Deelonderzoek. Kwaliteitseisen Metselmortels in Kalk

Totaalonderzoeksproject

Aanpak Vochtproblematiek M a s s i e f Metselwerk

Deelonderzoek

Kwaliteitseisen Metselmortels in Kalk

dr ir C. Groot

/ J. Gunneweg

Delft, maart 2007


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk

TU Delft

Faculteit Civiele Techniek & Geowetenschappen

2



Deelonderzoek

Kwaliteitseisen metselmortels in kalk

Inhoudsopgave Rapportage 0.

Samenvatting

1.

Inleiding

2.

Literatuur- en praktijkonderzoek 2.1 Mortels, algemeen 2.1.1 Historische morteltypen; luchthardend – hydraulisch 2.1.2 Functie 2.1.3 Restauratie en compatibiliteit 2.2 Oorzaken van vochtdoorslag in metselwerk 2.2.1 Inleiding 2.2.2 Holten in metselwerk door onvakkundige uitvoering 2.2.3 Holtevorming door uitloging 2.2.4 Aantasting mortel door vorstschade 2.2.5 Schade door zouten 2.3 Eigenschappen 2.3.1 Welke eigenschappen zijn belangrijk? 2.3.2 Invloed samenstelling mortel op eigenschappen 2.3.3 Invloed uitvoering op eigenschappen

3.

Laboratoriumonderzoek 3.1 Verwerkbaarheid als een keuzecriterium 3.1.1 Verwerkbaarheidsproeven 3.1.1.1 Keuze mortelrecepturen 3.1.1.2 Uitvoering proeven 3.1.1.3 Resultaten en bespreking e 3.1.1.4 Selectie 3 + 1 recepturen voor 1 serie laboratoriumproeven (TNO) 3.2 Eigenschappen geselecteerde metselmortels (TNO) 3.2.1 Drukproeven 3.2.2 Vervormingsgedrag 3.2.3 Vrijwillige wateropneming 3.2.4 Hygrische zwelling-krimp 3.2.5 Waterabsorptie- en drooggedrag van metselwerk

TU Delft


3



3.3 Beregeningsproeven (TNO) 3.3.1 Ervaringen metselen proefmuren 3.3.1.1 Vol en zat metselen 3.3.1.2 Vóórbevochtigen van de stenen 3.3.1.3 Kwaliteitsaspekten 3.3.2 Vochtdoorslag en lekkage proeven (TNO) 3.3.2.1 Opzet proef 3.3.2.2 Resultaten beregeningsproeven aan matig en sterk zuigende proefmuren 3.3.2.3 Bespreking resultaten 3.3.2.4 Conclusies

4.

Marktverkenning 4.1 Bouwkalken in de wereldkalkproductie 4.2 Kalk- en kalkgerelateerde bindmiddelen: productie en producten 4.3 Overzicht prefab metselmortels

5.

Conclusies

6.

Bouwstenen voor de formulering van een richtlijn

7.

Literatuur

Bijlagen 1. Database mortelrecepturen 2. Database producenten / importeurs metselkalken 3. Database producenten / importeurs prefabmortels

Ter inzage Normbladen Rapportage verwerkbaarheidsproeven TNO-rapportage (ter inzage)

TU Delft


4



0.

Samenvatting

In dit rapport wordt verslag gedaan van  

onderzoek naar het definiëren van kwaliteitseisen van metselmortels in kalk toe te passen in opgaand zwaar regenbelast massief metselwerk een marktverkenning betreffende kalken kalkgerelateerde bindmiddelen en prefab metselmortels in kalk

Het onderzoek startte met een literatuur- en praktijkonderzoek naar eigenschappen en gedrag van historische kalkmortels. Tegelijkertijd vond de marktverkenning plaats om een beeld te krijgen van de op de markt zijnde bindmiddelen en mortels en kennis te verzamelen over hun eigenschappen. Vervolgens werd een onderzoekprogramma opgesteld met als doel het gedrag van metselmortels in metselwerk nader te analyseren. De belangrijkste experimentele onderzoekingen waren erop gericht meer inzicht te verkrijgen in  de mechanische en hygrische eigenschappen van mortels in kalk geschikt voor zwaar regenbelast massief metselwerk  het vochtopname- en drooggedrag van metselwerk met verschillende steen-mortel combinaties  vochtdoorslag en lekgedrag van metselwerk De belangrijkste resultaten van het onderzoek zijn hieronder weergegeven.

Morteleigenschappen Aan een 4-tal mortels werden mechanische eigenschappen (druksterkte, elasticiteitsmodulus) en hygrische eigenschappen (vrijwillige wateropneming (poriënvolume), hygrische krimp en waterabsorptie- en drooggedrag) bepaald. De belangrijkste proef hierbij was de bepaling van absorptie- en drooggedrag van metselwerk bestaand uit combinaties van de 4 mortels met twee steentypen. In aanmerking nemend niet alleen absorptie-drooggedrag, maar ook vervormingscapaciteit en porositeit dan presteerde de in de proevenserie opgenomen natuurlijke licht-hydraulische kalkmortel het beste. Verondersteld mag worden dat andere licht-hydraulische mortels een vergelijkbaar gedrag zullen vertonen: dit moet nader geverifieerd worden.

Vochtdoorslag en lekkage Er werden beregeningsproeven uitgevoerd aan twee proefmuren met twee typen stenen, een matig-zuigende en een sterk-zuigende steen. De mortel toegepast in de beide muren was een natuurlijke licht-hydraulische kalkmortel. Geconcludeerd kan worden dat de combinatie matig-zuigende stenen licht-hydraulische kalkmortel duidelijk beter presteert, wat betreft vochtdoorlatendheid, dan de combinatie sterk-zuigende steen licht-hydraulische kalkmortel. Deze conclusie bevestigt de aanbeveling uit het deelonderzoek Kwaliteitseisen Restauratiesteen om in zwaar vochtbelast opgaand massief metselwerk een matig zuigende steen type hardgrauw (R4) of gevelklinker (R3) toe te passen.

TU Delft


5



Mortelreceptuur Resumerend kan worden aanbevolen ten aanzien van de metselmortelreceptuur voor de restauratie van in kalkmortel gemetseld zwaar regenbelast metselwerk:  mortels op basis van (i) licht-hydraulische kalk, natuurlijk (NHL 2) dan wel (ii) een licht hydraulische basterdmortel op basis van een puzzolaan (bijv. tras) en zuivere luchtkalk  de Hydrauliciteits Index (H.I.) van de mortels: 0,3-0,5  verschraling tussen 1:3 en 1:2, afhankelijk van de resultaten van de praktijkproef verwerkbaarheid (zie Bouwstenen richtlijn)  zandgradering volgens metselnorm (NEN 3835) met een grootste korreldiameter 1/3 van de mortelvoegdikte

Uitloging van kalkmortels In het bijzonder uit praktijkonderzoekingen is naar voren gekomen, dat bij kalkmortels uitloging van kalkbestanddelen uit de metselmortel een belangrijke oorzaak kan zijn van het ontstaan van porositeit / holten. De oplosbaarheid van calcium hydroxide speelt hierbij een belangrijke rol. Voor de uitloging is vochtindringing in het metselwerk een voorwaarde. Vochtindringing is mogelijk door een combinatie van regen en storm. Uitloging vindt plaats daar waar door slecht metselwerk reeds holten aanwezig zijn of in poreuze mortel-steen hechtvlakken. Opgeloste kalk verplaatst zich in de richting van de drogende zijde van de muur. Onder invloed van vorstschade en sommige zouten kan dit proces versneld worden.

Verwerkbaarheid Een goede verwerkbaarheid is van wezenlijk belang om kwalitatief goed metselwerk te vervaardigen; dit betekent voor kalkmortels in historisch metselwerk: vol-en-zat werken en de mogelijkheid van doorstrijken. Een goede verwerkbaarheid blijkt vanuit de samenstelling van de mortel moeilijk te voorspellen te zijn. Vele factoren spelen hierbij een rol: de opbouw en hoekigheid van het zand, het type en de hoeveelheid van het bindmiddel, de waterabsorptie van de steen etc. Geconcludeerd kan worden dat een eenvoudige metselproef, zoals beschreven in de ‘Bouwstenen voor de Richtlijn’, waarbij zoveel mogelijk de werkelijkheid wordt nagestreefd door zowel steen als mortel bij het experiment te betrekken, veel kan leren over een gewenste verwerkbaarheid. Dit is moeilijker te realiseren met de gebruikelijke plasticiteitsproeven zoals spreidmaat, naald van Vicat etc, omdat daarbij alleen de mortel beproefd wordt.

Marktonderzoek Het doel van het marktonderzoek was een overzicht te krijgen van de in de handel voorhanden zijnde kalken kalkgerelateerde bindmiddelen en prefab metselmortels en kennis te verzamelen over hun eigenschappen. In het bijzonder is aandacht besteed aan de relatie tussen naamgeving van producten en de hydrauliciteit, omdat uit de praktijk blijkt dat de naamgeving aanleiding tot misverstanden kan zijn. Er is een Database producenten / importeurs metselkalken en een Database producenten / importeurs prefabmortels samengesteld (zie bijlagen2 en 3).

TU Delft


6



1.

Inleiding

Probleemstelling e

Bij de 1 fase van het onderzoeksproject is vast komen te staan dat gedurende de laatste decennia het gebruik van klassieke kalken kalktrasmortels als metselmortel en als mortel voor voegwerkherstel, bij de restauratie van massief metselwerk verdrongen is door de toepassing van cementgebonden mortels. Uit het praktijkonderzoek is gebleken dat daaraan grote nadelen kleven mbt een gezonde vochthuishouding van het historieche (kalk)metselwerk en daarmee ten aanzien van de duurzaamheid van het werk. De klassieke kalkmortels hadden die bezwaren niet. Sterker, tijdens het toen uitgevoerde praktijkonderzoek zijn voorbeelden gevonden van in kalkmortel met doorgestreken voegen gemetselde bouwwerken die na bijna drie eeuwen nog gaaf waren. Er is sprake van een hernieuwde belangstelling voor de klassieke kalkmortels en de daarbij geëigende wijze van voegen dmv ‘doorstrijken’. In de restauratiesector natuurlijk, maar ook in de nieuwbouw. Bij de RDMZ werd een ‘Kalk- werkgroep’ opgericht en werd op 10 september 2003 een ‘Kalk’ congres georganiseerd. Uit de nieuwbouw zijn recente gevallen van de toepassing van kalkmortels bekend. Deze beweging is echter aarzelend. De meerderheid van de aannemers en architecten geloven er niet in. Er zijn nog veel onzekerheden over kalkmortels, omdat veel kennis in de afgelopen halve eeuw verloren is gegaan (hierbij moet wel in acht worden genomen dat de nu beschikbare kalken duidelijk verschillend van samenstelling en fijnheid zijn dan die van enige eeuwen geleden; dit heeft grote invloed op het gedrag: in het bijzonder de verwerkbaarheid en de mogelijke kalk-aggregaat verhouding). Zo zijn er onzekerheden over snelheid van werken met kalk, voorkeur voor type kalk (steenkalk of schelpkalk), samenstelling (in het bijzonder betreffende zandgradering), verwerkbaarheid, het al dan niet toepassen van toeslagen (zoals luchtbelvormers en andere chemische toeslagen), hoe prefab producten die op de markt zijn te beoordelen, het ontbreken van uitvoeringsvoorschriften.

Opdracht Het ontwikkelen van een tweetal aan te bevelen metselmortels voor inboetwerk en (deels) nieuw opgaand werk in stenen met eigenschappen van een klassieke ‘hardgrauw’ kwaliteit (zie rapport Kwaliteitseisen Restauratiebaksteen) uitgevoerd met doorgestreken voegen. De klassieke schelpkalkmortel 1 volume dl schelpkalk op 2 à 3 volume delen zand, geheel zonder chemische of minerale bijmengingen, is hierbij het ene uiterste in het ‘model’, een gangbare cementmortel met gebruikelijke toeslagstoffen en bijmengingen, zoals in de nieuwbouw gebruikt, het andere. De metselmortels moeten toepasbaar zijn in bestaand werk, gemetseld in een klassieke (schelp)kalkmortel (evt. een slappe schelpkalktrasmortel). Daarbij dient een onderscheid gemaakt te worden tussen al dan niet zout-belast metselwerk, waarbij het aspect zoutbelasting voor metselmortels minder sterk een rol speelt dan voor voegreparatiemortels.

TU Delft


7



De verkrijgbaarheid van (niet-Nederlandse) schelpkalk, en de verkrijgbaarheid en verwerkbaarheid van eventueel als alternatief in aanmerking komende, andere op de markt zijnde soorten metselkalk (luchtkalk) en de effecten van het al dan niet in de rot leggen dienen tevens te worden onderzocht. Er worden eisen voor de mortelstoffen gedefinieerd en in samenwerking met uitvoerende vakmensen worden de uitvoeringsvoorschriften geformuleerd. Ook worden de vier meest gebruikte op de markt zijnde kant en klaar voorgemengde restauratie (metsel-) mortels in het laboratorium onderzocht op chemische samenstelling (met name de aanwezigheid van cement als bindmiddel) en van daar uit op hun mogelijke geschiktheid, vergeleken met de specificaties van de aanbevolen standaard – recepturen. Bij dit onderzoek wordt nauw samengewerkt met TNO Bouw.

Context De mortel wordt niet als een op zich functionerend materiaal beschouwd, maar als een onderdeel van het composietmateriaal metselwerk. Met andere woorden met nadruk zal worden onderzocht hoe de combinatie steen-mortel zich gedraagt in het bijzonder ten aanzien van vochtdoorlatendheid.

2.

Literatuur- en praktijkonderzoek

2.1

Mortels, algemeen

2.1.1

Historische morteltypen

luchthardend – hydraulisch Uit bouwkundige handboeken, oude bouwbestekken en mortelanalysen van historische gebouwen is een reeks mortelrecepturen verzameld die zijn gerangschikt in de database in bijlage 1. Er is gedurende een paar eeuwen een zekere uniformiteit in de typologie, die net als de baksteenkwaliteit samenhing met zone in het bouwwerk. Een en ander zoals is weergegeven in de onderstaande tabel. De bindmiddelen waren veelal luchtkalken (steenkalk, schelpkalk) al dan niet met toevoeging van een kleiner of groter deel tras, waardoor de mortel minder of sterker hydraulisch werd; in mindere mate werden hydraulische kalk (zoals Doornikse kalk) toegepast. De verhouding bindmiddel/zand is in de loop van de eeuwen sterk gewijzigd. De steeds verfijndere productietechnologie leverde fijnere en meer volledig gebrande kalk, en fijner gemalen en gezeefde tras op, die veel reactiever waren. Een verdere verschraling was nodig, ook ter wille van de e verwerkbaarheid. Vergelijk bijvoorbeeld in de database mortelrecepturen de 18 eeuwse e kalkmortel A.18.3 met de 20 eeuwse A.20.3 waar de bindmiddel / zand verhouding 2,75 resp. 0,4 bedraagt.

TU Delft


8



Tabel 2.1 Toepassingsgebied, baksteenkwaliteit, morteltype Toepassingsgebied

1. Fundering Boven-steen; boerengraauwe moppen; Boerengrauw 2. Waterdicht werk onder grondwaterniveau (kelder; wielbak; krimp) digte klinkert; plavey; uytgeforteerde digte klinkert fteen; vlakke klinkert; Vechtse regenbak klinkermoppen 3. Trasraam Plavey; regte klinkert mop Steenen; Dordreghtsen plavey stenen; IJssel onder steen 4. Opgaand werk zwaar regenbelast (o.a. molens) (een geval:) Eerste soort mondsteen; (meestal) IJssel ondersteen; hardgrauw 5. Opgaand werk niet zwaar regenbelast Beste graauwe moppen; boerengrauwen moppen; boerengrauw 6. Binnenmuren Boven-steen; boerengraauwe moppen; Boerengrauw; Keurrode moppen

Huidige benaming Morteltype baksteenkwaliteit *) Boerengrauw Kalk(-mortel)

Kelderklinker

Sterke tras

Trasraamklinker

Basterttras

Gevelklinker Hardgrauw

Slappe basterttras of kalk(-mortel)

Boerengrauw

Slappe basterttras of kalk(-mortel)

Boerengrauw

Kalk(-mortel)

Rood

Kalk(-mortel)

Het natuurlijk puzzolaan tras, gemalen tufsteen, werd in ons land in de klassieke bouwkunde zo veelvuldig toegepast dat in de historie elke kalkmortel die met meer of minder tras hydraulisch was gemaakt, ‘trasmortel’, of kortweg ‘tras’ werd genoemd. Zoals in tabel 2.1 vermeld, ‘slappe basterd tras, sterke basterd tras, sterke tras’. Dit duidt er op dat de tras – ten onrechte- werd gezien als een zelfstandig bindmiddel en niet als een mineralogische stof die slechts in combinatie met water en kalk, tot een reactie kwam.

TU Delft


9



Er zijn ook andere puzzolanen dan tras, maar gezien hun relatief bescheiden toepassing blijven die buiten beschouwing. De zone of toepassingsgebied waar het in deze studie om gaat is zone 4: opgaand werk zwaar regenbelast. Zoals ook uit het recepturenoverzicht in de bijlage blijkt, werden daar zowel pure luchthardende kalkmortels als slappe basterdtras mortels voor toegepast. Hydrauliciteits Index De aanwezigheid in een bepaalde verhouding, van siliciumdioxyde (silica) op de calciumoxyde (gebrande kalk) levert met het aanmaakwater een hydraulische reactie op. Hoe meer tras, hoe sterker hydraulisch de reactie. De hydrauliciteits index geeft een indicatie voor te verwachten eigenschappen. Hoge H.I. gaat veelal samen met: hoge sterkte, lage vervormingscapaciteit, lage porositeit. In de morteltechnologie is de Hydrauliciteits Index (H.I.) volgens Boynton (1966), een parameter voor de hydrauliciteit van een mortel. 2,8*% SiO2 + 1,1 % * % Al2O3 + 0,7 * % Fe2O3 H.I. = % CaO + 1,4 * % MgO Er kunnen 5 hydrauliciteitsklassen worden onderscheiden A - niet hydraulisch

H.I. < 0.15

B – zwak hydraulisch

0,15 < H.I. < 0,3

C – licht hydraulisch

0,3 < H.I.

< 0,5

D - gematigd hydraulisch

0,5 < H.I.

< 0,7

E - sterk hydraulisch

0,7 < H.I.

< 1,1

( nb: > 1,1 volledig hydraulische reactie)

Globaal verloopt de hydrauliciteit van de klassieke morteltypen van -A- niet hydraulisch, voor de kalk(-mortel), tot -E- sterk hydraulisch voor de sterke basterd tras en volledig hydraulisch, voor de sterke tras.

Afgezien van de eigenschappen van de mortels na uitharding is de mate van hydrauliciteit van invloed op de gevoeligheid voor uitloging en op de noodzaak van de aanwezigheid van voldoende vocht in de zgn groene fase. Gematigd tot sterk hydraulische mortels verharden ook onder water.

TU Delft


10



2.1.2 Functie Mortels worden voor verschillende doeleinden gebruikt. Onderscheiden kunnen worden metselmortel, voegmortel, pleisters (buiten- en binnengebruik) en grouts voor injectie. De eisen te stellen aan mortels blijken in hoge mate bepaald te worden door de functies, die de mortel in het metselwerk vervult. Functionele eisen van metselwerk kunnen afgeleid worden van  de rol of de functie van een mortel in een gemetselde bouwelement  De rol van het gemetselde bouwelement in het gebouw Als belangrijkste functionele eisen komen dan naar voren  Mechanische eisen, zoals sterkte en stijfheid (vervorming)  Voorkoming van waterpenetratie door het metselwerk  Weerstand tegen degradatie als gevolg van verschillende omgevingsinvloeden en processen  Esthetische eisen  Duurzaamheid Vergelijkt men de verschillende typen mortels in de context van de verschillende functionele eisen dan wordt duidelijk dat deze eisen per toepassing verschillend zullen liggen. Als voorbeeld kan genomen worden de vergelijking tussen een buitenpleister en een binnenpleister. Zullen aan de buitenpleister hoge eisen gesteld worden aan de weerstand tegen vochtpenetratie, dit is nauwelijks het geval voor de binnenpleister; anderszijds dienen soms aan een binnenpleister hogere eisen aan de oppervlaktesterkte worden gesteld. In eenzelfde morteltype kunnen ook grote verschillen in eisen voorkomen als gevolg van bijv. grote verschillen in omgevingscondities: vgl. zware mariene condities met lichte landcondities; of het al dan niet vóórkomen van zouten. 2.1.3 Restauratie en compatibiliteit In de afgelopen decennia is men tijdens internationale discussies over de restauratie van historische gebouwen tot de conclusie gekomen dat bij interventies voldaan moet worden aan eisen van “compatibility” en “retreataility/repairability”. Hiermee wordt bedoeld, wat betreft “compatibility”, dat ingebrachte reparatiematerialen geen schadelijke gevolgen mogen hebben voor het reeds aanwezige materiaal en wat betreft “retreataility/repairability” dat de conserveringsmaatregel / het reparatie materiaal, nu toegepast, behandeling in de toekomst niet in de weg mag staan. Dit houdt in dat als er een restauratie van een historische gebouw plaatsvindt één van de belangrijkste technische concepten waarop het ontwerp van een reparatiemortel moet zijn gebaseerd, is de compatibiliteit tussen de nieuwe reparatiemortel en het oude reeds aanwezige materiaal. Oud en nieuw moeten elkaar verdragen; in praktisch opzicht komt het er vaak op neer dat het technische materiaalkundige gedrag van het nieuwe materiaal in de buurt van het oude moet liggen; dus geen grote verschillen in mechanische sterkte, vochtdoorlatendheid, uitzetting/krimp van oud en nieuw. Ten aanzien van “retreatability/repairability” wil dit bijvoorbeeld zeggen dat er geen sterke hechting tussen het nieuwe aan het oude materiaal mag zijn, omdat dat bij toekomstige verwijdering (bij de volgende restauratie) zou leiden tot grote schade van de oude ondergrond (het originele materiaal).

TU Delft


11



2.2

Oorzaken van vochtdoorslag in metselwerk

2.2.1 Inleiding De bestudering van schaden geeft inzicht in de eisen aan mortels in metselwerk te stellen. In algemene zin zijn er een aantal factoren te noemen, die het degradatieproces van mortels bepalen (van Hees, 2005):  Omgevingsfactoren  Materiaaleigenschappen  Ontwerp  Vakmanschap in de uitvoering en uitvoeringsprocedures  Onderhoud Vaak gaat het uiteraard om een combinatie van factoren, die tot schade leidt. De processen die bij ontstaan van schade een rol spelen zijn: Vries-dooi cycli, zoutkristallisatie cycli, expansieve chemische reacties, oplossing van mortelbestanddelen, wind- en watererosie, hygroscopische vochtabsorptie van zouten, biologische aantasting, zwellen-krimpen door vocht en temperatuurverschillen. In het rapport Kwaliteitseisen Restauratiebaksteen is al naar voren gebracht, dat de componenten van metselwerk, steen en mortel, poreuze materialen zijn. Met andere woorden materialen die door absorptie vocht kunnen opnemen. Er zijn geen problemen van vochtdoorslag te verwachten als de muur gedurende regenperioden voldoende langzaam vocht absorbeert en daarbij voldoende opnamecapaciteit heeft (niet verzadigd raakt), en gedurende droge perioden voldoende vocht weer afstaat door droging. Snelheid van vochtopname en droging zijn dus de belangrijke elementen waarop de aandacht gericht moet zijn. Uit het onderzoek naar de eisen te stellen aan geschikte stenen voor waterdicht opgaand massief metselwerk werd geconcludeerd, dat het vochttransport snel verloopt als de vernetting (het met elkaar verbonden zijn) van de poriën groot is. Denken we aan de combinatie steen en mortel dan houdt dat in dat een goed contact tussen mortel en steen van groot belang is en dat doorgaande scheurtjes zoveel mogelijk voorkomen moeten worden.

2.2.2 Holten in metselwerk door onvakkundige uitvoering Holten in metselwerk leveren een belangrijke bijdrage aan vochtdoorslag. In velerlei vormen kunnen holten voorkomen in metselwerk, van grof tot fijn. De oorzaken voor de aanwezigheid of het ontstaan van holten kunnen zeer verschillend zijn. Een heel belangrijke oorzaak voor het ontstaan van holten in massief metselwerk is een onvakkundige uitvoering. Bewust of onbewust niet vol-enzat werken leidt vanaf het oprichting van een gebouw tot holten in het metselwerk. Een voorbeeld van het ontstaan van holten is gegeven in figuur 2.1. De metselaar heeft opdracht gekregen snel te werken door niet, zoals het hoort, per steen vol en zat te metselen, maar de metselmortel in stroken aan te brengen. Het resultaat spreekt voor zich.

TU Delft


12



Figuur 2.1 Het ontstaan van holten in metselwerk door onvakkundige uitvoering: het aanbrengen van de metselmortel in stroken leidt tot holten in het metselwerk (voor een voorbeeld van hoe het wél moet zie figuur 3.8 van dit rapport)

Is het metselwerk met een luchtkalkmortel uitgevoerd, dan bestaat er een gerede kans dat, als gevolg van de aanwezigheid van water in de holten, de mortel gaat uitlogen (dit is in het bijzonder het geval als de calciumhydroxide, Ca(OH)2 nog niet gecarbonateerd is tot het weinig oplosbare calciumcarbonaat, CaCO3. Het gevolg hiervan is dat de mortel zijn bindmiddel kwijtraakt en daardoor zijn samenhang (dit probleem zal zich in veel mindere mater voordien bij hydraulische bindmiddelen).

2.2.3 Holtevorming door uitloging Bij recent onderzoek naar de toepassing van injectie ter verhoging van de waterdichtheid van metselwerk is naar voren gekomen dat vooral bij kalkmortels uitloging van kalkbestanddelen uit de metselmortel een belangrijke oorzaak kan zijn van het ontstaan van porositeit / holten. De mate van porositeit en de grootte van de holten kan nogal uiteen lopen. voorbeeld wordt getoond in figuur 2.2.

TU Delft


Een sprekend

13



Figuur 2.2 Uitloging van kalk uit een metselmortel.

De oorzaak voor deze vorm van uitloging moet waarschijnlijk gezocht worden in de beginfase van de metselmortel, wanneer de calcium hydroxide, Ca(OH) 2 nog niet is omgezet is in calcium carbonaat, CaCO3 . Calcium hydroxide is goed oplosbaar en calcium carbonaat niet. Bij regen in combinatie met storm dringt het water via bijvoorbeeld poreuze hechtvlakken diep het metselwerk in en gaat bij kalkmortels de hydroxide in oplossing; vervolgens verplaatst de kalk in oplossing zich in de richting van de drogende zijde van de muur. Dit proces kan nog versneld worden door vorstschade aan niet-gecarbonateerde kalk; versnelling kan ook het gevolg zijn van de aanwezigheid van zouten, in het bijzonder NaCl. Dit zout kan namelijk met calcium hydroxide het sterk oplosbare CaCl2 vormen. In figuur 2.3 is een situatie van geringe uitloging in een scheur weergegeven. Wel is duidelijk dat de scheur helemaal door het metselwerk heenloopt, zodat een doorlopend transport van regenwater, onder winddruk mogelijk wordt. Naast het uitspoelen van calcium hydroxide in de jonge mortel bestaat het gevaar van uitloging van gecarbonateerde kalk, wat scheikundig bezien een ander proces is. Het is op te vatten als erosie door uitloging van de kalk in de mortel, vergelijkbaar met stalactietvorming in de natuur. In dit geval bevat het regenwater dat in de muur dringt koolzuur (~ 0.03-0,05%), dat het moeilijk oplosbare calciumcarbonaat, het versteende bindmiddel in de kalkmortel, omzet in calciumbicarbonaat, dat wel oplosbaar is en met het water neerslaat op de binnenzijde van de muur en zich na droging afzet. Dit materiaaltransport degenereert de mortel en vergroot aanwezige holten; een sluipend proces dat in de loop van eeuwen, eventueel versterkt door vorstwerking, tot aanzienlijke porositeit kan leiden.

TU Delft


14



Figuur 2.3 Boorkern met doorlopende uitgeloogde mini-scheur aan de bovenzijde van een voeg

Waarnemingen aan massief zwaar vochtbelast metselwerk laten zien dat er op deze wijze een netwerk van micro en mini scheurtjes kan ontstaan dat de waterdoorlatendheid aanzienlijk verhoogt. 2.2.4 Aantasting mortel door vorstschade Jong kalkmetselwerk is vorstgevoelig; dit komt doordat kalkmortel zijn sterkte krijgt door de omzetting van calciumhydroxide, Ca(OH)2 naar calciumcarbonaat, CaCO3. Voor deze omzetting is koolzuur uit de lucht en tijd nodig. Vandaar dat metselen van kalkmortels tussen november en maart is af te raden. In zwaar vochtbelast opgaand massief metselwerk wordt de laatste jaren regelmatig vorstschade in de metselmortel aangetroffen. Vorstschade heeft tot gevolg het ontstaan van scheurtjes in de langsrichting van de metselvoeg waardoor de voeg in los van elkaar liggende laagjes wordt opgedeeld. De waarschijnlijkheid waarbij vorstschade optreedt neemt toe in situaties waarin de metselmortel langdurig nat blijft. Geconstateerd is dat kalkmortels die zonder vorstschade de eeuwen trotseerden nu soms vorstgevoelig blijken te zijn geworden. In een aantal gevallen is dit toe te schrijven aan restauratiemaatregelen, die er toe hebben bijgedragen dat de mortel langer nat blijft dan vroeger het geval was. Twee voorbeelden hiervan zijn  de toepassing van dichte cement reparatievoegen op daarachter liggende kalkmetselmortels  de toepassing van hydrofobeermiddelen In het eerste geval ontstaat een situatie waarbij de metselmortel moeilijker kan drogen doordat de cementvoeg dicht en slecht vochtdoorlatend is. In het tweede geval loopt de droogsnelheid van het achter de hydrofobeerlaag liggende metselwerk aanzienlijk terug, doordat vocht niet meer aan de oppervlakte van het metselwerk kan komen. Bij de voegmortel is er sprake van een verkeerde materiaalkeuze: het voegmateriaal zou het drogen van de achterliggende metselmortel moeten bevorderen in plaats van afremmen; bij de toepassing van het hydrofobeermiddel is onvoldoende nagedacht over het gevaar van onvoorziene vochttoetreding achter de hydrofobeerlaag (optrekkend vocht, lekkages). Genoemde gevallen onderstrepen het belang van inzicht in processen die tot schade kunnen leiden.

TU Delft


15



2.2.5 Schade door zouten Schade door zouten ontstaat vaak door expansie als gevolg van kristallisatie, hydratatie of chemische reacties. Deze expansie kan leiden tot scheurvorming waardoor de porositeit en daarmee de waterdoorlatendheid van metselwerk wordt verhoogd. Bij zoutschade gaat het niet alleen om de aanwezigheid van zouten, even belangrijk is de aanwezigheid van water, omdat er zonder water geen kristallisatie, hydratatie of chemische reacties kunnen plaatsvinden. In het kalkboek (RDMZ, 2003) wordt uitgebreid ingegaan op de verschillende schadefenomenen, die als gevolg van zouten kunnen optreden. Daarom beperken we ons hier tot een samenvatting van mogelijke zoutschaden in relatie tot het type bindmiddel dat in een mortel wordt toegepast. Hierbij kunnen we een onderscheid te maken tussen luchthardende bindmidddelen, zoals schelpkalk en steenkalk, en hydraulische bindmiddelen, zoals hydraulische kalk, puzzolanen (bijv. tras) en cement. Luchthardende bindmiddelen Bij kalkmortels kan vooral gipsvorming (reactie van kalk met sulfaat) tot schade leiden; gipsbronnen zijn SOx uit de lucht (luchtverontreiniging) maar ook, en dat is vaak relevant in historisch metselwerk, de aanwezigheid van sulfaat in bij lage temperatuur gebakken baksteen (vaak de rode zachte bakstenen). In de buurt van de zee is omzetting in de oorspronkelijke legmortel van calciumcarbonaat (CaCO3) door NaCl in het goed oplosbare CaCl2 (wat dus gemakkelijk uitspoelt) een mogelijke oorzaak van schade.

Figuur 2.4 Uitspoeling van het oplosbare calciumcloride (CaCl2) gevormd op de overgang steenmortel door reactie van calciumcarbonaat (CaCO3) uit de mortel met zeezout (NaCl) Bij restauratiewerk kan een chloridebelasting in het bestaande werk ook de uitharding van een luchtkalk verstoren. Het zout lost op in het aanmaakwater en kristalliseert bij droging waardoor de optredende volumevergroting de nog niet gecarbonateerde gebonden kalkdeeltjes en het zand uit elkaar drukt. Dit leidt tot blijvende schade. Een alternatief voor kalkmortels met het oog op de gevoeligheid voor bovengenoemde zoutschaden is traskalk mortel. Bij de toepassing van traskalkmortel is het risico van zoutschade geringer, mits de traskalkmortel onder goede condities uithardt. De reden is dat de traskalk wordt gebonden, daardoor is er minder kans op de vorming van expansieve zouten of het verlies van bindmiddel door de vorming van oplosbare zouten.

TU Delft


16


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk Hydraulische bindmiddelen Zoutschaden aan mortels met hydraulische bindmiddelen komen regelmatig voor. Expansieve zouten zoals ettringiet en thaumasiet kunnen worden gevormd door sulfaten (bijv. afkomstig van de steen) reagerend met componenten (in het bijzonder C3A) van het hydraulische bindmiddel. Deze reacties kunnen plaatsvinden bij een relatief hoog sulfaat gehalte, een zeer hoog vochtgehalte en een relatief lage temperatuur (Kalkboek, 2003) Aan zee kan een cementmortel met een hoog C3A gehalte met chloriden het expansieve Friedels zout vormen. Bij het herstel van sulfaatschaden als gevolg van de toepassing van hydraulische bindmiddelen worden vaak bindmiddelen ingezet met een laag C3A gehalte: bijvoorbeeld sulfaatbestendige Portlandcement. De toepassing van hydraulische bindmiddelen bij het herstel van schaden aan kalkmortels kan gemakkelijk aanleiding geven tot campatibiliteitsproblemen, omdat de mechanische en hygrische eigenschappen van mortels met hydraulische bindmiddelen aanzienlijk verschillen van die met luchthardende bindmiddelen (zie ook hoofdstuk 3).

2.2 Eigenschappen 2.2.1 Welke eigenschappen zijn belangrijk? Bij het vervaardigen van nieuw massief metselwerk in kalk is er meer vrijheid in keuze van de eigenschappen van de mortel dan in het geval van herstelwerk. De situatie bij herstelwerk ligt anders, omdat rekening moet worden gehouden met de eigenschappen van het nog aanwezige omgevende oude materiaal (compatibiliteit). In het geval van nieuw metselwerk kan men de eigenschappen van de mortel in zekere mate laten bepalen door de gewenste eigenschappen van het metselwerk. Wil men bijvoorbeeld dat het metselwerk veel vervormingscapaciteit heeft, dan zal men kiezen voor kalkmortels (onafhankelijk van het type steen, hard of zacht). Is sterkte van het metselwerk van groot belang dan zal men kiezen voor een hydraulische mortel, in dit geval wel bij voorkeur in combinatie met een sterke steen. De toepassing van reparatiemortel in oud metselwerk gebeurt op een verantwoorde manier als de eigenschappen van de herstelmortel in de buurt liggen van die van de omgevende oude mortel. Met andere woorden inboeten van stenen met een sterke cementmortel in kalkmetselwerk is onjuist en leidt tot problemen. De reden is dat sterkte, vervormingsgedrag, porositeit van het oude en nieuwe materiaal zo uiteen lopen, dat vooral op de overgangen tussen materialen krachtoverdracht en vochttransportgedrag verstoord worden en tot problemen (schade) leiden. Een gebruikelijke methode om tot een keuze van de samenstelling van een reparatiemortel te komen is een analyse van de oude mortel te maken. Daarbij worden a) type binder (waaronder de Hydraulische Index) b) type aggregaat en korrelverdeling c) bindmiddel-aggregaat verhouding d) druksterkte en elasticiteit e) porositeit en e) kleur, textuur bepaald. Uitgaande van deze gegevens wordt een herstelmortel samengesteld met eigenschappen die in de buurt van de oude mortel liggen. Voor zover van toepassing worden vorstbestandheid en zoutresistentie bepaald. Samenvattend kan gesteld worden dat de volgende eigenschappen de belangrijkste zijn bij het bepalen van de samenstelling van een reparatiemortel, toegepast in bestaand metselwerk: In niet-uitgeharde toestand  Een goede verwerkbaarheid (waaronder doorstrijkbaarheid), snelle sterkte-ontwikkeling, langzame krimp gedurende uitharding  Het reparatiemateriaal moet zo weinig mogelijk zouten bevatten (Rossi-Doria1986)

TU Delft


17



In uitgeharde toestand Mechanische, hygrische, thermische eigenschappen en porositeit van het reparatiemateriaal dienen ongeveer gelijk te zijn aan die van het omgevende materiaal. Dit kan bereikt worden door analyse van de samenstelling van de oude mortel (type bindmiddel, type en korrelopbouw van het zand) en de reparatiemortel daaraan te passen. Daarbij zullen de volgende eigenschappen van het oude en nieuwe materiaal met elkaar worden vergeleken:  Sterkteniveau (druksterkte)  Vervormbaarheid (E-modulus)  Vochttransportgedrag (absorptie en drogen (porositeit))  Oppervlakte eigenschappen (kleur, textuur, ruwheid)

2.2.2 Invloed samenstelling mortel op eigenschappen Het blijkt dat de mechanische eigenschappen van mortels in belangrijke mate bepaald worden door het type bindmiddel dat is toegepast. Mortels met luchthardende bindmiddelen hebben duidelijk lagere druksterkte en hogere vervormbaarheid (lage E-modulus) dan mortels met hydraulische bindmiddelen. In het algemeen kan gesteld worden dat met de porositeit het omgekeerde het geval is: sterk hydraulische mortels hebben een lage porositeit en luchthardende mortels vaak een hogere porositeit. Hierbij moet opgemerkt worden dat de porositeit sterk beinvloed kan worden de opbouw van het aggregaat (het zand), de toepassing van lichtgewicht aggregaat (bijvoorbeeld in restauratiemortels) en de toepassing van toeslagmiddelen (zoals luchtbelvormers). Uit verricht onderzoek kunnen indicaties over materiaaleigenschappen worden gegeven op het gebied van restauratiemortels. In Tabel 2.2 volgt een overzicht van mechanische eigenschappen van verschillende mortels.

Tabel 2.2 Indicaties van de sterkte en stijfheidseigenschappen van verschillende mortels. De gegevens voor de hydraulische kalk (HL) en de natuurlijke hydraulische kalk (NHL) zijn ontleend aan EN 459 (Lindqvist, 2006)

Mortel

Druksterkte [Mpa]

Buigsterkte {Mpa]

E-Modulus [Gpa*103]

Kalk mortel Kalk-cement PC mortel HL2 and NHL2 HL3.5 and NHL 3.5

0.5-2.5 2-8 8-20 2-7 3.5-10

0.5-1 1-4 3-6

2-7 10 20-30

Hieraan kan worden toegevoegd dat oude mortels op kalkbasis vaak de volgende eigenschappen vertonen: een hoge porositeit (20-40%), redelijk snel drogen en een goed uitgekristalliseerde matrix hebben (Papayianni, 2005).

TU Delft


18



2.2.3 Invloed uitvoering op eigenschappen Er zijn talloze invloedsfactoren die de kwaliteit van de uitvoering beïnvloeden; hier wordt de nadruk gelegd op twee elementen die hierbij een belangrijke rol spelen: vakmanschap van de metselaar en de verwerkbaarheid van de mortel. Ten aanzien van de toepassing van metselmortels in massief metselwerk geldt voor het eerste: als een metselaar niet weet wat vol en zat metselen is en ook geen besef heeft van het belang van deze manier van werken voor de kwaliteit en duurzaamheid van metselwerk dan is er een probleem met betrekking tot een vakkundige uitvoering van het metselwerk. Goed metselwerk leveren, vooral bij dunne voegen wordt mede mogelijk gemaakt door het gemak waarmee de metselaar vol en zat kan werken en dit wordt bepaald door de verwerkbaarheid van de mortel. Mortelontwerpers die geen of onvoldoende rekening houden met de eis van goede verwerkbaarheid beïnvloeden de eindkwaliteit op een negatieve manier. Dit komt vooral omdat de metselaar zijn eigen oplossingen gaat zoeken om de verwerkbaarheid te verbeteren waardoor meestal de eigenschappen van de mortel negatief worden beïnvloed.

TU Delft


19



3. Laboratoriumonderzoek In het deelonderzoek Kwaliteitseisen Restauratiebaksteen werd tot een aanbeveling gekomen tav de hygrische eisen, te stellen aan bakstenen voor waterdicht opgaand massief metselwerk. Daar waterdichtheid niet alleen bepaald wordt door de hygrische eigenschappen van de steen, maar ook door de al dan niet vochtkerende werking van de voegen, werd het effect van de mortel op de waterdichtheid in dit hoofdstuk nader onderzocht. Daartoe is een onderzoekprogramma opgesteld waarin een aantal aspecten van gedrag van mortels, op zich en in combinatie met bakstenen nader kon worden geanalyseerd. Deze onderzoekingen mondden uit in de bestudering van het vochtdoorlaat- en lekgedrag van een tweetal proefmuren, die beregend werden.

De volgende onderzoekingen worden in dit hoofdstuk gepresenteerd:  Het proces van de keuze van een mortel voor de vervaardiging van twee proefmuren voor beregeningsproeven. Dit proces ging in twee stappen: via de beoordeling van de verwerkbaarheid van een 15-tal mortels werden 3 zeer goed verwerkbare en een contrastmortel (een cementmortel) uitgekozen voor verder onderzoek. Van deze 4 mortels werden een aantal voor waterdicht metselwerk relevante eigenschappen bepaald. Vervolgens werd op grond van een analyse van de beproevingsresultaten een keuze gemaakt voor 1 mortel waarmee de muren zouden worden gemetseld, waarmee beregeningsproeven zouden worden uitgevoerd.  van het 4-tal mortels werden de volgende eigenschappen bepaald: druksterkte, vervormingsgedrag, hygrische uitzetting / krimp, vrijwillige vochtopneming (porositeit) en vochtopname- resp. drooggedrag van metselwerk.  Opzet, uitvoering en beoordeling van beregeningsproeven, waarbij het vochtdoorslag- en lekgedrag van 2 muren gebouwd met 2 verschillende steentypen en hetzelfde morteltype met elkaar werden vergeleken

3.1 Verwerkbaarheid als een keuzecriterium Als eerste stap in het keuzeproces voor de bepaling van een geschikte metselmortel toe te passen bij de beregeningsproeven werden verwerkbaarheidsproeven aan mortels uitgevoerd. Bij de selectie werd uitgegaan van een groslijst van relevante mortelsamenstellingen, die zowel uit het onderzoek als vanuit een marktonderzoek naar voren waren gekomen. Uit deze groslijst werd een 15-tal mortels gekozen waarmee verwerkbaarheidsproeven zijn uitgevoerd door een 4-tal meester-metselaars.

3.1.1 Verwerkbaarheidsproeven In het oorspronkelijke onderzoeksprogramma was het aspect ‘verwerkbaarheid van mortels’ slechts als een ondergeschikt deelaspect opgenomen. Gaande het onderzoekstraject en mede onder invloed van de bezoeken aan restauratieprojecten en de daar gevoerde gesprekken met uitvoerende vakmensen werd duidelijk dat dit een cruciaal punt is. Met name in het perspectief van de eis ‘vol en zat’ metselen en de mogelijkheid om doorstrijkwerk te maken.

TU Delft


20



Geconcludeerd werd dat het aspect ‘verwerkbaarheid van mortels’ een belangrijk criterium zou moeten zijn tav de keuze van de mortel, toe te passen bij de beproevingsmuren voor de beregeningsproeven. Zo groeide het idee om een serie ‘praktijkproeven verwerkbaarheid’ op te zetten. Hiertoe werden vier meester restauratie-metselaars van drie verschillende metselbedrijven uitgenodigd, die in een blinde proef hun oordeel over de verwerkbaarheid zouden geven.

3.1.1.1 Keuze mortelrecepturen Uit het literatuuronderzoek en vanuit de marktverkenning is een overzicht verkregen van relevante mortelrecepturen voor massief opgaand metselwerk. Voor de verwerkbaarheids proeven zijn een aantal uitgangspunten gedefinieerd op grond waarvan een 15-tal mortelrecepturen zijn gekozen:   

het gebruik van zowel luchthardende als licht- tot matig-hydraulische bindmiddelen de toepassing van verschillende zand-bindmiddelverhoudingen, ivm de grote invloed op de verwerkbaarheid de beschikbaarheid van bindmiddelen en mortels op de markt

Bindmiddelen De volgende bindmiddelen werden bij bij de de verwerkbaarheidsproeven betrokken: luchtkalk; steenkalk (Mekal, bevat luchtbelvormer), ‘Muschelkalk’ (Baltus) , natuurlijke licht hydraulische kalk (NHL, Unilit), tras (Tubag). Als contrastmortel werd een metselcement (ENCI MC)mortel bij de proefnemingen betrokken.

Verhouding bindmiddel : aggregaat Ter plekke gemengde mortels en prefab mortels werden uitgekozen voor de verwerkbaarheidsproeven. Bij de ter plekke gemengde mortels werden per zelfde soort bindmiddel steeds een schrale: 1 op 3 v/v en een vette: 1 op 2 v/v receptuur gemaakt. In de onderstaande tabel 3.1 wordt een overzicht gegeven van de mortels die gebruikt zijn bij de verwerkbaarheidsproeven.

TU Delft


21


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk Tabel 3.1

Mortelrecepturen voor de verwerkbaarheidsproeven

Zuivere kalkmortels kalk Steenkalk (Mekal) 1 1 2 1 Muschelkalk (Baltus) 3 1 4 1 Licht-hydraulische kalk NHL2 (Unilit) 5 1 6 1 Kalk-tras mortels tras: Tubag Trass Mehl kalk tras Steenkalk (Mekal) 7 5 1 8 5 1

zand 2 3 2 3

Kalk-tras mortels tras: Tubag Trass Mehl kalk tras Muschelkalk (Baltus) 9 1.4 0.1 10 1.4 0.1

zand 12 18

3 4.5

Contrastmortel Metselcement MC 10 11 1

2 3

zand

3

Prefab mortels 12 13 14 15

Unilith 35N (op basis van NHL) Tubag Trasskalk mortel Baltus Muschelk.Vormauermort. Megamix CK 3

Zandgradering van de zelf gemengde mortels Bij een gekozen mortelvoegdikte van 5-8mm diende het metselzand vrij fijn te zijn met een grootste fractie van plm 1,5mm. Na een aantal proeven met verschillende zanden werd tenslotte gekozen voor een standaard voegzand met een max korrelgrootte van 1,2 mm (voor verdere details keuze zand wordt verwezen naar Rapportage Verwerkbaarheidsproeven).

3.1.1.2 Uitvoering proeven Er werden door elke metselaar per mortel proefstukken gemaakt bestaande uit elk 3 stenen: Tvormig waardoor zowel een lintvoeg als een stootvoeg werd gevormd. Er werd gemetseld met een matig zuigende steen (Haller ~23), die niet werd vóórbevochtigd.

Figuur 3.1 De T-vormige proefstukken

TU Delft


22



Tevoren waren de mortels in droge vorm gemengd in kleine hoeveelheden van ca 4 kg en klaargezet in genummerde zakken (blinde proef). De pre-fab mortels werden slechts afgewogen; de zakken daarvan ook alleen genummerd.

Figuur 3.2 Doorstrijken van een T-vormig proefstuk

De meester-metselaars werd gevraagd zich aan de hand van een beoordelingsformulier uit te spreken over verwerkbaarheidsaspecten zoals, waterdosering, smeuïgheid, plasticiteit, zandgradering, watervasthoudend vermogen, plakken, smetten, doorstrijken. Bovendien werd gevraagd een totaaloordeel te geven en eventueel opmerkingen te maken. 3.1.1.3

Resultaten en bespreking

Over het geheel genomen presteren de vettere mortels (1:2), de mortels 1,3,5,7,9 beter dan de minder vette (1:3) mortels, (2,4,6,8,10) met de matig-zuigende steen wat betreft verwerkbaarheid. Een uitzondering vormen de zuivere steenkalkmortels (de monsters 1 en 2): in dit geval geven de metselaars een lichte voorkeur aan de 1:3 mortel. Kennelijk is in dit geval de 1:2 mortel te vet. Opvallend is dat basterd steenkalk-tras monsters (de monsters 7 en 8) waarbij een lichte hoeveelheid tras is toegevoegd zo anders beoordeeld worden door de metselaars. Bij vergelijking van de zuivere mortels (de mortels 1 en 2) met de steenkalk-tras basterd mortels blijkt dat de waterbehoefte van de basterd mortels geringer is. Dat komt doordat een gedeelte van het zeer fijne steenkalk (Blaine getal 15.000) vervangen is door de grovere tras (Blaine getal 5.000-8.000). Kennelijk wordt de te vette zuivere steenkalkmortel (mortel 1) voldoende verschraald door de toevoeging van tras (mortel 7) om een zeer goede verwerkbaarheid op te leveren. De resultaten zijn samengevat in tabel 3.2

TU Delft


23


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk Tabel 3.2

Resultaten verwerkbaarheidsproeven Water

Door-

Verwerk-

Keuze

dosering

strijken

baarheid

vervolg

algemeen

proeven

[m/m%]

Zuivere kalkmortels kalk zand Steenkalk (Mekal) 1 1 2 2 1 3 Muschelkalk (Baltus) 3 1 2 4 1 3 Licht-hydraulische kalk NHL2 (Unilit) 5 1 2 6 1 3 Kalk-tras mortels Tubag Trass Mehl

19 16

pos pos

6 6

18 19

pos pos

7 5

X

18 20

matig neg

7 5

X

16 17

pos pos

8 6

X

19 19

neg neg

5 4

3

14

neg

5

Unilith 35N Tubag Trasskalk Baltus Muschelkalk Megamix CK 3

15 19 15 15

neg neg neg neg

6 7 6 6

kalk tras zand Steenkalk (Mekal) 7 5 1 12 8 5 1 18 Muschelkalk (Baltus) 9 1.4 0.1 3 10 1.4 0.1 4.5 Contrastmortel Metselcement MC 10

11 1 Prefab mortels 12 13 14 15

X (constrast)

De mortels 12 t/m 15 bevatten te veel grove toeslag om direct vergelijkbaar te zijn met de eerste 11 mengsels: vooral met het oogmerk een dunne voeg te realiseren. Hoewel de eerste reactie van de metselaars was de grove fractie uit te zeven, is besloten dit niet te doen en de mortels zo te verwerken als ze door de fabrikant waren samengesteld (Opgemerkt kan worden dat monster 13 (de Tubag Trasskalk Mortel) redelijk goed presteerde)). Van de zijde van de importeur van de Unilit mortel kwam de opmerking dat hier de Unilit 35N, met fijner granulaat, toegepast had moeten worden. Uit de proefmonsters bleek dat er een relatie gelegd kon worden tussen de dikte van de voeg die met een steen-mortel-steen combinatie gerealiseerd kon worden en de appreciatie van de

TU Delft


24


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk metselaar voor de verwerkbaarheid. Het gaat hierbij vooral om het gemak waarmee de metselaar een dunne voeg kan realiseren met de voor-handen-zijnde baksteen-mortel combinatie. Vooral in dit opzicht sprongen de mortels 3, 5 en 7 er gunstig uit. De appreciatie voor de verwerkbaarheid blijkt vanuit de samenstelling van de mortel moeilijk te voorspellen te zijn. Vele factoren spelen hierbij een rol: de opbouw en hoekigheid van het zand, het type en de hoeveelheid van het bindmiddel, de waterabsorptie van de steen etc. Geconcludeerd kan worden dat een eenvoudige metselproef, waarbij zoveel mogelijk de werkelijkheid wordt nagestreefd door zowel steen als mortel bij het experiment te betrekken, veel kan leren over een gewenste verwerkbaarheid. Dit is moeilijker te realiseren met de gebruikelijke plasticiteitsproeven zoals spreidmaat, naald van Vicat etc, omdat daarbij alleen de mortel beproefd wordt. Voorts wordt vastgesteld dat prefab mortels met een maximale korrelgrootte in het aggregaat ≥ 2mm, blijkbaar ontworpen voor metselwerk met een moderne breedte van de mortelvoeg van 10-12mm, zich niet lenen voor restauratiewerk waar een voegbreedte van 5 – 8 mm het uitgangspunt is. De grofste korrels er op de bouwplaats uit zeven is niet aan te bevelen daar hierdoor de verhouding bindmiddel – aggregaat wordt gewijzigd (vetter). e

3.1.1.4 Selectie 3 + 1 recepturen voor 1 serie laboratoriumproeven (TNO) Voor het programma van de door TNO Bouw uit te voeren proeven zijn proefstukken voorzien in 4 morteltypen waarvan de (contrast) mortel op basis van metselcement (mortel nr 11) deel uitmaakt. Uit de resultaten van de beoordelingsformulieren blijkt dat het gedrag van een aantal recepturen dicht bij elkaar ligt wat geschiktheid betreft. Vooral na een evaluatie van de verwerkbaarheid in algemene zin (in feite de beoordeling of vol-en-zat gemetseld kan worden en doorstrijkwerk kan worden gemaakt met een morteltype) kon een keuze worden gemaakt. In de eindbespreking met de metselaars is gekozen voor de recepturen 3, 5 en 7.

Figuur 3.3 Overzicht proefstukken

TU Delft


25



3.2

Eigenschappen geselecteerde metselmortels (TNO-onderzoek)

Ter bepaling van de keuze van de mortel voor de opbouw van de muren voor de beregenings proeven, werden aan de vier bij de verwerkbaarheidsproeven geselecteerde mortels een aantal relevante eigenschappen bepaald. Aan mortelbalkjes en mortelplakken: druksterkte, elasticiteitsmodulus, vrijwillige wateropname (poriënvolume) en hygrische krimp. Aan metselwerk”beertjes”: waterabsorptie- en drooggedrag Overzicht beproefde mortels: Mortel 3 ‘Muschelkalk’ mortel (Baltus); kalk:zand verhouding 1:2 Mortel 5 Hydraulische kalkmortel (Unilit); kalk:zand verhouding 1:2 Mortel 7 Steenkalk-tras basterdmortel; kalk:tras:zand verhouding 5:1:12 Mortel 11 Metselcement mortel MC10; MC:zand verhouding 1:3 3.2.1 Drukproeven De drukproeven werden uitgevoerd aan mortelbalkjes en aan mortelplakken. De mortelbalkjes werden vervaardigd in stalen mallen; om de situatie van een mortel in metselwerk te benaderen werden ook een aantal proefstukken gemaakt van mortelspecie uitgehard tussen bakstenen. De drukproeven aan de mortelbalkjes werden uitgevoerd 7, 14, 28, 55 en 90 dagen na vervaardiging van de balkjes. Van mortel 7 werd ook nog eens na 200 dagen een drukproef gedaan. De mortelplakken werden na 100 dagen beproefd. De resultaten zijn weergegeven in figuur 3.4 . Druksterkte 25

2

Druksterkte [N/mm ]

mortel 3 mortel 5

20

mortel 7 mortel 11

15

10

5

0 0

50

100

150

200

250

Tijd [dagen]

Figuur 3.4

Druksterkte mortels

TU Delft


26


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk De getrokken lijnen geven de resultaten van de drukproeven aan de mortelbalkjes weer, terwijl de afzonderlijke punten, bij 100 dagen, de druksterkten van de mortelplakken weergeven. De balkjes hebben de afmetingen 20x20x160mm; de plakken hebben een dikte van 25mm. Duidelijk komt uit de grafiek naar voren dat de schelpkalk mortel (mortel 3) en de steenkalk-tras mortel (mortel 7) lage druksterkten vertonen. Uit de 200 dagen sterkte van mortel 7 blijkt dat er van een zeer langzame toename van de sterkte met de tijd sprake is. Dit zijn gebruikelijke waarden voor kalkmortels: in de praktijk worden bij historische mortels waarden van 0.5-2.5 N/mm2 gemeten (zie ook tabel 2.2). De metselcement (contrastmortel 11) geeft ook een druksterkte die te verwachten viel (immers MC10). De hydraulische kalkmortel bevindt zich tussen de kalkmortels en de cementmortel in en heeft een snelle sterkte ontwikkeling: dit kan een belangrijk voordeel zijn ten opzichte van de kalkmortels met oog op de snelheid van werken. De druksterktewaarden van de mortelplakken zijn voor de hydraulische kalkmortel (mortel 5) en de cementmortel (mortel 11) hoger dan die van de mortelbalkjes. De verklaring hiervoor is dat de porositeit van de mortel door twee oorzaken verminderd wordt (lagere porositeit levert hogere druksterkte). De eerste oorzaak is compactie van de mortel door afzuiging van vocht door de stenen waartussen de mortel is uitgehard. De tweede oorzaak is dat door de afzuiging van water de mortel onder een gunstiger water-cement factor uithardt (de initiële water-cement factor van een metselmortel is vrij hoog, waardoor de mortelbalkjes met een overmaat aan water, dus hogere porositeit, uitharden). Minder duidelijk is waarom de ‘Muschelkalk’ mortel (mortel 3) en basterd kalk-tras mortel (mortel 7) bij de druksterktebepaling aan plakken nagenoeg dezelfde waarden geven als bij de mortelbalkjes. Waarschijnlijk levert de vochtafzuiging door de stenen negatieve effecten op ten aanzien van de carbonatatie van de kalk (mortel 3 en mortel 7) en de uitharding van de tras (mortel 7), daar tras veel en langdurig water nodig heeft om goed uit te harden. 3.2.2 Vervormingsgedrag Door middel van een buigtrekproef is een indruk verkregen van het vervormingsgedrag van de 4 mortels. Als een mortel een grote vervormingscapaciteit heeft dan betekent dat, dat vervormingen als gevolg van mechanische of thermische belastingen zonder (zichtbare) scheurvorming kunnen worden opgenomen.

Kracht-verplaatsingsdiagrammen 6000

Mortel 3 Mortel 5

5000

Mortel 7

Kracht [N]

4000

Mortel 11

3000

2000

1000

0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Verplaatsing [mm]

Figuur 3.5 Kracht-verplaatsingsdiagrammen van de mortels

TU Delft


27


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk Kalkmortels zijn zoals bekend veel beter dan cementmortels in staat vervormingen te overbruggen. Daarnaast hebben kalkmortels het vermogen via oplossing en transport van niet-gecarbonateerde kalk in de mortels eventueel ontstane scheurjes weer te dichten (self healing). In figuur 3.5 zijn de kracht-verplaatsingsdiagrammen weergegeven van de 4 verschillende mortels. De mortels zijn beproefd tot breuk. De schelpkalk mortel (mortel 3) en de steenkalk-tras mortel (mortel 7) zijn in staat de grootste vervorming te ondergaan alvorens te bezwijken. De sterkste mortel (mortel 11, de metselcement mortel) bezwijkt bij de laagste vervorming. De hydraulische kalkmortel (mortel 5) neemt een tussenpositie in.

3.2.3 Vrijwillige wateropneming De open porositeit geeft een indicatie ten aanzien van het absorptie- en drooggedrag van een materiaal. De open porositeit kan worden bepaald door de vrijwillige wateropneming van een materiaal vast te stellen (met vrijwillig wordt bedoeld dat er geen over/onderdruk of verhoogde temperatuur wordt gebruikt). Bij de bepaling van de vrijwillige wateropneming wordt een monster gedurende 48 uur in water ondergedompeld. Droog gewicht, nat gewicht en het volume van het proefstuk worden gebruikt bij de berekening van de vrijwillige wateropneming (zie rapport Bouwstenen voor de Richtlijn). De proeven zijn gedaan 9 maanden na de vervaardiging van de proefstukken. In tabel 3.3 zijn de resultaten voor de verschillende mortels samengebracht. Mortel 11, de cementmortel heeft de laagste waarde, hetgeen te verwachten is, gezien de dichte structuur die ontstaat door de hydratatie van de cement. Tabel 3.3

Vrijwillige wateropneming

No

Mortel type

Wateropn. (%V/V)

Mortel 3 Mortel 5 Mortel 7 Mortel 11

Muschelkalk Hydraulische kalk Steenkalk + tras MC-mortel

26 26 31 20

Opvallend is dat de hydraulische kalkmortel een redelijk hoog open poriënvolume heeft, vergelijkbaar met dat van de schelpkalkmortel; dit is gunstig voor het drooggedrag. De waarde voor de kalk-tras mortel 7 (in vergelijking met mortel 3) is zo hoog omdat de steenkalk van mortel 7 een luchtbelvormer bevat. De proeven zijn gedaan aan mortelplakken die uitgehard zijn tussen stenen; hierdoor is er sprake van realistische waarden. 3.2.4 Hygrische zwelling-krimp (▲L) Hygrische zwelling-krimp vindt plaats onder invloed van vochtopname-droging. De hygrische zwelling is bepaald door middel van een standaardproef, waarbij  het lengteverschil gemeten wordt tussen het droge monster (A mm) en hetzelfde monster o geconditioneerd bij 20 C en 30 % RV (B mm) en  het lengteverschil tussen het droge monster (A) en hetzelfde monster 2 dagen onder water bewaard (C mm). De lengteverschillen zijn gemeten in mm en worden vervolgens uitgedrukt microns (vandaar de vermenigvuldiging met 1000).

TU Delft


28


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk De hygrische zwelling-krimp wordt vervolgens bepaald met:

▲L = [(C-A)1000 – (B-A)1000] / A] Tabel 3.4

uitgedrukt in (µmm/mm = mm/m)

Hygrische zwelling-krimp

No

Mortel type

▲L (µmm/mm)

Mortel 3 Mortel 5 Mortel 7 Mortel 11

Muschelkalk Hydraulische kalk Steenkalk + tras MC-mortel

0.16 0.42 0.17 0.36

De hydraulische en metselcementmortel hebben een 2-2.5 hogere zwelling-krimp als de kalkmortels. De waarden zijn niet extreem verschillend van de zwel-krimp eigenschappen van baksteen. Baksteenwaarden liggen tussen 0,05-0,20 voor gevelklinkers en 0,15-0,30 voor hardgrauw en rood/boerengrauw (Andan, 1967). 4.2.5 Waterabsorptie- en drooggedrag van metselwerk Om een indruk te krijgen van het vochtopnamegedrag en het drooggedrag werden metselwerk”beertjes” gemetseld. De beertjes bestaan uit 3 lagen metselwerk van 3 stenen per laag (zie figuur 3.6). Ze zijn opgebouwd uit 2 typen stenen, een matig-zuigende (Hallergetal 23) en een sterk-zuigende steen (Hallergetal 35), ieder vermetseld met de 4 verschillende metselmortels. De proefstukken vormen een deel van een muur. De in de foto naar boven gerichte zijde van de beertjes is de zichtzijde van de muur. Vanuit deze zijde wordt tijdens de proef (en ook in de werkelijkheid) vocht opgenomen en vocht afgestaan (gedroogd); het vocht passeert steen en waar mogelijk mortelstootvoegen. De andere 5 zijden zijn met plastic bekleed om vochttransport in deze richtingen te voorkomen.

Figuur 3.6 Metsel”beertjes”. Aanzicht van buitenmuuroppervlak, van waaruit vochtabsorptie en droging plaatsvindt; de andere 5 zijden zijn met plastic bekleed om droging vanuit die zijden te voorkomen.

TU Delft


29


aanpak vochtproblematiek m a s s i e f metselwerk Opzuiging van water via het zichtvlak vond plaats gedurende 24 uur. De droging vanuit het zichtvlak, werd geregistreerd gedurende 35 dagen. De hygrische eigenschappen van de gebruikte metselstenen zijn verzameld in tabel 3.5 Table 3.5

Hygrische eigenschappen toegepaste bakstenen Hallergetal 2 [g/dm /min] 23 35

Rood Geel

Vrijwillige wateropname [Vol %] [Gew %] 17.5 9.0 29.0 18.4

In figuur 3.7 worden de resultaten van de absorptie en droogproeven weergegeven. Absorptieproeven Rode Steen (Hallergetal 23) 20

18

18

16

16

14

14

12 mortel 3 10

mortel 5 mortel 7

8

mortel 11 6

Vochtgehalte [m/m%]

Vochtgehalte [m/m%]

Gele Steen (Hallergetal 35) 20

12

mortel 5 mortel 7

8

mortel 11

6

4

4

2

2

0

mortel 3

10

0 0

5

10

15

20

25

30

0

5

10

Tijd [uur]

15

20

25

30

Tijd [uur]

Droogproeven Rode Steen (Hallergetal 23) 20

18

18

16

16

14

14

12

mortel 3 mortel 5

10

mortel 7 8

mortel 11

6

Vochtgehalte [m/m%]

Vochtgehalte [m/m%]

Gele Steen (Hallergetal 35) 20

12

mortel 3 mortel 5

10

mortel 7 8

mortel 11

6

4

4

2

2 0

0 0

5

10

15

20

25

30

Tijd [dagen]

35

40

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd [dagen]

Figuur 3.7 Resultaten absorptie- en droogproeven. In de figuren zijn door middel van de horizontale lijnen vrijwillige wateropnamewaarden: 18,4 (gew %) voor de gele steen en 9 (gew %) voor de rode steen aangegeven.

TU Delft


30



Bij de gele, sterk zuigende steen (zie linker grafieken) valt op dat de vochtopname van de proefstukken vermetseld met ‘Muschelkalk’mortel (3) en de basterd steenkalk-tras (7) mortel aanzienlijk hoger ligt dan bij de hydraulische kalkmortel (5) en de metselcement mortel (11). Na 24 uur zijn de proefstukken (3) en (7) nagenoeg verzadigd: vochtgehalte iets lager dan de vrijwillige wateropneming 18.4 % (m/m). Daarentegen is de vochtopname van de proefstukken (5) en (11) minder dan 2/3 van het beschikbare poriënvolume (11-12 % (m/m)). Kennelijk werken de voegen in het laatste geval als een barrière voor het transport van vocht door het gehele proefstuk heen. Het drogen van de proefstukken (3) en (7) gaat gedurende de eerste 15 dagen iets sneller dan bij de proefstukken (5) en (11); echter, na 2 weken is het vochtgehalte in de proefstukken (3) en (7) nog steeds ruim 10 % (m/m), terwijl de proefstukken (5) en (11) ongeveer op de helft daarvan liggen. Verondersteld mag worden bij wisselde regen- en droogcondities, dat het metselwerk met de kalkmortels in combinatie met sterk-zuigende stenen gemiddeld structureel vochtiger zal zijn dan het metselwerk met de hydraulische bindmiddelen. Het scherpe onderscheid in vochtopname tussen kalk en hydraulische mortels doet zich veel minder voor bij het metselwerk met matig-zuigende stenen (zie rechter grafieken). Wel is een zelfde volgorde in mate van vochtopname te zien als bij de zwak-zuigende stenen en is de vochtopname van de proefstukken met hydraulische mortels 2/3 tot minder dan de helft van het beschikbare poriënvolume. Na 15 dagen drogen ligt het vochtgehalte voor alle proefstukken ruimschoots onder de helft van het beschikbare poriënvolume. Verhoudingsgewijs is de absorptie-droogsituatie van de zuivere luchtkalkmortels in combinatie met de sterk-zuigende bakstenen opvallend ongunstig en bij de matig-zuigende stenen iets minder ongunstig. In aanmerking nemend niet alleen absorptie-drooggedrag, maar ook vervormingscapaciteit en porositeit dan presteert de hydraulische kalkmortel het beste. Verondersteld mag worden dat andere zwakhydraulische mortels een vergelijkbaar gedrag zullen vertonen: dit zal nader geverifieerd moeten worden.

TU Delft


31



TU Delft


32

Deelonderzoek. Kwaliteitseisen Metselmortels in Kalk

Recommend Documents