eveneens beperkingen op aan de geleidbaarheid van het water. In principe hoeft men zich bij het onderzoeken van de staalcorrosie niet te bekommeren om de in het water opgeloste zouten in contact met het staal, tenzij er een vervuiling is door chloriden of sulfaten, of indien het water een te lage concentratie aan Ca2+- en CO32--ionen bevat, die nodig zijn voor de vorming van een beschermende film die aan het staaloppervlak hecht (zie § 2.2.2). Chloriden zijn zeer beweeglijke ionen, die zich gemakkelijk concentreren in de microscheurtjes aan het staaloppervlak. Zo brengen ze plaatselijk een aanzienlijke daling van de pH teweeg en bevorderen ze de zure corrosie van het staal. Bovendien adsorberen ze zich aan het staaloppervlak en maken ze de gevormde afzettingen poreus. In leidingwater kunnen chlorideconcentraties voorkomen die hoger zijn dan normaal als gevolg van een ontoereikende desinfecterende waterbehandeling (chloriden zijn bijproducten die voortkomen uit de ontsmetting met chloordioxide) of van de slechte werking van een verzachter met een ionenwisselaarshars. In ‘natuurlijk’ water kunnen de chloriden van verschillende bronnen afkomstig zijn : zoute bodem, dierlijke urine, het pekelen van wegen, lozingen van zuiveringsstations, industrieel en agrarisch afvalwater, … Net zoals chloriden maken sulfaten de afzettingen poreus, zodat het onderliggende staaloppervlak toegankelijk wordt voor andere corroderende stoffen. Bovendien dragen de sulfaten bij tot de cyclus van de sulfaatreducerende bacteriën en dus ook tot de ontwikkeling van bacteriële corrosie (zie § 2.2.4). De oorsprong van sulfaten in water kan natuurlijk zijn (verwering

van zwavelhoudende mineralen zoals pyriet of gips, ontbinding van de omliggende vegetatie en fauna) of antropogeen (infiltraties van oppervlaktewater dat vervuild is door zwaveluitstoot afkomstig van fossiele brandstoffen, door agrarische besproeiingen met sulfaten, door huishoudelijk en industrieel afval). Andere factoren, zoals de verwering van de metaalhoudende materialen die gebruikt worden in leidingen, vaten en apparaten, kunnen de mineralisering van het water nog doen toenemen. Deze verwering leidt tot de verrijking van het water met ongewenste chemische stoffen (ijzer, koper, zink, lood, …). Men zou dus kunnen stellen dat de corrosie in zekere zin een autokatalytisch proces is. 2.2.2 Opgeloste gassen Water bevat eveneens een variabele hoeveelheid opgeloste gassen (zuurstof, koolstofanhydride, stikstof), die afhankelijk is van de temperatuur en de druk. Zuurstofgas, dat oplost zonder dissociatie, is een van de belangrijkste initiatoren en activatoren van staalcorrosie door water. Het gehalte aan opgelost zuurstof kan oplopen tot 4 mg/l in luchtrijk water en kan nog hoger zijn in zuurstofverzadigd water (ongeveer 10 mg/l bij 15 °C en bij de atmosferische druk). Water dat permanent of occasioneel in contact komt met de lucht zal corrosiever zijn dan water dat van de atmosfeer afgescheiden is. Dit verklaart de verschillen tussen het gedrag van staal in een open en een gesloten milieu. Leidingen van een sanitaire installatie waarin het water onophoudelijk vernieuwd wordt (ononderbroken zuurstoftoevoer), zullen vaker te kampen krijgen met corrosieproblemen dan leidingen van een verwarmingsinstallatie waarin het water slechts uitzonderlijk vernieuwd wordt tijdens het ledigen van de tank in het kader van een onderhoud of herstelling. Als het gehalte aan opgelost zuurstof daaren-


Uit de praktijk

tegen gering is, zullen de H+-ionen of protonen het overnemen en hun bijdrage leveren tot het corrosieproces van het ijzer (zie reactie (3) op p. 1). De protonen die in het water aanwezig zijn, komen niet zozeer voort uit de ontbinding van water in protonen en hydroxylionen, maar wel uit het koolzuur (H2CO3) dat ontstaat door de oplossing van het atmosferische CO2. Dit tweede opgeloste gas speelt dus een rol bij de ontwikkeling van de corrosie door de vorming van protonen. Dit gebeurt volgens de drie volgende reacties : • CO2 + H2O  H2CO3 (4) • H2CO3  H+ + HCO3 (5) • HCO3-  H+ + CO32- (6) De pH van water, met andere woorden zijn concentratie aan protonen, wordt geregeld door het kalk/koolzuur-evenwicht. Het gaat hier om het evenwicht van de koolwaterstoffen die weinig stabiel zijn en omgezet worden in carbonaten volgens de volgende algemene reactie : 2 HCO3-  CO32- + CO2 + H2O (7) De gevormde carbonaten reageren met de calciumionen die in het water aanwezig zijn en vormen calciumcarbonaat (CaCO3) dat slechts weinig oplosbaar is en neerslaat onder de vorm van kalkaanslag. De koolwaterstoffen zullen enkel stabiel blijven in het water indien er een voldoende hoog CO2-gehalte aanwezig is. De CO2-concentratie die vereist is voor deze stabiliteit wordt aangeduid als de CO2-evenwichtsconcentratie en wordt gegeven voor een welbepaalde temperatuur en HCO3--concentratie. Indien de CO2-concentratie in het water (vrij CO2 genoemd) hoger is dan de evenwichtsconcentratie, kan het teveel aan CO2 (agressief CO2 genoemd) het CaCO3 oplossen. Het water wordt dan als agressief beschouwd. In het tegengestelde geval wordt het aanzien als verstenend of ketelsteenvormend en zal het een hechtend laagje calciumcarbonaat afzetten dat de corroderende stoffen zoals zuurstof en protonen zal verhinderen het staaloppervlak te bereiken. Afbeelding 4 geeft een grafische voorstelling van de drie mogelijke verdelingen van CO2 in water [34]. Hoewel de agressiviteit van water niet verward mag worden met de corrosiviteit ervan, kan agressief water onder bepaalde omstandigheden corrosief zijn ten opzichte van een staal dat niet beschermd is door een afzetting van calciumcarbonaat. Met het oog op de bescherming van het leidingennetwerk, zorgen de waterdistributeurs er bijgevolg gewoonlijk voor dat hun water een licht ketelsteenvormend karakter heeft, zodanig dat de leidingen bedekt worden met een dun laagje CaCO3 en de ontwikkeling van corrosie beperkt wordt [25]. Er bestaan tegenwoordig programma’s voor waterbehandelingsbedrijven, waarmee het mogelijk is de kalk/koolzuurevenwichtsvoorwaarden voor een gegeven watertype te bepalen, evenals de invloed van een specifieke behandeling. Ze laten tevens toe de

Afb. 4 Grafische voorstelling van de verdeling van het opgeloste CO2 [34]. Verdeling van CO2 in agressief water Totaal CO2-gehalte CO2 in de vorm van koolwaterstoffen

Vrij CO2 CO2 in evenwichtsconcentratie

Overtollig CO2

Verdeling van CO2 in water in zijn evenwichtstoestand Totaal CO2-gehalte CO2 in de vorm van koolwaterstoffen


Verdeling van CO2 in ketelsteenvormend water Totaal CO2-gehalte CO2 in de vorm van koolwaterstoffen


hoeveelheid behandelingsproduct te berekenen die nodig is om een bepaalde toestand te bereiken. Deze programma’s zijn gebaseerd op de Franse, op wereldschaal erkende, methode van Legrand, Poirier en Leroy [30].

zich vasthechten aan de oneffenheden van de leidingen, vaten of reservoirs en aldus leiden tot corrosie onder de afzetting, ook aangeduid als corrosie door differentiële verluchting. Dit corrosietype komt erg vaak voor en kan toegeschreven worden aan het ontstaan van minder goed verluchte zones als gevolg van de afzettingen (zie afbeelding 6, p. 7). De zones onder de afzettingen met beperkte zuurstoftoevoer spelen de rol van een anode en corroderen, terwijl de zones waar de zuurstoftoevoer beter is, fungeren als kathoden en dus beschermd zijn (zie afbeelding 5). Deze vorm van plaatselijke corrosie is de gevaarlijkste, aangezien ze aanleiding geeft tot putcorrosie of tot barsten, wat snel kan evolueren tot de volledige doorboring van het metaal [17].

Naast CO2 en zuurstof zijn er nog talloze andere in water opgeloste gassen die een corrosieve werking kunnen hebben op staal. Zo kunnen we bijvoorbeeld wijzen op het ontstaan van corrosie door de vorming en accumulatie van H2S in stagnerend afvalwater. Het H2S wordt omgevormd tot zwavelzuur onder de invloed van aërobe bacteriën (zie § 2.2.4) [20]. 2.2.3 Minerale of organische stoffen in suspensie

Verder willen we erop wijzen dat de afzetting van metalen die edeler zijn dan staal bovendien kan leiden tot de galvanische corrosie van het staal. Dit geldt onder meer voor de afzetting van koper. Om deze reden wordt ten stelligste afgeraden koperen elementen stroomopwaarts te plaatsen in een sanitaire of verwarmingsinstallatie die ook stalen onderdelen bevat.

Het water voert de stoffen in suspensie mee die het onderweg tegenkomt. Deze stoffen bestaan uit zand, leem of klei, minerale resten van rotsen of metalen, organisch afval, afkomstig van de ontbinding van planten, … Als het water niet gefilterd wordt, kunnen de meegevoerde stoffen neerslaan op het staal of

Afb. 5 Corrosie door differentiële verluchting. Corrosie

O2

Kathode

Slib Staal

e-


Anode

Uit de praktijk

Afb. 6 Corrosie door differentiële verluchting aan de onderzijde van een stalen buis.

2.2.4 Micro-organismen Niet-steriel water kan een grote verscheidenheid aan micro-organismen bevatten, zoals amoeben, algen, gisten, protozoönen en bacteriën. Deze micro-organismen kunnen zich adsorberen aan het staaloppervlak en een biofilm vormen met een geleiachtig uitzicht die ook organische macromoleculen bevat (proteïnen, glycoproteïnen, humuszuur, …) en/of anorganische bestanddelen. De hechting van de biofilm aan het staaloppervlak wordt onomkeerbaar vanaf het ogenblik dat de vastgehechte micro-organismen extracellulaire polymeren beginnen af te scheiden, die de cohesie van de biofilm verzekeren. Bij gunstige fysisch-chemische voorwaarden aan het raakvlak tussen het metaal en de oplossing, zullen de groei en de vermenigvuldiging van de koloniserende bacteriën voortgaan tot het bereiken van een evenwichtstoestand, die verloopt volgens opeenvolgende fasen van onthechting en nieuwe vasthechting [24]. De aanwezigheid van micro-organismen kan een versnellingsfactor vormen of soms zelfs de corrosie initiëren. In dergelijke gevallen heeft men het over microbiële corrosie, MIC-corrosie (Microbiologically Induced Corrosion) of simpelweg biocorrosie. De norm NBN EN ISO 8044 [14] definieert ‘microbiële corrosie’ als een vorm van corrosie die samenhangt met de werking van de micro-organismen in het corrosiesysteem (1) en ‘bacteriële corrosie’ als een bijzonder type microbiële corrosie tengevolge van de werking van bacteriën. Volgens Chantereau omvat bacteriële corrosie alle corrosieverschijnselen waarbij bacteriën, rechtstreeks of via stoffen die voortkomen uit hun metabolisme, een belangrijke rol spelen, hetzij door de versnelling van reeds gestarte processen, hetzij door het creëren van gunstige voorwaarden die het proces in gang kunnen zetten [19]. Biocorrosie kan onder meer veroorzaakt worden door de biologische heterogeniteit van de biofilm, wat kan leiden tot verschillen in de zuurstofconcentratie aan het raakvlak tussen het metaal en de biofilm. Deze heterogeniteit, evenals een niet-uniforme verdeling van de (1) Het corrosiesysteem omvat zowel het metaal als zijn omgeving.

biofilm, waardoor bepaalde zones onbedekt blijven, kan aanleiding geven tot corrosie door differentiële verluchting (zie § 2.2.3) [21]. De micro-organismen kunnen eveneens metabolieten produceren die corrosief zijn voor staal. Zo brengen sulfo-oxiderende bacteriën (Thiobacillus thiooxydans en ferrooxidans, Thiotrix en Beggiatoa) een zure aërobe biocorrosie teweeg door een vermindering van de pH van het water door de vorming van zwavelzuur uit de sulfiden of het zwavel, gebruikt als elektronenbron. Ferro-oxiderende autotrofe (Gallionella ferruginae) of heterotrofe (Sphaerotilus, Leptothrix sp., Crenothrix sp.) bacteriën creëren daarentegen gunstige voorwaarden voor corrosie door differentiële verluchting door de ferro-ionen te oxideren tot ferri-ionen. Dit leidt tot de vorming van een anaërobiose zone onder een afzetting van ferrihydroxide [17]. Bij afwezigheid van zuurstof in een niet-luchtrijk waterig milieu, kan het staal een anaërobe biocorrosie ondergaan door toedoen van zogenoemde sulfaatreducerende (of sulfurogene) bacteriën. Deze bacteriën gedijen goed in weinig luchtrijke zones (bijvoorbeeld onder afzettingen) en bevorderen er de vorming waterstofsulfide door de reductie van zwavelverbindingen en dan vooral van de in het water aanwezige sulfaten. Het aldus gevormde H2S heeft echter een corrosieve werking op ongelegeerd staal, met name in een zuur milieu. Het waterstofsulfide reageert met de Fe++-ionen en vormt een zwart ijzersulfide. De corrosie manifesteert zich onder de vorm van open putjes, gevuld met zwarte corrosieproducten die reageren met het zuur en vervolgens misselijkmakend H2S afscheiden. Niet alle biofilms zijn corrosief en sommigen beweren zelfs dat deze een remmende werking kunnen hebben op de oplossing van het metaal, met name omdat ze dienst doen als een barrière die de diffusie van zuurstof tegengaat [29]. Deze hypothese wordt echter betwist door anderen die ervan uitgaan dat de biofilm noch resistent, noch uniform is [31]. Opdat een biofilm corrosief zou zijn (onafhankelijk van het verschijnsel van de corrosie door differentiële verluchting dat hij kan teweegbrengen) moeten de fysisch-chemische voorwaarden in de buurt van de biofilm gunstig zijn voor de ontwikkeling van de bacteriën en moeten de producten van hun metabolisme agressief zijn voor het betreffende metaal. De corrosie van staal door micro-organismen ontstaat vaak maar pas nadat het staal reeds aangetast werd door een elektrochemisch corrosieproces. Corrosieproblemen tengevolge van de aanwezigheid van micro-organismen komen echter voor in diverse industriële installaties, die doorgaans in contact staan met stagnerend of quasi-stagnerend water (warmtewisselaars, brandbeveiligingscircuits, condensoren).

2.3 Corrosiviteit

van de bodem

Bodems zijn altijd vochtig en het interstitiële water dat erin circuleert bevat tal van zouten (sulfaten, chloriden, nitraten, organische zuren). Hierdoor vormt de bodem een gunstig elektrolytisch milieu voor de corrosie van metalen. De bouwwerken die te maken kunnen krijgen met de corrosiviteit van de bodem zijn voornamelijk de metalen verstevigingselementen voor ophogingen, damwandplanken, ingegraven leidingen, ondergrondse leidingen, verankeringen, metalen buizen, opslagreservoirs, ... (zie afbeelding 7). Aangezien deze constructies niet kunnen onderworpen worden aan een regelmatig onderhoud en het onmogelijk is de aard van de bodem te wijzigen, is het uiterst belangrijk over te gaan tot een goede bepaling van de corrosiviteit van de bodem om het staal op een geschikte manier te kunnen beschermen. De parameters die in beschouwing moeten genomen worden bij de beoordeling van de corrosiviteit van de bodem en dus van de noodzakelijkheid om het staal te beschermen of niet, zijn : • de aard van de bodem (pH, zuurtegraad, alkaliniteit, …) • zijn textuur (zuurstofpermeabiliteit) • zijn watergehalte (aanwezigheid van een grondwaterlaag in de buurt) • zijn elektrische weerstand (gehalte aan opgeloste zouten) • de aard van de aanwezige zouten (chloriden, sulfaten, sulfiden, …) • de aanwezigheid van bacteriën, waaronder sulfaatreducerende bacteriën, die in een niet-luchtrijk milieu de corrosie van het staal versnellen (zie § 2.2.4) • de aanwezigheid van zwerfstroom (bv. spoorwegen, hoogspanningsleidingen, kathodische bescherming van constructies in de buurt) • de eventuele verticale of horizontale heterogeniteiten (kleiaders in een poreus terrein) die aanleiding kunnen geven tot corrosie door differentiële verluchting.

Afb. 7 Stalen damwand.


Uit de praktijk

Tabel 6 Bodemvoorwaarden die kunnen wijzen op een hoge corrosieve kracht [12]. Karakteristieken Bodemtype

Elektrische storingen

Vervuiling Andere

Omstandigheden

Voorbeeld van criteria

Natuurlijke bodem

Aanwezigheid van turf, ligniet, steenkool, … Zones zoals moerassen, drassige vijvers, … Getijdenzones Aanwezigheid van een brakke grondwaterlaag of van zeewater Anaërobe bodems (mogelijkheid tot microbiële corrosie)

Artificiële bodem

Bodems met as, slakken, industriële bijproducten, resten van huishoudelijk afval, … Zones, opgehoogd met industriële bijproducten (van alle types) Gerecycleerde niet-gecontroleerde materialen

Apparaat met gelijkstroom

Nabijheid van spoorlijnen met gelijkstroom, tramlijnen, metrolijnen, … Nabijheid van een constructie met kathodische bescherming of met anoden, …

Apparaat met wisselstroom

Nabijheid van elektrische leidingen met wisselstroom, spoornetwerken met wisselstroom of aardingen met wisselstroom

Vervuilde bodem

Vervuiling door dooizouten, mest, bodemverbeteraars, industrieel afval of lekken in de riolering

Topografie en hydrografie

Aanwezigheid van een laag punt, van een doorkruising van een beek of een rivier, … in het parcours van een leiding

Toponymie

Indicaties, gegeven door de plaatsnaam, die duiden op bijzondere karakteristieken van de aard van de bodem

Drievoudig raakvlak

Veranderlijk grondwaterpeil

De factoren die de corrosiviteit van de bodem beïnvloeden, zijn dermate talrijk, dat het onmogelijk is ze allemaal te analyseren bij de bepaling van het corrosierisico in een gegeven milieu. Enkel de algemene (soortelijke weerstand, pH, watergehalte, …) en makkelijk toegankelijke parameters kunnen in aanmerking genomen worden [20]. De norm NBN EN 12501-1 dient als grondslag voor de bepaling van het corrosierisico in bodems die metalen constructies bevatten [11]. Deze norm bepaalt een beoordelingsmethode voor de corrosieve krachten in de bodem en geeft een opsomming van de meest ongunstige factoren die in rekening gebracht moeten worden. Deze beoordeling wordt uitgevoerd in de veronderstelling dat het naakte metaal rechtstreeks in contact staat met de bodem, zonder rekening te houden met een eventuele bescherming. De norm NBN EN 12501-2 [12] gaat dieper in op de beoordeling van de cor-

rosieve krachten in bodems die constructies uit zwak gelegeerde of ongelegeerde ijzerhoudende materialen (zoals staal) bevatten. Deze norm stelt verschillende onderzoeksniveaus voor waarmee men min of meer nauwkeurig de corrosieve kracht van een bodem kan bepalen. De in tabel 6 vermelde bodemvoorwaarden worden onderzocht in een vooronderzoek, dat steunt op een geologische studie, een topografische studie en een specifiek informatief onderzoek (aanwezigheid van stroombronnen, vervuiling door industrieel afvalwater, dooizouten, meststoffen, afzettingen of lozingen, …). Indien geen enkel ander onderzoek uitgevoerd wordt en indien minstens voldaan wordt aan een van de criteria uit tabel 6, moet men uitgaan van de veronderstelling dat de corrosieve kracht hoog is. Vervolgens kan een onderzoek ter plaatse plaatsgrijpen, om metingen uit te voeren van de

Afb. 8 Corrosieve kracht in een bodemstaal [12].

soortelijke weerstand (ρ) en de potentiaalgradiënt op de meest ongunstige plaatsen en tijdens de meest kritische perioden van het jaar. Een soortelijke weerstand, lager dan 30 Ωm, duidt aan dat de bodem onderhevig is aan sterke corrosieve krachten. Indien de waarde hoger is, kan het onderzoek voortgezet worden door het nemen van een bodemstaal. Deze monsters worden naar het laboratorium gebracht ter bepaling van de soortelijke weerstand en de pH. Als deze twee waarden gekend zijn, kan men met behulp van het schema uit afbeelding 8, de corrosieve kracht in de bemonsterde zone bepalen. Bij aanwezigheid van een grondwaterlaag (gedeeltelijk ondergedompeld bouwwerk) of van een breed gamma aan soortelijke weerstandswaarden (ρmax/ρmin > 3) of aan pH (pHmax - pHmin > 1,5) zal men een hoge corrosieve kracht moeten veronderstellen in plaats van een gemiddelde corrosieve kracht. In het geval van een bodem die bestaat uit ophogingsmaterialen, zal de corrosieve kracht laag zijn indien voldaan werd aan de criteria uit tabel 7 (p. 9).

> 9,5

2.4 De Hoog

Gemiddeld

Laag

pH

6 – 9,5

4,5 – 6

< 4,5

0 100 30 10 50 Soortelijke weerstand van de bodem ρ* (minimale soortelijke weerstand na toevoeging van gedeïoniseerd water) (Ωm)


corrosiviteit van beton

2.4.1 Gewapend beton : een eerste interessante staal-betoncombinatie Beton, bouwmateriaal bij uitstek, heeft een goede drukweerstand (25 tot 60 MPa, of zelfs meer voor hogesterktebeton). Zijn treksterkte ligt echter 10 keer lager dan zijn druksterkte. Bovendien vertoont cementbeton een fragiel gedrag. Het gebruik ervan als constructiemateriaal, dat reeds teruggaat tot de Romeinse tijd, kwam pas echt op gang met de uitvinding van gewapend beton. Hierin zorgt de

Uit de praktijk

Tabel 7 Corrosiviteitscriteria voor ophogingsmaterialen [12]. Parameters

Lage corrosieve kracht

Soortelijke weerstand

ρ* > 100 Ωm

pH (*)

6 < pH < 9

Sulfide

< 10 mg/kg

Koolstof

Geen enkel visueel spoor van steenkool, cokes, grafiet of koolstofhoudende resten

(*) Materialen die niet tot dit pH-gamma behoren, maar die toch een lage zuurtegraad of lage alkaliniteit vertonen, kunnen beschouwd worden als materialen met een lage corrosieve kracht.

wapening, m.a.w. de stalen (oorspronkelijk ijzeren) staven, ervoor dat de lage treksterkte gecompenseerd wordt. Staal heeft namelijk een treksterkte van om en bij de 500 MPa. De technische haalbaarheid van de staal-betonsamenstelling berust op de goede equivalentie tussen de thermsiche uitzettingscoëfficiënten van het beton en het staal. Bovendien zijn de basische pH (pH > 11) van een gezond beton en van de interstitiële oplossing in de poriën van het beton bevorderlijk voor de vorming van een passiveringslaag (wit product op basis van gehydrateerd calciumferriet). Deze beschermt de wapening tegen corrosie door het staal af te schermen van elk mogelijk contact met zuurstof en water, en dit zelfs indien de wapening vóór haar omhulling met beton met roest bedekt was als gevolg van de blootstelling aan de atmosfeer. De alkaliniteit van het beton waarborgt dus de bescherming van de wapening. 2.4.2 Belangrijkste activatoren van corrosie in beton : chloriden en carbonatatie Toch is de corrosie van de betonwapening het meest voorkomende schadebeeld bij constructies uit gewapend beton. Het alkalische beton evolueert immers door te reageren met zijn omgeving. Geen enkel constructiebeton is volledig waterdicht en elk beton is onderhevig aan verwering tengevolge van mechanische belastingen (vervormingen door overmatige belastingen of schokken, …), thermische belastingen (extreme temperatuurschommelingen) of

Afb. 9 Corrosie van de wapening met verbrokkeling van het beton.

chemische reacties (oplossing, zwelling, …) die leiden tot het ontstaan van scheuren. Bij contact met de atmosfeer, water of de bodem, zullen bepaalde gassen of vloeistoffen die deel uitmaken van deze milieus in het beton dringen via de poriën en scheuren, om aldus de wapening te bereiken. Deze gassen of vloeistoffen kunnen stoffen bevatten die agressief zijn voor het staal, zoals koolzuurgas (of koolzuuranhydride) en chloriden die plaatselijk de chemische samenstelling van het beton en van de interstitiële oplossing kunnen wijzigen en aldus de passiverende film op de wapening afbreken. De in het beton aanwezige chloriden kunnen voortkomen uit de omgeving (zeemilieu, dooizouten) of toegevoegd zijn tijdens de aanmaak (chloorhoudende toeslagstoffen, vervuilde granulaten, zeewater). Deze ionen zijn zeer oplosbaar in water en worden getransporteerd door de diffusie (concentratiegradiënt) of de voortstuwing (convectie) van het water dat in het beton dringt door druk of capillariteit. Vanaf een bepaalde concentratie, die afhankelijk is van de pH of veeleer van de Cl-/OH--verhouding, zullen de chloriden een depassivering van de wapening teweegbrengen en aanleiding geven tot de vorming van een groene roest, bestaande uit tri- en bivalent ijzer en chloorionen [36]. Deze groene roest is stabiel bij afwezigheid van zuurstof. Deze kritische concentratie, vooral ter hoogte van de wapeningen, bedraagt zo’n 0,4 tot 1 massa % aan chlorideionen ten opzichte van de cementmassa. In deze context specificeren de norm NBN EN 206-1 [2] en zijn aanvulling, de norm NBN B 15-001 dat het chloridegehalte van het beton niet hoger mag zijn dan : • 0,4 % indien het beton stalen wapeningen of geïntegreerde metalen deeltjes bevat • 0,2 % indien het wapeningen uit voorgespannen staal bevat [1]. De indringing van CO2 uit de omgeving kan leiden tot de carbonatatie van het beton. Dit gas reageert met het calciumhydroxide Ca(OH)2, het alkalische reserve van het beton, om uiteindelijk calciumcarbonaat CaCO3 te vormen. Deze carbonatatie gaat gepaard met een reductie van de pH van de interstitiële oplossing tot waarden van om en bij 9, terwijl de normale waarde

Afb. 10 Gecorrodeerde wapening met vermindering van de nuttige doorsnede. van deze oplossing schommelt rond de 13 [33]. Bij dergelijke pH-waarden lost de passiverings laag op en is het staal niet langer beschermd. Dit gaat eveneens gepaard met de vorming van een groene roest die stabieler is dan deze die gevormd wordt door de chloriden [36]. De depassivering van de wapeningen wordt in gang gezet wanneer de carbonatatie of de chloriden de betondekking doordrongen hebben en de wapening bereiken. De corrosie ontwikkelt zich vervolgens in aanwezigheid van zuurstof en vochtigheid. De groene roest oxideert tot zwart magnetiet of tot ijzeroxihydroxide waarbij protonen vrijkomen. Deze zorgen voor een verzuring van het milieu, dat bijgevolg agressiever wordt, waardoor de corrosie toeneemt. Indien de atmosfeer heel droog is (relatieve vochtigheid < 40 %) of als het beton volledig in niet-luchtrijk water ondergedompeld is, treedt er geen corrosie op. De gunstigste relatieve vochtigheid voor corrosie ligt om en bij de 70 tot 80 %. Bij hogere waarden wordt de zuurstofdiffusie, die nodig is voor de ontwikkeling van corrosie, gevoelig beperkt. De corrosieproducten vertegenwoordigen een volume dat aanzienlijk groter is dan het oorspronkelijke staalvolume. De vorming van roest oefent bijgevolg een interne druk uit op het beton, wat kan leiden tot de scheuring ervan of zelfs tot zijn verbrokkeling (zie afbeelding 9). Afhankelijk van de staat van oxidatie, kan het metallische ijzer immers oxiden of hydroxiden vormen, waarvan het volume tot 6 keer groter kan zijn dan het oorspronkelijke volume [20]. De scheurvorming in het beton vergemakkelijkt vervolgens het transport van agressieve stoffen tot aan het staal, wat de corrosiesnelheid doet toenemen. Daarnaast kan de corrosie nog twee andere negatieve effecten hebben op de stabiliteit van de betonconstructie : een hechtingsverlies en een vermindering van de sterkte van de stalen staven door de be-


Uit de praktijk

perking van hun nuttige doorsnede tengevolge van de corrosie [33] (zie afbeelding 10, p. 9). 2.4.3 Andere staal-betonverbindingen in de bouwsector De combinatie van staal en beton blijft niet beperkt tot gewapend beton. Er bestaan eveneens verschillende staal-betonconstructies waarbij het beton gebruikt wordt om de drukkrachten op te nemen en het staal om weerstand te bieden aan de trekspanningen en de dwarskrachten. Het kan hier gaan om vloeren met een grote overspanning, balken met een stalen bekisting (verloren bekisting), of kolommen uit staal met een betondekking. Deze werkwijze heeft eveneens als voordeel dat de brandweerstand van deze constructies gevoelig verbetert. Staalvezelversterkt beton is een ander voorbeeld van een staal-betonverbinding. De vezels die zich aan het oppervlak bevinden, kunnen eventueel corroderen als gevolg van de carbonatatie of de aanwezigheid van chloriden in de omgeving. Onderzoek heeft echter aangetoond dat er geen risico bestaat op beschadiging door de afbrokkeling van het beton [37]. De corrosie van de vezels geeft enkel aanleiding tot problemen van esthetische aard. De inwerking van stalen leidingen in een dekvloer is dan weer een voorbeeld van een staalmortelcombinatie, die kan blootgesteld worden aan gelijkaardige corrosieprobelemen als de betonwapening, indien de dekvloer te vaak bevochtigd wordt (infiltratie van water, overstromingen, …) en indien de leidingen niet voorzien

zijn van een doeltreffende, ononderbroken bescherming die aan de leidingen vasthecht [39]. Of het nu in contact staat met de atmosfeer, ondergedompeld is in water, ingegraven is in de bodem of bedekt is met beton, het staal moet weerstand kunnen bieden aan de aantasting door de talloze agressieve stoffen die onvermijdelijk in deze milieus aanwezig zijn. Als uit het onderzoek van de omgeving van het bouwwerk blijkt dat er een hoge corrosiviteit heerst, dient men rekening te houden met de progressieve aantasting van het staal en met de noodzaak om het bouwwerk regelmatig te onderhouden en te herstellen, tenzij men gebruik maakt van een specifieke corrosiebestendige staalsoort of er bijzondere maatregelen getroffen werden om het staal te beschermen tegen corrosie. Er zijn veel beschermingsmaatregelen mogelijk en hun keuze is afhankelijk van tal van factoren. Zo kan men de staaldikte verhogen, het staal van zijn omgeving isoleren of er een beschermende afwerking op aanbrengen. Deze en andere maatregelen zullen besproken worden in het tweede deel van dit artikel. De staalsoorten, hun samenstelling en hun specifieke eigenschappen worden hierna beschreven, opdat men een doordachte staalkeuze zou kunnen maken, afhankelijk van de corrosiviteit van het milieu waarin het staal toegepast zal worden. 3 Staal, een veelzijdig materiaal, mits een goede keuze 3.1 IJzer, koolstof

Specifieke elementen (behalve C, P, S en N) Al B Bi Co Cr Cu La

Aluminium Boor Bismut Kobalt Chroom Koper Lanthaniden (individueel genomen) Mn Mangaan Mo Molybdeen Nb Niobium Ni Nikkel Pb Lood Se Selenium Si Silicium Te Tellurium Ti Titanium V Vanadium W Wolfraam Zr Zirkonium Andere (individueel genomen)

Grenswaarde in % gewicht 0,30 0,0008 0,10 0,30 0,30 0,40 0,10 1,65 0,08 0,06 0,30 0,40 0,10 0,60 0,10 0,05 0,10 0,30 0,05 0,10

Staal wordt verkregen door de omzetting van ijzer, in aanwezigheid van koolstof, dat in verschillende hoeveelheden toegevoegd wordt (tot ongeveer 2 %). Als het koolstofgehalte lager is dan 0,10 %, spreekt men van staal met zeer laag koolstofgehalte. Als het koolstofgehalte daarentegen schommelt tussen 2 en 6 % heeft men het over gietijzer. Het koolstofgehalte heeft een rechtstreekse invloed op de staaleigenschappen. Naarmate het minder koolstof bevat, zal het plastischer en makkelijker smeedbaar zijn. Als het veel koolstof bevat, zal het daarentegen harder en sterker zijn. In tegenstelling tot gietijzer is staal dus ductiel : men kan het makkelijk vormgeven door het koud samen te persen. Staal kan ook andere chemische elementen bevatten die voortkomen uit onzuiverheden (zwavel, fosfor, …) of die bewust toegevoegd werden (silicium, nikkel, chroom, koper, mangaan, …) om de fysische (uitzettingscoëfficiënt), chemische (corrosiebestendigheid) of mechanische (elasticiteitsgrens, treksterkte) eigenschappen te verbeteren. Men heeft het over gelegeerd staal van zodra het een bepaal-

WTCB-Dossiers – 2006/4 – Katern nr. 6 – pagina 10

Lettend op het hoge aantal legeringselementen (19) en het nog grotere aantal combinatiemogelijkheden hiermee, zijn er een heleboel staalsoorten met verschillende fysische, mechanische en chemische karakteristieken in de handel beschikbaar. Daarom werd het nuttig geacht genormaliseerde systemen te ontwikkelen om deze correct te identificeren en in te delen. 3.2 Indeling

en aanduiding van de staal-

soorten

De norm NBN EN 10020 [3] stelt een indeling van de staalsoorten voor aan de hand van hun chemische samenstelling en hun belangrijkste kwaliteitsklasse. Deze laatste wordt gedefinieerd volgens de specifieke karakteristieken van de staalsoorten die hen de mogelijkheid bieden te beantwoorden aan de typische eisen van een bepaalde toepassing. Tabel 9 (p. 11) geeft een opsomming van de verschillende klassen van staalsoorten, preciseert de belangrijkste voorschriften die van toepassing zijn op elke klasse en geeft enkele toepassingsvoorbeelden.

en legeringselemen-

ten

Tabel 8 Grenswaarden voor de specifieke elementen waarmee men een onderscheid kan maken tussen ongelegeerd en gelegeerd staal [3].

de hoeveelheid andere elementen dan koolstof, ijzer, zwavel, fosfor en stikstof bevat. Dit gehalte is voor elk element verschillend (tabel 8). Indien geen enkel van de toegevoegde elementen een gehalte groter dan 5 % vertoont, zegt men dat het staal zwak gelegeerd is. Indien het tegengestelde waar is, is het sterk gelegeerd. Ongelegeerde staalsoorten waarbij geen enkele waarde uit tabel 8 bereikt wordt, worden vaak verkeerdelijk aangeduid als carbonstaal.

De norm NBN EN 10027-1 [6] herneemt deze twee indelingsklassen (volgens de karakteristieken en volgens de chemische samenstelling) en stelt twee symbolische aanduidingssystemen voor staal voor, aan de hand van alfanumerieke tekens : • klasse 1 : staalsoorten, aangeduid volgens hun gebruik en hun mechanische of fysische eigenschappen • klasse 2 : staalsoorten, aangeduid volgens hun chemische samenstelling. 3.2.1 Klasse 1 De staalsoorten worden aangeduid door middel van hoofdsymbolen die afhankelijk zijn van hun gebuik en hun mechanische of fysische eigenschappen. Aan deze aanduiding kunnen bijkomende symbolen toegevoegd worden om het staal nader te definiëren. Deze symbolen beschrijven andere karakteristieken van het staal of van het stalen product, zoals zijn breukenergie, zijn staat van levering (genormaliseerd, veredeld, …), zijn bijzondere technologische eigenschappen (afstemming op een bepaalde afwerking, geschiktheid tot koudvervorming, weerstand tegen slechte weersomstandigheden, …) en het toegepaste

Uit de praktijk

afwerkingstype (galvanisering, elektroverzinking, …). De betekenis van de symbolen is gedetailleerd weergegeven in tabel 10 (p. 12). Tabel 11 (p. 12) geeft enkele voorbeelden van de symbolische aanduiding van verschillende staalsoorten. 3.2.2 Klasse 2 De staalsoorten kunnen ook aangeduid worden aan de hand van hun chemische samenstelling. Tabel 12 (p. 13) geeft de betekenis van de verschillende gebruikte symbolen, terwijl tabel 13 (p. 14) enkele voorbeelden geeft van de symbolische aanduiding van diverse staalsoorten. In de norm wordt bovendien vermeld dat : • de symbolische aanduiding, indien het vormgietstaal betreft, voorafgegaan moet worden door de letter G • de symbolische aanduiding, indien het staal afkomstig is uit de poedermetallurgie, voorafgegaan moet worden door de letters PM.

Deel 2 van de norm NBN EN 10027 [7] stelt tenslotte een numeriek systeem voor om de staalsoorten aan te duiden, dat gekend is als het systeem van de staalnummers. Dit numerieke systeem vormt een aanvulling op de hiervoor beschreven symbolische aanduidingssystemen. Een Europees Registratiebureau is belast met de toekenning en het beheer van deze staalnummers. De structuur van de staalnummers wordt beschreven in afbeelding 11 (p. 14). 3.3 Het

voorschrijven en de keuze van

de staalsoort

De contractuele documenten, de bestekken en andere projectspecificaties duiden het staal gewoonlijk aan met de symbolen uit de norm NBN EN 10027-1, die verkozen wordt boven de norm NBN EN 10027-2. De talrijke reeds gepubliceerde productnormen identificeren de toe te passen staalsoorten daarentegen zowel door hun symbolische aanduidingen als door hun numerieke aanduiding. Ze laten de keuze van het aanduidingssysteem echter over aan de koper.

Verder willen we erop wijzen dat de symbolische aanduiding van de toe te passen staalsoorten in de productnormen gespecificeerd wordt volgens een van beide voornoemde categorieën, afhankelijk van het producttype en zijn toepassing. Voor platen en corrosiebestendige roestvrije stalen banen gebruikt de norm NBN EN 10088-2 [9] bijvoorbeeld de symbolische aanduiding die gebaseerd is op de chemische samenstelling, terwijl de zes normen uit de reeks NBN EN 10025 [4] voor warmgewalste producten uit constructiestaal de symbolische aanduiding volgens de toepassing en de mechanische of fysische karakteristieken gebruiken. De keuze van de staalsoort die moet voorgeschreven worden voor een gegeven bestemming, moet niet enkel gebeuren aan de hand van de eisen die gesteld worden door de toepassing (mechanische sterkte van het staal), maar ook lettend op de uitvoeringseigenschappen van het staal (lasbaarheid, …), zijn beschikbaarheid en zijn kostprijs. Eén van de eisen die verband houden met de toepassing, ligt onder andere in de controle van de resultaten van de beoorde-

Tabel 9 Indeling van de staalsoorten volgens de norm NBN EN 10020 [3]. Indeling volgens de kwaliteitsklasse Indeling volgens de chemische samenstelling

Speciale staalsoorten

Kwaliteitsstaalsoorten

Dankzij hun bijzondere chemische samenstelling en uitvoerings- en controlevoorwaarden vertonen deze staalsoorten verbeterde eigenschappen, waardoor ze aan strenge eisen kunnen voldoen

Staal dat voldoet aan eisen op het vlak van breukweerstand, korrelgrootte en/of vervormbaarheid

Ongelegeerde speciale staalsoorten :

Ongelegeerde staalsoorten Geen enkele grenswaarde uit tabel 8 werd bereikt

Ongelegeerde kwaliteitsstaalsoorten

- staalsoorten met een grotere zuiverheid (zeer laag gehalte aan niet-metallische inclusies) - Staalsoorten die doorgaans bestemd zijn voor veredelstaal of voor een oppervlakkige harding - staalsoorten met zeer hoge of lage vervormingsweerstands- of hardbaarheidswaarden, soms in combinatie met het vermogen tot koudvervorming, lasbaarheid of breukweerstand Bv. : staal voor voorspanwapening

Andere gelegeerde kwaliteitsstaalsoorten, waaronder : Andere gelegeerde staalsoorten Staal dat niet roestvrij is en waarvoor minstens een van de grenswaarden uit tabel 8 bereikt werd

- lasbaar staal met fijne korrels voor constructiedoeleinden - staal voor rails, damwandplanken en mijnkaders - staal voor platte warmgewalste of koudgevormde producten voor veeleisende toepassingen met koude vormgeving

Andere speciale gelegeerde staalsoorten, waaronder : - gelegeerde staalsoorten voor mechanische constructies - staal voor apparaten onder druk of die verrold moeten worden - staal voor werktuigen, …

Roestvrije staalsoorten Roestvrije staalsoorten Staalsoorten die minstens 10,5 % chroom en maximum 1,2 % koolstof bevatten

De staalsoorten worden ingedeeld volgens : • hun nikkelgehalte (Ni < 2,5 % of Ni ≥ 2,5 %) • hun bijzondere karakteristieken : - corrosiebestendigheid - weerstand tegen oxidatie bij hoge temperatuur - kruipweerstand



Voorbeelden voor de staalsoort Y : Y1770, Y1230 (prEN 10138-2 en 4)

Voor de staalsoort Y : nnn = 3 cijfers die overeenstemmen met de nominale treksterkte (in MPa) + de volgende symbolen voor staal met fijne korrels : A = precipitatiehardend M = thermomechanisch walsen N = genormaliseerd of normaliserend walsen Q = veredeld G = andere karakteristieken

Soms kunnen voor groep 2 twee symbolen nodig zijn.

Voor de staalsoort S : 2 alfanumerieke tekens die overeenstemmen met de breukenergie bij buiging bij een gegeven proeftemparatuur J : 27 joules K : 40 joules L : 60 joules R : bij 20 °C 0 : bij 0 °C 2 : bij -20 °C 3 : bij -30 °C 4 : bij -40 °C 5 : bij -50 °C 6 : bij -60 °C

De symbolen uit groep 2 kunnen een numeriek suffix hebben om verschillende kwaliteiten te onderscheiden volgens de van toepassing zijnde productnorm.

Voor de staalsoort S : C = speciaal koudgevormd D = warmverzinkt E = emaillering F = gesmeed M = hol profiel L = lage temperatuur M = thermomechanisch walsen N = genormaliseerd of normaliserend walsen P = damwand Q = veredeld S = scheepsbouw W = bestand tegen slechte weersomstandigheden an = chemisch symbool van de legeringselementen + een cijfer dat het gehalte van dit element weergeeft.

Groep 2

Groep 1

Voor staal

Bijkomende symbolen

Symbolen die een behandelingsvoorwaarde aangeven : +AR = ruwe walstoestand +N = genormaliseerd of normaliserend walsen +P = precipitatiehardend +Q = gehard +QA = gehard in de lucht.

Symbolen die het type afwerking aangeven : +Z = zinkafwerking door warme onderdompeling (verzinking) +ZE = elektrolitische zinkafwerking (elektroverzinking) +OC = organische afwerking

Symbolen die bijzondere eisen uitdrukken voor stalen producten : +CH = hardbaarheid tot in de kern +H = hardbaarheid.

De volgende symbolen worden van de voorgaande symbolen gescheiden door een ‘+’-teken

Voor stalen producten

S275JR S355K2C E360 S235J2W+AR S355J0W+N

S460Q S620QL S890QL1

Ongelegeerd constructiestaal

Constructiestaal met verbeterde weerstand tegen atmosferische corrosie

Constructiestaal met hoge elasticiteitsgrens in veredelde toestand Controle van de buigenergiewaarde door schokken : Kwaliteit Q : bij -20 °C Kwaliteit QL : bij -40 °C Kwaliteit QL1 : bij -60 °C

Staalsoort

Aanduiding

NBN EN 10025-6

NBN EN 10025-5

NBN EN 10025-2

Van toepassing zijnde productnorm [34]

Tabel 11 Voorbeelden van de symbolische aanduiding van staalsoorten volgens hun gebruik en hun mechanische of fysische karakteristieken.

Indien het gaat om een element uit vormgietstaal wordt de aanduiding voorafgegaan door de letter G�� : G �� vormgietstaal

Voor de staalsoorten S, P, E, L of B : nnn = 3 cijfers die overeenstemmen met de minimale waarde (gespecificeerd in de van toepassing zijnde productnorm) van de elasticiteitsgrens (in MPa), voor het gamma met de geringste dikte.

S �� staal voor metalen constructies P �� staal voor apparaten onder druk E �� staal voor mechanische constructies L �� staal voor leidingbuizen B �� staal voor beton Y �� staal voor voorgespannen beton D �� plat product voor koudvervorming H �� plat product met hoge sterkte voor koudvervorming

Voorbeelden voor de staalsoort S : S185, S235, S275, S355 of S450 (NBN EN 10025-2)

Mechanische karakteristieken

Toepassingsgebied, aangeduid door een letter

Hoofdsymbolen

Tabel 10 Betekenis van de symbolische aanduiding van staalsoorten volgens hun gebruik en hun mechanische of fysische karakteristieken [6].

Uit de praktijk

Bijkomende symbolen

Hoofdsymbolen

C = koudgevormd D = voor trekdraden E = met het maximaal gespecificeerde zwavelgehalte R = met een gespecificeerd gamma zwavelgehalten S = voor veren U = voor werktuigen W = voor draden voor laselektroden G = andere

an = chemisch symbool van het gespecificeerde legeringselement + een enkel cijfer dat 10 x het gemiddelde van het gespecificeerde gamma van het gehalte van dat element weergeeft

Groep 1

Groep 2

–

Factor 4 : Cr, Co, Mn, Ni, Si, W Factor 10 : Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr Factor 100 : Ce, N, P, S Factor 1000 : B a = chemisch symbool, gescheiden door een streepje, dat een legeringselement aangeeft waarvan het gehalte begrepen is tussen 0,2 en 1,0 %, gevolgd door : n = 10 x het gespecificeerde gehalte voor het legeringselement

n-n : gemiddeld gehalte in %, afgerond tot op het dichtstbijzijnde geheel, van de legeringselementen, gescheiden door streepjes en in dalende volgorde

a = chemisch symbool van de legeringselementen in dalende volgorde van hun gehalte n-n = veelvouden, door een gehele factor van het gemiddelde gehalte, in %, van de legeringselementen, gescheiden door een streepje en in dalende volgorde

+N : genormaliseerd of normaliserend walsen

+R : precipitatiehardend

Symbolen die een behandelingsvoorwaarde aanduiden

Symbolen die de bijzondere eisen aangeven voor stalen producten Voorbeelden : +CH = hardbaarheid tot in de kern +H : hardbaarheid

Voorbeelden : +AR : ruwe walstoestand

–

X Roestvrije staalsoorten en andere gelegeerde staalsoorten (met uitzondering van snelstaalsoorten) waarbij het gehalte van minstens een van de legeringselementen ≥5%

a = chemisch symbool van het (de) element(en) waarvan het gehalte hoger is (in het geval van dezelfde staalsoort)

n-n = gemiddelde gehalten, in %, afgerond tot op het dichtstbijzijnde geheel, van de legeringselementen, gescheiden door streepjes en in de volgende volgorde : •� wolfraam �� (W) •�� molybdeen (Mo) •�� vanadium (V) •�� kobalt (Co)

–

HS Snelstaal (staal dat voornamelijk gebruikt wordt voor fabricage en vorming en dat door zijn chemische samenstelling de hoogste hardheid en sterkte vertoont na harding op hoge temperatuur, tot 600 °C)

+Q : gehard

–

+QA : gehard in de lucht

De volgende symbolen worden gescheiden van de andere symbolen en voorafgegaan door een ‘+’-teken

–

Voor stalen producten

Geen enkele letter Ongelegeerde staalsoorten met een mangaangehalte ≥ 1 %, ongelegeerd automatenstaal en gelegeerd staal (met uitzondering van snelstaal) waarbij het gehalte aan elk element <5%

nnn = 100 x het gemiddelde gespecificeerde koolstofgehalte, uitgedrukt in %

C Ongelegeerde staalsoorten (met uitzondering van automatenstaal) met een gemiddeld mangaangehalte < 1 %

Legeringselementen

Koolstofgehalte

Soorten chemische samenstelling

Tabel 12 Betekenis van de symbolische aanduiding van de staalsoorten volgens hun chemische samenstelling [6].

Uit de praktijk


Uit de praktijk

Tabel 13 Voorbeelden van de symbolische aanduiding van staalsoorten volgens hun chemische samenstelling. Staalsoort

Aanduiding

Van toepassing zijnde productnorm

C20D C35E C85S

NBN EN 10016-2 NBN EN 10083-1 NBN EN 10132-4

13CrMo4-5 27MnCrB5-2

EN 10028-2 NBN EN 10083-3

X10CrNi18-8 X5CrNiCuNb16-4

NBN EN 10088-2 NBN EN 10088-2

HS2-9-1-8 HS6-5-2C

NBN EN ISO 4957 NBN EN ISO 4957

Ongelegeerde staalsoorten (C)

Ongelegeerde staalsoorten, waarbij het gehalte van elk van de elementen < 5 % Roestvrije staalsoorten (X) Snelstaalsoorten (HS)

Afb. 11 Structuur van de staalnummers [7]. 1.

XX

XX Rangnummer (willekeurig) Nummer van de staalgroep die overeenstemt met de indeling van het staal volgens de norm NBN EN 10020 en dat opgenomen is in de norm NBN EN 10027-2 Nummer van de materiaalgroep (1 = staal, aan andere materialen kunnen andere nummers toegekend worden)

Voorbeelden :

numerieke aanduiding

symbolische aanduiding

1.4542 1.8959

X5CrNiCuNb16-4 S355JOW

ling van het corrosierisico van het metaal in zijn toepassingsmilieu (zie § 2). De keuze kan veiligheidshalve gericht worden op staalsoorten die, door hun chemische samenstelling, beter bestand zijn tegen slechte weersomstandigheden, oxidatie bij hoge temperatuur of corrosie. Deze specifieke staalsoorten worden hierna beschreven. 3.4 Gebruik

van specifieke gelegeerde

corrosiebestendige staalsoorten

3.4.1 Roestvrij staal Binnen de groep der gelegeerde staalsoorten vertoont roestvrij staal de gunstige eigenschap dat het corrosiebestendig is. Deze eigenschap zorgt ervoor dat deze staalsoort meer en meer geapprecieerd wordt door de voorschrijvers en de bouwheren. Roestvrij staal heeft echter nog talloze andere voordelen te bieden. Zo dragen de verschillende verschijningsvormen ervan (mat, glanzend, gepolijst, gegraveerd, gekleurd, …) bij tot de esthetiek van de bouwwerken en openen de goede mechanische karakteristieken, de recycleerbaarheid, de sanitaire kwaliteiten en de levensduur ervan perspectieven op het vlak van duurzame ontwikkeling [32]. In de bouw wordt roestvrij staal vaak aangewend voor buitentoepassingen zoals gevels of

daken, maar ook voor metaalwerken of voor binnendecoratie. Het is eveneens geschikt voor gebruik in waterleidingen, verwarmingsen koelinstallaties, rookafvoerbuizen, borstweringen, sloten of betonwapening. Roestvrije staalsoorten zijn per definitie gelegeerde staalsoorten die minstens 10,5 % chroom en hoogstens 1,2 % koolstof bevatten [3]. Deze legeringen vertonen een goede corrosiebestendigheid bij hoge en lage temperaturen, en dit in diverse milieus. Deze chemische weerstand kan toegeschreven worden aan de aanwezigheid van het chroom dat het staaloppervlak door passivering (d.i. de vorming van een dun laagje chroomoxide Cr2O3) beschermt. De uitdrukking ‘roestvrij staal’ is dus misleidend. Vanuit een wetenschappelijk oogpunt zou de benaming ‘passiveerbaar staal’ correcter geweest zijn. Ook de chemische elementen nikkel en molybdeen dragen hun steentje bij tot de corrosiebestendigheid van het staal. Laatstgenoemd element verbetert voornamelijk de corrosiebestendigheid in een chloorhoudend milieu. Er bestaan momenteel meer dan 100 soorten roestvrij staal, die naast de voornoemde elementen ook variërende hoeveelheden titanium, koper, tungsteen, niobium en stikstof bevatten. Deze stoffen kunnen het staal bijzondere ei-


van toepassing zijnde productnorm NBN EN 10088-2 NBN EN 10025-5

genschappen verlenen. De gecombineerde werking van de legeringselementen verhoogt niet alleen de oxidatiebestendigheid, maar kan ook de andere eigenschappen zoals de lasbaarheid en de mechanische sterkte ten goede komen. Zo verbetert tungsteen het gedrag van staal bij hoge temperaturen en zorgt titanium ervoor dat de constructie niet verweert bij laswerken. 3.4.1.1 Vijf microstructuurfamilies De norm NBN EN 10088-1 [8], die tegenwoordig een groot aantal nationale normen vervangt, onderscheidt vijf families roestvrij staal, afhankelijk van hun microstructuur : • ferritische en semi-ferritische staalsoorten : dit staal is bestand tegen atmosferische oxidatie en oxiderende oplossingen en is geschikt voor toepassingen bij hoge temperatuur. Het is magnetisch, niet-verhardend en heeft een zwakke lasbaarheid • martensitische staalsoorten : dit staal kan thermisch behandeld worden (gehard, …) zodat het goede mechanische sterkte-eigenschappen krijgt. Het is magnetisch, zeer stijf en sterk, maar ook schokgevoelig en moeilijk lasbaar. Deze staalsoort wordt vooral gebruikt voor het maken van gereedschap, snijwerktuigen en veren en is doorgaans minder corrosiebestendig dan ferritisch staal

Uit de praktijk

• precipitatiehardende staalsoorten : het gaat hier om austenitisch en martensitisch staal dat bijzondere toevoegsels bevat en dat verbeterde mechanische eigenschappen vertoont door de precipitatie van verhardende bestanddelen. Het heeft een goede corrosiebestendigheid • austenitische staalsoorten : dit staal wordt het vaakst gebruikt (70 % van de mondiale productie) omwille van zijn uitstekende corrosiebestendigheid, zijn goede ductiliteit (vergelijkbaar met deze van koper) en zijn uitstekende vervormbaarheids- en lasbaarheidseigenschappen. Het kan niet verhard worden, maar kan wel een zekere hardheid verkrijgen als het koud gesmeed wordt. Het is niet-magnetisch en wordt gebruikt in zowat 90 % van alle toepassingen in de bouw [22] • austeno-ferritische staalsoorten (duplex) : dit staal vertoont een hogere mechanische sterkte dan austenitisch staal. Het heeft een goede corrosiebestendigheid onder spanning. Wat de austenitische staalsoorten betreft, worden de types zonder molybdeen het vaakst toegepast. Ze vormen immers een goed compromis tussen de kostprijs en de corrosiebestendigheid.

Tabel 14 Groep der corrosiebestendige roestvrije staalsoorten. Groep

Ni-gehalte

Molybdeen

Speciale toevoegsels

1.40xx

< 2,5 %

Zonder Mo

Geen

1.41xx

< 2,5 %

Met Mo

Geen

1.43xx

> 2,5 %

Zonder Mo

Geen

1.44xx

> 2,5 %

Met Mo

Geen

1.45xx en 1.46xx

–

–

Ti, Nb, Cu, …

Tabel 15 Chemische samenstelling van corrosiebestendige roestvrije staalsoorten (gehalten in massa %). Familie

Koolstof

Chroom

Nikkel

Molybdeen

Ferritisch

0,025 tot 0,08 %

10,5 tot 30 %

0 tot 1,6 %

Tot 4,5 %

Martensitisch + Precipitatiehardend

Tot 1,2 %

11,5 tot 19 %

Tot 7,8 %

Tot 2,8 %

Austenitisch

Tot 0,15 %

16 tot 28 %

3,5 tot 35 %

Tot 8 %

Austeno-ferritisch

0,03 tot 0,05 %

21 tot 28 %

3,5 tot 8 %

0,1 tot 4,5 %

Tabel 16 Overeenstemming tussen de aanduiding van de roestvrije staalsoorten. Familie

Aanduiding uit NBN EN 10027-1

Aanduiding uit NBN EN 10027-2

AISI-aanduiding (US)

Ferritisch

1.4016 1.4510 1.4521

X6Cr17 X3CrTi17 X2CrMoTi18-2

430 439 444

Martensitisch

1.4542 1.4057 1.4034

X5CrNiCuNb16-4 X17CrNi16-2 X46Cr13

630 431 420

Austenitisch

1.4301 1.4307 1.4401 1.4404 1.4571 1.4305

X5CrNi18-10 X2CrNi18-9 X5CrNiMo17-12-2 X2CrNiMo17-12-2 X6CrNiMo17-12-2 X8CrNiS18-9

304 304L 316 316L 316Ti 303

Austeno-ferritisch (duplex)

1.4362 1.4462

X2CrNiN23-4 X2CrNiMoN22-5-3

323 F51 (329LN)

3.4.1.2 Drie klassen gebruikskenmerken De norm NBN EN 10088-1 gebruikt de symbolische en numerieke aanduidingen uit de normen NBN EN 10027-1 [6] en 10027-2 [7] en deelt de staalsoorten in volgens hun gebruikskenmerken : • de corrosiebestendige staalsoorten behoren tot de zes groepen die opgenomen zijn in tabel 14. Tabel 15 geeft een overzicht van de mogelijke chemische samenstellingen van de corrosiebestendige roestvrije staalsoorten, volgens hun microstructuurfamilie • de vuurvaste staalsoorten maken deel uit van de staalgroepen 1.47xx of 1.48xx. Hoewel de meeste roestvrije staalsoorten bestand zijn tegen aanzienlijke temperaturen, is het gebruik van vuurvaste staalsoorten zelfs mogelijk bij de hoogste temperaturen. Deze staalsoorten zijn immers bestand tegen de effecten van hete gassen en tegen verbrandingsproducten bij temperaturen van meer dan 550 °C • de kruipbestendige staalsoorten, opgenomen in groep 1.49xx zijn staalsoorten met een goede weerstand tegen vervormingen onder langdurige mechanische belastingen bij hoge temperaturen. 3.4.1.3 De Amerikaanse classificatie : nog altijd in gebruik Hoewel de codes, opgesteld door het American Iron and Steel Institute (AISI) minder precies zijn dan de Europese aanduidingen,

worden ze dikwijls gebruikt. Zo komt een inox AISI 316L (L staat voor low carbon) volgens de Europese norm minstens overeen met twee staalsoorten (X2CrNiMo 18-14-3 en X2CrNiMo 17-12-2), waarbij één ervan corrosiebestendiger is omwille van haar hogere chroom- en nikkelgehalte. Tabel 16 geeft enkele overeenstemmingen tussen de Europese classificatie en het AISI-systeem. De roestvrije staalsoorten die het vaakst gebruikt worden in de bouw zijn : • austenitische staalsoorten met chroom-nikkel 1.4301 en 1.4307 (of 304 en 304L volgens de AISI-code). Deze hebben een verbeterde corrosiebestendigheid en worden dikwijls gebruikt voor de buiten- en binneninrichting van gebouwen in een normale stedelijke omgeving • austenitische staalsoorten met chroom-nikkel-molybdeen 1.4401 en 1.4404 (of 316 en

316L volgens de AISI-code). Deze worden vooral aangewend in agressieve milieus. Ze zijn vergelijkbaar met de vorige staalsoorten, maar dankzij hun molybdeengehalte bieden ze eveneens weerstand aan de chemische aantasting door chloriden, zodat ze geschikt zijn voor gebruik in de kuststreek, in indus triegebieden en in de funderingen van gevels die blootstaan aan dooizoutafzettingen • ferritische staalsoorten met chroom 1.4510 en 1.4016 (of 439 en 430 volgens de AISIcode). De eerste soort wordt gebruikt in daken en wordt bekleed met een laagje tin. De tweede soort is geschikt voor binnentoepassingen in samenstellingen zonder lassen [22]. De roestvrije staalsoorten die gebruikt kunnen worden voor de betonwapening kwamen aan bod in een vorig artikel uit WTCB-Contact [35].


Uit de praktijk

3.4.2 Weersbestendig constructiestaal Op het gebied van corrosiebestendigheid onderscheidt men niet alleen de roestvrije staalsoorten. Er bestaat ook weersbestendig constructiestaal, zoals gedefinieerd door de norm NBN EN 10025-5 [5]. Dergelijke staalsoorten worden aangeduid door de letter W (bijkomend symbool volgens de norm NBN EN 10027-1). Het gaat hier om staal waaraan bepaalde legeringselementen (zoals chroom en koper) werden toegevoegd om hun bestendigheid tegen atmosferische corrosie te verhogen door de vorming van een zeer dicht beschermingslaagje van oxiden op het basismetaal onder invloed van de weersomstandigheden. Deze staalsoorten worden ook wel ‘pa-

tineerbare staalsoorten’ of ‘zelfbeschermende staalsoorten’ genoemd. Ze worden niet alleen toegepast uit esthetische overwegingen, maar ook om economische redenen : ze vergen immers geen onderhoud. De bescherming die geboden wordt door deze staalsoorten is echter rechtstreeks afhankelijk van de omgevingsvoorwaarden op de bouwplaats. Een opeenvolging van droge en vochtige perioden is bevorderlijk voor de vorming van het beschermende oxidelaagje op het basismetaal. Deze staalsoorten zijn echter niet geschikt voor volledig ondergedompelde of ingegraven toepassingen, noch voor binnentoepassingen of constructies die dikwijls in contact komen met dooizouten.

De keuze van een corrosiebestendige staalsoort hangt voornamelijk af van de weers- en omgevingsomstandigheden, van het architecturale ontwerp, van het gewenste uitzicht aan het oppervlak en van de onderhoudsfrequentie. Deze keuze moet geval per geval gebeuren, rekening houdend met het feit dat de lange levensduur en de lage onderhoudsfrequentie uiteindelijk de globale kostprijs van het bouwwerk kunnen verminderen, zodat de return on investment groter wordt. In het tweede deel van dit artikel, dat weldra zal verschijnen, gaan we dieper in op de verschillende manieren waarop men staal kan beschermen tegen corrosie. n

t

Literatuurlijst

1. Apers J., Desmyter J. en Pollet V. Nieuwe normen voor beton. Deel 1 : nieuwe versie van de norm NBN B 15-001. Brussel, �� WTCB-Dossiers, nr. 2004/3.4. 2. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 206-1 Beton. Deel 1 : specificatie, eigenschappen, vervaardiging en conformiteit. Brussel, BIN, 2001. 3. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 10020 Definitie en indeling van staalsoorten. Brussel, BIN, 2000. 4. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 10025 Warmgewalste producten van constructiestaal. Brussel, BIN, 2005. 5. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 10025-5 Warmgewalste producten van constructiestaal. Deel 5 : technische leveringsvoorwaarden voor weerbestendig constructiestaal. Brussel, BIN, 2004. 6. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 10027-1 Systemen voor het aanduiden van staalsoorten. Deel 1 : aanduiding met symbolen. Brussel, BIN, 2005. 7. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 10027-2 Systemen voor het aanduiden van staalsoorten. Deel 2 : numeriek systeem. Brussel, BIN, 1992. 8. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 10088-1 Corrosievaste staalsoorten. Deel 1 : lijst van corrosievaste staalsoorten. Brussel, BIN, 2005. 9. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 10088-2 Corrosievaste staalsoorten. Deel 2 : technische leveringsvoorwaarden voor plaat en band van corrosievast staal voor algemeen gebruik. Brussel, BIN, 2005. 10. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 12500 Corrosiebescherming van metallieke materialen. Corrosiewaarschijnlijkheid in een atmosferische omgeving. Indeling, bepaling en schatting van de corrosiviteit in een atmosferische omgeving. Brussel, BIN, 2000. 11. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 12501-1 Corrosiebescherming van metallieke materialen. Corrosiewaarschijnlijkheid in de bodem. Deel 1 : algemeen. Brussel, BIN, 2003. 12. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 12501-2 Corrosiebescherming van metallieke materialen. Corrosiewaarschijnlijkheid in de bodem. Deel 2 : laag-gelegeerd en nietgelegeerd ijzer en staal, BIN, 2003. 13. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN 12502 Bescherming van metalen tegen corrosie. Richtlijn voor het beoordelen van de waarschijnlijkheid van corrosie in wateropslag- en waterverdelingssystemen. Brussel, BIN, 2005. 14. Belgisch Instituut voor Normalisatie NBN EN ISO 8044 Corrosie van metalen en legeringen. Basistermen en definities (ISO 8044:1999). Brussel, BIN, 2000. (vervolg op p. 17)


Uit de praktijk

t

Literatuurlijst (vervolg)

15. Béranger G. en Mazille H. Corrosion des métaux et alliages : mécanismes et phénomènes. Parijs, Editions Lavoisier, Hermes Science Publications, 2002. 16. Bouillette J.-P. Protection des constructions en acier contre la corrosion. Parijs, Techniques de l’ingénieur, vol. 4, nr. C 2 505, 1983. 17. Centre français de l’anticorrosion Les différentes formes de corrosion aqueuse. Parijs, CEFRACOR, cours nr. 4. 18. Centre français de l’anticorrosion Matériaux métalliques : phénomènes de corrosion. Partie IV : les différentes formes de corrosion aqueuse. Parijs, CEFRACOR. 19. Chantereau J. Corrosion bactérienne. Bactérie de la corrosion. Parijs, Technique et documentation, Lavoisier, 1980. 20. Cresson R., Gudin T. en Tache G. Corrosion et protection des métaux dans le bâtiment. Parijs, Centre d’assistance technique et de documentation, 1998. 21. Dagbert C., Compere C. en Feron D. Biodétérioration des matériaux. Prévention et lutte contre la corrosion : une approche scientifique et technique. Presses polytechniques et universitaires romanes, 2004. 22. Euro-Inox Le bon usage de l’inox dans le bâtiment. Brussel, Euro-Inox, 2002-2003, www.euro-inox.org. 23. Europese Raad Richtlijn 98/83/EG van de Raad van 3 november 1998 betreffende de kwaliteit van voor menselijke consumptie bestemd water. Brussel, Officieel publicatieblad van de Europese Gemeenschappen, nr. L330, 5 december 1998. 24. Feugeas F., Magnin J.P., Cornet A. en Rameau J.J. Corrosion influencée par les microorganismes, influence du biofilm sur la corrosion des aciers, techniques et résultats récents. France, Journal de Physique III, 1997. 25. GLS Agressivité et corrosivité. Toussus-le-Noble, GLS, Mémotec 17, 2006. 26. Huffman H. en Johnson J. Corrosion des goussets d’assemblage de fermes de toit dans les bâtiments d’élevage. Ontario, Ministère de l’agriculture, de l’alimentation et des affaires rurales, februari 1994. 27. International Organization for Standardization ISO 9223 Corrosion of metals and alloys. Corrosivity of atmospheres. Classification. Genève, ISO, 1992. 28. International Organization for Standardization ISO 9224 Corrosion of metals and alloys. Corrosivity of atmospheres. Guiding values for the corrosivity categories. Genève, ISO, 1992. 29. Ismail K.M., Gehrig T., Jayaraman A., Wood T.K., Trandem K., Arps P.J. en Earthman J. C. Corrosion Control of mild steel by aerobic bacteria under continuous flow conditions. Houston, NACE International, Corrosion, vol. 58, nr. 5, 2002. 30. Legrand L., Poirier G. en Leroy P. Les équilibres carboniques et l’équilibre calcocarbonique dans les eaux naturelles. Parijs, Editions Eyrolles, 1981. 31. Little B. en Ray R. A perspective on corrosion inhibition by biofilms. Houston, NACE �� International, Corrosion, vol. 58, nr. 5, 2002. 32. Moulinier F. Contribution du choix des matériaux de construction au développement durable, positionnement des inox. Luxemburg, 7ième Congrès International pour la protection contre la corrosion, 30 mei - 2 juni 2006. 33. Neville A.M. Propriété des bétons. Parijs, Éditions Eyrolles, 2000. 34. PERMO La pratique de l’eau. Parijs, Editions du Moniteur, 1981. 35. Pollet V. en Jacobs J. Gebruik van roestvrij staal in beton. Brussel, WTCB, WTCB-Contact, nr. 12, 4e trimester 2006. 36. Raharinaivo A., Arliguie G., Chaussadent T., Grimaldi G., Pollet V. en Taché G. La corrosion et la protection des aciers dans le béton. Parijs, Presse de l’école nationale des Ponts et Chaussées (ENPC), 1998. 37. Schaerlaekens S. en Vyncke J. Staalvezelbeton. Deel 2 : specifieke eigenschappen vergen aangepast ontwerp. Brussel, WTCB-Tijdschrift, 2000/4. 38. Sereda P. J. Corrosion atmosphérique des métaux. Digest de la construction au Canada. CNRC, CBD-170-F, december 1975. 39. Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf Dekvloeren. Deel 1 : materialen, prestaties, keuring. Brussel, WTCB, Technische Voorlichting, nr. 189, 1993.


Staal in de bouw Deel 1 : Corrosiviteit van de milieus en staalsoorten

Recommend Documents