Het elektrochemische proces

Het wapeningsstaal in gezond beton is omhuld door een zeer dunne (nanometerschaal) passiveringslaag dat het onderliggende staal voor verdere corrosie behoedt. De passiveringslaag heeft een complexe opbouw en variabele samenstelling. Ter vereenvoudiging stellen we de passiveringslaag voor als van hematiet (chemisch aangeduid als [Fe2O3]; 'roest'). Hematiet is stabiel ('onoplosbaar') in een chloride-vrij, basisch milieu (bij pH≥10,5). In een zuurder milieu (bij een pH≤10) of bij aanwezigheid van voldoende chloride wordt dit hematiet instabiel (‘oplosbaar’) en wordt bij voldoende vocht en zuurstofaanbod door corrosie de wapening aangetast.

Een instabiel geworden passiveringslaag zet om naar een mengsel van oplosbare ijzeroxyden en hydroxyden volgens bijvoorbeeld de reactie tot limoniet [FeO(OH)]:

(4) Fe2O3 + H2O → 2FeO(OH)

Het wapeningsstaal is niet meer beschermd door een passiveringslaag en kan corroderen. Het ware corrosieproces is door de complexe samenstelling van de passiveringslaag meer gecompliceerd, en bestaat uit een groot aantal deelreacties waarin water en zuurstof [O2] eveneens een rol spelen. Het gevormde limoniet is een poreus (dus niet afsluitend en passiverend!) mengsel van een aantal ijzeroxyhydroxiden met verschillende kristalstructuren, met een zeker gehalte aan geadsorbeerd water. De gevormde corrosieproducten hebben op molaire basis een tot viervoudig volume ten opzichte van het oorspronkelijke ongecorrodeerde staal. Doordat de reactieproducten niet goed kristallijn zijn en een hoge porositeit bezitten, kan het uiteindelijke volume van het ‘roest’ wel tienvoudig zijn toegenomen ten opzichte van het oorspronkelijke uitgangsmateriaal staal. Daardoor neemt het volume van corroderende wapening sterk toe. De dekking scheurt en maakt de wapening nog beter voor water en zuurstof toegankelijk. Afhankelijk van de samenstelling van het aanwezige (porie-) water precipiteren de reactieproducten al dan niet ter plaatse. Het staal corrodeert volgens een elektrochemische reductiereactie waarbij tussen de reactanten elektronen uitgewisseld worden. Het betonstaal lost op volgens de reactie:

(5) 2Fe → 2Fe2+ + 4e

Deze reactie waarbij elektronen vrijkomen, vindt plaats aan een anodeplaats.

Elders aan de wapening vindt een complementaire oxydatie-reactie plaats, welke kan worden weergegeven door:

(6) O2 + 2H2O + 4e → 4OH

Deze reactie vindt plaats aan kathodeplaatsen van het wapeningsstaal en verbruikt elektronen. Netto worden door reactie (5) evenveel elektronen geproduceerd als er door reactie (6) geconsumeerd worden. De deelpotentialen van deze reacties kunnen gemeten worden. Corrosie van de wapening kan dan ook worden opgespoord door de activiteit van de reacties te bepalen met behulp van elektrische potentiaalmetingen.
Bij een door chloride geïnitieerde vorm van wapeningscorrosie is de anodeplaats meestal zeer klein. Dit is met name te wijten aan de intrinsieke heterogeniteit van beton, en eventueel aan het ongelijkmatig indringen van chloride. Lokale variaties in de chlorideconcentratie in het poriewater aan de passiveringslaag zijn aanleiding tot het ontstaan van domeinen met verschillende elektrochemische eigenschappen. Het chloride-houdende poriewater verbindt als goed geleidende elektrolyt deze domeinen, en dwingt de wapening plaatselijk als kathode, en elders als anode te reageren. Er ontstaan dus elektrochemische macrocellen in het beton. Op de anodeplaatsen treedt onder voldoende vochtaanbod zeer snelle aantasting van de passiveringslaag op volgens de reacties:

(7) α-Fe2O3 + Cl- + 4H2O + 3e- → Fe2OCl.2H2O + 4OH-

(8) Fe2OCl.2H2O + 3Cl- + H2O → 2FeCl2 + 2H2O + 2OH- + e-

(9) 2FeCl2 → 2Fe2+ + 4Cl-

(10) 2Fe2+ + 4H2O → 2Fe(OH)2 + 4H+

De situatie weergegeven door vergelijking (7) geeft het omslagpunt aan waarbij de passieve film instabiel wordt. De film wordt omgezet in ijzerchloride volgens (8), waarna het ijzerchloride in oplossing gaat (9). De ijzerionen worden omgezet in (mobiel) ijzerhydroxide (10). De totaal reactie wordt hiermee:

(11) α Fe2O3 + 3H2O + 2e- → 2Fe(OH)2 + 2OH-
De chloride heeft hierin een katalytische werking en wordt dus niet verbruikt. Het onderliggende wapeningsstaal komt nu snel bloot te liggen. Dit staal wordt nu niet meer door een passieve film beschermt. Het dan optredende corrosieproces verloopt via een aantal deelreacties:

(12) Fe + 2Cl- → FeCl2 + 2e-

(13) FeCl2 → Fe2+ + 2Cl-

(14) Fe2+ + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H+

(15) 2H+ + 2e- → H2 of 4H+ + O2 + 4e- → 2H2O

IJzerionen gaan bij dit corrosieproces in oplossing (12) en (13), waarbij chloride weer als katalysator dienst doet. De ijzerionen worden elders, maar meestal dichtbij de anodeplaats, omgezet in ijzerhydroxide (14). Hierbij daalt de pH plaatselijk zeer sterk. Bij de hoge pH gaat het ijzerhydroxide in oplossing en diffundeert het ijzerion weg om elders bij hogere pH weer ijzerhydroxide te vormen (bijvoorbeeld aan het betonoppervlak). Het ijzerhydroxide reageert met zuurstof tot roest.

Aangezien de hoge pH die ontstaat in reactie (14) zeer plaatsgebonden is, ontstaat er een lokaal zeer corrosief milieu (hoge pH en chloride-ionen). Voor het bewaren van elektroneutraliteit bij de vorming van de H+-ionen worden negatief geladen ionen (zoals chloride-ionen) selectief aangetrokken. Hierdoor wordt het corrosieproces versneld. Er ontstaat een putvormige aantasting van het wapeningsstaal door het plaatselijk zeer snel oplossen van het staal.

Anders dan bij carbonatatie is chloride-geïnitieerde corrosie niet per sé inherent aan een beton-pH≤10, al kan de pH lokaal (op de corrosieplaats) wel degelijk zeer laag zijn (tot pH≤5!). IJzerhydroxide lost gemakkelijk op in dit zure poriewater. Door afvoer van de corrosieproducten blijft volumetoename van de wapening beperkt. Opeenhoping van corrosieproducten met uiteindelijk scheurvorming en afdrukken van de dekking is dus veel geringer dan bij door carbonatatie geïnitieerde corrosie (bij gelijkblijvende hoeveelheid omgezet staal). De ernst van de corrosie voor de constructieve integriteit is echter bij chloride-geïnitieerde corrosie veel groter dan bij door carbonatatie geïnitieerde corrosie (bij gelijkblijvende hoeveelheid omgezet staal).

De aanwezigheid van een voldoende vocht en zuurstofaanbod is bindend voor het optreden van corrosie. Zonder deze twee stoffen kan het corrosieproces geen voortgang vinden. Eventueel aanwezig chloride fungeert bij corrosie als katalysator: het versnelt de reactie aanzienlijk, maar wordt zelf niet verbruikt. Ook andere elementen kunnen een katalytische dan wel inhibiterende invloed op de corrosiereacties hebben.

Terug naar Kathodische-Bescherming
Uw voordelen
Eén aanspreekpunt voor advies, herstel en monitoring
Betonproblemen worden controleerbaar
Garantieverzekering op uw betonherstel
Vrijblijvend meer informatie over Het elektrochemische proces!
Het aanvragen van informatie omtrent Het elektrochemische proces is geheel vrijblijvend. U kunt ook een gratis intake-gesprek aanvragen.
Vragen of opmerkingen over deze website? mail naar: info@eco-remain.nl
© Copyright 2002 / 2016 ECO REMAIN Kathodische Bescherming B.V.