Termen en definities
Anode: een elektrode van een geleidend en niet of nauwelijks aan oxidatie onderhevig materiaal, die is verbonden met de positieve pool van de voeding en op het betonoppervlak of in het beton wordt aangebracht (ICCP), dan wel juist een oxiderend materiaal dat meer elektronegatief is in het betreffende milieu dan de stalen delen zodat galvanische bescherming mogelijk is (GCP).
Toelichting
Vanuit de anode wordt via een elektrolyt (het vocht in het beton met de daarin aanwezige ionen) de beschermstroom toegevoerd aan de stalen delen. Hierdoor wordt de potentiaal van de stalen delen in het omringende beton negatiever, waardoor corrosie wordt onderdrukt.
Anodische stroomdichtheid: de stroom per eenheid anodeoppervlak, uitgedrukt in mA/m2anode.
Anodereactie: een chemische oxidatiereactie aan het grensvlak tussen de anode en het beton.
Toelichting
De anodereactie is meestal een verzuringsreactie rond het anodemateriaal: hierbij ontstaat zuurstofgas uit hydroxide of water (ICCP). Bij aanwezigheid van veel chloride in het poriewater in de nabijheid van de anode kan bij overbescherming ook chloorgas ontstaan. Bij galvanische anodes (GCP) is de anodereactie meestal de vorming van een metaalverbinding zoals een oxide of hydroxide,
Depolarisatie: het verschil in potentiaal van de stalen delen tussen de instant-off potentiaal en de potentiaal enkele uren tot typisch één dag later.
Toelichting
De depolarisatie is een maat voor de bescherming van de stalen delen tegen corrosie.
Depolarisatiesensor (DP, decay probe): Een elektrode van een metaal in het beton, waarmee de staalpotentiaal kan worden gemeten en die (in tegenstelling tot een referentie-elektrode) niet op een bekende en stabiele redoxreactie berust. Een depolarisatiesensor kan alleen betrouwbaar worden gebruikt voor metingen over ten hoogste 24 uur.
Galvanische anode: een elektrode van een meer elektronegatief, onedel, metaal (ten opzichte van staal in beton). Dit betreft voor beton gebruikelijk een zinkanode. Voor het verkrijgen van de bescherming van het staal in het beton is dan geen elektrische voeding nodig. De anode offert zich op om het staal te beschermen.
GCP: internationale aanduiding voor een kathodische beschermsysteem met galvanische opofferingsanoden.
ICCP: internationale aanduiding voor een kathodische beschermsysteem met opgedrukte stroom.
Instant-off potentiaal: de potentiaal van het staal gemeten op een tijdstip dat valt tussen het uitschakelen van de stroom en één seconde daarna.
Toelichting
De referentie-elektrode meet de potentiaal van het staal, maar wordt beïnvloed door de aanwezigheid van het elektrische veld in het beton. De fysieke afstand tussen referentie-elektrode en staal leidt daardoor tot een verhoging van de meetwaarde met een spanningsval die afhankelijk is van de stroomdoorgang en de weerstand van het tussenliggende beton (een zogenaamde Ohmse-spanningsval). Direct na het uitschakelen is deze verstoring op de meetwaarde weg en wordt een redelijk onverstoorde meetwaarde van de potentiaal van het staal verkregen.
Kathode: het staal, zoals de wapening, van de constructie en de overige daarmee elektrisch continue gemaakte metalen delen die met de negatieve pool van de voeding worden verbonden.
Kathodereactie: een chemische reductiereactie aan het grensvlak tussen kathode (staal / wapening) en beton.
Toelichting
De kathodereactie is meest gebruikelijk de vorming van hydroxide aan de stalen delen uit het daar aanwezige zuurstof en water. Bij overbescherming kan aan het staal waterstofgas uit water worden gevormd.
Kathodische bescherming (KB): een elektrochemische beschermingstechniek, waarbij een systeem (met opgedrukte stroom en/of galvanische opofferingsanoden) wordt geïnstalleerd dat de stalen delen beschermt tegen corrosie door middel van het negatiever maken van de staalpotentiaal.
Toelichting
Hierdoor wordt de potentiaal van de stalen delen in het omringende beton negatiever gemaakt, hetgeen de corrosiesnelheid zodanig verlaagt (mogelijk zelfs stopt) dat de gewenste levensduur van de constructie wordt gehaald.
Kathodische stroomdichtheid: de stroom per eenheid kathodeoppervlak, uitgedrukt in mA/m2staal.
Klemspanning: de spanning die staat tussen de plus- en minpool van de voeding.
Kortsluiting: een metallisch contact tussen de anode en de kathode (het staal, de wapening).
Toelichting
Bij kortsluiting loopt de beschermstroom door de metallische verbinding en niet meer door het beton, waardoor de bescherming ten minste in de directe omgeving verloren gaat of sterk vermindert.
Meetcel: een onderdeel van een monitorsysteem, waarmee de potentiaal van het staal wordt gemeten. Dit kan zijn een referentie-elektrode (RE) of een depolarisatiesensor (DP).
Overbescherming: is de situatie waarbij de toegepaste elektrische stroom of potentiaal voor kathodische bescherming hoger is dan noodzakelijk voor het effectief beschermen van de stalen delen tegen corrosie. Dit kan leiden tot verschillende negatieve effecten afhankelijk van het type KB-systeem en de specifieke omstandigheden van de betonconstructie.
Toelichting
- Door de anodereacties verzuurt de directe omgeving van de anode. Bij overbescherming is de zuurproductie hoger dan strikt noodzakelijk. Hierdoor kan de cementsteen worden aangetast, de mortel waarin de anode is ingebed degraderen of de hechting verloren gaan. Overbescherming vermindert onnodig de levensduur van het anodesysteem, wat de effectiviteit en duurzaamheid van het hele KB-systeem nadelig beïnvloedt.
- Overbescherming kan leiden tot de vorming van waterstofgas aan het staal, wat problematisch kan zijn bij constructies met voorgespannen staal. Hier kan overbescherming leiden tot waterstofverbrossing van het voorspanstaal, wat de structurele integriteit van de constructie ernstig kan aantasten.
- Bij overbescherming kan in aanwezigheid van veel chloride in het poriewater nabij de anode chloorgas ontstaan, wat schadelijk kan zijn voor de omgeving
In alle gevallen is het belangrijk dat de stroomverdeling zo gelijkmatig mogelijk is om overbescherming te voorkomen. De meetcellen in het monitoringsysteem moeten strategisch geplaatst worden om de effectiviteit van de bescherming te waarborgen en het risico op overbescherming te minimaliseren, vooral in kritieke constructiedelen zoals die met voorspanning.
Onderbescherming: is de situatie waarbij de toegepaste elektrische stroom of potentiaal voor kathodische bescherming onvoldoende is om het staal effectief te beschermen tegen corrosie. Dit kan leiden tot (opnieuw) optreden van corrosieschade.
Toelichting
Een KB-systeem met opgedrukte stroom dat in het algemeen onvoldoende bescherming biedt, wat blijkt uit het niet voldoen aan de beschermingscriteria op alle (of de meeste) meetpunten, zal worden bijgesteld naar een hogere spanning of beschermstroom. Moeilijker te beoordelen zijn situaties waarbij de verschillende meetcellen verschillende uitkomsten geven. De strategische plaatsing van meetcellen in samenhang met de locatie van de anode is belangrijk om de ‘slechtste’ plaatsen te controleren op voldoende bescherming. Als meetcellen binnen één zone een afwijkend lage depolarisatiewaarde hebben (onder de 80 mV), dient nader onderzoek plaats te vinden. Dit kan wijzen op een plaatselijke onderbescherming door bijvoorbeeld beschadigingen aan het systeem of lokale uitval van onderdelen. Een pad van lage weerstand zorgt bijvoorbeeld ervoor dat er lokaal ongewenst veel stroom loopt, wat spanningsvallen veroorzaakt in het KB-systeem. Dit kan dan leiden tot onderbescherming op andere locaties doordat de beschermstroom onvoldoende is verdeeld.
Wanneer bij een galvanische systeem onderbescherming optreedt kan er niet worden bijgesteld. Deze situatie moet worden voorkomen door een geschikt ontwerp, zie ook 5.2.2.
Pad met een lage weerstand: een plaats waar de weerstand tussen anode en kathode veel lager is dan in de omliggende delen, maar waar geen metallisch contact bestaat.
Toelichting
Bij een pad van lage weerstand is er geen metallische verbinding. Door de lage weerstand loopt er lokaal wel ongewenst veel stroom. Hierdoor ontstaat een lokale ‘leegloop’ voor de beschermstroom waarbij in het KB-systeem grote spanningsvallen optreden die kunnen leiden tot onderbescherming op andere locaties.
Potentiaal van het staal: het spanningsverschil tussen het staal en het omringende beton, zoals deze wordt gemeten ten opzichte van een referentie-elektrode volgens de Amerikaanse norm ASTM C 876 of RILEM TC 154-EMC.
Toelichting
Hoewel de stalen delen elektrisch continu zijn (ook hoort te zijn voor een goede werking van het KB-systeem) en er dus geen spanningsverschillen in het staal (of binnen de wapeningsconfiguratie) optreden, is het potentiaalverschil over het grensvlak tussen staal en beton van locatie tot locatie anders. De lokale potentiaal van het staal in het beton wordt bepaald door de conditie van de stalen delen (corrosieve staat) en de chemische samenstelling van het milieu (poriewater). Dit leidt tot meetbare potentiaalverschillen aan de betonzijde van deze elektrochemische halfcel, zelfs langs één enkele wapeningsstaaf en tussen -staven onderling. Als direct gevolg kunnen tussen verschillende delen van het staal spanningsverschillen ontstaan die groot genoeg zijn om een relevante corrosiestroom te laten lopen. Hierdoor ontstaan dan macro-corrosiecellen. Deze cellen zijn onder gebruikelijke condities (betonkwaliteit en expositie zijn zeer bepalend) maximaal enkele decimeters groot.
Primaire anode: de voorziening die zorgt voor de invoer en verdeling van de stroom in het secundaire (bulk) anodemateriaal.
Toelichting
Dit betreft vaak een draadvormige of bandvormige anode van een goed geleidend materiaal, meestal metaal, dat dient als aansluitpunt en stroomverdeler.
Referentie-elektrode (RE / “true reference electrode”): een elektrochemische halfcel die op of in het beton wordt aangebracht en waarmee de potentiaal van het staal ten opzichte van het beton wordt gemeten; de elektrodewerking berust op een bekende en stabiele redoxreactie.
Toelichting
De referentie-elektrode wordt een halfcel genoemd omdat voor de meting van een potentiaal nog een andere halfcel noodzakelijk is. In het geval van KB-systemen is dat de halfcel ‘staal in poriewater’. Het potentiaalverschil tussen beide kan eenvoudig worden gemeten. Omdat de referentie-elektrode een goed gedefinieerde, stabiele en vaste potentiaal heeft, is de gemeten waarde slechts afhankelijk van de conditie van het staal zoals waar te nemen uit de plaatselijke potentiaal van het staal.
Staal in beton: meestal betreft dit (beton)staal en voorspanstaal (inclusief eventuele omhullingsbuizen en ankers), maar ook andere stalen elementen die in het beton zijn opgenomen, zoals (niet limitatief):
- bevestigingsmiddelen
- damwanden
- (koel)leidingen
- hemelwaterafvoeren
Systeemspanning: de spanning die staat tussen anode en kathode.
Toelichting
Dit is de klemspanning bij het inwerking zijn van het KB-systeem, eventueel nog verminderd door spanningsval in de elektrotechnische installatie bij stroomdoorgang. Na het uitschakelen of ontkoppelen van de systeemspanning vermindert de spanning in de tijd, door depolarisatie van anode en kathode, tot de dan aanwezige basiswaarde (natuurlijke potentiaalverschil in het milieu).
Veld: een deel van de te beschermen constructie waarvan de anodes in de uitvoeringsfase elektrisch gescheiden zijn van de rest van de installatie.
Toelichting
Afzonderlijke velden worden voor de activering samengevoegd tot een zone door ze aan elkaar te koppelen in parallelschakeling.
Voeding: een voorziening die een gelijkstroom met een lage spanning laat lopen van de anode door het beton naar de kathode.
Toelichting
In de meest eenvoudige vorm bevat de voeding een transformator en een gelijkrichter die de netspanning (wisselspanning) omzetten in de gewenste laagspanning (gelijkstroom). Voeding kan echter ook op basis van accumulatoren (batterijen) of andere gelijkstroombronnen zoals bijvoorbeeld zonnepanelen, worden geleverd. Een nauwkeurige instelling en begrenzing van opgedrukte stroom en/of spanning is echter altijd noodzakelijk. Hierdoor bevatten voedingen meestal in meer of mindere mate complexe elektronische schakelingen.
Zone: een afgebakend deel van de te beschermen constructie waarvan de bescherming in de bedrijfsfase afzonderlijk wordt geregeld en gecontroleerd.
Toelichting
Afzonderlijke zones kunnen worden gevormd door het anode-systeem te verdelen in galvanisch gescheiden delen terwijl de stalen delen in deze zones onderling continu is (ofwel een geheel vormt). Andersom kan een enkele zone door doorverbinding van de anodes en kathodes onderling bestaan uit diverse te onderscheiden en galvanisch gescheiden velden. Dit laatste is bijvoorbeeld duidelijk waar te nemen bij een samenvoeging van verschillende losse geprefabriceerde constructiedelen tot een zone.