Uittreksel uit Hens, Hugo 2003 Toegepaste materiaaleigenschappen, Acco Leuven.
Bouwfysica
1
Randvoorwaarden,
prestatie,
3.1 DUURZAAMHEID 3.1.1 Algemeen Comfort en gezondheid zijn menselijke noden. Dit derde domein spitst zich toe op de bouwconstructie en op de duurzaamheid ervan. Absolute duurzaamheid bestaat niet. Zelfs graniet verweert. Relatieve duurzaamheid, in de zin van het probleemloos vervullen van de functie gedurende een gewenste levensduur, bestaat wel. Wat gewenst is, hangt af van culturele en historische tradities, van bouwgewoonten, de bedoeling van het bouwwerk, de functie van een bouwdeel, economische overwegingen, enz. Zo moet de afdichting van een plat dak op zijn minst 10 tot 15 jaar waterdicht blijven, zonder dat vervanging van de toplaag nodig is. Van een openbaar gebouw verwachten we dat het langer meegaat dan een industriebouw. Houtskeletbouw kent een kortere levensduur dan massiefbouw in steenachtig materiaal. Afbouw is meer trendgebonden en daardoor vlugger aan vervanging toe dan de draagconstructie. Als noodzakelijke voorwaarden voor duurzaamheid, hebben we: − Een bouwfysisch en bouwkundig correct ontwerp. Komt uitvoerig aan bod in het deel prestatieanalyse; − Een juiste materiaalkeuze. Houdt in dat materialen gebruikt worden, die de belasting eigen aan de plaats in de doorsnede en de aard van het bouwdeel aankunnen; − Een correct onderhoud. Staat zowel voor het tijdig vervangen van lagen en delen met een kortere levensduur, als voor het reinigen, bijwerken en herafwerken van buiten- en binnenvlakken. Bij de analyse van de duurzaamheid hanteren we de begrippen zoals gedrag, omgevingsbelasting, grensgedrag, veroudering en schade. Het gedrag slaat op de tijdsevolutie van de eigenschappen van een materiaal of bouwdeel. Omgevingsbelasting betreft alle externe factoren, die de eigenschappen en het gedrag van een materiaal en een bouwdeel beïnvloeden (mechanische belasting, temperatuur, elektromagnetische straling, enz.). Grensgedrag duidt op zo erge schade dat het materiaal of bouwdeel zijn functie niet langer kan vervullen (te grote doorbuiging, vorstschade, instorting, rot, enz.). Veroudering slaat op de normale, fysisch, chemisch en biologisch niet uit te sluiten degradatie van materialen en bouwdelen. Schade tenslotte houdt een abnormaal vlugge veroudering in als gevolg van een onaangepast ontwerp, slechte materiaalkeuze, een slordige uitvoering of gebrekkig onderhoud. 3.1.2 Belasting Blijvende:
− Mechanische belasting door eigengewicht, dode last, nuttige last, wind en schuinstand. Deze mechanische belasting kan zowel statisch als dynamisch zijn. Ze veroorzaakt spanningen, vervormingen en verplaatsingen in de constructie. Tijdsafhankelijke gevolgen zijn kruip, relaxatie en vermoeidheid. − Thermische belasting. Is oorzaak van spanningen, vervormingen, verplaatsingen, scheurvorming en barsten.. In combinatie met vocht veroorzaken temperatuurschommelingen rond het vriespunt vorstschade. Hoge temperaturen bevorderen chemische en biologische degradatie. − Hygrische belasting (vocht). Uit oogpunt schade de meest te vrezen omgevingsbelasting. Vochtschommelingen en vochtgehaltegradiënten veroorzaken spanningen, vervormingen, verplaatsingen, scheurvorming en barsten.. Vocht tast de mechanische en thermische kwaliteit van materialen aan, is een nodige voorwaarde voor chemische en biologische afbraak, leidt bij temperatuurschommeling rond het vriespunt tot vorstschade, induceert zoutschade, geeft corrosie, enz. − Elektromagnetische belasting. Zichtbaar licht wijzigt kleuren en bevordert de biologische aantasting. UV kan de chemische opbouw van bepaalde materialen veranderen, enz. − Chemische belasting. Luchtbezoedeling (SO2, NOx, Cl, NH4), zure regen, corrosie. − Fysische belasting. Het oplossen, kristalliseren, hydrateren en deshydrateren van zouten kan tot schade leiden. Het uitdiffunderen van drijfgassen verandert de eigenschappen van bepaalde materialen, enz. − Biologische belasting. Bacteriën, algen, mos, schimmels, zwammen, vogels, knaagdieren, enz. kunnen materialen aantasten. − Tijdsbelasting. Ouderdom doet de eigenschappen van een materiaal of bouwdeel doen achteruitgaan, zonder dat één specifieke omgevingsfactor als oorzaak tussenkomt. Toevallige: − Mechanische belastingen. Aardbevingen, orkanen; − Brand. Een typevoorbeeld van een toevallige belasting, waarvan de gevolgen zo nefast zijn, dat wettelijk is vastgelegd dat bij nieuwbouw zo gehandeld moet worden alsof het risico op brand één is. Veroudering en schade zijn bijna altijd het resultaat van een combinatie van belastingen. De studie van het grensgedrag kan daardoor moeilijk per belasting gebeuren. Naar aantasting is een betere keuze. Daarbij kan één belasting doorslaggevend zijn. In veel gevallen is dat vocht: Materiaalsoort Vochtschade Alle, tenzij de metalen en glas Afname van thermisch (en elektrisch) isolerende eigenschappen, hygrische vervormingen Plantaardige Afname van sterkte en stijfheid, zwelling, biologische aantasting , rot Steenachtige Vorstschade, zoutaantasting, chemische aantasting, biologische aantasting Kunststoffen Hydrolyse Metalen Corrosie
3.1.3 Aantastingen 3.1.3.1 Afname van isolerende kwaliteit In de afname van de isolerende kwaliteit spelen vocht en luchttransport een hoofdrol. Van secundair belang zijn temperatuur en tijd.
Water heeft een vier en twintig maal hogere warmtegeleidingscoëfficiënt dan lucht (0.6 W/(m.K) tegenover 0.025 W/(m.K)). Als door één of andere reden in de poriën lucht door water vervangen wordt, zorgt dat per definitie voor meer warmtetransport. Daar voegt de seriële afwikkeling van verdamping en condensatie in de poriën latente warmte aan toe, terwijl luchtstromingen zorgen voor extra enthalpietransport. Hoe sterk de isolerende kwaliteit afneemt, hangt af van de omvang van het massatransport en welke laag in een bouwdeel nat wordt of door luchtverplaatsing kortgesloten wordt. Zeer negatief zijn de bevochtiging van lagen aan de warme kant van de warmte-isolatie, het nat worden van de warmte-isolatie, luchtrotatie en stroming van koude buitenlucht aan de warme of warme binnenlucht aan de koude kant van de isolatie. Neem een dak uit cellenbeton, 20 cm dik, en een volledig gevulde spouwmuur met een spouwbreedte van 6 cm. U-waarden: Dak Toestand Luchtdroog Bouwvochtig Vochtig door inwendige condensatie Nat door regenopname Verzadigd
U-waarde W/(m².K) 0.8 1.5 1.3 1.7 2.3
Spouwmuur Toestand Luchtdroog Voorspouwblad door regen nat Isolatie met water verzadigd
U-waarde W/(m².K) 0.64 0.65 1.80
Betekent het nat worden van cellenbeton 'schade', een nat voorspouwblad leidt daar helemaal niet toe. Dat gebeurt pas als de warmte-isolatie nat wordt. 3.1.3.2 Afname van sterkte en stijfheid In de afname van de sterkte en de stijfheid speelt vocht de hoofdrol.
Bij de meeste materialen, waaronder de steenachtige, nemen de sterkte en de stijfheid reversibel met vochtgehalte af. Irreversibele afname stellen we bij verlijmde materialen zoals houtspaanplaten, vlasschevenplaten, multiplex, vezelplaat en OSB vast. De oorzaak ligt hem in de hydrolyse van het bindhars, waarbij hydroxide-ionen de polymeren verknippen tot monomeren. De plaat gaat daardoor zwellen en verliest zijn samenhang. Ter illustratie toont fig. 3.13 de afname van de buigsterkte als gevolg van inwendige condensatie bij ureumformaldehyde (UF), melamine (Mel) en fenolformaldehyde (FF) gebonden spaanplaten. UF-platen degraderen het sterkste, FF-platen het minste. Deze en analoge vaststellingen hebben geleid tot een opdeling in een A en B kwaliteit. A betekent niet waterbestendig en enkel bruikbaar voor toepassingen met lage vochtbelasting, B betekent vochtbestendiger en toepasbaar als bouwplaat. De eisen, waaraan beide moeten voldoen, staan in de STS (Technische Specificaties). Analoge klassen zijn er voor multiplex en vezelplaat. Momenteel wordt gewerkt aan een Europese harmonisatie.
3.1.3.3 Vervormingen, spanningen en scheurvorming Vervormingen, spanningen en scheurvorming worden zowel door mechanische als door thermische en hygrische belasting veroorzaakt.
Mechanische belasting laten we hier buiten beschouwing, al moeten de bijhorende spanningen en vervormingen steeds bij de hygrische en thermische worden opgeteld. Terug zijn er reversibele en irreversibele effecten. Reversibel betekent dat het wegnemen van de oorzaak de vervorming doet verdwijnen of nog, dat bij omkering van de oorzaak, de vervorming van teken verandert. Irreversibel wijst erop dat (een deel van) de vervormingen blijft. Thermisch
Elke reversibele vervorming hangt af van de thermische uitzettingscoëfficiënt (α): α=
1 dL L dθ
[3.33]
Die verschilt van materiaal tot materiaal, maar ligt opvallend hoog bij kunststof: Materiaal Plantaardig Steenachtig Kunststoffen Metalen
α (x10-6) K-1 4 tot 30 5 tot 12 25 tot 200 12 tot 29
Gebruiken we dat als constructiemateriaal of combineren we het met andere materialen, dan moet extra gelet op de detaillering. Zo dienen kunststofdelen te kunnen bewegen tegenover het andere materiaal. De grootte van de vervormingen en de totale verlenging en verkorting worden mee bepaald door de temperatuurschommeling ten opzichte van het moment van construeren. Als referentie neemt men doorgaans de jaarlijkse gemiddelde buitentemperatuur. Bij vrije beweging wordt de verlenging of verkorting: ∆L = L o [exp(α∆θ ) − 1] ≈ αL o ∆θ , met Lo de lengte bij referentietemperatuur. De kans op een onbelemmerde beweging is echter klein. Meestal bestaat een bouwdeel immers uit verschillende onderling verbonden lagen, zit het ingebouwd tussen andere, behoort het tot de draagconstructie, hebben we geen constante temperatuur maar een temperatuurprofiel, enz. Daardoor zorgt vervorming voor spanning. Bij een ideale inklemming en een elastisch materiaal wordt dat (in MPa): σ = αE∆θ , met E de elasticiteitsmodulus in MPa. Deze relatie toont dat naarmate het product αE en de temperatuurverschillen groter worden, de thermische spanningen oplopen. Overschrijden ze plaatselijk de treksterkte (σbr) dan ontstaan microscheuren. Of die tot macroscheuren uitgroeien hangt af van de aard van de belasting en het vermoeidheidsgedrag van het materiaal. Globaal geldt dat de gevoeligheid voor thermische scheurvorming afneemt naarmate de verhouding αE/σbr kleiner wordt. Bij lagen, waarvan een hoge weerstand tegen scheuren verwacht wordt (buitenpleisters, verf, afdichtingen), zullen we daarom een lage
waarde van het product αE koppelen aan een hoge treksterkte. Ook de temperatuurbelasting drukken kan. Irreversibele thermische vervormingen treden op bij kunststofschuimen. Opeenvolgende temperatuurstijgingen kunnen er leiden tot blijvende verlenging, verkorting, zwelling of krimp. Doorgaans is deze vervorming anisotroop, d.w.z. verschilt ze volgens de hoofdrichtingen. Een verklaring zit hem in de poriënopbouw van het schuim, een zeepbelstructuur die bij het opstijven onder invloed van de zwaartekracht tot een geheel van ellipsoïden verstart. Bij een temperatuurstijging nadien daalt de elasticiteitsmodulus van het schuim en stijgt de gasdruk in de poriën. Daardoor herstelt zich de sferische poriënvorm min of meer, wat macroscopisch krimp volgens de lange en verlenging volgens de korte assen geeft: zie fig. 3.14. Zit er vocht in de poriën, dan kan de dampdruk de irreversibele vervorming ondersteunen, versnellen en verergeren. Bij platdakisolatie kan dat tot erge schade leiden (fig. 3.15). Hygrisch
De hygrische uitzetting (ε) beheerst de reversibele vochtgekoppelde vervorming van een poreus materiaal: dL [3.34] ε(φ of w ) = L Die formule vertalen in een uitzettingscoëfficiënt is niet zinvol. Inderdaad verloopt de vervorming niet lineair. Doorgaans zijn de afgeleiden dε(φ) dφ en dε(w ) dw het grootste bij lage relatieve vochtigheid of laag vochtgehalte en gaan ze naar nul bij capillaire verzadiging (relatieve vochtigheid van 100%) (fig. 3.16). Dat betekent dat de vervorming doorgaans groter is bij laag dan bij hoog vochtgehalte. De totale verlenging en verkorting worden bepaald door de schommelingen in relatieve vochtigheid ten opzichte van de waarde direct na productie of verwerking van het materiaal (doorgaans 100% (w>wH)). Buiten en binnen ligt de evenwichtswaarde rond de relatieve vochtigheid aldaar. Dat zorgt voor een beginkrimp na verwerking, die groter is naarmate de relatieve vochtigheid bij evenwicht lager ligt. Plantaardige en kalk- of cementgebonden materialen (hout, beton, mortel, pleister) zijn er erg gevoelig aan. Daarna blijven de schommelingen in relatieve vochtigheid voor vormverandering zorgen. Wordt de beweging niet belemmerd, dan hebben we als verlenging of verkorting: ∆L = L o [ε(φ1 ) − ε(φ o )] , met Lo de lengte bij een relatieve vochtigheid φo. Om dezelfde redenen als bij de thermische vervorming is de kans op een vrije beweging echter klein. Terug wordt daardoor een deel van de vervorming in spanning omgezet. Bij ideale inklemming en een elastisch materiaal wordt die spanning: σ = E[ε(φ1 ) − ε(φ o )] = E(dε dφ)m ∆φ , met
(dε dφ)m
de gemiddelde afgeleide van de uitzetting in het interval ∆φ. Deze relatie toont dat in de mate het product E (dε dφ)m en de schommelingen in relatieve vochtigheid groter worden, de spanningen toenemen. Overschrijden ze de treksterkte, dan ontstaan
microscheuren. Of die tot macroscheuren en barsten zullen uitgroeien, hangt terug af van het breukgedrag van het materiaal. Wat er van zij, hoe kleiner de verhouding E (dε dφ)m /σbr, des te geringer die kans. Bij lagen, waarvan een hoge weerstand tegen scheurvorming verwacht wordt (buitenpleisters, verf, afdichtingen), zullen we dan ook een lage waarde van E (dε dφ)m aan een hoge treksterkte proberen te koppelen. Irreversibele hygrische zwelling of krimp is van chemische oorsprong of een gevolg van de hydrolyse van het bindhars, waardoor onder druk verlijmde materialen gaan uitzetten. In het eerste geval loopt ze gelijk met de reversibele beginkrimp, in het tweede geval is de zwelling evenredig aan de afname aan sterkte en stijfheid. Daardoor vormt ze een eenduidige maat voor de ernst van de voorbije vochtbelasting. Grensgedrag
Of hygrische of thermische werking scheurvorming initieert, kent geen voor de hand liggend antwoord. Doorgaans werken beide elkaar tegen. Een temperatuurstijging gaat immers gepaard met een daling van de relatieve vochtigheid en andersom. Toch enkele feiten: − Hout barst als het vochtgehalte van vezelverzadiging naar hygroscopisch evenwicht zakt. Gecontroleerd drogen dient dat barsten minimaal te houden. Bij levering zou de vochtverhouding in hout niet hoger mogen zijn dan een waarde, die moet afhangen van het gebruik (binnen of buiten). − Bij cementgebonden materialen kunnen chemische en hygrische beginkrimp voor scheurvorming zorgen. Wel is op het moment van grootste krimp de eindsterkte nog niet bereikt. Dat zwakt de beginspanningen af. − Bij dikke lagen (wanden, muren, kolommen, balken) overheerst, eens de beginkrimp uitgewerkt, de thermische werking. Reden is dat voor dezelfde periode de indringdiepte van temperatuurgolven veel groter is dan van golven in relatieve vochtigheid. − Bij dunne lagen (pleisters) haalt de hygrische werking het. Hier is de dikte zo klein dat we op dagbasis en korter amper temperatuurverschillen, maar wel aanzienlijke gradiënten in relatieve vochtigheid kunnen krijgen. Daardoor gaan pleisters bij bezonning krimpen en bij afkoeling uitzetten! Wanneer het grensgedrag ontoelaatbaar wordt, is terug moeilijk te omschrijven. Algemeen mag gesteld dat scheurvorming niet kan als ze de functie van een laag of bouwdeel in het gedrang brengt. Denk aan de regen- of de luchtdichtheid. Scheuren versnellen daarenboven de chemische aantasting. In bepaalde gevallen wordt het uitzicht esthetisch onaanvaardbaar. Dat alles in prestatie-eisen vertalen is echter niet éénduidig. Bij pleisters lijkt een zinvolle eis: beperk de spanningen zodat scheurinitiatie niet optreedt. 3.1.3.4 Biologische degradatie Biologische degradatie is het resultaat van een biologische, hygrische en thermische belasting, met het hygrische deel als meest kritisch.
Het pallet van biologische degradatie is zeer ruim. Bij plantaardige materialen (hout, van hout afgeleide plaatmaterialen, papier) worden we geconfronteerd met bacteriën, schimmels,
zwammen en insecten. Bij vezelmaterialen en kunststofschuimen zijn dat knaagdieren en vogels. Bij steenachtig materiaal gaat het om algen en mossen, enz. Plantaardige materialen Bacteriën
Bacteriën helpen mee nat plantaardig materiaal te ontbinden (rot). In aanwezigheid van zuurstof gebeurt dat aëroob, anders anaëroob. Schimmels
Zie 'gezondheid'. Voldoende vochtig plantaardig materiaal (X>20%kg/kg) is een geliefd substraat voor schimmels van de deuteromycetes groep. Door hun laag metabolisme en miniem voedselverbruik blijft de schade, die ze veroorzaken, beperkt: afbraak van behanglijm en verschraling van behangpapier. Zwammen
Zwammen horen tot de groep van de reuzenschimmels. Komen hun sporen op een juiste voedingsbodem terecht -plantaardig materiaal met een vochtverhouding >>20%kg/kg en een temperatuur tussen 8 en 35°C-, dan ontkiemen ze. Daarbij zoeken de zwamdraden hun weg in het materiaal terwijl het vruchtlichaam zich op het materiaal ontwikkelt. Zwammen hebben een hoog metabolisme. Ze voeden zich met de cellulose, waarbij ze als verteringsproduct water afscheiden. Met de cellulose verliest het hout alle sterkte, stijfheid en samenhang. Zwammen kunnen zeer grote oppervlakten koloniseren. Zo nodig groeien de draden door de muurvoegen en sterk poreuze bakstenen heen, op zoek naar plantaardig materiaal. De schade die ze aanrichten is enorm: volledige balklagen verteerd, deuren weg, enz. Toch blijft die dikwijls lange tijd verborgen. Bij hout b.v. laten ze de beschilderde toplaag voor wat ze is, terwijl de cellulose erachter wordt weggehaald. Voornaamste zwamsoorten (fig. 3.17): − Huiszwam. Tast de zachtere loof- en naaldhoutsoorten aan. Het mycelium is wollig wit, met citroengele en paarsrode vlekken; − Kelderzwam. Heeft het op zachte en hardere naaldhoutsoorten gemunt. De kelderzwam vraagt een zeer hoog vochtgehalte (>50%kg/kg). Het vruchtlichaam is bruin; − Plaatjeszwam. Tast hout selectief aan, eerder in de massa dan aan het oppervlak. De plaatjeszwam is droogteresistent, d.w.z. dat hij in droog hout overleeft en terug gaat groeien zodra het hout opnieuw vochtig wordt. Zwamaantasting voorkomen is eenvoudig. Houdt hout droog, meer niet (X< 20 %kg/kg). Bestrijding is echter delicaat. Niet alleen moet alle aangetaste hout worden vervangen door een duurzamere houtsoort of door verduurzaamd hout, ook dienen we het niet aangetaste hout te behandelen met een verduurzamingsmiddel, het metselwerk te injecteren met een zwamdodend product, de vochtbronnen weg te nemen. Het weggenomen hout dienen we te verbranden. Insecten
In streken met een gematigd klimaat zijn anobiën, lyctussen en de huisboktor de meest voorkomende houtinsecten (fig. 3.18). In warmere streken zijn dat de termieten. Ook wespen kunnen hout aantasten. Anobiën vindt men vooral in hout dat door zwammen is aangetast. Een uitzondering vormt memel. Die houdt zich op in droog, oud hout. Lyctussen huizen in houtsoorten met zeer wijde poriën, waarin voldoende zetmeel en een vitamine, onontbeerlijk voor de groei van hun larven, aanwezig is. Huisboktorren verkiezen vurenhout of spinthout. Daarenboven zoeken ze een warme, vochtige omgeving op. Termieten leven dan weer in koloniën ondergronds. Een kolonie bestaat uit werkers, soldaten en vrouwtjes. Termieten voeden zich met rottend en dood organisch materiaal. Constructiehout is per definitie dood en daardoor zeer geliefd, mits voldoende vochtig en in contact met de bodem. De houtschade, die ze aanrichten, is enorm. Ramingen in de USA hebben het over een kapitaalvernietiging van 1.200.000.000 tot 1.500.000.000 $ per jaar. In Europa komen termieten voor tot in de buurt van Parijs. Wespen tenslotte gebruiken cellulose om nesten te bouwen. Een voldoende lage vochtverhouding volstaat om insecten uit het hout te houden. Gezien 'voldoende laag' niet altijd gegarandeerd kan worden, is in bepaalde landen, waaronder België, een schimmel-, zwam- en insectenwerende behandeling verplicht. Daar bovenop zijn soortspecifieke maatregelen nodig. Tegen termieten geldt dat hout geen contact met de bodem mag maken en we moeten verhinderen dat de diertjes via spleten, reten of kieren aan constructiehout komen. Vezelmaterialen en kunststofschuimen
Knaagdieren maken er hun nest in (fig. 3.19). Vogels gebruiken minerale wol als bouwmateriaal (fig. 3.20). Vermijden kan, door beide materialen zo af te schermen dat knaagdieren noch vogels erbij kunnen of het materiaal zo te modificeren, dat het niet meer aantrekkelijk is. Steenachtig materiaal
Hier kijken we naar algen, mossen en planten. De eerste twee vragen licht, voldoende voedingsstoffen, genoeg vocht en een stabiele temperatuur. Illustratief is mosgroei tussen leien. Licht is er geen probleem. Als voedingsbodem gebruikt mos het organische stof, dat zich tussen de leien ophoopt. Het water, dat tussen de leien capillair vastgehouden wordt, doet het prima als vochtbron en op de noord west over noord tot noord oost georiënteerde dakschilden is de temperatuur voldoende stabiel. Bij buitenisolatie wordt algengroei op de pleister een probleem. Vocht krijgen de algen door onderkoelingcondensatie. Voedingsstoffen zitten in het stof dat zich op de pleister vastzet, enz. Of het uiteindelijke grensgedrag ontoelaatbaar zal zijn, hangt in eerste instantie af van de mechanische actie. Een leiendek wordt door mos open gedrukt. Plantengroei op en in muren leidt tot wortelschade in te zachte voegmortels. Soms krijgen we chemische aantasting door de organische zuren, die mossen, algen en planten afscheiden.
3.1.3.5 Degradatie door vorst Bij steenachtige materialen is vorstschade het resultaat van thermische, hygrische en fysische belasting. Fysisch
Als gevolg van vorstaantasting gaan steenachtige materialen barsten, afschilferen en verpulveren. De schadeoorzaak ligt hem in de uitzetting van het poriënwater met 10% bij bevriezing.. In wijde poriën krijgen we ijsvorming bij 0°C. In de fijnere poriën bevriest het water eerst bij veel lagere temperaturen. Pas onder -x °C hebben we nog enkel ijs, waarbij x bepaald wordt door de kleinste poriëndiameter. Bij lage vochtgehalten is schade uitgesloten. Bij hoge vochtgehalte wordt de kans veel groter. Wil die nul blijven, dan moeten we de vochtopname beperken, b.v. door een gepaste vormgeving of een juiste oppervlaktebescherming, of door vorstbestendig materialen te gebruiken. Bij het vorstgedrag komen bijgevolg twee aspecten tussen: het verwachte vochtgehalte (w) en de materiaalkwaliteit. Kunnen we kwaliteit vertalen in kritisch vochtgehalte bij vorst (wcr,f, eronder is vorstschade uitgesloten), dan noemen we vorstgetal (F) het verschil: F = w cr ,f − w
[3.35]
met w het verwachte vochtgehalte. Wordt F<0 dan is vorstschade onvermijdelijk. Vorstbestendigheid is bijgevolg een relatief begrip. Een materiaal met gekende kwaliteit kan in de ene toepassing vorstbestendig zijn, in een andere problemen geven. Gezien ijs 10% meer volume inneemt dan water, wordt de kans op vorstschade acuut eens 90% van de open poriën met water gevuld zijn. Een grenswaarde voor het kritische vochtgehalte bij vorst lijkt dan ook te zijn: w cr ,f ≤ 0.9 w m , met wm het verzadigingsvochtgehalte. Bij nogal wat materialen treedt echter al schade op bij lagere vochtgehalten. Onder 0.9wm kan de uitzetting immers al voor spanningen zorgen, groter dan de treksterkte van de matrix. Het omgekeerde bestaat ook. Een zo hoge treksterkte of vervormbaarheid dat de uitzetting integraal in spanning of vervorming kan omgezet, zonder schade. Ook bevatten sommige materialen uitsluitend microporiën. IJsvorming begint in zulk geval eerst ver onder 0°C, zodat in een gematigd klimaat geen schade te verwachten valt. Het kritisch vochtgehalte bij vorst hangt bijgevolg af van de poriënstructuur, de treksterkte en de vervormbaarheid: Materiaal Natuursteen Beton (gewoon) Beton (met luchtbellenvormer Lichtgewichtbeton Cellenbeton Baksteen Kalkzandsteen Cementmortel Kalkmortel
Scr,f % 65-96 90 81 60 40 87 65 90 65
Het verwachte vochtgehalte hangt af van de toepassing. In een niet geverfd voorspouwblad stijgt het vochtgehalte niet boven het capillaire. Spouwvulling verandert daar weinig aan. Een iets tragere droging maar amper een hoger vochtgehalte. Na verven blijft het voorspouwblad via scheurtjes regen opzuigen maar gaat droging extreem moeilijk. Daardoor schiet het vochtgehalte voorbij het capillaire en neemt de kans op vorstschade toe. Bij geïsoleerde daken komt 's winters het vochtgehalte in de pannen dicht bij verzadiging. Inderdaad remt onderkoeling de droging af, terwijl regen en condensatie steeds weer voor bevochtiging zorgen. Een ongebruikte schoorsteen wordt zelfs zeer nat. Deze voorbeelden tonen dat bij poreuze gevelmaterialen het vochtgehalte dikwijls tegen het capillaire (wc) aanleunt. Ligt het kritisch vochtgehalte bij vorst daaronder, dan is F bijna altijd negatief en wordt vorstschade zeer waarschijnlijk. Naast materiaal en blootstelling, spelen ook de vorm van het deel en de wijze van bevriezen een rol. Tweezijdig bevriezen geeft andere inwendige spanningen dan eenzijdig bevriezen. In een massief deel zijn de spanningsgradiënten groter dan in een dunne laag, die simultaan over de ganse dikte onder 0°C zakt, enz. Vorst is gelijktijdig een cyclisch fenomeen. Zo weten we dat in een gematigd klimaat dakpannen 5 tot 70 vorst/dooi cycli per winter ondergaan. Cyclische belasting induceert een langzame degradatie, vermoeidheid genoemd, met schade na y cycli. y hangt af van de materiaalkwaliteit. Beoordeling Gc-methode
Deze onrechtstreekse methode, die met het vorstgetal (F) samenhangt, geldt voor natuursteen, tegels en baksteen. In plaats van het kritische vochtgehalte bij vorst, meten we het capillaire vochtgehalte, het verzadigingsvochtgehalte, de capillaire waterabsorptiecoëfficiënt (A) en de coëfficiënt van secundaire wateropname (A'). Liggen het capillaire en het verzadigingsvochtgehalte dichter bij elkaar, dan stijgt de kans op vorstschade. Neemt de verhouding tussen de waterabsorptiecoëfficiënt en het capillaire vochtgehalte (A/wc) toe, het geval bij een grof poreus materiaal, dan neemt, als uit correlatieanalyses tussen poriënstructuur, directe vorstproeven en waarnemingen blijkt, de vorstgevoeligheid af:
Poriëndiameter 90%-waarde mm
d≥3 2.5 ≤ d < 3 2 ≤ d < 2.5 d<2
% poriën met diameter<2.5 µm <90
>90
Resultaat vorstproeven Vorstbestand Meestal vorstbestand Meestal niet vorstbestand Niet vorstbestand
Een uitdrukking voor Gc is gezocht door de resultaten van vijf rechtstreekse vriesproeven, elk met een andere belastingsgraad (hoger vochtgehalte in het materiaal, strengere vorstvoorwaarden), te correleren aan de verhouding tussen het capillaire en het
verzadigingsvochtgehalte en tussen de waterabsorptiecoëfficiënt monsterverzadiging (wmh, met h de zuighoogte). Resultaat: Zuigcurve met knikpunt Baksteen en natuursteen w A G c = −14.53 − 240 + 20.3 c wm w mh
(A)
en
de
Tegels
w A A' + 23913 + 22.6 c wmh wmh wm
Gc = −21.04− 504
Zuigcurve zonder knikpunt Baksteen en natuursteen A G c = −6.35 + 16676 w mh
Tegels A Gc = −6.35+16676 wmh
Materiaalklasse: Gc <-2.5
Vorstbestandheid klasse Materiaal bij de strengste blootstelling D vorstbestendig Materiaaltoepassing aan steeds strengere C beperkingen onderworpen B
− 2.5 ≤ G c < −0.95 − 0.95 ≤ G c < 0 0 ≤ G c < 4.5 Materiaal niet vorstbestendig ≥ 4.5
A O
Materialen van de klasse D zijn absoluut vorstbestendig. Voor bak- en natuursteen werd tussen gebruik en materiaalklasse de matrix van tabel 3.8 opgesteld. De Gc-methode is statistisch zeer solide: 87% kans dat de gevonden klasse de juiste is, 97% kans dat de fout niet groter is dan 1 klasse hoger of lager. Is de bepaling van de Gc-waarde in een norm gegoten, de samenhang tussen waarde, materiaalklasse en gebruik is dat niet. Rechtstreekse methoden
De strengste proef bestaat erin de materiaalmonsters met 1 vlak blootgesteld horizontaal in een gedraineerde zandbak te plaatsen. Blijft na 4 winters schade uit, dan hoort het materiaal tot de klasse D. In het andere geval zijn het materialen van de klasse O tot C. Een verder onderscheid vinden we door:
Tabel 3.8 Baksteen of natuursteen en de nodige materiaalklasse
Bouwdeel Opgaand metselwerk
Uitvoering Spouwmuur Binnen Oriëntatie Niet Geïsol. Verwa Vormgeving geïsol. rmd X X X X
Muuraanzet
X
Ja Neen Ja Neen Ja
Via vormgeving afgeschermd Ja Neen Z+W N+O Z+W N+O B C C C B
B C C C B
C D D D C
B C C C C
X
Muurdelen boven het dakvlak Horizontale delen (dakrand) Schoorstenen Muren in contact met water
X X X
X X X X X
Neen Ja Neen
C C C
C C C
D C
C C
D D D D D D D
D D D C D D D
− Voor C de monsters horizontaal op een betonplaat te metselen. Klasse C betekent bij de zandbak wel, hier geen schade; − Voor B de monsters op rekken te plaatsen. Klasse B betekent bij de zandbak en de betonplaat wel, hier geen schade; − voor A de monsters in een zuid west georiënteerd voorspouwblad van een niet geïsoleerde spouwmuur te verwerken. Klasse A betekent bij de 3 vorige proeven wel, hier geen schade; − voor O geeft ook de spouwmuurproef schade Klassieke vorst / dooi proeven bestaan uit x cycli van 24 uur waarbij de monsters (24-y) uren in lucht of in een zandbak bevriezen en y uren in water ontdooien. Variabelen bij de proef zijn het beginvochtgehalte (verzadigingsvochtgehalte, verzadigingsvochtgehalte bij 1 Atm., capillaire vochtgehalte), het aantal cycli, de waarde van y en de vries- en dooitemperatuur. De voornaamste is het beginvochtgehalte. Materialen van de klasse D blijven schadevrij bij verzadiging. Materialen van de klasse C geven schade bij verzadiging maar geen bij capillair vochtgehalte. Materialen van de klassen B, A en O vertonen lichte, matige en erge schade bij capillair vochtgehalte. Het aantal cycli moet minimaal 25 bedragen willen we vermoeidheidseffecten onderkennen.. y dient lang genoeg gekozen om over de volledige monsterdikte vorst te krijgen. Als vriestemperatuur zijn -10 tot -25°C aangewezen. Ontdooien gebeurt in water op 20°C. Remedie
Bij een beperkte vorstschade kunnen we proberen te verhinderen dat de materialen nat worden, b.v. door extra regenwering. Bij erge schade dringt vervanging van de beschadigde delen zich op. 3.1.3.6 Degradatie door zouten Zoutaantasting volgt bij steenachtige materialen uit een samenspel van de thermische, hygrische, fysische en chemische belasting, met de nadruk op hygrisch en fysisch.
Zitten er in de poriën zouten, lossen die op in het poriënvocht en verplaatst de oplossing zich daarna naar een droogfront, dan krijgen we kristallisatie. Bij oppervlaktedroging (1e droogfase) geeft dat uitbloeiïng, bij droging in het materiaal (2e droogfase) kryptouitbloeiïng. Die kan een materiaal behoorlijk aantasten, zeker als er ook nog hydratatie bijkomt. Zouten en zoutbronnen
In poreuze materialen treffen we carbonaten, sulfaten, nitraten en chloriden van calcium (Ca), natrium (N), kalium (K) en magnesium (Mg) aan. Uitzonderlijk ook fosfaat en ammoniumnitraat, in baksteen soms vanadium- en mangaanzout. Carbonaten zijn meestal materiaaleigen. Sulfaten soms, maar met de nitraten, fosfaten en chloriden komen ze ook vanuit de omgeving. Omgeving − Via grondwater. Natriumsulfaten, natriumnitraten, kaliumsulfaten, kaliumnitraten en ammoniumnitraten (Na2SO4, K2SO4, NaNO3, KNO3, NH4NO3) − Vanuit de lucht. NaCl-afzetting in kustgebieden en zoutafzettingen in industriegebied − Door luchtvervuiling. CO2, SO2, NOx-en vormen met natrium, kalium, calcium en magnesium carbonaten, sulfaten en nitraten − Dooizouten. Calciumchloride (CaCL2) − Uitwerpselen en urine. Nitraten. Materiaaleigen − Bakstenen, natuurstenen en beton. Klei kan ijzersulfaten bevatten. Bij het bakken reageren die met zuurstof. Dat levert SO3. Dit reageert op zijn beurt met de alkali's in de klei tot alkalisulfaat (Na2SO4, CaSO4, K2SO4, MgSO4). Ligt de baktemperatuur boven 950°C, dan binden deze sulfaten zich -niet het CaSO4!- met de silicaten in de baksteen. Zoniet blijven ze in de poriën achter. Zijn tijdens het bakken niet alle ijzerzouten omgezet, dan gaan die na verwerking van de steen door met reageren. Natuursteen bevat dikwijls zouten bij winning. Beton tenslotte is per definitie alkalirijk (Ca(OH)2, KOH, NaOH). − Bindmiddelen. In portlandcement zit Ca(OH)2, KaOH en NaOH. Die reageren met het CO2 uit de lucht tot alkalicarbonaten (Na2CO3, CaCO3, K2CO3, MgCO3). SO2 kan nadien met vocht erbij deze carbonaten omzetten in sulfaten. Verse kalkmortel is dan weer een mengsel van Ca(OH)2 met zand. Na verwerking carbonateert de kalk tot calciumcarbonaat (CaCO3). − Reacties tussen bakstenen en mortel. Natrium- en kaliumhydroxide (NaOH, KOH) uit de mortel kan reageren met het calciumsulfaat (CaSO4) uit de baksteen tot Na2SO4 en K2SO4, met Ca(OH)2 als bijproduct. Dat wordt op zijn beurt door het CO2 in de lucht omgezet naar CaCO3.
Zouten zijn alle min of meer oplosbaar in water (tabel 3.9). Samen met het capillaire vochtgehalte bepaalt dat hoeveel zout een materiaal kan opnemen. De tabel toont dat bij lagere temperatuur de oplosbaarheid daalt en we vlugger geconfronteerd worden met kristallisatie. Carbonaten geven doorgaans weinig problemen. Zeer verwerend daarentegen zijn chloriden, nitraten en sulfaten. Classificatie van de meest voorkomende vormen van zoutaantasting
Type 1
Type 2 Type 3
Uitbloeiïng van natriumsulfaat (Na2SO4) en kaliumcarbonaat (KCO3). Leidt tot esthetische klachten. De zouten verwijderen is overbodig. De regen wast alles af. Niet verven voor de uitbloeiïngen verdwenen zijn. Cryptouitbloeiïngen van natriumsulfaat (Na2SO4) en kaliumcarbonaat (K2CO3). Kans op steenschade. Een remedie is er niet. Carbonatatie van calciumhydroxyde op het wandoppervlak. Geeft een taaie kalksteenneerslag. Terug een louter esthetisch probleem. Verwijderen kan door de
kalksteen af te borstelen, af te schuren en af te schrapen, dan het oppervlak te wassen met een 10% oplossing van zoutzuur en overvloedig na te spoelen met water. Type 4
Aantasting door calciumsulfaat (hydratatie of candlotzout-vorming). Geeft zeer erge schade (zwelling en verpulvering van de voegen). Remedie: de aangetaste muurdelen vervangen.
Zouttransport
Opgeloste zouten verplaatsen zich advectief met het poriënwater. Ook is er diffusie van zones op hogere naar zones op lagere zoutconcentratie. Bij cementgebaseerde materialen bindt een deel van de zouten zich aan de poriënwanden. Kristallisatie treedt op waar capillaire verplaatsing omslaat in diffusie. Daar daalt het gehalte aan water, geraakt de oplossing oververzadigd en kristalliseert het zout. Afwisselend oplossen en kristalliseren is bijgevolg slechts mogelijk in het bovenhygroscopische interval, zij het dat met zouten het hygroscopische gevoelig uitbreidt. Toch zijn vooral bouwvocht, regenopname en opstijgend vocht te vrezen. Voor de hydratatie van zoutkristallen volstaat een voldoende hoge relatieve vochtigheid (hoger dan de evenwichtswaarde boven de verzadigde oplossing).
Tabel 3.9 Oplosbaarheid van zouten in water Zout
CaCO3 CaSO4.2H2O Na2SO4 Na2SO4.10H20 NaCl K2CO3 K2SO4
Oplosbaarheid g per 100 ml water 0°C 20°C 100°C 0.0015 0.019 0.24 0.22 4.8 11.0 92.0 36.0 39.0 105.5 156.0 24.1
Gevolgen Toename van de hygroscopiciteit
Zouten wijzigen de hygroscopiciteit. We stellen inderdaad vast dat vanaf de evenwichtswaarde van de relatieve vochtigheid boven de verzadigde oplossing, het vochtgehalte oploopt vergeleken met het zoutvrije materiaal. De stijging neemt toe met de zoutconcentratie. Zeer actief zijn MgCl2, K2CO3, Mg(NO3)2, NaCl, KCl en K2SO4, met als evenwichtswaarde bij verzadiging 33%, 45%, 52%, 75%, 86% en 97%. Zit in het materiaal een cocktail van zouten, dan wordt de volledige hygroscopische curve opgetrokken. Gelijktijdig treedt hydratatie van de betreffende zouten op. Omgekeerd droogt een zoutbeladen materiaal zeer moeilijk. We moeten onder de evenwichtswaarde van de relatieve vochtigheid geraken, wil het gebeuren! Het fenomeen zorgt er in oude gebouwen, verbouwde stallen, enz., voor dat elke zomer opnieuw binnenmuren vochtig worden (hogere relatieve vochtigheid 's zomers dan 's winters). Kristallisatie- en hydratatieschade
Bij kristallisatie nemen de zoutkristallen en wat aan verzadigde oplossing overblijft een groter volume in dan een oververzadigde oplossing. Ligt het vochtgehalte zo hoog dat de 'opvangruimte' voor de kristallen ontbreekt dan kunnen de kristallisatiedrukken zeer hoog oplopen:
Pcrystal =
RT ⎛ c ln⎜ v m ⎜⎝ c sat
⎞ ⎟⎟ ⎠
[3.36]
In de formule is R de universele gasconstante (831.4 J/(kg.K)), vm het molaire volume van het zout en c/cs de verhouding tussen de zoutconcentraties in de oververzadigde en de verzadigde oplossing. Tabel 3.10 geeft een idee van de drukken. NaCl heeft de hoogste waarde. Door zijn oplosbaarheid is het desondanks niet het gevaarlijkste zout. Die eer komt Na2SO4 toe. Een kleine oplosbaarheid maar hoge kristallisatiedrukken!
Tabel 3.10 Kristallisatiedrukken Zout
CaCO3.1/2H2O CaSO4.2H2O MgSO4.1H2O MgSO4.6H2O MgSO4.7H2O Na2SO4 Na2SO4.10H20 NaCl NaCO3.1H2O NaCO3.7H2O NaCO3.10H2O
Molair volume ml 46 55 57 130 147 53 220 28 55 154 199
Kristallisatiedruk MPa c/csat=2 c/csat=10 0°C 50°C 0°C 50°C 33.5 39.8 112.0 132.5 28.2 33.4 93.8 111.0 27.2 32.4 91.0 107.9 11.8 14.1 39.5 49.5 10.5 12.5 35.0 41.5 29.2 34.5 97.0 115.0 7.2 8.3 23.4 27.7 55.4 65.4 184.5 219.0 28.0 33.3 93.5 110.9 10.0 11.9 33.4 36.5 7.8 9.2 25.9 30.8
Afhankelijk van de relatieve vochtigheid en de temperatuur kan het chemische evenwicht in de zoutkristallen nadien omslaan van meer naar minder gebonden watermoleculen en andersom. Bij meer zorgt dat voor een bijkomende volume-uitzetting en nog hogere inwendige drukken: RT ⎛ p ⎞ Phydrat = ln⎜ ⎟ [3.37] v cw ⎜⎝ p h ⎟⎠ met vcw het volume van 1 mol kristalwater, p de aanwezige dampdruk en ph de dampdruk waarbij het hydraat bij de temperatuur T ontbindt, zie tabel 3.11 voor gips.
Tabel 3.11 Hydratatiedruk van gips Hydratatiedruk Mpa
Temp → Relatieve vochtigheid ↓ 100 70 50
0°C
20°C
50°C
219 160 107
176 115 58
93 25 0
Enkele voorbeelden van temperatuur-geïnduceerde reversibele (des)hydratatie reacties: 120-180°C
CaSO4.2H2O ↔ CaSO4.1/2H2O (Gips) 32.4°C
NaSO4.10H2O ↔ NaSO4 30°C
100°C
Ca(NO)3.4H2O ↔ Ca(NO)3.3H2O ↔ Ca(NO)3 260°C
CaCl2.6H2O ↔ CaCl2.2H2O ↔ CaCl2 32°C
35.4°C
Na2CO3.10H2O ↔ Na2CO3.7H2O ↔ Na2CO3.1H2O NaSO4.10H2O is ook wat betreft hydratatie het meest destructief. Andere
− Zoutenkristallen wijzigen de poriën (grote poriën versmallen, fijne blokkeren) − Zoutoplossingen hebben een hogere viscositeit en een andere oppervlaktespanning dan water. Daardoor verschillen de vochttransporteigenschappen voor een zoutoplossing − Zouten hebben door hun osmotische werking een impact op de chemische potentiaal; − Opgeloste zouten kunnen chemische reacties aangaan met de matrix. Zo b.v. de vorming van Candlotzout in mortel: Al2O3.2CaO.12H2O+3CaSO4.2H2O+15 H2O → Al2O3CaO.3CaSO4.32H2O + Ca(OH)2 Candlotzout
De reactie gaat gepaard met een belangrijke volume-uitzetting. Mortelvoegen kunnen er compleet door verpulveren. Remedies
De remedie start met het wegnemen van mogelijke vochtbronnen. De zouten zelf verwijderen is bij gebouwen onmogelijk. Wel kunnen we de aangetaste delen vervangen, de relatieve vochtigheid binnen verlagen tot onder de evenwichtswaarde van het zout en/of de wanden een aangepaste buitenafwerking of oppervlaktebehandeling geven. 3.1.3.7 Chemische degradatie Chemische degradatie van poreuze materialen is het resultaat van een thermische, hygrische, fysische en chemische belasting, met de nadruk op hygrisch en chemisch.
Chemische degradatie wijst erop dat de matrix van een materiaal qua samenstelling verandert. De reagentia komen uit de omgeving of uit het materiaal zelf en gebruiken vocht als
transportmiddel en katalysator. Met omgeving bedoelen we de buitenlucht, die met SO2, chloriden, CO2 en NOx-en bezoedeld kan zijn, en zure regen. Verder afvalwater, zeewater en andere. Voorbeelden van chemische degradatie zijn: de vergipsing van kalkhoudende natuursteen, de wapeningscorrosie door carbonatatie en chlooraantasting van beton, sulfaat en alkali granulaat reacties bij beton. Gipsvorming in kalkhoudende natuursteen
Wijst op de omzetting, aan het oppervlak en in de oppervlakteporiën, van calciet (CaCO3) in gips (CaSO4): H2SO4+CaCO3 → CaSO4 + CO2 + H2O Reagens is SO2 uit de lucht. Na oxidatie tot SO3 vormt dat met water zwavelzuur (H2SO4), dat voor de gipsvorming zorgt: SO2 + O → SO3
SO3 + H2O → H2SO4
Gips geeft een compacte, fijnporeuze oppervlaklaag, die, kon ze intact blijven, de steen voor verdere degradatie zou beschermen. De reactie gaat echter gepaard met een belangrijke volume-uitzetting. Die induceert spanningen en tenslotte breuk in de bindmiddelarme zone achter de gipskorst. Eens die eraf wordt verdere aantasting mogelijk. Maar ook als het gips blijft, zorgt differentiële thermische en hygrische werking tussen korst en achterliggend materiaal voor barstvorming. Via deze barsten wordt water opgezogen. Dat lost bindmiddel op en induceert zo vorst- en zoutschade, d.w.z. versnelt de aftakeling. Gipsvorming doet kalksteen volledig verweren. Soms denkt men dat zonder SO2 dat niet zou gebeuren. Fout. Ook CO2 tast kalksteen aan. Het reageert met water tot koolzuurgas (H2CO3), dat zelf carbonaat omzet in bicarbonaat: CaCO3 + H2CO3 → Ca(HCO3)2 Bicarbonaat lost op in water, wat op zijn beurt tot ontkalking en verwering leidt. Gipsvorming kunnen we bestrijden door vochtopname uit te sluiten. Daartoe krijgt kalksteen dikwijls een waterafstotende, verstevigende behandeling. Die zorgt voor een oppervlaktelaag met andere mechanische, hygrische en thermische eigenschappen dan de steenmassa. Ook blijven na behandeling veel barsten capillair actief en kan langs de voegen water achter de behandelde laag geraken, met alle gevolgen van dien (cryptouitbloeiing, vorstschade, enz.). Wapeningscorrosie in beton door carbonatatie en chlooraantasting
Calciumhydroxide (Ca(OH)2) zorgt ervoor dat beton na binding basisch is, met een pH tussen 12.5 en 13. Deze hoge pH stabiliseert de roestlaag op de wapening. Onvermijdelijk diffundeert echter CO2 uit de lucht de betonporiën in en reageert er met het Ca(OH)2 tot kalksteen (CaCO3): Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 Bij deze reactie treedt vocht op als katalysator. Een overmaat aan vocht en CO2 doet de reactie omslaan naar bicarbonaatvorming. Dat lost op in het poriënwater en wordt bij droging
naar het betonoppervlak getransporteerd. Daardoor ontkalkt de wapeningszone. De pH daalt waardoor de roestlaag op de wapeningen terug onstabiel wordt. Zuurstofdiffusie en wat vocht (hygroscopisch vocht volstaat, verzadiging betekent bescherming) volstaan dan om de corrosie terug aan te zwengelen. IJzeroxide is volumineuzer dan staal. Zo bouwen zich spanningen op en gaat uiteindelijk de betondekking eraf. Barstvorming versnelt het proces, dat gemeenzaam betonkanker wordt genoemd. Ook chloor doet dat. Voor de nodige chloorionen zorgen sommige bindingsversnellers (NaCl of CaCl2). Aan de kust doet oppervlakteafzetting van NaCl dat en bij onderwaterbeton de zee. Chloor vormt met cementsteen zouten van calciumchloride. Is er voldoende chloor, dan daalt daardoor de pH en, erger, helpen de zouten, waaronder Friedelzout, mee het materiaal te splijten: Al2O3.3CaO.12H2O+3CaCl2.6H2O → Al2O3.3CaO.3CaCl2.30H2O Friedelzout
Waar de chloorionen in het vochtige beton het wapeningsstaal bereiken, breken ze eerst de beschermende oxidelaag af en zorgen dan voor putcorrosie. Daardoor kan de wapening compleet wegroesten. Wapeningscorrosie vermijden vraagt om een goed verdicht beton (kleine capillariteit, hoge diffusieweerstand), een voldoende wapeningsdekking (afhankelijk van de blootstellingsklasse, een grotere dekking vergroot de diffusie- en zuiglengte tot aan de wapening en zorgt voor meer reactiemassa tussen de wapening en het buitenoppervlak), en zo nodig een waterdichte afwerking (bekleden, schilderen). Sulfaat en alkali-granulaat reactie
Diffunderen voldoende sulfaten beton in, dan reageren die met het cement in de betonmatrix tot candlotzout, met als gevolgen volume-uitzetting, spanningen en scheuren. De term ‘Alkali-Granulaat Reactie (AGR)’ wijst er gelijktijdig op dat in vochtig beton de alkalihydroxiden (NaOH, KOH, Ca(OH)2) in het cement zich kunnen binden met de carbonaat- en silicagranulaten (SiO2, kiezelzuur) in de toeslag: Na2O+H2O → NaOH 2NaOH+SiO2+nH2O → Na2SiO3.nH2O Na2SiO3.nH2O+Ca(OH)2+H2O → CaSiO3.mH2O+2NaOH Het CaSiO3.mH2O-gel neemt meer volume in dan de oorspronkelijk silicaten, waardoor het beton gaat zwellen, trekspanningen ontstaan en tenslotte breuk van binnenuit optreedt. In tegenstelling tot carbonatatie, chlooraantasting en sulfaataantasting, die alle diffusie- en daardoor oppervlaktegebonden zijn, grijpt de alkali-granulaat-reactie in de betonmassa zelf plaats. De breukvorming gebeurt dan ook van binnen naar buiten, met een drastisch verlies aan treksterkte als gevolg. Een driedimensionale wapening kan wel een deel van de zwelling in druk en voorspanning omzetten. Willen we AGR uitsluiten, dan dient één van de drie oorzaken weggenomen te worden. Dat zijn: (1) een te hoog vochtgehalte, (2) het gebruik van reactiegevoelige granulaten, (3) cement
en aanmaakwater met een te hoog gehalte aan vrije alkaliën. Verschillende landen, waaronder Nederland, hebben hun betonvoorschriften in die zin bijgestuurd. 3.1.3.8 Corrosie Voor een uitvoerige behandeling van corrosie verwijzen we naar de gespecialiseerde literatuur. Vocht en zuurstof spelen een doorslaggevende rol. Samen zorgen ze voor de vorming van OH-ionen aan de katode, terwijl het vocht gelijktijdig als ionengeleider tussen anode en katode optreedt. Dat gaat gemakkelijker als in het water zouten aanwezig zijn. Enkele zaken: − Onbehandeld staal roest spontaan bij relatieve vochtigheden boven 60%. Daardoor moet in een gematigd klimaat staal ook binnen beschermd worden. − IJzeroxide lost op in water. Bij staal gaat corrosie dan ook door tot alle metaal is verdwenen. Bij de meeste non-ferro's daarentegen vormt het oxide een beschermende deklaag. Die eigenschap gaat eerst verloren als het water, waarmee het metaal contact maakt, ionen bevat (SO3, Cl, enz.). − Oppervlaktecondensatie veroorzaakt bij metalen putcorrosie. Ionen in het condensaat zwengelen het fenomeen aan. − Combineren we metalen dan moet rekening gehouden worden met de spanningsreeks (tabel 3.12). Loopt water van een hoog- naar een laagwaardig metaal, dan zal het laagwaardige corroderen. Omgekeerd zijn er geen problemen;
Tabel 3.12 Spanningsreeks van de metalen tegenover een waterstofelektrode Metaal Magnesium Aluminium Zink Ijzer Nikkel Tin Lood Koper Zilver Goud
Chemisch symbool Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb Cu Ag Au
Spanning V -1.87 -1.45 -0.76 -0.43 -0.25 -0.15 -0.13 0.35 0.80 1.50
