Rapportage Deelproject voegherstelmortels voor Historisch Metselwerk

Totaalonderzoeksproject:

Aanpak vochtproblemen massief metselwerk

Rapportage Deelproject voegherstelmortels voor Historisch Metselwerk

dr ir Caspar Groot

&

Jos Gunneweg

TU Delft, Faculteit Civiele Techniek & Geowetenschappen Delft, september 2012

Totaalonderzoeksproject

Aanpak vochtproblematiek massief metselwerk .

bij de voorplaat: Ed Heijer, meestervoeger bij Van Bommel Gevelgroep, aan het werk op molen ‘De Vier W inden’ te Monster (ZH)

2 Faculteit Civiele Techniek & Geowetenschappen



deelonderzoek

Voegherstelmortels Uitvoering TU Delft faculteit Civiele Techniek & Geowetenschappen , Onderzoekers dr ir Caspar Groot Jos Gunneweg

Opdrachtgever Monumentenwacht Nederland

Subsidiënt Provincie Zuid-Holland Supervisor Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed Begeleidingscommissie ir M. Brouwers R. Crèvecoeur P.J. Drop B.J.M. Franken ing. J. Hofstra ir M. van Hunen J. Kneppers ir A.F. van der Ree (vz) H.B.T. Sangers ing. G.A. Westenbroek

Ad- hoc leden en informanten R.E. Batenburg R. van Bommel J. Borgers Ir. E.J. Brands B. Dooren Mr. F. Houbaer Ing. M. de Jong Ir. J. Kamphuis Ing. J. Koek W.B. Loth M. van Milt H. van Overschot Ing. A.C. Spoon G. Takkenkamp C. Terlouw J. Venema Ing. L. Verbij F. van Werkhoven

Delft, september 2012







Deelonderzoek

Voegmortels

Inhoudsopgave Rapportage Voorwoord Samenvatting / Summary 0.

Inleiding /probleemstelling

1.

Literatuuronderzoek en praktijkwaarnemingen 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12

2.

Inleiding Eisen bij het toepassen van (her)voegmortels in erfgoedmetselwerk Comptabiliteitsaspecten en duurzaamheid Ademen of afsluiten Bouwschadelijke zouten en receptuur voegherstel mortels Thermische schade aan muren door harde voegen over zachte metselmortel Krimp bij uitharding van voegmortels, natuurlijke dilatatie Achteruitgang ademend vermogen restauratie-voegmortels Mortelhulpstoffen Hydrofobeermiddelen Cultuurwaarden en de praktijk Winterstop metselen en voegen in de restauratie

Laboratoriumonderzoek en discussie resultaten 2.1 2.1.1 2.1.2

Materiaalkeuzen en Verwerkbaarheid Materiaalkeuzen Verwerkbaarheid voegmortels

2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3

Mechanische eigenschappen Uithardingsprocedures Drukproeven Dynamische E-modulus, vervormbaarheid

2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6

Hygrische eigenschappen Vochtabsorptie en drooggedrag: inleiding Bevochtigen en drogen van prisma’s Bevochtigen en drogen van mortelplakken Bevochtigen en drogen van “muurtjes” Karstenbuisproeven Vochtabsorptie en drooggedrag in relatie tot poriënverdeling (MIP)

2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3

Krimp- en uitzettingsgedrag Krimp in voegen aangebracht in bakstenen Krimp aan cirkelvormige plakken op bakstenen Thermische en hygrische uitzetting / krimp aan prisma’s




2.5 2.5.1 2.5.2

3.

Vorstbestandheid: Vries-dooi proeven aan voegproefstukken Resultaten Vries-dooi proeven huidig onderzoek (uitgevoerd door TNO) Vergelijking resultaten vries-dooi proeven met Pointing Project

Conclusies en Aanbevelingen 3.0 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.1.7 3.1.8

Samenvattend Conclusies Inleiding Verwerkbaarheid Druksterkte en stijfheid Vochtabsorptie en droging Plastische en uithardingskrimp Thermische en hygrische uitzetting Thermische spanningen: α x E Vorstbestandheid

3.2 3.2.1

Aanbevelingen Aanbevelingen technische eigenschappen voegherstel mortels voor “zacht” historisch metselwerk. Aanbevelingen vervolgonderzoek Aanbeveling m.b.t. laten vervallen toepassingsgebied ‘restauratie’ bij aanpassing CUR 61 Aanbeveling communicatie en implementatie onderzoeksresultaten

3.2.2 3.2.3 3.2.4.

Bijlage Bouwstenen voor de richtlijn restauratievoegmortels voor zwaar regenbelast massief metselwerk van muren gemetseld in kalkmortels




Voorwoord De voor u liggende rapportage ‘Herstelvoegmortels voor Historisch Metselwerk’ gaat op fundamentele wijze in op de bijzondere positie die monumenten opgetrokken uit massief metselwerk innemen als het gaat om voegwerkherstel. Oorspronkelijk werden bij voegwerkherstel kalken kalktrasmortels gebruikt als metselmortel en voor voegwerkherstel. De afgelopen decennia hebben cementgebonden mortels deze klassieke mortels verdrongen met alle gevolgen van dien, met name ten aanzien van de vochthuishouding in het metselwerk en de duurzaamheid. De rapportage gaat in op de vele aspecten, die bij voegmortels een rol spelen, zoals daar zijn: de mechanische, hygrische, fysische, chemische en esthetische aspecten van de toe te passen mortel. Elk van deze aspecten is weer onderverdeeld, bij ‘mechanisch’ gaat het bijvoorbeeld om druksterkte, vervormbaarheid (E-modulus), hechting aan de ondergrond, reversibiliteit en opofferingsgezindheid. Aan de hand van vele proefnemingen en experimenten zijn waarden gevonden, die kunnen leiden tot een verantwoorde wijze van voegwerkherstel. De wetenschappelijke basis is er dus en de op de praktijk gerichte uitwerking vindt u verder in de bijlage ‘Bouwstenen voor een Richtlijn Restauratiemortels’ en in de rapportages ‘Inboetwerk’, ‘Transversaalscheuren’ en ‘Uitvoeringswijze voegwerkherstel’, die inmiddels ook gereed zijn. Het zal uiteraard nog geruime tijd duren tot al deze informatie gemeengoed is geworden. Het gaat immers om anders samengestelde mortels en een andere wijze van voegwerkherstel. Nu het ‘Totaalonderzoek Vochtproblematiek massief metselwerk (monumenten)’ met de genoemde rapportages is afgesloten, zal de verdere aandacht zich richten op het verspreiden van de opgebouwde informatie onder alle bij monumenten betrokken instanties en personen. Met name ook de aannemers en voegers zelf, die moeten wennen aan een andere denken werkwijze! Het onderzoek ‘Herstelvoegmortels voor Historisch Metselwerk’ werd verricht door dr ir C.J.W.P. (Caspar) Groot, J.T.M. (Jos) Gunneweg. Mevr. Aga Visbeen verleende op een waardevolle wijze assistentie bij vele van de experimenten. Het onderzoek ‘Herstelvoegmortels’ is volledig gefinancierd door de provincie Zuid-Holland. U ziet op de eerste pagina ook de logo’s van de andere sponsoren van het totaalonderzoek. Ook al sponsort men een deelonderzoek, men wordt geacht aan het totaal te hebben meegewerkt. De begeleidingscommissie bestond bij dit onderzoek uit de heren ing. J. (Jan) Hofstra en H.B.T. (Herman) Sangers (molenconsulenten prov. Zuid-Holland), ir M. (Michiel) van Hunen (Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed), R. (Rob) Crèvecoeur (v.h. Centraal Lab. ICN, nu Atelier Amati Epe), J. (Jan) Kneppers (lid Vakgroep Restauratie), ir M. (Maarten) Brouwers (Rijksgebouwendienst), P. J. (Piet) Drop (Heijmans Restauratiewerken), ing. G. A. (Gerard) Westenbroek (Kon. Verbond van Nederlandse Baksteenfabrikanten), B. J.M. (Bennie) Franken (Monumentenwacht Nederland) en ir A.F. (Arnold) van der Ree (voorzitter). Daarnaast werden, afhankelijk van het onderwerp, ad-hoc deskundigen uit het restauratieveld uitgenodigd om in de vergaderingen een inbreng te leveren. Deze zijn vermeld op de colofonpagina onder de noemer ad-hoc leden en informanten.




Zoals gezegd is het Totaalonderzoek nu aan een afronding gekomen. In 2005 verscheen de eerste rapportage ‘Kwaliteitseisen Restauratiebaksteen’, in 2007 ‘Kwaliteitseisen Metselmortels in Kalk’ en in februari 2011 de rapportages ‘Detectie’ en ‘Injectie’. In 2012 zijn dat ‘Bouwkundige detailleringen bakstenen windmolens’, ‘Voegherstelmortels’, ’Transversaalscheuren’, ‘Inboetwerk’ en ‘Uitvoeringswijze voegwerkherstel’. De onderzoeken zullen mogelijk leiden tot nieuwe richtlijnen of aanbevelingen. Een door de Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed begeleide commissie zal zich hiermee belasten.

Arnold van der Ree Voorzitter begeleidingscommissie




Samenvatting In dit rapport worden de resultaten gepresenteerd van laboratorium onderzoek aan voegherstel mortels; een en ander in de context van praktijkervaringen opgedaan bij hervoegprojecten van historisch ‘zacht’ metselwerk.

Met zacht metselwerk wordt bedoeld in kalkmortel opgetrokken zwaar regenbelast massief, veelal zoutbelast, metselwerk (c.1300-1850; Kastelen, kasteelruïnes, stadspoorten, bakstenen molenrompen, kerkgebouwen en kerktorens tot aan de Neogotiek etc.) Het onderzoek was gericht op de ontwikkeling van voegherstelmortels geschikt voor (zoutbelast) zwaar regenbelast historisch metselwerk - naast bakstenen molens, ook kerktorens e.d. -, en heeft een breed toepassingskader. Specifiek voor het onderzoek is dat het over voegherstelmortels gaat die in relatief ‘zacht’ metselwerk worden aangebracht: dat wil zeggen metselwerk met meestal mechanisch zwakke (luchtkalk) legmortels en zwak tot matig sterke (bak)stenen. Zwak wil niet zeggen dat dergelijk metselwerk niet duurzaam zou zijn. Er zijn voorbeelden genoeg van metselwerk dat zonder restauratiebeurten de eeuwen heeft getrotseerd. Het onderzoek is opgezet vanuit een inventarisatie en analyse van schadegevallen, die opgetreden zijn vaak kort na het aanbrengen (5-10 jaar) van een voegherstelmortel. De drie belangrijkste typen schaden die aangetroffen werden zijn (i) vorstschaden, (ii) zoutschaden en (iii) schaden als gevolg van thermische spanningen. Bij de oplossing van de problemen als gevolg van schaden aan voegmortels valt het op dat naast materiaalkundige aspecten (materiaalkeuze van de voegherstelmortel) uitvoeringstechnische aspecten (de wijze van verwijderen van de voeg; de vorm, de diepte van het uithakwerk; de wijze van aanbrengen van de voeg; de aanbrengen uithardingscondities van het voegwerk) een nagenoeg even belangrijke rol spelen. In de rapportage worden aanbevelingen gegeven ten aanzien van de materiaalkundige en uitvoeringstechnische aspecten die tot een duurzame kwaliteit van voegherstelmortels aangebracht in ‘zacht’ historisch metselwerk kunnen leiden: materiaalkeuze aspecten  compatibiliteit tussen de mechanische en hygrische eigenschappen van de voegherstelmortels en die van het omliggende materiaal  aanbevelingen t.a.v. druksterkte, de waterabsorptie coëfficiënt, de thermische spanningscoëfficiënt, gedrag bij vries-dooi proef uitvoeringstechnische aspecten  aanbevelingen ten aanzien van de verwerkbaarheid van voegherstelmortels, diepte voeg (uithakwerk); voor verdere detaillering van de uitvoeringsaspecten wordt verwezen naar het rapport: ‘Uitvoeringswijzen inboetwerk – herstel transversaalscheuren – voegwerkherstel’.







Summary

This report presents the results of a laboratory research program on repointing mortars; the results are interpreted in the context of practical experience obtained with repointing projects in historic masonry. The research was focused on the development of repointing mortars appropriate to be used in (salt laden) historic masonry exposed to heavy rainfall. Examples are wind mills, church towers, castle towers etc, in fact a vast domain of historic massive masonry. Specific for this type of masonry is that the repointing mortars are applied in relatively ‘weak’ masonry: masonry with mechanically ‘weak’ air lime bedding mortars and weak to moderate strength of the (fired clay) bricks. However, ‘weak’ does not mean that the masonry is not durable: there are examples enough of ‘weak’ masonry structures which defied the centuries. The research is set-up starting with an inventory and analysis of damage cases concerning restoration of repointing often relatively recently performed (5-10 years ago). The three most important fields of damage observed are (i) frost damage (ii) salt damage (iii) thermal stress damage. Regarding the solution of repointing problems it is a striking to note that apart form materials aspects (materials choice for the repointing mortars) the quality of the execution technique (removing of the joint, form and depth of the joint, the tooling of the mortar into the joint, curing condition of the mortar) is a determining factor with regard to the durability of the repointing.

In this report recommendations are given on materials aspects and the execution technique with a view to a qualitative better durability of the repointing: materials aspects  there should be compatibility in mechanical and hygrical behavior between the new repointing material and the existing historic masonry material  recommendations are given on recommended ranges compressive strength, water absorption coefficient, thermal stress coefficient and freeze-thaw behavior execution aspects  recommendations are given with regard to the workability of the repointing mortar and the depth of the joint; for further details on the execution see the report ‘Execution techniques on brick replacement, cracks repair and repointing’




0.

Inleiding en Probleemstelling

VOEGREPARATIEMORTELS (projectvoorstel) *) *)

tekstgedeelten in “italic” (schuine tekst) zijn toevoegingen

Toepassingsgebeid Dit onderzoek heeft uitsluitend betrekking op: “zacht” metselwerk; waarmee wordt bedoeld in kalkmortel opgetrokken zwaar regenbelast massief, veelal zoutbelast, metselwerk (c.1300-1850; Kastelen, kasteelruïnes, stadspoorten, bakstenen molenrompen, kerkgebouwen en kerktorens tot aan de Neogotiek etc.).

Probleemstelling De laatste decennia is het gebruik van klassieke kalken kalktrasmortels als metselmortel en als mortel voor voegwerkherstel bij de restauratie van metselwerk van stenen molens en aanverwant klassiek massief metselwerk (m.n. ook kerktorens) verdrongen door de toepassing van cementgebonden mortels. Uit het praktijkonderzoek is gebleken dat daaraan grote nadelen kunnen kleven m.b.t. een gezonde vochthuishouding en evenals t.a.v. de duurzaamheid van het werk. De faalkosten zijn de afgelopen decennia aanzienlijk gebleken. Toch kan het toepassen van uitsluitend kalk als bindmiddel in veel gevallen tot problemen leiden (als gevolg van agressieve omgevingscondities) . Ook worden fouten gemaakt met de gradering van het voegzand. Vaak is ook onvoldoende rekening gehouden met de effecten van chloride- en sulfaatbelasting van de ondergrond. De drogingseigenschappen van de mortel die, zeker bij toepassing in eerder gehydrofobeerd werk, een centrale plaats behoren in te nemen, worden maar zelden als parameter meegenomen. Hetzelfde geldt voor de elasticiteit van de voegmortel en de thermische uitzettingscoëfficiënt. Het onderwerp voegherstelmortels in (zoutbelast) zwaar regenbelast metselwerk – naast bakstenen molens, ook kerktorens e.d. -, heeft een breed toepassingskader en is zeer complex gebleken. Een omvangrijk op EU-niveau uitgevoerd onderzoeksproject (zgn ‘Pointing Project’) heeft weliswaar een belangrijke aanzet gegeven tot een wetenschappelijke benadering van hervoegen van monumentale gebouwen, maar heeft nog niet geleid tot een direct in de restauratiepraktijk toepasbaar eindresultaat. Ook de in RILEM verband gebundelde wetenschappelijke onderzoeken zijn zeer belangrijk maar behoeven nog een vertaalslag.

Doel van het onderzoek Het ontwikkelen van aan te bevelen voegmortels voor reparatievoegwerk als ‘platvol’ werk (geen snijvoeg), toepasbaar op een oorspronkelijke metselmortel in kalk of kalk-tras, waarbij naast kalk in bescheiden dosering evt. andere bindmiddelen (tras / traskalk, portlandcement, hoogovenslakgranulaat) worden toegevoegd om resistentie te verkrijgen tegen chloride- of sulfaatbelasting en met een passende gradering van het voegzand i.v.m. de gewenste zouttransporterende eigenschappen. Hierbij wordt ook de verwerkbaarheid nagegaan en de toepassing van een gesorteerd éénkorrelig zand (een extreme gradering die gunstig is voor porositeit en droging).




Op basis van de gevonden uitgangspunten worden eisen geformuleerd, die aan pre-fab restauratiemortels moeten worden gesteld.

‘De eisen te stellen aan prefab restauratievoegmortels, de aan te bevelen bouwplaatsgemengde voegmortelrecepturen met de eisen aan de mortelstoffen, de verwijzing naar genormaliseerde testmethoden en/of beschrijving van speciale testprotocellen, alsmede een definitie van het minimaal te verrichten vooronderzoek worden opgenomen in een als apart document te publiceren ‘Bouwstenen voor de Richtlijn restauratievoegmortels voor zwaar regenbelast massief metselwerk van muren gemetseld in kalkmortels’.

Wijze van onderzoek Algemeen Om zoveel mogelijk praktisch toepasbare resultaten te kunnen boeken is het onderzoek in een praktijkcontext geplaatst; dat wil zeggen dat de keuzen die voor het onderzoek zijn gedaan ten aanzien van keuzen van materialen en toe te passen laboratoriumonderzoekmethoden zoveel mogelijk geïnspireerd zijn door praktijkervaringen. Eerst is een literatuuronderzoek gedaan waarin de praktijkwaarnemingen werden verwerkt. Hierbij bleek dat, in samenhang met poriestructuur en hardheid, voldoende kennis aanwezig is omtrent chemische en mechanische resistentie van bindmiddelen in restauratievoegmortels. Laboratoriumtests hierop werden achterwege gelaten en vervangen door aanvullende experimenten om te komen tot passende druksterktebepalings-protocollen voor traag uithardende mortels. De in het programma voorziene PFM onderzoek naar de kwaliteit van het hechtvlak werd vervangen door een fotografische en metrische vastlegging van de krimpspleet van voegen ingezet in sleufsparingen gezaagd in bakstenen. Het onderzoek heeft als einddoel het formuleren van aanbevelingen die bij kunnen dragen aan de verbetering van de kwaliteit van het voegwerk voor erfgoedmetselwerk. Laboratoriumonderzoekingen Het onderzoek dient te zijn toegespitst op  ‘verwerkbaarheid’ (aan proefmuurtjes; ook ‘eenkorrelig zand’)  ‘krimp’  ‘porositeit’, (bepaling vrijwillige wateropneming 48u)  voegzandgradering (voor ‘platvol’ werk)  hygrisch gedrag in de muur (getest aan proefstukken, gezaagd van proefmuurtjes, de baksteen wel en niet waterdicht gecoat: simulatie effect hydrofobeerbehandeling)  verbeterde testprotocollen Na evaluatie waarschijnlijke geschiktheid:  ‘poriegrootteverdeling (‘kwikporosimetrie’ microlab CiTG )  ‘hygrische zwelling en krimp’  ‘E- modulus’  ‘carbonatatiediepte’  ‘vorstbestandheid’ (aangepaste test en 2 reeksen proefstukken, de baksteen niet en wel waterdicht gecoat (niet uitgevoerd)  ‘chloride- en sulfaatresistentie’  ‘kwaliteit hechtvlak’ (PFM onderzoek).




Consultaties met uitvoerende bedrijven

Om een zo breed mogelijk draagvlak voor de implementatie van de resultaten van dit onderzoek te verkrijgen werden enkele ervaren restauratievoegers, waarvan enkele directeur van een voegbedrijf, als ad-hoc leden gevraagd de behandeling in de begeleiding van de concept rapportage bij te wonen. Ook werden afzonderlijk besprekingen gevoerd met de bestuursleden van ‘Het Gevelgilde’, de vakgroep van erkende restauratievoegbedrijven. Naar aanleiding van deze besprekingen werden ter verduidelijking enkele aanvullingen in de tekst geplaatst, met name een zo scherp mogelijke definitie van de toepasbaarheid van de onderzoeksresultaten bij zwaar regenbelast mogelijk zoutbelast ‘zacht metselwerk’. De vuistregel voor de uithakdiepte werd genuanceerd zonder dat het uitgangspunt in principe werd gewijzigd.

Overleg m.b.t. aanpassing SBR-CUR 61 Samen met de vertegenwoordiger van de RCE werd door de onderzoekers een gesprek gevoerd met de rapporteur van de commissie die een wijziging van de SBR – CUR 61 aanbeveling Het voegen van Metselwerk (1998) (zie hierna, hoofdstuk 1) voorbereidt. Met hem werd besproken de wenselijkheid dat het artikel 2 van deze aanbeveling, ‘toepassingsgebied’ zodanig wordt gewijzigd dat daar de term ‘restauratie’ uit wordt geschrapt. De rapporteur zegde toe bereid te zijn dit aan de commissie voor te leggen. Hier ligt verder geen taak meer voor de onderzoekers.




1.

Literatuuronderzoek en praktijkwaarnemingen

Context In historisch metselwerk zijn bij de bouw over het algemeen ‘zachte’ mortels toegepast. Luchtkalk, hydraulische kalk of luchtkalk in combinatie met een puzzolaan materiaal zoals tras werden daarbij in het verleden meestal als bindmiddel gebruikt. Deze bindmiddelen harden op een andere manier uit dan de nu gebruikelijke Portland cement mortel. Zo hardt luchtkalk (Ca(OH)2) uit door binding van koolzuur (CO2) uit de lucht (het snelst onder vochtige omgevingscondities) waardoor kalksteen (CaCO3) ontstaat. De beste uithardingscondities voor een snelle carbonatatie zijn afwisselend nat en droog. Hydraulische kalk hardt daarentegen in belangrijke mate uit onder invloed van water (net zoals portlandcement), maar de reactie gaat veel langzamer dan bij portlandcement. Dit is ook het geval bij tras (in combinatie met luchtkalk). Dit onderzoek heeft betrekking op het hervoegen van in kalkmortels gemetseld oorspronkelijk doorgestreken metselwerk in baksteen of natuursteen of het hervoegen van eerder hervoegd, in kalkmortels gemetseld oorspronkelijk doorgestreken werk. Het voegtype is: ‘platvol’. Historisch metselwerk met andere karakteristieken valt uitdrukkelijk buiten het onderzoeksgebied.

1.1 Inleiding

De schade die hervoegen van massief metselwerk in heel Europa de afgelopen decennia te zien heeft gegeven aan historische muren is de drijvende kracht geweest achter het tot stand komen van een reeks wetenschappelijke onderzoeken met het doel oorzaken van fouten te achterhalen en de richting aan te geven voor verbeteringen. De belangrijkste waren wel die in het kader van het met Europese subsidie uitgevoerde, in november 2001 voltooide project Maintenance of pointing in historic buildings; Decay and replacement; (EC Environment Programme ENV4-CT98-706), hierna aangehaald als het Pointing Project en de onderzoeken uitgevoerd door de bij de RILEM TC Repair Mortars for Historic Masonry aangesloten wetenschappers en instituten, die in syllabi van RILEM workshops zijn gepubliceerd. - Pointing Project In het rapport van het Pointing Project wordt na een algemene inleiding ondermeer aan de hand van casussen een beeld gegeven van vorstschade aan legmortel en voegmortel en mogelijke reparatiewijzen en wordt de schade aan voegmortels door zouten en het toepassen van incompatibele mortels behandeld. Ook wordt ingegaan op de esthetische compatibiliteit van voegwerk en de relatie tot het cultuurwaarde aspect. Voorts worden de resultaten gegeven van een aantal laboratoriumonderzoeken. Ondermeer wordt gerapporteerd over een onderzoek betreffende de invloed van voegmortels op het vorstschaderisico en op schade door expansieve zouten in relatie tot vochttransport. Met behulp van NMR metingen wordt vastgesteld dat bij een cementvoeg over een kalkgebonden metselmortel droging minder via de voeg maar sterker via de steen plaats vindt. Waardoor bij zoutbelast metselwerk er door crypto-florescence, schade aan de steen kan ontstaan. Ook worden de mechanische aspecten onderzocht, met name hechting van hervoegwerk en de invloed van thermische uitzetting. Het onderzoeksrapport wordt afgerond met een hoofdstuk getiteld ‘Ideaal Hervoegen (in monumenten)’ en een hoofdstuk ‘Vereisten’ waarin een overzicht wordt gegeven van de eisen waaraan compatibele hervoegmortels moeten voldoen. Ondermeer wordt een globaal overzicht gegeven van toe te passen bindmiddelen in relatie tot compatibiliteitseisen. In de hierna volgende paragrafen zullen enkele deelonderzoeken uit het ‘ Pointing Project’ nader worden betrokken onder vermelding van de titels van de papers en de desbetreffende auteursnamen.




Figuur 1.1.1 Extreem voorbeeld van bevochtiging en droging bijna volledig via de steen bij cementgebonden voegmortel in zoutbelast metselwerk aan de kust (foto: groot gunneweg delft) Dit omvangrijke onderzoek levert een aantal belangrijke nieuwe gezichtspunten op, samengevat in [paper 6.4, K.E.P. van Balen, L.J.A.R. van der Klugt, M.P. Luxán, F.Dorrego; ’Vereisten’] waarin een overzicht wordt gegeven van de eisen waaraan compatibele hervoegmortels moeten voldoen zoals de eis [paper 6.4] dat de voegmortel droging van de metselmortel mogelijk moet maken. In paper 5.6 worden de resultaten weergegeven van droogproeven van proefstukken met verschillende legmortel/voegmortel combinaties. De belangrijkste waarnemingen in de context van dit onderhavige onderzoek zijn: - legmortel kalkgebaseerd, waarover portlandcementvoeg, droging hoofdzakelijk via de steen - legmortel kalkgebaseerd, waarover kalkgebaseerde voeg, droging gelijkmatig via zowel de voeg als de steen. M.a.w. cement over kalk blokkeert de droging via de voeg. Voor weerstand tegen zure regen worden echter 1 op 1 de aanbevelingen in de CUR AA 61- Het voegen van metselwerk’, 2e druk 1998, overgenomen die in het kort neerkomen op ‘hard en dicht’, zonder dat vermeld wordt dat dit strijdig kan zijn met de mechanische compatibiliteit en in tegenspraak is met het eerder geformuleerde uitgangspunt dat de voegmortel droging van de metselmortel mogelijk moet maken. De vertaling van de afzonderlijke onderzoeksresultaten in dit slothoofdstuk is verder nog te globaal en de eisen te stellen aan restauratie voegmortels worden niet vertaald in van getalswaarden voorziene verifieerbare parameters waardoor deze samenvatting een globaal en lastig in de praktijk toepasbaar karakter houdt. - RILEM De binnen de genoemde RILEM commissie Repair Mortars for Historic Masonry gepubliceerde onderzoeksresultaten handelen over meer dan alleen voegmortels maar voor zover voegmortels betreffende zijn daar in het kader van dit onderzoeksproject bijzonder van belang de RILEM Pro 12 de onderzoeksverslagen van de RILEM International Workshop 1999 Paisley Scotland.




Op een aantal van de daarin gerapporteerde onderzoeken zal later in dit onderzoeksrapport nader worden ingegaan. Literatuur - ‘Maintenance of pointing in historic buildings; Decay and replacement’ EC Environment Programme ENV4-CT98-706, november 2001 ; met inbreng van een aantal door geheel Europa verspreide universiteiten en onderzoeksinstituten. Coördinerend auteur R.P.J. van Hees, TNO Nederland

[paper 6.4, K.E.P. van Balen, L.J.A.R. van der Klugt, M.P. Luxán, F.Dorrego; ’ ‘Vereisten’]

- RILEM Proceedings International Workshop 1999 Paisley Scotland ed. P.Bartos, C.Grooot, J.J.Huges. - Proceedings Historic Masonry Conferences: HMC08, Lisbon en HMC10, Prague

1.2

Eisen bij het toepassen van (her)voegmortels in erfgoedmetselwerk *)

*) De teksten in dit hoofdstuk komen uit de RILEM-publicatie “Requirements for repointing mortars for historic masonry” [Paper for Materials & Structures journal. 2012, in preparation]

Algemene technische eisen

Hervoegen mag geen negatieve effecten hebben op de duurzaamheid van het bestaande metselwerk. 

De reparatiemortel moet compatibel zijn met bestaande metselstenen en mortel en/of met de originele mortel. Met compatibel wordt in algemene zin bedoeld dat de reparatiemortel niet de oorzaak van schade in het originele metselwerk mag zijn/worden. In praktische zin komt het er op neer dat de mechanische en hygrische eigenschappen van de reparatiemortel zich in de buurt van de bestaande metselstenen en mortel moeten bevinden. Grote verschillen in eigenschappen tussen reparatiemateriaal en bestaand materiaal leiden vaak tot schade; bij grote variatie in eigenschappen dient men bij de reparatiemortel te kiezen voor compatibiliteit met het zwakste en meest poreuze omgevende materiaal.



De (her)voegmortel dient opofferend te zijn. Het is zinloos om een zeer duurzame (her)voegmortel toe te passen die ofwel schade veroorzaakt in de legmortel en/of in de metselstenen. Als er schade optreedt dan moet dat plaatshebben in de (her)voegmortel die gemakkelijker te vervangen is dan de legmortel of de metselsteen.



Extra zorg moet worden besteed aan het hervoegen van historisch kalkmortelmetselwerk dat aan vorst kan worden blootgesteld. Er een risico van vorstschade in de legmortel direct achter de (her)voegmortel, tenzij de (her)voegmortel een uitstekend droginggedrag vertoont.



De (her)voegmortel dient geen spanningsconcentraties in de muur te veroorzaken. Gebruik een mortel niet sterker dan nodig om aan mechanische en duurzaamheidvereisten te voldoen.



De hechting tussen steen en mortel moet lager zijn dan de treksterkte van de metselsteen.



Er dienen geen schadelijke zouten in de mortel te worden verwerkt.



De mortel dient het drogen van het metselwerk via de voegen te bevorderen (bij hoog vochtgehalte gebeurt dit eerst door capillair vochttransport en vervolgens door damptransport in combinatie met capillair transport). Dit is vooral belangrijk in metselwerk met dichte metselstenen. Via de mortel kan het metselwerk “ademen”. De richting van het capillaire vochttransport dient te zijn van metselstenen




naar mortel, zodat zouten van de steen naar de mortel kunnen migreren (zouten kunnen aanleiding zijn tot schaden als verkruimeling of het afspringen van stukken)

SBR – CUR 61 aanbeveling ‘Het voegen van Metselwerk (1998)’ Deze aanbeveling is voortgekomen uit een eerdere versie die in 1993 is opgesteld. De aanleiding was schade in nieuwbouwvoegwerk (spouwmuurbouw, cementmortels, dillatatievoegen) door zure regen of uitloging. De uitkomst was, kort samengevat, maak de voeg zo hard mogelijk, deel de hardheid in drie klassen die gerelateerd zijn aan een toepassingsklasse en controleer de hardheid met de voeghardheidsmeter. Hoe harder Hoe Beter! Wat verwonderlijk was, dat deze uitgangspunten met zoveel woorden ook toepasselijk werden verklaard, niet alleen op nieuwbouw en renovatie, maar ook op restauratievoegwerk ! Hiermee werd al het metselwerk van 1300 – heden, massief en spouwmuur, zacht en hard, op één hoop geveegd en werd totaal voorbij gegaan aan het aspect ‘compatibiliteit’. De herziening die tot de huidige richtlijn na 1998 leidde bracht daar, hoewel ook in die jaren al wetenschappelijk onderzoek was gedaan naar schade in historisch metselwerk, door toepassing van CUR-61 achtige harde voegmortels, geen verandering in. In de tekst 1998 staat letterlijk:

Artikel 2 Toepassingsgebied: De aanbeveling is van toepassing op metselwerk bij nieuwbouw, restauratie – en renovatiewerk. Volgens deze lijn geredeneerd valt het in het onderhavige onderzoek behandelde zwaar regenbelaste maar ‘zachte metselwerk’ in toepassingsklasse I: ‘werk niet afgeschermd tegen weer en wind’ en daarmee in de hoogste voeghardheidsklasse VH4 ! De actuele uitgangspunten voor restauratievoegwerk luiden heel anders en zijn onder meer geformuleerd door de RILEM. Waarbij compatibiliteit het sleutelwoord is. Ze zijn in de hierna volgende paragraaf ‘1.2 ‘Eisen bij het toepassen van (her) voegmortels in erfgoedmetselwerk’ samengevat. In de praktijk blijkt dat voegersbedrijven die in hoofdzaak restauratie doen, zich van deze frictie zeer goed bewust blijken te zijn en de CUR 61 en de voeghardheidsmeter terzijde leggen. Voegbedrijven die in hoofdzaak nieuwbouw en renovatie doen en zich incidenteel met restauratie bezig houden – en dat zijn er recent, gezien de slappe nieuwbouwmarkt steeds meer – houden zich, omdat ze niets anders kennen echter wel vast aan de CUR 61. Ook bij architecten die zich slechts incidenteel met restauratie bezig houden, treft men deze wijze van voorschrijven wel aan, evenals bij sommige adviseurs. Voor de CUR-61 aanbeveling is thans een herziening in bewerking die in de loop van 2012 zal verschijnen. Hier ligt een kans om dit te doorbreken. Het is van groot belang dat de RCE zich wendt tot de commissie die deze herziening voorbereidt om te instigeren dat het artikel 2 toepassingsgebied zodanig wordt gewijzigd dat daar de term ‘restauratie’ uit wordt geschrapt. Verder zou het van belang zijn dat daar tegenover de algemene eisen voor restauratievoegwerk zoals die in de volgende paragraaf zijn vermeld en de nadere eisen voor zwaar regenbelast massiefmetselwerk in kalk (zacht metselwerk) met oorspronkelijk doorgestreken voegen, zoals uit dit onderhavige deelonderzoek naar voren komen, door de RCE ruim worden gecommuniceerd met de restauratiesector.




Niet alleen uitvoerende bedrijven, ook architecten, vakspecialisten bij overheidsdiensten, opleidingsinstituten, mortelproducenten en dergelijke. English Heritage Practical Building Conservation – Mortars, renders & plasters Dit standaardwerk is een praktijkboek voor de restauratie van massief monumentaal metselwerk in de Angelsaksische landen. Het geeft via een heldere verdeling van de metselwerkkarakteristieken de conditie en de vochtbelasting van de muur weer in totaal 8 verschillende mortelrecepturen waaruit voor de desbetreffende situatie de van toepassing zijnde keuze kan worden gemaakt. Het betreft mortels op basis van luchtkalk, puzzolane mortels (luchtkalk + tras of metakaolin) of natuurlijke hydraulische kalk. Portlandecement of hoogovencement komen in deze recepturen niet voor. Literatuur

- SBR CUR 61 aanbeveling Het voegen van Metselwerk; Stichting CUR, Gouda, mei 1998 - Herziening CUR 61 aanbeveling, CUR Bouw & Infra pdf. brochure - Henry, A. en Stewart, J.; ‘ English Heritage Practical Building Conservation – Mortars, renders & plasters’, Ashgate, 2011




1.3

Technische Comptabiliteitsaspecten en Duurzaamheid

*)

Compatibiliteit: eigenschappen restauratiemortel moeten passen bij het historische materiaal en daar geen schade aan toebrengen = duurzaamheid van de hele muur Duurzaamheid: hoge intrinsieke weerstand van het mortelmateriaal zelf tegen verweringsomstandigheden = duurzaamheid van de voeg op zich! Schijnbare tegenstelling: intrinsieke duurzaamheid voeg gaat vaak ten koste van de duurzaamheid van de muur als geheel! Compatibiliteit en duurzaamheid betreffen de uitgeharde fase; daaraan voorafgaand van belang:

UITVOERING

- verwerkbaarheid - samenhang + plasticiteit (bij weinig water, want voegmortel) (beoordeling praktijkproef door voeger) -

- nabehandeling - gevoeligheid voor uitdrogen/ evt. noodzaak nabevochtigen (aard van het bindmiddel)

afbindtijd

- verwerkbaarheid - samenhang + plasticiteit (bij weinig water, want *) voegmortel) (cijfer praktijkproef voeger) Naast technische compatibiliteit spelen andere overwegingen een rol bij een verantwoorde - afbindtijd restauratiepraktijk. Te noemen zijn principes van authenticiteit, conceptuele en functionele vereisten Voor een nadere uitwerking hiervan wordt verwezen naar de RILEM publicatie: Groot, C.J.W.P., Ashall, G. and Hughes, J. (2005), RILEM Report 28: Characterisation of Old Mortars with Respect to Their Repair, in Groot, C.J.W.P., Ashall, G. and Hughes, J. (eds), RILEM website.




Technische eisen aan de reparatiemortel te stellen, rekening houdend met eigenschappen van omliggende materiaal (compatibiliteit met het omliggende materiaal) worden in tabel hieronder weergegeven

UITGEHARDE FASE

COMPATIBILITEIT •

mechanisch

•

hygrisch

Mechanisch Druksterkte / buigtreksterkte / vervormbaarheid (e-modulus) / hechting aan ondergrond / reversibiliteit / opofferingsgezindheid (geen maat voor; inschatting)

Hygrisch open porositeit (VW 48u) /capillaire waterabsorptie coëfficiënt / droogeigenschappen / dampdoorlatendheid (dampdiffusieweerstands – coëfficiënt; niet belangrijk z. droogeigenschappen)

Mechanisch •

fysisch

•

chemisch

Fysisch Druksterkte / buigtreksterkte / vervormbaarheid (e-modulus) / hechting Vorstbestandheid / risico vorstschade aan ondergrond / voeg reversibiliteit / aan legmortel / opofferingsgezindheid (geen maat voor; inschatting) hygrische uitzetting / thermische uitzetting / krimp

Chemisch Resistentie tegen expansieve zouten uit de ondergrond / Resistentie van het bindmiddel tegen chemische reacties van aanwezige zouten stschade aan legmorte /

•

esthetisch

hygrische uitzetting / thermische uitzetting Esthetisch / krimp Kleur / structuur / textuur




Deze ~ 20 parameters zijn de technische aspecten waar bij het ontwerp van een mortelreceptuur of keuze prefab mortel rekening mee moet worden gehouden. Het is onmogelijk dat een mortel aan al deze comptabiliteitseisen voldoet. Sommige zijn bovendien tegenstrijdig. Met name bij sterk zoutbelast werk kan de eis “duurzaam zoutbestande voeg” leiden tot een uit oogpunt van mechanische compatibiliteit onverantwoord harde mortel met dito te hoge E-modulus waarde. Afhankelijk van situatie moet een rangorde (prioriteitstelling) worden bepaald. Ook niet alle parameters zijn van even groot belang, zoals uit het laboratoriumonderzoek zal blijken.




1.4

Ademen of afsluiten

Uit wetenschappelijk onderzoek is bekend dat voegmortels in de restauratie, in tegenstelling tot wat werd gedacht, niet moeten afsluiten maar moeten ADEMEN. Vooral in Groot Brittannië en Schotland is veel onderzoek gedaan naar het verschil in effecten en levensduur van ademende versus afsluitende materialen, die alle het principe van ‘ademende’ materialen ondersteunden. Daarin is ‘ademen’ gedefinieerd als het vermogen van een materiaal om vocht dat in muren is doorgedrongen te laten drogen aan het oppervlak [RILEM Pro 12 Int. RILEM Workshop on historic mortars; May 1999 ‘Breathing’, a relationship between hydraulicity and permeability of hydraulic lime; PFG Banfill and AM Foster Heriot Watt University Scotland]. Wij breiden deze definitie uit als volgt:

Ademen is het vermogen van een materiaal om vocht dat in muren is doorgedrongen te laten drogen aan het oppervlak en bij regen zo weinig mogelijk vocht toe te laten. Waarom ‘drogen’ als je door ‘afsluiten’ kunt voorkomen dat de muur ‘nat‘ wordt? Omdat eeuwenoud massief muurwerk, met name dat wat in het verleden met niet compatibele materialen werd hersteld, een scala aan inhomogeniteiten bevat, die met elkaar in verbinding een weg vormen waardoor het regenwater van buiten naar binnen in een gebouw dringt. Dit kunnen zijn scheuren en scheurtjes, veroorzaakt door thermische spanningen of ongelijkmatige zettingen in de ondergrond, holten en spleten veroorzaakt door niet vol- en zat metselen etc. Sommige zichtbaar, de meeste met het blote oog niet waarneembaar, zoals de materiaalovergangen metselmortel-steen, voegmortel-steen. Reeds in poriën en spleten > 100 µm ( = 0,1 mm) kan water zich verplaatsen door VRIJE stroming waardoor bij slagregen (regen + winddruk) en door de zwaartekracht water in de muur komt en door capillaire werking in het poreuze materiaal van baksteen en mortel wordt opgenomen.

Dat oud metselwerk bij regen ‘droog blijft’ is een illusie. Dus moet, met name de voeg, zodra de regen ophoudt, het mogelijk maken dat de muur droogt. De voeg moet ‘ademen’. Afsluiten werkt averechts. Om na te gaan welke eigenschappen een voeg(mortel) moet hebben om te ademen is een beschouwing over de fysische mechanismen van vochtopname en droging nuttig. Het gaat hierbij in het bijzonder om hygrische aspecten als porositeit en poriegrootteverdeling. In het algemeen geldt dat capillair vochttransport bij goed hydraulisch contact tussen poreuze materialen verloopt van een materiaal met grove poriën naar een materiaal met fijne poriën.




De porositeit en poriegrootteverdeling van baksteen kan per bouwwerk en met name bij oudere gebouwen waar in de muren een grote spreiding van baksteeneigenschappen voorkomt, zelfs per muur, grote verschillen vertonen. Het is niet realistisch dat daarnaar via kostbare analysetechnieken onderzoek gedaan wordt. Wel kan op eenvoudige wijze via hygrische proeven de zgn. ‘open porositeit’ worden bepaald. Dit kan ook op een eenvoudige manier aan brokken ongeschonden metselmortel worden gedaan. Op grond van bovenstaande kunnen we tot een meer algemene regel komen. ‘ademende hervoegmortels’ dienen: (i) voldoende fijne poriën te hebben aangevuld met een aandeel grovere poriën (i.v.m. vorstbestandheid) (ii) een totale open porositeit te hebben, die in ieder geval groter is dan die van de er achter liggende metselmortel. Dit zijn twee parameters die voor de oude mortel aan een monster en voor een reparatiemortel aan een mortel uitgehard tussen stenen met een opzuiggedrag vergelijkbaar met het te hervoegen metselwerk, zijn vast te stellen.

Literatuur Banfill, PFG and Foster, AM, ‘A relationship between hydraulicity and permeability of hydraulic lime”; RILEM Publication Pro 012 Int. RILEM Workshop on historic mortars 1999 (zie RILEM Website).




1.5

Bouwschadelijke zouten en receptuur voegherstel mortels

1.5.1 Algemeen

In oudere bouwwerken kunnen zouten worden aangetroffen die er door volumevergroting ten gevolge van kristallisatie met H2O of het aangaan van een chemische reactie met het bindmiddel, oorzaak van kunnen zijn dat de voeg degradeert of wordt uitgedrukt. Daar is altijd vocht bij nodig. Zonder vochttransport geen schade, de zouten zijn dan ‘immobiel’. - directe fysische schade Het meest voorkomend is de directie fysische schade die optreedt op een moment dat een oververzadigde zoutoplossing bij droging uitkristalliseert in een opvangruimte, waarbij de zouten in oplossing een kleinere ruimte innemen dan in de uitgekristalliseerde vorm. Dit kan tot hoge drukken leiden ( zie o.a. Hens in ‘Toegepaste Bouwfysica’). Ook kunnen bepaalde zouten met H2O hydrateren wat eveneens tot hoge drukken kan leiden. Indien de zoutoplossing door de poriën het voegoppervlak kan bereiken (1e droogfase) bloeien de zouten op het oppervlak uit. Dit is alleen een esthetisch probleem, niet mechanisch en bovendien tijdelijk, want de regen spoelt de zouden af. Wanneer er echter een vochtfront in het materiaal ontstaat (2e droogfase, zie figuur 2.3.3) vindt de kristallisatie onder het oppervlak plaats: krypto-uitbloeiing. Dit kan wèl schade opleveren, het uiteendrukken van de mortel. Vindt de krypto-uitbloeiing plaats in het grensvlak voeg-metselmortel, dan kan de voeg worden uitgedrukt.

Figuur 1.5.1 Schade door krypto-uitbloeiing NaCl (zeezout) aan het steenoppervlak (zie de deuken, veroorzaakt door afgesprongen stukken steen), in kalkzandstenen muurtje van schuur bij boerderij die bij de watersnoodramp in 1953 maanden in het zeewater heeft gestaan (foto: groot gunneweg delft)




Als het zouttransport niet voldoende via de voeg kan plaatsvinden kan ook bij zwakkere stenen kryptouitbloeiing in de steen plaatsvinden met verpulveren van het steenoppervlak tot gevolg. - indirecte fysische schade Vorstschade als gevolg van de aanwezigheid van zouten kan ontstaan doordat hygroscopische zouten ervoor zorgen dat de muren moeilijker drogen en het vochtgehalte dus voor langere periodes hoog blijft (hierbij is een tegenovergesteld effect dat als gevolg van de aanwezigheid van zouten het vriespunt daalt). De aanwezigheid van de zouten wijzigt ook het poriënsysteem. Grote poriën in de voegen versmallen en fijne poriën slibben dicht [WTCB gids voor restauratie van metselwerk] . Ook kan door een blijvend hoog vochtgehalte van het sterk zoutbelaste werk, een chemische reactie ontstaan tussen de zouten en het bindmiddel van de metselmortel, waarbij sterk volumevergrotende minerale verbindingen kunnen ontstaan als thaumasiet, die dermate hoge hydratatiedrukken kunnen opleveren dat er scheuren in het metselwerk ontstaan. [Van Hees, Wijffels, VD Klugt , Pointing Project , paper 5.7 Thaumasite

swelling in Mortars]

- chemische aantasting Chemische reacties van zouten, met water als transportmiddel en katalysator, met het bindmiddel van de mortel kunnen er toe leiden dat de mortelmatrix uiteenvalt. Of dit al dan niet kan geschieden hangt af van de aard en de concentratie van het zout / de zouten, de aard van het bindmiddel in de mortel en van de thermische en hygrische belastingswisselingen. Dus aan de oostzijde van een gebouw nauwelijks, aan de westzijde meer schade.

1.5.2 Om welke zouten gaat het? Het betreft in hoofdzaak chloriden, sulfaten en nitraten van calcium, magnesium en natrium. Minder voorkomend zijn fosfaten. Het Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf in België (WTCB) heeft het onderstaande overzicht gemaakt van zouten die in bouwmaterialen kunnen voorkomen.

Tabel 1.5.1 Hygroscopisch gedrag bij relatieve luchtvochtigheid van 20 0C

Bron: WTCB gids voor restauratie van metselwerk. Aanvulling t.a.v. van de chloriden: Roel Hendrickx van het KIK meldt dat het dooizout in België ook hoofdzakelijk uit KCl kan bestaan




Niet genoemd zijn de vorming van ettringiet en thaumasiet, beide zeer sterk zwellende verbindingen waarover met name [Van Hees, Wijffels, VD Klugt, Nijland , TNO] hebben gerapporteerd. Ettringiet kan ontstaan door een reactie van natriumsulfaat of kaliumsulfaat (vanuit een externe bron of vanuit de bakstenen) met aluminiumoxide (Al 2O3) in het bindmiddel, een sterk volumevergrotende verbinding, waarna in een later stadium gips Ca(SO4).2 H2O ontstaat. De vorming van thaumasiet is een exotisch verschijnsel dat zich slechts voordoet in bijzondere gevallen met name bij lage temperaturen (4-10 0C) gecombineerd met een permanent hoog vochtgehalte. Ook wanneer in de cement of in een natuurlijke hydraulische kalk weinig of geen Al2O3 voorkomt, kan thaumasiet worden gevormd. De volumevergroting van thaumasiet is dusdanig extreem dat er scheuren kunnen ontstaan in het metselwerk. (o.a. Moerputtenbrug, ’s-Hertogenbosch); [Hacquebord et al.

Syllabus WTA Studiedag Interventies en hun Consequenties; Drongen B ,13 nov 2009]

1.5.3. welke zoutbronnen onderscheiden we?

Genoemde verontreinigingen met zouten kunnen afkomstig zijn uit de volgende bronnen. - chloriden Kuststreken: aerosol in zeewind; vroegere inundatie of overstroming; uit de muur aan de basis van een gebouw dat tijdelijk in het zeewater heeft gestaan. Waarschijnlijk ook: gebruik van ‘brak’ aanmaakwater bij het metselen in steden met een haven in open verbinding met zee (men mag aannemen dat in de zomer het aanmaakwater voor de mortelbereiding zo met een emmer uit de haven zal zijn geschept, zeker wanneer in de zomer het schaarse regenwater in de regentonnen bij de huizen nodig was voor drinkwater). Langs de benedenrivieren ook wel in het grondwater. Ten slotte, dooizout.

Figuur 1.5.2 Kerktoren aan de kust, aantasting voeg in luchtkalk door zeezout (NaCl) (foto: groot guneweg delft)




- sulfaten Luchtvervuiling, uit het grondwater, uit de steen (indien op lagere temperatuur gebakken, anders keramisch gebonden). - nitraten Luchtvervuiling, vogeluitwerpselen, menselijke urine, dierlijke urine en mest (stal), kunstmest.

1.5.4 bepalen mate en aard van zoutbelasting Voor het ontwerpen van een receptuur voor een restauratievoegmortel is het noodzakelijk de mate en de aard van de zoutbelasting in de muur te kennen. Daartoe zijn er verschillende analysemethoden beschikbaar. Deze worden hieronder kort besproken waarbij ook de mate van toepasbaarheid in relatie tot de kosten wordt aangegeven.

- geleidbaarheidsbepaling Bij geleidbaarheidsmeting wordt met een conductiviteits- of weerstandsmeter de elektrische geleidbaarheid van alle ionen in een waterige oplossing gemeten (10 gr monster in 100 mL water). Zouten vallen vaak uiteen in een positief metaalion en een negatief zuurrest ion. Bv. NaCl, zeezout in Na + en Cl - . Ter voorkoming van electrolyse wordt gebruik gemaakt van wisselspanning in plaats van gelijkstroom. De geleidbaarheid wordt uitgedrukt in mS/m (millisiemens per meter) of μS/cm (microsiemens per cm). Voor bepaalde concentraties van zouten is met behulp van de geleidbaarheidswaarde de volgende klassering van de mate van zoutbelasting geformuleerd:

Voorbeeld geleidbaarheidsmeter (bron: www.gereisinger.de)



0 - 500 µS/cm

geen zoutbelasting



500 - 1100µS/cm

tussengebied, schade mogelijk



> 1100 µS/cm

zoutbelast werk

Door sommigen worden nog andere concentratieklassen gemaakt. Bijvoorbeeld, < 500 µS/cm, geen zoutbelasting, 500 – 1200 µS/cm , lichte zoutbelasting, 1200 – 2100 µS/cm , matig, 2100 – 4000 µS/cm hoog, > 4000 µS/cm, zeer hoog. De resultaten moeten als indicatief worden beschouwd: indicatief ten aanzien van de mate van zoutbelasting, omdat ook bindmiddelbestanddelen invloed hebben op de gemeten waarden; de proef geeft geen informatie over de aard van de zoutbelasting. Bij hoge zoutbelasting dient de aard van de zouten te worden bepaald (zie de beschrijving van de proeven hieronder) om tot verantwoorde keuzen tav restauratie-interventies te kunnen beslissen. Het is een betrekkelijk goedkope proef die wel op professionele wijze moet worden uitgevoerd.




- hygroscopisch vochtgehalte (HMC) en vochtgehalte bepaling (MC) Een andere manier om de mate van zoutbelasting vast te stellen is door het bepalen van het hygroscopisch vochtgehalte van een gruismonster. Deze proef wordt gewoonlijk gecombineerd met de bepaling van het vochtgehalte. Met de proeven wordt een indruk gekregen van vocht- en zoutverdeling in een muur (over hoogte en diepte). Bij deze methode kan onderscheid gemaakt worden tussen optrekkend en bijv. lekvocht. Ook is het mogelijk verschillende typen zouten te onderscheiden door het hygroscopisch vocht (bijv. in een klimaatkamer) bij verschillende RV te bepalen. De beoordeling van de proefresultaten ten aanzien van de mate van zoutbelasting wordt gedaan wordt door specialisten; er is geen classificatiesysteem. - kwalitatieve zoutanalyse Door middel van aantoningsreacties kan het geleidbaarheidsmonster op aanwezigheid van Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Chloriden, Sulfaten, Nitraten en Carbonaten worden onderzocht. Hier hangen geen getalswaarden aan. Het is een duurdere proef, die daarom meestal uitsluitend op het bij de geleidbaarheidsbepaling als sterkst belast gemeten monster wordt uitgevoerd. - kwantitatieve zoutanalyse Men kan met verdergaande analysetechnieken een verfijnde bepaling met behulp van atomaire absorptie spectroscopie uitvoeren op de massaconcentraties in mmol/kg en ‰ m/m van de diverse ionen. Dit wordt door sommigen wel aanbevolen maar voor het voegmortelontwerp is het meestal niet nodig deze relatief dure analyse te laten uitvoeren. - XRD of röntgendiffractie analyse Met röntgendiffractie of XRD analyse is het mogelijk om een samenstelling en identiteit te bepalen van een poedervormig monster. Hierbij worden geen ionen gemeten (elementen) maar kristallijne verbindingen, moleculen. De bepaling kan kwalitatief en - tot op zekere hoogte - kwantitatief zijn. In gevallen van exotische zoutbelasting kan het nuttig zijn een dergelijke analyse uit te voeren.

Figuur 1.5.3 Voorbeeld diagram XRD analyse (bron: TU Delft fac. 3ME, sectie S&C)




Zo is het bijvoorbeeld gelukt, bij een geval van onverklaarbare voegdegradatie aan nieuw werk, aluminium fosfaat hydraat Al (PO4 ) (H2O) 2.53 te identificeren, het reactieproduct van fosforzuur, H3PO4 dat vermoedelijk was achtergebleven uit een reiniging met een cementsluierverwijderaar. Deze verbinding maakt geen deel uit van een standaard kwantitatieve zoutanalyse. Voor het voegmortelontwerp is het in normale gevallen echter niet nodig om een XRD analyse te laten uitvoeren.

1.5.5 Zouten en bindmiddelkeuze De chemische reacties van aanwezige zouten met het bindmiddel in de mortel kunnen zeer verschillen al naar gelang de mineralogische samenstelling van het bindmiddel. Bij het wetenschappelijk onderzoek naar zoutresistentie van bindmiddelen ligt het accent op beton. Hierbij worden de verschillende cementsoorten wat hun mechanische eigenschappen betreft, als onderling verwisselbaar beschouwd: hoge sterkten, hoge E-moduli. Er is ook onderzoek gedaan met het oog op de restauratie van voegmortels. Opvallend daarbij is dat in de meeste gevallen de mechanische eigenschappen, en daarmee de mechanische compatibiliteit met de bestaande muur, niet wordt meegewogen. Dit kan met name bij de eenzijdige conclusie dat hoogovencement in de mortelrecepturen leidt tot chloride- zowel als sulfaatresistente recepturen, gemakkelijk verkeerd worden geïnterpreteerd. Door veel hoogovencement in de mortel te gebruiken ontstaat een veel te harde, te weinig vervormbare zoutresistente voeg; deze is voor de duurzaamheid van de muur sterk te ontraden. Het komt hierbij aan op het vinden van het juiste midden tussen duurzaamheid en compatibiliteit. - Chloriden Wat plaats kan vinden is dat Calciumcarbonaat (uitgeharde kalk) met zeezout (NaCl) wordt omgezet tot het makkelijk oplosbare calciumchloride (CaCl2). Ook de harde voegmortel op basis van portlandcement, waarin eveneens calciumcarbonaat voorkomt, kan op basis van hetzelfde proces worden aangetast. Schade is het gevolg, vooral langs de randen van de steen / voeg overgang die de zouten opneemt, die als aerosol komen aanwaaien en in water opgelost dit aan de voeg doorgeeft. [Kalkboek p. 167]. Ook mogelijk is de vorming van Friedelzout wat zeer expansief is. Met de chloriden als katalysator vindt dit plaats bij aanwezigheid van zowel CaO als AL2O3, bv. in witte cement en in tras ( ~20%).

ontraden:

Luchtkalk (calciumcarbonaat) of portlandcement. Ontraden eveneens: Hydraulische kalk (HL), bv. traskalk (op de markt als een voorgemengd bindmiddel met naast tras en luchtkalk, ook ~ 25% PC en een luchtbelvormer). Tras (hoog aandeel aluminiumoxide) + kalk bouwplaatsgemengd, behalve wanneer de verhouding tras – kalk zodanig is dat alle trasdeeltjes met de kalk hydrateren en er geen ongebonden tras overblijft of, andersom, geen ondermaat aan tras dus een overmaat aan calciumcarbonaat. Dit onderwerp vereist nadere studie.

aanbevolen: In [Kalkboek p. 167 ] wordt hoogovencement aanbevolen met evt. bijmengen van zekere

kunstharsemulsies. Wel dient men andere compatibiliteitsoverwegingen bij de bindmiddelkeuze te betrekken. Bedoeld worden druksterkte, E-modulus waarden en hygrisch gedrag. In de onderhavige metselwerkkarakteristiek (compatibel met kalkmortels) zal een mortel met uitsluitend hoogovencement daar niet aan kunnen voldoen, is uit het hier gerapporteerde onderzoek gebleken.




Bepaalde natuurlijke hydraulische kalken blijken ook, met name door het lage Ca(OH)2 gehalte en idem lage Al2O3 gehalte en geverifieerd in chloride verweringstests (sterke concentratie zeezout in aanmaakwater) zeer chloridebestand te zijn (proeven aan uitgeharde monsters). De betreffende natuurlijke hydraulische kalk bevat in type NHL 3,5 een gehalte Al2O3 van 1,66% en in type NHL2 2,08% (nb: tras 20%) verder C3A (tricalcium aluminaat) ook zeer lage waarden. In NHL 3,5 0,5% resp. in NHL 2, 0,4% [http://www.stastier.co.uk/nhl/testres/seawater.htm]. Van andere op de markt zijnde natuurlijke hydraulische kalken werden dergelijke gedetailleerde mineralogische analyses niet aangetroffen. Om hun geschiktheid in dit toepassingsgebied te beoordelen dient men mineralogische analyses en chlorideverweringstests te doen uitvoeren. Een combinatie van bedoelde natuurlijke hydraulische kalk met een bescheiden deel hoogovencement voor het verkrijgen van voldoende groene sterkte, is ook toepasbaar. Verder kan evt. worden toegepast, tras + luchtkalk in de juiste verhoudingen, zie boven. Verkennende laboratoriumexperimenten door de onderzoekers met hoogovenslakgranulaatmeel (i.p.v. hoogovencement) en luchtkalk zijn veelbelovend maar wegens markttechnische omstandigheden, omdat dit materiaal slechts in bulkhoeveelheden op de markt is, niet vertaalbaar naar de restauratiepraktijk op dit moment. -sulfaten Bij sulfaatbelasting kan in kalkmortels of in portlandcementmortels en de vrije kalk of de gecarbonateerde kalk, gipsvorming (Calciumsulfaat) plaatsvinden die hydrateert tot calciumsulfaat hydraat wat hydratatiedrukken oplevert die de mortelmatrix stuk kan drukken. In combinatie met chloridebelasting kan eventueel natriumsulfaat ontstaan dat ook sterk volumevergrotend is. Bij vorming van het sterk volumevergrotende ettringiet wordt de mortelmatrix uiteen gedrukt. De exotische situatie van thaumasietvorming valt buiten dit algemene kader en vraagt om een op maat ontworpen mortelreceptuur. ontraden: Luchtkalk (calciumcarbonaat) of portlandcement. Eveneens ontraden Hydraulische kalk (HL, bv. traskalk, (niet te verwarren met NHL, natuurlijke hydraulische kalk).

aanbevolen:

Hoogovencement, want sulfaatarm (nanatten!) en laag gehalte Al2O3 en laag gehalte aan vrije kalk. Wanneer men daar de andere compatibiliteitsoverwegingen bij betrekt, zoals druksterkte, E-modulus en hygrisch gedrag, dan zal een dergelijke mortel echter (compatibel met kalkmortels) daar niet aan kunnen voldoen, is uit het hier gerapporteerde onderzoek gebleken. Combinatie hoogovencement met luchtkalk (zie hierboven) kan ook voldoen, mits mechanisch compatibel. Bepaalde natuurlijke hydraulische kalken blijken ook zeer sulfaatresistent, met name door de afwezigheid van SiO3, het lage Ca(OH)2 gehalte en idem lage C3A gehalte, de afwezigheid van gips en van natrium en kaliumoxide, welke elementen en verbindingen alle wel in mindere of meerdere mate in portlandcement aanwezig zijn. [http://www.stastier.co.uk/nhl/testres/seawater.htm]




Van andere op de markt zijnde natuurlijke hydraulische kalken werden dergelijke gedetailleerde mineralogische analyses niet aangetroffen. Om hun geschiktheid in dit toepassingsgebied te beoordelen dient men mineralogische analyses en sulfaatverweringstests te doen uitvoeren. Verder kan evt. worden toegepast: tras + luchtkalk in de juiste verhoudingen, zie boven. Ook een volledig hydraulische mortel met een combinatie hoogovenslakgranulaatmeel (i.p.v. hoogovencement) en luchtkalk zal sulfaatresistent zijn. Een combinatie van de genoemde natuurlijk hydraulische kalk met een bescheiden toegift hoogovencement om een betere groene sterkte te krijgen, is binnen mechanische compatibiliteitsgrenzen, ook toepasbaar.

*In het geval van thaumasietvorming zou, volgens [Van Hees, Wijffels, VD Klugt , Pointing Project paper 5.7 ‘ Thaumasite swelling in Mortars’] ook een natuurlijke hydraulische kalk (NHL) met een laag gehalte aan Al2O3 niet worden toegepast. In het laboratorium bleken mortelprisma’s met een dergelijke natuurlijke hydraulische kalk in tegenstelling tot die met een combinatie van hoogovencement en luchtkalk, niet te voldoen (verschillen in snelheid van sterkteontwikkeling de reden?). Dit is een specifiek onderwerp en valt buiten dit algemene onderzoekskader.

-nitraten Werken vooral fysisch: volumevergrotend. In de literatuur niet veel bekend omtrent chemische aantasting van mortels door nitraten. Derhalve geen aspect bij bindmiddelkeuze. Belangrijkste is fysische / mechanische schade; open porositeit en mechanische sterkte zijn hierbij belangrijk (zie aldaar). Samenvattend, bij “zoutbelast werk”: Het meest effectief is te zoeken naar een bindmiddel / bindmiddelencombinatie, die zowel chloride- als sulfaatresistent is: DUS: - GEEN portlandcement, geen luchtkalk zonder ander(e) hydraulische bindmiddel(en), geen HL / traskalk, geen witte cement. - WEL hoogovencement met luchtkalk (niet effectief bij chloriden), bepaalde natuurlijke hydraulische kalk NHL met laag gehalte aluminaten’ (behoudens bij lage temperaturen en hoog vochtgehalte: thaumasietvormingsrisico). Combinatie hoogovencement met deze NHL ook mogelijk. - WELLICHT: tras ~ luchtkalk in de juiste onderlinge verhouding (nader onderzoek nodig).




Uitvoeringsaspecten Voegers werken liefst met een combinatie luchtkalk + portlandcement wat makkelijk is vanwege de vrij hoge groene sterkte (sterkte na korte tijd) en er wordt weinig nazorg vereist. Dit is dus in zoutbelaste situaties te ontraden! Hoogovencement hardt trager uit dus moet wel worden nabevochtigd, anders treedt verbranding op. Hetzelfde bij een natuurlijke hydraulische kalk, hoewel hier minder kans op verbranden, reactie komt bij voldoende vocht later wel weer ‘op gang’. Voorbevochtiging belangrijk. Aan beschermen tegen uitdrogen en vrij intensief nabevochtigen zal men dus moeten wennen.

1.5.6 eigenschappen voegzand en zoutbelasting: alkali silica reactie (ASR) Alkali silica reactie (ASR) wordt in hoofdzaak bestudeerd vanwege schaden in beton maar die schaden kunnen zich ook voordoen in metselen voegmortels. De term ASR duidt op een geheel van volumevergrotende reacties die kunnen plaatsvinden tussen bepaalde bestanddelen van het aggregaat (voor beton: grint en zand, voor metselen voegmortels, alleen zand) met alkaliën die in het poriënwater aanwezig zijn. Deze bestanddelen bevatten reactieve silica (kiezelzuur). De alkaliën (natrium- en kaliumhydroxiden) kunnen afkomstig zijn van alle samenstellende elementen van het beton cq de metselof voegmortel of aangevoerd worden van buitenaf (aerosol of dooizout). Enkel de vrije, oplosbare alkaliën spelen een rol in het reactieproces. Hoe fijner de deeltjes in het aggregaat (het zand) en hoe meer reactieve silica deze deeltjes bevatten, met name de fractie < 0,062mm, des te hoger de kans op ASR. De meeste voegzanden zijn rivierzanden. Deze bestaan voornamelijk uit kwarts en bezitten geen splijtrichtingen en zijn chemisch bijna niet reactief, ook de fijnere deeltjes niet. Om op kleur te komen worden door voegers ook bergzand en zavelzand gebruikt. Het zijn groevezanden met een andere mineralogische samenstelling en structuur dan het rivierzand. Het vermoeden bestaat dat deze zanden bij werk dat natriumchloridebelast is in bepaalde omstandigheden tot ASR aanleiding kunnen geven. In de betonindustrie is het gebruikelijk dat zanden in een kortdurende test op ASR risico worden getest (bij deze test wordt de aanwezigheid van reactieve silica in het aggregaat aangetoond). Voor voegzanden wordt dit niet gedaan omdat het in de meeste situaties niet aan de orde is. Bij grotere voegherstelwerken in de situatie die hierboven is geschetst zou dit misschien in overweging kunnen worden genomen.

1.5.7 remedies tegen aanwezige bouwschadelijke zouten in relatie tot voegmortelontwerp Samenvattend zijn de remedies ter voorkoming van directe of indirecte schade ten gevolge van bouwschadelijke zouten in of door voegherstelmortels: chemisch: -kies een bindmiddel dat resistent is voor het bouwschadelijke zout / de combinatie van bouwschadelijke zouten fysisch: -zorg voor voldoende open porositeit waardoor opgeloste zouten kunnen migreren naar en kristalliseren aan het oppervlak; neem daarbij de zoutuitbloei die bij drogend weer ontstaat (en indien deze nog oplosbaar is bij regen weer wordt afgespoeld) voor lief.




Figuur 1.5.4 Voorbeeld zouttransporterende hydraulische kalkvoegmortel, toren Goedereede (foto: groot gunneweg delft) -mechanisch maak de mortel zo sterk (hard) mogelijk . Dit staat echter op gespannen voet met de mechanische compatibiliteitseisen (lage druksterkte, lage Emodulus, bij metselwerk in kalkmortels).

Deze frictie is niet op te lossen. Een mortelreceptuur die deze tegenstrijdige eisen overbrugt bestaat niet. Door de duurzaamheid van het bestaande historische metselwerk topprioriteit te geven wordt de keuze wel duidelijk. vaak zal gelden: geef de mortel zo voldoende sterkte om zoutaantasting te voorkomen Zie verder hoofdstuk compatibiliteit vs duurzaamheid. - uitvoering er moet ‘diep’ worden uitgehakt

literatuur -

WTCB gids voor restauratie van metselwerk Hens, H., ‘Toegepaste Bouwfysica’ Acco Leuven, 2003. Balen, K. van et all. ‘Het Kalkboek’ , Rijksdienst voor de Monumentenzorg, Zeist, 2001 Van Hees, Wijffels, VD Klugt , Pointing Project paper 5.7 ‘ Thaumasite swelling in Mortars’ Hacquebord et. al. Syllabus WTA Studiedag Interventies en hun Consequenties; Drongen B ,13 Nov 2009] , - www.stastier.co.uk/nhl/testres/seawater.htm - www.gereisinger.de - www.betonlexicon.nl




1.6 Thermische schade aan muren door harde voegen over zachte metselmortel 1.6.1 Praktijkwaarnemingen Bij bezonning van oude, meestal donker verweerde muren in de zomer kan de temperatuur aan de huid van de muur flink oplopen ten opzichte van dieper gelegen zones. Er kunnen temperaturen tot wel 50 à 60o C worden bereikt. Daardoor vindt aan de buitenhuid van de bakstenen meer uitzetting plaats dan dieper in de muur. Dit is een cyclisch proces dat ‘vermoeiing’ van het materiaal kan opleveren. Bij een zachte (kalk) mortel als metselmortel in doorstrijkwerk worden de thermische spanningsverschillen opgenomen door de mortelvoeg en levert deze uitzetting geen problemen op. Wordt over deze mortel een zachte hervoegmortel gezet dan zijn er evenmin problemen. Bij een harde cementmortel als herstelvoeg over een kalkmortel kunnen wel problemen ontstaan, zoals afspringen van de randen van de stenen. De schadebeelden in de onderstaande foto’s duiden daar op.

Figuur 1.6.1 Afgeschilferde stenen bij zeer harde cementvoeg over metselmortel in kalk. Li: IJsselstenen in Vrouwetoren Gouda; Re: Tufsteenblokken in basement toren NH Kerk Monster (foto’s: groot gunneweg delft)

Vermoeiing Men veronderstelt dat de mechanische schaden optreden wanneer grenswaarden in mechanische sterkten eenmalig worden overschreden. Aangezien het hier gaat om cyclisch wisselende belastingen kan ook aan ‘vermoeiing’ worden gedacht. Bij vermoeiing bezwijkt een materiaal onder een wisselende belasting, waardoor er breuk kan optreden, zelfs indien de spanningen overal ver onder de maximale vloei- of breukspanning blijven. Het zou wellicht ook bij kristallijne opbouw van siliciumverbindingen (cement!) kunnen optreden. Vermoeiing is bij staal en aluminium bekend en diepgaand onderzocht. Lange tijd zijn wetenschappers ervan overtuigd geweest dat silicium geen vermoeiingsgedrag zou vertonen en dat werd ondersteund door praktijktests. Wetenschappers van het NIST Amerikaanse National Institute of Standards and Technology hebben bij proeven met silicium nu echter toch vermoeiing geconstateerd. De wetenschappers denken dat de toevoeging van schuifspanningen in de belasting de oorzaak is van de vermoeiing. Wanneer we bij voegen de hygrische en thermische vormveranderingen t.o.v. het grensvlak met de steen beschouwen, is duidelijk dat we hier met name met deze schuifspanningen te maken hebben. Het is goed voor te stellen dat kristallijne structuren van calciumverbindingen minder gevoelig zijn voor vermoeiing.




1.6.2 Rekenkundige benadering: thermische spanningen in relatie tot E-modulus De praktijkwaarnemingen dat een harde voeg, of beter een voeg met weinig vervormingscapaciteit of wel hoge E-modulus, door temperatuurswisselingen schade kan toebrengen aan zacht metselwerk kan rekenkundig worden onderbouwd. Het betreft niet alleen de uitzetting van de voeg zelf die door de geringe breedte ten opzichte van de stenen klein is. Door de temperatuurgradiënt gaat ook de buitenste zone van de baksteenhuid uitzetten en dat bij elkaar zorgt bij een niet samendrukbare voeg voor spanningen die ook in het in het interface steen-voeg-steen hun weg zoeken. Het verband tussen opgebouwde spanning bij thermische uitzetting en E-modulus vinden we o.a. bij [Hens] en [Masoud]: De thermische uitzettingscoëfficiënt wordt berekend door een staaf materiaal te verwarmen met een temperatuurtoename van Δ θ ; door meting de lengtetoename te bepalen en deze met de oorspronkelijke lengte te vergelijken; en vervolgens de verlenging te delen door de temperatuurtoename, zodat de lengte toename per 0C (= 0K) wordt bepaald.

α = (ΔL /L) /Δ θ (m/(m.K)) , waarbij ΔL = de lengte toename; L = oorspronkelijke lengte en Δ θ = temp. toename [K]. Thermische vervorming van een voeg kan tot hoge spanningen in het metselwerk leiden wanneer er sprake is van een voegmateriaal met een hoge stijfheid (E-modulus); de spanning die opgebouwd wordt kan uitgedrukt worden in σ = f. α. E. Δθ waarbij f een factor is die bepaald wordt door de tegendruk van het omliggende materiaal. Is de tegendruk nul dan kan het materiaal vrij uitzetten en ontstaat er geen spanning (f=0) Is de omgeving star dan f=1. Met andere woorden: het product van de lineaire uitzettingscoëfficiënt en de elasticiteitsmodulus α.E, de thermische spanningscoëfficiënt, is de maat voor de mogelijke spanningsopbouw per oK in het metselwerk. Hieruit blijkt dat naarmate het product α.E bij een gelijk temperatuurverschil groter wordt, de thermische spanning oploopt. 1.6.3 Eerder laboratoriumonderzoek [Vermeltfoort, Groot , Wijen] en [Hayen, Van Balen] Het effect van thermische schade is in het laboratorium nader onderzocht in het onderzoek ‘Thermal strains in repointed masonry preliminary investigations using ESPI’ [Vermeltfoort, Groot , Wijen; RILEM pro 12 paper 21, Paysley Scotland, 1999]. Ook in het Pointing Project is er een onderzoek in die richting gedaan [ Hayen, Van Balen ‘Thermal Expansion of Historic Masonry, looking for Physical Compatibility’; paper 5.10 ]. Bij dit laatste onderzoek werden de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënten van verschillende mortels en bakstenen en de combinaties daarvan bepaald en met elkaar vergeleken. In het eerst vermelde onderzoek werden een klein aantal proefstukken met verschillende combinaties metselen voegmortels, zacht over hard en hard over zacht, in een stoof verhit van 25 oC naar 35oC, waarbij de temperatuur op verschillende diepten in het proefstuk werd gemeten. Op het proefstuk waren 4 markeerpunten aangebracht in de vorm van een rechthoek. Door middel van het laser meetsysteem Newport ESPI SD-30 (Electronic Speckle Pattern of Interferrence) werd de plaats van die punten zowel bij




de lage als bij de hogere temperatuur digitaal vastgelegd. Met speciale software werd de verplaatsing van elk van de vier markeerpunten berekend en in een grafische voorstelling geconverteerd. Onder voorbehoud van de beperkingen die de eenvoudige testopstelling en het beperkte aantal proefstukken, worden ondermeer de volgende conclusies uit dit onderzoek getrokken:  Een zachte voegmortel heeft geen invloed op de spanningsverdeling in de proefstukken

vanwege zijn lage E-modulus ten opzichte van die van de baksteen en de harde metselmortel;



Een harde voegmortel scheidt de bakstenen doordat ze trekspanningen in de metselmortel veroorzaken. In de werkelijkheid kan dit leiden tot grote drukspanningen in de buitenste zone van de bakstenen.

In de onderstaande figuren wordt dit schematisch aangegeven.

Figuur 1.6.2 Veronderstelde verschillen in thermische spanningen in metselwerk als gevolg van verschillen in thermische spanningscoëfficiënten (α.E ) bij harde cement hervoegmortels (boven) en zachte kalk hervoegmortels (beneden) (bron: groot gunneweg delft)




Dit sluit aan bij de hiervoor gegeven rekenkundige benadering. Ook de conclusies van het onderzoek Hayen, Van Balen – hoewel in andere bewoordingen gesteld, kwamen in wezen op het zelfde neer. Hieruit mag worden afgeleid dat hervoegmortels qua thermische uitzettingscoëfficiënt en Emodulus waarden niet te veel mogen afwijken van die van de authentieke metselmortel.

Vrij bewegen of verhinderde vervorming Het is van belang op te merken dat, anders dan in de praktijk, thermische schade niet effectief zal optreden aan uit 2 stenen bestaande proefstukken in een laboratoriumsituatie. Deze stenen kunnen immers vrij bewegen, want ze zijn niet ingesloten door ander metselwerk (verhinderde vervorming) en ondervinden dus geen tegendruk. De spanning in de laboratoriumsituatie wordt evenwel omgezet in verplaatsing, welke verplaatsing dus in het hier behandelde onderzoek gemeten werd.

Literatuur - Vermeltfoort, Groot , Wijen; ‘Thermal strains in repointed masonry preliminary investigations using ESPI’ [RILEM pro 12 paper 21]. - Hayen, Van Balen ‘Thermal Expansion of Historic Masonry, looking for Physical Compatibility’ (paper 5.10 Maintenance of pointing in historic buildings; Decay and replacement; EC Environment Programme ENV4-CT98-706, november 2001 . - Hens, H. Toegepaste Bouwfysica 1 ’Randvoorwaarden, prestatie, materiaaleigenschappen’, Leuven, 2001. - Masoud, Ahmed ‘Mechanica van Materialen’ www.wikibooks.org/wiki/




1.7 Krimp bij uitharding van voegmortels, natuurlijke dilatatie Krimp is één van de tijdsafhankelijke effecten in een mortel, t.w. het verminderen van het (uitwendige) volume door fysische of chemische processen. Krimp wordt in hoofdzaak bestudeerd in snel uithardende hydraulische mortels, i.c. portlandcement en hoogovencement in beton. Krimp verloopt daarin anders dan bij traag uithardende hydraulische mortels als natuurlijke hydraulische kalk of puzzolane mortels of in mortels met luchtkalk. En bij voegmortels nog weer anders dan bij metselmortels of bij betonmortels. Alvorens op deze verschillen in te gaan hieronder de beschrijving van de oorzaken van krimp in het algemeen (beton) zoals o.a. gegeven bij [Vegt, I .]. -oorzaken • Capillaire krimp / plastische krimp • Uithardingskrimp (veroorzaakt door chemische en autogene processen, carbonatatie en hygrische krimp)

Capillaire krimp / plastische krimp : bij traag uithardende mortels de belangrijkste ‘krimp’ Plastische of capillaire krimp - hierna, plastische krimp - kan alleen in verhardende specie optreden: de plastische fase. Wanneer de verdamping van water aan het specieoppervlak groter is dan de (interne) watertoevoer kan de nog plastische specie gaan krimpen omdat de wanden van de poriën naar elkaar toe worden getrokken. De plastische krimp gebeurt tijdens de plastische fase en is reversibel want kan door watertoevoeging weer ongedaan worden gemaakt. De plastische krimp is voor cementmortels klein, maar voor traag uithardende mortels groot, en daar de belangrijkste soort krimp. Dit kan, met name in pleisters, ernstige scheurvorming veroorzaken en bij voegmortels zorgen dat er een microspleet in het interface ontstaat. Bij metselmortels wordt deze krimp tenietgedaan door de compactie van de nog plastische mortel in de mortelvoegen ten gevolge van het gewicht van de bovenliggende steenlagen en in de stootvoegen min of meer door het doorgeven van de druk vanuit de mortel in de lintvoegen aan die in de stootvoegen. Bij voegmortels, is het metselwerk uitgehard: enige weken / maanden, of bij hervoegen ‘eeuwen’, en de afstand tussen de interfaces van de stenen een constante. Hierdoor kan geen compactie meer plaats vinden zoals bij het metselen, waardoor er een microspleet in het interface ontstaat, doch in de plastische fase behoeft dit niet tot een probleem te leiden zoals hierna zal worden uitgelegd. Overigens worden in Engeland voegmortels in zuivere luchtkalk wel 1 dag na inzetten ‘nagewerkt’, wat uiteraard zeer goed kan doordat ze in 24 uur nog geen binding hebben ontwikkeld. Het meten van krimp is een lastige zaak: een onderscheid maken tussen plastische en uithardingskrimp is vooral moeilijk te doen. In de proevenserie die in dit rapport gepresenteerd wordt zijn plastische en uithardingskrimp tezamen gemeten in een proef die, wat opzet betreft, afgeleid is van een krimpproef ontwikkeld door [ de Vekey, B.]




Te verwachten is dat, in tegenstelling tot cementmortels, bij de hydraulische kalkmortels de plastische krimp groot zal zijn.

Factoren van invloed op plastische krimp en krimp in het algemeen Aangezien voor traag uithardende mortels de plastische krimp het grootst is, wordt in het navolgende de nadruk daarop gelegd. Bij cementmortels is de hygrische krimp de belangrijkste. Dan is de chemische binding al voltooid. De mechanismen zijn echter enigszins vergelijkbaar met die van de plastische krimp. Het betreft de volgende factoren:      

Water/bindmiddel factor, i.c. dosering aanmaakwater Snelheid van de binding i.c. type bindmiddel Zuiging van de ondergrond en al dan niet voornatten daarvan Uitdroging aan het buitenoppervlak i.c. onvoldoende beschermen en/of nanatten Volume aandeel bindmiddel t.o.v. zand Korrelgrootte van het zand

De invloed van de water/bindmiddel factor, i.c. dosering aanmaakwater is duidelijk. Hoe minder water, des te minder capillaire of plastische krimp kan optreden. Dit is - naast het voorkomen van smetgevaar een extra argument, een goede reden om traag uithardende voegmortels zo droog mogelijk in te zetten en vervolgens het verse werk geregeld na te nevelen. Cementmortels daarentegen moeten, gezien de zeer snelle binding, wel een royalere hoeveelheid aanmaakwater hebben om verbranden te voorkomen. Later vocht toevoegen helpt dan niet meer. Overigens hebben cementmortels door die snelle binding ook nauwelijks plastische krimp dus is zo droog mogelijk verwerken hier ook niet nodig. De snelheid van de binding i.c. type bindmiddel is hierboven al genoemd als factor. De invloed op de plastische krimp is a.h.w. omgekeerd evenredig met de afbindingstijd: snelle binding – cement:  weinig plastische krimp; trage binding – kalk:  hoge plastische krimp. Hoe sneller de reactie, hoe sneller de mortel star wordt, hoe minder vormverandering / krimp kan optreden wanneer het poriewater verdampt of wordt afgezogen door de ondergrond. Onderstaande grafiek geeft de uithardingskarakteristiek weer voor 3 typen binding. Traag uithardende mortels zullen in theorie bij vochttoediening in de plastische fase als het ware hygrisch zwellen (niet te verwarren met de hygrische uitzetting in de uitgeharde fase, die veel geringer is) en vervolgens zal de chemische binding, de hydratatie, verder op gang komen. In die volgorde. Daarna zal bij een volgende nat-droog cyclus, de hygrische zwelling minder zijn maar ook de plastische krimp. Dit wegens het minder plastisch geworden zijn van de mortel. Enzovoort. Van een Franse natuurlijke hydraulische kalk die in drie sterkten op de markt is, is de volgende krimp na 28 dagen bekend [mm/m]: NHL 5, 0,15 , NHL 3,5, 0,25, NHL 2 0,51 [Tedeschi, L.]. Deze is in belangrijke mate plastische krimp. Hoe hoger het gehalte aan hydraulische componenten, de C2S, hoe sneller de binding sneller gaat en daarmee dus de (plastische) krimp kleiner wordt.




uithardingskarakteristiek mortels CL 70 - NHL 3,5 - MC 14

druksterkte N/mm

2

12

10

8

6 NHL 3,5 1:2,5

4

MC 1 : 3 2

CL 70 1 : 2

0 1

3

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

weken

Figuur 1.7.1 Uithardingskarakteristieken van een luchtkalk (CL70), een Natuurlijke Hydraulische Kalk (NHL 3,5) en een metselcement (MC) mortel. Ook de zuiging van de ondergrond en al dan niet voornatten daarvan heeft duidelijk een belangrijke invloed op de plastische krimp. Dit is de andere factor waardoor water aan de mortel wordt onttrokken naast verdamping. Voornatten is voor voegmortels dus belangrijk, niet alleen voor de uitharding maar ook om de plastische krimp te verminderen. Door uitdroging aan het buitenoppervlak i.c. onvoldoende nanatten kan bij schraal zonnig weer een zodanig snelle verdamping van het aanmaakwater geschieden dat krimpscheurtjes ontstaan loodrecht op de richting van de voeg. Dit kan worden voorkomen door het verse werk te beschermen en daarna voldoende na te natten zoals hiervoor reeds is beschreven. Het volume aandeel bindmiddel t.o.v. zand is bepalend voor de hoeveelheid aanmaakwater die een voeg- of metselmortel nodig heeft om een zekere plasticiteit of verwerkbaarheid te krijgen. Hoe meer bindmiddel = fijne deeltjes (vette mortel), hoe meer aanmaakwater nodig, hoe meer plastische krimp kan ontstaan. Immers hoe fijner de deeltjes, hoe groter het specifiek oppervlak (Blaine getal m 2/g,), dat een maat is voor het watervasthoudend vermogen van een mortel. Een te vette mortel is meer krimpgevoelig. De korrelgrootte van het zand heeft op het watervasthoudend vermogen een vergelijkbaar effect. Voor eenzelfde verwerkbaarheid geldt: Fijn zand  meer water  meer krimp; grof zand minder water  minder krimp. Bij voegmortels is dit echter niet de enige parameter die de korrelgrootte van het zand bepaalt. Immers, goede verwerkbaarheid vraagt om een fijner zand en grove korrels in het oppervlak van de voeg spoelen sneller uit. Het gaat ook hier om vinden van het juiste compromis. literatuur

- Vegt, I . ‘Glas-in-beton’ afstudeerverslag TU Delft, faculteit Civiele Techniek . Delft, 20 augustus 2003 - Tedeschi, L. “Mineralogy of binders and the Effects of Free Lime content and Cement addition in Mortars” C.E.S.A. St Astier Fr (jaartal onbekend) - Vekey, B. de et. Al . ; ‘A new Total shrinkage test for mortar ‘ Building Research Establishment (BRE) UK - www.betonlexicon.nl




1.8 achteruitgang ademend vermogen restauratie-voegmortels 1.8.1 inleiding: invloed hardheidscriterium en garantiestelling De idee dat ook in de restauratie een voeg altijd ‘hard’ moet zijn om duurzaam te zijn, want dan is deze pas sulfaat- en chloridebestand, is ontstaan door de CUR aanbeveling AA 61- ‘Het voegen van metselwerk’, 2e druk 1998, waarin het hardheidscriterium als enige parameter voor kwaliteit wordt gehanteerd. Hoe harder hoe beter! De pendel van de voeghardheidsmeter moet zo ver mogelijk terugzwaaien, dan zit je goed. Inmiddels is de restauratiesector wel doordrongen van het feit dat dit voor oude muren gemetseld in kalkmortels geen goede keuze is en strijdig met het uitgangspunt van mechanische compatibiliteit, dus vraagt om: ‘zachte(re) voegmortels’! Deze nuancering m.b.t. mechanische compatibiliteit is pas vrij recent doorgedrongen en sommige voegbedrijven/gevelrestaurateurs en prefabmortel producenten en voegbedrijven willen daar nog niet aan en zweren in zoutbelaste situaties voor de keuze van een restauratievoegmortel om de hoogste voeghardheidsklasse in de genoemde CUR aanbeveling te halen of in ieder geval te benaderen. Een CUR aanbeveling die - bij gebrek aan beter - door architecten ook nog wel eens in restauratiebestekken van toepassing wordt verklaard! Nog steeds hebben voegbedrijven, geconfronteerd met de eis tot garantieverlening, moeite om een zachtere voegmortel toe te passen. De voeg moet zichtbaar 10 jaar goed blijven, dan heeft men aan zijn garantieverplichting voldaan. Men kan de vraag stellen of de garantie-eis dan niet anders moet worden geformuleerd, maar dat valt buiten het kader van dit onderzoekshoofdstuk. Wanneer binnen de garantietermijn een te harde voeg door vochtinsluiting bij vorst of door krypto uitbloei van zouten achter de voeg wordt uitgedrukt, is het duidelijk dat de garantie niet is waargemaakt. Moeilijker voor te stellen is dat ook al ziet voegwerk er op het oog goed uit, dit toch een sterk negatieve invloed kan hebben op de vochthuishouding in de muur en zelfs een bron van lekkage kan zijn en bij zachte zoutbelaste stenen mogelijk tevens vergruizing van het buitenoppervlak door krypto uitbloeiing (zie foto hieronder).

Figuur 1.8.1 Het mechanisme zichtbaar bij een kerktoren hervoegd met een cementgebonden restauratiemortel; schade aan zachte bakstenen, vochtgehalte in de muur toegenomen




1.8.2 praktijkvoorbeelden Uit verschillende praktijk gevallen (Domburg, Goedereede, etc.) is gebleken dat bij in kalk gemetseld historisch metselwerk de opofferingsgezindheid van een voegmortel, i.c. een zachte mortel, de duurzaamheid van de muur als geheel ten goede zal komen. Sommige van deze objecten werden eerder met cementmortels hervoegd, met schadebeelden als hierboven is beschreven. Dit is zowel uit een oogpunt van monumentenzorgethiek, als uit economisch oogpunt een verkieslijker situatie dan sterk voegwerk dat in zichzelf gaaf blijft, maar op een onzichtbare manier voor verstoring van de vochthuishouding zorgt en daardoor de kans op vorstschade in de metselmortel en in de steen doet toenemen. Bij zoutbelaste situaties in eeuwenoude torens is sterk voegwerk vaak de oorzaak van het verkruimelen van zachte bakstenen door krypto uitbloeiing. Een voeg die direct na het zetten goed aanligt en door een gunstige porositeit (passende waterabsorptie coëfficiënt en drogingcoëfficiënt) voldoende ademend vermogen heeft, kan wanneer hij te hard is (een te hoge E-modulus + een te hoge uitzettingscoëfficiënt), van lieverlee zodanig gaan werken dat het hydraulisch contact *) vermindert en er spleten ontstaan. Via deze spleten in de interface infiltreert water in de muur dat er dan niet via de 1e capillaire droogfase meer uit kan (omdat door de spleten het capillaire transport is onderbroken). Anders gezegd: bij een weinig poreuze baksteen zal vocht dat in de metselmortel is getrokken niet meer via het oppervlak van de voeg kunnen verdampen, maar alleen via de relatief grove luchtspleet (omgevend materiaal heeft immers een veel fijnere porositeit). *) Met hydraulisch contact wordt bedoeld de aansluiting tussen poreuze materialen, waardoor vochttransport van het ene naar andere materiaal kan plaatsvinden (voor verdere detaillering zie [W. Depraetere, J.Carmeliet, H.Hens; ‘Mosture Transfer at Interfaces of Porous Materials: Measurements and simulations’; Proceedings International Workshop 1999 Paisley Scotland. - RILEM Pro 12. RILEM website] Men ziet in de praktijk dat in een dergelijk geval bij felle bezonning, de voeg a.h.w. gaat ‘zweten’ (foto 1.8.2)

Figuur 1.8.2 Voeghechtvlak spleet: bij felle bezonning gaat de voeg als het ware ‘zweten’




Wanneer er sprake is van een dergelijke situatie van verbroken hydraulisch contact zal de voeg droog zijn, maar wanneer men er een stukje uit breekt zal de interface en met name de metselmortel daarachter, nat zijn. (foto’s 1.8.3)

Figuur 1.8.3 Voorbeelden van de aanwezigheid van vocht achter het voegwerk door de aanwezigheid van spleten. Hierdoor ontstaat een grote vertraging in het drogen. Behalve verminderde droging gaat zich nog een ander fenomeen voordoen, t.w. waterinfiltratie via de voeghechtvlak - spleet. Ook al is daar visueel nog niets van te zien kan via deze spleet bij slagregen waterinfiltratie in de muur plaats vinden. De zgn. voeghechtvlakspleet lekkage. De mechanismen die in de loop van de tijd tot verslechtering van het hydraulisch contact kunnen leiden worden hierna behandeld. Allereerst wat in de literatuur bekend is over de verschillende vormen van hydraulisch contact.




Figuur 1.8.4 Spleet in interface cementgebonden voegmortel – metselmortel; zwart is algvorming (foto PFM microscopie Microlab TU Delft CiTG aan dunslijppreparaat, groot gunneweg delft)

1.8.3

achteruitgang ademend vermogen ; mechanismen

De problemen treden vooral op aan de zon en regenbelaste zijde van een gebouw. Van zuid tot noordwest. De belangrijkste wisselingen in de toestand van het metselwerk zijn vocht en temperatuur. Dit is een periodieke wisseling van opwarmen, nat worden en afkoelen, uitdrogen, vorst, nat worden, opwarmen, uitdrogen enzovoort, die dag in dag uit, seizoen na seizoen voortgaat. De drie belangrijke aspecten zijn: - temperatuurswisselingen - wisselingen in vochtgehalte - trillingen: alleen bij windmolens - temperatuurwisselingen In de vorige paragraaf (par 1.6) is aangetoond hoe een harde voeg, of beter een voeg met een hoge thermische uitzettingscoëfficiënt en weinig vervormingscapaciteit of wel hoge E-modulus, door temperatuurswisselingen schade kan toebrengen aan zacht metselwerk waarbij het product α.E, de thermische spanningscoëfficiënt maatgevend is en de thermische spanning oploopt naarmate de uitkomst hoger is en de temperatuurswisselingen hoger zijn (zie ook conclusie 3.1.7). Het is aannemelijk dat de cyclische veranderingen van de spanning tussen de baksteen en de voeg door deze thermische uitzetting en krimp er de oorzaak van kan zijn dat deze – vooral bij een V-vormig uitgeslepen voeg – zich los wrikt. Dit mechanisme is in onderstaande figuur nader verklaard.




Figuur 1.8.5 Mechanisme achteruitgang ademend vermogen bij toepassing cementvoeg in kalkgemetseld werk. De V-vorm bevordert het loswrikken! Dit geleidelijke proces zal bij vorst nog worden versterkt, waardoor de spleet in het hechtvlak groter wordt. In sommige gevallen zal de voeg worden uitgedrukt maar dat hoeft niet altijd het geval te zijn. Men kan het wel waarnemen door op de voeg te tikken met een stalen voorwerp: de voeg klinkt dan hol. Als door deze micro deformatie weinig of geen mechanische hechting meer aanwezig is, ook in de stootvoegen, en er steeds minder sprake is van inklemming, dan kan de voeg min of meer vrij werken t.o.v. de steen. Op dat moment gaat het meer en meer over verschillen in lengteverandering tussen voeg en steen in plaats van spanningsveranderingen en gaan de verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënt tussen baksteen en voeg een rol spelen. - wisselingen in vochtgehalte Ook de wisselingen in vochtgehalte zorgen voor volumeveranderingen, i.c. lengteveranderingen. Omdat de hygrische lengteverandering, ∆Lh geen lineair verloop heeft, wordt deze niet uitgedrukt in een coëfficiënt maar wordt een maximum relatief lengteverschil bepaald tussen droog en vochtverzadigd. Uiteraard kunnen de thermische en de hygrische spanning niet bij elkaar worden opgeteld: immers als er na flinke bezonning een bui komt daalt de temperatuur en daarmee de temperatuurspanning, maar neemt gelijk het vochtgehalte dus de hygrische spanning toe (pendelwerking). - trillingen; alleen bij windmolens Bij bakstenen windmolens zorgt het malen van de molen voor trillingen in de molenromp. Het dempend vermogen van de mortel is hierbij belangrijk om de trillingsenergie om te zetten in inwendige energie. Naar verwachting scoren op dit vlak zachte mortels duidelijk beter dan harde mortels. Daarbij komt het aspect temperatuurspanningen (α x E) waarbij harde voegen met een hoge E-modulus + hoge uitzettingscoëfficiënt voor versterking van het loswerken van de voegen zorgen. Ook betreffende dit aspect zijn zachte voegen met een lage E-modulus in het voordeel.




1.8.4 samenvatting – conclusie - aanbeveling Door het mechanisme van cyclische thermische en hygrische spannings- en lengteverandering, versterkt door vorstinwerking, en bij bakstenen windmolens, de trillingen door het malen, zal bij harde voegmortels met een hoge E-modulus-waarde met name in V-vormige voegen ook zonder dat dit met het oog waarneembaar is, een zich verwijdende microspleet in het interface van de voeg ontstaan. Deze zorgt ervoor dat de kwaliteit van het hydraulisch contact geleidelijk aan vermindert en overgaat in ‘een luchtspleet tussen de lagen’. Hierbij is infiltratie van regenwater via de spleet mogelijk en wordt bij droog weer de capillaire droogfase geblokkeerd, waardoor de op grond van de porositeit intrinsiek ademende voeg die kwaliteit kwijtraakt en juist een vochtprobleem introduceert, bij zachte zoutbelaste stenen mogelijk tevens vergruizing van het buitenoppervlak door krypto uitbloeiing. Conclusie Hoge thermische spanningen als gevolg van hoge thermische uitzetting en hoge stijfheid manifesteren zich bij harde mortels (hoog cement gehalte) en kunnen leiden tot mechanische zowel als hygrische schade in zacht metselwerk. Dit moet zoveel mogelijk worden voorkomen. Om die reden verdienen ‘zachte mortels’ met een hoge samendrukbaarheid (is lage E-modulus waarde) de voorkeur; dit type mortels hebben meestal ook de laagste thermische uitzettingscoëfficiënt. Bij zoutbelaste situaties waar in beginsel een ‘harde’ voegmortel wenselijk is, moet worden gezocht naar een compromis. Een mortel met een gematigde E-moduluswaarde. In geen geval is een ‘harde’ mortel, met een hoge E-moduluswaarde, te verkiezen; een mortel met uitsluitend PC of HOC zal in dit zachte werk zeker niet aan de eis van een gematigde E-moduluswaarde kunnen voldoen. Een eventuele voortijdige degradatie van de mortel zelf bij zoutbelast werk (opofferingsgezindheid) moet worden geaccepteerd en zal voor de duurzaamheid van de muur als geheel voordeliger zijn en daardoor ook bezien in economisch opzicht en cultuurwaarde. aanbeveling 1) Bij eisen aan restauratie voegmortels als nieuwe parameter introduceren:

thermische spanningsmodulus:

αxE

het product van thermische uitzettingscoëfficiënt

α en (dyn.) E-modulus

2) Voor het type massief metselwerk in kalkmortels hiervoor een grenswaarde te bepalen.

Literatuur -

Hens, H. Toegepaste Bouwfysica 1 ’Randvoorwaarden, prestatie, materiaaleigenschappen’, Leuven, 2001. Masoud, Ahmed ‘Mechanica van Materialen’ www.wikibooks.org/wiki/ CUR aanbeveling AA 61- ‘Het voegen van metselwerk’, 2e druk 1998 W. Depraetere, J.Carmeliet, H.Hens; ‘Mosture Transfer at Interfaces of Porous Materials: Measurements and simulations’ Proceedings International Workshop 1999 Paisley Scotland, RILEM website Publication Proceedings, Pro 12. - Thomson, M., Lindqvist J.E., Elsen J., Groot C.J.W.P. ‘Porosity of mortars‘ RILEM website Publication Report rep028. - http://www.knb-baksteen.nl/infobladen/infoblad_27.htm




1.9

Mortelhulpstoffen

In mortels voor toepassing in de nieuwbouw worden aan de droge mortels, meestal cementmortels, vaak chemische mortelhulpstoffen toegevoegd als luchtbelvormers (lbvs), mortelstabilisatoren, plastificeerders en soms water repellents (hydrofobeermiddelen voor droge mortels). Ook wordt soms een hechtmiddel toegevoegd. De chemische samenstelling van deze mortelhulpstoffen is vaak onbekend, omdat deze vaak onder het fabrieksgeheim vallen. Bij mortels voor restauratie, met name ook voegmortels kan de toepassing van deze stoffen bezwaren opleveren die zich vaak pas in een later stadium openbaren. - Luchtbelvormers en mortelstabilisatoren Deze worden toegevoegd om de verwerkbaarheid te verbeteren en een betere vorstresistentie te bereiken. Sommige fabrikanten van droge mortels achten het toevoegen van lbvs ook onmisbaar om voldoende plasticiteit en stabiliteit (geen ontmenging, geen bleeding) te krijgen voor het transport van de met aanmaakwater gemengde specie door de mixer. Andere fabrikanten stellen het ook zonder lbvs af te kunnen. Recent zijn luchtbelvormers in wetenschappelijke studies in verband gebracht met sterke kalkuitbloei bij nieuwbouwmetselwerk, dat onder vochtige omstandigheden is gemetseld alsook met een verminderde hechting en een verhoogd risico op verbranden. Enige citaten: 

Bij overdosering zal de hoeveelheid luchtbellen en de grootte van de luchtbellen toenemen. Omdat de bellen als kogeltjes werken is er minder water nodig voor een goede verwerkbaarheid. Daardoor neemt het watergehalte af en neemt het gevaar op verbranden toe. Daarnaast leidt het tot verminderde hechting tussen metselmortel en steen en een vergrote kans op uitbloei van mortelbestanddelen (vooral kalk). [Van

der Klugt 2003 Praktijkboek Instandhouding Monumenten Deel-II-11 , p 24]. 

De aanwezigheid van lbvs kan invloed hebben op de ernst van kalkuitbloei [Kalkboek p 163]



Volgens Brocken en Nijland [White efflorescence on brick masonry and concrete masonry blocks, Construction and Building Materials 18 (2004) 315-323 ] tonen recente onderzoeken aan dat luchtbelvormers en andere additieven de mobiliteit van Na, K, Mg, Ca, en sulfaten in baksteen vergroten. (blz 316] noemen in noot 3 en noot 9, twee bronnen in de literatuur.



(….) Verder kunnen ook toeslagstoffen zoals luchtbelvormers oplosbare zouten bevatten. [ ‘Infoblad 06 Voorkomen en behandelen van witte uitslag op baksteen metselwerk’] ; http://www.betrouwbaarbaksteen.nl/Specifiek over voegmortels (nieuwbouw):



Toevoegen van luchtbelvormer of plastificeerder (aan voegmortels) is ongewenst omdat deze stoffen het watervasthoudend vermogen van de specie verminderen met een grote kans op verbranden van de voegmortel [www.betrouwbaarbaksteen.nl].

De reden die opgegeven wordt is niet juist. Er zal enige teruggang in het watervasthoudend vermogen zijn omdat de luchtbellen relatief groot zijn, de belangrijkste reden is echter dat bij de toepassing van luchtbelvormers er minder water nodig is om een gelijke verwerkbaarheid te verkrijgen. Er is dus minder water in het mengsel waardoor sneller bij vochtverlies (waterabsorptie door de steen) verbranding optreedt.




Voor de verwerkbaarheid is de toepassing van luchtbelvormers in kalkgebaseerde mortels ook niet nodig. De kalk is veel fijner dan cement, heeft een groter specifiek oppervlak en dito watervasthoudend vermogen, waardoor de plasticiteit, smeuïgheid gunstiger ligt dan bij een cementmortel. Conclusie: Toevoegen van luchtbelvormer aan op kalk gebaseerde mortels voor restauratie is in het algemeen niet wenselijk en in voegmortels sterk te ontraden. Dit impliceert dat ook geen zgn. ‘metselkalk’ dient te worden gebruikt aangezien daarin altijd een luchtbelvormer of mortelstabilisator is ingemengd. Men dient een pure luchtkalk zonder mortelhulpstoffen toe te passen.

literatuur - Van der Klugt 2003 Praktijkboek Instandhouding Monumenten Deel-II-11, p 24 - Van Balen, K et al. Kalkboek; ISBN 90 7291 36 9. Rijksdienst voor de Monumentenzorg, 2003 - Brocken en Nijland [White efflorescence on brick masonry and concrete masonry blocks, Construction and Building Materials 18 (2004) 315-323] - Noot 3. [ Bowler, Wingter Investigations into causes of persistant efflorescence on masonry; Masonry Int. 1997.11.15-18; Bowler, Sharp, Testing of various Brick/Mortar combinations for mortar durability, efflorescence potential and resistance to rain penetration; Proc. Br. Masonry Soc. (8) 31-6]. - Noot 9. [ Bowler, Wingter Testing of various brick/mortar combinations for mortar durability, efflorescence. Potential and resistance to rain penetration, Masonry. Proc Br Masonry Soc. 1998;(8):31 –6. geraadpleegde website. - www.betrouwbaarbaksteen.nl/images1/betrouwbaarbaksteen/bestanden/09-03%20Kwaliteit%20van%20voegwerkkeuze%20voegmortel.pdf




1.10 Hydrofobeermiddelen - waterafwijzende - afstotende middelen (Water repellents) Sommige fabrikanten van prefab-voegmortels voor nieuwbouw en een enkele ook voor restauratie mortels, voegen een hydrofobeermiddel (waterafstotend, waterafwijzend middel) toe. Verschillende aanduidingen voor een groep mortelhulpstoffen die alle dezelfde werking hebben. Het betreft meestal cementmortels. Verondersteld wordt een vermindering van het risico op verbranden en van de plastische krimp doordat het hydrofobeermiddel in de natte mortel de eerste fase droging ( verdamping - van het aanmaakwater vanaf het buitenoppervlak) zou verhinderen, omdat water niet capillair naar het buitenoppervlak van de voeg kan komen. Dit heeft natuurlijk ook gevolgen voor de vochtregulerende eigenschappen in de uitgeharde fase. Ook worden hydrofobeermiddelen speciaal toegevoegd aan prefab-voegmortels op cementbasis (nieuwbouw). Hierdoor zou het risico op kalkuitloging via de voeg ( kalkhydraat - ionen, ook vrije kalk genoemd, ontstaan bij de cementbinding) in de uitgeharde fase bij dit type metselmortels verminderen. Men spreekt dan van “uitbloeiblokkers” die de adhesiekrachten in de poriën opheffen, waardoor capillaire

vochtstroming praktisch geheel wordt voorkomen. Hierdoor wordt de kans op vrije kalkuittreding (witte uitslag) aanzienlijk gereduceerd.

De andere kant van deze medaille is bekend aangezien hydrofobeermiddelen ook sterk het drogen van de muur via de voeg verminderen omdat, zoals reeds genoemd, de eerste fase droging verdamping vanaf het buitenoppervlak) wordt geblokkeerd, omdat water niet capillair vanuit de legmortel via de waterafstotende voeg naar het buitenoppervlak kan komen. Ook kan een voeg met hydrofobeermiddel bij langdurige regen en sterke wind ‘doorslaan’ en zo toch water afgeven aan de achterliggende metselmortel, die vervolgens maar moeilijk meer kan drogen waardoor een steeds verdergaande verhoging van het vochtgehalte kan ontstaan. Dit is bij spouwmuurbouw niet problematisch, omdat doorslaand water in de spouw verdampt, maar bij

massief metselwerk moet een herstelvoeg kunnen ‘ademen’!

Conclusie: Bij voegmortels voor restauratie van massief metselwerk geen hydrofobeermiddelen toevoegen. In hoofdstuk 2.5.3 is een test gegeven om bij prefab-mortels te kunnen vast stellen of er al dan niet een hydrofobeermiddel is ingemengd. (Karstenbuistest).




- hechtemulsie De toeslagstoffen onder deze categorie zijn populair bij metselaars en voegers omdat ze de plasticiteit , de smeuiigheid van de specie verbeteren. De toepassing volgens de industrie is die van hechtbrug (aanbrandmiddel/hechtmiddel) en toegevoegd aan het aanmaakwater van een mortel, als hechtingsverbeteraar om het aanmaakwater beter vast te houden, om de waterdichtheid van de mortel te verbeteren, de treksterkte te vergroten en de kans op scheurvorming te verminderen. Deze hechtmiddelen zijn op basis van een 50% kunststofdispersie. Sommige fabrikanten geven aan dat de werkzame stof een styreenbutadieen copolymeer, een met kunstrubber gemodificeerd polystyreen, is. Ook wordt latex genoemd. Het is in wezen een lijm. De aanbevolen doseringen voor gebruik in mortels zijn vrij hoog. Genoemd worden 60cc op 1 l natte specie of 10% van het cementgewicht wat ongeveer op hetzelfde neer komt. Uit de door fabrikanten verstrekte documentatie blijkt impliciet dat de porositeit van de mortel minder wordt, hetgeen wanneer ‘waterdichtheid’ wordt verlangd, een gewenst resultaat is. Indien men een mortel wenst die ‘ademt’ is de vraag of dit met de genoemde doseringen hechtmiddel niet sterk negatief wordt beïnvloed. Ook zou een dergelijke dosering in voegmortels kunnen betekenen dat de mortel gaat plakken wat voor het uiterlijk van het werk niet acceptabel is. In de SBR CUR publicatie ‘Hydrofoberen van Gevels’ (nieuwbouwsituatie!) wordt op deze verschijnselen gewezen. De claims ‘betere verwerkbaarheid’ (i.v.m. vulling van diepe voegen) en “verkleinen risico verbranding” door het toepassen van een hechtmiddel in een lage dosering, zijn in principe interessant voor restauratie voegmortels. Aan de andere kant is voorstelbaar, dat door toevoegen van een hechtmiddel bij traag uithardende mortels het transport van nog niet gecarbonateerde kalkdeeltjes uit de voeg in het interface wordt verminderd wat dan een nadeel zou zijn voor het ademend vermogen van de voeg. In het kader van dit onderzoeksproject is een kleine verkennende proef uitgevoerd met een mortel zonder en met hechtmiddel. De resultaten worden besproken in het desbetreffende hoofdstuk 3. Conclusies en Aanbevelingen.




1.11

Cultuurwaarden en de praktijk

Bij het invullen van het cultuurwaarden aspect worden de mogelijkheden om de uitgangspunten, zoals die vanuit de restauratie-ethiek gelden, beperkt door de technische mogelijkheden, t.w. de op de markt verkrijgbare mortelstoffen en de te stellen eisen op het punt van mechanische en hygrische compatibiliteit die de duurzaamheid van het herstelwerk bepalen. De grove steenkalk en schelpkalk zoals die in ‘primitieve’ ovens werd gebrand en voor wat betreft de steenkalk eerst in de rot moest worden gezet om een verwerkbare mortel mee te kunnen maken, bestaat niet meer.

Figuur 1.11.1 Authentieke schelpkalkmortel (14e eeuw) zichtbaar geworden door afboeren metselwerk vanwege vorstschade (foto: groot gunneweg delft) Moderne metselkalk (luchtkalk) is veel fijner en met minder verontreinigingen en vraagt om andere recepturen. Maar ook deze kalk als enige bindmiddel toepassen is om technische redenen niet verantwoord (risico uitspoelen bij regen, bouwvorstrisico, niet resistent tegen zoutbelasting). Daarom zullen in dit onderzoek ontworpen op kalk gebaseerde voegmortels, naast de luchtkalk met toevoeging van andere (hydraulische) bindmiddelen die vroeger nog niet bestonden, of met natuurlijke hydraulische kalk, het enig haalbare compromis vormen. Een compromis dat overigens in de restauratiepraktijk al jaren wordt gepraktiseerd en veel dichter bij het cultuurwaardenaspect in de buurt komt dan de cementmortels die ook werden toegepast maar vandaag de dag om technische redenen worden verworpen. Kleur en textuur Deze liggen in het verlengde van het cultuurwaardenaspect. De oorspronkelijke kleur van schelpkalkmortels en steenkalkmortels is vuilwit/lichtgrijs tot geelwit. Deze kleur is door verwering aan de buitenzijde van deze categorie gebouwen meestal vuilgrijs tot donkergrijs geworden (figuur 1.11.2).




Het is een ervaringsfeit dat een nieuwe voeg binnen een paar jaar door verwering sterk verdonkert . Daarom wordt bij hervoegwerk vaak gestreefd naar een tint tussen de oorspronkelijke mortelkleur en die van de verweerde voeg in. De meeste prefab restauratie voegmortels zijn op de markt in een aantal verschillende tinten, die op basis van monsters met kleurnummers te bestellen zijn. Daarbij zijn dan de technische eigenschappen van de mortel bij de verschillende kleuren hetzelfde. Het op tint brengen van een bouwplaatsgemengde voegmortel gebeurt door het opzetten van een aantal proefstukken waarin gespeeld wordt met verschillende zanden, bindmiddelen en evt. speciale mortelpigmenten.

Figuur 1.11.2 Verweerde, bij restauratiebeurt gerespecteerde gave authentieke doorgestreken steenkalkvoeg (1767) (foto: groot gunneweg delft) Hoewel er sprake is van een cultuuromslag beschouwen verschillende voegers het bindmiddel in de eerste plaats als een kleurstof. Door het inmiddels meer en meer doorgedrongen besef van het belang van mechanische, fysische en chemische compatibiliteit en het feit dat de bindmiddelen daar nu juist de bepalende factor in zijn moet de gewenste tint dus vooral met de zanden en evt. een kleine toegift mortelpigmenten worden bereikt. Dit maakt het bereiken van de juiste tint wel lastiger temeer daar ook aan de technische eigenschappen van het zand, korrelgradering, vrije luchtgehalte en ASR resistentie, eisen worden gesteld. Het gevaar bestaat dat in deze fase van het restauratieproces een uitgekiende basisreceptuur totaal verandert. Daarom is het van belang in het proces een stap in te bouwen om de eigenschappen van de uiteindelijk op kleur gekozen receptuur met een paar simpele laboratoriumproeven te controleren.




Figuur 1.11.3 Voegmortel luchtkalk CL 90, een lichte PC CEM I 42,5 N , het zand: geel metselzand + rood bergzand Bij de restauratie van de bouwwerken uit de vroegste periode van baksteenbouw als kastelen, kasteel ruïnes en kerktorens wordt het soms wenselijk geacht de meer grove textuur van de oorspronkelijke doorgestreken mortel te imiteren. Hiertoe worden wel gritjes (granulaten) van marmer, basalt of schelpen of geselecteerde grote zandkorrels toegevoegd. Proeven uitgevoerd in 2010 in het kader van de conservering van de kasteelruïne Brederode te Santpoort leerden dat een toevoeging van maximaal ~ 3% [v/v] op het totale volume van zand + bindmiddel, geen merkbare invloed op de mechanische en hygrische eigenschappen van de mortel heeft, mits het voegzand dat als basis wordt gebruikt aan de gewenste specificaties voldoet.

Figuur 1.11.4 Kasteelruïne Brederode ; proefstuk voegwerk met toevoeging basaltgranulaat voor een grovere textuur; restanten loszittende cementgebonden herstelvoeg zichtbaar en plaatselijk de authentieke schelpkalkmortel Soms worden om een grovere textuur te bereiken nog trucjes toegepast als kloppen, borstelen of kammen (vegen met een gaasje). Dit is uiteraard alleen acceptabel als men de zekerheid heeft dat de vers ingezette voeg niet los wordt geborsteld van steen en/of metselmortel.




1.12 Winterstop metselen en voegen in de restauratie ter voorkoming bouwvorstschade Bouwvorstschade-risico = eenmalig risico! De centrale vraag is wanneer er in het najaar / winter met metselen en voegen moet worden gestopt om ‘bouwvorstschaderisico’ te vermijden. In de eeuwen dat alleen kalk als bindmiddel werd toegepast was het metselseizoen traditioneel bepaald van april t/m september, ofwel een winterstop van oktober t/m maart, waarna ‘de vorst uit de muur is’, een periode van 6 maanden. Soms werd voorgeschreven dat het werk bovendien, indien nodig geoordeeld, vorstvrij en waterdicht moest worden afgedekt. In de huidige nieuwbouwpraktijk met spouwmuurbouw en cementgebonden mortels met bij metselmortels toegevoegde mortelhulpstoffen als luchtbelvormers en anti-vries (voorkomt bevriezen van het aanmaakwater tot – 10° C, een enkele fabrikant claimt: tot zelfs – 20° C!) loopt het metselseizoen vrijwel het hele jaar rond en is er slechts bij extreme vorst sprake van een winterstop en dan nog voornamelijk vanwege de arbeidsomstandigheden voor het personeel en gebaseerd op de ‘gevoelstemperatuur’.

Bron: FNV brochure ‘Vorstelijk op de bouwplaats - vorst in 4 stappen’.

Deze ontwikkelingsgang is er in belangrijke mate op gericht het sinds het verdwijnen van de vorstverletverzekering uitgevroren zijn van metselaars, dat direct voor rekening komt van de aannemer, te minimaliseren. In het huidige onderzoekskader is echter om voor de restauratievoegmortels te kunnen voldoen aan de eisen van mechanische compatibiliteit bij muren oorspronkelijk gemetseld in kalkmortels = zachte steen en dito mortel, een stap weg gezet van de pure cementmortels en gekozen voor mortels met bindmiddelen die een lagere sterkte opleveren met dito E-moduluswaarden. Echter, deze harden trager uit, reden waarom de in de nieuwbouw gehanteerde uitgangspunten voor wat betreft het metselseizoen bij dit type mortels niet kunnen worden toegepast.




Ter verduidelijking, mortels op basis van uitsluitend luchtkalk, zonder puzzolane toevoegingen zijn het langste vorstgevoelig (zolang de carbonatatie niet diep genoeg in de mortel is doorgedrongen); deze pure luchtkalkmortels worden overigens weinig toegepast. Simpelweg terug naar vroeger: een winterstop van oktober t/m maart? Dit zou helder zijn en ook zeker safe, maar door de bouwvak-vakantie blijft een veel te beperkte periode voor de uitvoering over. Niet reëel en ook niet nodig. Bevriezingsverschijnselen in jonge mortels – groene sterkte Bevriezingsverschijnselen van water in poreuze bouwmaterialen en de gevolgen daarvan zijn complex en in hun uitwerking soms tegengesteld. Een vocht bevattende jonge mortel loopt kans inwendig kapot te worden gedrukt. Maar in een jonge mortel die geen vocht meer bevat, omdat bijvoorbeeld al het vocht in de stenen is opgezogen of bij schraal weer is gedroogd, loopt men geen risico. In theorie zou men dus zelfs een drooggetrokken puzzolane voegmortel met folie kunnen afdekken, de winter laten overstaan, in het voorjaar ontdekken en weer benatten waarna de uitharding weer zou verder gaan. In theorie, want bij een dikke muur die veel vocht bevat wat op een zonnige dag naar het buitenoppervlak van de muur trekt en daar in de nacht strenge vorst op volgt kan dit natuurlijk anders aflopen. Voor metselmortels is met name het vorstfront van belang. Dit begint in de mortel aan het muuroppervlak en trekt afhankelijk van de temperatuurwaarde en de duur van de vorst langzaam of sneller dieper in de muur. De grens van het vorstfront is kritisch. Als er voldoende droging is ontstaan na het metselen en ook voorbij het vorstfront, is het vochtgehalte laag en zal er ook bij een jonge mortel geen vorstschade ontstaan. Voldoende uitharding = groene sterkte + de hoeveelheid vocht zijn de kritische parameters. Men zegt wel dat bij een groene sterkte van minimaal 2 N/mm2 een jonge mortel, ook vocht verzadigd, in het algemeen geen bouwvorstschaderisico oplevert.

Tabel 1.12.1 Vries-dooi cycli gedurende 3 winters




Metsel- en voeg seizoen in productbladen prefab restauratiemortels Er is geen sprake van een genormeerde aanduiding van dit aspect in productbladen van de diverse producenten en leveranciers. Sommigen noemen het seizoensaspect in het geheel niet, terwijl het karakter van een desbetreffende mortel zeker niet rechtvaardigt dat er net als bij nieuwbouw situaties bij vriezend weer mee gewerkt zou kunnen worden. Bij een ‘traskalk voegmortel’ (moderne traskalk, cement versterkt) vonden wij vermeld: niet bij lucht- en ondergrondtemperaturen < + 5 o C. Een leverancier van een prefab ‘schelpkalk-mortel’ schrijft: ‘tegen vorstinwerking beschermen’. Producent trashoudende prefabvoegmortel: ‘minimaal 1 dag tegen vorst beschermen’. Een leverancier van een NHL: verwerkbaar tussen +5 en + 35o C. Producent ‘prefab cementversterkte schelpkalk voegmortel’: tussen +5 en + 25o C verwerkbaar. Discussies en spanningsveld Dergelijke vermeldingen en de manier waarop ze zijn gesteld leveren op de bouw veel stof tot discussie op tussen opdrachtgever/directie/adviseur enerzijds en aannemer/onderaannemer anderzijds. Discussies die als de winter nadert en de eerste nachtvorst zich aankondigt, vaak op het scherp van de snede worden gevoerd. Door de aannemer die er groot belang bij heeft de betekenis van die aanduidingen zo ver mogelijk op te rekken. Door de opdrachtgever, de architect en de adviseur, die het liefst aan de veilige kant willen blijven. Moeten die temperatuurwaarden ontleend worden aan weersverwachtingen, of moeten ze op het werk worden gemeten. Indien dit het geval is, waar dan en op welk moment van de dag? Het kan goed zijn dat in de middag in de volle zon een waarde van + 5° wordt gehaald maar het in de schaduw op 1 m boven de grond nog vriest. En wat als het in de schaduw nog midden op de dag + 5° is maar ‘s-nachts vriest? En als het bijna voorspelbaar een voorlopig eenmalige dip in de temperatuur betreft en er daarna volgends de meerdaagse weersverwachting geen nachtvorst meer te verwachten is? Als er een garantieverplichting is zal de aannemer daar op wijzen en zeggen: laat het maar aan mij over, het komt goed. Maar als het werk aan het begin van de winter wordt voltooid en de steigers worden afgebroken of - bij vestingmuren - steigerhaken in combinatie met een werkponton, is controle moeilijk als er een paar voegjes op straat worden gevonden of in het water zijn gevallen. De opdrachtgever zal zeggen, laat de steiger dan maar overstaan tot april volgend jaar dan kunnen we het controleren of je uitgangspunt deugt. De aannemer wil op steigerhuur besparen, maar als het steigerwerk eenmaal weg is wordt herstel van schade zo ingewikkeld en kostbaar dat dit al meteen een ‘procedure’ wordt om dit hersteld te krijgen, waar bovendien niemand op zit te wachten. Als er geen absolute datum voor begin van de winterstop is genoemd in het bestek en bovendien de bouwplanning een beetje is uitgelopen dan wordt het een ingewikkelde kwestie. Waar de grenzen precies liggen daar bestaat binnen de restauratiesector geen eenduidige visie op. Men komt al gauw met ‘doe er maar zoveel mogelijk cement in’ dan heb je wat betreft het bouwvorstrisico de gunstigste situatie. Opdrachtgevers zullen uitgaan van morteleigenschappen die voldoen aan de compatibiliteitseisen en voor de levensduur van het restauratiewerk het meest gunstig zijn. Al zou dat wellicht met een wat korter metselen voegseizoen iets duurder zijn.




De economische meerwaarde is evident en de winst uit een oogpunt van monumentenbehoud ook. Bovendien is het maar de vraag of het aanhouden van een langere winterstop zoveel duurder zou moeten zijn. Als een aannemer tevoren kan uitgaan van de in het bestek genoemde periode gebaseerd op landelijk aanvaarde algemene aanbevelingen voor de winterstop metselen voegwerk in de restauratiesector, kan hij met een goede planning tevoren zijn personeelsinzet zo plannen dat er tijdig op binnenwerk, of werk in de nieuwbouwsector kan worden overgeschakeld. Bovendien kan het voeg-uithakwerk wèl - afhankelijk van omstandigheden die voor het personeel nog werkbaar zijn -, in de winterperiode geschieden. Afdekken Bij kleinere projecten (tuinmuur, grondzeiler molen) kan afdekken van het verse werk gedurende de gehele winter soulaas bieden. Bij hoge projecten, torens, hoge stellingmolens is de windsterkte boven beduidend hoger dan beneden en is het moeilijk, dus kostbaar, deze folie afdekkingen gegarandeerd de hele winter duurzaam stormvast te bevestigen. Bovendien moet de steiger de gehele winterperiode blijven doorstaan. De kans dat het los waait is groot. Een ander aspect is dat bij een sterke bezonning onder de afdekking een broeikassituatie kan ontstaan die vochttransport in dampvorm tot gevolg heeft waarmee van binnen naar buiten nog niet gecarbonateerde kalk in oplossing - door zeer korte afbindtijd en lage temperaturen vrijwel zeker aanwezig - meeneemt, dat aan het buitenoppervlak neerslaat, waardoor kalkuitbloei ontstaat. Naar een Landelijk aanvaarde richtlijn of aanbeveling winterstop metselen voegwerk in de restauratiesector Een en ander vraagt om een nadere en betere definiëring van het metselen voegseizoen in de restauratiesector en een keus voor absolute data / termijnen of voor temperatuurwaarden. Een richtlijn of aanbeveling die gebaseerd is op een uitvoerig vooronderzoek waarin ook interviews met gebouwbeheerders, architecten, restauratie aannemers en metselen voegbedrijven en vastgesteld in een platform waarin alle spelers zitting hebben, voorgezeten door de RCE. Dan kan ook die richtlijn of aanbeveling landelijk worden geïmplementeerd en evt. ook gekoppeld worden aan een garantieregeling. Een degelijke richtlijn of aanbeveling vraagt om een verdergaande onderbouwing en een bredere discussie dan hier in het kader van dit onderzoek mogelijk is. Volstaan wordt met een paar voorlopige vuistregels. Deze zijn gebaseerd op een nog niet gepubliceerde verkenning m.b.t. de winterstop, die in het kader van een ander onderzoeksproject werd uitgevoerd [Gunneweg. J; ‘Verkenning winterstop metselen voegwerk in de restauratie ter voorkoming van bouwvorstschade ’, 2011]. Hierin werd een literatuurstudie verricht en werden de klimaatgegevens van het KNMI in de periode 200-2010 bestudeerd. Referentie midden van het land De Bilt, met enige vergelijking met weerstations aan de kust, met name Hoek van Holland en Rotterdam. Daarnaast zijn de resultaten verwerkt van een praktijkproef met metselproefstukken met 3 typen restauratiemortels, gemetseld november 2010, die de gehele winter 2010-2011 buiten aan het klimaat waren blootgesteld.




temperatuurloggers

temperatuurmonitoring bij proef bepaling bouwvorstschade risico 2010-2011

Voorlopige aanbevelingen

Winterstop Metsel- en voegwerk restauratiemortels voorlopige aanbevelingen Voor traag uithardende restauratie metselen voegmortels (mortelhulpstoffenvrij), voor restauratiewerk in kalkmortels gemetselde massieve muren, moet v.w.b. metsel/voeg seizoen onderscheid worden gemaakt in 2 categorieën: zonder en met versterking OPC / HOC / HSGM genoemd resp. KS en MLS. Nb.: Bouwvorstschaderisico is eenmalig!

Voor de mate van een evt. cementversterking in de bepaling van de receptuur daarom altijd uitgaan van de te verwachten eindsterkte in relatie tot de (blijvende) compatibiliteitseis en het metsel/voegseizoen daar op afstemmen; niet andersom! de eenmalig te behalen winst in metselperiode kan gauw teniet worden gedaan door het verlies aan duurzaamheid in de periode daarna, die we bij verantwoorde keuzen op 40 jaar aanhouden. restauratiemortel categorie LWS (Lange WinterStop): Zonder OPC / HOC / HSGM: niet cementversterkte kalkgebaseerde mortels (CL, NHL, Cl+tras): midden van het land kustregio

: begin oktober – half april (w 39 – w 15) : medio oktober – half april (w 42 – w 15)

restauratiemortel categorie MLWS (MiddelLange WinterStop): Met OPC/HOC/ HSGM: met cement- of hoogovenslakgranulaatmeel versterkte kalkgebaseerde mortels (minimaal 0,15 dl OPC/HOC op 1 dln CL, NHL, CL+tras [v/v] = minimaal ~30 % [m/m] OPC/HOC op 100% [m/m] CL, NHL, CL+tras: midden van het land kustregio

: begin november – eind maart (w 44 – w 13) : half november – begin april (w 46– w 14)




Literatuur - Groot , C., Gunneweg J.; ‘Onderzoek vochtproblematiek stenen molens’ TU Delft, september 2002 - Gunneweg. J ‘Verkenning Winterstop metselen voegwerk in de restauratie ter voorkoming van bouwvorstschade’ ongepubliceerd onderzoeksverslag, 2011 - Copuroglu, O ; Frost Scaling of Cement based Materials with a High Slag Content ; Ph.D. thesis TU Delft , 2006 - Hall, Christopher and Hoff, William D. ‘Water transport in brick, stone and concrete’ Spon Press London 2002 - Stichting verletbestrijding bouwnijverheid ; ‘Metselen bij lage temperaturen - een laboratoriumonderzoek bij weerfase 3’ Rotterdam sept. 1986 - Van Balen, K et. al. Kalkboek; Rijksdienst voor de Monumentenzorg, 2003 - FNV Bouw brochure ‘Vorstelijk op de bouwplaats - vorst in 4 stappen’.




2.

Laboratoriumonderzoek en discussie resultaten

2.1

materiaalkeuzen en verwerkbaarheid

2.1.1

materiaalkeuzen

Bindmiddelen (zoutresistentie!) Voor de bouwplaatsgemengde voegmortels zijn als basisbindmiddelen gekozen hydraulische kalk (NHL2 en NHL3,5 van St Astier, chloride-resistent); luchtkalken: Harlinger kalk (CL70), en Supercalco (Carmeuse, CL90); Rheinische tras, TUBAG; cementen: Hoogovencement (sulfaat-resistent), PC type Wittekind (mengsel van portlandcementklinker, gips en kalkmergel). Aangezien de hierboven genoemde hydraulische bindmiddelen (de hydraulische kalken en tras in combinatie met kalk) langzaam op sterkte komen en de luchtkalken langzaam carbonateren kan het nodig zijn (bij laat werken in het seizoen, of indien er ander gevaar is voor aantasting van de nog zwakke mortels) om een moderne cement toe te voegen om snel op genoeg sterkte te komen. Dit (+ sulfaatresistentie) is de reden dat bij een aantal voegmortels hoogovencement is toegevoegd. Zand Uit praktische overwegingen werd gekozen voor een standaard voegzand, dat in de bouwmaterialenhandel voorhanden is (type 156, grijs). Dit zand is rondkorrelig rivierzand (dus geen granulaat/gebroken zand). Bij twee mortels is in plaats van voegzand zilverzand gebruikt. De korrelgrootteverdelingen +de korrelweergaven van beide zanden zijn weergegeven in figuur 2.1.1 korrelgrootteverdeling voegzand en zilverzand

cumulatieve zeefdoorval [gew %]

100 90 80 70

voegzand

60

zilverzand

50 40 30 20 10 0 <0,063

0,063

0,125

0,25

0,5

1

2

4

korreldiameter [mm]




voegzand: verschillende korrelgrootten, afgeronde korrelvorm

zilverzand: nagenoeg 1-korrelig

Figuur 2.1.1 Korrelgrootteverdeling + korrelweergaven van de gebruikte zanden De fijnheidsmoludi van voegzand en zilverzand zijn resp. 1,8 en 1,0 en het luchtgehalte (poriënvolume) resp. 39 en 44 vol %. De korrelgrootteverdeling heeft invloed op het luchtgehalte van het zand en daarmee, bij gelijke zand/bindmiddelverhouding, op de porositeit van de mortel. Bindmiddel-zand verhouding In Figuur 2.1.2 is een overzicht gegeven van de samenstellingen van de bouwplaatsgemengde voegmortels en de 4 prefab voegmortels (anoniem weergegeven). Bij de meeste bouwplaatsgemengde voegmortels is een bindmiddel-zandverhouding van 1 op ~2,5 (iets sterker dan de gebruikelijke 1:3, om een goede verwerkbaarheid te realiseren; in deze mortels zijn geen verwerkbaarheidsverbeterende additieven zoals luchtbelvormers toegepast) met uitzondering van VB07 (met een bindmiddel-zand verhouding van 1:1,6) en VB08 (met een bindmiddel-zand verhouding van 1:4,5). Bij VB08 en VB09 is als zand zilverzand toegepast. Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

VB06 VB07 VB08 VB09

NHL2

toeslag

3

Prefab mortels HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Figuur 2.1.2 Overzicht van de voegmortels (bouwplaats gemengd en prefab), welke in de proevenserie zijn opgenomen




2.1.2

Verwerkbaarheid voegmortels

Daar de verwerkbaarheidheid in de praktijk een bepalende factor is voor goed voegwerk is de meestervoeger Ed Heijer (zie foto voorblad) uitgenodigd om een beoordeling van de voorgestelde voegmortels te geven. Hiertoe beoordeelde hij de verwerkbaarheid van de mortels bij het aanbrengen van voegen in metselproefstukken. De beoordeling betrof smeuïgheid/plasticiteit, werken “vanuit de bal”, zandgradering (dikte voeg), watervasthoudendheid, plakken, smetten, productie maken. Naast de beoordeling van deze deelaspecten werd een overall oordeel gegeven in de vorm van een eindcijfer (van 1 tot 10). In figuur 2.1.3 zijn de voegmortelsamenstellingen en de eindbeoordelingen van de bouwplaatsgemengde en prefab mortels weergegeven.

Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

VB06 VB07 VB08 VB09

NHL2

toeslag

3

Prefab mortels HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Verwerkbaarheid eindoordeel VB02 VB03 VB04 VB05 VB06 VB07 VB08 VB09

7 6 8 5 8 9 6 6

VP01 VP04 VP05 VP06

7 5 4 4

Figuur 2.1.3 Samenstelling voegmortels (bouwplaatsgemengd en prefab) en eindoordeel verwerkbaarheid van deze voegmortels. Over het geheel genomen presteren de bouwplaatsgemengde voegmortels wat verwerkbaarheid betreft duidelijk beter dan de prefab voegmortels. Slechte verwerkbaarheid leidt vaak tot een slecht opvullen van de voeg, waardoor er risico’s t.a.v. de duurzaamheid van de voeg worden geïntroduceerd.




2.2

Mechanische eigenschappen voegmortels

2.2.1 Uithardingsprocedures In historisch metselwerk zijn bij de bouw over het algemeen “zachte” mortels toegepast. Luchtkalk, hydraulische kalk of luchtkalk in combinatie met een puzzolaan materiaal zoals tras werden daarbij in het verleden meestal als bindmiddel gebruikt. Deze bindmiddelen harden op een andere manier uit dan de nu gebruikelijke portland cementmortel. Zo hardt luchtkalk (Ca(OH)2) uit door binding van koolzuur (CO2) uit de lucht (het snelst onder vochtige omgevingscondities) waardoor kalksteen (CaCO3) ontstaat. De beste uithardingscondities voor een snelle carbonatatie zijn afwisselend nat en droog. Hydraulische kalk hardt daarentegen in belangrijke mate uit onder invloed van water (net zoals portlandcement), maar de reactie gaat veel langzamer dan bij portlandcement. Dit is ook het geval bij tras (in combinatie met luchtkalk). De standaard uithardingscondities bij laboratoriumproeven voor mortels zijn geënt op het gebruik van snelle, hydraulische bindmiddelen zoals portland cement. Voor de uithardingstijd wordt 4 weken genomen, waarbij het proefstuk gedurende de eerste week al het aanwezige vocht kan gebruiken voor de hydraulische reactie. Dan wordt al ~70% van de eindwaarde van de druksterkte bereikt. Na 4 weken (28 dagen) wordt nagenoeg de eindwaarde bereikt (~10% afwijking mogelijk). Dit is zeker niet het geval met traditionele bindmiddelen. Eindwaarden worden soms na enige jaren pas bereikt. Intussen dienen de uithardingscondities wel bij te dragen aan de voortgang van het uithardingsproces. Daar in de proevenserie een aantal traditionele bindmiddelen zijn gebruikt (luchtkalk, hydraulische kalk, tras+luchtkalk) is een poging gedaan om een indruk te krijgen van het effect van verschillende uithardingscondities op de mechanische eigenschappen. Het uitgangspunt hierbij was de standaard laboratorium uithardingsprocedure zoals in NEN-EN 1015-11 is voorgeschreven (procedure NEN). Deze is voor de uitharding van traditionele hydraulische bindmiddelen te karakteriseren als “droog”. De reden is, dat de proefstukken in deze procedure na een week onder drogende condities komen te verkeren (van ~100% RV naar 65% RV), terwijl ze veel langer vocht nodig hebben tijdens het langzaam verlopende hydratatieproces. Vanuit deze gedachte werd een procedure opgezet waarbij gedurende de tweede week het proefstuk ook uit kon harden onder 100% RV (procedure NUT). Aangezien de eindwaarden voor de druksterkten bij traditionele mortels niet na 28 dagen worden bereikt maar soms na enige jaren is een poging gedaan met een versnelde proef de eindwaarden na 2 weken te realiseren. Hiertoe werd een proef uitgevoerd, zoals omschreven in Turk Standardi: TS 25 Aralik 2008 ICS 91.100.10. Deze versnelde proef is in principe toepasbaar voor trage hydraulische mortels (procedure VUP).

Procedures voor uitharding Standaard laboratorium-uithardingscondities voor mortels [NEN] (de proeven zijn uitgevoerd volgens NEN-EN 1015-11) 1. 2. 3. 4.

7 dagen in het (polystyreen) mal houden, afgedekt met folie Prisma’s uit het mal halen Uitgepakte prisma’s 3 weken in de klimaatkamer uitharden bij 20○ C en 65 % RH Bepaling druksterkte en dynamische E-modulus, 28 dagen na aanmaken mortel




Uitharding onder vochtige laboratorium-uithardingscondities [NUT] (zie onderstaande procedure) 1. 2. 3. 4. 5.

7 dagen in het (polystyreen) mal houden, afgedekt met folie Prisma’s uit het mal halen Uitgepakte prisma’s 1 week in de klimaatkamer laten uitharden bij 20○ C en 100% RH En vervolgens 2 weken in de klimaatkamer op 20○ C en 50% RH Bepaling druksterkte en dynamische E-modulus, 28 dagen na aanmaken mortel

Versnelde uithardingsproef [VUP] (de proeven zijn uitgevoerd volgens (Turk Standardi: TS 25 Aralik 2008 ICS 91.100.10)) 1. Vers aangemaakte mortel wordt geplaatst in de prismamal en gedurende de eerste 3 dagen afgedekt met folie gehouden. 2. Vervolgens worden de prisma’s uit de mal gehaald en stuk voor stuk luchtdicht ingepakt in folie met behulp van sterk plakband. 3. Ingepakte prisma’s worden 10 dagen lang in de oven gehouden op een temperatuur van 55ºC. 4. Uigepakte prisma’s worden teruggeplaatst in de oven en worden nog een dag gedroogd op een temperatuur van 55ºC. 5. Op de daaropvolgende dag worden de mortels op druksterkte en dynamische E-modulus beproefd, 15 dagen na aanmaken mortel.

NEN-procedure

NUT-procedure

VUP-procedure

Figuur 2.2.1 verschillen in carbonatatie (omzetting van Ca(OH)2 [paars] naar CaCO3 [grijs]) in de doorsnede van Natuurlijke Hydraulische Kalk - prisma’s (VB04) als gevolg van verschillende uithardingscondities. NEN: (te) droge uithardingscondities voor een NHL3,5; wel carbonatatie weinig hydratatie; druksterkte 0,8 MPa ; VUP:de meest vochtige uithardingscondities; nauwelijks carbonatatie wel hydratatie; druksterkte 2,05 MPa; NUT neemt een middenpositie in. Minder carbonatatie meer hydratatie dan NEN mee carbonatatie en minder hydratatie dan VUP. Geconcludeerd kan worden dat voor deze NHL vochtige uithardingscondities van groot belang zijn om tot een sterkte-ontwikkeling te komen.




2.2.2

Drukproeven

Mechanische eigenschappen: buig-, trek- en druksterkte werden bepaald met een Matest-machine aan de hand van prisma’s van 40x40x160mm (zie figuur 2.2.2). Drukproeven: Snelheid 0,25 Mpa/s Beginbelasting 0,25 kN Einde proef bij 10% afwijking van de laatste gemeten waarde.

Figuur 2.2.2 Buigproef (links) en drukproef (rechts) op Matest-drukmachine




Druksterkte Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06

3

VB07 VB08 VB09

toeslag

Prefab mortels HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Druksterkten voegmortels bij verschillende uithardingscondities 20 18 NUT (28)

Druksterkte [N/mm2]

16

NEN (28)

14

VUP

12 10 8 6 4 2 VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

0 VB02

2.2.2

Mortelsamenstellingen Laboratorium uithardingscondities NEN

"droge" uithardingscondities

NUT

"vochtige" uithardingscondities

VUP

versnelde uithardingsproef

voor toelichting uithardingscondities zie hoofdstuk 2.2.1

Figuur 2.2.3 Druksterkten van een aantal bouwplaatsgemengde en prefab-voegmortels, uitgehard onder 3 verschillende uithardingscondities




Resultaten Verwacht werd dat de uitharding onder vochtige condities (NUT) tot hogere druksterkte-waarden zou leiden, in vergelijking tot de NEN-proef, bij de mortels met hydraulische componenten in het bindmiddel (zoals de natuurlijk hydraulische mortels (NHL 2 en NHL 3,5), de hoogovencement (HOC), de tras en misschien de Wittekind PC). Uit de proeven blijkt dat  er een duidelijk effect merkbaar is bij de mortels VB06, VB07 en VB08 als deze onder vochtige condities uitgehard zijn: de druksterkten nemen aanzienlijk toe.  dit niet het geval is voor de mortels VB02, VB03, VB04 en VB08. De versnelde uithardingsproef (VUP) geeft over het algemeen hogere waarden dan de NEN proef, maar meestal geen significante verhoging. Uitgaande van bestaande kennis over de eindsterktewaarden van bijvoorbeeld VB04 (deze natuurlijke hydraulische kalkmortel komt normaliter na 2 jaar op eindwaarden van ~6 N/mm2) moet geconcludeerd worden dat deze versnelde proef voor deze mortel geen voorspellende waarde voor de eindsterkte geeft. De pure natuurlijke hydraulische kalkmortel (VB04) komt, zoals uit de proeven, die na 28 dagen zijn uitgevoerd blijkt, zeer langzaam tot sterkte-ontwikkeling. Dit houdt in dat deze mortel, laat in het seizoen toegepast, vorstgevoelig zal zijn in de winter. Bescherming tegen vochtindringing (zonder vocht geen vorstschade) of toevoegen van cement aan de mortel (om voldoende beginsterkte te creëren) zijn dan de mogelijkheden om onbezorgd de eerste winter door te komen. Opvallend is dat de druksterkten van de prefab voegmortels relatief hoge waarden vertonen in vergelijking tot de bouwplaatsgemengde mortels. Dit geldt in het bijzonder voor de prefab mortel VP01. 2.2.3

Dynamische E-modulus, vervormbaarheid

De dynamische E-modulus is een maat voor de vervormbaarheid van een mortel. Lage waarden duiden op een grote vervormbaarheid. Vervormbaarheid is belangrijk in historisch metselwerk om bijvoorbeeld ongelijkmatige zettingen op te vangen (geen of weinig dilatatievoegen in historisch metselwerk). Bij voegwerk is een lage E-modulus van belang om piekspanningen tussen mortel en aanliggende baksteen te voorkomen. De E-modulus is op een niet-destructieve manier bepaald met gebruikmaking van ultrageluidsgolven.

Figuur 2.2.4 Dynamische E-Modulus bepaald met Ultra sound (Pundit plus apparaat)




Proefresultaten dynamische E-modulus Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06

3

VB07 VB08

Prefab mortels

toeslag

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

VB09

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Dynamische E-moduli (vervormbaarheid) voegmortels bij verschillende uithardingscondities 14 NUT (28) NEN (28) VUP

Dyn. E-modulus [GN/m2]

12

10

8

6

4

2

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0

Mortelsamenstellingen Laboratorium uithardingscondities NEN


NUT


VUP


Figuur 2.2.5 Dynamische E-moduli (lage waarde ~ hoge vervormbaarheid) van een aantal bouwplaatsgemengde en prefab voegmortels, uitgehard onder 3 verschillende uithardingscondities




Resultaten Het effect van de uithardingscondities op de stijfheid (de dynamische E-modulus) is groter dan op de druksterkten: vergelijk de figuur 2.2.3 met figuur 2.2.5. In een aantal gevallen (VB05, VP07 en VP04) is de E-mod (NUT) ruim 2 maal zo groot dan de E-mod (NEN). Een toename van de E-modulus onder vochtige uithardingscondities (NUT) is consistent met een toename bij de druksterkte voor de mortels VB06, VB07, VB08, VP01. Ook hier blijkt dat de E-modulus van de VB04 (de zuivere NHL3,5 mortel) zeer laag is in verhouding tot de andere mortels. Te verwachten valt dat de E-modulus van VB04 na langere uitharding (1-2 jaar) onder invloed van vocht hogere waarden zal bereiken. Over het geheel genomen kan vastgesteld worden dat de stijfheid van de bouwplaatsgemengde mortels lager ligt dan de stijfheid van de prefab-mortels (met uitzondering van de prefab-mortel VP04). NB E-mudulus waarden kunnen nogal verschillen afhankelijk van de wijze waarop ze bepaald zijn. In deze studie zijn de dynamische E-moduli bepaald met een Pundit plus apparaat. De dynamische E-modulus wordt hierbij bepaald met Ultra sound en daarmee op een niet-destructieve maar tevens indirecte wijze. De bepaalde waarden moeten op vergelijkende wijze geïnterpreteerd worden (en niet als absolute waarden).




2.3

Hygrische eigenschappen

2.3.1

Vochtabsorptie en drooggedrag: inleiding

Vochtabsorptie Bij het onderzoek naar het hygrische gedrag van metselwerk gaat het er om een beter inzicht te krijgen in het waarom van de opname, transport en droging van vocht (hier in het bijzonder van regenwater). Hiertoe wordt gewoonlijk gebruik gemaakt van proeven, die in zekere mate een afspiegeling zijn van de wijze waarop wateropname in de werkelijkheid plaatsvindt. Specifiek voor veel proeven is dat vocht vanaf één zijde wordt geabsorbeerd en gekeken wordt hoeveel vocht gedurende een bepaalde tijd door een doorsnede stroomt. Dit is vergelijkbaar met regen die op een oppervlak valt en vervolgens door dat oppervlak via absorptie het metselwerk intrekt, of optrekkend vocht dat door een muurdoorsnede van beneden naar boven migreert door capillaire krachten. Bij proeven wordt deze wijze van vochtopname geïmiteerd door een steen, een mortel, een stuk metselwerk met de voet in water te zetten en op deze wijze vocht capillair op te laten nemen.

‘Regenzijde’ proefstuk metselwerk met de voet enige mm’s in het water

Vochtopname baksteen vanuit voet voor de bepaling van initiële wateropzuiging (IW)

Figuur 2.3.1 Voorbeelden van vochtabsorptie vanaf één zijde; De gewichtstoename in vocht, de doorsnede waardoor het water optrekt en de tijd die voor de proef wordt genomen zijn dan de variabelen waarmee de vochtopname worden gekarakteriseerd. Om resultaten vergelijkbaar te maken worden de gewichtstoename in [kg], de doorsnede in de eenheid van oppervlak [m2], en de duur van de proef in de eenheid van tijd [min] of [sec] weergegeven. Vochtabsorptie in 1 minuut heeft een speciale karakteriseringsnaam gekregen: de initiële wateropzuiging (IW) en deze wordt uitgedrukt in kg/(m2.min). In de praktijk spreekt men ook wel van het Hallergetal (uitgedrukt in gr/(dm2.min)). Voor een zelfde steen is het Hallergetal 10x zo groot als de IW. Bij de hygrische proeven hier uitgevoerd is niet naar vochtopname op een bepaald moment, zoals bij de IW (bij 1 minuut), gekeken, maar naar de vochtopname gedurende een periode (van 10 min tot 90 min, volgens de norm NEN-EN 1015-18 (en)). Daarna is het vochtopname gedrag uitgedrukt in de zgn. water absorptie coëfficiënt (WAC). In Figuur 2.3.2 wordt aangegeven wat deze karakterisering inhoudt.




Figuur 2.3.2 Capillaire vochtopname per oppervlakte eenheid (zie y-as) is recht evenredig met de wortel uit de tijd (zie x-as). De water absorptie coëfficiënt (WAC) is Y/X.

Droging Droging vindt plaats in 2 fasen (zie figuur 2.3.3). Gedurende fase 1 verplaatst het vocht zich in vloeibare vorm naar het verdampingsoppervlak (de buitenzijde) en verdampt vanaf dit oppervlak. Het gewichtsverlies in deze fase is recht evenredig met de tijd. Gedurende fase 2 vertraagt het gewichtsverlies meer en meer omdat het drogingsfront zich naar binnen beweegt door minder vochtaanvoer en de droging via damptransport vanuit het materiaal moet plaats vinden.

water

waterdamp

Figuur 2.3.3 Links: de 2 fasen in het vochttransport; Rechts: gedurende fase 1 (meer dan een dag) is het vochttransport lineair met de tijd (de rechte tak in de grafiek), daarna komt de vertraging in fase 2 ("Water vapour emission from solid mesoporous materials during the constant drying rate period" LNEC, Drying technology, in preparation)




Proefopstelling drogen De snelheid van drogen van verschillende typen metselwerk kan sterk uiteenlopen. Dit heeft in belangrijke mate te maken met verschillen in porositeit die voorkomen in bakstenen en mortels. Het gaat hierbij in het bijzonder om verschillen in droging als gevolg van verschillen in porie-afmetingen, grove poriën: snelle droging (omdat de capillaire (vasthoud)krachten klein zijn) en fijne poriën: langzame droging (omdat de capillaire krachten groot zijn). Gezien de vele droogproeven en de beperkte projecttijd heeft het drogen versneld plaatsgevonden. Hierbij is gebruik gemaakt van een ontvochtiger (zie figuur 5.4). Zowel de lage relatieve vochtigheid (RV~20 %) als een verhoogde temperatuur (~ 35 0C) droegen bij aan de versnelling van de droging. De interpretatie van versnelde proeven is niet eenvoudig. Echter, verondersteld mag worden dat een globale vergelijking van het drooggedrag van de verschillende mortels, rekening houdend met de bijzondere (versnelde) droogcondities, gedurende de eerste 24 uur van drogen mogelijk is. Daarbij is er vanuit gegaan dat gedurende deze periode fase 1 drooggedrag optreedt. Vergelijking van de droogresultaten met de water-absorptieresultaten geven enige grond t.a.v. de beoordeling van deze aanname.

Figuur 2.3.4 Vochtonttrekking met behulp van een ontvochtiger (dehumidifier). Aanvoer van droge lucht en afvoer van vochtige lucht. De proefstukken staan in de droogruimte rechts waar de slangen op aansluiten. Droogcondities: RH 20% ±2; Temp. 35oC±2




2.3.2

Bevochtigen en drogen van prisma’s

Capillaire waterabsorptieproeven De proeven zijn uitgevoerd volgens NEN-EN 1015-18 (en) Als proefstuk zijn gebruikt gedeelten van prisma’s die bij buigproeven in tweeën gebroken zijn.

1) prisma proefstuk 2) gebroken oppervlak van prisma 3) wateroppervlak A) ~ 80 mm (halve prisma) B) 5-10 mm in water

De vier lengtezijden van de prisma’s zijn eerst geseald met epoxyverf (zodat er sprake is van unidirectionale vochtopname en droging via het gebroken oppervlak van het prisma) Halve prisma’s (3) werden gebruikt voor de absorptieproeven.    

Meting gewicht droog (1) gebroken kant in het water 5 tot 10 mm voet in water (afh. van hoogteverschillen breukvlak) Controleren afmetingen doorsnedeafmetingen (4x4cm) 10 min waterabsorptie; Meting gewicht (2) 90 min waterabsorptie; Meting gewicht (3)

Figuur 2.3.5 Waterabsorptie via het gebroken oppervlak van het prisma, dat 5-10 mm in het water staat. Drogen




Met behulp van een ontvochtiger: Gebroken kant boven, niet-gebroken kant in zand Uitgangsgewicht (3) Droogcondities: RV 20% ±2; Temp. 35oC±2 Wegen na 24 h (4) Wegen na 48 h (5)

Figuur 2.3.6 Zoals de vochtopname via het gebroken vlak ging (zie figuur 2.3.5) zo ook de

Capillaire waterabsorptie droging (door verdamping) via de gebroken doorsnede van de prisma in de ontvochtiger. Droogcondities: RH 20% ±2; Temp. 35oC±2





NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06

Prefab mortels

toeslag

HOC

Zand

1

10

3

VB07 VB08 VB09

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Water absorptie coeff (WAC) prisma's 2,1 wac

WAC [kg/m 2/min0,5]

1,8 1,5 1,2 0,9 0,6 0,3

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0,0

verschillende voegmortels

vrijwillige wateropname 25

vrijw. wateropn. [massa %]

vrijwillige wateropname

20

15

10

5

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0

verschillende mortelsamenstellingen

Figuur 2.3.7 Waterabsorptiecoëfficiënten (korte duur proef) en vrijwillige wateropname (lange duur proef) voor de verschillende voegmortels bepaald aan mortelprisma’s




Resultaten Door vergelijking van deze twee grafieken (de Water Absorptie Coëfficiënt (WAC) en de Vrijwillige Wateropname (VW)) kunnen uitspraken gedaan worden over de mate van grove dan wel fijne porositeit van de verschillende voegmortels. Vochtopname in een poreus materiaal met fijne poriën gaat langzaam, met grove poriën gaat het snel: bij een regenbui neemt grof poreus materiaal sneller water op. De grafiek met de waterabsorptiecoëfficiënt (WAC) geeft het vochttransport over kortere duur (80 minuten) weer, terwijl de vrijwillige wateropname de vochtopname over langere tijd (48h) weergeeft. Zo valt op dat  De Water Absorptie Coëfficiënten (WAC’s) van de prefab mortels in verhouding opvallend lager zijn dan de die van de bouwplaatsgemengde mortels; dit duidt op een fijnere porositeit (langzaam vochttransport) van de prefab mortels, waarschijnlijk veroorzaakt door de toepassing van hydraulische bindmiddelen zoals cement. 

De vrijwillige wateropname (vochtopname in 48h, ook wel genoemd de “open” porositeit of anders gezegd het netwerk van capillairen dat met elkaar in verbinding staat) van VB02 t/m VB06 is nagenoeg gelijk. Echter, de waterabsorptie-coëfficiënt, die de vochtopname tussen 10 en 90 minuten karakteriseert, dus een korte-duur karakterisering loopt behoorlijk uiteen. Deze verschillen duiden op een significant fijnere porositeit van VB03 en VB06 (vooral bepaald door de bindmiddelen NHL2 in combinatie met hoogovencement) in vergelijking tot VB04, waarin de porositeit wordt bepaald door NHL3,5 (uitmondend in een veel grovere porositeit). Opgemerkt wordt dat de porositeit van de NHL3,5 met de tijd wel nog fijner gaat worden omdat het uithardingsproces 1 à 2 jaar kan duren.



Opvallend is tevens de hoge water absorptie capaciteit van VB09. Deze is waarschijnlijk veroorzaakt door slechte uitharding van het kalk/hoc mengsel als gevolg van de moeilijke menging van deze mortel. Verondersteld mag worden dat de menging verre van optimaal is, waardoor de uitharding ongestructureerd plaatsvindt.



Uitzonderlijk gedrag vertoont VP01. De waterabsorptie coëfficiënt is de kleinste van alle prefab en bouwplaatsgemengde voegmortels, maar de vrijwillige wateropname (de beschikbaarheid aan poriënvolume voor wateropname) is de hoogste van de prefab mortels. De lage water absorptiecoëfficiënt wordt waarschijnlijk veroorzaakt door de toepassing van een hydrofobeermiddel (water-afstotend middel) in de voegmortel.




Vrijwillige wateropname prisma’s (48h onderdompeling)

Tabel 2.3.1 Overzicht vrijwillige wateropname na 48 h onderdompeling Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05 VB06 VB07 VB08 VB09

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

Kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

HOC

Zand

1

10

NHL2

toeslag

3 kalk Hrl

tras

HOC

(zz) zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

zand

4

1

12

VW [massa %]

VW [vol %]

14,8

26,3

15,0

26,6

16,1

28,5

14,8

25,5

13,3

20,2

13,5

25,7

14,1

25,1

19,3

31,3

Prefab mortels VP01

A

11,7

17,5

VP04

B

11,1

20,9

VP05

C

9,7

17,5

VP06

D

10,5

20,0

De voor water vrij toegankelijke porositeit van de bouwplaatsgemengde voegmortels is over het algemeen hoger dan die voor de prefab voegmortels. Over het algemeen drogen de mortels met een hoge porositeit (hoge vrijwillige wateropname) sneller dan mortels met een lage porositeit ( zie figuur 2.3.8)




Vergelijking van droging en vochtopname door prisma’s Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06 VB07 VB08 VB09

Prefab mortels

toeslag

3

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

drogingscoefficienten (DC) prisma's gedurende de periode van constante droogsnelheid

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Water absorptie coeff (WAC) prisma's 2,1

0,010

wac

DC

1,8

0,008

WAC [kg/m 2/min0,5]

0,006

0,004

0,002

1,5 1,2 0,9 0,6 0,3


VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

VB03

0,0

0,000

VB02

drogingscoeff. [kg/(m2 .min)]

VP01


Figuur 2.3.8 Vergelijking van droging door verdamping en vochtabsorptie capillaire actie Bij vergelijking van droging en vochtopname in figuur 2.3.8 komt naar voren dat: 

vergelijkenderwijs “snelle” droging past bij snelle absorptie (VB04, VB09 zijn extreem snel en VP01 is extreem langzaam). In andere woorden wil dit dus zeggen dat sterk zuigende mortels vaak snel zullen drogen. Dit heeft te maken met het feit dat snelle vochtopname vaak veroorzaakt wordt door grove poriën en daar grove poriën water minder gemakkelijk vasthouden dan fijne poriën zal de verdamping (het drogen) ook sneller gaan.



Zoals te verwachten was is de droging een veel langzamer proces (verdamping) dan de vochtabsorptie (capillaire actie).




Vochtopname (90 min) gevolgd door droging (48h)


NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06

VB09

toeslag

3

VB07 VB08

Prefab mortels HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Waterabsorptie en droging van prisma's 20 10 min waterabsorptie 90 min waterabsorptie 24 uur drogen 48 uur drogen

vochtgehalte [massa %]

18 16 14 12 10 8 6 4 2

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0


Figuur 2.3.9 Vochtgehalten in prisma’s na 10 en 90 minuten vochtabsorptie gevolgd door 24h en 48h drogen. Hoewel snelle vochtabsorptie en snelle droging (zie bijvoorbeeld VB04 en VB09) bij elkaar passen is de eindsituatie voor deze 2 mortels wat vochtgehalte betreft toch ongunstiger dan bij de andere mortels na 48 h droging (zie figuur 2.3.9). Dit komt ook tot uiting in dik massief metselwerk. Gemakkelijke indringing van vocht bij bijvoorbeeld pure luchtkalkmortels brengt met zich mee dat het vocht ook op grotere diepten in het metselwerk terecht komt. Omdat dit vocht voor droging een langere weg naar het buitenoppervlak moet afleggen zal de droging extra lang gaan duren. Kenmerkend voor de pure kalkmortels (in vergelijking met (licht-)hydraulische mortels) dat deze structureel vochtiger blijven.




2.3.3

Bevochtigen en drogen van mortelplakken uitgehard tussen bakstenen

De plakken zijn uitgehard tussen bakstenen en vervolgens op maat gezaagd (andere gedeelten hiervan gebruikt voor de Karstenproeven) Capillaire waterabsorptieproeven Eerst geseald met epoxyverf aan 4 lengtezijden (unidirectionale vochtopname en droging) 3 halve prisma’s gebruikt voor de absorptieproeven Meting gewicht droog (1)

gebroken kant in het water 5 tot 10 mm voet in water (afh. hoogte verschillen breukvlak) 10 min waterabsorptie Meting gewicht (2) 90 min waterabsorptie Meting gewicht (3) Drogen Met behulp van een ontvochtiger Gebroken kant boven, niet-gebroken kant in zand Uitgangsgewicht (3) Droogcondities: RV 20% ±2; Temp. 35o C ± 2 Wegen na 24 h (4) Wegen na 48 h (5)

Vochtabsorptie mortelplakken

Drogen mortelplakken in ontvochtiger

Figuur 2.3.10 Vochtabsorptie en drogen (in ontvochtiger) van mortelplakken uitgehard tussen bakstenen




Water absorptie coëfficiënten mortelplakken + vergelijking met prisma’s

Bouwplaatsgemengde mortels 17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06 VB07 VB08 VB09

toeslag

3 tras

HOC

zand

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

vergelijking water absorptie coeff. (WAC) prisma's en plakken 2,1

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

0,0

0,3 0,0


VP06

0,1

0,6

VP05

0,2

0,9

VP04

0,3

1,2

VP01

0,4

1,5

VB09

0,5

VB08

2

0,6

VB02

Water absorptie coeff. [kg/(m .min

0,5

)]

Prisma's Plakken

1,8

VB07

WAC 0,7

VB03

10

1,3

Water absorptie coeff. (WAC) mortelplakken

VB02

Zand

1

kalk Hrl

0,8 Water absorptie coeff. [(kg/(m 2.min0,5)]

HOC

VB06

VB05

Zand

1

VB05

VB04

HOC

6

VB04

VB03

NHL3,5

VB03

VB02

Prefab mortels

verschillende mortels

Figuur 2.3.11 Vergelijking van waterabsorptiecoefficienten van prisma’s en mortelplakken Figuur 2.3.1 laat zien dat de waterabsorptie van de prisma’s aanzienlijk groter is dan die van de plakken. De oorzaak daarvan is dat de mortel tussen de stenen aangebracht water kwijt raakt aan de stenen door waterabsorptie. Daardoor vindt compactie plaats en wordt de poriënstructuur van de mortel fijner. Het opzuiggedrag van de plakken is dichter bij de situatie in de praktijk dan van de prisma’s (daarbij moet dan wel weer opgemerkt worden, wanneer sterk zuigende stenen worden gebruikt) Bij vergelijking van de waterabsorptiecoëfficiënten van prisma’s en plakken is met uitzondering van VB09 de mate van vochtopzuiging van de plakken logisch gekoppeld aan die van de prisma’s: hoge waarden bij de prisma’s gaan samen met hoge waarden bij de plakken.




Drogen van plakken + vergelijking met drogen van prisma’s


NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06

Prefab mortels

toeslag

3

VB07 VB08 VB09

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

drogingscoefficienten (DC) plakken gedurende de periode van constante droogsnelheid

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

vergelijking drogingscoeff. (DC) prisma's en plakken gedurende de periode van constante droogsnelheid 0,010

0,0035

0,009

Prisma's

DC

drogingscoeff. [kg/(m 2.min)]

drogingscoeff. [kg/(m2.min)]

0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010

Plakken

0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002

0,0005

0,001


Figuur 2.3.12

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

0,000

VB02

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0,0000


Vergelijking van drooggedrag van prisma’s en plakken

Zoals te verwachten viel gaat de droging van de plakken aanzienlijk langzamer dan die van de prisma’s. Ook hier, met uitzondering van VB08 en VB09 (beide onbetrouwbaar in gelijkmatigheid van de samenstelling, omdat uiterst moeilijk te mengen door de toepassing van zilverzand), is de droogsnelheid van de verschillende voegmortels voor de plakken op een logische wijze te koppelen aan de die van de prima’s: bijv. hoge droogsnelheid voor VB04 voor prisma en plak en lage voor VB03.

2.3.4 Bevochtigen en drogen van “muurtjes”




De metselproefstukken zijn uit muurtjes gezaagd. Capillaire waterabsorptieproeven NEN-EN 1015-18 (en) De bakstenen zijn eerst geseald met epoxyverf, zodat vochtabsorptie en verdamping alleen via de voegen en interface steen-voeg kan plaats vinden. Bepaling absorptieoppervlak Meting gewicht metselproefstuk droog (1) Gesealde kant 5-10mm voet in water 10 min waterabsorptie; Meting gewicht (2) 90 min waterabsorptie; Meting gewicht (3)

b) Binnen de gele kaders van de voegmortel bevindt zich het absorptieoppervlak; de stenen zijn (alleen) in het zicht geseald met een epoxyverf en nemen geen water op.

a) Wegen metselproefstuk (grijze buitenkant stenen door epoxyverf voor sealing)

Figuur 2.3.13 vochtabsorptie bij “muurtjes” alleen via de voegmortel

c) Vochtabsorptie via opzuiging vanuit de gesealde zijde




Drogen Met behulp van een ontvochtiger Gesealde kant boven; drogen vanuit de voegen Uitgangsgewicht (3) Droogcondities: RV 20% ±2; Temp. 35o C ± 2 Wegen na 24 h (4) Wegen na 48 h (5)

Figuur 2.3.14

Drogen van metselproefstukken in ontvochtiger




Vergelijking water absorptiecoëfficiënten (WAC’s) van muurtjes en prisma’s


NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06

Prefab mortels

toeslag

3

VB07 VB08 VB09

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

Water absorptie coeff. (WAC) muurtjes

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

vergelijking WAC's prisma's en muurtjes 16

16

prisma's

WAC

muurtjes

14

14

12,8

12,4

WAC [kg / (m2.min0.5 )]

12 10 8 6

12

11,2

11,5 10,6

13,2

11,0

9,8

10

9,4 8,3 7,7

8 6 4

0,50

0,90

1,5 0,10

0,30

0,20

0,50

VP06

0,30

VP05

VB03

2,00 0,90

VP04

0,30

VP01

0,65

VB07

1,50

2

2

VB06

4

VB02

VB09

VB08

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02


VB05

0

0

VB04

water absorptie coeff. [kg/(m 2.min0,5)]

HOC


Figuur 2.3.15 Links: Waterabsorptiecoëfficiënten mortels in muurtjes; rechts: Waterabsorptie coëfficiënten van de mortelprisma’s Bij vergelijking van de WAC’s van de muurtjes met die van de prisma’s blijkt dat de WAC’s van de muurtjes beduidend hoger liggen: factor 20 tot 40 hoger!!! Bij de muurtjes wordt tijdens de proef water alleen via de voegmortel naar binnen gezogen (zie figuur 2.3.13b). Bij de berekening van de WAC’s van de muurtjes is het totale voegoppervlak dat beschikbaar was (fig 2.3.13b: binnen de gele lijnen) voor vochtabsorptie als uitgangspunt genomen. Het verschil in vochtopname tussen muurtjes en prisma’s is alleen maar te verklaren als er krimpspleten tussen de voegmortel en de steen zijn ontstaan, waardoor het vocht naar binnen wordt gezogen de droge stenen in.




Vergelijking Waterabsorptiecoëfficiënten voor de mortels in de muurtjes en het krimpgedrag van de mortels

Bouwplaatsgemengde mortels VB02

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

VB03 VB04 VB05

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

NHL2

VB06

Prefab mortels

toeslag

3

VB07 VB08 VB09

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

Water absorptie coeff. (WAC) muurtjes

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

krimp voegmortels 8

16 WAC

7

14

krimp

6

12

krimp [mm/m]

water absorptie coeff. [kg/(m 2.min0,5)]

VP01

10 8 6

5 4 3 2

4

1 2

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02


VB02

0 0


Figuur 2.3.16 Links: waterabsorptie coëfficiënten muurtjes; rechts: krimpgedrag van de mortels (zie hoofdstuk 2.4) In principe zou het logisch zijn als er een verband zou bestaan tussen het krimpgedrag van de mortels en de vochtopname van de muurtjes: bijvoorbeeld grotere krimp, grotere spleet, grotere vochtopname. Dit is, zoals blijkt uit vergelijking van de 2 grafieken in figuur 2.3.16, niet systematisch het geval. Wel is en blijft een uitspringend resultaat, dat de zeer kleine krimp van prefab mortel VP01 leidt tot een opvallend zeer lage vochtopname in de muurtjes, met andere woorden dat bij deze mortel geen (of nauwelijks) spleetvorming tussen mortel en steen plaatsvindt; ook speelt echter een rol dat deze mortel waterafstotend is.




Vergelijking droging prisma’s en muurtjes


NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

VB06 VB07 VB08 VB09

NHL2

Prefab mortels

toeslag

3

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

drogingscoefficientem (DC) muurtjes gedurende de periode van constante droogsnelheid

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

drogingscoeff. (DC) prisma's en muurtjes gedurende de periode van constante droogsnelheid 0,025

0,025

Prisma's

drogingscoeff. [(kg/(m2.min)]

Muurtjes

0,020

2

0,015

0,010

0,005

0,000

0,020

0,015

0,010

0,005



Figuur 2.3.17 Links: drogingssnelheid van de muurtjes Rechts: vergelijking van drogingssnelheid muurtjes en prisma’s

Uit figuur 2.3.17 blijkt dat   

De droging vanuit de voegen van de muurtjes met uitzondering van VB04 steeds significant hoger is dan bij de prisma’s de droging van de muurtjes niet gerelateerd is aan het drooggedrag van de prisma’s: met andere woorden is niet op een eenduidige manier gerelateerd aan het drooggedrag van het type voegmortel De aansluiting (poriën systemen, krimpnaden) van de voegmortel aan de erachter liggende legmortel en de omliggende stenen zijn bepalend voor de aanvoer van vocht naar de voegmortel; verschillen in aanvoer oefenen invloed uit op de beschikbaarheid van water voor verdamping.


VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0,000

VB02

drogingscoeff. [kg/(m .min)]

DC



2.3.5 Karstenbuisproeven De Karstenproef bestaat uit de meting van de tijd die nodig voor de opname van een waterkolom van 4 cm (zie figuur 2.3.18) in een poreuze ondergrond. De proeven werden verricht aan mortelplakken die uitgehard zijn tussen bakstenen (in dit geval sterk zuigende bakstenen met een Initiële Wateropzuiging van ~3,8 kg/m2/min) De plakken zijn uitgehard onder de volgende condities: 0 3 weken RH 100% t 20 C (tussen de stenen) 0 1 week RH 50 % t 20 C (zonder stenen)

Figuur 2.3.18 Waterabsorptie vanuit een Karstenbuis door mortelplak: meting van de tijdsduur waarin een kolom van 4 cm is opgenomen.




Vergelijking waterabsorptie Karstenbuisje met Waterabsorptiecoëfficiënt van de voegmortels tijd van het waterindringing via het Karstenbuisje

Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03

NHL3,5

HOC

6

1

Zand 17

NHL2

HOC

Zand

3

1

Zand

1 HOC

5

1,5

16

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

(zz) zand

1,3

0,4

0,25

3

VB07 VB08 VB09

Zand

toeslag

NHL2

VB06

0-5 min

2,5

Kalk Harl

VB05

1,5 a 2 uur

10

NHL3,5

VB04

~2 uur

20-30 min 2 á 3 uur 2 á 3 uur

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

zand

4

1

12

10-20 min ? *)

Prefab mortels VP01

A

>6 uur

VP04

B

0-1 uur

VP05

C

2 á 3 uur

VP06

D

1 á 2 uur

*) geen constante kwaliteit plakken te maken

Water absorptie coeff. (WAC) mortelplakken

Water absorptie coeff. [(kg/(m2.min0,5)]

0,8 WAC 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0,0


Figuur 2.3.19 Boven: Tijd benodigd voor de absorptie van een waterkolom van 4 cm van een Karstenbuisje (zie figuur 2.3.18) in mortelplakken uitgehard tussen bakstenen met een initiële wateropzuiging van 3,8 kg/m2/min Onder: waterabsorptiecoëfficiënten mortelplakken Vergelijking van de tabel met Karstentijden met de figuur waarin de waterabsorptie coëfficiënten zijn weergegeven maakt duidelijk dat de Karstenbuiswaarden op een logische manier aansluiten op de verkregen wac’s. Hoge waarden (bijv VP01) duiden op de toepassing van een hydrofobeermiddel.




2.3.6

Vochtabsorptie en drooggedrag in relatie tot poriënverdeling (MIP)

Voor een 4-tal van de voegmortels zijn de porien grootteverdelingen bepaald met behulp van kwikporosimetrie (MIP). De monsters: VB03, VB04, VB07 en VP04 zijn genomen uit de voegen van “muurtjes”. De monsters zijn dus uitgehard tussen bakstenen en hebben daardoor een porositeit die in metselwerk kan voorkomen.

VB03 30%

4,5%

4,0% 25%

20%

3,0%

2,5% 15% 2,0%

10%

1,5%

Incr. pore size distribution (vol%)

Cumm. porosity (vol%)

3,5%

1,0% 5% 0,5%

0% 0,001

0,01

0,1

1

10

100

0,0% 1000

Pore diameter (µm)

VB04 35%

4,5%

4,0% 30%


3,0% 20%

2,5%

2,0%

15%

1,5% 10%


3,5% 25%

1,0% 5% 0,5%

0% 0,001

0,01

0,1

1

10

100

0,0% 1000

Pore diameter (µm)




VB07 30%

4,5%

4,0% 25%

20%

3,0%

2,5% 15% 2,0%

10%

1,5%



3,5%

1,0% 5% 0,5%

0% 0,001

0,01

0,1

1

10

100

0,0% 1000

Pore diameter (µm)

VP04 30%

4,5%

4,0% 25%

20%

3,0%

2,5% 15% 2,0%

10%

1,5%



3,5%

1,0% 5% 0,5%

0% 0,001

0,01

0,1

1

10

100

0,0% 1000

Pore diameter (µm)

Figuur 2.3.19 Porienverdelingen van een 4-tal voegmortels bepaald met behulp van kwikporosimetrie




Drie van de vier mortels, de bouwplaats gemengde mortels VB3, VB4 en VB7, hebben een poriënverdeling met zowel grove als fijne porien. Dit houdt in dat capillair vochttransport van de metselmortel naar de voegmortel een bijdrage aan de droging van de metselmortel kan leveren (als er goed capillair contact is tussen leg- en voegmortel). Daar het capillaire contact vaak maar matig is, zijn extra mogelijkheden tot droging bijvoorbeeld via verdamping gewenst. Dit kan nagestreefd worden door de mortel een hoge porositeit te geven. De toegepaste voegmortels hebben een hoge porositeit (VP04 iets minder): bij de bepaling van de vrijwillige wateropneming werden de volgende porositeiten vastgesteld VB03 26,6 vol%; VB04 28,5 vol%; VB07 25,7 vol% en VP04 20,9 vol%. Droging via verdamping, bevorderd door wind en temperatuursverschillen, zal vooral via de grove porien van de voegmortels plaatsvinden (omdat daarin de capillaire zuigkrachten lager zijn). Bij een aantal praktijkproeven is gebleken bij jarenlange monitoring van het vochtgehalte in muren met behulp van een TRIME sensor, dat effectief drogen wordt bevorderd door voegmorteltypen zoals hierboven aangegeven. Deze vertonen hoge poriënvolumens. Aanbevolen wordt voor voegreparatiemortels en massief historisch metselwerk voegherstelmortels te gebruiken met een vrijwillige wateropneming van 25-30 % (v/v).




2.4

Krimp- en uitzettingsgedrag

Inleiding Op verschillende manieren is getracht een indruk te krijgen van het krimp-/uitzettingsgedrag van de voegmortels opgenomen in het onderzoekprogramma. Krimp is in het bijzonder van belang bij voegmortels; de reden is dat de mortel wordt aangebracht tussen twee stenen, die zich op een vaste afstand ten opzichte van elkaar bevinden. Krimp kan dan ook leiden tot krimpscheurtjes tussen steen en mortel, waardoor het metselwerk toegankelijker wordt voor opname van (regen)water. In principe is het dus gewenst dat de krimp zo klein mogelijk is. Krimp komt op verschillende wijzen voor: krimp treedt op gedurende de periode van plaatsing van de plastische specie totdat er volledige uitharding heeft plaatsgevonden. Krimp is vaak een combinatie van plastische krimp (krimp in de plastische fase van de mortel door vochtverlies) en uithardingskrimp (een combinatie van chemische (cement reactie i.h.b. van het bindmiddel) en fysische krimp (als gevolg van voortgaand vochtverlies). Een onderscheid tussen de twee d.m.v. van meting is moeilijk te maken, daarom is het gecombineerde effect op de krimp bepaald. Twee verschillende typen proeven zijn uitgevoerd waarbij de invloed van morteltype en ondergrond op de krimp nader is onderzocht. Daarnaast vertoont de uitgeharde mortel zwelling / krimp door vocht- en temperatuurverandering. In de praktijk kan dit tot spanningsconcentraties in de muur leiden, hetgeen in het bijzonder het geval is bij stijve (hoge E-modulus) sterk-uitzettende mortels. Met behulp van mortelprisma’s is meer inzicht verkregen in het uitzettings/krimp gedrag van een serie bouwplaats gemengde en prefab voegmortels.

2.4.1 Krimp in voegen aangebracht in bakstenen Bij de eerste serie proeven werden voegmortels aangebracht in voegen die in bakstenen waren gezaagd (zie figuur 2.4.1). Een matig zuigende en een sterk-zuigende steen werden ingezet.

Toegepaste stenen Geel (Spijk) Initiële Wateropname (IW) Grouw (Bemmel) Initiële Wateropname (IW)

3,7 kg/m2/min

2,3 kg/m2/min

Figuur 2.4.1 Voegmortel aangebracht in voeg, gezaagd in steen.




Hoewel het proefstuk geen achterliggende metselmortel kent, is het wel geschikt om de effecten van krimp te bekijken, daar de positie van boven- en onderkant van de voeg (zoals ook in de praktijk) gefixeerd zijn. Verschillende mortels werden verwerkt (zie tabel 2.4.1):  bouwplaatsgemengde, waarbij in het zand en in het bindmiddel werd gevarieerd: de in deze proevenserie gebruikte mortels hebben dus een andere samenstelling dan in de vorige hoofdstukken. 

prefab mortels, die frequent in de restauratie worden toegepast

Tabel 2.4.1

Toegepaste mortels bindmiddel / zand verhouding; morteltypen cementmortel HOC : zand 1 : 3 kalkmortel NHL3.5 : zand 1 : 2,5

zand

bindmiddel

bouwplaats gemengd cementmortel kalkmortel

1 2 3 4 5

zz vz zz:mz 1:3 zz:vz 1:3 vlz

x x x x x

x x x x x

prefab VP 01 VP 04 VP 05 VP 06

niet gespec niet gespec niet gespec niet gespec

zz: zilverzand mz: metselzand

niet gespecificeerd niet gespecificeerd niet gespecificeerd niet gespecificeerd vz: voegzand vlz: vloerzand




Waarnemingen Ontstaan van krimpscheurtjes Bij nagenoeg alle mortels werd geconstateerd dat de voeg aan één zijde redelijk goed verbonden is aan de steen en dat er aan de andere zijde een spleet is ontstaan. Dit is niet verwonderlijk, daar de mortels, vanuit hun samenstelling, redelijkerwijze plastische krimp en/of uithardingskrimp zullen vertonen.

Figuur 2.4.2 Beide proefstukken zijn aan de benedenzijde redelijk goed verbonden met de steen terwijl ze aan de bovenzijde losgekrompen zijn. (4c: zand-cement mortel met zand 4; 2c: zand-cement mortel met zand 2) Aan de buitenzijde van het metselwerk zijn deze krimpspleetjes vaak niet zichtbaar maar ze zijn er wel degelijk. (Deze spleetjes komen veel minder voor bij de legmortels (in feite alleen bij de stootvoegen) omdat de bovenliggende steen kan meebewegen met de krimpende mortel)




Duurzaamheid en fijnheid zand Bij het zagen van de hieronder getoonde proefstukken werd stromend water gebruikt voor afkoeling van de zaag; hierdoor werd het zagen een soort duurzaamheidsproef voor de nog kwetsbare kalkmortels. Opvallend was dat de fijnere mortels (fijner zand, zie figuren 4k) veel minder schade van het water ondervonden dan grove mortels (grof vloerzand, zie figuren 5k). Deze constatering komt overeen met de opvatting van voegers dat wat betreft duurzaamheid mortels met fijn zand te prefereren zijn boven mortels met grof zand.

voegmortels met fijn zand

Kalkvoegmortel met voegzand + zilverzand

voegmortels met grof zand

Kalkvoegmortel met grof voegzand (vloerzand) Figuur 2.4.3

Verschillen in aantasting door belasting stromend water




Het opvullen van de voeg De voegen werden in het laboratorium aangebracht door een meestervoeger. Ondanks de gunstige omstandigheden bleek uit de gezaagde doorsneden dat een volledig opvullen van de voeg niet altijd gerealiseerd werd; in de praktijk zal dat ook het geval zijn.

Figuur 2.4.4 Compleet opvullen van voegen moeilijker dan het lijkt.




2.4.2 Krimp aan cilindrische plakken aangebracht op sterk-zuigende baksteen (Initiële Wateropname 3,8 kg/m2/min)

Gebaseerd op een publicatie van Bob De Vekey et all. “A new total shrinkage test for mortar” (bijdrage aan de 9th Canadian Masonry Symposium, 2005) werd de krimp van een serie bouwplaatsgemengde en prefab voegmortels bepaald met de onderstaande test opzet (zie figuur 2.4.5). De mortel wordt in een ring van ~10 cm diameter en een dikte van 1 cm aangebracht. Zoals in de praktijk gebeurt wordt vocht geabsorbeerd door een baksteen die zich onder de ring bevindt. Na verloop van enige weken wordt de krimp gemeten (in de figuur met een scheurmaat).

Figuur 2.4.5 Proefopstelling krimpproef voor mortels in een ring (diam. 93mm, hoogte 10 mm) met vochtafzuiging door onderliggende baksteen. Krimpmeting met een scheurmaat.




Met verschillende instrumenten is de krimp van de mortels in de ringen gemeten; gebruik werd gemaakt van een digitale schuifmaat, een microscoop en een scheurmaat: een kaartje met lijntjes van verschillende dikten (zie figuur 2.4.5). De simpelste methode, de scheurmaat, bleek de meest betrouwbaar te interpreteren resultaten op te leveren. Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

VB06 VB07 VB08 VB09

NHL2

Prefab mortels

toeslag

3

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

totale krimp voegmortels 8 7 "totale krimp" totale krimp [mm/m]

6 5 4 3 2 1

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0


Figuur 2.4.6 Overzicht krimpwaarden (in promille) van de verschillende voegmortels. (met totale krimp wordt bedoeld: het totaal van plastische en uithardingskrimp) Uit de waarnemingen blijkt dat de krimp varieert tussen 0,5 en 7 mm/m. Voor een voegbreedte van 10 mm komt dat neer op een spleet tussen voeg en steen van 5 tot 70 µm; spleten waardoor regenwater capillair stevig naar binnen kan worden getrokken. Opvallend is de zeer lage krimpwaarde van prefab mortel VP01; dit is des te meer het geval omdat in deze mortel cement is toegepast. Wellicht heeft de mortelontwerper gekozen voor een krimpvrije of zwakzwellende cementvariant?




2.4.3 Thermische en hygrische uitzetting / krimp aan prisma’s Test procedures voor de meting van uitzetting / krimp onder invloed van temperatuur- en vochtverschillen op mortelprisma’s.

Thermische krimp:

Prisma’s 24 h bewaard bij 55 0C Meting 1: calibratiemeting referentiestaaf, waarna lengtemeting prisma 4 dagen afkoelen RV 50 % 20 0C Meting 2: calibratiemeting referentiestaaf, waarna lengtemeting prisma

Hygrische uitzetting

Uitgangspunt: meting 2 48 uur onder water Meting 3: calibratiemeting referentiestaaf, waarna lengtemeting prisma

1) Eerst aanbrengen calibratiestaaf voor de vastlegging van de 0-stand

2) Vervolgens staaf verwijderen en proef stuk in opstelling

Figuur 2.4.7 Proefopstelling meting lengteveranderingen aan mortelprisma’s. Links: de opstelling met de calibratie staaf; Rechts: dezelfde opstelling met de mortelprisma na bepaling van de 0-stand met de calibratiestaaf. Op boven en onderzijde van de proefstukken zijn bolletjes geplakt die in holten passen van de proefopstelling.




Vanuit de metingen bij 55 0 C en 20 0 C is vormverandering aan de prisma’s over een traject van 35 0 C bepaald. Vervolgens is per morteltype de Lineaire uitzettingscoëfficiënt (de lengteverandering per 0K/ 0C) berekend (aangenomen is dat de uitzetting/krimp in dit temperatuurtraject lineair verloopt: zoals uit een communicatie met P. Maurenbrecher blijkt is dat niet altijd het geval). Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

VB06 VB07 VB08 VB09

NHL2

Prefab mortels

toeslag

HOC

Zand

1

10

3 kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

therm. uitzettingscoefficient [m/(m.K) x 10 -6]

Thermische uitzetting voegmortels 16 Series1 14 12 10 8 6 4 2

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0


Figuur 2.4.8 Lineaire uitzettingscoëfficiënten van de verschillende mortels, bepaald aan mortelprisma’s Opvallend is dat de lineaire uitzettingscoëfficiënten van de (hydraulische) kalkmortels met uitzondering van de supercalcomortel significant lager zijn dan de meeste prefab mortels, die (waarschijnlijk) op basis van Portland cement zijn samengesteld.




Vergelijking van thermische uitzetting en hygrische uitzetting In de grafiek wordt er bij de thermische uitzetting uitgegaan van een temperatuurstoename van 50 0 C; bij de hygrische uitzetting wordt vervorming weergegeven, die optreedt in het traject droog-naar-nat, na 48 uur onderdompeling. Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

VB06 VB07 VB08 VB09

NHL2

Prefab mortels

toeslag

3

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Thermische en Hygrische Uitzetting/Krimp

uitzetting / krimp [mm/m]

0,80 0,70

Thermische uitzetting bij temperatuurstijging van 50 C

0,60

Hygrische uitzetting van droog naar nat (48 h onderdompeling)

0,50 0,40 0,30 0,20 0,10

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0,00


Figuur 2.4.9 Vergelijking van thermische uitzetting bij een temperatuurstijging van 50 0K, met hygrische uitzetting als gevolg van onderdompeling van de mortelprisma onder water gedurende 48 h. Figuur 2.4.9 laat zien dat de hygrische uitzetting van bouwplaatsgemengde mortels op basis van kalk hoger is dan bij de prefab voegmortels; dus omgekeerd aan de thermische uitzetting In de praktijk zullen de effecten van thermische uitzetting veel groter zijn dan de hygrische. Thermische en hygrische uitzetting werken als een pendel: afname van hygrische uitzetting bij toename van de thermische uitzetting.




2.5 Vorstbestandheid: Vries-dooi proeven aan voegproefstukken 2.5.1 Resultaten Vries-Dooi proeven huidig onderzoek (uitgevoerd door TNO)

Inleiding In historisch metselwerk zijn vaak kalkmortels toegepast. Extra zorg moet worden besteed aan het hervoegen van historisch kalkmortelmetselwerk dat aan vorst kan worden blootgesteld. Er is nl een risico van vorstschade in de legmortel direct achter de (her)voegmortel, tenzij de (her)voegmortel een uitstekend drogingsgedrag vertoont. In de praktijk is gebleken dat harde cementmortels het vochttransport vanuit de legmortel aanzienlijk kunnen vertragen, waardoor de legmortel gelegen achter de voeg nat blijft. Hierdoor kan een legmortel die eeuwenlang geen problemen heeft gekend door de toepassing van een verkeerd hervoegmateriaal vorstgevoelig worden en schade oplopen.

Preparatie proefmuurtjes voegproefstukken De samenstelling van de monsters is verzorgd aan het Stevinlab van de Faculteit CiTG (TU Delft), in het kader van het project “Aanpak vochtproblemen in massief metselwerk”. Hierbij werden door een ervaren restauratiemetselaar-voeger halfsteens proefmuurtjes gemetseld uit matig zuigende stenen. De stenen waren aan één strek geseald met een epoxy coating. De in de proefmuurtjes toegepaste legmortel heeft de volgende samenstelling: NHL 3,5 (St Astier) : HOC : Zand [6] [1] [17] De voegen waren 25-30mm diep uitgekrabd. Er werden 9 droge monsters hervoegmortel samengesteld en 4 prefab hervoegmortels klaargezet, gecodeerd VB 02.3 t/m 09.3, VP 01.3, VP 04.3 t/m 06.3 en een combinatie van twee stenen gecodeerd VB 02.3 A doorstrijk.

Figuur 2.5.1 Inzetten voegmortel monsters door restauratiemetselaar-voeger in Stevinlab CiTG




Na voldoende overstaantijd voor de legmortel om uit te harden werden door de metselaar-voeger in de proefmuurtjes na voornatten volgens de regelen der kunst, de verschillende voegmortels ingezet. Daarna werden de muurtjes al naar gelang het type bindmiddel in de voeg nageneveld. Luchtkalk met cement 1x resp. natuurlijk hydraulische kalk of puzzolane mortels, 4x met een tijdinterval van 1 dag. De opgevoegde muurtjes werden na 2 weken ter verdere uitharding gebracht in klimaatomstandigheden zoals in hoofdstuk 4 beschreven bij protocol NUT. Vervolgens werden uit elk van de 13 proefmuurtjes twee proefstukken gezaagd. Eén voor de hygrische proeven één ter verdere preparatie voor de vriesdooiproeven.

Monsterpreparatie vries-dooi proeven De monsters zijn de gezaagde proefstukken zoals hierboven beschreven. Deze werden in het Stevinlab van de Faculteit CiTG (TU Delft) aan 5 zijden ingepakt met polystyreen, daardoor wordt de later op te leggen bevriezing eenzijdig. Bij de oorspronkelijke methode, beschreven in het gebruikte rapport, zowel als bij de proefstukken in het huidige onderzoek, werd de voorkant van de stenen met een epoxylaag behandeld, zodat er geen verdamping door de steen mogelijk was en alle waterverlies door de voeg plaatsvond.

4 dagen dompelen voordat de vries-dooi proef begint

De proefstukken in het vries-dooi kist

Figuur 2.5.2 Voorbereiding proefstukken voor vriesdooiproef bij TNO Omdat de steen in de droge periode moet kunnen drogen, is de aangebrachte polystyreen bak niet waterdicht gemaakt, het overtollig water kon onderlangs wegstromen. Het polystyreen sloot aan rond de steen om verdamping langs de zijkanten te voorkomen. Oorspronkelijk werden de monsters bij de destijds gehanteerde methode voor de test geïmpregneerd met water onder 65% vacuüm, in het onderhavige geval is uitgegaan van 4 dagen dompelen in water van kamertemperatuur.




Vorst-/dooibeproeving

De vorst-/dooibeproeving is gebaseerd op “Pointing Report nov. 2001, ENV4-CT98-706 paper 5.2” van Wijffels, Van Hees en Van de Klugt, deze methode is weer afgeleid van NEN 2872, “Beproeving van steenachtige materialen - Bepaling van de vorstbestandheid - Eenzijdige bevriezing in zoetwatermilieu”. Anders dan bij de methode uit NEN 2872 is de duur van de totale vriesperiode, deze is 2x8 uur in plaats van 2x16 uur, daarnaast is tussen de periode van ontdooien in water en vriezen een droge geventileerde periode geïntroduceerd. De vriesperioden wisselen tussen -5° C en -15° C. Dooien geschiedt in water van 20° C, waarna de monsters gedroogd worden in lucht van (20 ± 2)° C en (50 ± 5) % RV. De luchtverversing wordt versterkt door een ventilator, hierbij is gebruik gemaakt van de interne ventilator van de beproevingskast. Er zijn 32 cycli van 48 uur toegepast, het gebruikte vries-/dooischema is weergegeven in tabel 7.1.

Tabel 2.5.1

Vries/ dooischema Type aktie

Temperatuur [°C]

Tijd [h]

3

ramp

-15

2

4

dwell

-15

6

5 6 7 8

step dwell dwell dwell

20 20 20 20

8 1 7

9

ramp

-5

2

10

dwell

-5

6

11 12 13

step dwell end

20 20

8

Segment

1 2

dwell dwell

20 20

1 7

Conditie

Leeglopen Drogen Vriezen naar 15°C Vriezen bij 15°C Water Water Leeglopen Drogen Vriezen naar 5°C Vriezen bij 5°C Water Water

Cycli

6

6

Totaal 12

Beoordeling proefstukken na de test De proefstukken zijn beoordeeld op  aantasting en hechting van de voegen  schade aan de legmortel achter de voeg  klankproef (losdrukken)




VB09 voor de vries-dooi proef

VB09 na de vries-dooi proef

Figuur 2.5.3 De enige steen-mortelcombinatie waarin vorstschade in de buitenzijde van de voeg (afzanding) werd geconstateerd

Aantasting en hechting voegen Alleen voeg VB 09 vertoonde schade; als gevolg van de vries-dooi cycli bleek voegmateriaal van buiten naar binnen af te zanden. Geen van de proefstukken vertoonde problemen met de hechting tussen voegmortel en steen.

Schade aan de legmortel achter de voeg

Om een beeld te krijgen van eventuele schade in de legmortel werden de proefstukken in twee stukken gezaagd loodrecht op het buitenoppervlak. Bij een aantal proefstukken kon een begin van vorstschade in de legmortel achter de voegmortel worden geconstateerd (zie figuur 7.4).

Klankproef (losdrukken) Met een stalen voorwerp werden de voegen in de proefstukken afgeklopt. Op geen van de proefstukken werd een ‘holle’ klank waargenomen. Geen van de voegen was derhalve losgedrukt.




Tabel 2.5.2 Beoordeling vorstschade

Beoording voeg en achterliggende legmortel op vorstschade na doorzagen proefstukken

Bouwplaatsgemengde mortels VB02 VB03 VB04 VB05 VB06 VB07 VB08 VB09

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

5

Zand

1,5

16

toeslag

HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

NHL2 3

PC (wit.k)

goed interface-schade legmortel lichte vorstschade in legmortel achter voeg door slechte opvulling goed goed

3,2 (zz) zand

1

Beoordeling interface-schade legmortel

goed

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

schade: afzanding van de mortel

Prefab mortels VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

begin van vorstschade in legmortel achter voeg; kalkuitboei begin van vorstschade in legmortel achter voeg; goed te grof, vult niet goed op, lichte vorstschade in legmortel achter voeg

algemene opmerking: In vergelijking tot proefstukken die geen vries-dooi proeven hebben ondergaan, blijkt duidelijk (uit klankproeven) dat, onder invoed van het inbrengen van vocht tijdens de vries-dooi proeven de uitharding van hydraulische componenten in de mortels voortgaat.




Aangetroffen schaden in de legmortel

Interface schade legmortel

Vorstschade: afzanding van de mortel

Lichte vorstschade in legmortel achter voeg door slechte opvulling

Begin van vorstschade in de legmortel achter de voeg; kalkuitbloei op buitenzijde voegmortel

Figuur 2.5.4 Schaden in proefstukken na de vries-dooi proef




2.5.2

Vergelijking resultaten vries-dooi proeven met Pointing Project

Bij het ‘Pointing Project’ [ Maintenance of pointing in historic buildings; Decay and replacement; EC Environment Programme ENV4-CT98-706, November 2001, paper 5.2 the influence of pointing mortar on the risk of frost damage tot masonry ] werden door TNO vriesdooi proeven uitgevoerd op 5 proefstukken, waarvan één doorgestreken en 4 met verschillende voegmortels. Bij het huidig onderzoek, volgens hetzelfde protocol, op 12 proefstukken waarvan één doorgestreken en 11 verschillende voegmortels. De resultaten van deze laatste test is hiervoor gedetailleerd besproken. Bij de voegproefstukken waren in beide gevallen de bakstenen aan de zichtzijde met een epoxy coating gesealed. Bij onderlinge vergelijking van de beide vries-dooi tests springt een belangrijk verschil in het oog. Bij de ‘Pointing Project’ test klonken na 4 weken drie voegproefstukken ‘hol’ en was één voeg uitgedrukt met een verkruimelde metselmortel daarachter (doorgestreken werk had geen schade). Bij de voegproefstukken die ‘hol’ klonken was tevens een spleet gevormd naast de voeg, wat inhoudt dat ook in het interface metselmortel / steen vorstschade was opgetreden (Pointing Project paper 5.2, tabel 3). Bij de huidige vries-dooi test klonk geen van de voegproefstukken ‘hol’ , was er voorts geen sprake van spleetvorming, laat staan dat er een was uitgedrukt, terwijl minstens twee van de voegmortels een vergelijkbare receptuur hadden als die welke in het Pointing Project waren toegepast. Dit significante verschil is met grote waarschijnlijkheid terug te brengen zijn tot de diepte van de voeg, ofwel de ‘uithakdiepte’ van de voegproefstukken. Deze bedroeg bij het ‘Pointing Project’, opgemeten naar de schaal van de foto’s bij een aangenomen mortelvoegdikte van 10 mm, 8 – 12 mm, terwijl die in het huidige onderzoek, door diep uitkrabben bij het metselen van de proefmuurtjes, op 25 – 30 mm lag.

Doorsnede voegproefstuk uit huidige proef; uitgekrabd c 25-30 mm ; klinkt niet hol , ook de andere niet Voegproefstukken uit ‘Pointing Project’; voegdiepte 8 – 12 mm; bovenste 2 klinken ‘hol’, onderste is ‘uitgedrukt’ met schade aan de metselmortel. (bron: rapport ‘Pointing Project’)

Figuur 2.5.5 Vergelijking voegdiepten Pointing Project en het huidige onderzoek Faculteit Civiele Techniek & Geowetenschappen

110



Vermoedelijk zijn in het Pointing Project deze proefstukken uit het onderzoek 5.2 op dezelfde wijze gemaakt als die in het onderzoek 5.3 waar bij het metselen een houten latje is gebruikt om een sparing te krijgen voor de voeg. De invloed van de grotere ‘uithakdiepte’ moet terug te voeren zijn op 2 elkaar versterkende factoren. Ten eerste dat bij de diep ‘uitgehakte voegen’ in het huidige onderzoek de vorstgrens in het interface voegmortel / metselmortel veel later wordt bereikt dan bij de ondiep ‘uitgehakte’ voegen in het ‘Pointing Project’ (bij de proef (zoals in de werkelijkheid) gaat de vorst van buiten naar binnen). Ten tweede dat de lengte van het interface voeg / steen 2,5 à 3 x zo groot is geworden, dus ook de weerstand tegen afschuiving (vergelijkbaar met verankeringslengte bij wapeningsstaven). Zodat, wanneer toch ijsvorming achter de voeg plaatsvindt, in het interface voegmortel / metselmortel een situatie zou ontstaan, waarbij de afschuifweerstand navenant is toegenomen, waardoor deze de expansieve krachten opgewekt door de volumevergrotende ijskristallen kan weerstaan en de voeg op zijn plaats blijft. Conclusie: grote uithakdiepte is cruciaal voor duurzaamheid hervoegwerk in massief metselwerk. Dit komt overeen met de praktijkwaarnemingen, die in het hoofdstuk ‘uitvoeringsaspecten’ worden behandeld.




3.

Conclusies en Aanbevelingen

3.0

Samenvattend

Zoals uit de hierna uitgewerkte detaillering naar voren komt, blijken voor herstelvoegwerk in ‘zacht’ historisch massief metselwerk ‘zachte’ herstelvoegmortels in aanmerking te komen.

Met zacht metselwerk wordt bedoeld in kalkmortel opgetrokken zwaar regenbelast massief, veelal zoutbelast, metselwerk (c.1300-1850; Kastelen, kasteelruïnes, stadspoorten, bakstenen molenrompen, kerkgebouwen en kerktorens tot aan de Neogotiek etc.) Deze ‘zachte’ mortels dienen daarbij vorstbestand en vaak zoutbestand te zijn en zodanig van samenstelling dat ze lage thermische spanningen veroorzaken. Uit het onderzoek en vanuit praktijkervaringen is gebleken dat licht-hydraulische mortels op basis van kalk het best aan de eisen van enerzijds compatibiliteit met het historische metselwerk en anderzijds optimale duurzaamheid van het hervoegmateriaal kunnen voldoen. Wezenlijk voor de kwaliteit van herstelvoegwerk in historisch metselwerk zijn het vakmanschap van de voeger en morteleigenschappen die een optimale verwerking mogelijk maken.

3.1

Conclusies

3.1.1

Inleiding

Door de oorzaken van schaden aan voegwerk te verbinden aan gewenste materiaaleigenschappen en gewenste uitvoering kunnen een aantal conclusies worden getrokken uit het onderzoek. De belangrijkste oorzaken van schade zijn vocht, zouten en thermische spanningen. Vocht Directe vochtschade: vaak veroorzaakt door vorst. 1) Holte tussen voegmortel en legmortel; regenperiode (waardoor volledig verzadigd metselwerk) direct gevolgd door vorstperiode. Regengevulde holte bevriest: uitzetting, uitdrukking voeg. 2) Vorstschade in legmortel doordat de voegmortel dicht en hard is en het drogen langzaam verloopt

Materiaalkundig betekent het dat de voegmortel snel moet kunnen drogen. Uitvoeringstechnisch betekent het dat er geen holte mag zijn tussen voeg en legmortel (bevriezen van water of zoutvorming in de holte veroorzaakt het uitdrukken van de voeg)

Zouten Schade door zouten 1) Slechte aansluiting voeg en legmortel; ophoping van zout aldaar, kristallisatie, uitzetting uitdrukken voeg; 2) Vochttransport verloopt via de steen, doordat de voeg slecht droogt. Twee mogelijkheden: transport van zouten naar het oppervlak van de steen en aldaar kristallisatie, of kristallisatie in het materiaal met als gevolg schade.




Materiaalkundig betekent het dat zouten naar het oppervlak van de voeg moeten kunnen transporteren

om daar uit te kristalliseren (uitkristalliseren in het materiaal onder het oppervlak leidt tot schade). De voeg moet dus het drogen van het metselwerk bevorderen. De droging moet via de voeg verlopen.

In zoutbelaste situaties mortels toepassen met zoutresistente bindmiddelen Uitvoeringstechnisch betekent het dat er geen spleet mag zijn tussen voeg en legmortel (zoutvorming in de spleet veroorzaakt het uitdrukken van de voeg).

Thermische spanningen Harde slechtdrogende voegen (cementvoegen) blijken niet alleen een grote invloed op het vochttransport te hebben. Door hun samenstelling hebben ze vaak een hoge thermische uitzetting en een hoge stijfheid. Deze ongunstige combinatie kan bij temperatuurswisselingen leiden tot hoge spanningen in het metselwerk. Dit kan aanleiding zijn tot i) schade aan stenen ii) loswrikken van voegwerk iii) vochtverhoging in het metselwerk (een en ander uitgewerkt in hoofdstuk 1) Materiaalkundig betekent dit dat materialen met een lage thermische uitzettingscoëfficiënt (α) en lage E-modulus de voorkeur genieten. Conclusies ten aanzien van gewenste eigenschappen en gewenste uitvoering zijn uitgewerkt in de hoofdstukken: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

Verwerkbaarheid Sterkte en stijfheid Vochtopname en drogen Plastische en uithardingskrimp Thermische en hygrische uitzetting/krimp Thermische spanningen Vorstbestandheid

Samenstelling beproefde voegmortels


NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

VB06 VB07 VB08 VB09

NHL2

toeslag

3

Prefab mortels HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Figuur 3.1.1 Samenstelling beproefde voegmortels




3.1.2 Verwerkbaarheid De reden om het onderzoek met een beoordeling van de verwerkbaarheid te beginnen is dat de kwaliteit van voegwerk in gelijke mate bepaald wordt door een optimale uitvoering als door een adequate materiaalkeuze. De verwerkbaarheid van de voegmortels is door een meestervoeger beoordeeld en leidde tot een zeer uiteenlopende waardering voor de verwerkbaarheid van de verschillende mortels.

Verwerkbaarheid eindoordeel VB02 VB03 VB04 VB05 VB06 VB07 VB08 VB09

7 6 8 5 8 9 6 6

VP01 VP04 VP05 VP06

7 5 4 4

Figuur 3.1.2 Beoordeling verwerkbaarheid door meestervoeger

Geconcludeerd kan worden dat: over het geheel de bouwplaatsgemengde voegmortels wat verwerkbaarheid betreft duidelijk beter presteren dan de prefab voegmortels. Slechte verwerkbaarheid leidt vaak tot een slecht opvullen van de voeg, waardoor er risico’s t.a.v. de duurzaamheid van de voeg worden geïntroduceerd (zie hoofdstuk voorstbestandheid). Ook de slecht verwerkbare voegmortels zijn meegenomen in de verdere onderzoekingen om de effecten van de verwerkbaarheid op kwaliteit en het gedrag van het voegwerk nader te onderzoeken.




3.1.3 Druksterkte en stijfheid Druksterkte Bij traditionele bindmiddelen zoals kalk, hydraulische kalk, tras-kalk is de sterkte-ontwikkeling langzaam, zodat de gebruikelijke sterkteproef na 28 dagen geen eindwaarde oplevert (die kan soms na een jaar pas bereikt worden). Toevoegingen van cement geven de mortel snel een hogere beginsterkte waardoor deze minder kwetsbaar wordt bij agressieve omgevingscondities (vorst, zouten). De pure natuurlijke hydraulische kalkmortel (VB04) komt zoals uit de proeven blijkt zeer langzaam tot sterkte-ontwikkeling. Dit houdt in dat deze mortel, laat in het seizoen toegepast, vorstgevoelig zal zijn in de winter. Vroeg in het seizoen beginnen met hervoegen, of bij (te) laat: bescherming tegen vochtindringing (zonder vocht geen vorstschade) of toevoegen van cement aan de mortel (om voldoende beginsterkte te creëren) zijn dan de mogelijkheden om onbezorgd de eerste winter door te komen. Opvallend is dat de druksterkten van de prefab voegmortels relatief hoge waarden vertonen, in vergelijking tot de bouwplaatsgemengde mortels. Dit geldt in het bijzonder voor de prefab mortel VP01

Dynamische E-moduli (vervormbaarheid) voegmortels bij verschillende uithardingscondities

Druksterkten voegmortels bij verschillende uithardingscondities

14

20 18 NEN (28)

14

VUP


12 10 8 6 4

10

8

6

4

2

NEN


NUT


VUP


VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

Mortelsamenstellingen

Mortelsamenstellingen Laboratorium uithardingscondities

VB06

VB05

0 VB04

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0

VB03

2

VB02

Druksterkte [N/mm2]

16

NUT (28) NEN (28) VUP

12

NUT (28)

Laboratorium uithardingscondities NEN


NUT


VUP


Figuur 3.1.3 druksterkte en stijfheid (dyn E-modulus) van voegmortels uitgehard onder verschillende uithardingscondities




Het effect van de verschillende uithardingscondities (vochtige uithardingscondities (NUT) en versnelde uithardingsproef (VUP)) in vergelijking tot de standaard NEN proef is relatief gering (dit is niet het geval voor VB04, VB07 en VP06). Ervaringen met buitenopstelling van mortels of monsters van mortels in het werk uitgehard geven aanzienlijke verschillen aan tussen laboratorium resultaten en de werkelijkheid.

Dynamische E-modulus Het effect van de uithardingscondities op de stijfheid (de dynamische E-modulus) is groter dan op de druksterkten: zie figuur 3.3. In een aantal gevallen (VB05, VP07 en VP04) is de E-mod (NUT) ruim 2 maal zo groot dan de E-mod (NEN). Over het geheel genomen kan vastgesteld worden dat de stijfheid van de bouwplaatsgemengde mortels lager ligt dan de stijfheid van de prefab mortels (met uitzondering van de prefab mortel VP04). Bij hogere E-modulus in combinatie een hoge thermische uitzetting kunnen grote spanningen in het metselwerk ontstaan. Een toename van de E-modulus onder vochtige uithardingscondities (NUT) is consistent met een toename bij de druksterkte voor de mortels VB06, VB07, VB08, VP01. Ook hier blijkt dat de E-modulus van de VB04 (de zuivere NHL3,5 mortel) zeer laag is in verhouding tot de andere mortels. Te verwachten valt dat de E-modulus van VB04 na langere uitharding (1-2 jaar) onder invloed van vocht hogere waarden zal bereiken.




3.1.4 Vochtabsorptie en droging

drogingscoefficienten (DC) prisma's gedurende de periode van constante droogsnelheid

Water absorptie coeff (WAC) prisma's 2,1

0,010

wac

DC


Figuur 3.1.4

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

0,000

VB08

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0,0

0,002

VB07

0,3

0,004

VB06

0,6

VB05

0,9

0,006

VB04

1,2

VB03

1,5

0,008

VB02


WAC [kg/m 2/min0,5]

1,8


Vergelijking van wateropname en droging bij prisma’s

Bij vergelijking van droging en vochtopname in figuur 3.1.4 komt naar voren dat 

De Water Absorptie Coëfficiënten (WAC’s) en de drogingscoëfficiënten van de prefab mortels in verhouding opvallend lager zijn dan die van de bouwplaatsgemengde mortels;



In de praktijk zal de vochtopname van het metselwerk groter zijn dan van de prisma’s; de reden is dat er allerlei (micro)scheurtjes in het metselwerk voorkomen. Hieruit kan geconcludeerd worden dat de droging van de mortel van essentieel belang is (en in mindere mate de vochtopname van de mortel.



De waterabsorptie coëfficiënten en de drogingscoëfficiënten vertonen een zelfde trend: hoge WAC – hoge drogingscoeff; lage WAC – lage drogingscoeff. Omdat de drogingsproef veel moeilijker is te standaardiseren is het verstandig de WAC als uitgangspunt te nemen voor een aanbeveling.




3.1.5

Plastische en uithardingskrimp

Bij het aanbrengen van voegreparatiemortels in  voegen aangebracht in bakstenen  cilindrische plakken aangebracht op sterk-zuigende baksteen blijkt dat krimpscheurtjes niet te vermijden zijn.

Figuur 3.1.5 krimpscheur aan één zijde voeg (links) en loskrimpen van de cilinder (rechts) Bij alle mortels werd geconstateerd dat de voeg aan één zijde redelijk goed verbonden is aan de steen en dat er aan de andere zijde een spleet is ontstaan. Bij de cilinderproeven krimpt de mortel los van de ring. Dit is niet verwonderlijk, daar de mortels vanuit hun samenstelling redelijkerwijze plastische krimp en/of uithardingskrimp zullen vertonen. Deze krimp kan tot gevolg hebben dat direct na hervoegen het metselwerk wellicht meer lekt dan daarvoor. Na verloop van tijd kan de situatie verbeteren bij kalkmortels, omdat kalkafzetting in de spleten kan plaatshebben. Hierdoor zal de waterdoorlatendheid afnemen. Bij sterke cement voegmortels valt deze kalkdepositie niet te verwachten; mechanische effecten als gevolg van hoge stijfheid en hoge thermische uitzetting van dit type voegmortels zijn wel te verwachten.




3.1.6 Thermische en hygrische uitzetting

Thermische en Hygrische Uitzetting/Krimp 0,80

Series1

0,40 0,30


VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

0,00

VB03

0,10

0

VB08

0,20

2

VB07

4

0,50

VB06

6

Hygrische uitzetting van droog naar nat (48 h onderdompeling)

VB05

8

0,60

VB04

10

Thermische uitzetting bij temperatuurstijging van 50 C

VB03

12

0,70

VB02

uitzetting / krimp [mm/m]

14

VB02


Thermische uitzetting voegmortels 16


Figuur 3.1.6 Links: overzicht thermische uitzettingscoëfficiënten Rechts: vergelijking van thermische uitzetting bij een temperatuurstijging van 50 0K, met hygrische uitzetting als gevolg van onderdompeling van de mortelprisma onder water gedurende 48 h.

Duidelijk komt naar voren dat de lineaire uitzettingscoëfficiënten van de (hydraulische) kalkmortels met uitzondering van de supercalcomortel significant lager zijn dan de meeste prefab mortels, die (waarschijnlijk) op basis van Portland cement zijn samengesteld. Figuur 3.1.6 laat zien dat de hygrische uitzetting van bouwplaatsgemengde mortels op basis van kalk hoger is dan bij de prefab voegmortels; dus omgekeerd aan de thermische uitzetting In de praktijk zullen de effecten van thermische uitzetting veel groter zijn dan de hygrische. Thermische en hygrische uitzetting werken als een pendel: afname van hygrische uitzetting bij toename van de thermische uitzetting.




3.1.7 Thermische spanningen: α x E Thermische vervorming leidt tot spanningen in het materiaal. Bij een materiaal met een lineaire uitzettingscoëfficiënt α, een (dynamische) elasticiteitsmodulus E en een temperatuursverhoging van Δ Ø zijn de spanningen een functie van α.E.Δ Ø (het volledig tot ontwikkeling komen van de spanning hangt af van de weerstand van het vormgevende materiaal).

α.E is een materiaal gebonden spanningscoëfficiënt, die voor ieder voegmateriaal specifiek is en aangeeft hoe gevoelig het materiaal is voor het opbouwen van spanningen in het metselwerk als gevolg van temperatuurstoename. Dynamische E-moduli (vervormbaarheid) voegmortels bij verschillende uithardingscondities 14

16 Series1 14

NUT (28) NEN (28) VUP

12


12 10 8 6 4 2

10

8

6

4

2

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

0 VB03

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0

VB02


Thermische uitzetting voegmortels

Mortelsamenstellingen


Laboratorium uithardingscondities NEN


NUT


VUP


Figuur 3.1.7 Links: overzicht uitzettingscoëfficiënten (α). Rechts: overzicht dynamische E-moduli (E)

Thermische spanningscoëfficiënten (α x E) voor de verschillende voegmortels kunnen dus met de waarden voor α (links in figuur 3.1.7) en Edyn (rechts in figuur 3.1.7) bepaald worden door vermenigvuldiging. Het resultaat is weergegeven in figuur 3.1.8 (voor de E dyn zijn per mortel de hoogste waarde genomen).




thermische spanningscoefficient a .E 200

a.E (dyn) [MPa x 10-3]

180 160 140 120 100 80 60 40 20 VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

VB06

VB05

VB04

VB03

VB02

0

verschillende voegmortels Figuur 3.1.8 Thermische spanningscoëfficiënt: α . Edyn temperatuurstijging. Duidelijk komt uit figuur 3.1.8 naar voren dat de prefab voegmortels onder invloed van een temperatuurstijging een veel hogere spanning in het metselwerk kunnen veroorzaken. Daar de thermische spanningscoëfficiënt (α.E in figuur 3.1.8) in feite de spanningsopbouw per 1 0 K (= 0 C) temperatuursverhoging weergeeft kunnen we een indruk krijgen hoe hoog de spanning kan oplopen bij een temperatuursverhoging van bijv. 50 0C (gevel op het zuiden / westen). Voor VP01 (een cementvoegmortel) is dat 170 x 10-3 x 50 ~ 8,5 MPa (N/mm2). Voor VB06 (een basterd mortel op basis van hydraulische kalk en hoogovencement) is dat 34 x 10-3 x 50 ~ 1,7 MPa (N/mm2).




krimpspleet als natuurlijke dilatatie bij thermische spanningen Gegeven wat in par. 1.6 is gesteld betreffende de opbouw van thermische spanningen in de steen-voegsteen interfaces, moet op een andere manier worden gekeken naar het al dan niet ontstaan van een krimpspleet in dit interface, namelijk als die van een natuurlijke dilatatie. De relatie krimpspleet (natuurlijke dilatatie) en thermische spanningsopbouw kan men globaal zichtbaar maken in een berekening. Hierin moet behalve de thermische uitzetting van de voeg ook de uitzetting van de baksteen (huid) worden meegenomen (ingeklemde situatie) aangezien de gehele schil bij opwarming uitzet ten opzichte van het achtergelegen materiaal dat een lagere temperatuur behoudt. Bv. bij ijsselsteen 40mm dik, uitzettingscoëfficiënt 5.10-6 m/m.K. Stel ΔT is 50 0K. Uitzetting 50 x 5.10-6 x 40.10 -3 = 1.10 -2 mm. Uit de bepalingen voor de totale krimp in par. 2.4.2, fig. 2.4.6 en die voor de thermische uitzetting in par. 2.4.3, fig. 2.4.8 blijkt voor de onderzochte mortels dat de gemeten kleinste krimp en grootste uitzetting voorkomt in de mortel VP01 en de grootste krimp en kleinste uitzetting in mortel VB 07. Bij mortel VP 01 (kleinste krimp / grootste uitzetting) komt men dan op krimp (negatief): – 0,5.10-2 + uitzetting voeg 0,7.10-2 + uitzetting steen 1,0.10-2 = + 1,2.10-2 mm. Bij mortel VB 07 (grootse krimp / kleinste uitzetting) op Krimp: – 7.10-2 + uitzetting 0,2.10-2 + uitzetting steen 1,0.10-2 = – 5,8 . 10

-2

mm.

Conclusie: bij VP 01 blijft geen dilatatiespleet over dus wel spanningsopbouw en bij VB 07 blijft wel een dilatatiespleet over dus geen spanningsopbouw.

Discussie: kieuwwerking kalkgebaseerde voegmortels. Bij de vergelijking van de uitkomsten van de waterabsorptie van de voegproefstukken en die van het krimpgedrag van de mortels, in par. 2.3.4 weergegeven in fig. 2.3.16, blijkt dat de veronderstelde relatie hoge krimp = hoge waterabsorptie niet uitkomt. Mortel VB 07 met de grootste krimp blijkt in de vochtabsorptie / droogproeven voegproefstukken net zo goed of iets beter te scoren dan mortels met een veel kleinere krimp (VB 01 t.e.m. VB 06). Een verklaring zou kunnen worden gevonden in de verschillen in krimp, door verschillen in bevochtigingcondities bij de uitvoering van de krimpproeven in de ringen, beschreven in par. 2.4.2 en de uitharding van de muurtjes waaruit de voegproefstukken zijn gezaagd (1 week in klimaatkamer RH 100%). Is daarom de krimp van de voegproefstukken niet veel geringer dan die in de proef met de ringen? Zolang einde binding bij traag uithardende mortels nog niet is bereikt is de plastische krimp in meerdere of mindere mate reversibel bij opnieuw vocht toevoeren: hygrische uitzetting. Opnieuw vocht toevoeren betekent tegelijk dat bij deze hydraulische mortels de uitharding verder doorzet en bij een volgende nat – droogcyclus de plastische krimp kleiner zal zijn. Het is een uitdempend proces. Zou daarom de blijvende krimp in die proefstukken dan niet kleiner kunnen zijn dan die welke is waargenomen met de ringenproef? En is dit mogelijk een verklaring voor het feit dat de waterinfiltratie bij de waterabsorptieproef minder was dan verwacht?




De irreversibele hygrische uitzetting/krimp is bij de ‘zachte’ mortels ook van invloed al is deze maar gemiddeld 10% van de plastische krimp. In ieder geval krimpt de mortel weer bij droging, de spleet wordt groter en mogelijk zo wijd dat er verdamping doorheen kan plaats vinden. Vervolgens, opnieuw nat worden, zwellen en meer afsluiten en minder water toelaten: kieuw effect! Duidelijk is dat goed en meermalen nanatten van de voeg bij een traag uithardende hydraulische mortel ook belangrijk is om de plastische krimp vóór de irreversibele fase intreedt te verminderen.




3.1.8 Vorstbestandheid Aantasting en hechting voegen

Alleen voeg VB 09 vertoonde schade; als gevolg van de vries-dooi cycli bleek voegmateriaal van buiten naar binnen af te zanden. Geen van de proefstukken vertoonde problemen met de hechting tussen voegmortel en steen. Dat dit resultaat beter is dan bij vorige onderzoeksprojecten, zoals het EU Pointing project, heeft vooral te maken met feit dat een grotere uithakdiepte is aangehouden. Conclusie: een grote uithakdiepte is cruciaal voor duurzaamheid hervoegwerk in zwaar regenbelast massief metselwerk.

NB: het is aannemelijk dat bij niet zwaar regenbelast massief metselwerk een geringere uithakdiepte volstaat. Te denken valt aan gevels met grote dak-overstekken, of goten, gevels gelegen aan de noord- en de oostzijde van gebouwen, gevels aan de zuiden de westzijde maar in smallere straten waardoor geen of weinig bezonning en of regenbelasting, met al dan niet in plaats van doorstrijkwerk, bij de bouw gemaakte uitgekrabde en als snijwerk ingezette voegen. Het geven van vuistregels in dergelijke gevallen zou kunnen voortvloeien uit evt. nader wetenschappelijk onderzoek, waarin op de manier als in het onderhavige onderzoek gedaan, voldoende praktijkcasussen met hun specifieke klimaatbelastingscondities en overige relevante aspecten zijn bestudeerd. Het valt echter buiten het kader van dit huidige onderzoek.

Schade aan de legmortel achter de voeg

Om een beeld te krijgen van eventuele schade in de legmortel werden de proefstukken in twee stukken gezaagd, loodrecht op het buitenoppervlak. Bij de proefstukken VB05, VP01, VP04 en VP06 werd een begin van vorstschade in de legmortel achter de voegmortel worden geconstateerd. Verschillende eigenschappen van de voegherstelmortel en verschillende combinaties van eigenschappen kunnen een rol spelen bij het ontstaan van vorstschade in de proef. Zo heeft een slechte verwerkbaarheid, zoals uit de bestudering van de proefstukken is gebleken, een duidelijke invloed op de vulling en kan tot vorstschade in de legmortel achter de voeg leiden: water reservoir tussen voeg en legmortel + geen of gereduceerd (hydraulisch) contact tussen voegen legmortel, waardoor slechte droging. Langzame droging via de voegmortel (bijv. VP01 door toepassing van een water repellent) kan ook tot vorstschade leiden in de legmortel. Het gecombineerd voorkomen van bovengenoemde aspecten kan een nog groter effect hebben.




Bouwplaatsgemengde mortels VB02

NHL3,5

HOC

Zand

6

1

17

NHL2

HOC

Zand

3

1

10

VB03 VB04 VB05

NHL3,5

Zand

1

2,5

kalk Harl

HOC

Zand

5

1,5

16

VB06 VB07 VB08 VB09

NHL2

toeslag

3

Prefab mortels HOC

Zand

1

10

kalk Hrl

tras

HOC

zand

1,3

0,4

0,25

3,2

PC (wit.k)

(zz) zand

1

4,5

sup.calco

HOC

(zz) zand

4

1

12

VP01

A

VP04

B

VP05

C

VP06

D

Verwerkbaarheid eindoordeel

Figuur 3.1.9.

interface-schade legmortel lichte vorstschade in legmortel achter voeg door slechte opvulling goed goed

drogingscoefficienten (DC) prisma's gedurende de periode van constante droogsnelheid 0,010

goed

DC

0,006

0,004

0,002

VP06

VP05

VP04

VP01

VB09

VB08

VB07

te grof, vult niet goed op, lichte vorstschade in legmortel achter voeg

VB06

0,000

VB05

begin van vorstschade in legmortel achter voeg; kalkuitboei begin van vorstschade in legmortel achter voeg; goed

0,008

VB04

schade: afzanding van de mortel

VB03

7 5 4 4

goed

VB02

VP01 VP04 VP05 VP06

7 6 8 5 8 9 6 6


VB02 VB03 VB04 VB05 VB06 VB07 VB08 VB09

Beoordeling interface-schade legmortel


Aspecten ter interpretatie van de vorstschade




3.2

Aanbevelingen

3.2.1 Aanbevelingen technische eigenschappen voegherstel mortels voor “zacht” historisch metselwerk. Bij het aanbevelen van een type voegmortel is de hoofdwet: de voegmortel moet wat technische eigenschappen betreft passen bij het omliggende materiaal (compatibiliteit). Bij een harde steen met een harde legmortel hoort een ander herstelvoeg (harder) dan bij, wat in de restauratie veelal voorkomt, relatief zachte stenen en een zachte kalkmortel als legmortel. Wat hieronder volgt gaat over voegen in “zacht” historisch metselwerk. De belangrijkste aanbevelingen over de technische eigenschappen van de herstelvoegmortels betreffen: de verwerkbaarheid, de druksterkte, de waterabsorptie coëfficiënt, de thermische spanningscoëfficiënt, gedrag bij de vries-dooi proef.

-

Bindmiddelkeuze: zo chloride en sulfaat resistent als mogelijk is binnen de hierna genoemde eisen betreffende druksterkte en thermische spanningscoëfficiënt. Deze zijn primair en mogen niet worden overschreden

-

Verwerkbaarheid beoordeling > 5 ½ (volgens proef omschreven in de ‘Bouwstenen’)

-

Diepte voeg 2,5 breedte voeg (zie “rapport uitv. wijzen voegwerk” voor min en max waarden)

-

Druksterkte 3-6 N/mm2 [NEN-EN 1015-11]

-

Vrijwillige wateropneming 25-30 vol % [ EN 771-1, bijlage C]

-

Water Absorptie Coëfficiënt (WAC)

-

Thermische spanningscoëfficiënt

α . Edyn < 100 (N/mm2 x 10-3 )

<werkhypothese in de praktijk te valideren>

(waarbij

-

0,3-0,9 kg/(m2.min0,5) [NEN-EN 1015-18]

α = de lineaire uitzettingscoëfficiënt, Edyn = de dynamische E-modulus) *)

Vries-dooi proef (omschrijving proef in de “Bouwstenen”) Geen verkruimeling van de voeg of afzanding van het oppervlak van de voeg De voeg mag na de proef niet loszitten Er mag geen van vorstschade zijn in de legmortel achter de voeg etc. (zie ‘Bouwstenen’) *) standaardproeven, zie hoofdstuk 2




Ook is dergelijk historisch metselwerk vaak zoutbelast, dus moet het bindmiddel / bindmiddelcombinatie, zo chloride en sulfaat resistent zijn als mogelijk is m.b.t. de eisen betreffende de mechanische compatibiliteit, t.w. druksterkte en thermische spanningscoëfficiënt, die primair zijn en dus door een zoutresistente bindmiddelkeuze niet mogen worden overschreden. De aanbevelingen, die volgen uit de beoordeling van de in het laboratorium bepaalde eigenschappen in combinatie met ervaringen met 10-tallen restauratieprojecten in de Nederlandse uitvoeringspraktijk zijn de volgende:

Van de beproefde herstelvoegmortels voldoen:   

VB02, VB03, VB06 en VB07 (eindwaarden, na 1 à 2 jaar nog niet bekend) aan alle eisen Van VB04, die zeer langzaam uithardt, is de verwachting dat deze onder normale buiten uithardings-omstandigheden na een jaar aan de eisen voldoet VP04 en VB05 voldoen aan 3 van de 5 gestelde eisen.

3.2.2 Aanbevelingen vervolgonderzoek De belangrijkste aanbeveling in het nu uitgevoerde onderzoek is om ook in zoutbelaste situaties van sterk regenbelast muurwerk in kalk gemetseld, mortels toe te passen met zoutresistente bindmiddelen met voldoende open porositeit, maar matig hard en met een zo laag mogelijke thermische uitzettingscoëfficiënt bij een zo laag mogelijke dynamische E-modulus, uitgedrukt in de voorgestelde thermische spanningscoëfficiënt α * E < 100 (N/mm2 x 10-3 ). Deze is gebaseerd op de interpretatie van schadebeelden behorend bij de toepassing zachte en harde mortels gekoppeld aan een uitgewerkte rekenkundige onderbouwing uit de theoretisch elasticiteitsleer. Dit gecombineerd met ‘diep’ uithakken. Het betekent een verdergaande stap in het inzicht dat voor restauratiemortels bij muren in kalk gemetseld, het uitgangspunt ’hard’ een verkeerde keuze is. Weliswaar niet helemaal nieuw, maar die bij sterk zoutbelaste situaties toch zeker weerstanden zal oproepen aangezien de omslag die hier en daar met gunstig resultaat is gemaakt nog te recent is. Het ‘kantelpunt’ α * E < 100 (N/mm2 x 10-3 ) , dat binnen de huidige onderzoeksresultaten goed onderbouwd is, heeft zich in de praktijk nog niet bewezen. Moet het nog lager, mag het hoger? Er zijn simulatieproeven ontwikkeld voor een aantal verweringssituaties. Hoe een proef er uit zou moeten zien om dit mechanisme in een laboratoriumsituatie versneld na te bootsen is geen eenvoudige vraag. Daarnaast is het met versnelde verweringstests altijd lastig om de met het oog op de verkorting van de tijdsduur op te leggen hogere belastingssituatie (hier: het complex van opwarmen, afkoelen, benatten, vriezen, dooien, zoutconcentratie etc.) de relatie met de praktijk te bepalen. Daarom zal de praktijk de beste verweringstest zijn. Aanbevolen wordt daarom over ca. 5 jaar na de publicatie van deze onderzoeksresultaten met aanbevelingen, een praktijkonderzoek uit te voeren op een zorgvuldig geselecteerde groep volgens deze aanbevelingen hervoegde kerktorens en bakstenen molenrompen in zoutbelaste situaties. Dit om na te gaan of de hier gekozen uitgangspunten al dan niet moeten worden bijgesteld.




3.2.3 Aanbeveling m.b.t. laten vervallen toepassingsgebied ‘restauratie’ bij aanpassing CUR 61 Het is van groot belang dat de RCE zich wendt tot de commissie die de herziening van de CUR 61 1998 voorbereidt om te instigeren dat het artikel 2, toepassingsgebied wordt gewijzigd zodanig dat daar de

term ‘restauratie’ uit wordt geschrapt.

(nb: eerste stap daartoe is reeds gezet; zie hoofdstuk 0, sub Overleg m.b.t. aanpassing SBR-CUR 6)

3.2.4 Aanbeveling communicatie en implementatie onderzoeksresultaten. Het is van belang dat de algemene eisen voor restauratievoegwerk zoals door de RILEM geformuleerd en de nadere eisen voor zover regenbelast massiefmetselwerk in kalk (‘zacht metselwerk’) met oorspronkelijk doorgestreken voegen zoals uit dit onderhavige deelonderzoek naar voren komen, door de RCE ruim worden gecommuniceerd met de restauratiesector. Niet alleen uitvoerende bedrijven, ook architecten, vakspecialisten bij overheidsdiensten, opleidingsinstituten, mortelproducenten en dergelijke.


Rapportage Deelproject voegherstelmortels voor Historisch Metselwerk

Recommend Documents