DEEL IV STEENACHTIGE MATERIALEN: Beton, Metselwerk, Glas en Bodemmaterialen

DEEL IV STEENACHTIGE MATERIALEN: Beton, Metselwerk, Glas en Bodemmaterialen

233

"Ceramics hierarchy" Uit: ‘Open University’, England. Cursus ‘Materials’

234

6

BETON 6.1)

6.1 Inleiding Algemeen: Beton is één van de belangrijkste constructiematerialen in de bouw en in de civiele techniek. Per jaar wordt in Nederland zo'n 15 miljoen m3 beton gemaakt. Hiervoor wordt circa 5.109 kg cement gebruikt en circa 10.109 kg toeslagmateriaal. Beton is er voor vloeren, plafonds, kolommen, straatbedekking, bruggen, tunnels, rioolbuizen, waterzuiveringinstallaties, elektriciteitscentrales, opslagplaatsen van chemisch afval, inbedmateriaal voor radioactief afval, etc. Het is er van een lage druksterkte van 10 MPa tot een hoge druksterkte van 120 MPa. Zonder staal zou beton echter een veel minder prominente plaats innemen in „constructieland". Het is het verbond tussen staal en beton (gewapend beton) dat beton zijn vooraanstaande positie heeft gebracht. Beton is een materiaal met een hoge druksterkte maar een relatief lage treksterkte. Bij het construeren in beton wordt zelfs aangenomen dat beton helemaal geen treksterkte heeft. Staal in het beton zorgt ervoor dat gewapend beton trekkrachten kan opnemen. Het beton blijkt daarbij staal perfect te beschermen tegen corrosie. Een slimme uitbreiding van de mogelijkheden van gewapend beton is in deze eeuw de vinding van het voorgespannen beton geweest. Het beton wordt hier door het voorspanstaal onder druk gezet. Bij trekbelastingen moet nu eerst de drukspanning worden afgebouwd voordat het beton onder trekspanning komt. Voorgespannen beton vindt in nog steeds toenemende mate een belangrijke plaats in bruggenbouw, in vloeren, in reservoirs, in spoorwegliggers, etc. Samenstelling: 6.2) Beton bestaat uit cementsteen, (cementpasta), toeslagmateriaal (Engels: aggregates), (vrij) water en lucht (air). Passen we betonstaal toe, dan spreken we van gewapend beton. Cementsteen wordt gevormd uit de reactie van cement met water. Bij deze reactie ontstaat een vaste stof, de cementsteen. Deze vaste stof kit het toeslagmateriaal aaneen. Het woord cement betekent dan ook "kit". Niet al het water in beton blijkt met cement te reageren. Het niet gereageerde water blijft dan achter als zogenaamd vrij water. Het bevindt zich in de poriën. De reactie van cement met water en de zich vormende microstructuur komen aan de orde in paragraaf 6.3.2. Naast cement kunnen ook reactieve vulstoffen (Engels: additives) mede tot het bindmiddel behoren. Het zijn stoffen die door cement geactiveerd worden en soms met cementreactie- producten reageren. Ze worden besproken in paragraaf 6.2.4. Een belangrijke grondstof van beton is water; het is één van de reactiecomponenten, samen met cement geeft het de cementsteen. Het grootste deel van beton bestaat uit toeslagmateriaal. Van 250 μm (wordt in de toekomst 125 μm) tot 4 mm spreken we over fijn toeslagmateriaal (zand). Vanaf 4 mm is er het grof toeslagmateriaal. In Nederland is de maximale korrel in beton, zoals die genormeerd is, 31,5 mm. Heel belangrijk is de korrelopbouw. De verschillende soorten toeslagmateriaal en de korrelopbouw komen in paragraaf 6.2.2.

6.1) 6.2 )

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", Hoofdstuk 15, blz. 421 e.v. Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", Hoofdstuk 7, blz. 327. Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", §: 15.1.2 t/m 15.1.5.

235

Een onvermijdelijk bestanddeel van beton is lucht. Bij het vervaardigen van beton wordt in het algemeen veel aandacht besteed aan het uitdrijven van lucht. Echter ook na zeer goed verdichten blijven er altijd wel wat luchtinsluitsels in het beton achter. Deze hebben een verzwakkend effect op het beton. Evenals water heeft lucht geen sterkte. Soms wordt lucht echter moedwillig ingebracht, met name als het gaat om het verhogen van de vorstdooi(zout)bestandheid. Kleine luchtbelletjes, die homogeen verdeeld zijn in beton met afstanden kleiner dan enige tienden van mm's, blijken als „expansievaatjes" voor vormend ijs te kunnen functioneren en daarmee de vorstdooibestandheid te verbeteren. Deze luchtbelletjes worden verkregen met zogenaamde luchtbelvormers; dit zijn middelen die kleine luchtbelletjes stabiliseren. Deze luchtbelvormers behoren tot de hulpstoffen. Er zijn meer hulpstoffen (admixtures), die in beton worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld plastificeermiddelen die de verwerkbaarheid verbeteren, maar ook gebruikt kunnen worden om de watercementfactor (= water/cement in kg/kg) te verlagen. Er zijn er middelen die de cementreacties kunnen versnellen of vertragen. In paragraaf 6.2.3 zullen deze en vele andere hulpstoffen nader aan de orde komen. Terminologie: 3) De nomenclatuur van de verschillende combinaties van materialen die samen beton vormen, is weergegeven in tabel 6.1.3. Tabel 6.1.3 Nomenclatuur. Materialen cement + water

cement + water + zand cement + water + zand + grind b) a) b)

Onverhard (Engels: non-set) cementpasta (of cementlijm) Engels: cement paste

Verhard (Engels: set) cementsteen (inclusief micro poriën). Engels: hardened cement paste) mortelspecie (dus cementpasta mortel a) Engels: hardened mortar + zand) Engles: mortar betonspecie (dus mortelspecie beton (dus mortel + grind) + grind) Engels: concrete Engels: fresh mortar

Soms wordt ook wel het woord "mortel" of "betonmortel"gebruikt voor betonspecie (bijvoorbeeld bij het woord betonmortelleverancier). Meestal wordt als grove fractie riviergrind gebruikt, maar niet altijd. Men maakt ook wel gebruik van gebroken steenslag, zeegrind dan wel korrels van gebroken (gerecycled) beton.

In dit hoofdstuk wordt aan de betontechnologie (grondstoffen, betonvervaardiging) meer aandacht besteed dan bij de meeste andere materialen, omdat beton veelal ter plaatse wordt gemaakt en niet altijd in gerede vorm (betonproduct) de bouwplaats bereikt.

6.3)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", § 15.2.1 blz. 428.

236

6.2

Grondstoffen

6.2.1 Cement Onder cement verstaan we een bindmiddel welk met water reageert tot niet wateroplosbare vaste verbindingen. We noemen dit soort bindmiddelen "hydraulische bindmiddelen". Soorten: 6.4) De drie belangrijkste cementsoorten voor Nederland zijn hoogovencement (CEM III/A en B, Engels: "blast furnace slag cement"), portlandcement (CEM I) en portlandvliegascement (CEM II/B-V, Engels:"Portland fly ash cement"). Eisen voor deze cementen waren vroeger opgenomen in de Nederlandse norm NEN 3550 en tegenwoordig in de Europese norm ENV 197 - 1 Cement (die nu voor heel Europa is vastgesteld). Mondiaal gezien is portlandcement verreweg het meest belangrijke cement. In Nederland heeft echter hoogovencement het grootste marktaandeel. Samenstelling cement: Portlandcement wordt vervaardigd uit kalksteen, aluminiumoxide-, siliciumoxide- en ijzeroxidehoudende verbindingen. In Nederland wordt portlandklinker gemaakt in Maastricht. De grondstoffen zijn onder andere mergel, zwavel (leem), poederkoolvliegas, leisteen en hoogovenslak. Deze grondstoffen gaan in poedervorm in een oven en worden gesinterd tot een klinker. De klinker bevat kristallijne verbindingen (mineralen) die met water kunnen reageren tot cementsteen. De belangrijkste mineralen zijn aliet (3CaO).SiO2 (tricalciumsilicaat), beliet (2CaO).SiO2 (bicalciumsilicaat), (3CaO).Al2O3 (tricalciumaluminaat) en celiet (4CaO).Al2O3.Fe2O3 (tetracalciumaluminaatferriet. In de cementchemie kort men deze mineralen af als resp. C3S, C2S, C3A en C4AF. De portlandklinker wordt vervolgens samen met gips (CaSO4.2H2O calciumsulfaat-dihydraat) en/of anhydriet (calciumsulfaat CaSO4) gemalen tot cement. Hoogovencement (blast furnace slag cement), bestaat uit een mengsel van gemalen portlandklinker, anhydriet (calciumsulfaat) en gegranuleerde hoogovenslak. In Nederland zijn hoogovencement en portlandvliegascement erg populair. Hoogovencement heeft ongeveer een marktaandeel van 60%. De oorzaken van dit hoge marktaandeel van deze ten dele op reststoffen gebaseerde cementen ten opzichte van portlandcement zijn enerzijds de productiekosten die lager zijn. Anderzijds ook de ten opzichte van portlandcement op sommige punten betere eigenschappen (zie verderop in dit hoofdstuk). Er zijn ook nog enkele andere specifieke cementtypen in omloop in Nederland zoals trasportlandcement, waarbij in de plaats van vliegas tras uit de Eifel, een vulkanisch gesteente wordt gebruikt. Ook wordt witte portlandcement gebruikt voor "schoon beton" toepassingen; dit is een portlandcement waarin geen ijzerhoudende verbindingen aanwezig zijn. Verder werd in het verleden ook aluminiumcement gebruikt, een cement op basis van calciumaluminaten. Figuur 6.2.1a geeft schematisch de procesgang van de cementfabricage aan in de stappen: vervaardiging portlandklinker (figuur a1) ⇒ vervaardiging portland cement (figuur a2). Figuur 6.2.1b geeft de vervaardiging van hoogovencement en figuur 6.2.1c geeft de vervaardiging van portlandvliegascement. Tabel 6.2.1 geeft de voor Nederland belangrijkste cementsoorten en hun samenstelling. De coderingen A, B of C geven een indicatie van het portlandklinker gehalte. 6.4 )

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 428 t/m 470 (§ 15.2.2). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 5.3, blz. 269 e.v.

237

Heeft men een CEM II waarbij een andere letter dan "V" is aangegeven, dan heeft men te maken met een andere reactieve toevoeging dan vliegas. De letter P staat voor natuurlijke puzzolanen, Q staat voor gebrande natuurlijke puzzolanen, D slaat op microsilica, S slaat op hoogovenslak, W slaat op calciumhoudende vliegas (de class-C vliegas afkomstig van bruinkoolverbranding). De letter T slaat op leisteen en L op kalksteen. De letter V slaat op vliegas afkomstig van de verbranding van antracietkolen (class-F vliegas). De ze vliegas bevat veel minder calcium dan een classC vliegas.

a1)

van: portlandklinker

b)

hoogovencement

Figuur 6.2.1

Æ

a2)

naar: portland cement

c)

portlandvliegascement

Procesgang cementfabricage portland cement (a), hoogovencement (b) en portlandvliegascement (c).

238

Tabel 6.2.1

De voor Nederland belangrijkste cementsoorten en samenstelling, aangeduid conform NEN-EN 197-1. a)

Benaming portlandcement portlandvliegascement

Aanduiding % Portlandklinker Andere hoofdbestanddelen in % CEM I 95 - 100 CEM II/A-V 80 - 94 6 - 20 vliegas (class F: siliciumhoudend) CEM II/B-V 65 - 79 21- 35 vliegas (class F: siliciumhoudend) hoogovencement CEM III/A 35 - 64 36 - 65 gemalen gegranuleerde hoogovenslak CEM III/B 20 - 34 66 - 80 gemalen gegranuleerde hoogovenslak CEM III/C 5 - 19 81 - 95 gemalen gegranuleerde hoogovenslak a) Alle cementen mogen naast de hoofdbestanddelen tot 5% (m/m) overige bestanddelen bevatten (bijvoorbeeld vulstoffen). Daarnaast bevatten de cementen tot ongeveer 5% gips of anhydriet.

Cementklassen: De Europese norm NEN-EN 197-1 (vroeger de Nederlandse norm NEN 3550) deelt cement naast in samenstelling ook in sterkteklassen in, zie tabel 6.2.2. De getallen 32,5; 42,5 en 52,5 slaan op de normdruksterkte in MPa bepaald volgens NEN-EN 146-1, na 28 dagen verharden in een geconditioneerd waterbad met kalkwater (dus bij constante temperatuur van ongeveer 21 oC). De normdruksterkte is nu de gemiddelde sterkte van de mortel na het uitvoeren van een aantal druksterkteproeven (met een samenstelling van 1 deel cement : 3 delen normzand : 0,5 deel water). Men maakt prisma's 4x4x16 cm van deze mortels en kan dan twee druksterke metingen per prisma uivoeren (na de bepaling van de buigtreksterkte houdt men immers twee helften over). In wezen bepaalt men dus de kubusdruksterkte van een kubusje 4x4x4 cm3. Maakt men drie prisma's, dan kan men dus 6 drukproeven uitvoeren (met de mallen die men gebruikt om de prisma's te maken, kan men in één keer drie prisma's maken). Bij de cementfabriek wordt dagelijks de sterkte van het cement gemeten. In elke sterkteklasse kan een onderscheid worden genoemd in een lage, een normale of een hoge beginsterkte. In het laatste geval wordt de letter R (van "rapid") gebruikt. Cement met een lage beginsterkte krijgt de toevoeging L. Een cement met een normale beginsterkte krijgt de toevoeging N. Tabel 6.2.2 Sterkteklasse

32,5 L 32,5 N 32,5 R 42,5 L 42,5 N 42,5 R 52,5 L 52,5 N 52,5 R

Mechanische en fysische eigenschappen (c.q. eisen) op hoofdlijnen volgens NEN-EN 197-1 en NEN 3550. Druksterkte in N/mm2 (gemiddelde sterkte) Beginsterkte na: Normsterkte na 28 dagen 2 dagen 7 dagen ≥ 12 ≥ 32,5 en ≤ 52,5 ≥ 16 ≥ 10 ≥ 42,5 en ≤ 62,5 ≥ 10 ≥ 20 ≥ 10 ≥ 52,5 ≥ 20 ≥ 30 -

Bij portlandcement is het verschil tussen de verschillende sterkteklassen voor en belangrijk deel te wijten aan de fijnheid van het cement. De fijnheid van cement wordt uitgedrukt in het specifiek oppervlak; dit is het oppervlak van alle cementdeeltjes per eenheid van massa, bijvoorbeeld 300 m2/kg (voor een normaal portlandcement). Hoe fijner gemalen hoe sneller de reactie optreedt. Snelhardende cement kan van nut zijn wanneer het uit economische redenen aanbevelingswaar239

dig is om zo snel mogelijk te ontkisten, voor te spannen, etc. Anderzijds geeft een snelhardende cement een snelle warmte-ontwikkeling. De reactie tussen cement en water is namelijk exothermisch, dat wil zeggen dat er warmte vrij komt. Hoe sneller de reactie verloop des te sneller de warmte vrijkomt. Als gevolg hiervan kan de temperatuur oplopen en neemt de kans op scheurvorming toe, met name bij afkoelen, zie paragraaf 6.5.3. Eigenschappen: De drie meest gebruikte cementen verschillen aanzienlijk in eigenschappen. In het algemeen blijkt beton dat vervaardigd is met de mengcementen, hoogovencement of portlandvliegascement, dichter te zijn dan beton vervaardigd met portlandcement. De poriën in beton, via welke agressieve stoffen kunnen binnendringen, zijn bij hoogovencement en ook bij portlandvliegascement fijner dan bij portlandcement (op de lange duur). Dit leidt ertoe dat de duurzaamheid in het algemeen beter is, zoals een betere weerstand tegen sulfaten, een hogere weerstand tegen indringing van chloride-ionen, minder gevoelig voor alkali-silica-reactie e.d. Kortom met betrekking tot duurzaamheid zijn in het algemeen hoogoven- en portlandvliegascement te prefereren. Hier komen we nog op terug in paragraaf 6.7 over duurzaamheid. Deze cementen ontwikkelen ook minder snel warmte dan portlandcement. Figuur 6.2.2 laat de warmte-afwikkeling van portlandcement en hoogovencement zien. De gevoeligheid voor scheurvorming bij hoogovencement als gevolg van warmteontwikkeling en afkoelen is daardoor in het algemeen minder. Hier tegenover staat dat de sterkte-ontwikkeling minder snel verkoopt, waardoor de ontkisting minder snel kan geschieden en er ook een grotere gevoeligheid is voor de kwaliteit van de nabehandeling. Op dit laatste aspect komen we verderop in dit hoofdstuk nog terug.

In de figuur zijn weergegeven: Hoogovencement CEM III/A 42,5 (met minder dan 65% hoogovenslak), CEM III/B 42,5 met meer dan 65% hoogovenslak) en portlandcement CEM I 32,5 R (vroeger pc A genoemd), CEM I 42,5 R (vroeger pc B genoemd) en CEM I 52,5 R (vroeger pc C genoemd).

Figuur 6.2.2

Vrijkomende warmte bij hydratatie onder isotherme omstandigheden bij diverse cementen.

240

Met betrekking tot portlandvliegascement kan men stellen dat de warmte-ontwikkeling van het cement mm of meer tussen dat van portlandcement en hoogovencement in ligt. In tabel 6.2.3 is een overzicht gegeven van verschillen in eigenschappen tussen portlandcement en hoogovencement. Tabel 6.2.3

Enkele verschillen tussen portlandcement en hoogovencement.

Eigenschap vrije kalk ontwikkeling (zie hydratatie) hydratatie warmte temperatuurinvloed

sulfaatweerstand

Portlandcement (pc) veel snellere warmte-ontwikkeling dan bij hoc.Vooral voordeel in de wintertijd kleiner dan hoc

weerstand tegen chlorideindringing gevoeligheid voor nabehandeling kleur van een vers breukvlak

meer sulfaatgevoelige bestanddelen (zoals vrije kalk) dan in hoc en op de lange duur minder dichte cementsteenstructuur minder door minder dichte cementsteenstructuur minder door snellere hydratatie grijs

Carbonatatie (ook wel carbonatie genoemd)

langzaam (als het beton goed gemaakt en verdicht is)

Hoogovencement (hoc) minder en daardoor i.h.a beter bestand tegen aantasting eventueel hoc met een fijnere maling gebruiken (in koude omstandigheden) op hydratatie hier wat groter, voordeel bij stomen van beton (in de wintertijd); tussen 5 en 10 oC enige vertraging groter dan bij pc, vooral bij hoog percentage slak beter door dichte cementsteenstructuur (op de lange duur) slechter door langzame hydratatie donkerblauw, verdwijnt na enige tijd als gevolg van oxidatie van ijzersulfide gevoeliger voor carbonatatie dan pc (hoc moet goed nabehandeld worden)

Milieuprofiel: 6.5) Het gebruik van reststoffen uit andere kringlopen dan die van cement en beton, maakt de milieubelasting van portlandvliegascement en vooral hoogovencement belangrijk geringer dan die van portlandcement, zie figuur 6.2.3 van het milieuprofiel tot en met de cementproductie. Door gebruik van reststoffen worden de benodigde energie en grondstoffen verminderd; sterk vermindert ook de CO2 uitstoot. De nieuwe richtlijnen ten aanzien van CO2 uitstoot zullen naar alle waarschijnlijkheid gevolgen hebben voor de kosten van o.a. cement.

6.5)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 424 t/m 427 van het boek (§:15.1.5 t/m 15.1.8).

241

100 90 80 70 60 pc

50

hoc

40 30 20 10 0 grondstoffenbehoefte

energie (MJ)

emissies

afval

Figuur 6.2.3 Relatieve milieumaten portlandcement (a) en hoogovencement (b) van winning tot en met de productie (‘from cradle to gravel'). Portlandcement is op 100% gesteld en hoogovencement wordt daarmee vergeleken.

6.2.2

Toeslagmaterialen 6.6)

Soorten: Grof toeslagmateriaal kan men onderscheiden naar herkomst en naar volumieke massa. Naar herkomst onderscheiden we natuurlijk toeslagmateriaal en kunstmatig toeslagmateriaal. Natuurlijk materiaal kan via natte winning (riviergrind en zeegrind) dan wel via droge winning (gebroken natuursteen en bergzand) verkregen worden. Kunstmatig toeslagmateriaal is bijvoorbeeld betonen menggranulaat (combinatie van betongranulaat en metselwerkgranulaat) alsmede lichtgewichttoeslagmateriaal (geëxpandeerde klei c.q. mijnsteen, gesinterde vliegas e.d.). In Nederland kennen we een aantal typen toeslagmateriaal welke veel in beton worden toegepast. De toeslagmaterialenmarkt in Nederland is daarbij nogal aan veranderingen onderhevig. Vroeger werden uitsluitend riviergrind en zand (engels: ‘rivergravel' resp. ‘riversand') gebruikt. Nu komen, doordat geen nieuwe concessies meer worden gegund, andere materialen op de markt. Enerzijds gaat dit om import van grind uit het buitenland, maar het betreft ook andere toeslagmaterialen dan riviergrind, zoals zeegrind, gebroken kalksteen, gebroken graniet, lava, etc. Bovendien wordt het hergebruik van bouwen sloopafval sterk bevorderd: "Beton uit beton"! Het sluiten van stofkringlopen is één van de hoofdthema's van het Nederlands Nationaal Milieubeleidsplan.

6.6)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 423, 424, 435 t/m 436 (§:15.1.4 en 15.2.6. Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 6.10, blz. 315 e.v.

242

Voor al deze toeslagmaterialen geldt dat zij moeten voldoen aan normen. Zo kennen we de Nedelandse norm NEN 5905 voor riviergrind en zand. Inmiddels geldt de Europese norm NEN-EN 12620 (voor alle harde dichte toeslagmaterialen). Grove lichte toeslagmaterialen moeten voldoen aan NEN-EN 13055-1 en NEN 3543. Tevens zijn toegestaan betonen menggranulaat. Hiervoor zijn speciale CUR-Aanbevelingen (Civieltechnisch Centrum voor de Uitvoering van Research en Regelgeving -CUR, te Gouda-) opgesteld terwijl ook NEN 5905 ingaat op deze materialen. De CUR heeft ook Aanbevelingen gepubliceerd voor gebroken kalksteen, gebroken graniet en lichte toeslagmaterialen vervaardigd uit poederkoolvliegas (Lytag ®en Aardelite ®). In vele landen is overigens het gebruik van andere toeslagmaterialen dan riviergrind ook voor de hoogste sterkteklassen gebruikelijk. Voor zeer hogesterktebeton is het aan te bevelen om met sterkere materialen dan grind te werken. Indeling naar gewicht: Toeslagmaterialen worden behalve naar vorm ook ingedeeld naar gewicht. Normale toeslagmaterialen hebben een schijnbare volumieke massa van 2000 tot 2800 kg/m3, en zware één die groter is dan 2800 kg/m3. Lichtgewicht toeslag heeft een volumieke massa kleiner dan 2000 kg/m3. Tabel 6.2.4 geeft een overzicht van verschillende typen toeslagmateriaal. Tabel 6.2.4 Eigenschappen van een aantal gangbare grove toeslagmaterialen. Waterabsorptie na 30 Korrelsterkte (N/mm2) minuten onder water (% m/m) Lichte toeslagmaterialen (dus sterk poreus) vallend onder NEN-EN 13055-1en NEN 3543: Argex 670 - 1155 9 - 37 1,7 - 9,9 EXclay 612 - 753 1,5 Liapor 570 - 1700 6 - 17 0,2 - 17 Normaal dicht toeslagmateriaal vallend onder NEN-EN 12620 en NEN 5905: Riviergrind 2500 - 2700 0,8 - 1,2 150 - 200 Porfier 2550 - 2800 0,4 - 0,6 180 - 300 Gabbro/dioriet 2900 - 3000 1,0 - 1,1 170 - 230 Harde kalksteen 2650 - 2850 0,9 - 1,2 80 - 230 Zandsteen/kwartsiet 2600 - 2650 0,2 - 1,2 150 - 300 Basalt 2850 - 3000 gering 250 - 400 Graniet 2600 - 2800 0,5 - 0,7 160 - 260 Zware toeslagmaterialen (andere voorbeelden zijn bariet en ferrosilicium) vallend onder NEN-EN 12620 en NEN 5905: Hematiet 4000 - 5300 160 - 600 Magnetiet 3500 - 5100 80 - 200

Grof toeslagmateriaal

Volumieke massa (na drogen) in kg/m3

Korrelverdeling: De korrelopbouw van toeslagmateriaal in beton is van groot belang. Hoe beter de korrelopbouw, des te minder cement en water nodig zijn. Dit is niet alleen van belang voor de prijs van beton, maar ook voor allerlei eigenschappen, zoals de mate van droogkrimp, de kruip en de effecten op het milieu. In het algemeen wordt met een continue korrelverdeling gewerkt. Een continue korrelverdeling vraagt overigens wel wat meer cement en water dan wanneer een discontinue korrelverdeling wordt gekozen. In dat laatste geval kunnen de korrels nog dichter bij elkaar worden gebracht, zodat de ruimte ertussen, die moet worden opgevuld met cement en water, kleiner is. Het nadeel is echter dat discontinue mengsels zich moeilijker laten verdichten en bovendien bij transport eerder ontmengen. Verder komt in de natuur in het algemeen materiaal met een continue

243

verdeling voor; afzeven tot een discontinue verdeling zou verspilling van materiaal betekenen. In figuur 6.2.4 is een continue en een discontinue korrelverdeling van een toeslagmateriaal te zien. In de Nederlandse Voorschriften Betontechnologie zijn grenswaarden voor de korrelverdeling van toeslagmateriaalmengsel in beton aangegeven; zie voor een nominale korrel van 11,2 mm respectievelijk van 31,5 mm figuur 6.2.5 (nominale korrel 31,5 mm is de korrel die nog juist door een zeef van 31,5 mm heen gaat; dus in wezen de grootste korrel in het aggregaatmengsel). De korrelgebieden I zijn te prefereren boven de gebieden II. In ieder geval dient de mengselcurve tussen de bovenste en de onderste lijn te liggen.

Figuur 6.2.4 Continue en discontinue korrelverdelingen. In de voormalige Nederlandse betonnorm werden in het geval van gebied II dan ook iets andere eisen gesteld aan de betonsamenstelling; o.a. een hoger minimum cementgehalte. Hoe groter de nominale korrel die gebruikt wordt, des te minder fijn materiaal kleiner dan 250 μm nodig is om de ruimte tussen de toeslagmateriaalkorrels op te vullen. Dat betekent dat dan des te minder cement en vulstoffen nodig zijn, zie figuur 4.6. In de nieuwe Europese betonvoorschriften vinden we alleen nog een eis terug ten aanzien van het luchtgehalte als men luchtbelvormers moet toepassen, waarbij het luchtgehalte dan afhangt van de grootste korrel in het mengsel(tabel E in NEN 8005). In de huidige betonvoorschriften is het minimum cementgehalte een functie van het milieu waarin het beton geplaatst wordt (dezelfde tabel E in NEN 8005). Overigens moet benadrukt worden dat de in figuur 6.2.5 gegeven grenslijnen voor de korrelverdeling gemaakt zijn voor riviergrind. Wanneer we te maken hebben met andere toeslagmaterialen zoals lichte, dan moet een correctie plaatsvinden voor de lagere volumieke massa.

244

a) Ontwerpgebied voor korrelgroep 0/11 mm

In de huidige van toepassing zijnde normen NEN-EN 206-1 en NEN 8005 zijn geen eisen opgenomen ten aanzien van de korrelopbouw van het toeslagmaterialenmengsel. Het verdient wel aanbeveling om het mengselontwerp af te stemmen op de curven zoals hier zijn aangegeven. Men onderscheidt grafieken voor de nominale korrels van 8, 11, 16, 22, 32 en 64 mm.

b) Ontwerpgebied voor korrelgroep 0/32 mm

Figuur 6.2.5 Grenslijnen voor korrelgroep 0 - 11,2 en 0 - 31,5 mm (Vroeger was dit volgens de Nederlandse Betonvoorschriften NEN5950).

245

' Figuur 6.2.6 Fullerkrommen voor drie nominale korrelverdelingen: Hoe groter de nominale korrel, des te minder materiaal < 0,250 mm nodig is. Korrelvorm: Ook maken we onderscheid naar de vorm van de toeslagmateriaaldeeltjes, zoals rond en gebroken materiaal. In de norm komt men begrippen tegen als "kubiciteit" en gehalte aan platte stukken. De beproevingmethoden voor de korrelvorm vindt men terug in NEN-EN 933. Gebroken materialen met een onregelmatig oppervlak blijken in het algemeen meer cement en water te vragen dan ronde toeslagmaterialen. Dit is ook wel begrijpelijk doordat de weerstand tussen de korrels bij verwerken uiteraard groter zal zijn. Er is dus meer "smeermiddel" nodig om een goede verwerkbaarheid te krijgen. Vooral de korrelvorm van het fijne toeslagmateriaal (<4 mm) is daarbij van belang. Anderzijds leidt een onregelmatig oppervlak tot betere aanhechtingmogelijkheden van de cementsteen zodat de treksterkte van beton in dat geval veelal wat beter is bij eenzelfde druksterkte. Voor het constructieve ontwerp heeft dat echter geen gevolgen, omdat de treksterkte van beton bij de berekening van gewapende betonconstructies niet mag worden meegenomen. Verontreinigingen: 6.7) Toeslagmaterialen moeten vrij zijn van storende verontreinigingen. De verschillende normen en richtlijnen geven hier allerlei eisen voor. Zo moet voor riviergrind en -zand het humusgehalte en het gehalte aan kleideeltjes beperkt blijven. Voor zeegrind stelt men met name stringente eisen aan het chloridegehalte. Immers dat kan corrosie van wapening veroorzaken, zoals we nog zullen zien. Bij bouwen sloopafvalgranulaat zijn er eisen met betrekking tot de hoeveelheid nevenbestanddelen, zoals glas en dergelijke. Belangrijk is ook dat in sommige materialen alkali-reactieve bestanddelen kunnen voorkomen. Dit zijn meestal glasachtige bestanddelen die via een vrij ingewikkeld proces tot een destructieve zwelling kunnen leiden waardoor het beton scheurt. Deze verontreinigingen moeten worden vermeden. Meestal kan men niet van verontreiniging spreken, maar betreft het een integraal bestanddeel van het betreffende gesteente. Bij gebruik van hoogovencement en ook portlandvliegascement blijkt de kans op een dergelijke reactie overigens klein, zie verder paragraaf 6.7 over duurzaamheid.

6.7)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials"; blz. 435, §:15.2.5.

246

Eigenschappen: Voor de gebruikelijke betonklassen blijkt dat voor de natuurlijke gesteenten, zoals grind en graniet e.d., de sterkte van het toeslagmateriaal niet zo belangrijk is voor de druksterkte van beton. De zwakste schakel betreft de cementsteen en deze bepaalt grotendeels de eigenschappen. Bij lichte toeslagmaterialen kan dit anders worden. Bij hogere betonsterkten kan blijken dat deze minder sterk worden dan de cementsteen. Toeslagmaterialen hebben in het algemeen een hogere elasticiteitmodulus en verhogen daardoor de elasticiteitmodulus van beton ten opzichte van die van cementsteen. Dat verkleint de vervormingen bij belasting, waaronder externe belastingen, maar ook die bij droogkrimp van de cementsteen, zie verder de paragrafen 6.6.2 en 6.6.3. Lichte toeslagmaterialen hebben uiteraard het voordeel dat ze tot lichter beton leiden. Met name bij toepassingen waar het eigen gewicht van groot belang is, kan dit van groot belang zijn. Toeslagmaterialen kunnen ook worden gebruikt om specifieke doeleinden te bereiken. Zo zal bijvoorbeeld bij uitgewassen beton voor zogenaamde schoonbeton-toepassingen de kleur van het toeslagmateriaal van belang zijn. Bij betontoepassingen waar de slijtvastheid van belang is, zal een slijtvast toeslagmateriaal zinvol kunnen blijken. Dit geldt ook bij toepassingen van beton in de wegenbouw waar de polijstweerstand van belang is. In de deklagen wordt daarom met gebroken grind gewerkt, wat een goede polijstweerstand heeft. Bij gebruik van lichte toeslagmaterialen zal de porositeit van het beton groter zijn dan bij natuurlijke toeslagmaterialen, omdat uiteraard de korrel zelf poreus is. Nochtans hoeft dit niet te leiden tot een directe toename van de permeabiliteit. De ruimten waarin de lichte poreuze toeslagmateriaalkorrels zich bevinden, zijn niet rechtstreeks met elkaar verbonden. Bovendien blijken lichte toeslagmaterialen vaak een zeer goede binding met de cementsteen te hebben, terwijl bij materialen als grind er een vrij poreuze overganglaag aanwezig is, via welke transport van water, zouten, etc. kan plaatsvinden, zie paragraaf 6.3. 6.2.3 Hulpstoffen 6.8) Bij de samenstelling van beton kunnen ook hulpstoffen worden gebruikt. Hulpstoffen kunnen als doel hebben om de eigenschappen van de betonspecie en/of van het verharde beton te verbeteren. Het zijn stoffen die als regel in hoeveelheden kleiner dan 5% m/m van de cementhoeveelheid worden toegevoegd aan de betonspecie. De meest gebruikte hulpstoffen zijn plastificeermiddelen (Engels: plasticizers), luchtbelvormers (Engels: air entrainers agents -AEA-), vertragers (engels: retarders) en versnellers (Engels: accelerators). In NEN-EN 480 worden eisen gesteld aan de hoofdwerking in relatie tot een referentiebetonspecie. De norm voor hulpstoffen voor beton is de Europese norm NEN-EN 934-2. Plastificeermiddelen: De naam plastificeren geeft al aan dat door toevoeging van deze hulpstof het mengsel plastischer wordt. De verwerkbaarheid neemt toe; het mengsel wordt als het ware vloeibaarder. Wanneer men de vloeibaarheid c.q. verwerkbaarheid gelijk houdt, kan men deze hulpstof gebruiken om minder water toe te voegen. Dit leidt er bij eenzelfde cementgehalte toe dat de watercement verhouding, de water/cementfactor, wordt verlaagd. Zoals we in paragraaf 6.6 zullen zien, is dit van groot belang voor de sterkteontwikkeling en dat is het ook voor de duurzaamheid. Minder water 6.8)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 436 t/m 438 (§:15.2.7). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 6.10.4, blz. 323 e.v.

247

betekent ook minder krimp, zie paragraaf 6.6.3. Kortom, de eigenschappen van het beton worden verbeterd. Bij gewone plastificeermiddelen bedraagt de waterreductie 5 tot 10%. Naast gewone plastificeermiddelen zijn de zogenaamde superplastificeermiddelen (Engels: superplasticizers, high-range-waterreducers) sterk opgekomen. Hiermee kan zelfs 15 tot 30% water bespaard worden. Het percentage water, dat bespaard kan worden, is afhankelijk van het type hulpstof, maar ook van de soort cement, de temperatuur van de specie en het tijdstip van verwerking na de menging. De werking van de plastificeerders is schematisch voorgesteld in figuur 2.6.7.

afzonderlijke deeltjes

groepjes deeltjes omringd door water

"uitgevlokte" pasta

"gedispergeerde" pasta

Figuur 6.2.7 Schematische voorstelling van de werking van een superplastificeerder. Het plastificeermiddel wordt aan het oppervlak van de cementdeeltjes geadsorbeerd. De cementdeeltjes hebben oorspronkelijk een gevarieerde lading waardoor ze elkaar aantrekken. Als gevolg van dat aantrekken, ballen ze samen en vormen conglomeraten, welke veel water vasthouden. Water dat niet meer als vloeimiddel kan functioneren. Plastificeermiddelen geven nu de cementdeeltjes allemaal eenzelfde lading. De cementdeeltjes stoten elkaar daardoor af. We krijgen dan een veel betere dispersie van de vaste stofdeeltjes, waarbij het water beschikbaar blijft als vloeimiddel. Luchtbelvormers: Voor de milieuklassen XF2 (niet-volledig verzadigd met water in combinatie met dooizouten voor verticale oppervlakken van wegconstructies blootgesteld aan vorst en verstoven dooizouten) en XF4 (verzadigd met water met dooizouten of zeewater, wegen, brugdekken, spatzones van constructies in zee blootgesteld aan vorst) van NEN-EN 206-1 wordt vereist dat het luchtgehalte bij een nominale korrelgrootte van 31,5 mm tenminste 3,5% moet zijn (te verkrijgen via een luchtbelvormer). In de Nederlandse norm NEN 5950 wordt gesteld dat wanneer de watercementfactor kleiner is dan 0,45 is, er geen luchtbelvormer behoeft te worden toegepast (omdat er in het Nederlandse klimaat bij ervaring gesteld kan worden dat dan geen vorstschade op zal treden bij zo'n lage watercementfactor). In de Europese norm komt deze uitsluitingregel echter niet voor. Nu kan bij slecht verdichten gemakkelijk 3,5% lucht of meer in het beton achterblijven. De kunstmatig ingebrachte luchtbelletjes door de luchtbelvormer dienen echter zo klein mogelijk te 248

zijn. In het algemeen moeten het belletjes zijn van 0,05 tot 0,1 mm. De Duitse norm DIN 1045 stelt dat er tenminste 1,5% luchtbellen kleiner dan 0,3 mm moeten zijn (men kan dit overigens alleen bepalen via visuele metingen aan geslepen oppervlakken met behulp van "image analysing technieken", zie figuur 6.2.8. De luchtbelletjes dienen om de vorstdooibestandheid te verhogen. Ze werken als het ware als expansievaatjes. We komen daar in paragraaf 6.7.3 over duurzaamheid nog op terug. Ze hebben echter ook een smerend effect en verbeteren daarmee de verwerkbaarheid. Ze werken als het ware als een plastificeermiddel (kogellagereffect), hoewel de aard daarvan heel anders is dan van de middelen die hiervoor besproken zijn. De luchtbelvormende hulpstof zorgt er voor dat de luchtbelletjes stabiel blijven. Normaal wordt immers bij het vervaardigen van beton alle mogelijke moeite gedaan om lucht uit te drijven. Overigens moeten we wel beseffen dat iedere procent lucht tot ruwweg 5% druksterkteverlies leidt! In buitenlandse normen wordt naast het luchtgehalte nog een eis gesteld aan de afstand tussen de luchtbelletjes. Gebleken is namelijk dat, wil de functie als expansievaatje aanwezig zijn, de afstand tussen de luchtbelletjes kleiner dan 0,2 mm moet zijn. Men gebruikt daarvoor de "afstandsfactor". In figuur 6.2.8 is het begrip afstandsfactor door middel van een illustratie gedefinieerd.

Figuur 6.2.8 Afstandsfactor; dit is de maximale afstand van een willekeurig punt in de cementsteen tot een luchtbel. Vertragers: Een andere hulpstof voor cement zijn vertragers. Met name als het warm is, of als de specie van ver moet komen en lang verwerkbaar moet blijven, kan het gebruik van vertragers noodzakelijk zijn. Vertragers worden ook gebruikt in metselspecies, de zogenaamde natte prefab species. Daar komen we in het volgende hoofdstuk nog op terug. Goede vertragers moeten alleen de bindtijd vertragen; dat wil zeggen de verwerkbaarheidsperiode wordt verlengd, daarna verloopt de cement-reactie relatief snel. Figuur 6.2.9 geeft aan wat voor effecten bereikt kunnen worden met een vertrager op basis van een lignine sulfonaat. Dit is zowel een vertrager als een plastificeerder.

249

1. 2. 3. 4:

5:

Goed verwerkbaar. Nog net verwerkbaar. Kan niet meer getrild worden. Sterkte is 10 N/mm2 (druksterkte nodig voor ontkisten). Tijdstip waarop dezelfde sterkte als die van het blanco beton bereikt is.

Figuur 6.2.9 Effect van vertrager (lignosulfonaat) op een aantal eigenschappen. Versnellers: Tegenover de vertragers vindt men de versnellers. Deze worden vooral gebruikt wanneer een hoge productiesnelheid gewenst is. In het verleden, tot ongeveer begin zeventiger jaren, zijn op grote schaal chloriden gebruikt. Calciumchloriden en natriumchloride blijken de cementreactie flink te kunnen versnellen; bijvoorbeeld om een druksterkte van beton te bereiken van 6 MPa was zonder calciumchloride 50 uur benodigd bij 5°C, respectievelijk 15 uur bij 25°C, met 1% calciumchloriden bij 5°C: 32 uur, bij 25°C: 11 uur. Echter, bij te hoge chlorideconcentraties kan corrosie optreden van wapening. Hiermee zijn grote problemen ontstaan, zie paragraaf 6.7.4 over duurzaamheid. Daarom is tegenwoordig nog maar een laag chloridegehalte in gewapend beton toegestaan, terwijl bij voorgespannen beton het gebruik geheel verboden is. Er bestaan ook versnellers die niet op chloridebasis zijn; bijvoorbeeld die op basis van natriumforminaat en -thiocyanaat. Sommige van die hulpstoffen blijken echter ook corrosie te kunnen initiëren en dienen daarom met voorzichtigheid toegepast te worden. Andere hulpstoffen: Er zijn nog verschillende andere hulpstoffen; bijvoorbeeld middelen die gebruikt kunnen worden om de verdamping van water tegen te gaan, de zogenaamde "curing compounds". Deze worden op het vochtige beton gespoten en vormen als het ware een film die verdamping tegen gaat. Wij komen hier in paragraaf 6.4.4 op terug. Verder zijn er stoffen die ertoe leiden dat beton waterafstotend (hydrophobic agents) wordt. 6.2.4 Vulstoffen 6.9) Vulstoffen worden als regel toegepast in percentages groter dan 5% op de cementmassa. In Nederland worden veel anorganische reststoffen als vulstof gebruikt. Een veel gebruikte reststof is poederkoolvliegas. Hiervoor is er een CUR-Aanbeveling 94: “Poederkoolvliegas voor mortel en beton”. Zie ook de Europese norm NEN-EN 450.

6.9)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 438 (§:15.2.8).

250

Poederkoolvliegas is een puzzolane stof, dat wil zeggen dat ze met kalk en water kan reageren tot watervaste cementerende verbindingen. Naast de puzzolane werking verbetert vliegas ook de korrelopbouw in het fijne gebied (1-100 μm). Poederkoolvliegas mag tot zekere hoogte in rekening gebracht worden op de water/cementfactor en het minimum cementgehalte. Daarmee wordt als het ware de bijdrage van deze toevoegingen tot de sterkte-ontwikkeling erkend. Aan poederkoolvliegas worden stringente eisen gesteld, zoals aan de fijnheid, korrelverdeling, het glasgehalte (moet > 60% zijn), de hoeveelheid resterende koolstof (maximaal 5%) en andere. Van vliegas, welke hieraan voldoet, mag de hoeveelheid vliegas voor 0,2 deel als cement worden beschouwd in geval van combinatie van vliegas met portlandcement; dat wil zeggen “cement” cement + 0,2 vliegas. Men stelt dat er een zekere "bindmiddelfunctie" aan het vliegas mag worden toegekend onder bepaalde condities, zie tabel 6.2.5. Men mag vervolgens rekenen met een cementgehalte van c + k.v en een waterbindmiddelfactor van w/(c+k.v) waar v de hoeveelheid vliegas betekent. De volumieke massa van vliegas (class-F vliegas afkomstig van antracietkolen) is 2250 kg/m3 en het specifiek oppervlak is in de range 400 -700 m2/kg. Tabel 6.2.5

Bindmiddelfactor k voor poederkoolvliegas (NEN-EN 206-1 en NEN-EN 450).

Toegepaste cement CEM I 32,5 N en 32,5 R CEM I 42,5 R en hogere cementsterkteklassen CEM III/A voor alle cementsterkteklassen CEM III/B voor alle cementsterkteklassen

Bindmiddelfactor k 0,2 0,4 0,2 0,2

Een andere toevoeging voor beton is silica fume, ook wel microsilica genoemd; eveneens een reststof, in dit geval van de siliciumbereiding. Dit is een bijzonder reactief puzzolaan. Het wordt vooral gebruikt voor het maken van hoogwaardig zeer sterk of zeer dicht beton. Evenals vliegas reageert het met kalk tot calciumsilicaathydraten; dat wil zeggen cementerende verbindingen. Doordat het bovendien een verbeterde korrelopbouw geeft in het zeer fijne deeltjesgebied, dat wil zeggen kleiner dan 10 μm, kan een grote mate van verdichting worden bereikt. Het aantal capillaire poriën neemt daardoor af, zie paragraaf 6.3.2. Voor offshore constructies, welke van een zeer duurzaam beton gemaakt moeten worden, en voor zeer sterk beton, bijvoorbeeld met een druksterkte van 100 MPa wordt vaak silica fume gebruikt! Deze toevoegingen kunnen uiteraard ook worden gebruikt als bestanddeel van cement. Portlandvliegascement en hoogovencement zijn hier voorbeelden van. Een ander soort toevoeging is die van een polymeer in de vorm van in water gedispergeerde polymeerdeeltjes, de zogenaamde latex. (Ook veel gebruikt als bindmiddel voor verf!) Deze latex wordt gebruikt ter verlaging van de permeabiliteit van beton en kan ook de hechting verbeteren. De fijnheid van de polymeerbolletjes in de latex is van dezelfde grootte-orde als die van silica fume. Na de verdamping en reactie van het vrije water met het cement vloeien de polymeerbolletjes ineen tot een film, waardoor er naast cementsteen ook polymeervorming plaatsvindt. Het polymeer functioneert als toegevoegd bindmiddel. Toepassingen zijn onder andere bij reparatiemortels, bij het maken van dicht beton tegen chloride-indringing in onder andere brugdekken, voor glasvezelversterkt cement en voor geluidsarm zeer open beton als wegdek (in ontwikkeling).

251

6.2.5 Water 6.10) De hoeveelheid water in de specie wordt meestal opgegeven in verhouding tot de hoeveelheid cement in kg. Deze verhouding noemt men de water/cementfactor (w/c). Ze wordt uitgedrukt als massa per massa. Is de watercementfactor = 0,4 dan is er op iedere kg cement dus 0,4 kg water. Omdat een cementkorrel ongeveer 3 x zo zwaar is als eenzelfde volume water, is in beton met een watercementfactor = 0,4 een groter volume aan water dan aan cement aanwezig. Het is de taak van het water om: a) De korrels cement en toeslagmateriaal te omhullen met een laagje waardoor de verwerkbaarheid (mengen, transporteren, verdichten en afwerken) wordt bevorderd. b) Met het cement te reageren tot hydraten die de zanden grindkorrels aan elkaar kitten. Op beide functies willen we wat nader ingaan. Veronderstel dat alle korrels cement en toeslagmateriaal zich met eenzelfde laagdikte water zouden omhullen en dat de korrels van het onverhard cement een gezamenlijk oppervlak bezitten van 300 m2/kg (specifiek oppervlak). Als de water/cementfactor van een pasta = 0,4 dan zou 0,4 liter water zich moeten verspreiden over 300 m2. Als dit gelijkmatig is, wordt de laagdikte dus: 0,0004 m3 = 1,3 μm 300 m 2

De cementkorrels zelf hebben diameters van 1 tot 100 μm. Als niet de pasta, maar het beton een water/cementfactor van 0,4 bezit, moet bij het oppervlak van het cement ook het oppervlak van het zand en grind worden opgeteld. Omdat echter zand en grind geen groot oppervlak bezitten (de korrels zijn veel groter), is de water/cementfactor hoofdzakelijk bepalend voor de dikte van het gemiddelde waterlaagje. Het is dus te begrijpen dat men het watergehalte van een specie uitdrukt in de water/cementfactor. Als cement met water reageert tot hydraten zal op de lange duur een hoeveelheid water kunnen reageren die 25% van het cementgewicht bedraagt. Daarvoor moet het materiaal dan wel jaren nat blijven. Als de oorspronkelijke water/cementfactor 0,4 bedroeg, is dus: 0,25/0,40 deel van het oorspronkelijk water vast geworden. Het water dat in het beton achterblijft, bevindt zich in de poriën. Poriën verzwakken het beton, laten stoffen door die beton of wapening kunnen aantasten, veroorzaken bij uitdrogen droogkrimp, en kunnen tot schade leiden door bevriezing van het water in de poriën bij vorst. Een belangrijke doelstelling van de betontechnologie is dan ook een betonmengsel samen te stellen dat zo weinig mogelijk water nodig heeft, maar toch goed verwerkbaar is. Als water geschikt is om te drinken (Engels: "potable water") is het zeker geschikt om in beton te gebruiken. Veel betoncentrales pompen hun aanmaakwater uit de kanalen (waaraan ze gesitueerd zijn) en besparen zo in aanzienlijke mate op gebruik van drinkwater. Dit oppervlaktewater wordt dan wel geregeld gecontroleerd op vervuiling en verzilting.

6.10)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 439 (§:15.2.9) en blz. 434, §:15.2.4.

252

6.3

Cementsteen en microstructuur

6.3.1

Verharding van cement 6.11)

Reacties bij portlandcement: De reactie van cement begin zodra het in aanraking komt met water. Het eerste mineraal dat reageert, is het 3CaOAl2O3 (afgekort in cementchemienotatie: C3A). Dit reageert zo snel met water dat het cement al direct zou opstijven. De verwerkbaarheidsperiode zou dan veel te kort zijn om er in de praktijk wat mee te kunnen. Door gips (CaSO4.2H2O) en/of anhydriet (CaSO4) toe te voegen, wordt de verwerkbaarheidsperiode aanzienlijk verlengd. Gips reageert met het 3CaOAl2O3 tot een verbinding, ettringiet genaamd, dat een laagje vormt om de cementdeeltjes en deze enige tijd afschermt van verdere reactie met water. Figuur 6.3.1 illustreert dit proces. De reactie tot ettringiet is als volgt: 3CaOAl2O3 + 3CaSO4 + 32H20 Æ 3CaOAl2O3.3CaSO4.32H2O

(6.3.1)

ettringiet

met gips

Figuur 6.3.1

zonder gips

Effect van gips op de cementsteenvorming bij de aanvang van de reactie.

Na verloop van tijd vindt het water toch zijn weg naar de cementdeeltjes en valt het laagje ettringiet uit elkaar. De calciumsilicaten (3CaO.SiO2 en 2CaO.SiO2) reageren dan met water en vormen een calciumsilicaathydraatgel, afgekort CSH-gel. Voor het cementmineraal alite 3CaO.SiO2 (C3S) geldt ongeveer de reactievergelijking: 2(3Ca0.Si02) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 + warmte

(6.3.2)

Het reactieproduct 3CaO2.SiO2.3H2O komt qua samenstelling (stochiometrisch) ongeveer overeen met het in gesteenten voorkomend mineraal tobermoriet. In werkelijkheid is er geen kristalvorm, zoals bij mineralen het geval is, maar een gelachtig materiaal, CSH-gel. Dat wil zeggen een wanordelijke structuur, waarbij alleen op microschaal enige orde aanwezig is. Die CSH-gel is de belangrijkste cementerende verbinding. Naast de CSH-gel wordt ook vrije kalk gevormd, Ca(OH)2. Bij portlandcement bestaat circa 25% van het gereageerde cement uit deze kalk. De 6.11)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 440 en 441 (§:15.2.10). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 5.3.3, blz.275 e.v.

253

kalk heeft op zich niet zo'n bindende functie zoals de CSH-gel, maar is wel in kristallijne vorm aanwezig. Fasen in de verharding: 6.12) De verharding van cement laat zich in de volgende fases opdelen: a) Het mengen, waarbij het cement in water wordt gedispergeerd. Dit dispergeren kan worden verbeterd door het toevoegen van een plastificeermiddel, zoals besproken in paragraaf 6.2.3. b) Het water reageert met het 3CaO.Al2O3 en gips tot ettringiet. Gedurende enige uren daalt de verwerkbaarheid, maar het storten en verdichten van beton blijft mogelijk. De oplossing (het water) raakt verzadigd aan Ca(OH)2. De pH stijgt tot boven de 12. De eerste CSH-gel wordt aan het eind van de verwerkbaarheidperiode gevormd. Men stelt dat de “afbinding” dan in treedt. c) De CSH-gel zet zich af op de oorspronkelijke cementdeeltjes. Deze deeltjes worden dus als het ware dikker en groeien zo naar elkaar toe, zie figuur 6.3.2. Uiteindelijk raken ze elkaar en ontstaat de vaste stof: "cementsteen". Naarmate de afstand tussen de deeltjes groter is, duurt het langer voordat de groeiende deeltjes elkaar raken. De afstand is groter naarmate de water/cementfactor en/of de deeltjesgrootte groter is, en dus het specifiek oppervlak kleiner is, zie figuur 6.3.3. Vooral op korte termijn leidt dit tot een veel grotere sterkte voor beton met een lage watercementfactor. Tijdens het reactieproces neemt de alkaliteit van het water in de poriën toe tot een pH van 13 à 14, door het in oplossing gaan van NaOH en KOH. Andere cementen: Bij hoogovencement verloopt aanvankelijk de reactie net zoals bij portlandcement. De portlandklinkerdeeltjes reageren eerst en vormen CSH-gel + kalk. Nadat de pH een niveau van ongeveer 12 bereikt heeft, beginnen de hoogovencementdeeltjes op te lossen en reageren de opgeloste delen (ook met de vrije kalk afkomstig van de Portlandklinkerdeeltjes) tot een vorm van CSH-gel: anhydriet als catalysator gegranuleerde hoogovenslak + water ⎯⎯⎯ ⎯ ⎯ ⎯ ⎯⎯ → CSH-gel + warmte

(6.3.3)

De hoeveelheid ontwikkelde warmte is op korte termijn duidelijk minder dan de reactie 6.3.2. In hoogovencementsteen is meer CSH-gel aanwezig en veel minder vrije kalk dan in portlandcement. Het capillaire poriënvolume is daardoor kleiner en dat van de gelporiën groter, waardoor de cementsteen c.q. het beton minder permeabel is, (in §:6.3.2 wordt verder ingegaan op de microstructuur van beton en cementsteen). Bij portlandvliegascement of bij toevoeging van poederkoolvliegas aan beton, ontleedt de vliegas boven een pH van 13; dat wil zeggen, enige dagen nadat het cement met water gemengd is, zal het vliegas gaan reageren met water en de vrije kalk afkomstig van het portlandcement. De ontlede vliegas ontwikkelt een vorm van CSH-gel. De hoeveelheid vrije kalk neemt dus af en de cementsteen wordt verdicht door de naderhand gevormde CSH-gel. De reactie is volgens formule 6.3.4, ware het niet dat de vliegasreactie veel trager is dan die van hoogovenslak en pas na enige weken merkbaar wordt door de afname van de hoeveelheid vrije kalk in de verharde cementsteen. bij hogere pH vliegas + Ca(OH)2 + water ⎯⎯⎯⎯ ⎯ → CSH-gel

126.12) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 440 (§:15.2.10).

254

(6.3.4)

Figuur 6.3.2

Vorming van vaste stof door het uitgroeien van cementdeeltjes, resulterend in cementgel.

Invloedsfactoren op de reactiesnelheid van de hydraterende cementkorrels: De reactiesnelheid hangt af van: - de temperatuur; - de fijnheid van het cement; - de hoeveelheid C3S (= cementchemische codering voor (3CaO)SiO2 ten opzichte van C2S (= cementchemische codering voor (2CaO)SiO2); - de watercementfactor (= wcf = w/c in liter/kg, dus in kg/kg met w= water en c = cement); - de tijdsduur dat het beton vochtig blijft. Bij de eerste drie factoren gaat hoge reactiesnelheid samen met een snelle stijging van de sterkte. Bij een hoge watercementfactor is de hydratatiesnelheid wel groot, maar blijft de sterkte lager als gevolg van het ontstaan van meer capillaire poriën, zie volgende paragraaf.

255

Figuur 6.3.3

Gemiddelde afstand tussen de cementdeeltjes in cementsteen als functie van de specifieke oppervlakte van cement en de wcf. De gemiddelde deeltjesafstand is 2 keer de waterlaagdikte om elk deeltje. W/C = wcf = watercementfactor.

Ook de cementsoort is van belang voor de soort sterkte-ontwikkeling. Door de cementfabrikant zijn de cementen zo ontworpen, dat deze na 28 dagen verharden bij 20°C volgens de normbeproeving dezelfde sterkte hebben, bijvoorbeeld klasse 42,5. In de periode tot 28 dagen en daarna kan de sterkte-ontwikkeling nogal verschillen, zie figuur 6.3.4. Hoogovencement ontwikkelt zich trager dan portlandcement, ondanks de hogere maalfijnheid (300 m2/kg respectievelijk 400 m2/kg). Bij portlandvliegascement is dat verschil gering (een CEM II 32,5 heeft een zodanige maalfijnheid dat na 28 dagen voldaan wordt aan de normsterkte van 32,5 N/mm2).

Figuur 6.3.4

De druksterkte ontwikkeling van (norm)mortels als functie van de tijd voor drie cementen. Een normmortel bestaat uit cement, zand en water met wcf = 0,50. CEM I = portland cement. CEM III = hoogovencement. De verharding is bij 20 °C bij 95% R.V.

256

6.3.2 De microstructuur van cementsteen Voor de structuur van cementsteen zijn diverse modellen ontwikkeld. Eén daarvan is het zogenaamde Münchener model. Dit gaat uit van CSH als een drie dimensionaal netwerk van deeltjes met afmetingen kleiner dan 0,1 μm, zie figuur 6.3.5.

Figuur 6.3.5

Münchener model van cementsteen. CSH = calciumsilicaathydraat.

De afstanden tussen die deeltjes zijn klein. De binding tussen de deeltjes is het gevolg van "van der Waals krachten" (zie paragraaf 2.8.3), maar meer nog van sterke elektrostatische aantrekkingkrachten. Er zijn dus geen sterke ion- of valentiebindingen aanwezig. Als gevolg van het grote oppervlak van de deeltjes, is de totaal binding tussen de deeltjes toch aanzienlijk, ondanks het gemis aan de sterke bindingen die metalen en kunststoffen kenmerken. Het specifiek oppervlak voor cementsteen bedraagt wel 200 m2/g; dat is 1000 maal zo groot als het specifiek oppervlak van de oorspronkelijke, ongehydratateerde cementdeeltjes. Bij cementsteen betreft dit het intern oppervlak, dat wil zeggen het oppervlak van alle deeltjes, poriënwanden e.d. in de cementsteen. Belangrijk voor de eigenschappen zijn de poriën. In de zich afzettende CSH-gel bevinden zich poriën, de gelporiën. Ongeveer 25% van het door CSH-gel ingenomen volume bestaat uit deze gelporiën. De overgebleven ruimte tussen de "groeiende" cementdeeltjes vormen de capillaire poriën. Tijdens het reactieproces worden de capillaire poriën dus steeds kleiner en neemt hun totaal volume af. Het zijn deze capillaire poriën die nadelig zijn voor de eigenschappen (sterkte, permeabiliteit, duurzaamheid). De gelporiën zijn een intrinsiek onderdeel van de zich vormende cementsteen. Het zijn kleine poriën. De grens wordt wel gelegd bij een diameter van 20 nm (10-9 m). Poriën met een diameter kleiner dan 20 nm zijn de gelporiën, daarboven spreekt men van capillaire poriën. Hoeveel cementgel, onverhard cement en capillairen tezamen de cementsteen opvullen, hangt af van het soort cement, van de watercementfactor en van de omgeving van het beton. In figuur 6.3.6 is aangegeven hoe de distributie tussen deze 3 grootheden is bij langdurige verharding onder water. Bij een watercementfactor van 0,38 bestaat dan op den duur de cementsteen uit onverharde en verharde cement. Bij een watercementfactor van boven de 0,38 zullen er altijd en onder alle omstandigheden capillairen overblijven.

257

Figuur 6.3.6

Samenstelling van de cementsteen bij zeer lange verharding onder water. De gel poriën zijn steeds 25% van het gelvolume.

Naarmate het cement verder reageert, neemt de hoeveelheid ongehydrateerd cement af en de hoeveelheid cementgel toe, zie figuur 6.3.7. Bij hoogovencement- en portlandvliegascementsteen is de hoeveelheid gel en gelporiën groter en de capillaire porositeit kleiner. Tabel 6.3.1 geeft een overzicht van de verschillende poriënruimten in beton. 13) Als cement geheel zou uitharden met daarvoor net voldoende water (wcf < 0,35; wcf = watercementfactor = w/c in kg/kg) dan zouden er geen doorlopende capillaire poriën meer bestaan. Hoe maakt men dus hoge sterktebeton? Door een zou laag mogelijke waterbindmiddelfactor te verwezenlijken met een hoge (sterke) kwaliteit steenslag. Onder bindmiddel verstaat men dan cement plus een deel van eventueel toegevoegd vliegas of microsilica.

6.13)

Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 7.2.11, blz.347 e.v.

258

Figuur 6.3.7

De verandering tijdens de cementreactie van de componenten (in volumedelen) als functie van de tijd voor een water/cementfactor van 0,50.

Tabel 6.3.1

Overzicht van de verschillende poriënruimten in beton.

Poriën gelporiën fijne capillairen grovere capillairen belletjes poriën grensvlakholten

Afmetingen tot 5 nm tot 0,1 nm tot 10 micron

Porositeit 28%

tot 1 mm tot 10 mm

tot 4 % tot 3%

10%

6.3.3 De zone om de toeslagmaterialen 6.14) Rondom toeslagmateriaal en wapening bevindt zich een overgangzone die een andere microstructuur heeft dan de "bulk"cementsteen. Die zone kan overigens vrij dik zijn (wel 40 µm) en zo'n 40% van de totale cementsteen uitmaken. In het algemeen is de zone poreus en zwakker dan de bulkcementsteen. Er bevindt zich relatief weinig calciumsilicaathydraatgel (CSH-gel), maar wel vrije kalk dat geen bindende werking heeft. Figuur 6.3.8 laat de zone schematisch zien. Bij hoogovencement en portlandvliegascement, of beton met toevoeging van poederkoolvliegas of silica fume is deze zone veel kleiner, soms zelfs minder dan 1 µm. Dit heeft een positief effect op de eigenschappen van beton. Silica fume of "microsilica" is een zeer fijnkorrelig amorf siliciumoxide en is een zeer puzzolane stof (puzzolaan: reageert met water en kalk tot een calciumsilicaathydraat). Microsilica is een bijproduct van de siliciumproductie uit kwartszand (kwartszand, vaak te vinden in ons "gewone zand" is een kristallijne vorm van siliciumoxide). De fijne vulstofdeeltjes kunnen de open ruimte om het toeslag materiaal opvullen, zie figuur 6.3.9.

6.14)


259

Figuur 6.3.8

De overganglaag bij een toeslagkorrel. (Uit proefschrift dr. M. de Rooij).

Figuur 6.3.9

De overganglaag bij een toeslagkorrel zonder silica fume (bovenste figuur) en mét silica fume (onderste figuur) aan het begin van de verharding.

260

6.3.4 Water in cementsteen 6.15) Omdat water zo’n belangrijke rol speelt bij de eigenschappen van beton is het goed om de toestanden waarin water kan optreden nadér te bezien. Als men de toestanden beschrijft met steeds hogere bindingenergieën, komt men tot de volgende volgorde, waarin het dus steeds moeilijker wordt om het water door drogen of verhitten te verwijderen: a) Als waterdamp. In de capillairen kan waterdamp aanwezig zijn. Boven de verzadigingdampspanning zal condensatie tot water optreden. Zoals we in paragraaf 2.9 gezien hebben, daalt de verzadigingdampspanning naarmate de poriën kleiner worden. b) Vrij water. Treedt op in de capillairen als de omgevingsvochtigheid groot is; bijvoorbeeld als er vanuit geval a) condens is opgetreden. Het is ook aanwezig in de grotere gelporiën. Het water heet vrij, omdat het gemiddeld voldoende ver van het vaste oppervlak verwijderd is om niet gebonden te zijn door de attractiekrachten van het vaste oppervlak. In een stoof in het laboratorium (die vaak op 105oC is ingesteld) zal dit water gewoon verdampen. De snelheid van het ver dampen van het water hangt uiteraard van de temperatuur in de stoof af. c) Geadsorbeerd water. Aan het oppervlak van de vaste stof worden de watermoleculen zo sterk aangetrokken, dat het oppervlak steeds bedekt is met een monomoleculaire laag. Afhankelijk van de vochtigheid van de lucht kunnen dat 4 lagen worden. Iedere laag volgend op de eerste wordt minder sterk gebonden. Een groot deel van het gelporiënwater behoort hier toe. d) Tussenlaag-water. De kristallen CSH kan men opgebouwd denken uit O2- en 0H- ionen (beide ongeveer even groot), die aan elkaar gekoppeld zijn met de Ca2+ en de Si4+ ionen. Water kan hier binnendringen in het rooster en daarin geordende tussenlagen vormen. Als dit water verwijderd wordt, sluit het rooster zich weer. e) Chemisch gebonden water of wel hydraatwater. Dit water maakt deel uit van de vaste stof (de cementsteen). Bij het reactieproces, waarbij water gebonden wordt, treedt een volumeverkleining op van 10%. In beton hebben we te maken met een vrij star korrelskelet van het zand en het grind, terwijl verhardend cement een hydratatiekrimp te zien geeft: er ontstaat inwendige porositeit: de gelporiën. Is er meer water aanwezig dan nodig is om te reageren met al het cement, dan blijft dat niet gereageerde water in het beton achter in de capillaire poriën. Zie tabel 6.3.1. Beton met zo weinig mogelijk capillaire poriën is dus inderdaad te maken (ons moderne hoge sterkte beton). Beton gebaseerd op hydraterend cement zonder gelporiën is dus onmogelijk.

6.15)


261

6.4

Betonvervaardiging 6.16)

6.4.1 Algemeen Voor de vervaardiging van beton is, naast de keuze van de grondstoffen van belang dat er goed gemengd wordt. Mede in het kader van de certificatie van betonmortelbedrijven en ook van betonwaren is dit in Nederland in het algemeen goed verzorgd. Het betonnen product wordt uiteindelijk gevormd in de bekisting. Eenmaal in de bekisting gebracht, moet het beton de vorm van de bekisting kunnen aannemen. Essentieel daarbij is, dat de betonspecie bij de gekozen wijze van verdichten de goede verwerkbaarheid heeft. Tenslotte is er nog een stadium bij de betonvervaardiging, welk van groot belang is voordat beton zijn uiteindelijke functie kan vervullen, en dat is de nabehandeling.

6.4.2 Verwerkbaarheid Betonspecie in een viskeus materiaal; zie §:2.10.3. Bij de verwerkbaarheid (workability) gaat het om de reologie van de betonspecie. Deze blijkt zeer complex te zijn. Vereenvoudigd zou men de reologie van een betonspecie kunnen vergelijken met een zogenaamd Bingham vloeistof waardoor geldt, dat: τ = η

dγ + τ yield dt

(6.4.1)

waarin: τ = de afschuifspanning (N/mm2); η = de viscositeit (Nm.s); dγ/dt = de afschuifsnelheid (rad/s) τyield = vloeigrens c.q. zwichtspanning. In figuur 6.4.1 is dit verband aangegeven voor twee betonspecies, en daarnaast voor water en ketchup. Als ketchup geschud wordt, wordt de viscositeit lager, het wordt vloeibaarder. We noemen een dergelijk materiaal thixotroop. Ook betonspecie is enigszins thixotroop. Een belangrijk verschil met ketchup is echter, dat de specie pas vloeit nadat een bepaalde kracht wordt uitgeoefend: de vloeigrens moet worden overschreden. In werkelijkheid blijkt de curve van betonspecie niet zo mooi recht te verlopen. Bovendien blijkt de ligging van de curve tijd- en temperatuurafhankelijk. Echter, zelfs in het vereenvoudigde geval van figuur 6.4.1 is duidelijk, dat we tenminste twee parameters moeten kennen om de verwerkbaarheid van betonspecie te kunnen karakteriseren. De reologische metingen om tot een figuur als figuur 6.4.1 te komen, zijn echter vrij complex en alleen in een laboratorium uit te voeren. In de betontechnologiepraktijk zijn daarom enkele eenvoudige meetmethoden ontwikkeld.

6.16)

Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 6.10, blz.315 e.v.

262

Figuur 6.4.1 Relatie tussen uitgeoefende schuifspanning (τ) en afschuifsnelheid (dγ/dt) voor verschillende mengsels. In de Nederlandse Voorschriften Beton Technologie wordt de betonspecie ingedeeld in consistentiegebieden. Tabel 6.4.1 geeft de consistentiegebieden aan. De indeling maakt gebruik van drie meetmethoden: de zetmaat S (Engels: "slump"), verdichtingmaat C (Engels: "compaction", of ook wel "Walzvalue") en de schudmaat F (Engels: "flow table value"). Tabel 6.4.1 Consistentiegebieden volgens NEN-EN 12350-(2,4,5), NEN8005, CUR-Aanbeveling 93, *). Consistentiegebied droog aardvochtig half plastisch plastisch zeer plastisch vloeibaar zeer vloeibaar

Verdichtingmaat C klasse (mm/mm) C0 ≥ 1,64 C1 1,45 t/m 1,26 C2 (1,25 - 1,11) C3 (1,10-1,04)

Zetmaat S(mm) klasse mm

Schudmaat F(mm) klasse mm

S1 S2 S3 S4 S5

F1 F2 F3 F4 F5 F6 (ook wel: SF)

(10-40) 50-90 100-150 (160-210) (≥ 220)

(≤ 340) (350 t/m 410) (420 t/m 480) 490 t/m 550 560 t/m 620 ≥ 630 **)

De getallen die niet tussen haakjes staan prevaleren boven die tussen haakjes. *) In de nieuwe Euronorm NEN-EN 206.1 (die NEN 5950 inmiddels vervangt) worden meer verwerkbaarheidklassen gegeven dan in de oude voorschriften betontechnologie 1986 (NEN 5950). **) We praten hier over "vloeimaat" omdat vanwege de zeer hoge vloeibaarheid van het beton schudden niet meer mogelijk is (zie hieronder). Opdracht: Zoek deze norm op in de bibliotheek of via het internet. De TU-Delft heeft een licentie-overeenkomst met het Nederlandse Normalisatie Instituut waardoor je via de Universitetisbibliotheek je de norm in kan zien.

De zetmaat is wereldwijd de meest toegepaste methode. Het bestaat uit een aan beide zijden open kegel die volgens een in een norm vastgelegde procedure wordt gevuld met specie. Vervolgens wordt de kegel opgelicht waardoor betonspecie onder eigen gewicht ineenzakt; de zetmaat is dan de inzakking van de kegelhoogte die optreedt, zie figuur 6.4.2. Bij de twee andere methoden wordt extra energie gebruikt; dat wil zeggen een grotere kracht uitgeoefend dan het eigen gewicht alleen. Bij de schudmaat gebeurt dit door een tafelblad op te heffen en te laten vallen, zie ook figuur 263

6.4.2. Desondanks zijn dit alle éénpuntsmetingen, waarmee geen eenduidige karakterisering van de reologie kan geschieden. Nochtans zijn deze meetmethoden de enige die in de praktijk gebruikt worden.

Figuur 6.4.2

Zetmaat en schudmaat.

De verdichtingmaat wordt bepaald door (voorzichtig) droge betonspecie in een rechthoekig vat aan te brengen, zie figuur 6.4.3 en vervolgens (mechanisch) te trillen. De inzakking s (mm) van het drogere beton wordt gebruikt om de verdichtingmaat te berekenen volgens: 200

200

200 s

400 400-s

Figuur 6.4.3

De verdichtingmaat (Walzmaat).

264

C=

400 400 - s

⎛ mm ⎞ ⎜ ⎟ ⎝ mm ⎠

met s is inzakking in mm

(6.4.2)

Gebruiken we de verdichtingmaat voor droge betonspecies (de inzakking s is groter naarmate het beton droger is waardoor C eveneens groter wordt bij drogere beton), de zetmaat gebruiken we voor gewoon beton, waarbij de inzakking van het beton toeneemt naarmate het beton natter wordt. De verwerkbaarheid wordt in belangrijke mate bepaald door de hoeveelheid water; hoe meer water des te vloeibaarder. Bij een vast cementgehalte betekent dit, dat bij toenemende watercementfactor je in een hoger consistentiegebied (zie tabel 6.4.1) terecht komt. In figuur 6.4.4 is dit geïllustreerd.

Figuur 6.4.4

Relatie tussen uitgeoefende schuifspanning (τ) en afschuifsnelheid (dγ/dt) voor mengsels met verschillende watercementfactor.

Als gevolg van de reactie van cement met water neemt de smeuïgheid van betonspecie geleidelijk af. Dit proces verloopt sneller naarmate de temperatuur hoger is. Ook bij gebruik van een plastificeermiddel gaat de afname sneller. Figuur 6.4.5 geeft een verband tussen de schudmaat en de specietemperatuur op vier verschillende tijdstippen.

265

Figuur 6.4.5

Verloop van de schudmaat in de tijd, voor verschillende specietemperaturen bij normaal opstijvinggedrag. (pc-B is oude benaming voor CEM I 45,5).

6.4.3 Verdichting Na het mengen wordt de specie in de bekisting gebracht. Hierbij moet ontmenging (segregation) zo veel mogelijk voorkomen worden. Bij het storten is een bekende vorm van ontmenging het afrollen van de zwaardere delen, zie figuur 6.4.6a. Bij het verdichten na het storten, is de meest bekende vorm van ontmenging het opdrijven van de fijne bestanddelen, met name water en ook wel cement. Dit verschijnsel heet "bleeding". Bleeding is vaak goed zichtbaar bij vloeren aan de plassen water op het afgewerkte beton. Bleeding uit zich niet alleen aan het betonoppervlak, maar kan ook leiden tot waterophoping onder toeslagmateriaaldeeltjes. Belangrijkste voorwaarde om ontmenging te vermijden is, dat een goede korrelopbouw aanwezig is. Fijne toevoegingen, zoals microsilica (ook wel ‘silica fume’ genoemd) en vliegas e.d. en luchtbelletjes, blijken in het algemeen de cohesie van de betonspecie te vergroten; dat wil zeggen dat de neiging tot ontmenging verkleint.

Als de specie in de bekisting is gebracht, vindt de verdichting plaats. Tijdens dat proces wordt lucht uit de specie gedreven en moet ervoor gezorgd worden, dat de specie alle hoeken van de bekisting opvult. Dit kan op verschillende manieren gebeuren. Er kan bijvoorbeeld met trilnaalden worden gewerkt, die in het beton gehangen worden. Er wordt ook, met name in de prefabindustrie, gewerkt met bekistingtrillers. Verder kan er worden gestampt, zoals soms bij het maken van in de grond gevormde palen of bij het maken van betonstenen, of stampen plus trillen tegelijkertijd. Trillen van niet-zelfverdichtendbeton als verdichtingmethode komt het meest voor. Tijdens het trillen, neemt de afschuifsnelheid van de specie toe. Er worden immers krachten uitgeoefend. Bovendien neemt als gevolg van het thixotrope karakter van beton (net als bij ketchup) de viscositeit af, zie figuur 6.4.4. Bij het trillen beweegt de specie niet gelijkmatig. Grote korrels worden verder 266

door de trilnaald "weggeschoten" dan kleine. De trilnaald heeft een beperkte invloedssfeer. Daarom moet de naald op afstanden van bijvoorbeeld 0,50 m in de specie gebracht worden. De triltijd bedraagt meestal 10 tot 20 seconden. In figuur 6.4.6 is het trilproces in achtereenvolgende fasen van het verdichten weergegeven.

Bij a: De specie is gestort; grote korrels zijn naar de zijkant gerold. Bij b: De naald brengt het grove toeslagmateriaal dichter bij elkaar. De mortel (cement, zand, water) gaat naar het oppervlak van de bekisting, waar ook lucht zich verzamelt in luchtzakken. Bij c: De mortel beweegt zich verder naar de bekisting door het grovere materiaal heen. Het totale volume wordt kleiner; we zijn immers aan het verdichten. Bij d: De mortel vormt een huid op het beton aan de bekisting. Grovere korrels zijn daarbij niet te vinden en de fijnheid van de deeltjes neemt naar de buitenkant toe. Dit is het zogenaamde wandeffect. Het verklaart waarom beton na ontkisten zoveel cement aan het oppervlak heeft en grijs is. Het toeslagmateriaal kan men niet zien. Het is ook van belang voor de eigenschappen van beton. Immers, er bevindt zich relatief veel cement en ook veel water aan het oppervlak. Als de trilnaald op en neer gehaald wordt, bewegen de luchtbellen zich langs de wand naar boven. Vaak zijn ze, wanneer het verdichtingproces wordt afgebroken, nog aan het oppervlak van beton te zien.

Figuur 6.4.6

Schematische weergave van de verdichting van beton met behulp van een trilnaald.

Tegenwoordig is het ook mogelijk om de beton vloeibaar (consistentieklassen F5 en hoger) te maken, zodat hij als water gegoten kan worden. De verdichting kan dan achterwege blijven. Dit vloeibare beton is mogelijk geworden met de komst van de nieuwe generatie superplastificeerders en middelen om ondanks de vloeibaarheid toch ontmenging te voorkomen (thickeners). Men spreekt dan van zelfverdichtend beton. Men onderscheidt de consistentiegebieden SF1, SF2 en SF3 met vloeimaten van resp. 550-650 mm, 660-750 mm en 760-850 mm. 267

De toepassinggebieden zijn resp.: SF1: ongewapend tot licht gewapend beton zonder belangrijke obstakels SF2: wanden en kolommen SF3: complexe vormen, veel wapening, moeilijke toegankelijkheid. 6.4.4 Nabehandelen 6.17) Een zeer belangrijke stap in het vervaardigingsproces van een betonnen constructie is het nabehandelen omdat het jonge beton beschermd moet worden tegen beschadiging en uitdroging. Aanwijzingen worden gegeven in NEN 6722. Beton heeft een ‘twee-componenten’ bindmiddel: cement en water. Als water in contact is met de lucht vindt er verdamping plaats. Voor het beton betekent dat, dat één van de reactiecomponenten verdwijnt. Doordat bij de reactie van cement met water bovendien warmte vrijkomt en het beton dus warmer wordt, kan die verdamping vrij snel gaan. Het is van belang de verdamping tegen te gaan. De reactiecomponent water moet in het beton blijven! Bovendien, wanneer het beton uitdroogt door verdamping, reageert het tegelijkertijd met CO2 (carbonatatie). Als gevolg van dit proces zal bij het opnieuw benatten van het beton blijken dat er slechts in beperkte mate een verdere cementreactie met water plaatsvindt. Het effect van het droogproces op de cementreactie is onomkeerbaar!

In de Euronorm (voorheen ook de Nederlandse norm 6722, Voorschriften Beton Uitvoering VBU 1988-), wordt gesteld dat het beton moet worden beschermd tegen uitdrogen totdat het een gemiddelde kubusdruksterkte van 14 N/mm2 bereikt heeft. In de praktijk gaat dit nog wel eens fout. Het blijkt dat er veelal korter wordt nabehandeld. CUR aanbeveling 31 "Nabehandeling en bescherming van beton" geeft als alternatief van de nabehandeling op basis van druksterkte een aantal dagen dat beton moet worden nabehandeld. Dit aantal dagen is afhankelijk van de buitenomstandigheden (temperatuur, vochtigheid en windsnelheid) en de toepassing van het beton (milieuklasse). Bij langzaam verhardende betonsamenstellingen, bijvoorbeeld met hoogovencement, is de kwetsbaarheid voor een nabehandeling van te korte duur groter dan bij sneller hardende portlandcement. Aangetoond is dat bij slecht nabehandelen van beton er een grote toename kan zijn van de permeabiliteit ten opzichte van goed nabehandeld beton. Het consequent voldoen aan de eisen, die aan nabehandeling worden gesteld, is daarom van belang. Een dergelijk belang wordt nog groter wanneer het gaat over landen met een warm klimaat waar verdamping sneller kan gaan; bijvoorbeeld langs de Arabische Golf. Een mogelijkheid om een voldoende goede nabehandeling te verkrijgen, is uiteraard het beton in de bekisting te laten. Andere zijn: het nat houden, bijvoorbeeld door gebruik te maken van natte doeken, onder plastic afdekken e.d. Een derde mogelijkheid is al genoemd onder de paragraaf over hulpstoffen: het gebruik maken van ‘curing compounds’. De effectiviteit van deze curing compounds is niet in alle gevallen van te voren te voorspellen. Er ontbreekt nog aan een adequate beproevingmethode. Een curing compound wordt opgebracht wanneer het beton uit de kist komt, maar bij horizontale oppervlakken dient dan eerst het bleedingwater te zijn verdwenen. ‘Bleeding’, besproken in paragraaf 6.4.3, wordt meestal als negatief gezien voor beton. Het heeft echter ook een positief effect. Het geeft een beschermende werking tegen snelle uitdroging van het beton. Gebleken is bijvoorbeeld dat bij betonsoorten die niet ontmengen, dat wil zeggen geen 6.17)

Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 7.24, blz.338.

268

bleeding geven, gemakkelijk zogenaamde plastische krimpscheurvorming kan optreden, zie de volgende paragraaf. Onder de 5°C mag beton niet verwerkt worden, gezien het gevaar van bevriezing. 6.4.5 Plastische krimp 6.18) Plastische krimp is het verschijnsel dat volumevermindering optreedt doordat water verdampt uit het nog plastische beton. Dat is het gevolg van de capillaire krachten, zoals besproken in paragraaf 2.9.5. Doordat er nog geen structuurvorming heeft plaatsgevonden, is er nog geen treksterkte aanwezig, zodat er gemakkelijk scheuren ontstaan. Vergelijk dit maar met het drogen van natte klei; ook daar krijgen we scheurvorming. Het plasje water aan het oppervlak moet eerst verdampt zijn, voordat dit proces kan optreden. In figuur 6.4.7 is de mate van krimp, in dit geval van de plastische krimp, weergegeven. Ter vergelijking is tevens de droogkrimp opgenomen die aan verhard beton kan optreden, §:2.11.3. Hierbij is duidelijk, dat plastische krimp in een vroeg stadium zeer snel optreedt, terwijl droogkrimp een veel langzamer en in een later stadium optredend proces is. Droogkrimp treedt op aan verhard beton (§:6.6.3).

(a) beton continu onder water bewaard; (b) beton 7 dagen bewaard onder vochtige om standigheden, daarna bij 20 °C en 50 % R. V.; (c) beton direct na verdichten blootgesteld aan 20 0 C en 50% R.V.

Figuur 6.4.7

6.18)

Verloop van plastische krimp bij beton, alsmede zwellen en krimpen van beton, bij bewaren onder water en onder droge omstandigheden.


269

6.5

Eigenschappen jong beton

Algemeen: Beton verandert van een visceus materiaal tijdens de verwerkbaarheidsperiode tot een elastisch materiaal na de verharding. In de tussenliggende periode toont het materiaal sterk veranderende eigenschappen. Bij het ontwerpen van de uitvoering van constructies moet hiermee rekening worden gehouden. Een voorbeeld: de aannemerscombinatie die de Øresundtunnel tussen Denemarken en Zweden aan heeft gelegd, wist het contract mede te winnen, omdat men een concept bedacht heeft, om zonder koeling de tunnel toch scheurvrij te kunnen vervaardigen. Dit bespaarde zoveel dat de prijsaanbieding mede daardoor tot de laagste behoorde. Jong beton is namelijk gevoelig voor scheuren als gevolg van de warmte-ontwikkeling bij de cementhydratatie, zoals hieronder wordt besproken. Ontwikkeling van stijfheid en sterkte: 6.19) Naarmate het eerder beschreven hydratatieproces voortschrijdt, ontwikkelen zich geleidelijk ook de mechanische eigenschappen. Uitgezet tegen een logaritmische tijdas onderkent men een Svormige curve (figuur 6.5.1) met in de allereerste uren een langzame ontwikkeling, gevolgd door een snelle ontwikkeling als het beton 6 tot 24 uur oud is, en tenslotte een langzame maar toch zeer belangrijke verdere sterkte-ontwikkeling tot een maand en langer.

1) cementpasta wcf = 0,30 2) mortel wcf = 0,60

Figuur 6.5.1

Ontwikkeling "schuifsterkte" bij cementpasta en mortel (S-curve).

Belangrijk is, dat de stijfheid zich sneller ontwikkelt dan de sterkte-eigenschappen, zie figuur 6.5.2. Dit heeft tot zeer belangrijk gevolg dat de breukvervorming (bij korteduurbelasting) bij dit 6.19 )


270

jonge beton (6-24 uur oud) aanzienlijk lager is dan bijvoorbeeld bij 28 dagen oud beton. Met name de breukrek is dan zeer gering, zie figuur 6.5.3. Dit betekent bijvoorbeeld dat in dit stadium extra doorbuigingen van op buiging belaste elementen zorgvuldig moet worden vermeden, en dat in dit stadium het beton zeer gevoelig is voor krimp door uitdroging en spanningen als gevolg van temparatuurgradiënten. Andere belangrijke karakteristieken van jong beton zijn de hoge kruipspanningrelaxtie en de sterke vochtgevoeligheid (krimpvervorming, krimpspanning).

Figuur 6.5.2

. Figuur 6.5.3

Tijdsafhankelijke ontwikkeling van de elasticiteitmodulus, de treksterkte en de druksterkte (de stijfheid ontwikkelt zich sneller dan de sterkte). Na 28 dagen werd bij dit mengsel gevonden: σtrek = 3,5 MPa, σdruk = 35 MPa en E = 35 GPa.

Ontwikkeling breukrek als functie van de tijd voor jong beton (lage breukvorming jong beton).

271

Spanningen door hydratatiewarmte: Bij de cementhydratatie ontstaat warmte. Die warmte wordt afgevoerd naar de buitenzijde (bekisting, buitenlucht). Daardoor ontstaan temperatuurgradiënten, met als gevolg verschillen in de thermische uitzetting van het beton. De binnenzijde is warmer dan de buitenzijde. De buitenzijde komt onder trek te staan, dat wil zeggen er zullen trekspanningen in ontstaan. Voor de bouwpraktijk is vaak van groot belang, of er scheuren zullen ontstaan. Jong beton is gevoelig voor scheuren als gevolg van de warmte-ontwikkeling bij de cementhydratatie. Het voorspellen van de waarschijnlijkheid op scheurvorming is een uitermate complexe zaak, omdat er niet alleen van veranderende temperatuurgradiënten sprake is, maar ook van veranderende eigenschappen. In figuur 6.5.4 is een voorbeeld getoond van de berekende temperatuurontwikkeling in een tunnelwand die op een reeds verharde vloer gestort is. Figuur 6.5.5 laat de berekende spanning zien en de sterkte-ontwikkeling in een punt van de tunnelwand. De berekende spanningen overschrijden de treksterkte na ongeveer 72 uur (inclusief veiligheidsfactor). Verwacht mag worden dat de tunnel hier zal scheuren. Maatregelen zijn nodig om scheuren te vermijden (bijvoorbeeld koelen, andere betonsamenstelling met minder snel reagerend cement. Vermijden van dit soort scheuren is niet alleen van belang voor waterdichte constructies, maar ook voor vloeistofconstructies in verband met bescherming van de bodem.

Figuur 6.5.4

Temperatuurontwikkeling in betonnenwand, die op een reeds bestaande betonnen vloer is gestort, na 40 uur verharden.

272

Figuur 6.5.5

Trekspanningontwikkeling ter plekke ‘x’ van figuur 6.5.4 in richting loodrecht op het papier. (σtr in de figuur is de treksterkte-ontwikkeling, σ in de figuur is de spanning-ontwikkeling in het beton).

273

6.6

Verhard beton

6.6.1

Sterkte 6.20)

Algemeen: De Voorschriften Beton zoals die tot voor kort gebruikelijk waren (VBT 1986, NEN 5950 en VBU 1988 NEN 6722) zijn opgegaan in de Europese norm NEN-EN 206. Opdracht: Zoek deze norm op en zoek naar de lijst van sterkteklassen. Deze worden inmiddels uitgedrukt met twee cijfers, bijvoorbeeld C32/35 waarbij 35 de karakteristieke kubusdruksterkte in N/mm2 betekent. Het eerste getal is de cilinderdruksterkte. Voordat de EN 206 in gebruik kwam, werd de sterkteklasse uitgedrukt met bijvoorbeeld de codering B35 waarbij 35 de karakteristieke kubusdruksterke is, (zie het boek van Hendriks, blz. 442). De karakteristieke sterkte is de waarde waarbij 95% van het geteste beton (dus de proefkubussen) sterker is dan die (karakteristieke) waarde (zie hieronder). De Voorschriften Beton en ook de Europese norm ENV 206) gaan uit van twee kwaliteitsparameters: de druksterkte en de duurzaamheid. De parameter "sterkte" wordt uitgedrukt in druksterkte. Aan deze druksterkte worden andere eigenschappen gerelateerd, zoals de elasticiteitmodulus, de kruip en de mate van droogkrimp; dat wil zeggen als de druksterkte vaststaat, dan mag men aan deze eigenschappen een bepaalde waarde toekennen. Op deze laatste eigenschappen komen we in dit hoofdstuk terug. Nu is de druksterkte niet een eenduidig bepaalde fysische materiaalgrootheid, zoals bijvoorbeeld de dichtheid. De druksterkte hangt namelijk af van verschillende factoren, zoals temperatuur, vochtgehalte, snelheid van belasting, afmetingen e.d. Wat we onder druksterkte verstaan en hoe we deze bepalen moet daarom eenduidig vastgelegd zijn, om een bruikbaar kwaliteitscriterium te verkrijgen. In Nederland, evenals in vele andere Europese landen wordt de druksterkte bepaald aan kubussen; betonkubussen van 150 x 150 x 150 mm die 28 dagen oud zijn en gedurende die periode bij 20°C en een bepaalde vochtigheid van de omgeving zijn bewaard. Andere invloedsfactoren, zoals de snelheid van betasten in de drukpers, de mate van vlakheid van de drukplaten in de pers e.d. zijn eveneens voorgeschreven. Sterkteklassen voor beton: In de NEN-EN 206-1 worden de druksterkteklassen onderkend voor normaal en zwaarbeton. Tabel 6.6.1 geeft een (niet volledig) overzicht. In de tweede kolom van de tabel is de codering voor de sterktekalsse gegeven. De letter C slaat op "concrete" en het eerste getal is de karakteristieke cilinderdruksterkte. Het tweede getal (na het schuine streepje) is de karakteristieke kubusdruksterkte. Onder de karakteristieke waarde wordt verstaan, die waarde, die met een waarschijnlijkheid van 5% wordt onderschreden. Niet de gemiddelde waarde is dus maatgevend, maar de kans dat een waarde lager is dan de "karakteristieke sterkte". Deze kans mag niet hoger zijn dan 5%. De berekening van de kans is afgeleid uit de statistiek. Voor de druksterkte is er sprake van een zogenaamde normale verdeling van een groot aantal resultaten welke met de waarschijnlijkheidskromme van Gausz kan worden beschreven. Figuur 6.6.1 toont zo’n kromme. De letter C in de figuur geeft de plek aan van de karakteristieke sterkte.

6.20)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 442 t/m 443 (§:15.2.12). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 7.2.2, blz.331 e.v.

274

Tabel 6.6.1

Sterkteklassen en materiaaleigenschappen voor normaal en zwaar beton.

Volgens

Sterkteklasse

Karakteristieke kubusdruksterkte (MPa)

NEN 6720, NEN-EN 206-1

C12/15 C20/25 C28/35 C35/45 C45/55 C53/65 C60/75 C70/85 C80/95 C90/105

15 25 35 45 55 65 75 85 95 105

CUR Aanbeveling 97

Rekenwaarde voor de druksterkte van beton (MPa) 9 15 21 27 33 39 45 50 55 60

Gemiddelde treksterkte van beton (MPa) 1,8 2,3 2,8 3,3 3,8 4,3 4,5 4,7 4,9 5,1

Rekenwaarde voor de treksterkte (MPa)

E-modulus (MPa)

0,90 1,15 1,40 1,65 1,90 2,15 2,25 2,35 2,45 2,55

26000 28500 31000 33500 36000 38500 38900 39300 39700 40100

Voor lichtbeton gebruikt men de codering LC eveneens gevolgd door twee getallen (LC van "lightweight concrete") waarbij het laatste getal de karakteristieke kubusdruksterkte weergeeft. Voorbeelden zijn: LC12/13; LC320/22;……; LC80/88. De gemiddelde waarde (is tevens de meest voorkomende van alle n waarden): n

∑ xi x=

i=1

(6.6.1)

n

Deze curve bezit 2 buigpunten. Binnen deze buigpunten valt 68% van alle waarnemingen, dus tussen (gemiddelde + s) en (gemiddelde - s). 90% van alle waarnemingen valt tussen ( gemiddelde + 1 ,64 s) en (gemiddelde - 1 ,64 s); 5% is dus lager dan (gemiddelde - 1 ,64 s) en 5% hoger dan (gemiddelde + 1 ,64 s). y

x = gemiddelde waarde (is tevens de meest voorkomende van alle n waarden) y = frequentie = aantal monsters dat de waarde x geeft s = standaard deviatie = x - x bij het buigpunt

C

Figuur 6.6.1

x

Gausz-kromme.

De waarde van s wordt bepaald door:

275

n

2

∑ (xi - x 2 ) st an daardafwijking s =

i=1

(6.6.2) 2

(N/mm )

n -1

De karakteristieke waarde voor een normale verdeling volgt uit: (N/mm 2 )

x k = x - 1,64.s

(6.6.3)

Nu gaat de formule voor de standaard afwijking s alleen goed op als het aantal resultaten waarover men beschikt zeer groot is. Alleen dan is s met grote zekerheid bekend. In de praktijk beschikt men alleen over een betrekkelijk klein aantal proefkuben en is de feitelijke s dus niet bekend. Men moet dan schrijven: x k = x - z.s

(6.6.4)

waarin z afhangt van het aantal proefstukken. Zo vindt men bijvoorbeeld voor z bij: 3 proefstukken : 2,9 6 proefstukken : 2,0 12 proefstukken : 1,8 25 proefstukken : 1,7. Bij toepassing van bovenvermelde waarden wordt echter alle risico bij de producent gelegd als men formule 6.6.4 gaat toepassen om het gerede beton goed- dan wel af te keuren. Beton wordt goedgekeurd als: (N/mm 2 )

x ≥ x k + k.s

(6.6.5)

De gemiddelde sterkte wordt uiteraard bepaald op een aantal proefkubussen, evenals s en xk is de door de constructeur voorgeschreven karakteristieke sterkte. De factor k is afhankelijk van het aantal kubussen dat getest wordt en wordt bepaald door het producentenrisico en een (gering) consumentenrisico. De waarde van k voor 12 testkubussen is ongeveer 1,54; dus kleiner dan 1,8. Met producentenrisico wordt bedoeld de kans dat ten onrechte een goede beton wordt afgekeurd. Met consumentenrisico wordt bedoeld de kans dat onrechte slechte beton wordt goedgekeurd. Het spreekt vanzelf dat het consumentenrisico slechts gering mag zijn. Tegenwoordig wordt ook wel met hogere sterkten dan klasse C55 gewerkt, wel tot klasse C100 toe (en inmiddels hoger); dit wordt met name gebruikt voor het construeren van slanke kolommen om gewicht en ruimte te besparen. Ook waar het beton met hoge duurzaamheid betreft wordt vaak met zeer sterk beton gewerkt. Het uitgangspunt is dan hoge duurzaamheid en niet de sterkte. Rekenregels voor "hoge sterkte beton" (sterkte klasse groter en gelijk aan C65) zijn neergelegd in het CUR-rapport 90-9 "Hoge sterkte beton: technologie, eigenschappen en rekenwaarden", 1991, Gouda (een soort voornorm). CUR staat voor: ‘Civiel Technisch Centrum voor de Uitvoering van Research en Regelgeving’).

276

Hoe sterker beton wordt, hoe brosser het wordt, zoals blijkt uit figuur 6.6.2. Hoge sterkte beton gedraagt zich nagenoeg min of meer elastisch, zonder grote blijvende vervormingen terwijl de breukstuik echter lager is dan die van gewoon beton.

Figuur 6.6.2

Relatie tussen spanning en vervorming, voor beton met opklimmende niveaus van druksterkte. De gestippelde curve is voor een bepaald lichtgewichtbeton.

De treksterkte: In het algemeen geldt voor steenachtige materialen dat de treksterkte ruwweg een tiende is van de druksterkte en beton is daarop geen uitzondering. Het is echter lastig om een directe trekproef uit te voeren op beton en vandaar dat men de splijttreksterkte bepaalt (zie §:2.10.9). Volgens NEN 6720 geldt: representatieve waarde van de treksterkte = 0,7.(1,05 + 0,05.σ druk karakteristiek )

(N/mm 2 )

(6.6.6)

Tabel 6.6.1 geeft enige waarden voor de aan te houden treksterkten. De watercementfactor wcf (= w/c in kg/kg): 6.21) Hoe kunnen we nu beton van een bepaalde sterkteklasse maken? Voor Nederlands rivierzand en riviergrind is het voor een bepaald cement nagenoeg uitsluitend de watercementfactor die de sterkte bepaalt. Figuur 6.6.3 geeft het verloop van de sterkte als functie van de watercementfactor weer voor drie verschillende cementklasse bij één cementsoort. Uit de figuur blijkt dat ook de cementklasse een invloed heeft op de sterkte. Zonder de toepassing van superplastificeerders is het niet mogelijk om de curven in de figuur door te trekken naar hogere sterkten bij lagere watercementfactoren. De reden is dat dan de verwerkbaar zodanig verslechtert dat een goede beton niet meer te maken en te verdichten is. Het is dank zij de ontwikkeling van nieuwe generaties superplastificeerders dat we beton kunnen maken met zeer lage watercementfactoren (< 0,40). Figuur 6.6.4 geeft een vergelijking tussen twee verschillende cementsoorten. 6.21)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 443 t/m 444 (§:15.2.12). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 7.2.2, blz.331 e.v.

277

De beide figuren gelden voor normaal verdicht beton met een luchtgehalte kleiner dan 2%. Een vuistregel is dat men voor elke % lucht boven de 2% een sterktereductie mag verwachten die gelijk is aan het toevoegen van 10 liter water per 1 m3 beton. Zie ook figuur 6.6.5.

Kubusdruksterkte

Figuur 6.6.3

Druksterkte van beton na 28 dagen als functie van de watercementfactor. kubusdruksterkte (MPa) 65 60 CEM I 32,5 R CEM III/B 42,5 N LH HS

55 50 45 40 35 30 25 0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

wcf

Figuur 6.6.4

Relatie watercementfactor en 28 daagse sterkte voor twee cementsoorten.

278

In normaal (verdicht) beton is het luchtgehalte (na trillen) in de orde van grootte van 1 - 2%. Zelfverdichtend beton wordt echter niet getrild maar mag toch niet een hoog luchtgehalte bevatten. Luchtgehalten tussen 3% en 5% dient men te verkrijgen met behulp van luchtbelvormers.

Figuur 6.6.5

Verlies in sterkte als functie van het luchtgehalte in beton.

De lijnen in de figuren 6.6.3 en 6.6.4 voldoen in het gegeven traject aan de formule (regel van Abrams): sterkte =

k wcf n

(6.6.7)

De constante k hangt af van de cementsoort en de constante n is ongeveer gelijk aan 2 en wcf = w/c in kg/kg. Feret heeft de invloed van lucht hieraan toegevoegd. Wanneer ook lucht aanwezig is, blijkt de sterkte, nog beter dan met de water/cementfactor, voorspelbaar te zijn met de (water + lucht)/cement volumeverhouding (liter/liter, formule 6.6.8). Powers geeft het verband tussen de porositeit en de sterkte (formule 6.6.9). Volgens Feret: σ druk =

k

( ( volume water + volume lucht ) /(volume cement )

n

(6.6.8)

Volgens Powers: σ druk = σ 0 .e

-k

p

(met p = porositeit)

(6.6.9)

Voor gangbare betonsamenstellingen kan men de gemiddelde betonsterkte redelijk voorspellen met de formule:

279

b (6.6.10) -c (N/mm 2 ) wcf waarbij n het aantal dagen verharding is en Nn de normsterkte van het gebruikte cement na n dagen. x n dagen = a.N n +

Tabel 6.6.2 geeft een overzicht van de waarden a, b en c voor cementen van ENCI. Tabel 6.6.2

De parameters a, b en c in formule 6.6.10 in cement van ENCI.

Cement CEM I en CEM II/B-V CEM III/A CEM III/B

a 0.85 0.80 0.75

b 33 25 18

c 62 45 30

De invloed van het toeslagmateriaal: 6.22) Het toeslagmateriaal maakt veelal 60% of meer van het volume van het beton uit. In het voorgaande is gesteld dat de watercementfactor het meest belangrijke sterktecriterium is. Is dan het toeslagmateriaal niet van belang? Bij Nederlands rivierzand en riviergrind in het betondruksterkte klassegebied C5 tot C55 is dat inderdaad het geval. Cement is de zwakste schakel en deze bepaalt de sterkte voor het samengestelde materiaal beton. Bij zwakkere toeslagmaterialen, zoals bijvoorbeeld bij de meeste lichte toeslagmateriaalsoorten, speelt de sterkte van het toeslagmateriaal echter wél een rol. Bij zeer sterk riviergrindbeton, sterker dan C55, begint ook de sterkte van het grind en het zand een rol te spelen. Opgemerkt wordt, dat voor die sterkteklassen tevens de volume-aandelen cementsteen en toeslagmateriaal bij normaal beton geen rol van betekenis spelen. Pas bij zwakkere toeslagmaterialen, welke qua sterkte in de grootte-orde van cementsteen liggen, worden zowel volume-aandelen als de sterkte van de beide componenten van belang (zie ook de volgende paragraaf).

6.6.2 Elasticiteitmodulus Wanneer verhard beton belast wordt, vervormt het. Er zijn vele verschillende belastingen die tot vervorming kunnen leiden. Hieronder zijn mechanische belasting (druk-, trek- en afschuifkrachten), de afgifte van vrij water (droogkrimp) of juist de opname van water (vochtzwelling), de temperatuurveranderingen, en de inwerking van stoffen die met het beton reageren, etc. Dit betreft belastingen door de buitenwereld aan het beton opgelegd (externe belastingen), zoals de mechanische belasting van een betonnen muur, temperatuurverandering door zoninstraling, etc., maar ook de belastingen vanuit het beton zelf (eigen belastingen), zoals bijvoorbeeld het eigen gewicht van een brug. Al deze belastingen leiden tot vervormingen. In de technische regels voor de bouw, de TGB's, zijn er in het algemeen twee ontwerp-criteria. Dit zijn de mate waarin vervorming op mag treden (bijvoorbeeld de toegelaten doorbuiging bij balken, vloeren en muren) en de bezwijkbelasting.

6.22)


280

Niet alleen voor het eerste is het vervorminggedrag van belang, maar ook voor het tweede. Immers zodra de vervormingcapaciteit is bereikt, zal het materiaal bezwijken. De materiaalgrootheid die de optredende vervorming bij een gegeven belasting in hoge mate bepaalt, is de elasticiteitmodulus (E). In het lineair elastische gebied geldt: E =

σ ε

(N/mm 2 )

waarin: E σ

= =

de elasticiteitmodulus in N/mm2; de spanning in N/mm2;

ε

=

⎛ ΔL ⎞ de opgetreden relatieve vervorming ⎜ ε = ⎟. L0 ⎠ ⎝

(6.6.11)

Evenals de sterkte is ook de elasticiteitmodulus niet eenduidig bepaald. Dat blijkt wel wanneer we bijvoorbeeld kijken naar het vervormingdiagram bij kort opgelegde drukbelasting bij beton, zoals weergegeven in figuur 6.6.6. We onderscheiden de (instantane of) initiële tangentiale modulus. Deze wordt berekend uit het lineair elastische gebied in de oorsprong. De secant-modulus kan in ieder punt van de druk-stuik curve worden berekend door σ te delen door ε. Bij grotere vervormingen gedraagt beton zich niet langer meer elastisch en neemt de secant modulus af. Wanneer de modulus wordt berekend uit de raaklijn aan de curve dan spreken we van de tangentiale modulus (zie ook figuur 2.5.3). In het algemeen zullen we onder elasticiteitmodulus verstaan (in geval er geen toevoegingen zijn) de initiële tangentiale modulus (in het Engels: “Young’s-modulus”).

Figuur 6.6.6 Het σ-ε diagram van beton met een opgaande belastingtak en een neergaande belastingtak. Aangegeven is een drietal wijzen om de E-modulus te bepalen. De E-modulus van een composietmateriaal is afhankelijk van de E-moduli van de bestanddelen, alsmede de volume-aandelen hiervan. Voor het bestanddeel cementsteen blijkt de elasticiteitmodulus afhankelijk te zijn van de porositeit. Het volgende verband blijkt op te gaan:

281

Ec = Ec, 0 x (1-p)n

(6.6.12)

waarin n een door experimenten te bepalen factor en: Ec = de elasticiteitmodulus van cementsteen; Ec, 0 = de elasticiteitmodulus van cementsteen bij porositeit 0; pc = de porositeit van de cementsteen. Figuur 6.6.7 geeft enige meetresultaten weer. Voor zowel riviergrind als rivierzand is de Emodulus hoger dan die van cementsteen. Voor lichte toeslagmaterialen blijkt echter soms het omgekeerde het geval te zijn. E-modulus x 103 [N/mm2]

Verhard: 24 maanden oud Δ 7 maanden oud z 6 maanden oud

Î 1-p

Figuur 6.6.7 Elasticiteitmodulus van cementsteen als functie van de porositeit. Dit heeft belangrijke consequenties voor de spanningverdeling in het beton. Bij een opgelegde belasting zijn de bestanddelen in het beton genoodzaakt alle te vervormen. De hoog E-modulaire bestanddelen zullen daarbij dan meer spanning nemen dan de laag E-modulaire. Bij riviergrind en rivierzand betekent dit, dat de spanningconcentraties in het toeslagmateriaal groter zullen zijn dan in cementsteen. Bij licht toeslagmateriaal is dat net andersom, zie figuur 6.6.8. Dit is ook een van de redenen waarom het moeilijker is met licht toeslagmateriaal een zeer sterk beton te maken dan met riviergrind/zand. De elasticiteitmodulus van beton blijkt goed te benaderen te zijn met het Counto-model, zoals weergegeven in figuur 6.6.9. Wanneer we dus een beton met een zo laag mogelijke vervorming willen hebben (bij een gegeven belasting en bij gelijke afmetingen) moeten we een beton met een zo hoog mogelijke E-modulus vervaardigen. Dit kan door de cementsteen met zo laag mogelijke porositeit te vervaardigen en een zo groot mogelijk aandeel aan toeslagmateriaal met een zo hoog mogelijke elasticiteitmodulus.

282

Krachtenoverdracht Æ

Spanninglijnen Æ

Breukpatroon Æ

a) beton met riviergrind en -zand

b) lichtbeton met lichtgewicht toeslagmateriaal

Figuur 6.6.8 Gedrag van beton met rivierzand en -grind bij drukbelasting (a) en met lichtgewichttoeslagmateriaal (b).

283

Aandeel toeslagmateriaal (%; voor de vierkanten), resp. percentage lucht (voor de driehoeken) Figuur 6.6.9 Counto’s model van de elasticiteitmodulus (de stijgende lijn met de vierkantjes). Als er meer lucht in het beton zit, neemt de E-modulus af (de dalende lijn met de driehoekjes). 6.6.3 Droogkrimp en vochtzwelling 6.23) Onder droogkrimp (of zwelling) van een betonelement zullen we verstaan de krimp (zwelling) van verhard beton, door uitwisseling van water met de omgeving. De droogkrimp is het gevolg van het verdwijnen van water uit poriën (zowel capillaire als gelporiën), alsmede van aan de wanden in de poriën geadsorbeerde watermoleculen. Zoals bekend uit §:2.9, verlaagt water de oppervlaktespanning van cementsteen. Wanneer water uit de cementsteenporiën verdampt, zullen die wanden elkaar aantrekken teneinde de vergrote oppervlaktespanning als gevolg van de verdamping weer te verminderen; het gevolg is krimp. Naarmate het water zich verder terug trekt, worden de krachten, die daarbij op de wanden worden uitgeoefend steeds groter. Figuur 6.6.10 geeft de krimp schematisch weer als functie van het vochtverlies.

6.23)


284

Figuur 6.6.10

Krimp als functie van het vochtverlies.

Het in de figuur aangegeven gebied van 100% tot 50% relatieve vochtigheid is voor de bouwpraktijk het meest belangrijk. In dit gebied spelen vooral de capillaire poriën een belangrijke rol. De grootte van de krimp blijkt voor een bepaalde betonsamenstelling vooral bepaald te worden door de hoeveelheid water, die in het beton is gebruikt. Er blijkt een lineaire relatie te bestaan tussen de hoeveelheid water en de krimp, zoals weergegeven in figuur 6.6.11. Figuur 6.6.12 illustreert dit nog eens. Hier is de krimp (de verticale as) weergegeven als functie van het cementgehalte (de xas), het watergehalte (de gestippelde lijnen geven betonmengsels weer met gelijk watergehalte) en/of de watercementfactor wcf (de getrokken lijnen; bedenk dat wcf = w/c). De getrokken lijnen zijn dus betonmengsels met constante wcf.

Figuur 6.6.11

Afhankelijkheid van de droogkrimp van mortels van de waterhoeveelheid (uitgedrukt in massaprocenten) waarmee de mortels zijn aangemaakt.

285

Figuur 6.6.12 De relatie tussen krimp, cementgehalte en water/cementfactor bij beton. Het toeslagmateriaalaandeel (zand plus grind) staat uiteraard in directe relatie tot het cementaandeel (heb je veel cement in 1 m3 beton, dan is er dus minder ruimte beschikbaar voor zand en grind) en speelt dus bij de krimp een rol. Enerzijds is dit verbonden met de waterhoeveelheid; meer en vooral grover toeslagmateriaal betekent in het algemeen minder water en, zoals we gezien hebben, betekent dat minder krimp. Anderzijds zal toeslagmateriaal met een hogere E-modulus de vervorming als gevolg van door de cementsteen opgewekte krimpkrachten tegengaan, waardoor de krimp zal verminderen. De elasticiteitmodulus van het toeslagmateriaal heeft daarmee een duidelijk effect op de grootte van de krimp van het beton. De krimp blijkt te bestaan uit een reversibel en een irreversibel deel. Het laatste, het irreversibele deel, treedt maar één keer op; figuur 6.6.13 illustreert dit. Voor in-situ vervaardigd beton moet met beide krimpsoorten rekening worden gehouden. Bij geprefabriceerde betonelementen, liggers e.d., zal de irreversibele krimp veelal al hebben plaatsgevonden, voordat de betonelementen in de constructie worden toegepast. Hier zal de droogkrimp daarom veelal geringer zijn. Bij vochtzwelling praten wij over de omgekeerde beweging. Gezien het ten dele reversibele gedrag, kan men voor de vochtzwelling de omgekeerde redenering volgen. Wel moet worden opgemerkt, dat de opname van water, met name vloeibaar water, erg snel gaat, terwijl uitdroging als gevolg van verdamping meestal traag verloopt. Vochtzwelling zal dus daarom veelal snel verlopen, terwijl droogkrimp langzaam zal verlopen. Toch is het de droogkrimp die tot bezwijken kan leiden, wat zich uit als scheurvorming.

286

Figuur 6.6.13 Reversibele en irreversibele vochtbeweging. In eenvoudige bewoording verloopt het proces als volgt. Droogkrimp begint aan het oppervlak. Deze krimp wordt echter tegengewerkt door de kern van het beton, die (nog) niet in het stadium van uitdrogen is. Als gevolg daarvan ontstaan trekspanningen in de buitenhuid van het beton. Zoals bekend is, heeft beton een lage treksterkte, waardoor de trekspanningen vrij snel scheuren tot gevolg kunnen hebben. Eén en ander is geïllustreerd in figuur 6.6.14. De scheurvorming blijft in dit geval beperkt tot het buitenoppervlak. Dat hoeft niet altijd het geval te zijn. Indien de krimp van beton wordt verhinderd, bijvoorbeeld bij betonvloeren door de ondergrond, ontstaan de scheuren op de zwakste plaats in het beton en kunnen de gevormde scheuren ook doorgaand zijn. De mate waarin beton krimpt, hangt sterk af van het microklimaat aan het betonoppervlak. Binnenshuis is de krimp groter dan aan de bovenzijde van een niet beschutte balkonplaat. Figuur 6.6.15 laat de invloed van de relatieve vochtigheid op de krimp zien.

Figuur 6.6.14 Trek- en drukspanningen in beton als gevolg van vochtgradiënt.

287

Droogkrimp leidt dus tot vervorming, en als deze vervorming verhinderd wordt, tot spanningen. Dit kan eventueel tot ongewenste en ongecontroleerde scheurvorming. Het is niet voor niets dat we bij bijvoorbeeld betonvloeren aan de bovenkant (dus de drukzone) toch betonstaal aanbrengen. We noemen dat de krimpwapening.

R.V. = 100%

R.V.

Figuur 6.6.15 De krimp van beton als functie van de tijd bij verschillende relatieve vochtigheden. 6.6.4 Kruip 6.24) Kruip is de tijd-afhankelijke vervorming, die het gevolg is van een in de tijd voortdurende, constante, mechanische belasting, zie §:2.10. Kruipvervorming is op te vatten als een soort van visceuze vervorming en is opgebouwd uit: - Herstelbare kruip, dit is de tijdafhankelijke vervorming die na het wegnemen van de belasting weer geleidelijk verdwijnt. Het wordt voornamelijk veroorzaakt door verplaatsing van water in de fijnere poriën (gel + deel capillaire poriën). Deze waterverplaatsing is verwant aan het droogkrimpproces. - Niet herstelbare (permanente) kruip; dit is de vervorming die resteert na het wegnemen van de belasting en na het verdwijnen van de herstelbare kruip. Figuur 6.6.16 illustreert dit. Vele vervormingen wordt veroorzaakt doordat plaatselijk bindingen tussen deeltjes worden verbroken.

Naast de kruipvervorming zal steeds bij aanbrengen van de belasting een instantane (grotendeels elastische) vervorming aanwezig zijn. Daarnaast treedt ook bij afgifte van water aan de omgeving krimp op. Bij beton blijken nu kruip en droogkrimp moeilijk te scheiden. "Basiskruip" is de kruip die optreedt zonder vochtuitwisseling met de omgeving. "Droogkruip" is de extra kruip die optreedt bij uitdroging. Deze laatste component is nodig om het verschil te overbruggen wanneer men droogkrimp en kruip zonder vochtuitwisseling met de omgeving, afzonderlijk meet. De som daarvan is kleiner dan de vervorming die optreedt bij gelijktijdig optreden van kruip en droogkrimp; zie figuur 6.6.17. Deze droogkruip is het gevolg van het feit, dat, door het aanbrengen van 6.24)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 448 en 450 (§:15.2.13). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", §:1.4.2 en §:7.2.3.

288

de belasting scheurvorming aan het buitenoppervlak van beton als gevolg van droogkrimp achterwege zal blijven.

Figuur 6.6.16 Kruipvervorming in relatie tot andere vervormingen. “Herstel “ na ontlasten. Als gevolg van de aangelegde kruip(druk)spanning komt het beton als het ware onder voorspanning te staan, zodat de optredende trekspanningen, tengevolge van droogkrimp gecompenseerd worden. Door het achterwege blijven van scheurvorming worden spanningen niet afgebouwd, waar dat bij scheurvorming wel het geval is. Dit verklaart dat de vervorming in combinatie van kruip en droogkrimp groter is, dan wanneer deze grootheden afzonderlijk worden gemeten. Kruip kan worden beschreven met het Burgers-model (blz. 74, 76), zie figuur 2.10.17.

Figuur 6.6.17 Schematische voorstelling van afzonderlijke kruip, krimp en van gelijktijdige kruip en krimp. Het gearceerde gebied geeft de krimp/kruip aan.

289

Bij kruip onderkennen we de specifieke kruip (c); dit is de kruip per eenheid van spanning. Verder kennen we de kruipcoëfficiënt, φ; dit is de verhouding tussen de kruipvervorming en de momentane vervorming (de momentane vervorming is de elastische vervorming die onmiddellijk optreedt na belasten). Voor de rekenwaarde van de sterkte wordt voor deze kruipcoëfficiënt van beton circa 1 aangehouden. Bij andere materialen zoals hout en kunststoffen kan deze belangrijk hoger zijn. De mate waarin beton kruipt, wordt in belangrijke mate bepaald door het volume-aandeel aan toeslagmateriaal. De meeste toeslagmaterialen kruipen belangrijk minder dan cementsteen, enerzijds door het ontbreken van de vochtafhankelijke component en anderzijds door de hogere elasticiteitmodulus. De kruip van cementsteen hangt met name af van de watercementfactor. Van groot belang is tevens de tegenhanger van kruip: spanningrelaxatie. De spanning bij een bepaalde vervorming neemt af in het verloop van de tijd (zie §:2.10). In de praktijk betekent dit, dat bij een opgelegde vervorming de spanning afneemt. Bij langzaam toenemende vervormingen, zoals bij droogkrimp, kan de spanningopbouw veel lager blijken dan met de wet van Hooke wordt berekend.

6.6.5 Spanningen door temperatuurverschillen Beton zal de temperatuurveranderingen van de omgeving volgen. Daarbij treedt wel een faseverschil op als gevolg van de warmtecapaciteit en warmtegeleiding (temperatuurverlenging); zie §:2.11. Voor riviergrindbeton is de lineaire uitzettingcoëfficiënt ongeveer gelijk aan die van staal en bedraagt 12.10-6 K-1 (enigszins afhankelijk van het vochtgehalte van beton). Dit is een belangrijk aspect bij gewapend beton; tussen staal en beton ontstaan geen interne spanningen bij temperatuurveranderingen. Bij gebruik van andere toeslagmaterialen dan riviergrind en -zand, verandert de uitzettingcoëfficient. Bekend is bijvoorbeeld dat sommige toeslagmaterialen relatief lage uitzettingcoëfficiënten hebben, zoals sommige kalksteensoorten. Deze leiden er dan toe dat de uitzettingcoëfficiënt van het beton daalt. Het belangrijkste effect voor de praktijk is echter, dat als gevolg van de uitzetting en de aanwezigheid van temperatuurgradiënten over betonconstructies, spanningen in het beton worden geïntroduceerd, die in sommige gevallen tot scheurvorming (bezwijken) kunnen leiden. In §:6.5 zijn reeds besproken de temperatuurspanningen, die het gevolg zijn van de cementhydratatiewarmte-ontwikkeling. Ook opwarming door buitenlucht en zoninstraling, gevolgd door afkoeling van verhard beton, kan tot scheurvormingen in de buitenhuid leiden. Dezelfde wetmatigheden liggen bij verhard beton ten grondslag, zij het dat de betoneigenschappen niet zoals bij jong beton veranderen. Scheurvorming kan verder het gevolg zijn van het kromtrekken van platen, waardoor mechanische belastingen tot grotere spanningen kunnen leiden. Een voorbeeld is het bol staan van betonnen wegdekken. Dit kan ertoe leiden, dat ondersteuning van de betonplaten niet overal meer aanwezig is, zodat bij verkeersbelasting de geïntroduceerde spanningen groter zijn, dan bij het ontwerpen vanuit werd gegaan. Temperatuurspanningen zijn voor beton belangrijker dan vochtspanningen, omdat de temperatuurfluctaties in beton veel sneller verlopen dan vochtveranderingen. Spanningen als gevolg van verhinderde vochtbewegingen, kunnen daardoor veel meer relaxeren en blijven beperkt. Het vermijden van scheuren als gevolg van temperatuurspanningen is van groot belang voor vloeistofdichte constructies.

290

6.6.6 Gedrag bij brand 6.25) Bij brand ontstaan temperaturen die binnen 1 uur tot 1000°C kunnen oplopen en daarna nog waarden van 1100°C tot 1200°C kunnen bereiken. Beton verliest bij langdurige verwarming tot 100°C alle water uit de capillairen en uit de poriën in de cementsteen. Als de temperatuur snel stijgt, kan dit water soms niet meer genoeg verdampen en kunnen er door de druk schilvers afspringen. Tot aan 200° verhit, kan beton, als materiaal, gedurende zeer lange tijd zijn sterkte- eigenschappen behouden. Wel kunnen zich bij snel verhitten bij constructies spanningen voordoen als gevolg van temperatuurgradiënten, die tot scheurvorming leiden. Bij afkoelen keert het beton niet tot dezelfde dimensies terug als de oorspronkelijke; dit komt door de opgetreden droogkrimp. Ook temperaturen tussen de 200°C en 573°C kan het beton zonder schade doorstaan, tenzij temperatuurspanningen tot scheurvorming leiden. Bij 573°C gaat het kwarts in zand en grind in een andere kristalvorm over (de kwarts-sprong van α-kwarts naar β-kwarts). Dit gaat gepaard met een volumeverandering (expansie bij hoge temperatuur). De optredende lengteveranderingen zijn weergegeven in figuur 6.6.18.

Figuur 6.6.18 Lengteveranderingen bij brand. Lichte toeslagmaterialen voor beton bevatten meestal geen kwarts en hun uitzettingcoëfficiënt is veel lager dan van zand en grind. Het gevolg is, dat de uitzetting en dus ook de spanningen door verschil in temperatuur veel kleiner blijven dan bij grindbeton. Wel zal ‘jong’ licht beton meer water bevatten. Op jonge leeftijd kan licht beton daarom meer "spatten" (schilfers) dan grindbeton.

6.25)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 450 en 451 (§:15.2.15). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", §:7.2.7.

291

6.7 Duurzaamheid 6.26) 6.7.1 Algemeen Bij het ontwerpen van grote civieltechnische werken wordt door de opdrachtgever (vaak de overheid) in toenemende mate een ontwerp geëist met een zeer lange levensduur, bijvoorbeeld 150 jaar. Dit betekent dat het “doorrekenen” op “duurzaamheid” moet leiden tot een ontwerp dat inderdaad in de praktijk die levensduur moet vertonen. Men heeft daarvoor de “Duranica”methodiek ontworpen waarbij met kansrekening, statistiek en kennis van materiaaleigenschappen kan worden voorspeld hoe lang een bepaald ontwerp zonder ernstige materiaaldefecten kan functioneren. Kennis van materiaaleigenschappen is hierbij dus onontbeerlijk.

De duurzaamheid van beton kan worden bedreigd door invloeden van chemische, fysische of mechanische aard. De bedreiging kan zowel van binnen als van buiten afkomen. a) Chemisch: Er kunnen reacties plaatsvinden: Van buiten uit: Zuren, water en sommige zouten die met cement kunnen reageren. Zuren kunnen opgelost zijn in water (regenwater is vaak zuur). Het kunnen ook gasvormig zuurvormende oxiden zijn, die met water uit het beton zuren vormen, zoals koolzuur (C02) of zwaveldioxide (S02), en dan met de kalk uit het cement reageren. Grondwater kan zouten bevatten die schadelijk zijn. Van binnen uit: Toeslagmaterialen of verontreinigingen, die met water reageren of met cement, en daarbij expansie veroorzaken. b) Fysisch: Van buiten: Vriezen, brand, zonnestraling, plotseling afkoelen van warm beton in een gevel door regen. Van binnen uit: Temperatuurspanningen, krimpspanningen. Deze zijn in de vorige paragrafen behandeld. c) Mechanisch: Van buiten: Opgelegde belastingen. Van binnen uit: Eigen gewicht. Deze mechanische belastingen zullen we hier buiten beschouwing laten. Het is typisch een taak van de constructeur om problemen door mechanische belastingen te voorkomen.

6.26)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 451 t/m 464 (§:15.3). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", §:7.2.6 t/m §:7.2.11. 292

d) Corrosie van de wapening: Een bijzonder aspect bij de duurzaamheid van gewapende betonconstructies is de mogelijkheid van corrosie van de wapening: een (elektrochemische) aantasting van staal, die echter tevens tot een fysische aantasting van het beton kan leiden. Van buiten: Chloride indringing, carbonatatie. Van binnen uit: Chloride inmenging.

6.7.2 Chemische aantasting De belangrijkste chemische aantastingmechanismen kunnen worden opgesplitst in aantasting door destructieve expansie en door oplossen.

Destructieve expansie: Dit type aantasting valt te onderscheiden in sulfaataantasting en in alkali-toeslagmateriaalreactie. Sulfaataantasting: Sulfaataantasting van beton door indringing van sulfaatzouten van buitenaf komt in Nederland vooral voor bij funderingen in sulfaatrijke gronden, bijvoorbeeld bij de zogenaamde kattekleigronden. Verder in niet natuurlijke milieus, zoals bij contact met sulfaathoudende voedingoplossingen in de kassenbouwteelt, en in de kunstmestindustrie met sulfaathoudende grondstoffen en eindproducten. Onder sulfaataantasting wordt verstaan het scheuren van beton ten gevolge van de vorming van expansieve, slecht oplosbare, sulfaathoudende dubbelzouten; de meest belangrijke daarvan is ettringiet, ook wel de cementbacil genoemd. Sulfaat uit de omgeving kan het beton binnendringen door capillaire opzuiging van sulfaathoudend water, of door diffusie van sulfaat-anionen. Sulfaatanionen (SO42-) komen voor in combinatie met verschillende kationen, zoals natrium (Na+), calcium (Ca2+), ammonium en magnesium. Bij het binnendringen in beton wordt sulfaat omgezet in gips, door middel van de reactie:

Ca2+ + SO42- + 2H2O → CaSO4.2H2O

(6.7.1)

Dit gips reageert vervolgens weer met calciumaluminaatverbindingen tot ettringiet, een voorbeeld van een dergelijke reactie is: 3(CaSO4.2H2O) + 3CaO.Al2O3 + 26H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O etttringiet

(6.7.2)

Ten gevolge van deze ettringietvorming zet de cementsteen uit. De spanningen welke daarvan het gevolg zijn, kunnen zo groot worden, dat het beton gaat scheuren. Ettringiet is ook in paragraaf 6.3.1 ter sprake gekomen, in verband met de bindtijdregulering. Ettringietvorming vindt dan plaats in de vloeibare fase en is dan niet expansief. Behalve door indringing van sulfaat van buitenaf kan sulfaataantasting ook optreden door inwendige aantasting, als portlandcementbeton te snel en tot te hoge temperatuur wordt verwarmd. Gebleken is, dat in dat geval het als bindtijdregelaar gebruikte gips (calciumsulfaatdihydraat) niet volledig gebonden wordt en later ettringiet kan vormen. 293

Sulfaatexpansie treedt alleen op in geval van aanwezigheid van sulfaat en bij vochtige omstandigheden. Sulfaataantasting kan worden tegengegaan door: Het kiezen van een sulfaatbestand cement. Sulfaatbestand portlandcement bijvoorbeeld; dit is een type portlandcement waarbij het cal ciumaluminaatgehalte laag gehouden is, bijvoorbeeld kleiner dan 5% m/m volgens de Ne derlandse Cementnorm NEN 3550. Ook hoogovencement en portlandvliegascement zijn goed sulfaatbestand. Dit wordt wel toegeschreven aan de bijzonder dichte cement gelstruc tuur, waardoor de sulfaatbinnendringing zeer traag verloopt. Het maken van een zo weinig permeabel mogelijk beton, dat wil zeggen het toepassen van een zo laag mogelijke watercementfactor. Alkali-toeslagmateriaalreactie: Een aantal gesteenten, dat in sommige landen is toegepast als toeslagmateriaal voor beton, blijkt een expansieve reactie te kunnen veroorzaken. De reactie die ten grondslag ligt, aan deze schade wordt wel de alkali-toeslagmateriaalreactie genoemd. Alkaliën uit het cement (natrium en kalium) blijken met reactief kiezelzuur of silicaten in het toeslagmateriaal te reageren. Doordat het ontstane reactieproduct water aantrekt, ontstaan inwendige spanningen, waardoor expansie optreedt en scheurvorming het gevolg kan zijn. De expansie zal mede afhangen van de snelheid waarmee water van buiten naar binnen kan worden doorgevoerd via de cementsteen. Riviergrind en -zand uit de Maas kan soms alkali-reactief zijn. Dit heeft soms problemen gegeven. Bekend is schade aan viaducten door toeslagkorrels, die alkali-reactief reageren. Deze schade is pas na vele jaren (20 jaar of meer) zichtbaar. Aangezien echter in Nederland in toenemende mate gesteenten uit andere landen moeten worden ingevoerd, moet met deze reactie meer dan in het verleden rekening worden gehouden.

Alkali-toeslagmateriaalreactie kan worden tegengegaan door: Het gebruik van een laag alkalische portlandcement. Toepassing van hoogovencement of portlandvliegascement. Het effect hiervan wordt toegeschreven aan de lagere alkaliteit en aan de weinig permeabele cementstructuur, dat wil zeg gen langzaam transport van stoffen. Oplossen: Onder oplossen zullen wij hier verstaan, alle reacties waarbij de oorspronkelijke calciumsilicaathydraatstructuur wordt afgebroken en minder goed cementerende verbindingen worden gevormd. Voorbeelden van agressieve stoffen in dit verband zijn magnesium-, maar ook ammoniumzouten. Magnesiumzouten reageren met calciumsilicaathydraat en vormen daarbij magnesiumhydroxide en kiezelzuur, waarbij de cementerende werking verloren gaat. Zie bijvoorbeeld de reactie hieronder:

MgCl2 + CSH → CaCl2 + SiO2 + Mg(OH)2 goed oplosbaar

(6.7.3)

bruciet, slecht oplosbaar

Gelukkig precipiteert het Mg(OH)2 in de poriën, waardoor deze verstoppen en de aantasting bemoeilijkt wordt. Een gecombineerd voorkomen van sulfaten en magnesium kan zowel aantasting door vorming van sulfaatzouten, als door oplossen geven. Bijzonder agressief in dit verband is ook ammoniumsulfaat, waarbij ten gevolge van het verdwijnen van het ammonia (als ammoniakgas) geen precipita294

tie kan plaatsvinden. De verdere aantasting kan dan ongestoord verder verlopen, waarbij het sulfaat weer tot ettringietvorming aanleiding kan geven. Een ander vorm van oplossen is de aantasting door agressief koolzuurhoudend water. Water bevat altijd wel een zekere hoeveelheid opgelost koolzuur (CO2). Naast elkaar kunnen opgelost koolzuur (CO2), bicarbonaat (HCO3-) en carbonaat-ionen (CO32-) voorkomen. Bij contact van dit water met cementsteen stelt zich een evenwicht in tussen dit water en de cementsteen. Indien hierbij de vrije kalk en CSH-gel opgelost worden is er sprake van agressief koolzuur. Een dergelijke aantasting komt nogal eens voor bij zoetwaterbekkens, tanks e.d. Bij een goede kwaliteit beton (wcf < 0,45) vervaardigd van hoogovencement, blijft de aantasting, zelfs bij zeer agressief water, meestal beperkt tot het oplossen van enkele mm’s betonhuid over een periode van tientallen jaren; zie figuur 6.7.1. Ook door zeer zuiver water kan beton aangetast worden door oplossen; bijvoorbeeld bij condenswater en bij kalkarm bergwater. Alleen in combinatie met erosie (stenen, e.d.) kan dit type aantasting ernstig worden.

Figuur 6.7.1

Aantasting door agressief koolzuur in water (CO2).

295

6.6.3 Vorst/dooi (zout) aantasting 6.27) De lengteverandering (de linker-as) en temperatuurontwikkeling (de rechter-as) in beton als gevolg van bevriezen is weergegeven in figuur 6.7.2. Bij afkoelen van beton tot temperaturen beneden nul graden, kan in principe het zich in de poriën van cementsteen bevindende water bevriezen. Dit hoeft echter niet bij 0°C te gebeuren. In de poriën bevindt zich een waterige zoutoplossing, waarvan het vriespunt lager ligt dan 0°C. Belangrijker nog is, dat naarmate de poriën fijner worden, water bij steeds lagere temperaturen bevriest. Water in fijne gelporiën bijvoorbeeld, kan zelfs pas bij - 80°C bevriezen. Dit betekent dat bij temperaturen tot -20°C, zoals die in Nederland wel eens kunnen optreden, in beton ijs en water naast elkaar voorkomen. De overgang van water naar ijs vindt meestal plaats bij een temperatuur lager dan het vriespunt. Er is dan sprake is van onderkoeling van het water.

Figuur 6.7.2

Lengteveranderingen en temperatuurontwikkeling bij beton als functie van de tijd tijdens afkoelen.

Bij kristallisatie komt kristallisatiewarmte vrij, zo ook bij de vorming van ijs. Hierdoor zal het water vlak bij de ijslaag opwarmen. In figuur 6.7.2 is deze opwarming weergegeven. Als gevolg van deze opwarming zet het beton uit. Uiteraard zet het beton ook uit doordat de bevriezing van het water gepaard gaat met een volumetoename van 9%. In geval de poriën geheel gevuld zijn met water leidt dit tot krachten op het beton, die groter zijn dan die welke cementsteen kunnen opnemen waardoor onvermijdelijk schade optreedt.

6.27)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 455 t/m 459 (§:15.3.3). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", §:7.2.8. 296

Gelukkig zijn in de praktijk dergelijke poriën, die het eerste bevriezen en onderkoeld zijn, de grotere poriën. Deze zijn meestal niet (geheel) gevuld met water (zie figuur 6.7.3). Als ze wel vol zijn, leidt niet alleen de expansie bij de ijsvorming tot schade, maar ook water wat wordt weggedrukt naar kleinere poriën. Dit in kleinere poriën weggedrukte water roept daar een drukkracht op. Deze hydraulische druk kan zo groot worden, dat het beton een blijvende expansie ondergaat, waarbij scheurvorming optreedt.

Figuur 6.7.3

Schematische voorstellig poriënsysteem beton met luchtbel.

Een verdere oorzaak voor de uitzetting bij bevriezing is die van de waterdampbeweging. Zoals in figuur 6.7.4 is geïllustreerd, zal het water in de grote poriën als eerste bevriezen. Aangezien ijs een lagere dampspanning heeft dan water, zal er een diffusie gaan plaatsvinden van waterdamp naar het ijs toe. Dat betekent dat de ijskristallen in de luchtbellen en grote poriën zullen groeien, en de hoeveelheid water in de kleine fijnere poriën in omvang zal verminderen, zie figuur 6.7.5. Dit verschijnsel verklaart mede waarom luchtbellen in beton positief werken op de vorstdooibestandheid. Overigens werken luchtbellen ook gunstig doordat ze een uitweg bieden voor water dat weggedrukt wordt bij het bevriezen (hydraulische druk). Verder maakt het verschijnsel duidelijk, dat in geval van snelle afkoeling, het water in de fijnere poriën geen tijd krijgt om naar de grotere poriën te diffunderen. Als gevolg daarvan zal er bij de ijsuitzetting in de poriën veel eerder van ijsdruk sprake zijn dan bij langzame afkoeling het geval is. Een ander verschijnsel dat bijdraagt tot de vorming van ijsdruk is weergegeven in figuur 6.7.6. Het betreft de thermische uitzetting in een periode dat de omgeving weer warmer wordt. Nadat zich een ijskristal gevormd heeft, zal dit ten gevolge van de diffusie van waterdamp uit de omgevende poriën aangroeien, en uiteindelijk de gehele porie kunnen opvullen. Wanneer nu het ijs c.q. het beton in temperatuur stijgt, zal dit ijs gaan uitzetten. De uitzettingcoëfficiënt van ijs is ongeveer vijf maal zo groot als die van cementsteen en van water! Dit betekent dat er op de poriënwand spanningen zullen ontstaan. Berekend kan worden dat deze trekspanning ongeveer 0,36 x AT (N/mm2) zal zijn. Bij een temperatuurverschil van 15°C betekent dit dat de trekspanning van cementsteen overschreden zou kunnen worden. 297

Figuur 6.7.4

Bevriezen water in grote poriën.

Figuur 6.7.5

Aangroeien ijs in luchtbel en leger worden kleine poriën.

298

Figuur 6.7.6

Uitzetting van ijs bij warmer worden.

Vorst-dooizout aantasting: In de Nederlandse praktijk komt vorst-dooischade weinig voor; wel komt regelmatig vorstdooizoutschade voor. Schade dus als gevolg van het gelijktijdig inwerken van dooizout en vorstdooibelasting. Er zijn verschillende oorzaken waardoor de combinatie dooizout en vorst-dooibelasting zwaarder is dan in geval alleen van de laatste sprake is, te weten: De verschillen in dampdruk tussen ijs en water worden kleiner bij aanwezigheid van dooizouten, dat wil zeggen het diffunderen van waterdamp van kleine naar grote poriën wordt minder; de "expansie vaatjes" functioneren niet zo goed meer! Bij contact met dooizouten is er veelal sprake van een hoger watergehalte, omdat de zouten de neiging hebben om het water in de poriën vast te houden (hygroscopiciteit). Dit alles begunstigt het ontstaan van ijsdruk in geval van gebruik van dooizouten. Dooizouten worden toegepast op horizontale vlakken die in aanraking komen met regen en sneeuw en waarop plassen water kunnen blijven staan. De kans, dat de oppervlaktelaag van een horizontaal vlak de kritische waterverzadiginggraad bereikt, is groter dan die van hellende of verticale vlakken. Dooizouten werken vriespuntverlagend. Deze vriespuntverlaging neemt met de concentratie toe. Aan het betonoppervlak zal de concentratie en dus de vriespuntdaling het hoogst zijn. Naar binnen toe neemt de concentratie en de vriespuntdaling af (zie figuur 6.7.7). Door de aanwezige temperatuurgradiënt kan dit tot gevolg hebben, dat het inwendige en de oppervlaktelaag eerder kunnen bevriezen dan de tussenliggende laag. Bij verder afkoelen van het beton bevriest de tussenliggende laag. De reeds bevroren toplaag zal dan worden afgedrukt ("scaling" of "afschilfering") omdat het onder druk staande water niet naar de in het inwendige aanwezige, (nog) niet met water gevulde ruimten kan worden afgevoerd. Hoogovencementbeton is in het algemeen minder goed vorst-dooizoutbestand dan portlandcement. De vorst-dooi(zout)bestandheid van beton kan worden verbeterd door luchtbelletjes in het 299

beton te brengen met behulp van een luchtbelvormer. De afstandsfactor dient bij portlandcementbeton maximaal 0,2 mm te bedragen; dat wil zeggen dat de maximale afstand van een willekeurig punt in het beton tot een luchtbol kleiner moet zijn dan 0,2 mm; zie paragraaf 6.2.3 "hulpstoffen". In de Nederlandse voorschriften Betontechnologie NEN 5950 wordt als alternatief voor het inbrengen van luchtbelletjes genoemd een beton met een watercementfactor kleiner of gelijk aan 0,45 (in de Europese norm komt dit alternatief niet ter sprake).

Figuur 6.7.7

Schematische voorstelling proces van afschilferen oppervlaktelaag beton bij gelijktijdig vriezen en aanwezigheid van chloride-ionen door indringen dooizout.

6.7.4 Corrosie van de wapening Corrosie van de wapening is mondiaal beschouwd verreweg de belangrijkste schadeoorzaak bij gewapende betonconstructies. De mechanismen van corrosie zijn in hoofdstuk 3 besproken. Daar is ook het verschijnsel passivering beschouwd. De bescherming van staal door beton is één van de factoren die heeft bijgedragen aan het succes van gewapend beton als constructiemateriaal. Corrosie van wapening in beton treedt op als het alkalische milieu verdwijnt door carbonatatie of indien plaatselijk de passiveringlaag wordt doorbroken door chloride-ionen.

Carbonatatie: Dit is het proces waarbij koolzuur uit de lucht reageert met alkalische en aardalkalische bestanddelen in cementsteen. Bij deze reactie vindt geen degradatie van het beton plaats. In tegendeel portlandcementbeton wordt er zelfs sterker en minder permeabel van. Wel vindt een reductie van de pH plaats. Een en ander is geïllustreerd in figuur 6.7.8 . Als dit carbonatatiefront de wapening bereikt heeft, kan corrosie plaatsvinden, omdat de passivering beneden een pH van 10 niet meer bestaat. Het betreft dan corrosie die gelijkmatig over het oppervlak optreedt.

300

Figuur 6.7.8

Daling alkaliteit (pH) als gevolg van carbonatatie.

Over de snelheid waarmee de indringing van het carbonatatiefront plaatsvindt, bestaat nogal onduidelijkheid. Vroeger werd wel aangenomen dat dit verliep volgens de wet: x = A√t

(6.7.4)

waarin x de indringdiepte is van het carbonatatiefront (mm), A een constante (mm/jaar) en t de tijd (jaren). Deze wet valt af te leiden uit de tweede diffusiewet van Fick. Het verband gaat vrij goed op bij opslag in een ruimte met constante vochtigheid en temperatuur; onder atmosferische omstandigheden echter blijkt de snelheid van carbonatatie at te nemen naarmate het carbonatatiefront verder binnendringt. Dit heeft te maken met het gegeven dat wisselingen in het vochtgehalte optreden. De snelheid van carbonatatie hangt onder andere af van: De watercementfactor hoe lager deze is hoe lager de carbonatatiesnelheid. De cementsoort cementen met een lage aanvangssterkte carbonateren in het algemeen sneller dan die met een hoge aanvangssterkte. De sterkte op het moment van blootstellen aan de buitenlucht is bepalend voor de snelheid van carbonatatie. Ook het kalkgehalte van het cement heeft invloed. Bij hoogovencement is deze in het algemeen wat lager, wat de carbonatatiesnelheid verhoogt. De nabehandeling een slechte nabehandeling betekent een hogere carbonatatiesnelheid, dit betreft dus met name juist de dekking van het wapeningstaal. Eén en ander betekent in de praktijk, dat voor een goed beton met een watercementfactor kleiner dan 0,55 en een goede nabehandeling en dekking welke voldoet aan de Nederlandse Beton Voorschriften, er geen enkel gevaar voor carbonatatie gedurende een zeer lange levensduur van het beton behoeft te zijn. Eén en ander is geïllustreerd in figuur 6.7.9 van het x = A√t verband; dat wil zeggen dat de praktijk gunstiger zal zijn.

301

Figuur 6.7.9

Indringdiepte carbonatatiefront a/s functie van de tijd volgens x = A√t verband en in werkelijkheid buiten (beschut).

Chloride-ionen: Zoals we in het vorige hoofdstuk gezien hebben, kunnen chloride-ionen ook bij handhaving van het hoog alkalische milieu van beton corrosie geven. De passiveringlaag wordt slechts locaal verbroken. De corrosie is dan ook plaatselijk van aard: putcorrosie, zie hoofdstuk 3. De chloride-ionen kunnen afkomstig zijn van buiten, bijvoorbeeld door indringing vanuit de zee of bij kunstwerken in wegen van dooizouten. Maar ze kunnen ook direct aanwezig zijn, bijvoorbeeld bij gebruik van chloride als versneller. De indringing van chloride-ionen valt globaal te berekenen met de tweede wet van Fick: δc δ 2c = D. 2 (voor het één-dimensionale geval) δt δx

(6.7.5)

c = concentratie, t = tijd, D = diffusiecoëfficiënt. De diffusiecoëfficiënt is een materiaalgrootheid. In de getijde- en spatzone bij zowel marine constructies als in kunstwerken in de wegenbouw, is het veel meer de waterabsorptie of capillaire wateropzuiging die chloride-ionen het beton in voert en niet de diffusie van chloride-ionen. Met het water wordt dan ook het zout opgezogen, zie figuur 6.7.10. De snelheid waarmee de chloride-ionen beton indringen wordt bepaald door: De cementsoort: bijvoorbeeld bij hoogovencement gaat dit zeer langzaam. Dit heeft vooral te maken met de zeer fijne poriënstructuur van hoogovencement waardoor de ionen zich slechts langzaam kunnen voortbewegen. De nabehandeling: afhankelijk van de kwaliteit van nabehandelen zijn een aantal millimeters tot centimeters van de dekking zeer permeabel voor chloride. De temperatuur: hoe hoger hoe sneller de indringing.

302

Figuur 6.7.10 Verloop van de chlorideconcentraties ten gevolge van opzuiging en diffunderen. Corrosiepropagatie: Indien onverhoopt door carbonatatie of chloride-ionen de passivering van het staal wordt opgeheven, zal corrosie plaatsvinden. De periode welke verstrijkt tot het moment dat corrosie kan optreden heet de initiëringperiode. Bij een juist gekozen ontwerp en goede uitvoering zal deze initiëring gedurende de ontwerplevensduur van de constructie niet bereikt mogen worden. Figuur 6.7.11 geeft de initiëringperiode en de daarna optredende corrosiepropagatie aan. Het gevolg van corrosie van wapening is tweeledig. Als gevolg van het elektrochemische aantastingproces neemt de wapeningdiameter af. Vooral bij de plaatselijke putcorrosie kan dit snel gaan. Bij corrosie van wapening als gevolg van carbonatatie is de corrosie meer gelijkmatig verdeeld. Dat betekent dat een bepaalde mate van materiaalverlies door corrosie in dat laatste geval minder ernstig is dan bij putcorrosie. Het tweede effect van corrosie is dat corrosieproducten (roest) een veel groter volume innemen dan het oorspronkelijke ijzer, zie figuur 6.7.12. Hierdoor wordt een druk uitgeoefend op het ongewapende beton, die tot scheurvorming kan leiden. afdrukken van het beton boven de wapening

Figuur 6.7.11 Initiëring en propagatie van corrosie weergegeven als "mate van corrosie" tegen de tijd voor (A) matig beton en (A') voor zeer goed beton. 303

Bij voldoende dekking, dat wil zeggen beantwoordend aan de Nederlands/Europese betonvoorschriften, is in geval van carbonatatie de corrosie ook na initiëring gering, omdat de vochtfluctuaties aan de wapening in dat geval klein zijn, zie figuur 4.7.13. Goed beton zal dan, zoals in figuur 6.7.11 aangegeven, niet de initiëringfase bereiken, en zelfs als dat geschiedt zal in geval van carbonatatie de corrosiesnelheid bij voldoende dekking verwaarloosbaar zijn.

Figuur 6.7.12 Volume van ijzer en daaruit gevormde corrosieproducten.

Figuur 6.7.13 De variatie van het vochtgehalte in de dekkinglaag buiten onbeschut. De minimale betondekking is in de betreffende normen voorgeschreven: NEN-EN 206-1, NEN 8005 en NEN 6720. Voor de meest gunstige omgevingfactoren (milieuklasse XC1 gaat het om 20 mm, oplopend tot >45 mm voor de milieuklassen XF2, XF4 en XA) voor oncontroleerbare oppervlakken.

304

6.8 Nieuwe ontwikkelingen en hergebruik/recycling 6.28) De laatste jaren hebben er grote ontwikkelingen plaats gevonden ten aanzien van hulpstoffen en betonsoorten. De nieuwe generaties superplastificeerders maakt hoge sterkte beton en zelfverdichtend beton mogelijk. Hoge sterkte beton: Door het toevoegen van microsilica (zeer kleine amorfe SiO2 bolletjes) is men in staat om beton met een in situ sterkte van 200 MPa te maken. Men zorgt bij het mengselontwerp voor: Reductie van deeltjesgrootte (dus niet meer een grindfractie met en grootste korrel van 31,5 maar van bijvoorbeeld 16 mm of kleiner) De toevoeging van fijne en zeer fijne poeders ter verhoging van de homogeniteit (zoals microsilica, vliegas en gemalen kalkmeel) en/of: Het toepassen van een groter cementen vliegasgehalte dan normaal (zie het item hierboven) Reductie van de watercementfactor (al het water moet reageren met cementkorreltjes waardoor de capillaire porositeit geminimaliseerd wordt) Eventueel het toevoegen van korte staalvezels om de "taaiheid" van het omhoog te brengen. Lage sterkte mengsels: Men is in staat om stabiele mengsels te maken met slechts 150 kg cement, 1800 kg zand en 75 kg water in combinatie met hulpstoffen. Lage sterkte mortels kunnen toegepast worden in demontabele constructies waardoor slechts weinig vermogen is om de voegen tussen de betonelementen open te breken. Zelfverdichtend beton: (Engels: auto-compacting concrete) Bij zelfverdichtend beton boekt men milieu- en tijdwinst omdat het beton niet meer met trilnaalden e.d. verdicht hoeft te worden. Ook wordt het werk van de bouwvakker erdoor verlicht. Een belangrijk aspect is dat men met zelfverdichtend beton ingewikkelder bekistingen kan toepassen en ruimtes met veel wapening zonder grote problemen kan volgieten. Ook bij dit soort mengsels maakt men bij voorkeur gebruik van een hoger poedergehalte (cement + vliegas, kalksteenmeel e.d.) en van de nieuwste generatie superplastificeerders. Men bereikt de zelfverdichtbaarheid namelijk niet door het alsmaar opvoeren van het watergehalte omdat dan segregatie op gaat treden. Vaak past men ook "thickeners" toe om de specie cohesief te houden. Het gaat dan vaak om zeer fijne poeders gebaseerd op bijvoorbeeld zetmeel die men in geringe hoeveelheden toevoegt. Vezelbeton: Men kan aan de betonspecie staalvezels toevoegen die de mechanische eigenschappen van het beton doen verbeteren (minder problemen met krimpscheuren, verhoging "taaiheid" van het beton, schokweerstand, e.d.). Bij staalvezelbeton gaat het om toevoegingen van ongeveer 1,5% maar dit kan sterk verhoogd worden in speciale toepassingen bijvoorbeeld zelfverdichtende hogesterkte

6.28)

Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 421 t/m 427 (§:15.1) en blz. 464 t/m 467 (§:15.4). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", §:1.5 en §:7.9. 305

staalvezelmortels toe te passen in aardbevinggebieden). Gewoon staalvezelbeton wordt toegepast in bedrijfsvloeren, bij industrieterreinen en in rioolrioolbuizen. Ook past men kunststofvezels toe om de gewenste sterkte- en taaiheidseigenschappen te krijgen. Glasvezels worden toegepast in glasvezelversterkt cement waarbij vooral dunne producten worden vervaardigd. Recycling: Gewoon beton wordt voor een belangrijk deel gerecycled door het te bewerken tot een granulaat. Het beton wordt daartoe gebroken, gewassen en gezeefd; er ontstaat betongranulaat of, indien het beton gemengd was met metselwerk, een zogenaamd menggranulaat. Momenteel wordt in Nederland dit granulaat vooral toegepast in de wegenbouw als ongebonden funderinglaag; zie hoofdstuk 9. Secundaire recycling: Er vindt ook op beperkte, maar toenemende, schaal toepassing plaats als toeslagmateriaal in beton; zie §:6.2.2. Tot 20% van het in Nederland (nog) gebruikelijke riviergrind en -zand mag vervangen worden door beton granulaat, zonder dat constructieve eigenschappen aangepast behoeven te worden (zie ook NEN 5905 voor eisen gesteld aan de samenstelling en eigenschappen van betonen menggranulaat). Met grotere percentages kan ook een goede kwaliteit beton gemaakt worden, maar dan veranderen de eigenschappen zodanig dat aanpassing van de rekenwaarden gewenst is. Aangeraden wordt de betreffende CUR-Aanbevelingen te raadplegen voor meer informatie hieromtrent. In de wegenbouw kan zowel grof als fijn toeslagmateriaal uit bouwen sloopafval worden ingezet. Bij gebruik in beton laat zich met weinig problemen het grove materiaal (> 4mm) goed toepassen. Fijn materiaal verslechtert de verwerkbaarheid. De Nederlandse overheid streeft er naar tot 90% hergebruik van bouwen sloopafval te komen. Dit betekent dat meer bouwen sloopafvalgranulaat op de markt gaat komen. Aangezien de wegenbouw markt verzadigd lijkt te raken, zal het gebruik als toeslagmateriaal in beton naar verwachting toenemen. Het bewerken van afgedankt beton tot granulaat en het toepassen hiervan in wegenbouw of in beton betekent overigens niet, dat hiermee op alle fronten milieuwinst wordt geboekt. Als gevolg van het feit, dat het bewerken van afgedankt beton meer energie kost dan het baggeren en (licht) bewerken van riviergrind uit de Maas, worden in het algemeen de milieumaten "energie" en "emissies" verslechterd, maar verbeteren "afvalstoffen" en "grondstoffen".

306

7

METSELWERK 7.1)29

7.1 Stenen en elementen in de bouw 7.1.1 Inleiding Metselwerk (Engels: masonry) wordt veel toegepast in de bouw. Wanneer men de woningbouw in Nederland bekijkt, lijkt het wel of meer dan 90% uit metselwerk vervaardigd is. Dit beeld is vertekend, doordat achter de baksteenmetselwerk buitenwanden veel beton schuil gaat. Toch is Nederland bij uitstek een land van metselwerk. Niet zo verwonderlijk als je bedenkt dat de grondstoffen voor metselwerk in Nederland in ruimte mate voorkomen. Alternatieven van eigen bodem, zoals hout, zijn daarentegen schaars.

Metselwerk is een constructie uit samengesteld materiaal. Stenen en metselmortel vormen het metselwerk. Ook het hiervoor besproken materiaal beton is samengesteld. Daar zijn het steentjes (zand en grind) en de cementsteen, die samen het materiaal vormen. Bovendien zijn er andere stenen, kalkzandsteen en betonstenen, die zelf ook uit een soort beton bestaan. Er zijn dan ook veel overeenkomsten, ook al wordt metselwerk optisch anders ervaren dan beton. We zullen in dit hoofdstuk aandacht besteden aan de verschillende metselstenen, blokken en elementen, die in Nederland worden gebruikt, en aan de tweede ingrediënt van metselwerk: metselmortels en lijmen. Tenslotte zal het samengestelde materiaal van steen en metselmortel - metselwerk - worden behandeld.

7.1.2 Stenen en elementen

a) Baksteen: De baksteen (Engels: ceramic brick) is een keramisch product. De oorspronkelijke kleideeltjes worden in het keramisch proces door sinteren (bakken bij hoge temperatuur) met elkaar verbonden. De binding tussen de deeltjes bestaat uit atomaire bindingen, die op zich sterk zijn. De sterkte wordt echter bepaald door het aantal punten waar de deeltjes verbonden zijn, en dat aantal is nu juist beperkt. Baksteen is er in vele kleuren, soorten en maten. Dat komt omdat baksteen vervaardigd wordt uit klei, welke gewonnen wordt in de nabijheid van de baksteenfabriek. De soort klei varieert per winning en leidt tot een baksteen, die zich zowel qua eigenschappen als qua kleur en structuur onderscheidt van andere. Door toevoegingen (bijvoorbeeld pigmenten) en door aanpassingen in de (stook)procesvoering kunnen we de eigenschappen bovendien beïnvloeden. Baksteen is de laatste jaren vooral gewild geraakt om zijn esthetische eigenschappen. Pluriformiteit van aanbod is daarbij belangrijk. Men onderscheidt metselbakstenen en straatstenen, -klinkers. Baksteen wordt vervaardigd in verschillende formaten (afmetingen), zoals weergegeven in tabel 7.1.1. De Waalformaatsteen is echter verreweg de belangrijkste. Het formaat F5 is speciaal ontworpen voor het zogenaamde "modulair metselwerk" waarbij verticale en horizontale maatsprongen gerealiseerd kunnen worden bij modulaire bouwsystemen. 7.1)29 Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 425 t/m 446 (§:18). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", §:4.1 t/m en §:6.10. 307

Baksteen kan niet in grote formaten, zoals de kalkzandsteenelementen, worden vervaardigd. Bakstenen onderscheiden zich dan ook door de wijze waarop ze vervaardigd worden. We onderscheiden: de vormbaksteen, de extrusiesteen, de handvormsteen en de stempelperssteen. De verschillende productiewijzen leiden ook tot verschillende eigenschappen. Tabel 7.1.1

Genormaliseerde formaten van bakstenen.

Benaming van het formaat Lengte 210 210 210 230

Afmetingen (mm) Breedte 100 100 100 110

Dikte 40 50 65 57

straatsteen klinkerkei

211

101

95

straatklinker

195

85

48 tot 92

vechtformaat waalformaat dikformaat F5-formaat

De benamingen en kwaliteitseisen worden beschreven in de (oudere) Nederlandse norm NEN 2489: Metselbakstenen en in de Europese normen NEN-EN 771 en 772. (zie bijvoorbeeld tabel 7.1.2). We onderscheiden stenen voor: Binnenmuursteen A. Hierbij worden de coderingen A0 t/m A6 gebruikt. Voor type A0 worden geen speciale eisen gesteld. A1 is voor dragend halfsteens metselwerk, A2 t/m A4 geldt voor lichtgewicht stenen met volumieke massa aflopend van 1200 kg/m3 tot 800 kg/m3. A6 is voor schoon metselwerk. Buitenmuursteen B1 t/m B5. Voor type B1 worden geen speciale eisen gesteld, bij typen B2 en B3 worden zwaardere eisen gesteld. B4 is voor trasramen en B5 is voor kelders. Hogedruksteen C1 t/m C3 voor zwaar belaste binnen- en buitenmuren. C1 is voor stenen met gemiddelde druksterkte van 30 MPa, C2 is voor 45 MPa en C3 is voor 50 MPa. Van binnenmuur naar zwaar belaste binnen- en buitenmuren nemen ook andere eisen met betrekking tot andere eigenschappen toe. zo wordt met name de wateropneming lager. Bij poreuze binnensteenmuren kan deze oplopen tot 40% (vol/vol) maar voor de zwaarst klasse mag deze niet meer zijn dan 20% (vol/vol). Hierbij gaat het om de totale hoeveelheid water die een staan kan opnemen. Belangrijk voor stenen is het wateropzuigend vermogen. Dit wordt uitgedrukt in het Hallergetal en geeft het water aan dat in zestig seconden wordt opgenomen (per eenheid van oppervlak) als gevolg van opzuiging. Het gaat hier dan om het vermogen om water uit de metselmortel te zuigen. De elasticiteitmodulus van baksteen varieert met de porositeit en kan een interval beslaan van 2 tot 10 GPa. Bakstenen tonen nauwelijks droogkrimp, ze zijn immers na drogen in de oven gebakken. De warmtegeleidingcoëfficiënt is lager naarmate de steen meer poreus is. Bij een lage porositeit vinden we een hogere volumieke massa en een hogere warmtegeleidingcoëfficiënt. De warmtegeleidingcoëfficiënt hangt verder sterk af van het vochtgehalte in de praktijk; zie tabel 7.1.3. Bijzondere binnenmuurstenen zijn nog de zogenaamde poreuze isolerende bakstenen. De meest bekende daarvan is de porisosteen, die vervaardigd wordt uit klei, leisteen, zaagsel en poederkoolvliegas. Porisostenen hebben een druksterkte tussen 10 tot 13 MPa bij een volumieke massa van 11 00 tot 1200 kg/m3. De warmtegeleidbaarheid is zoals verwacht mag worden laag ten opzichte van gewone baksteen en varieert voor de droge steen van 0,80 tot 1,10 Wm-2K-1. 308

Tabel 7.1.2

Kwaliteitseisen voor metselbaksteen naar toepassinggebied (NEN 2489).

309

Tabel 7.1.3 Muurgewicht (kg/m3) 1200 1500 1800

Afhankelijkheid warmtegeleidingcoëfficiënt metselbaksteen van vochtgehalte. Toeslag op warmtegeleidingcoëfficiënt bij 0% vocht bij een vochtgehalte van: 1 vol.% 2 vol.% 3 vol.% 22 42 60 17 33 48 12 25 37

b) Kalkzandsteen: Kalkzandsteen is er in klein formaat - de steen - tot elementen die een oppervlak hebben van enkele vierkante meters. In de woningbouw is kalkzandsteen voor binnenmuren de marktleider in Nederland. De kalkzandsteen is een nog steeds in populariteit toenemende metselsteen. Bovendien is het gebruik niet beperkt gebleven tot stenen, maar worden er in toenemende mate groot formaat blokken en elementen van vervaardigd. De kalkzandsteen bestaat uit een mengsel van zand en gebluste kalk, welke tot steen geperst wordt, waarna verharding plaatsvindt in een autoclaaf. In tegenstelling tot beton reageert het toeslagmateriaal, kwartszand in dit geval, met kalk en water. De reactieproducten, voornamelijk kristallijne calcium-silicaathydraten, vormen het bindmiddel. Kalkzandstenen worden hoofdzakelijk voor binnenmuurstenen gebruikt. Hoewel gekliste stenen ook wel buiten worden toegepast. Daartoe moeten de stenen worden behandeld met een waterafstotend middel. Zonder dit middel treedt vrij snel groenvorming op als gevolg van algengroei. Met betrekking tot de duurzaamheid is een belangrijke eis het gehalte aan zouten (Lipinski-getal); met name sulfaatzouten zijn van belang, zie paragraaf 7.5.2. Kalkzandstenen zijn er met druksterktes van 15 tot 25 GPa. De vochtbeweging van kalkzandsteen is laag ten opzichte van die van beton, maar groter dan die bij baksteen. De droogkrimp is in de grootte-orde van enkele tienden van promillen (o/oo). De elasticiteitmodulus bevindt zich in het gebied van 7 tot 10 GPa, en is in het algemeen wat groter dan die van baksteen. d) Betonsteen: Betonstenen zijn er voor gebouwen en voor wegen. De beginselen, zoals besproken voor beton in het vorige hoofdstuk, zijn ook bij betonstenen van toepassing. Meestal bevatten de stenen minder cement dan de normale betonsamenstellingen. Dit is mogelijk door de speciale verdichtingtechniek bij de vorming van de stenen. Als gevolg hiervan is het volume-aandeel van toeslagmateriaal vrij groot. Dit betekent, dat de vochtbeweging vrij gering is ten opzichte van normaal beton. Anderzijds bevatten de stenen ook nogal wat luchtinsluitingen, waardoor aspecten als elasticiteitmodulus, e.d. niet veel van normaal beton zullen verschillen. De betonsteen is vooral populair voor bestratingen (elementenverharding); dit betreft dus geen metselwerk. In metselwerk wordt de betonsteen met name in gebouwen gebruikt voor zowel buiten als binnentoepassingen. Bij buitentoepassingen speelt uiteraard de esthetica een belangrijke rol. Voor binnen- en buitenmetselwerk zijn er vele met pigmenten gekleurde producten in de handel (zowel massief als met doorboringen). De oudere Nederlandse norm NEN 7027geeft een onderscheid naar druksterkteklasse voor “Bouwblokken en -stenen van beton” (oplopend van 5 MPa tot 30 MPa). d) Cellenbeton: Cellenbeton - vroeger gasbeton geheten - (autoclaved aerated concrete, ook wel: cellular concrete of foamed concrete) is een poreus, licht materiaal, dat gevormd wordt uit gemalen zand, cement, kalk en gips. Deze term "foamed concrete" wordt in Nederland gebruikt (“schuimbeton”) voor een ander product dan cellenbeton, hierbij gaat het om cementspecies met vliegas die met eiwitten zijn opgeschuimd. Men vervaardigt cellenbeton, door aan de mix aluminiumpoeder toe te voegen. 310

Hierdoor ontstaan tijdens de verharding waterstofgasbelletjes. De verharding komt tot stand door autoclaveren. Evenals bij kalkzandsteen vormen calciumsilicaathydraten het bindmiddel. De calciumsilicaathydraatmatrix omgeeft gasbelletjes, die in het proces gevormd zijn. De naam "beton" is hier dus misleidend omdat er geen grindfractie aanwezig is. Onderstaande tabel 7.1.4 geeft enkele eigenschappen van verschillende klassen van cellenbeton, waarbij de laagste klasse begint bij een volumieke massa van 445 kg/m3. Hoe lichter het materiaal, des te lager de druksterkte, maar des te hoger de warmteweerstand. Cellenbeton is één van de weinige bouwmaterialen, dat een hoge warmteweerstand paart aan een goed dragend vermogen. Cellenbeton wordt aangeboden in de vorm blokken en elementen. Tabel 7.1.4

Enkele eigenschappen van cellenbeton voor drie volumieke massa klassen. Eigenschap

volumieke massa minimale druksterkte elasticiteitmodulus warmtegeleidingcoëfficiënt (A)

Eenheid kg/m3 MPa MPa W/(m K)

311

G2/400 300-400 2,0 1200 0,08

Klassen G4/600 500-600 4,0 2000 0,14

G6/800 700-800 6,0 2500 0,19

7.2

Metselmortel en lijm

7.2.1 Algemeen De verbinding tussen stenen wordt gemaakt door de metselmortel (Engels: masonry mortar). Bij blokken en elementen wordt lijm (Engels: glue, adhesive) gebruikt. In deze paragraaf komen de bestanddelen van metselmortel, de vervaardiging, de soorten mortel en lijm, en de eigenschappen van de mortel aan de orde. 7.2.2

Bindmiddelen

a) Kalk: Tot circa 1900 werd metselwerk vervaardigd met nagenoeg uitsluitend kalk (Engels: lime) als bindmiddel. Kalk is een verzamelnaam voor: uit kalksteen door middel van branden bereid bindmiddel. Het branden van de kalk geschiedt in draai- of schachtovens, waarbij calciumcarbonaat wordt omgezet in calciumoxiden. + CO2 ↑ CaCO3 + warmte → CaO kalksteen ongebluste kalk koolstofdioxidegas

(7.2.1)

Na het branden tot calciumoxiden wordt hieraan water toegevoegd, waardoor de kalk „geblust” wordt. CaO + H 2 O → Ca(OH ) 2 + warmte

(7.2.2)

Indien precies die hoeveelheid water wordt toegevoegd, die nodig is voor de reactie (stoichiometrische hoeveelheid), ontstaat een droog eindproduct, dat luchtkalk heet. Wordt meer water toegevoegd dan ontstaat deeg, ook wel leskalk of putkalk genoemd. Vroeger werd er veel met kalkdeeg gewerkt, tegenwoordig meer met luchtkalk. Kalk kan worden bereid door branden uit kalksteen (poederkalk) en schelpen (schelpkalk), maar ook wel uit een bijproduct van de carbietbereiding (carbietkalk). Verder kennen we ook nog hydraulische kalk. Deze laatste is een uit een kalksteen vervaardigde kalk, waarbij naast kalksteen ook kleiachtige bestanddelen aanwezig waren. Deze kalk en de gebrande kleiachtige bestanddelen kunnen samen cementachtige verbindingen vormen. Wanneer luchtkalk als bindmiddel voor metselmortels wordt gebruikt, vindt de binding plaats door reactie van de calciumhydroxide (Ca(OH)2) met koostofdioxidegas (CO2) uit de lucht tot opnieuw calciumcarbonaat (CaCO3). De kringloop is daarmee rond. Om deze reactie tot stand te brengen moet er dus toetreding van lucht mogelijk zijn. Onder water lukt dit dus niet. In het algemeen is de verharding van kalk een langzaam proces. De kalk vervult naast de functie als bindmiddel ook nog een aantal andere funkties in de mortel. Door de grote fijnheid van de kalkdeeltjes heeft deze het vermogen om vocht aan zich te binden. Luchtkalk heeft een fijnheid van tenminste 90% deeltjes < 0,01 µm en een specifiek oppervlak van ongeveer 1800 m2/kg. Dat is ruim 6 keer meer dan het specifieke oppervlak van portlandcement. Een kalk mortel heeft daardoor een hoog waterretentie-vermogen (= het vermogen om water vast te houden). Dit is enerzijds van belang in verband met de opzuiging van water door de stenen, anderzijds ook voor het uitdrogen als gevolg van verdamping. Bij aanwezigheid van kalk gaat dit minder snel, dan in vergelijking met een pure cement metselmortel. Door de hoge fijnheid en door de plaatjesachtige vorm van de kalkdeeltjes hebben de mortels ook een (in het algemeen) smeer312

bare, smeuïge consistentie, waardoor ze zich gemakkelijker laten verwerken door de metselaar dan pure cementmortels. Verder leidt de toevoeging van kalk tot een verlaging van de elasticiteitmodulus van de mortels, ten opzichte van pure cement mortels, zodat de spanningen, die als gevolg van droogkrimp van de mortel op stenen worden uitgeoefend, kleiner zijn dan bij pure cementmortels. Kalk wordt tegenwoordig nauwelijks meer alleen als bindmiddel gebruikt, maar bijna altijd in combinatie met cement. Toch heeft kalk vele eeuwen lang uitstekend gefunctioneerd; het is vooral verdrongen door cementhoudende mortels waarmee sneller gemetseld kon worden, als gevolg van de hogere reactiesnelheid. Een voordeel van de kalkmortels is, dat metselwerk na gebruik weer gemakkelijk te scheiden is in stenen en mortel, waardoor de stenen weer hergebruikt kunnen worden. Dit geschiedde vroeger op ruime schaal, en zou ook in de toekomst weer een rol kunnen gaan spelen met het oog op duurzaam bouwen. b) Cement: Cement is in deze eeuw populair geworden als bindmiddel in metselmortels, omdat het een veel snellere verharding kent dan kalk, en ook wel omdat het een betere weer- en windbestendigheid heeft dan pure kalkgebonden mortels. De Nederlandse metselmortelnorm NEN 3835 staat het besproken bindmiddel cement toe. Meestal wordt portlandcement gebruikt vanwege de lagere gevoeligheid voor uitdroging ten opzichte van hoogovencement. Mortels bestaande uit alleen cement, zand en water worden niet of nauwelijks toegepast, omdat door de grote krimp gemakkelijk spleten ontstaan langs de steen of ook scheuren in de steen. Op de markt is ook een metselcement beschikbaar. Metselcement is een speciaal bindmiddel op basis van een aantal ingrediënten, waaronder kunnen zijn: portlandcement, kalk, gemalen kalksteen, vliegas, luchtbelvormers e.d. De door de Nederlandse cementindustrie vervaardigde metselcement is een mengsel, dat verkregen is door het samen malen van portlandcement en kalksteen, en toevoeging van een luchtbelvervormer. Het heeft een vrij hoog specifiek oppervlak van 650 m2/kg; dat is ruim twee maal zo hoog als het specifiek oppervlak van portlandcement A. Die fijnheid wordt bereikt door het malen van de (zachte) mergel (kalksteen). Met de luchtbelvormer, worden in de mortel stabiele luchtbellen ingebracht. Hieronder wordt daarop teruggekomen. De eigenschappen van met metselcement vervaardigd metselwerk liggen in dezelfde grootte-orde als van traditionele metselmortels op basis van cement en kalk, zie §:7.2.5.

7.2.3 Hulpstoffen Bij zeer veel metselmortels worden hulpstoffen gebruikt, met name luchtbelvormers. Door het inbrengen van lucht worden een aantal eigenschappen van de metselmortel verbeterd, en bovendien is het natuurlijk een erg goedkoop ingrediënt, als je de mortelprijs per volume-eenheid beschouwt. De luchtbelletjes verbeteren duidelijk de cohesie van de metselmortel, dus de samenhang van de specie wordt verbeterd, terwijl tegelijkertijd een meer smeuïge mortel ontstaat, die door zijn grote cohesie niet gemakkelijk ontmengt. De verbeterde cohesie draagt ook bij tot een toename van de waterretentie, zodat de opzuiging van water door de steen langzamer verloopt, en de verdampingsnelheid van water naar de lucht vermindert. Lucht heeft uiteraard ook een duidelijk verlagend effect op de elasticiteitmodulus, waardoor spanningen als gevolg van krimp e.d. op de stenen verminderen. De luchtbelletjes worden ingebracht door middel van een schuimmiddel op basis van bijvoorbeeld vinsolresin, proteïnederivaten of alkylarylsulfonaten. Voor de zogenaamde natte prefabspecies die langere tijd verwerkbaar moet zijn, worden ook vertragers toegepast. Dit zijn meestal gluconaatzouten (een suikerderivaat), die een sterke vertraging 313

van de cementreactie geven.

7.2.4 Zand en vulstof Zand dient volgens de metselmortelnorm NEN 3850 te voldoen aan de eisen voor zand voor gewapend beton volgens NEN 5905, zulks met enkele kleine afwijkingen (zie figuur 7.2.1 voor de gewenste korrelgradering). Naast zand wordt ook wel met vulstof gewerkt met name in de zogenaamde droge prefab-species. Onder vulstof wordt verstaan een stof, niet bindmiddel zijnde, kleiner dan 250 μm. In het algemeen betreft het gemalen kalksteen, bijvoorbeeld mergel. Deze gemalen kalksteen is, zoals besproken, ook aanwezig in metselcement. Door de hoge fijnheid verbetert het de cohesie en de waterretentie van de mortel. Door de goede binding met cement is het bovendien geen zwakke schakel in de uitgeharde mortel.

Figuur 7.2.1

7.2.5

Grenslijnen voor de zeefkromme van zand voor metselmortels.

Metselmortelsoorten

Metselmortels: Er is tegenwoordig een veelvoud van metselmortels op de markt; zoveel dat de Nederlandse metselmortelnorm zich beperkt tot het stellen van prestatie-eisen zoals eisen met betrekking tot de druksterkte, buigsterkte, hechtsterkte en volumieke massa. Er zijn slechts een klein aantal samenstellingeisen, vooral met betrekking tot het luchtgehalte en de toegelaten grondstoffen. Verder wordt het aan de gebruiker overgelaten wat te kiezen. Zo zijn er: De traditionele basterdmortels, bijvoorbeeld bestaande uit 1 deel cement, 1 deel luchtkalk en 6 delen zand. De natte prefab-species, bestaande uit cement, zand en lucht ingebracht door middel van een hulpstof. De hoeveelheid lucht gaat daarbij meestal tot aan het maximaal toegelatene. Een typische samenstelling is bijvoorbeeld cement 1 deel, zand (ongeveer) 4 delen, lucht 10% vol/vol. Verder zijn deze prefab-species vertraagd, zodat verwerken tot 24 uur of lan314

-

-

ger mogelijk is. Uiteraard dient tijdens deze periode verdamping van water voorkomen te worden. De droge prefab-species, kant en klare droge mortels met bijvoorbeeld een samenstelling van 1 deel portland cement, ½ deel gemalen kalksteen (vulstof), 6 delen zand en een luchtbelvormer. Soms worden ook de droge prefab-species gemaakt, met naast luchtkalk cement als bindmiddel. De droge prefab-species worden in silo's naar de bouw gevoerd. Daar wordt er naar believen van gebruik gemaakt door te mengen met water. Deze species hebben een verwerkbaarheidsperiode die kan oplopen tot 3 uur. Op de bouw vervaardigde mortels met behulp van metselcement en zand, welke volgens specificatie, bijvoorbeeld in een verhouding van metselcement staat tot zand van 1:3, wordt gemengd.

Voegspecies: Om esthetische redenen wordt in Nederland de voeg in het algemeen uitgekrabd of niet geheel gevuld en later egaal opgevuld met een specie die uiteindelijk het uiterlijk van het metselwerk bepaalt; de zogenaamde voegspecie. Deze voegspecie wijkt qua samenstelling in het algemeen niet essentieel af van de metselspecie, zij het dat de consistentie verminderd is. De mortel is droger; dit vanwege de specifieke wijze waarop de voegspecie moet worden aangebracht, namelijk met de voegspijker. Figuur 7.2.2 toont mogelijkheden van het uitkrabben van voegen en het opvullen met voegspecie.

Figuur 7.2.2

Uitgekrabde voeg met vulling door voegmortel.

315

De vervaardiging van de metselspecies: Bij de kant en klare mortels (Engels: ready-to-use mortars), de prefabmortels, hoeft er op de bouwplaats helemaal niet meer gemengd te worden, of alleen nog maar met water. Hier kan dus niet al teveel fout gaan, omdat de metselaar de specie afstelt op de gewenste consistentie. Wanneer op de bouwplaats de ingrediënten bij elkaar moeten worden gevoegd, zoals bij de basterd- en de metselcementmortels, dan dient exact het verwerkvoorschrift te worden gevolgd. Wanneer dat met de schop e.d. gebeurt, kan men zich voorstellen, dat er nogal wat fouten kunnen worden gemaakt. Bovendien komt het voor dat er een hulpstof wordt toegevoegd, bijvoorbeeld een afwasmiddel, dat lucht inbrengt, waardoor de verwerkbaarheid verbetert, maar waarbij het luchtgehalte onbeheerst kan toenemen tot gehaltes boven het toegelatene. Bedacht moet ook worden, dat de kalk welke geleverd wordt, veelal reeds een luchtbelvormende hulpstof bevat, zodat door het verder bijmengen van luchtbelvormende hulpstoffen al gauw een te hoog luchtgehalte ontstaat. Wanneer moet worden gemengd met mortels waarin luchtbelvormers aanwezig zijn, zoals bij de droge prefab-species, bij de basterd mortels waar de kalk lucht bevat, of bij de metselcementen, is de mengintensiteit een belangrijke variabele. Bij zeer intensief mengen kan relatief veel lucht worden ingebouwd. Het instellen van het gewenste luchtgehalte is in principe moeilijk beheersbaar. Het meten van het luchtgehalte van metselmortels is dan ook geen overbodige controle op de kwaliteit. Nabehandelen: In het algemeen ziet men niet dat metselwerk wordt nabehandeld. Nochtans kan in de volle zon een zodanige verdamping van water optreden, dat hetzelfde gebeurt als bij niet goed nabehandeld beton, namelijk een te snelle uitdroging waardoor de mortel niet meer verhardt. Dit noemt men het verbranden van de metselmortel. Dit proces kan worden versterkt, wanneer er van een sterk zuigende steen sprake is, waardoor de mortel na aanbrengen al direct vrij droog wordt. Met betrekking tot het opzuigen van water uit de specie door de stenen, wordt in het algemeen een voorbevochtigde steen geprefereerd. De steen moet ook weer niet volledig verzadigd zijn, maar bijvoorbeeld door sproeien enigszins benat. Lijmen: Lijmen worden meestal kant-en-klaar geleverd, en bestaan uit cement met cellulosederivaat toevoegingen als bindmiddel, of met gedroogsproeide latices en fijne zanden of vulstoffen, die de functie vervullen van toeslagmateriaal en krimpverminderend moeten werken. Er bestaan ook lijmen op puur kunststofbasis, dit kan bijvoorbeeld zijn in de vorm van gedroogsproeide latices en/of cellulosederivaten e.d. Deze lijmen hebben als voordeel dat veelal een snelle droging tot stand komt. De lijmen worden vooral gebruikt voor blokken en elementen die machinaal gesteld worden. Eigenschappen metselmortels: Metselmortels zijn nauw verwant aan andere mortels en beton. Veel van het gestelde in hoofdstuk 6 “Beton” gaat dan ook op voor metselmortel. Belangrijk is dat de samenstelling van de metselmortel bij het vermetselen verandert. De steen zuigt water op, waardoor de waterbindmiddelfactor verandert. Het testen van de metselmortel los van het metselwerk heeft daarom maar beperkte waarde. Van veel belang voor de meeste toepassingen is dat de mortel goed hecht aan de steen, vooral omdat bij een goede hechting waterdoorgang van het metselwerk wordt voorkomen. De eigenschappen van metselmortel moeten dus in samenhang met de stenen in metselwerk worden beschouwd.

316

7.3

Het verbond tussen steen en metselmortel

Metselwerkeigenschappen: De druksterkte van metselwerk is afhankelijk van de sterkte van de bestanddelen. De zwakste schakel bepaalt de sterkte. De zwakste schakel is in het algemeen de metselmortel. De sterkte van de metselmortel in het metselwerk kan anders zijn wanneer de mortel gescheiden beproefd wordt. Dit heeft te maken met het wateropzuigend vermogen, waardoor de (cement + kalk)/waterverhouding in de metselmortel verlaagd wordt. Daardoor wordt de sterkte van de mortel groter. Aangezien het wateropzuigende vermogen van de stenen in metselwerk afhangt van velerlei omstandigheden, terwijl de mortel zelf een eigen waterterughoudend vermogen heeft (ook wel genoemd waterretentie vermogen), is het resultaat moeilijk voorspelbaar. Nochtans zijn er voor de verschillende typen mortels druksterktegebieden aan te geven. De druksterkte van metselwerk is van belang als het metselwerk een dragende functie heeft. Het staat dan onder een soort voor spanning, waardoor de treksterkte niet van belang is. Vaak heeft metselwerk echter geen dragende functie, maar alleen een beschermende en esthetische. In het geval van niet verticaal belaste muren (voorzetwanden, e.d.) kunnen trekspanningen ontstaan. De treksterkte van metselwerk mag in deze bijzondere gevallen wel in rekening worden gebracht. Voor de rekenwaarde van de treksterkte voor de door buiging ontstane trekspanningen gold, dat deze maximaal eentiende mag zijn van de rekenwaarde van de druksterkte. Voor metselwerk met een druksterkte van 15 MPa geldt dus een waarde van 1,5 MPa. Gebleken is nu dat deze lineaire relatie tussen druksterkte en treksterkte in het geheel niet bestaat. Muren met een hoge druksterkte kunnen een lage treksterkte hebben en andersom. Het zwakste punt bij treksterkte is de hechting tussen mortel en steen. Een sterkere mortel betekent niet ook een betere hechting. Diverse factoren spelen daarbij een rol. Gevonden is bijvoorbeeld, dat de hoeveelheid lucht in de mortel van cruciaal belang is; boven 15 % vol/vol treedt een sterkte daling van de hechting op, omdat luchtbellen zich ophopen aan het hechtvlak. Verder is gebleken, dat voor een goede treksterkte de steen niet te droog mag zijn, maar anderzijds ook weer niet te nat. Bij gelijmd metselwerk is er in het algemeen sprake van een goede hechting tussen de lijm en de stenen. De treksterkte van gelijmd metselwerk is zeker zo hoog als in het geval dat metselmortels toegepast worden. De lage treksterkte van metselwerk kan evenals bij beton worden “gemaskeerd”door het voor te spannen. In Nederland gebeurt dat zelden. Uit figuur 7.3.1 blijkt dat de pure cementmortel de hoogste druksterkte heeft. Toch worden pure cementmortels in combinatie met kalkzandsteen of baksteen nauwelijks toegepast. De reden hiervoor is dat deze mortels een te hoge elasticiteitmodulus hebben en een te grote droogkrimp. Daardoor worden grote krachten uitgeoefend op de steen, welke daardoor kunnen scheuren. Bovendien kan er krimpscheurvorming optreden langs het hechtvlak van steen en metselmortel. Daarom wordt veelal de voorkeur gegeven aan basterdmortels of mortels met speciale metselcement en verder de prefab-species. Metselwerkverbanden: Metselwerk kan in verschillende verbanden worden vervaardigd. Vanuit het verleden kennen we de benamingen: klezorenverband, halfsteensverband, koppenverband, vrij verband, vlaams verband, engels verband, Noors verband, kruisverband, staand verband, enz. In Nederland is het meest gebruikelijk een halfsteens verband (figuur 7.3.2). 317

Het verband tussen de stenen is niet onbelangrijk. Het is gebleken dat zelfs wanneer geen hechting aanwezig is tussen de stenen, als gevolg van het verband toch nog in redelijke mate buigspanningen in de lengterichting van stenen kunnen worden opgenomen door het in elkaar grijpen van de stenen met daaraan gehechte mortel. Vandaar dat men gewoonlijk de verticale voegen niet laat doorlopen. Muurdruksterkte (MPa) 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2

10

Figuur 7.3.1

20

30 40 Steendruksterkte (MPa)

50

60

Verband tussen muurdruksterkte en steendruksterkte bij gebruik van mortels van verschillende samenstelling.

318

Halfsteensverband

Vrij verband

Vlaams verband

Kruisverband

Noors verband

Engels verband

Koppenverband (Patijts verband)

Klezorenverband, lopend

Figuur 7.3.2

Klezorenverband, staand

Enige steenverbanden.

319

Staand verband

7.4

Duurzaamheid

7.4.1 Algemeen Bij metselwerk zijn de belangrijkste processen die de duurzaamheid bedreigen: - Expansieve kristallisatie van zouten in de stenen. Deze zouten kunnen zowel uit het metswerk zelf, als uit de ondergrond komen. - Expansie door vorming van sulfaatzouten in de mortel. - Vorst/dooiaantasting van steen en/of mortel.

7.4.2

Kristallisatie van zouten

Esthetisch: Zowel in de steen als in de mortel van metselwerk zijn zouten aanwezig. Als gevolg van transport van water bij drogen en nat worden van het metselwerk zullen de zouten, welke zijn opgelost in het water, naar het oppervlak worden gevoerd waar het water verdampt en de zouten uitkristalliseren. De hoeveelheid van deze zouten is het algemeen te gering om het metselwerk aan te tasten. Edoch, de afzetting van de zouten vormt wel een esthetisch probleem: het zogenaamde uitbloeien, een witte tot vuilgele neerslag. Het treedt vaak op bij nieuw metselwerk, maar ook daarna blijkt in bepaalde perioden plotseling weer zoutuitslag te kunnen optreden. Sommige zouten zijn goed wateroplosbaar en spoelen dan ook bij regenbuien weer gemakkelijk weg, zoals bijvoorbeeld natrium- en kaliumsulfaat. Andere zouten zijn veel hardnekkiger, minder goed wateroplosbaar; een voorbeeld is calciumcarbonaat, een zout dat gevormd wordt wanneer kalk aan het oppervlak geraakt en daar met kooldioxide (CO2) uit de lucht tot calciumcarbonaat reageert. In het algemeen is afwachten de beste remedie. Wanneer dit niet acceptabel is, kunnen de zouten ook worden verwijderd, bijvoorbeeld door een verdunde azijnzuuroplossing te gebruiken. Overigens is vervuiling van metselwerk meestal het gevolg van detailfouten bij het ontwerp. Vaak gaat het hierbij om een onjuiste afvoer van regenwater langs de gevel. We kunnen uitbloei (Engels: efflorescence) op het oppervlak van de stenen verwachten, maar ook op de mortelvoeg. Expansie: Indien er een continue aanvoer van zouten plaatsvindt, kan de zoutvorming ook de mechanische eigenschappen van de steen bedreigen. Dit is met name het geval wanneer het vochttransport vanuit de ondergrond plaatsvindt door capillaire opzuiging; in figuur 7.4.1 is dit schematisch weergegeven. Boven het maaiveld verdampt het water en zetten de zouten zich af. In droge perioden zal het metselwerk ten dele uitdrogen, om vervolgens bij nattere periode weer nat te worden. De afgezette zouten blijken hierbij op te lossen en opnieuw te kristalliseren, waardoor een steeds groter wordende kristallisatiedruk kan worden opgebouwd. Een druk die groter kan worden dan de treksterkte van de stenen. Afschilferen van de stenen kan dan het gevolg zijn. Vaak zien we dit proces juist boven het maaiveld, met name bij oude gebouwen waarbij geen waterwerend membraam is toegepast in de fundering en de fundering bovendien poreus is.

320

Figuur 7.4.1

Schematische voorstelling transport van zouten naar zone boven maaiveld bij metselwerk.

Expansie door sulfaten: De duurzaamheid van metselwerk kan ook worden bedreigd door expansie bij vorming van sulfaatzouten in de mortel. Dit is hetzelfde proces als bij beton kan optreden. In dit geval kan het sulfaat afkomstig zijn uit de steen. Het is mede om deze reden, dat aan de steen eisen worden gesteld met betrekking tot het sulfaatgehalte en Lipinski-getal. Men kan stellen, dat er geen gevaar is voor sulfaatexpansie, indien men zich aan de normen houdt.

7.4.3 Vorst/dooi aantasting Met een gemiddelde frequentie van eens per tien jaar blijkt wel eens vorstschade op te treden bij metselwerk. Deze frequentie is wat toegenomen, omdat vanaf de zeventiger jaren de spouwmuren geïsoleerd worden, waardoor de buitenmuur kouder is. De schade kan zowel de steen betreffen als ook de metselmortel. Het mechanisme is in wezen hetzelfde als bij beton. Wanneer de poriën een bepaalde waterverzadiginggraad hebben bereikt, kan er schade optreden. Voor het mechanisme wordt verwezen naar beton waarbij opgemerkt wordt, dat bij stenen in het algemeen de zogenaamde hydraulische druk minder is, omdat de poriën groter zijn. De schade wordt veelal geconstateerd op het grensvlak tussen steen en mortel, welke in het algemeen de meest zwakke schakel vormt. Opgemerkt moet worden dat in geval dat metselwerk veel zouten bevat, bijvoorbeeld door capillaire opzuiging van de ondergrond, het evenwichtsvochtgehalte ook veel hoger is dan zonder aanwezigheid van zouten (hygroscopiciteit), waardoor de kans op de vorstschade weer vergroot wordt.

321

7.5

Hergebruik/recycling

Metselwerk wordt na de gebruiksfase in Nederland in het algemeen samen met andere steenachtige materialen bewerkt tot een granulaat, welk voor het grootste deel wordt toegepast als funderingmateriaal in de wegenbouw. Zoals besproken in paragraaf 7.3 zou verandering in het type metselmortel ook hergebruik van de stenen mogelijk kunnen maken, zoals dat vroeger het geval was; dit zou een belangrijke afname van de belasting van het milieu betekenen.

322

8

GLAS 8.1) 30

8.1

Inleiding

Glas is een onderkoelde vloeistof. Door de snelheid van afkoelen heeft geen kristallisatie kunnen optreden, zodat specifieke minerale bestanddelen niet aanwezig zijn. Glas is een materiaal dat al zo oud is als de wereld. Immers glasachtige bestanddelen vinden we in de aardkost terug. Glas als bouwmateriaal echter, is van veel jongere datum. Aangenomen wordt dat de mens glas heeft leren maken en benutten vanaf ongeveer 2000 voor Christus. Misschien wel als gevolg van het te "ver" smelten van klei bij het pottenbakken. Het heeft vooral zijn weg gevonden in de bouw, als gevolg van het feit dat het doorzichtig is. Later zijn ook andere gunstige eigenschappen van glas een eigen leven gaan leiden, zoals de mogelijkheden om glasvezels als versterking te gebruiken, of om glaswol en schuimglas als isolatiemateriaal te gebruiken. Tegenwoordig is het aantal toepassingen van glas in de bouw bijzonder groot. Te noemen zijn o.a. spiegelglas, glasblokken, glaswol, isolatieglasschuim, glasvezelversterkte kunststofproducten, glasvezelversterkt cement, glazen deuren etc. Glas is daarmee een multifunctioneel materiaal voor de bouw met een breed toepassinggebied. We zullen in dit hoofdstuk ingaan op eigenschappen van glas alsmede op enkele specifieke toepassingen. Alvorens we dit doen zullen we in het kort samenstelling en indeling bespreken.

8.2

Samenstelling en indeling

Het meest specifieke van glas is de amorfe structuur; er zijn geen kristallijne bestanddelen aanwezig; amorfe structuren komen ook voor bij kunststoffen en zelfs bij metalen. Hier zullen we ons echter beperken tot de anorganische glazen, waarbij altijd siliciumoxide een belangrijke component is, terwijl daarnaast ook altijd een eenwaardig metaaloxide aanwezig is, zoals K2O, Na2O, Li2O etc. De structuur van glas bestaat uit een driedimensionaal netwerk van Si-O tetraëders, die wanordelijk gerangschikt zijn, zie figuur 8.2.1. De belangrijkste toepassing van glas is spiegelglas voor ruiten. Het meest gebruikte vervaardigingprocedé van dit moment is het “floatglas process”. De eigenschappen van glas kunnen verbeterd worden door het glas te harden. Hierbij ondergaat glas een warmtebehandeling waardoor uiteindelijk de buitenzijde onder druk komt te staan en de binnenzijde onder trek. Er vindt dus voorspanning plaats zoals dat ook bij voorgespannen beton het geval kan zijn. Dit spanningverloop in gehard glas is in figuur 8.2.2 geïllustreerd. Om bepaalde eigenschappen te verbeteren, kan glas ook gewapend worden met staaldraad. Ook kunnen glasplaten op elkaar gelijmd worden om eigenschappen te verbeteren. De lichtdoorlatendheid van glas is uiteraard zeer belangrijk. De mate waarin licht wordt doorgelaten, kan door aanpassingen in het glas zelf, maar ook door aanbrengen van aparte oppervlakte lagen, of tussenlagen bij gelijmd glas, in belangrijke mate beïnvloed worden. Glasblokken kunnen mechanisch belast worden en worden daarom gebruikt in bijvoorbeeld plafonds welke licht moeten doorlaten. Hoe dunner glas is, des te sterker het is (relatief). Van dit principe wordt gebruik gemaakt bij het maken van glasvezels. Glasvezels worden gebruikt bij versterking van kunststoffen en van cement. Voor dit laatste wordt een speciale zogenaamde alkalibestendige glasvezel gebruikt. 8.1)30 Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", Hoofdstuk 20. Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", Hoofdstuk 12. 323

Glas leent zich verder voor isolatiematerialen, hetzij in de vorm van glasvezels (glaswol en steenwol), hetzij als schuimglas.

Figuur 8.2.1

De structuur van glas bestaande uit een driedimensionaal netwerk van Si-O tetraëders.

Figuur 8.2.2

Spanningen in een op buiging belaste plaat van gehard glas. A: reeds in de plaat aanwezige spanningen; B: door buiging in de plaat opgewekte spanningen; C: resulterende spanningen.

324

8.3 Eigenschappen van glas 8.3.1 Mechanische eigenschappen Glas is ten opzichte van materialen als beton en keramische materialen, een bijzonder treksterk materiaal. In figuur 8.3.1 is dat weergegeven. Treksterktes in de grootteorde van 200 tot 300 MPa zijn gebruikelijk. Figuur 8.3.1 toont tevens, dat gehard glas aanzienlijk sterker is. Uit de figuur blijkt ook dat niet-gehard glas nogal kruipgevoelig is. Glas wordt dan ook zelden gebruikt om blijvende belastingen op te nemen. Wel is glas goed bestand tegen kortdurende belastingen, zoals windbelasting. De dunne spiegelruiten kunnen een flinke windkracht gemakkelijk doorstaan. Hoe groter de in de glasstructuur voorkomende fouten, hoe zwakker het materiaal. Aan het oppervlak van glas blijken de grootste scheurtjes te kunnen voorkomen als gevolg van het fabricage- en afkoelproces. Deze scheurtjes vormen in wezen de grootste fout. De grootte van deze fout blijkt minder te zijn, naarmate de diameter van het glasvezels geringer is. Dit is in figuur 8.3.2 geïllustreerd. Dit verband geeft ook aan waarom dunne glasvezels met een diameter van 10 μm zo treksterk kunnen zijn. Glas kan zoals vermeld sterker worden gemaakt door het te harden. Daardoor wordt met name de kans op fouten aan het oppervlak verkleind, doordat het glas daar onder druk staat. Ook door polijsten kan een toename van de sterkte optreden. Polijsten kan zowel mechanisch als chemisch geschieden. Dit laatste gebeurt door het te etsen.

Figuur 8.3.1

Treksterkte van vlakglas.

Glas is een treksterk, maar echter zeer bros materiaal. Het is bijzonder gevoelig voor stootbelasting. Dat is dan ook de reden dat glas wel gewapend wordt. Deze wapening verlaagt in het algemeen de treksterkte zoals aangegeven in tabel 8.3.1. Doch wanneer het glas zou kapot gaan door stootbelasting, wordt het door de wapening bijeen gehouden, zodat het niet uiteen valt. Zo'n principe is min of meer ook van toepassing bij gelaagd glas. Hierbij worden twee of meerdere platen glas op elkaar gelijmd. Bij stootbelasting in zo'n geval, bijvoorbeeld een steen op een ruit of iets dergelijks, zal één van de ruiten breken, doch door de dempende lijmlaag tussen de glasplaten zal de volgende intact blijven, waardoor de scherven van de eerste laag aan de intact zijnde tweede of derde laag blijven hangen.

325

Figuur 8.3.2

Treksterkte van glasvezels (soda-kalkglas) afhankelijk van de diameter.

Tabel 8.3.1

Treksterkte gewoon spiegelglas en spiegelglas met draadversterking.

Glassoort gepolijst spiegelglas gepolijst spiegelglas met draad gegoten glas gegoten glas met draad

Grenzen treksterkte (MPa) 42 - 49 39 - 53 38 - 76 39 - 55

8.3.2 Doorlatendheid van glas voor zonnestraling Zonnestraling is elektromagnetische straling met een golflengte van 0,26 tot 3 à 4 μm. Hierin valt het zichtbare licht met een golflengte van 0,38 tot 0,76 μm, ultraviolette straling met 0,26 tot 0,38 μm (van belang voor het verschieten, verouderen van materialen) en het infrarode licht met golflengtes vanaf 0,76 μm. Dit laatste is een onzichtbare warmtestraling van de zon, die voor een groot deel door normaal glas wordt doorgelaten. Figuur 8.3.3 geeft de doorlating voor normaal blank glas met een dikte van 6 mm. Ter vergelijking is ook acrylaat glas (perspex) meegegeven, als wel van een polyester kunststof, welke ook vanwege hun doorlatendheid worden toepast. Duidelijk is dat de doorlatendheid in het zichtbare gebied groter is dan 90%. Als gevolg van het feit, dat het glas niet alleen zichtbaar licht doorlaat, maar ook infrarood licht, zal de ruimte achter het glas in het algemeen door de zon opwarmen. Dit komt, omdat de voorwerpen die de infrarode straling absorberen en daardoor worden verwarmd, op zichzelf ook weer licht uitstralen zelfs met een golflengte die hoger is dan ontvangen. De doorlatendheid van deze warmtestraling met hogere golflengte is gering. Dit leidt tot het zogenaamde broeikaseffect. In gebouwen is dit behalve in de winter en in het vroege voorjaar niet gewenst. In verband daarmee zijn er producten ontwikkeld die door grotere absorptie of reflectie de warmtestraling (infrarood) van de zonnestraling grotendeels tegenhouden.

326

golflengte licht (μm)

Figuur 8.3.3

8.3.3

Doorlating van transparante niet gekleurde kunststofplaten als functie van de lichtgolflengte.

Glas en warmte

De uitzettingcoëfficiënt van glas: Glas heeft een lineaire uitzettingcoëfficiënt die iets lager is dan van beton en keramische materialen, en veel kleiner dan van de meeste kunststoffen en van aluminium. Tabel 8.3.2 geeft een overzicht van uitzettingcoëfficiënten van verschillende materialen. Wanneer glas wordt gebruikt in aluminium- of kunststofkozijnen moet met de verschillen in uitzettingcoëfficiënt rekening worden gehouden. Dit kan geschieden door voldoende ruimte tussen het kozijn en glas open te laten, en deze op te vullen met een plastische kit. Tabel 8.3.2

De uitzettingcoëfficiënt van glas en enige andere bouwmaterialen. Uitzettingcoëfficiënt x10-6 (K-1) 8,5 24 12 10 à 14 5à7 3à6 50 à 80 20 à 50 80

Materiaal gewoon glas aluminium staal beton baksteen naaldhout hard PVC glasvezel-polyester acrylaat

327

Warmtetransport: Een belangrijk aspect bij glas is het warmtetransport door glas. De warmtegeleidingcoëfficiënt van glas is zeker niet ongunstig ten opzichte van andere bouwmaterialen, zoals bijvoorbeeld staal en beton; zie tabel 8.3.3. Doordat glas echter zo dun is, is de warmte-isolerende werking toch gering. Enkelglas is in een gebouw dan ook altijd de, wat betreft warmte-isolatie, zwakste schakel. Na de energiecrisis van 1973 is op grote schaal overgegaan naar dubbelglas. Het dikker maken van glas is weinig zinvol. Dikke glasplaten zijn (a) niet goed te maken, (b) duur en (c) leiden tot irreële maatvoering. Een eenvoudige oplossing kan worden bereikt door dubbelglas te nemen. Figuur 8.3.4 geeft een voorbeeld van dubbelglas. Stilstaande lucht heeft namelijk een hoge isolatiewaarde. Een spouwtje van 10 à 20 mm is voldoende; daarboven wordt in isolatiewaarde niets meer gewonnen, zie figuur 8.3.5. Belangrijk bijkomend voordeel van dubbelglas is, dat de waterdampcondensatie die optreedt in perioden met lagere temperaturen, aanzienlijk verkleind wordt. In sommige voornamelijk Scandinavische landen wordt zelfs driedubbel glas gebruikt. Ook in Nederland is dit bij verdergaande energiebesparende maatregelen niet uitgesloten. Tabel 8.3.3

De warmtegeleidingcoëfficiënt van veel toegepaste bouwmaterialen.

Materiaal aluminium staal baksteen-metselwerk (klinkers hardgrauw) lichtbeton (1300 kg/m3) las naaldhout (loodrecht op de vezels) polystyreenschuim glasschuim glaswol

Figuur 8.3.4

Warmtegeleidingcoëfficiënt (W/m K) 204 52 0,70 - 1,26 0,47 - 0,81 0,81 0,14 - 0,17 0,03 0,07 - 0,12 0,09

De constructie van Polyglas.

328

Figuur 8.3.5

De invloed van de spouwwijdte op de isolatie waarde (k-waarde).

Brandveiligheid: Glas is een materiaal met een slechte brandwerendheid. Bij het ontstaan van steile temperatuurgradiënten in het glas, zoals bij brand, scheurt het materiaal gemakkelijk door zijn brosheid, en valt het in stukken uiteen. Het is een typisch voorbeeld van een materiaal dat onbrandbaar is, maar een slechte brandwerendheid heeft. De brandwerendheid kan duidelijk verbeterd worden door draadglasversterking te nemen. Bij brand blijven de glasscherven dan als het ware aan het versterkende gaas hangen. Gelaagd glas heeft een vergelijkbaar effect. Er is gelaagd glas op de markt waarbij de tussenlaag opschuimt bij verhitting. Dit geeft een hitte-isolerend effect.

8.3.4 Geluidsisolatie van glas Glas heeft als materiaal op zichzelf een niet slechter geluidsisolerend vermogen dan beton. Doordat glasruiten echter zo dun zijn en daardoor de massa gering is, is het isolerend vermogen van dit product zeer gering. Verhoging van isolatie kan bereikt worden door dikker glas te nemen. Ook hier blijkt dubbelglas met een luchtkanaal positief te kunnen werken. Daarbij moet bij voorkeur de dikte van de beide glasruiten verschillen, om eigenresonanties zo veel mogelijk te voorkomen. Belangrijk is ook dat de ruit met een flexibele kit in de sponning wordt gezet. Bij starre verbindingen zal het effect van resonantie in hoge mate aanwezig zijn. Een belangrijk lek van geluid vindt overigens via reten om het kozijn plaats.

329

8.4

Enkele specifieke glasproducten

Glasblokken: Glazen bouwstenen worden vrij veelvuldig gebruikt in de bouw. Ze worden toegepast voor binnen- en buitenmuren, vloeren en daken. Ze kunnen worden verenigd tot grote oppervlakken. Het gebruik is voornamelijk in grotere gebouwen in de U-bouw sfeer: kantoren en fabrieken. Figuur 8.4.1 geeft een typisch voorbeeld van een doorsnede van een wand van glasbeton. Grote aandacht moet worden besteed aan mortelvoegen en aan de uitzetting van muren en glasblokken. Door het brosse karakter kunnen glazen bouwstenen slechts weinig vervorming opnemen.

Figuur 8.4.1

Wand van glasbeton (DIN 4242).

Glaswol en steenwol: Glaswol en steenwol zijn isolatie producten, die op grote schaal worden toegepast. Bij glas- en steenwol worden de vezels vanuit een vloeibare mix verspoten door een gaatjesprofiel. Hierdoor ontstaan glasvezels van verschillende dikten, met hier en daar verdikkingen. Verschil tussen steenen glaswol betreft voornamelijk de chemische samenstelling. Beide producten hebben een grote markt verworven, doordat het vrij goedkope en resistente materialen zijn. In tabel 8.4.1 zijn eigenschappen van enkele isolatiematerialen opgenomen. Steenwol, en in mindere mate glaswol, worden overigens ook op grote schaal gebruikt in de tuinbouw, als substraat voor de plantenteelt. Glas- en steenwol kunnen huidirritatie veroorzaken; dragen van beschermende kleding bij aanbrengen wordt aangeraden. Schuimglas: Schuimglas (Engels: foam glas) neemt een bijzondere plaats in tussen andere isolatiematerialen (kunststofschuimen, glaswol, kurk) aangezien het door zijn gesloten celstructuur volkomen wateren dampdicht is. Bovendien is het onbrandbaar en rotvrij. Het materiaal is verder bestand tegen vele chemicaliën. Een nadeel is evenwel de brosheid. Het materiaal is meestal zwart, maar kan ook in andere kleuren worden geleverd. Door de gunstige eigenschappen groeit de markt voor schuimglas.

330

Tabel 8.4.1 Materiaal

Enkele eigenschappen van isolatiematerialen. Warmtegeleiding (W/m K)

Volumegewicht (kg/m3)

Druksterkte (MPa)

Buigtreksterkte (MPa)

Thermische uitzettingcoëfficiënt x10-6 (K-1) 9

Temperatuur bestandheid (oC)

glasschuim 0,052 1,4 0,5 144 450 polystyreenschuim 15 kg/m3 *) 0,029 ±10-6 0,3 - 0,4 15 *) 21 - 45 75 minerale wol **) 35 - 200 0,041 ±700 ) * Het in de bouw toegepaste polystyreenschuim heeft een minimaal volumegewicht van ±15 kg/m3 en een maximaal volumegewicht van ±100 kg/m3. ) ** Steenwol.

Glasvezels: Glasvezels ter versterking van kunststoffen en cement kunnen worden verkregen door glasdraden te trekken. Voor dit glas wordt een speciale samenstelling gebruikt, om de bestendigheid tegen met name water te verbeteren. Hoewel glas niet erg watergevoelig is, blijken de dunne glasvezels van de gewone glasvezels toch zodanig door water te kunnen worden aangetast, dat de eigenschappen merkbaar veranderen. Ze worden gebruikt voor het versterken van kunststoffen (daarvoor wordt verwezen naar het hoofdstuk over kunststoffen), maar ook wordt een speciale glasvezel met een verhoogde alkalibestendigheid gebruikt voor het versterken van cement. Door de versterking met glasvezels van cement kan de treksterkte en de rekcapaciteit verhoogd worden. Een speciale component is nog het in Nederland ontwikkelde polymeer gemodificeerde glasvezelversterkte cement; een combinatie van glasvezels, cement en een kunststof. Glasvezels worden verder gebruikt voor het versterken van gips en voor het wapenen van bitumen o.a. van dakbedekking, maar ook bij asfalt.

331

8.5

Duurzaamheid

Glas, zowel wat betreft spiegelglas, als in de vorm van glazuur op tegels, geëmailleerd staal en dergelijke, staat bekend om zijn hoge duurzaamheid. Het bestaat uit metaaloxides en bevindt zich, anders dan de metalen, reeds in een laag energetische toestand. Met die uitzondering dat glas een als het ware ingevroren vloeistof is, waarbij er thermodynamisch toch een voorkeur is om een meer kristallijne vorm aan te nemen. In de praktijk geeft dit echter geen aanleiding tot problemen met duurzaamheid, omdat de snelheid van omzetting naar de kristallijne vorm verwaarloosbaar klein is. Wel kan glas worden aangetast door een hoog alkalisch milieu. Eenmaal opgenomen in een constructie zal dit in het algemeen niet gebeuren. Misschien met één uitzondering; dat is als glas langdurig in contact is met stilstaand water. Door oplossen van natrium- en kaliumionen uit het glas kan een hoog alkalisch laagje water ontstaan, welk vervolgens de glasstructuur aantast. Dit verschijnsel is echter voor de praktijk nauwelijks relevant, omdat bij verticale vlakken er steeds onvoldoende water is, of door regenwater schoonspoeling plaatsvindt. Wel geeft het aan dat het schoonhouden van glas, het verwijderen van vuil, belangrijk kan zijn om op plaatsen van aangehecht vuil dit soort aantastingmechanismen te kunnen vermijden. De alkali-gevoeligheid van glas is wel bekend uit het etsen van glas, indien er cementspecie overheen gelopen heeft. Tijdens de bouw moet hier op gelet worden. Een andere aantasting die wel een wordt waargenomen van glas, is zure aantasting. Dit betreft een aantasting door het fluor waterstof (HF). Dit zuur ontstaat onder andere bij het sinteren van grof keramische producten. In de omgeving van keramische fabrieken kan men dit aantastingverschijnsel dan ook nog weleens aantreffen. Door de snel verscherpende eisen met betrekking tot emissies naar de lucht is dit probleem voor de toekomst niet meer relevant.

8.6

Hergebruik/recycling

Glas laat zich uitstekend hersmelten tot nieuw glas en wordt op grote schaal toegepast bij flessen. Voor glas uit de bouwen sloopafvalsectie is omsmelten nu nog beperkt het geval. Met het ingaan van het verbod op het storten van bouwen sloopafval mag verwacht worden dat dit zal toenemen. Wegens het brosse karakter van glas, is het hergebruik van spiegelglas als zodanig niet uitvoerbaar.

332

9

BODEMMATERIALEN 9.1)31

9.1

Inleiding

Onder bodemmaterialen zullen we verstaan alle natuurlijke anorganische materialen die afkomstig zijn van de aardkorst en die geen andere bewerking ondergaan dan een mechanische (zagen, breken, malen, zeven, etc.) alvorens toegepast te worden. Ze maken onderdeel uit van de gestolde laag van de aarde die op sommige plaatsen heel dun (enkele km's dik) en op andere plaatsen dik is (60 km en meer). Natuursteen verweert en de verweerde producten komen voor als blokken, keien, stenen, grof korrelig materiaal, fijnkorrelig en zeer fijn materiaal. In dit college zullen we onderscheid maken in vormen die voor de praktijk van de civiele techniek en de bouw van belang zijn: natuursteen in de vorm van blokken en platen; grof korrelig materiaal; fijn korrelig materiaal. In het navolgende zullen we kort ingaan op het ontstaan en de samenstelling van bodemmaterialen. Vervolgens zullen we een indeling in en benaming van korrelgroottefracties bespreken. Tenslotte zullen de drie genoemde voor de civiele techniek belangrijke materialen aan de orde komen. Naast de natuurlijke bodemmaterialen zullen enkele reststoffen besproken worden die, qua chemische en mineralogische samenstelling overeenkomen met de aardkorstmaterialen, en die dezelfde toepassing hebben als bodemmateriaal. Ontstaan en samenstelling: Tijdens het langzame stollingproces van de aarde zijn diverse gesteenten gevormd. Dit proces vindt nog steeds doorgang; denk maar aan vulkanen. Deze gesteenten noemen we de stollinggesteenten of primaire gesteenten. De gestolde laag drijft op de smelt. Deze smelt is geen homogene substantie; zwaardere stoffen bevinden zich meer in het midden, de lichtere drijven daarboven op. Echter ook binnen een denkbeeldige schil om het middelpunt, blijkt de chemische samenstelling grote variaties te kunnen vertonen. Bij het stollen van de smelt ontstaan uit de vloeistof in het algemeen meerdere mineralen. Een mineraal is een verbinding van een specifieke chemische samenstelling met een specifieke kristallijne structuur. Belangrijk voor de eigenschappen van de gestolde gesteenten is ook de plaats waar de gesteenten stollen, of beter, de snelheid van afkoelen. Hoe sneller de afkoeling, des te kleiner de mineraalkristallen. Gesteenten die onder de aardkorst langzaam afkoelen, tonen een grove kristalstructuur, bijvoorbeeld graniet (zie figuur 9.1.1). De mineralen zijn met het blote oog kenbaar. Bij uitvloeiinggesteenten, die aan het oppervlak snel zijn afgekoeld, is de kristalstructuur fijn, bijvoorbeeld basalt. We treffen aan het oppervlak een vrij grote verscheidenheid van stollinggesteenten aan. Zodra de gesteenten aan het oppervlak van de aarde terecht komen, begint de verwering. Dit is een afbraakproces als gevolg van mechanische (erosie), fysische (vorst-dooiwisselingen, temperatuurwisselingen etc.), chemische (oplossen) en biologische (plantenwortels, zuurvorming) inwerking. Dit proces leidt tot verkleining van het gesteente, en tot scheiding van het gesteente in brokstukken bestaande uit één of meerdere mineralen. De brokstukken worden door zwaartekracht, water en wind weggevoerd van hun oorspronkelijke plaats en komen ergens anders weer tot rust. De bovenste laag van ons land is nagenoeg geheel gevormd door dit proces, we spreken over sediment-, afzetting- of secundaire gesteenten.

9.1)31 Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", Hoofdstuk 22. Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", Hoofdstuk 3. 333

In het algemeen geldt hoe verder van de bron verwijderd des te fijner de brokstukjes zijn die zich afzetten. Denk maar aan ons land. Grind in Limburg, zand meer stroomafwaarts van de rivieren en klei in de westelijke en noordelijke provincies. We noemen dit de klastische sedimenten.

Figuur 9.1.1

Voorbeeld van granietstructuur (gepolijst oppervlak).

De meest verweerde vorm van gesteenten zijn de klei en zanddeeltjes. Klei is gevormd door omzetting van mineralen met water. Het zijn deeltjes kleiner dan 2 μm. In het algemeen zijn ze plaatvormig. Het Nederlandse zand bestaat voornamelijk uit het mineraal α-kwarts. Onder de sedimentgesteenten rekenen we ook gesteenten die ontstaan zijn uit resten van biologische aard, zoals kalksteen (de organogene sedimenten). Ook kennen we gesteenten die ontstaan zijn door oplossen en reageren, de chemische sedimenten; een voorbeeld is gipssteen. Door bewegingen van de aarde, door nieuwe afzettingen van sedimentgesteenten, en door uitvloeiingen van de aarde, kunnen sedimentgesteenten onder hoge druk en/of temperatuur komen te staan. Daarbij ondergaan deze gesteenten veranderingen; de metamorfe- of omvorminggesteenten ontstaan. Voorbeelden zijn marmer uit kalksteen, en leisteen uit klei. Tabel 9.1.1 geeft een overzicht van de verschillende soorten gesteenten. Tabel 9.1.1

Overzicht natuursteen.

Hoofdgroep stollinggesteenten of primaire gesteenten sedimentgesteenten of afzettinggesteenten of secundaire gesteenten metamorfe gesteenten of omvorminggesteenten

Onderverdeeld in dieptegesteenten, ganggesteenten, uitvloeiinggesteenten klastische-, chemische- en organogene sedimenten metamorfose door temperatuur, door druk of door temperatuur/druk

334

Voorbeelden granieten, profieren, o.a. basalt (lava) grind, zand, klei, gipssteen, kalksteen kwartsiet, gneis, lei, kristallijn marmer

Figuur 9.1.2 illustreert het wordingsproces van gesteenten en figuur 9.1.3 toont de gesteentecyclus.

Figuur 9.1.2

Principe ontstaan van stollinggesteenten. 1 = magma (vloeibaar gesteente) 2 = stolling en kristallisatie 3 = stollinggesteente 4 = erosie en verwering 5 = sedimentatie 6 = sediment en sedimentair gesteente 7 = rekristallisatie en metamorfose 8 = metamorf gesteente 9 = (partiëel) smelten.

Figuur 9.1.3

De gesteentecyclus (overgenomen van Wikepedia).

335

9.2

Indeling in korrelgrootte en benaming van de fracties

Bij het verweringproces ontstaan steeds fijnere korrels. De bodem bestaat, of uit de oorspronkelijke natuursteen, of uit deze verweringproducten. In het laatste geval zijn er steeds korrels van verschillende grootte aanwezig. De Nederlandse norm NEN 5104 "Geotechniek. Classificatie van onverharde grondmonsters" onderkent de in tabel 9.2.1 aangegeven grenzen in korrelgroottefracties en benamingen van deze fracties (grond). De indeling en benaming van mengsels van deze korrelfracties geschiedt op basis van de massapercentages, lutum, silt, zand, grind en organische stof. Bij elke stap wordt de som van de massapercentages op 100 gesteld. Van de grondsamenstelling worden hier alleen de grofkorrelige, dat wil zeggen zand en grind, en het fijnkorrelig materiaal, dat wil zeggen: zand en klei beschouwd. Tabel 9.2.1

Benamingen van fracties en fractiemateriaal naar korrelgrootte volgens NEN 5104.

Korrelgrootte < 2 μm 2 - 63 μm 63 μm - 2 mm 2 mm - 63 mm 63 mm - 200 mm 200 mm - 630 mm > 630 mm

Fractiebenaming lutumfractie siltfractie zandfractie grindfractie stenenfractie keienfractie blokkenfractie

336

Fractiemateriaal lutum silt zand grind stenen keien blokken

9.3

Natuursteen

Gebruik: Natuursteen wordt in de bouw en civiele techniek voor velerlei doeleinden gebruikt. De enige Nederlandse natuursteen, die in het verleden in Nederland is gebruikt, is mergel: een relatief zachte kalksteen (CaCO3) die in Zuid-Limburg voorkomt. Een andere natuursteen, die in Nederland in het verleden op vrij grote schaal is toegepast als bouwsteen, is zandsteen; ook dit is een sedimentaire steen, bestaande uit zandkorreltjes aaneengekit door kalkspaat, silicaat of dolomiet. Zandsteen wordt in onze buurlanden gevonden. De verwerking van zandsteen is tegenwoordig verboden in verband met het gevaar voor silicose. Verder wordt hardsteen, een harde kalksteen, in ons land geïmporteerd. Het wordt gebruikt voor vensterbanken, drempels e.d., alsmede restauratie van oude gebouwen. Als voorbeeld van in het verleden toegepast natuurgesteente valt verder te noemen tufsteen, een vulkanisch gesteente vooral afkomstig uit de Eifel. Natuursteen wordt ook op grote schaal gebruikt voor vloerbedekking, tegels, gevelbekleding, bekleding van binnenwanden, dakbedekking en aanrechtbladen. Diverse gesteenten worden hiervoor gebruikt waaronder veel marmer, maar ook graniet, leisteen en kwartsiet. In de waterbouw is tot voor enig decennia veel basalt gebruikt. Basalt is een relatief zwaar gesteente, welk als oeverbescherming en als stortsteen uitstekend voldoet. Tegenwoordig wordt hiervoor veel beton gebruikt met een zwaar toeslagmateriaal. Basalt is ook veel gebruikt als wegverharding (kinderkopjes en kasseien). Als stortsteen in waterbouw worden ook veel reststoffen gebruikt, met name mijnsteen welk uit West-Duitsland en België wordt aangevoerd, en verder fosforslak en staalslak. Mijnsteen bestaat uit verschillende sedimentaire gesteenten waaronder kleisteen, zandsteen, kalksteen en resten kool. Fosforslak is een synthetisch gesteente dat vrijkomt bij de fosforfabricage. Staalslak ontstaat bij de staalfabricage. Eigenschappen: De eigenschappen van natuursteen verschillen sterk per soort en zelfs binnen iedere soort komen grote verschillen voor. Zo hebben we al gezien dat mergel een kalksteen is, maar ook hardsteen is dat. Evenals bij andere steenachtige materialen is de druksterkte van natuursteen hoog ten opzichte van de treksterkte. Poriën en vooral ook defecten zoals microscheurtjes spelen hierbij een grote rol. Natuursteen is geenszins een homogeen materiaal, het ontleent zijn gewilde esthetische eigenschappen veelal juist aan die inhomogeniteiten! Inhomogeniteiten die echter nadelig kunnen zijn voor mechanische eigenschappen. Naast sterkte is voor vele toepassingen ook de hardheid en de slijtvastheid van belang. De volumieke massa is met name van belang in de waterbouw. Tabel 6.3 geeft een overzicht van enkele natuursteensoorten en hun eigenschappen. Duurzaamheid: De bedreigingen voor natuursteen zijn deels hetzelfde als voor metselstenen. Er zijn echter een aantal specifieke aantastingmechanismen voor sommige natuurstenen die voor metselstenen niet gelden. Met name geldt dit voor aantasting van de natuursteen zelf door chemische inwerking; een bekend voorbeeld is de zandsteen, waarbij de korreltjes in dit sedimentaire gesteente aan elkaar gekit zijn met een kalkrijke substantie. Deze kalk kan reageren met zure bestanddelen uit de lucht. Zoals bekend is de lucht, als gevolg van de uitstoot door industrie en verkeer, heden ten dage aanzienlijk zuurder dan in de vorige eeuw. Door natte en droge depositie van deze zure verbindingen op het metselwerk kan de kalkrijke kit worden aangetast, waardoor de samenhang verloren gaat. 337

Het oppervlak van de zandsteen wijkt daardoor langzamerhand terug. Bij kalksteen (bijvoorbeeld sommige hardsteensoorten) treedt een dergelijk verschijnsel ook op (zie figuur 9.3.1). Hier heeft het een wat ander karakter doordat calciumsulfaat wordt gevormd als gevolg van de reactie van kalk met SO2. Door uitloging van dieper gelegen lagen wordt steeds meer calciumcarbonaat naar het oppervlak gevoerd en daar omgezet in gips. Er wordt een calciumsulfaatrijke korst gevormd, die op zichzelf vrij hard kan zijn, echter de aantasting daar achter gaat verder, waardoor er achter deze hardere laag een poreuze zwakke laag ontstaat. Na verloop van tijd volgt dan afbladderen van de harde laag. Dit is een veel waargenomen verschijnsel bij uit kalksteen opgetrokken monumenten. Dat proces wordt nog versterkt door het optreden van vorstschade met name in de poreuze laag. In steden met een duidelijk hogere milieubelasting van de lucht dan daarbuiten in de laatste honderd jaar een sterke toename van schade aan natuurmonumenten geconstateerd. Inmiddels lijkt het tij gekeerd nu de SO2 en vaste stofdeeltjes concentratie in de lucht aan het verminderen zijn. Er zijn echter ook andere bedreigingen, zoals de nog steeds toenemende NOx concentratie van de lucht. Tabel 9.3.1 Soort graniet porfier basalt zandsteen kalksteen (hardsteen) marmer gneis

Figuur 9.3.1

Enkele natuurgesteenten en hun eigenschappen. Volumieke massa (kg/m3) 2500-3200 idem 3000-3200 ca. 2500

Lin.uitzettingcoëff. (10-6/K) 7-8 idem ca. 8 9 - 11

Druksterkte (MPa)

Buigsterkte (MPa)

160 - 240 180 - 300 250 - 400 30 - 200

ca. 2500 ca. 2500 als graniet

5 - 11 idem 7-8

20 - 180 idem 160 - 240

10 - 20 15 - 20 15 - 25 12 - 25

Elasticiteitmodulus (MPa) (4 - 8).104 (2,5-6,5). (6 - 10). 104 (0,2 - 2).104

Wateropneming (gew. %) 0,2 - 0,5 0,2 - 0,7 0,1 - 1,3 0,2 - 0,9

5 - 15 5 - 12 10 - 20

(0,8 - 9).104 idem (1,3-3,5).104

0,2 - 1 0,2 - 0,6 0,2 - 0,5

Schematische voorstelling verwering van kalksteen.

338

9.4

Grofkorrelig materiaal

Indeling: De benaming van grofkorrelig materiaal valt niet goed te plaatsen onder de benamingen van NEN 5104 voor grond. Bij grind zullen we direct aan een grof korrelig materiaal denken. De lutum + silt, zand, grind-driehoek van figuur 9.4.1 laat zien, dat naast grind in principe aanzienlijke hoeveelheden silt + lutum aanwezig zijn. Voor de belangrijkste civieltechnische toepassingen wordt grind van deze fractie ontdaan. Vandaar dat wij hier onder grof korrelige materialen zullen verstaan, materialen met een minimum korreldiameter van 63 μm en een maximum van 63 mm. Binnen dit gebied onderscheiden we zand (63 μm tot 2 mm) en (grind 2 mm tot 63 mm). Ook deze twee klassen kunnen we weer onderverdelen, zoals weergegeven in tabel 9.4.1:

Figuur 9.4.1

Indeling van de lutum + silt-zand-grinddriehoek.

Tabel 9.4.1

Onderverdeling in zand en grind. Korrels fijn zand middel zand grof zand fijn grind middel grind grof grind

63 0,3 0,6 2 6 20

339

Korrelgroottes μm mm mm mm mm mm -

0,2 0,6 2 6 20 63

mm mm mm mm mm mm

Zowel de indeling als de grenswaarde zijn echter geenszins eenduidig vastgelegd in de verschillende vakgebieden. Zo is zand in de betontechnologie materiaal met een maximale korrel van 4 mm en is de maximale korrel bij grind 31 mm, zie Hoofdstuk 6. Naast de indeling naar korrelgrootte kunnen we het materiaal ook indelen naar vorm. Zo onderscheiden we bijvoorbeeld: Rond (natuurlijk) materiaal; Gebroken materiaal (in de wegenbouw steenslag genoemd). De korrelvorm is belangrijk voor de eigenschappen. Dit blijkt wel uit eisen in de regelgeving van diverse toepassingen van grof korrelige materialen. In de Standaard RAW329.2) bepalingen voor bitumineus gebonden verhardinglagen bijvoorbeeld, worden eisen gesteld aan de hoeveelheid rond materiaal. Voor iedere fractie tussen opeenvolgende zeven mag dit ten hoogste 1% zijn. Een gebroken oppervlak geeft namelijk een betere hechting van het bitumen! De CUR 339.3) Aanbeveling "Betongranulaat als toeslagmateriaal voor beton", vraagt een bepaalde mate van cubiciteit (hoekigheid). Een verdere indeling is die naar soort gesteente. Zo kennen we in Nederland gebroken porfier, gebroken graniet en gebroken kalksteen. Behalve natuurlijke gesteenten vallen binnen de korrelgrenswaarden van grof korrelige materialen ook vele reststoffen, zoals betongranulaat, metselwerkgranulaat, fosforslak, staalslak, afvalverbrandingslak. Ook bestaat een indeling naar vindplaats, zoals rivierzand en -grind, groeve zanden grind, morene grind, etc. Steeds blijken daarbij, al naar gelang het toepassinggebied, andere benamingen voor te komen. Gebruik: Zand en grind worden voor velerlei toepassingen ingezet. Bijvoorbeeld zand voor ophogingen, de aardebaan in de wegenbouw, in beton en asfalt, in metselspecie, als fundering voor bestratingen, als grondstof voor kalkzandsteen, etc. Rond grind wordt voornamelijk gebruikt in beton en in mindere mate in asfalt. Gebroken gesteenten (steenslag) worden toegepast voor ongebonden funderingen in de wegenbouw (voornamelijk reststoffen), als steenslag in asfalt, als toeslagmateriaal in beton, als filtermateriaal onder andere bij oeverbescherming, etc. Combinaties van zand en grind worden wel toegepast via het natuurlijk voorkomend materiaal stol; dit wordt op beperkte schaal nog gewonnen in Limburg. Het wordt met name gebruikt als funderingmateriaal voor wegen, erfverharding, e.d. Eigenschappen: De eigenschappen van grofkorrelige materialen corresponderen wat betreft sterkte, E-modulus en andere mechanische eigenschappen met die van natuursteen waar ze van afstammen. Zo zal granietslag corresponderen met hetgeen in tabel 9.3.1 over graniet vermeld is. Bij de sedimentaire gesteenten, die loskorrelig in de natuur aanwezig zijn, zijn er echter verschillen. Door het verweringproces zijn soms bepaalde mineralen verdwenen en de meer resistente overgebleven. Anderzijds zijn de oppervlakken van de losse korrels blootgesteld aan verwering, zodat er soms een zwakke oppervlaktelaag aanwezig is. Toch behoren ons riviergrind en rivier9.2)32 RAW = Stichting Rationalisatie en Automatisering Grond-, Water- en Wegenbouw. 9.3)33 CUR = Civiel Technisch Centrum voor de Uitvoering van Research en Regelgeving 340

zand tot de sterkere en duurzamere materialen. Al naar gelang de toepassingen spelen steeds andere eigenschappen een rol, zoals: - Bij ongebonden funderingen in de wegenbouw: het haakvermogen; bij ruwe oppervlakken hebben de steenslag deeltjes een groter draagvermogen dan bij ronde. - De polijstweerstand in asfaltdeklagen. - In filterlagen: het drainerend vermogen. - Een ruwe onregelmatige korrelvorm van zand voor asfalt; hiervoor wordt wel zand afkomstig van het breken van grind gebruikt. Zand voor beton moet echter bij voorkeur zo rond of kubisch mogelijk zijn. Duurzaamheid: Grofkorrelige materialen zijn bekend vanwege hun duurzaam karakter. Door jarenlange ervaring staat duurzaamheid hiervan in gebruikelijke toepassingen vast. Wel kan vervuiling optreden bijvoorbeeld bij het ballastbed van de spoorwegen, of in filterbedden waardoor de eigenschappen ervan veranderen, en na verloop van tijd vervanging noodzakelijk kan zijn. Grofkorrelige materialen worden ook toegepast in samengestelde materialen, zoals asfalt. De duurzaamheid van het composiet kan heel anders zijn dan van de loskorrelige materialen. De vorst-dooibestandheid kan bijvoorbeeld van loskorrelig materiaal slecht zijn, maar het daar uit vervaardigd beton kan goed vorstbestand zijn.

341

9.5

Fijn korrelig materiaal

Indeling/samenstelling: Naar NEN 5104 "Classificatie van onverharde grond monsters" zouden we onder fijnkorrelig materiaal kunnen verstaan grond bestaande uit de drie fracties: - zand: deeltjes groter dan 63 μm en kleiner dan 2 mm; - silt: deeltjes groter dan 2 μm en kleiner dan 63 μm; - lutum: deeltjes kleiner dan 2 μm. Bij de indeling van de fijnkorrelige grondsoorten wordt daarbij gebruik gemaakt van het driehoeksdiagram weergegeven in figuur 9.5.1.

Figuur 9.5.1 Driehoeksdiagram voor grond met daarin aangegeven gebieden mariene klei en korrelverdeling van klei. Binnen dit driehoeksdiagram vallen dan grondsoorten als klei (onder klei wordt ook wel verstaan uitsluitend de kleimineralen zoals montmorilloniet, kaolien e.d.), leem en zand. Tussen deze "extremen" zijn er vele tussenvormen, zoals zandige klei, lemig zand, etc. Klei is een sterk samenhangende grondsoort (zeer fijnkorrelig), die bestaat uit een mengsel van lutum, silt en zand. Figuur 9.5.1 geeft een voorbeeld van een samenstelling in het driehoeksdiagram voor mariene klei. Voor het Limburgse löss is zo'n diagram gegeven in figuur 9.5.2. Löss bevat dus nauwelijks zand, maar bestaat hoofdzakelijk uit de siltfractie met een weinig lutum. Mariene klei heeft een hoger lutumaandeel en een hogere zandfractie. Bovendien blijkt uit het bijgaande korrelverdelingdiagram dat löss een zeer smalle korrelverdeling heeft, dat wil zeggen dat de deeltjes allemaal ongeveer eenzelfde grootte hebben; de mariene klei echter heeft een veel bredere korrelspreiding. Dit heeft consequenties voor de eigenschappen!

342

Figuur 9.5.2

Driehoeksdiagram voor grond met daarin aangegeven gebieden mariene löss en korrelgrootteverdeling van die löss.

Gebruik: Fijnkorrelig grond wordt voor vele civieltechnische doeleinde gebruikt. Voorbeelden zijn o.a. onze dijken, met name de oude dijken bestaan voor een belangrijk deel uit klei en geluidswallen, eveneens uit klei en leem. Bij de aanleg van diepwanden wordt bentoniet, een kleisoort, gebruikt als stabilisatiemiddel. Bentoniet-zand mengsels worden gebruikt om gebieden met verontreinigde grond en chemisch afval van de omgeving te isoleren. Opslagplaatsen voor huisvuil worden voorzien van een ondoorlaatbare kleilaag. Ophogingen van bouwterreinen bestaan meestal uit zand; ook lemig zand wordt gebruikt. Eigenschappen: Tussen de verschillende grondsoorten zijn grote verschillen. Dit heeft te maken met de korrelopbouw en de fysische/chemische eigenschappen van de korrel. De lutum fractie, en in mindere mate silt, bestaan voornamelijk uit plaatjes; zand daarentegen is veel meer kubisch of rond van aard. In civieltechnische toepassingen is veelal het draagvermogen van belang. Het draagvermogen van de meeste zanden is goed. Van klei is het in droge toestand goed, maar blijkt het draagvermogen vaak sterk vochtafhankelijk. De vochtgevoeligheid blijkt uit de zogenaamde plasticiteitgrenzen van Atterberg (een Zweedse bodemkundige). Er zijn twee grenzen: de plasticiteitgrens, ook uitrolgrens (Engels: plastic limit) genoemd en de vloeigrens (Engels: liquid limit). De plasticiteitgrens is de grens in vochtgehalte, waarbij de vaste stof overgaat in een plastische klei. We noemen dit de uitrolgrens omdat het de grens is waarbij we met de hand een hompje klei kunnen uitrollen tot een draad van ongeveer 3 mm doorsnede (waarbij we uitgaan van droge klei waar men steeds wat water aan toevoegt). Onder plasticiteit verstaan we de eigenschap van een materiaal om onder spanning (zonder breuk) te vervormen en daarbij de aangenomen vorm te behouden als de spanning wordt weggenomen; zie §:2.10.

343

Wanneer de klei natter wordt, bereiken we de vloeigrens. Daar gaat de plastische klei over in een vloeibare massa en verliest het zijn samenhang. De vloeigrens wordt bepaald door in een schaaltje een ongeveer 1 cm dikke laag natte klei te doen en hierin met een spatel een V-vormige groef te trekken. Vervolgens laat men het schaaltje over 1 cm op een harde onderlaag vallen (men gebruikt hiervoor het apparaat van Casagrande). Wanneer bij 25 slagen de groef is dichtgevloeid, dan komt het watergehalte overeen met de vloeigrens. Voor klei die onder praktijkcondities een goed draagvermogen heeft, hebben we dus een hoge plasticiteitsgrens (uitrolgrens) nodig, maar ook een zo groot mogelijk verschil tussen plasticiteitgrens en vloeigrens (de plasticiteitsindex PI = vloeigrens - uitrolgrens). Immers wanneer een klei bij geringe vochtverhoging plotseling van vast in vloeibaar zou omslaan, zijn calamiteiten niet denkbeeldig. De uitrolgrens en de vloeigrens worden beïnvloed door de aanwezigheid van geabsorbeerde positieve ionen waardoor er een grote spreiding te zien is bij de verschillende kleisoorten en zelfs in een kleisoort. In het algemeen is de spreiding in uitkomsten van de vloeigrens groter dan die van de uitrolgrens (tussen, maar ook binnen de kleisoort). Figuur 9.5.3 visualiseert de droge, de plastische en de vloeibare toestand.

a) droge toestand (vochtgehalte is kleiner dan de uitrolgrens b) plastische toestand (vochtgehalte ligt tussen de uitrolgrens en de vloeigrens in) c) vloeibare toestand (vochtgehalte is groter dan de vloeigrens).

Figuur 9.5.3

Kleideeltjes, vocht en positieve ionen (kationen). (Naar: Verver en Fraaij, blz. 216).

In de tabel 9.5.1 zijn enige eigenschappen weergegeven van de genoemde mariene klei en löss. Tabel 9.5.2 geeft een vergelijking met een paar andere kleisoorten en fijn kwartsmeel. Mariene klei heeft een aanzienlijk hogere plasticiteitsgrens en plasticiteitsindex dan löss. Als we naar het driehoeksdiagram kijken, is dat niet zo verwonderlijk; immers de löss is nogal éénkorrelig en bevat weinig lutum. Er is maar weinig water nodig om de löss plastisch te maken, en met een kleine verhoging van het vochtgehalte wordt het reeds vloeibaar. De mariene klei is veel regelmatiger van korrelopbouw. Het effect van de betere korrelopbouw blijkt duidelijk uit de cohesie: löss heeft nauwelijks samenhang, de mariene klei relatief veel. De mariene klei zal in de civiele techniek beter bruikbaar zijn dan de löss. Een en ander is geïllustreerd voor een dijkconstructie in tabel 9.5.4. Naast draagvermogen en de vochtafhankelijkheid daarvan, zijn voor grond belangrijke eigenschappen: de doorlaatbaarheid (permeabiliteit), de samendrukbaarheid bij belasting, en de zwelling.

344

Tabel 9.5.1

Eigenschappen mariene klei en löss.

Eigenschap

Eenheid

Mariene klei, gebied Leeuwarden/Sneek

Löss, gebied Zuid-Limburg

Herkenningseigenschappen: korrelverdeling : % < 2 μm % m/m 13 - 48 18 - 28 % 2 - 63 μm % m/m 49 - 61 51 - 73 % > 210 μm % m/m 1-2 0-8 watergehalte % m/m 31 - 119 19 - 24 kalkgehalte % m/m 9,0 - 21.2 5,4 - 7,6 humus % m/m 0,8 - 10,0 0,2 - 3,1 vloeigrens % m/m 53 - 110 22 - 31 uitrolgrens % m/m 16 - 43 15 - 22 plasticiteitsindex % m/m 31 - 86 4 - 16 Verdichtbaarheid: optimale Proctordichtheid 1) kg/m3 1340 - 1520 1,76 - 1,81 vochtgehalte hierbij % m/m 21,2 - 33,1 14,0 -16,2 Draagvermogen: CBR-waarde 2) 9,5 - 11,5 5,0 - 10,6 % E-modulus 13,1 18,0 3,6 MPa 3) Wrijvingeigenschappen (celproef): cohesie kPa 4 - 15 0-4 wrijvinghoek graden 15 - 24 25 - 35 Klink (samendrukkingproef): 0,5 - 0,7 belasting 20 kPa % L/L 2,2 - 4,8 Zwel: belasting 7 kPa % L/L >5 < 1, 5 belasting 20 kPa % Vol/Vol < 1, 5 Krimp: lengtekrimp % L/L 6,5 - 15,0 4,0 - 4,38 volumekrimp % Vol/Vol 18,6 - 31,5 10,7 - 11,2 Methyleenblauwproef:4) MB-waarde ml/g 5,9- 7,3 2,6 - 2,8 Vorstgedrag: vorstheffing mm 0,4 - 0,9 25,8 - 29,4 Doorlatendheid 5) Kv * 1010 m/s 1,1 - 13,6 4,4 - 8,7 1) Dit is een in de wegenbouw gebruikelijke gestandaardiseerde proef om de dichtheid van grondsoorten, die op een gestandaardiseerde wijze verdicht worden, te meten als functie van het vochtgehalte. Vervolgens definieert men de optimale proctordichtheid en vochtgehalte 2) CBR = Californian Bearing Ratio. Hierbij vergelijkt men op een gestandaardiseerde wijze de indringingweerstand van een stalen stempel in een grondsoort, relatief ten opzichte van een standaardmonster van gebroken steenslag. 3) Hierbij brengt men het materiaal in een rubberhoes en brengt men via vloeistofdruk een horizontale belasting aan. Verticaal kan men vervolgens de grondworst mechanisch belasten en vervolgens nagaan bij welke belastingcombinaties bezwijken optreedt. 4) Dit is een test waarbij men m.b.v. een indicatorvloeistof kan zien of er zwellende kleideeltjes aanwezig zijn. 5) = hydraulische permeabiliteit

Tabel 9.5.2

vloeigrens uitrolgrens plast. index fractie < 2 μm

Consistentiegebieden volgens Atterberg van enige kleisoorten. Maasklei

Rijnklei

69 29 40 53

37 23 14 36

Jonge zeeklei 32 22 10 24

345

Kaoliniet

Bentoniet

Kwartsmeel

48 33 15 73

88 49 39 80

14 13 1 0

Tabel 9.5.4

Civieltechnische toepassingmogelijkheden van mariene klei en löss in een dijkconstructie.

Toepassing Afdekking: beschermende laag voor erosiebescherming, tegengaan uitloging, begroeiing, enz. Fundering: primaire belastingspreidende laag als onderdeel van de verhardingconstructie c.q. weg Belastingspreidende laag: onderdeel van de ophoging en verhardingconstructie, in de "Standaard" zand genoemd. Ligt onder de wegfundering. Constructieve aanvulling: aanvullen van ontgravingen, demping van sloten e.d. met in de toekomst een belangrijke bovenbelasting. Ligt onder de constructieve ophoging. Constructieve ophoging: ophoging ten behoeve van wegen (excl. zandbed), bouwen industrieterreinen met een belangrijke bovenbelasting. Ligt onder de belastingspreidende laag.

Mariene klei geschikt

Löss niet geschikt

niet van toepassing,

niet van toepassing,

niet van toepassing

niet van toepassing

nader onderzoek gewenst

geschikt onder voorwaarden

nader onderzoek gewenst

geschikt onder voorwaarden

Waterdoorlatenheid: De waterdoorlatendheid van zand is groot, die van klei zeer klein. Water zakt in zand uit, maar klei kan door zwaartekracht niet worden ontwaterd. Het is een gevolg van de verschillende eigenschappen van zand en klei. In tabel 9.5.5 is de hydraulische permeabiliteit van verschillende materialen weergegeven; zie ook §:2.11.3. Klei met een zeer hoge lutumfractie blijkt even dicht te kunnen zijn als marmer en beton. Tabel 9.5.5

Hydraulische permeabiliteit k en capillaire wateropzuiging voor enkele materialen (in m/s).

Materiaal

Hydraulische permeabiliteit

grof grind fijn grind grof zand fijn zand zand + 30 % sloef kaolien beton Na-montmorilliniet cementsteen (w/c 0,4) dicht marmer colloïdale klei (< 0,1 μm)

10 10-1 10-2 10-4 10-6 10-8 -10 10 (sterk afhankelijk van samenstelling) 10-10 10-14 10-14 10-14

346

Capillaire opzuiging boven de vrije grondwaterspiegel (mm) nauwelijks gering 120 - 150 800 - 1100 1100 - 1500 kleisoorten: > 2000 afhankelijk van wcf

Samendrukking: De samendrukking van los zand komst snel tot stand. Is het éénmaal verdicht dan is de samendrukbaarheid gering. De samendrukbaarheid van klei kan groot zijn, maar de samendrukking komt langzaam tot stand. Het water moet uit de klei geperst worden. Wordt grond belast dan wordt de belasting in het algemeen opgenomen door de aanrakingpunten en -vlakken van korrels. Op deze plaatsen zijn de spanningen dus veel groter dan de gemiddelde. Hierdoor kan een verdichting van het korrelskelet optreden, en wordt de luchtporieruimte kleiner. Er is dan een vervorming opgetreden die in hoofdzaak plastisch is. Is er geen lucht aanwezig, omdat de grond met water verzadigd is, dan kan de porieruimte zelfs bij een verschuiving van de korrels niet verkleind worden en kan het totale volume in eerste instantie niet afnemen. Pas wanneer dit water kan ontwijken, wordt het korrelskelet belast. In zeer dichte kleigrond zal dit langzaam gaan. Zijn de poriën gedeeltelijk met lucht gevuld, zoals dit boven de gemiddelde grondwaterstand het geval is, dan zal er bij druk een verdichting kunnen optreden. Hiervan is een verkleining van de hoeveelheid luchtporiën het gevolg, en kan ook het water hierdoor onder druk komen te staan. In dat geval zal zowel het skelet als het water de druk opnemen. Indien het water wordt belast in plaats van het korrelskelet, treedt plastische vervorming op: een ongewenste situatie. Pas wanneer het water "weggeperst" is, zal het skelet worden belast. De zogenaamde waterspanning is dan ook een belangrijke parameter voor de geotechniek. Zwelling: Bij opname van water zwelt grond. Hoe fijner de deeltjes hoe groter de zwelling. Klei zwelt veel meer dan zand. De oorzaak van de zwelling is bepalend voor het verloop van de oppervlaktespanning door water c.q. de capillaire kracht, zoals besproken in §:2.9. Een sterk zwellend kleimineraal is een kleimineraal dat een dus groot specifiek oppervlak bezit. In beton kan dit tot zwelling aanleiding geven als zo’n klei aanwezig is in het toeslagmateriaal. De beproevingmethode om na te gaan of er sprake is van zwellende kleideeltjes in toeslagmateriaal voor beton is gebaseerd op de goede correlatie tussen de adsorptie van methyleenblauw door de kleimineralen en het specifieke oppervlak van deze mineralen (NEN 59411). Naarmate meer kleimineralen aanwezig zijn, zal meer methyleenblauw worden geadsorbeerd, hetgeen zichtbaar wordt wanneer een druppel suspensie bestaande uit water en kleimineralen op een papieren filter wordt aangebracht. Als geen kleimineralen aanwezig zijn, zal een helblauwe plek van uitgevloeid methyleenblauw ontstaan, zie figuur 9.5.4a. Zijn er wel wat kleimineralen aanwezig, dan zal zich in de kern van deze plek een donkerblauw residu vormen van kleimineralen-methyleenblauw adsorptiecomplexen, figuur 9.5.4b. Daaromheen blijft een krans van methyleenblauw over . Naarmate meer kleimineralen aanwezig zijn, neemt de intensiteit (grootte en kleur) van de krans af. Als zoveel kleimineralen aanwezig zijn, dat deze de methyleenblauw-oplossing totaal hebben geadsorbeerd, zal om het residu geen krans van methyleenblauw meer worden aangetroffen (zie figuur 9.5.4c).

347

a) Geen zwellende kleimineralen aanwezig

b) matige hoeveelheid zwellende klei aanwezig

c) Veel zwellende kleimineralen aanwezig

Figuur 9.5.4

Methyleenblauwtest op aanwezigheid van zwellende kleimineralen.

Duurzaamheid: We hebben al gezien, dat bij de fijn korrelige materialen klei gevoelig is voor het vochtgehalte. Bij toenemend vochtgehalte verliest klei zijn draagvermogen en wordt het plastisch. Bij het weer drogen kunnen vervolgens krimpscheuren optreden. De eigenschappen van klei kunnen ook beïnvloed worden door zoutconcentraties, als gevolg van interactie van de zouten met de kleiplaatjes (ion-uitwisseling). In het algemeen is dit toch van minder belang. Bij het ontwerp van een civiele constructie met fijnkorrelig materiaal moet met de vochtafhankelijkheid van de eigenschappen rekening worden gehouden. Daartoe moet de vochtbelasting vast staan. Bij een aanleggen van een zandbed, dient dit zo droog mogelijk te zijn om opvriezen en daarmee uitzetting te voorkomen. Een goede ontwatering is hier dus noodzakelijk.

348

9.6

Hergebruik (Recycling)

Natuursteen, platen en blokken, kunnen na gebruik soms opnieuw als zodanig worden ingezet; "kinderkopjes" bijvoorbeeld is een geliefd product voor sierbestrating. Bij platen is dit niet altijd mogelijk. Verwerking tot een granulaat is echter wel goed mogelijk. Grofkorrelige materialen die als zodanig, dat wil zeggen ongebonden, worden toegepast, kunnen goed worden hergebruikt. Wel treedt tijdens het gebruik vervuiling op, waardoor de prestaties in de tijd teruglopen. Door schoonmaken kan dit hersteld worden. Een bekend voorbeeld is het hergebruik van het ballastbed door de Nederlandse Spoorwegen. Dit wordt na schoonmaken opnieuw ingezet. Bij fijnkorrelige materialen is hergebruik vanzelfsprekend. Het betreft hier veelal de oorspronkelijke bodemmaterialen. De invoering van het Bouwstoffenbesluit, een besluit in het kader van de Wet op de Bodembescherming, heeft een positief effect gehad op de herbruikbaarheid van bodemmaterialen. Vervuiling en vermenging werd verminderend, wat de herbruikbaarheid van schone secundaire grondstoffen heeft bevorderd.

349

350

DEEL IV STEENACHTIGE MATERIALEN: Beton, Metselwerk, Glas en Bodemmaterialen

Recommend Documents