Dictaat betondeel

233

DEEL IV

STEENACHTIGE MATERIALEN:

Beton, Metselwerk, Glas en

Bodemmaterialen

234

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

235

6 BETON 6.1)

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

6.1) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", Hoofdstuk 15, blz. 421 e.v. Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", Hoofdstuk 7, blz. 327. 6.2 ) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", §: 15.1.2 t/m 15.1.5.

236

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

De nomenclatuur van de verschillende combinaties van materialen die samen beton vormen, is weergegeven in tabel 6.1.3. Tabel 6.1.3 Nomenclatuur. Materialen Onverhard (Engels: non-set) Verhard (Engels: set) cement + water cementpasta (of cementlijm)

Engels: cement paste cementsteen (inclusief micro poriën). Engels: hardened cement paste)

cement + water + zand mortelspecie (dus cementpasta + zand) Engles: mortar

mortel a)

Engels: hardened mortar

cement + water + zand + grind b)

betonspecie (dus mortelspecie + grind) Engels: fresh mortar

beton (dus mortel + grind) Engels: concrete

a) Soms wordt ook wel het woord "mortel" of "betonmortel"gebruikt voor betonspecie (bijvoorbeeld bij het woord betonmortelleverancier).

b) Meestal wordt als grove fractie riviergrind gebruikt, maar niet altijd. Men maakt ook wel gebruik van ge-broken steenslag, zeegrind dan wel korrels van gebroken (gerecycled) beton.

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

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

237

6.2 Grondstoffen 6.2.1 Cement Onder cement verstaan we een bindmiddel welk met water reageert tot niet wateroplosbare vaste verbindingen. We noemen dit soort bindmiddelen "hydraulische bindmiddelen". Soorten: 6.4) De drie belangrijkste cementsoorten voor Nederland zijn hoogovencement (CEM III/A en B, En-gels: "blast furnace slag cement"), portlandcement (CEM I) en portlandvliegascement (CEM II/B-V, Engels:"Portland fly ash cement"). Eisen voor deze cementen waren vroeger opgenomen in de Nederlandse norm NEN 3550 en tegenwoordig in de Europese norm ENV 197 - 1 Cement (die nu voor heel Europa is vastgesteld). Mondiaal gezien is portlandcement verreweg het meest belangrijke cement. In Nederland heeft echter hoogovencement het grootste marktaandeel. Samenstelling cement: Portlandcement wordt vervaardigd uit kalksteen, aluminiumoxide-, siliciumoxide- en ijzeroxide-houdende verbindingen. In Nederland wordt portlandklinker gemaakt in Maastricht. De grondstoffen zijn onder andere mergel, zwavel (leem), poederkoolvliegas, leisteen en hoogovenslak. Deze grondstoffen gaan in poedervorm in een oven en worden gesinterd tot een klinker. De klinker bevat kristallijne verbin-dingen (mineralen) die met water kunnen reageren tot cementsteen. De belangrijkste mineralen zijn aliet (3CaO).SiO2 (tricalciumsilicaat), beliet (2CaO).SiO2 (bicalciumsilicaat), (3CaO).Al2O3 (tricalciumaluminaat) en celiet (4CaO).Al2O3.Fe2O3 (tetracalciumaluminaatferriet. In de cement-chemie kort men deze mineralen af als resp. C3S, C2S, C3A en C4AF. De portlandklinker wordt vervolgens samen met gips (CaSO4.2H2O calciumsulfaat-dihydraat) en/of anhydriet (calciumsul-faat CaSO4) gemalen tot cement. Hoogovencement (blast furnace slag cement), bestaat uit een mengsel van gemalen portlandklin-ker, anhydriet (calciumsulfaat) en gegranuleerde hoogovenslak. In Nederland zijn hoogovencement en portlandvliegascement erg populair. Hoogovencement heeft ongeveer een marktaandeel van 60%. De oorzaken van dit hoge marktaandeel van deze ten dele op reststoffen gebaseerde cementen ten opzichte van portlandcement zijn enerzijds de pro-ductiekosten die lager zijn. Anderzijds ook de ten opzichte van portlandcement op sommige pun-ten betere eigenschappen (zie verderop in dit hoofdstuk). Er zijn ook nog enkele andere specifieke cementtypen in omloop in Nederland zoals trasportland-cement, waarbij in de plaats van vliegas tras uit de Eifel, een vulkanisch gesteente wordt ge-bruikt. Ook wordt witte portlandcement gebruikt voor "schoon beton" toepassingen; dit is een portlandcement waarin geen ijzerhoudende verbindingen aanwezig zijn. Verder werd in het verleden ook aluminiumcement gebruikt, een cement op basis van calcium-aluminaten. Figuur 6.2.1a geeft schematisch de procesgang van de cementfabricage aan in de stappen: ver-vaardiging portlandklinker (figuur a1) ⇒ vervaardiging portland cement (figuur a2). Figuur 6.2.1b geeft de vervaardiging van hoogovencement en figuur 6.2.1c geeft de vervaardiging van portlandvliegascement. Tabel 6.2.1 geeft de voor Nederland belangrijkste cementsoorten en hun samenstelling. De coderingen A, B of C geven een indicatie van het portlandklinker gehalte. 6.4 ) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 428 t/m 470 (§ 15.2.2). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 5.3, blz. 269 e.v.

238

Heeft men een CEM II waarbij een andere letter dan "V" is aangegeven, dan heeft men te maken met een andere reactieve toevoeging dan vliegas. De letter P staat voor natuurlijke puzzolanen, Q staat voor gebrande natuurlijke puzzolanen, D slaat op microsilica, S slaat op hoogovenslak, W slaat op calciumhoudende vliegas (de class-C vliegas afkomstig van bruinkoolverbranding). De letter T slaat op leisteen en L op kalksteen. De letter V slaat op vliegas afkomstig van de verbran-ding van antracietkolen (class-F vliegas). De ze vliegas bevat veel minder calcium dan een class-C vliegas. a1) van: portlandklinker a2) naar: portland cement

b) hoogovencement c) portlandvliegascement Figuur 6.2.1 Procesgang cementfabricage portland cement (a), hoogovencement (b) en portlandvliegascement (c).

239

Tabel 6.2.1 De voor Nederland belangrijkste cementsoorten en samenstelling, aangeduid conform NEN-EN 197-1. a)

Benaming Aanduiding % Portlandklinker Andere hoofdbestanddelen in % portlandcement CEM I 95 - 100 portlandvliegascement CEM II/A-V

CEM II/B-V 80 - 94 65 - 79

6 - 20 vliegas (class F: siliciumhoudend) 21- 35 vliegas (class F: siliciumhoudend)

hoogovencement CEM III/A CEM III/B CEM III/C

35 - 64 20 - 34 5 - 19

36 - 65 gemalen gegranuleerde hoogovenslak 66 - 80 gemalen gegranuleerde hoogovenslak 81 - 95 gemalen gegranuleerde hoogovenslak

a) Alle cementen mogen naast de hoofdbestanddelen tot 5% (m/m) overige bestanddelen bevatten (bijvoor-beeld vulstoffen). Daarnaast bevatten de cementen tot ongeveer 5% gips of anhydriet.

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

NEN-EN 197-1 en NEN 3550.

Druksterkte in N/mm2 (gemiddelde sterkte) Beginsterkte na:

Sterkteklasse

2 dagen 7 dagen Normsterkte na 28 dagen

32,5 L - ≥ 12 32,5 N - ≥ 16 32,5 R ≥ 10 -

≥ 32,5 en ≤ 52,5

42,5 L - - 42,5 N ≥ 10 - 42,5 R ≥ 20 -

≥ 42,5 en ≤ 62,5

52,5 L ≥ 10 - 52,5 N ≥ 20 - 52,5 R ≥ 30 -

≥ 52,5

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

240

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

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

Figuur 6.2.2 Vrijkomende warmte bij hydratatie onder isotherme omstandigheden bij diverse

cementen.

241

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

Eigenschap Portlandcement (pc) Hoogovencement (hoc) vrije kalk ontwikkeling (zie hydra-

tatie) veel minder en daardoor i.h.a beter be-

stand tegen aantasting hydratatie warmte snellere warmte-ontwikkeling dan

bij hoc.Vooral voordeel in de win-tertijd

eventueel hoc met een fijnere ma-ling gebruiken (in koude omstan-

digheden) temperatuurinvloed kleiner dan hoc op hydratatie hier wat groter, voor-

deel bij stomen van beton (in de wintertijd); tussen 5 en 10 oC enige

vertraging sulfaatweerstand meer sulfaatgevoelige bestanddelen

(zoals vrije kalk) dan in hoc en op de lange duur minder dichte ce-

mentsteenstructuur

groter dan bij pc, vooral bij hoog percentage slak

weerstand tegen chloride-indringing

minder door minder dichte cement-steenstructuur

beter door dichte cementsteenstruc-tuur (op de lange duur)

gevoeligheid voor nabehandeling minder door snellere hydratatie slechter door langzame hydratatie kleur van een vers breukvlak grijs donkerblauw, verdwijnt na enige

tijd als gevolg van oxidatie van ijzersulfide

Carbonatatie (ook wel carbonatie genoemd)

langzaam (als het beton goed ge-maakt en verdicht is)

gevoeliger voor carbonatatie dan pc (hoc moet goed nabehandeld wor-

den) Milieuprofiel: 6.5)

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

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

15.1.8).

242

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

grondstoffenbehoefte energie (MJ) emissies afval

pchoc

Figuur 6.2.3 Relatieve milieumaten portlandcement (a) en hoogovencement (b) van winning tot

en met de productie (‘from cradle to gravel'). Portlandcement is op 100% gesteld en hoogovencement wordt daarmee vergeleken.

6.2.2 Toeslagmaterialen 6.6)

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

6.6) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 423, 424, 435 t/m 436 (§:15.1.4 en

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

243

Voor al deze toeslagmaterialen geldt dat zij moeten voldoen aan normen. Zo kennen we de Nede-landse norm NEN 5905 voor riviergrind en zand. Inmiddels geldt de Europese norm NEN-EN 12620 (voor alle harde dichte toeslagmaterialen). Grove lichte toeslagmaterialen moeten voldoen aan NEN-EN 13055-1 en NEN 3543. Tevens zijn toegestaan beton- en menggranulaat. Hiervoor zijn speciale CUR-Aanbevelingen (Civieltech-nisch Centrum voor de Uitvoering van Research en Regelgeving -CUR, te Gouda-) opgesteld terwijl ook NEN 5905 ingaat op deze materialen. De CUR heeft ook Aanbevelingen gepubliceerd voor gebroken kalksteen, gebroken graniet en lichte toeslagmaterialen vervaardigd uit poeder-koolvliegas (Lytag ®en Aardelite ®). In vele landen is overigens het gebruik van andere toeslagmaterialen dan riviergrind ook voor de hoogste sterkteklassen gebruikelijk. Voor zeer hogesterktebeton is het aan te bevelen om met sterkere materialen dan grind te werken. Indeling naar gewicht: Toeslagmaterialen worden behalve naar vorm ook ingedeeld naar gewicht. Normale toeslag-materialen hebben een schijnbare volumieke massa van 2000 tot 2800 kg/m3, en zware één die groter is dan 2800 kg/m3. Lichtgewicht toeslag heeft een volumieke massa kleiner dan 2000 kg/m3. Tabel 6.2.4 geeft een overzicht van verschillende typen toeslagmateriaal. Tabel 6.2.4 Eigenschappen van een aantal gangbare grove toeslagmaterialen.

Grof toeslagmateriaal Volumieke massa (na drogen) in kg/m3

Waterabsorptie na 30 minuten onder water

(% m/m)

Korrelsterkte (N/mm2)

Lichte toeslagmaterialen (dus sterk poreus) vallend onder NEN-EN 13055-1en NEN 3543: Argex 670 - 1155 9 - 37 1,7 - 9,9 EXclay 612 - 753 1,5 Liapor 570 - 1700 6 - 17 0,2 - 17

Normaal dicht toeslagmateriaal vallend onder NEN-EN 12620 en NEN 5905: Riviergrind 2500 - 2700 0,8 - 1,2 150 - 200

Porfier 2550 - 2800 0,4 - 0,6 180 - 300 Gabbro/dioriet 2900 - 3000 1,0 - 1,1 170 - 230

Harde kalksteen 2650 - 2850 0,9 - 1,2 80 - 230 Zandsteen/kwartsiet 2600 - 2650 0,2 - 1,2 150 - 300

Basalt 2850 - 3000 gering 250 - 400 Graniet 2600 - 2800 0,5 - 0,7 160 - 260

Zware toeslagmaterialen (andere voorbeelden zijn bariet en ferrosilicium) vallend onder NEN-EN 12620 en NEN 5905:

Hematiet 4000 - 5300 160 - 600 Magnetiet 3500 - 5100 80 - 200

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

244

verdeling voor; afzeven tot een discontinue verdeling zou verspilling van materiaal betekenen. In figuur 6.2.4 is een continue en een discontinue korrelverdeling van een toeslagmateriaal te zien. In de Nederlandse Voorschriften Betontechnologie zijn grenswaarden voor de korrelverdeling van toeslagmateriaalmengsel in beton aangegeven; zie voor een nominale korrel van 11,2 mm respectievelijk van 31,5 mm figuur 6.2.5 (nominale korrel 31,5 mm is de korrel die nog juist door een zeef van 31,5 mm heen gaat; dus in wezen de grootste korrel in het aggregaatmengsel). De korrelgebieden I zijn te prefereren boven de gebieden II. In ieder geval dient de mengselcurve tussen de bovenste en de onderste lijn te liggen. Figuur 6.2.4 Continue en discontinue korrelverdelingen. In de voormalige Nederlandse betonnorm werden in het geval van gebied II dan ook iets andere eisen gesteld aan de betonsamenstelling; o.a. een hoger minimum cementgehalte. Hoe groter de nominale korrel die gebruikt wordt, des te minder fijn materiaal kleiner dan 250 μm nodig is om de ruimte tussen de toeslagmateriaalkorrels op te vullen. Dat betekent dat dan des te minder ce-ment en vulstoffen nodig zijn, zie figuur 4.6. In de nieuwe Europese betonvoorschriften vinden we alleen nog een eis terug ten aanzien van het luchtgehalte als men luchtbelvormers moet toe-passen, waarbij het luchtgehalte dan afhangt van de grootste korrel in het mengsel(tabel E in NEN 8005). In de huidige betonvoorschriften is het minimum cementgehalte een functie van het milieu waarin het beton geplaatst wordt (dezelfde tabel E in NEN 8005). Overigens moet benadrukt worden dat de in figuur 6.2.5 gegeven grenslijnen voor de korrelver-deling gemaakt zijn voor riviergrind. Wanneer we te maken hebben met andere toeslagmaterialen zoals lichte, dan moet een correctie plaatsvinden voor de lagere volumieke massa.

245

a) Ontwerpgebied voor korrelgroep 0/11 mm

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

b) Ontwerpgebied voor korrelgroep 0/32 mm Figuur 6.2.5 Grenslijnen voor korrelgroep 0 - 11,2 en 0 - 31,5 mm (Vroeger was dit volgens de

Nederlandse Betonvoorschriften NEN5950).

246

' Figuur 6.2.6 Fullerkrommen voor drie nominale korrelverdelingen: Hoe groter de nominale

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

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

247

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

6.8) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 436 t/m 438 (§:15.2.7).

Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 6.10.4, blz. 323 e.v.

248

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

afzonderlijke deeltjes groepjes deeltjes omringd door water "uitgevlokte" pasta "gedispergeerde" pasta

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

249

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

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

250

1. Goed verwerkbaar. 2. Nog net verwerkbaar. 3. Kan niet meer getrild worden. 4: Sterkte is 10 N/mm2 (druksterkte nodig

voor ontkisten). 5: Tijdstip waarop dezelfde sterkte als die

van het blanco beton bereikt is.

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

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

251

Poederkoolvliegas is een puzzolane stof, dat wil zeggen dat ze met kalk en water kan reageren tot watervaste cementerende verbindingen. Naast de puzzolane werking verbetert vliegas ook de korrelopbouw in het fijne gebied (1-100 μm). Poederkoolvliegas mag tot zekere hoogte in reke-ning gebracht worden op de water/cementfactor en het minimum cementgehalte. Daarmee wordt als het ware de bijdrage van deze toevoegingen tot de sterkte-ontwikkeling erkend. Aan poeder-koolvliegas worden stringente eisen gesteld, zoals aan de fijnheid, korrelverdeling, het glasgehal-te (moet > 60% zijn), de hoeveelheid resterende koolstof (maximaal 5%) en andere. Van vliegas, welke hieraan voldoet, mag de hoeveelheid vliegas voor 0,2 deel als cement worden beschouwd in geval van combinatie van vliegas met portlandcement; dat wil zeggen “cement” cement + 0,2 vliegas. Men stelt dat er een zekere "bindmiddelfunctie" aan het vliegas mag worden toegekend onder bepaalde condities, zie tabel 6.2.5. Men mag vervolgens rekenen met een cementgehalte van c + k.v en een waterbindmiddelfactor van w/(c+k.v) waar v de hoeveelheid vliegas betekent. De volumieke massa van vliegas (class-F vliegas afkomstig van antracietkolen) is 2250 kg/m3 en het specifiek oppervlak is in de range 400 -700 m2/kg. Tabel 6.2.5 Bindmiddelfactor k voor poederkoolvliegas (NEN-EN 206-1 en NEN-EN 450).

Toegepaste cement Bindmiddelfactor k CEM I 32,5 N en 32,5 R

CEM I 42,5 R en hogere cementsterkteklassen CEM III/A voor alle cementsterkteklassen CEM III/B voor alle cementsterkteklassen

0,2 0,4 0,2 0,2

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

252

3

20,0004 m = 1,3 μm

300 m

6.2.5 Water 6.10) De hoeveelheid water in de specie wordt meestal opgegeven in verhouding tot de hoeveelheid cement in kg. Deze verhouding noemt men de water/cementfactor (w/c). Ze wordt uitgedrukt als massa per massa. Is de watercementfactor = 0,4 dan is er op iedere kg cement dus 0,4 kg water. Omdat een cementkorrel ongeveer 3 x zo zwaar is als eenzelfde volume water, is in beton met een watercementfactor = 0,4 een groter volume aan water dan aan cement aanwezig. Het is de taak van het water om: a) De korrels cement en toeslagmateriaal te omhullen met een laagje waardoor de verwerk-

baarheid (mengen, transporteren, verdichten en afwerken) wordt bevorderd. b) Met het cement te reageren tot hydraten die de zanden grindkorrels aan elkaar kitten. Op beide functies willen we wat nader ingaan. Veronderstel dat alle korrels cement en toeslagmateriaal zich met eenzelfde laagdikte water zou-den omhullen en dat de korrels van het onverhard cement een gezamenlijk oppervlak bezitten van 300 m2/kg (specifiek oppervlak). Als de water/cementfactor van een pasta = 0,4 dan zou 0,4 liter water zich moeten verspreiden over 300 m2. Als dit gelijkmatig is, wordt de laagdikte dus: De cementkorrels zelf hebben diameters van 1 tot 100 μm. Als niet de pasta, maar het beton een water/cementfactor van 0,4 bezit, moet bij het oppervlak van het cement ook het oppervlak van het zand en grind worden opgeteld. Omdat echter zand en grind geen groot oppervlak bezitten (de korrels zijn veel groter), is de water/cementfactor hoofd-zakelijk bepalend voor de dikte van het gemiddelde waterlaagje. Het is dus te begrijpen dat men het watergehalte van een specie uitdrukt in de water/cement-factor. Als cement met water reageert tot hydraten zal op de lange duur een hoeveelheid water kunnen reageren die 25% van het cementgewicht bedraagt. Daarvoor moet het materiaal dan wel jaren nat blijven. Als de oorspronkelijke water/cementfactor 0,4 bedroeg, is dus: 0,25/0,40 deel van het oorspronkelijk water vast geworden. Het water dat in het beton achterblijft, bevindt zich in de poriën. Poriën verzwakken het beton, laten stoffen door die beton of wapening kunnen aantasten, veroorzaken bij uitdrogen droog-krimp, en kunnen tot schade leiden door bevriezing van het water in de poriën bij vorst. Een belangrijke doelstelling van de betontechnologie is dan ook een betonmengsel samen te stel-len dat zo weinig mogelijk water nodig heeft, maar toch goed verwerkbaar is. Als water geschikt is om te drinken (Engels: "potable water") is het zeker geschikt om in beton te gebruiken. Veel betoncentrales pompen hun aanmaakwater uit de kanalen (waaraan ze gesitueerd zijn) en besparen zo in aanzienlijke mate op gebruik van drinkwater. Dit oppervlaktewater wordt dan wel geregeld gecontroleerd op vervuiling en verzilting.

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

253

6.3 Cementsteen en microstructuur 6.3.1 Verharding van cement 6.11)

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

met gips zonder gips Figuur 6.3.1 Effect van gips op de cementsteenvorming bij de aanvang van de reactie. Na verloop van tijd vindt het water toch zijn weg naar de cementdeeltjes en valt het laagje ettrin-giet uit elkaar. De calciumsilicaten (3CaO.SiO2 en 2CaO.SiO2) reageren dan met water en vor-men een calciumsilicaathydraatgel, afgekort CSH-gel. Voor het cementmineraal alite 3CaO.SiO2 (C3S) geldt ongeveer de reactievergelijking: 2(3Ca0.Si02) + 6H2O → 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 + warmte (6.3.2) Het reactieproduct 3CaO2.SiO2.3H2O komt qua samenstelling (stochiometrisch) ongeveer over-een met het in gesteenten voorkomend mineraal tobermoriet. In werkelijkheid is er geen kristal-vorm, zoals bij mineralen het geval is, maar een gelachtig materiaal, CSH-gel. Dat wil zeggen een wanordelijke structuur, waarbij alleen op microschaal enige orde aanwezig is. Die CSH-gel is de belangrijkste cementerende verbinding. Naast de CSH-gel wordt ook vrije kalk gevormd, Ca(OH)2. Bij portlandcement bestaat circa 25% van het gereageerde cement uit deze kalk. De

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

254

anhydriet als catalysatorgegranuleerde hoogovenslak + water CSH-gel + warmte⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→

bij hogere pH2vliegas + Ca(OH) + water CSH-gel⎯⎯⎯⎯⎯→

kalk heeft op zich niet zo'n bindende functie zoals de CSH-gel, maar is wel in kristallijne vorm aanwezig. Fasen in de verharding: 6.12)

De verharding van cement laat zich in de volgende fases opdelen: a) Het mengen, waarbij het cement in water wordt gedispergeerd. Dit dispergeren kan worden verbeterd door het toevoegen van een plastificeermiddel, zoals besproken in paragraaf 6.2.3. b) Het water reageert met het 3CaO.Al2O3 en gips tot ettringiet. Gedurende enige uren daalt de verwerkbaarheid, maar het storten en verdichten van beton blijft mogelijk. De oplossing (het water) raakt verzadigd aan Ca(OH)2. De pH stijgt tot boven de 12. De eerste CSH-gel wordt aan het eind van de verwerkbaarheidperiode gevormd. Men stelt dat de “afbinding” dan in treedt. c) De CSH-gel zet zich af op de oorspronkelijke cementdeeltjes. Deze deeltjes worden dus als het ware dikker en groeien zo naar elkaar toe, zie figuur 6.3.2. Uiteindelijk raken ze elkaar en ontstaat de vaste stof: "cementsteen". Naarmate de afstand tussen de deeltjes groter is, duurt het langer voordat de groeiende deeltjes elkaar raken. De afstand is groter naarmate de water/cementfactor en/of de deeltjesgrootte groter is, en dus

het specifiek oppervlak kleiner is, zie figuur 6.3.3. Vooral op korte termijn leidt dit tot een veel grotere sterkte voor beton met een lage watercementfactor.

Tijdens het reactieproces neemt de alkaliteit van het water in de poriën toe tot een pH van 13 à 14, door het in oplossing gaan van NaOH en KOH. Andere cementen: Bij hoogovencement verloopt aanvankelijk de reactie net zoals bij portlandcement. De portland-klinkerdeeltjes reageren eerst en vormen CSH-gel + kalk. Nadat de pH een niveau van ongeveer 12 bereikt heeft, beginnen de hoogovencementdeeltjes op te lossen en reageren de opgeloste de-len (ook met de vrije kalk afkomstig van de Portlandklinkerdeeltjes) tot een vorm van CSH-gel: (6.3.3) De hoeveelheid ontwikkelde warmte is op korte termijn duidelijk minder dan de reactie 6.3.2. In hoogovencementsteen is meer CSH-gel aanwezig en veel minder vrije kalk dan in portlandce-ment. Het capillaire poriënvolume is daardoor kleiner en dat van de gelporiën groter, waardoor de cementsteen c.q. het beton minder permeabel is, (in §:6.3.2 wordt verder ingegaan op de micro-structuur van beton en cementsteen). Bij portlandvliegascement of bij toevoeging van poederkoolvliegas aan beton, ontleedt de vliegas boven een pH van 13; dat wil zeggen, enige dagen nadat het cement met water gemengd is, zal het vliegas gaan reageren met water en de vrije kalk afkomstig van het portlandcement. De ontle-de vliegas ontwikkelt een vorm van CSH-gel. De hoeveelheid vrije kalk neemt dus af en de ce-mentsteen wordt verdicht door de naderhand gevormde CSH-gel. De reactie is volgens formule 6.3.4, ware het niet dat de vliegasreactie veel trager is dan die van hoogovenslak en pas na enige weken merkbaar wordt door de afname van de hoeveelheid vrije kalk in de verharde cementsteen. (6.3.4)


255

Figuur 6.3.2 Vorming van vaste stof door het uitgroeien van cementdeeltjes, resulterend in cementgel. Invloedsfactoren op de reactiesnelheid van de hydraterende cementkorrels: De reactiesnelheid hangt af van: - de temperatuur; - de fijnheid van het cement; - de hoeveelheid C3S (= cementchemische codering voor (3CaO)SiO2 ten opzichte van C2S (=

cementchemische codering voor (2CaO)SiO2); - de watercementfactor (= wcf = w/c in liter/kg, dus in kg/kg met w= water en c = cement); - de tijdsduur dat het beton vochtig blijft. Bij de eerste drie factoren gaat hoge reactiesnelheid samen met een snelle stijging van de sterkte. Bij een hoge watercementfactor is de hydratatiesnelheid wel groot, maar blijft de sterkte lager als gevolg van het ontstaan van meer capillaire poriën, zie volgende paragraaf.

256

Figuur 6.3.3 Gemiddelde afstand tussen de cementdeeltjes in cementsteen als functie van de specifieke oppervlakte van cement en de wcf. De gemiddelde deeltjesafstand is 2 keer de waterlaagdikte om elk deeltje. W/C = wcf = watercementfactor. Ook de cementsoort is van belang voor de soort sterkte-ontwikkeling. Door de cementfabrikant zijn de cementen zo ontworpen, dat deze na 28 dagen verharden bij 20°C volgens de normbe-proeving dezelfde sterkte hebben, bijvoorbeeld klasse 42,5. In de periode tot 28 dagen en daarna kan de sterkte-ontwikkeling nogal verschillen, zie figuur 6.3.4. Hoogovencement ontwikkelt zich trager dan portlandcement, ondanks de hogere maalfijnheid (300 m2/kg respectievelijk 400 m2/kg). Bij portlandvliegascement is dat verschil gering (een CEM II 32,5 heeft een zodanige maalfijnheid dat na 28 dagen voldaan wordt aan de normsterkte van 32,5 N/mm2). Figuur 6.3.4 De druksterkte ontwikkeling van (norm)mortels als functie van de tijd voor drie cementen. Een normmortel bestaat uit cement, zand en water met wcf = 0,50. CEM I = portland cement. CEM III = hoogovencement. De verharding is bij 20 °C bij 95% R.V.

257

6.3.2 De microstructuur van cementsteen Voor de structuur van cementsteen zijn diverse modellen ontwikkeld. Eén daarvan is het zoge-naamde Münchener model. Dit gaat uit van CSH als een drie dimensionaal netwerk van deeltjes met afmetingen kleiner dan 0,1 μm, zie figuur 6.3.5. Figuur 6.3.5 Münchener model van cementsteen. CSH = calciumsilicaathydraat. De afstanden tussen die deeltjes zijn klein. De binding tussen de deeltjes is het gevolg van "van der Waals krachten" (zie paragraaf 2.8.3), maar meer nog van sterke elektrostatische aantrek-kingkrachten. Er zijn dus geen sterke ion- of valentiebindingen aanwezig. Als gevolg van het grote oppervlak van de deeltjes, is de totaal binding tussen de deeltjes toch aanzienlijk, ondanks het gemis aan de sterke bindingen die metalen en kunststoffen kenmerken. Het specifiek opper-vlak voor cementsteen bedraagt wel 200 m2/g; dat is 1000 maal zo groot als het specifiek opper-vlak van de oorspronkelijke, ongehydratateerde cementdeeltjes. Bij cementsteen betreft dit het intern oppervlak, dat wil zeggen het oppervlak van alle deeltjes, poriënwanden e.d. in de cement-steen. Belangrijk voor de eigenschappen zijn de poriën. In de zich afzettende CSH-gel bevinden zich poriën, de gelporiën. Ongeveer 25% van het door CSH-gel ingenomen volume bestaat uit deze gelporiën. De overge-bleven ruimte tussen de "groeiende" cementdeeltjes vormen de capillaire poriën. Tijdens het reac-tieproces worden de capillaire poriën dus steeds kleiner en neemt hun totaal volume af. Het zijn deze capillaire poriën die nadelig zijn voor de eigenschappen (sterkte, permeabiliteit, duurzaam-heid). De gelporiën zijn een intrinsiek onderdeel van de zich vormende cementsteen. Het zijn kleine poriën. De grens wordt wel gelegd bij een diameter van 20 nm (10-9 m). Poriën met een diameter kleiner dan 20 nm zijn de gelporiën, daarboven spreekt men van capillaire poriën. Hoe-veel cementgel, onverhard cement en capillairen tezamen de cementsteen opvullen, hangt af van het soort cement, van de watercementfactor en van de omgeving van het beton. In figuur 6.3.6 is aangegeven hoe de distributie tussen deze 3 grootheden is bij langdurige verharding onder water. Bij een watercementfactor van 0,38 bestaat dan op den duur de cementsteen uit onverharde en verharde cement. Bij een watercementfactor van boven de 0,38 zullen er altijd en onder alle om-standigheden capillairen overblijven.

258

Figuur 6.3.6 Samenstelling van de cementsteen bij zeer lange verharding onder water. De gel poriën zijn steeds 25% van het gelvolume. Naarmate het cement verder reageert, neemt de hoeveelheid ongehydrateerd cement af en de hoe-veelheid cementgel toe, zie figuur 6.3.7. Bij hoogovencement- en portlandvliegascementsteen is de hoeveelheid gel en gelporiën groter en de capillaire porositeit kleiner. Tabel 6.3.1 geeft een overzicht van de verschillende poriënruimten in beton. 13) Als cement ge-heel zou uitharden met daarvoor net voldoende water (wcf < 0,35; wcf = watercementfactor = w/c in kg/kg) dan zouden er geen doorlopende capillaire poriën meer bestaan. Hoe maakt men dus hoge sterktebeton? Door een zou laag mogelijke waterbindmiddelfactor te verwezenlijken met een hoge (sterke) kwaliteit steenslag. Onder bindmiddel verstaat men dan cement plus een deel van eventueel toegevoegd vliegas of microsilica.

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

259

Figuur 6.3.7 De verandering tijdens de cementreactie van de componenten (in volumedelen) als functie van de tijd voor een water/cementfactor van 0,50. Tabel 6.3.1 Overzicht van de verschillende poriënruimten in beton.

Poriën Afmetingen Porositeit gelporiën tot 5 nm 28%

fijne capillairen grovere

capillairen

tot 0,1 nm tot 10 micron

10%

belletjes poriën tot 1 mm tot 4 % grensvlakholten tot 10 mm tot 3%

6.3.3 De zone om de toeslagmaterialen 6.14)

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


260

Figuur 6.3.8 De overganglaag bij een toeslagkorrel. (Uit proefschrift dr. M. de Rooij). Figuur 6.3.9 De overganglaag bij een toeslagkorrel zonder silica fume (bovenste figuur) en mét

silica fume (onderste figuur) aan het begin van de verharding.

261

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


262

yielddγτ = η + τdt

6.4 Betonvervaardiging 6.16) 6.4.1 Algemeen Voor de vervaardiging van beton is, naast de keuze van de grondstoffen van belang dat er goed gemengd wordt. Mede in het kader van de certificatie van betonmortelbedrijven en ook van be-tonwaren is dit in Nederland in het algemeen goed verzorgd. Het betonnen product wordt uiteindelijk gevormd in de bekisting. Eenmaal in de bekisting ge-bracht, moet het beton de vorm van de bekisting kunnen aannemen. Essentieel daarbij is, dat de betonspecie bij de gekozen wijze van verdichten de goede verwerk-baarheid heeft. Tenslotte is er nog een stadium bij de betonvervaardiging, welk van groot belang is voordat beton zijn uiteindelijke functie kan vervullen, en dat is de nabehandeling. 6.4.2 Verwerkbaarheid Betonspecie in een viskeus materiaal; zie §:2.10.3. Bij de verwerkbaarheid (workability) gaat het om de reologie van de betonspecie. Deze blijkt zeer complex te zijn. Vereenvoudigd zou men de reologie van een betonspecie kunnen vergelijken met een zogenaamd Bingham vloeistof waar-door geldt, dat: (6.4.1) waarin: τ = de afschuifspanning (N/mm2);

η = de viscositeit (Nm.s); dγ/dt = de afschuifsnelheid (rad/s) τyield = vloeigrens c.q. zwichtspanning.

In figuur 6.4.1 is dit verband aangegeven voor twee betonspecies, en daarnaast voor water en ketchup. Als ketchup geschud wordt, wordt de viscositeit lager, het wordt vloeibaarder. We noe-men een dergelijk materiaal thixotroop. Ook betonspecie is enigszins thixotroop. Een belangrijk verschil met ketchup is echter, dat de specie pas vloeit nadat een bepaalde kracht wordt uitgeoe-fend: de vloeigrens moet worden overschreden. In werkelijkheid blijkt de curve van betonspecie niet zo mooi recht te verlopen. Bovendien blijkt de ligging van de curve tijd- en temperatuurafhankelijk. Echter, zelfs in het vereenvoudigde geval van figuur 6.4.1 is duidelijk, dat we tenminste twee parameters moeten kennen om de verwerk-baarheid van betonspecie te kunnen karakteriseren. De reologische metingen om tot een figuur als figuur 6.4.1 te komen, zijn echter vrij complex en alleen in een laboratorium uit te voeren. In de betontechnologiepraktijk zijn daarom enkele eenvoudige meetmethoden ontwikkeld.

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

263

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

93, *).

Verdichtingmaat C Zetmaat S(mm) Schudmaat F(mm) Consistentie- gebied klasse (mm/mm) klasse mm klasse mm droog C0 ≥ 1,64 aardvochtig C1 1,45 t/m 1,26 S1 (10-40) F1 (≤ 340) half plastisch C2 (1,25 - 1,11) S2 50-90 F2 (350 t/m 410) plastisch C3 (1,10-1,04) S3 100-150 F3 (420 t/m 480) zeer plastisch S4 (160-210) F4 490 t/m 550 vloeibaar S5 (≥ 220) F5 560 t/m 620 zeer vloeibaar F6 (ook

wel: SF) ≥ 630 **)

De getallen die niet tussen haakjes staan prevaleren boven die tussen haakjes. *) In de nieuwe Euronorm NEN-EN 206.1 (die NEN 5950 inmiddels vervangt) worden meer verwerkbaarheidklas-

sen gegeven dan in de oude voorschriften betontechnologie 1986 (NEN 5950). **) We praten hier over "vloeimaat" omdat vanwege de zeer hoge vloeibaarheid van het beton schudden niet meer

mogelijk is (zie hieronder). Opdracht: Zoek deze norm op in de bibliotheek of via het internet. De TU-Delft heeft een licentie-overeenkomst met het Nederlandse Normalisatie Instituut waardoor je via de Universitetisbibliotheek je de norm in kan zien. De zetmaat is wereldwijd de meest toegepaste methode. Het bestaat uit een aan beide zijden open kegel die volgens een in een norm vastgelegde procedure wordt gevuld met specie. Vervolgens wordt de kegel opgelicht waardoor betonspecie onder eigen gewicht ineenzakt; de zetmaat is dan de inzakking van de kegelhoogte die optreedt, zie figuur 6.4.2. Bij de twee andere methoden wordt extra energie gebruikt; dat wil zeggen een grotere kracht uitgeoefend dan het eigen gewicht alleen. Bij de schudmaat gebeurt dit door een tafelblad op te heffen en te laten vallen, zie ook figuur

264

200

400

200

200

s

400-s

200

400

200

200

400

200

200

s

400-s

200

s

400-s

6.4.2. Desondanks zijn dit alle éénpuntsmetingen, waarmee geen eenduidige karakterisering van de reologie kan geschieden. Nochtans zijn deze meetmethoden de enige die in de praktijk gebruikt worden. Figuur 6.4.2 Zetmaat en schudmaat. De verdichtingmaat wordt bepaald door (voorzichtig) droge betonspecie in een rechthoekig vat aan te brengen, zie figuur 6.4.3 en vervolgens (mechanisch) te trillen. De inzakking s (mm) van het drogere beton wordt gebruikt om de verdichtingmaat te berekenen volgens: Figuur 6.4.3 De verdichtingmaat (Walzmaat).

265

400 mmC = met s is inzakking in mm400 - s mm

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

(6.4.2) Gebruiken we de verdichtingmaat voor droge betonspecies (de inzakking s is groter naarmate het beton droger is waardoor C eveneens groter wordt bij drogere beton), de zetmaat gebruiken we voor gewoon beton, waarbij de inzakking van het beton toeneemt naarmate het beton natter wordt. De verwerkbaarheid wordt in belangrijke mate bepaald door de hoeveelheid water; hoe meer wa-ter des te vloeibaarder. Bij een vast cementgehalte betekent dit, dat bij toenemende waterce-mentfactor je in een hoger consistentiegebied (zie tabel 6.4.1) terecht komt. In figuur 6.4.4 is dit geïllustreerd. Figuur 6.4.4 Relatie tussen uitgeoefende schuifspanning (τ) en afschuifsnelheid (dγ/dt) voor mengsels met verschillende watercementfactor. Als gevolg van de reactie van cement met water neemt de smeuïgheid van betonspecie geleidelijk af. Dit proces verloopt sneller naarmate de temperatuur hoger is. Ook bij gebruik van een plastifi-ceermiddel gaat de afname sneller. Figuur 6.4.5 geeft een verband tussen de schudmaat en de spe-cietemperatuur op vier verschillende tijdstippen.

266

Figuur 6.4.5 Verloop van de schudmaat in de tijd, voor verschillende specietemperaturen bij

normaal opstijvinggedrag. (pc-B is oude benaming voor CEM I 45,5). 6.4.3 Verdichting Na het mengen wordt de specie in de bekisting gebracht. Hierbij moet ontmenging (segregation) zo veel mogelijk voorkomen worden. Bij het storten is een bekende vorm van ontmenging het afrollen van de zwaardere delen, zie figuur 6.4.6a. Bij het verdichten na het storten, is de meest bekende vorm van ontmenging het opdrijven van de fijne bestanddelen, met name water en ook wel cement. Dit verschijnsel heet "bleeding". Bleeding is vaak goed zichtbaar bij vloeren aan de plassen water op het afgewerkte beton. Bleeding uit zich niet alleen aan het betonoppervlak, maar kan ook leiden tot waterophoping onder toeslagmateri-aaldeeltjes. Belangrijkste voorwaarde om ontmenging te vermijden is, dat een goede korrelop-bouw aanwezig is. Fijne toevoegingen, zoals microsilica (ook wel ‘silica fume’ genoemd) en vliegas e.d. en luchtbelletjes, blijken in het algemeen de cohesie van de betonspecie te vergroten; dat wil zeggen dat de neiging tot ontmenging verkleint. Als de specie in de bekisting is gebracht, vindt de verdichting plaats. Tijdens dat proces wordt lucht uit de specie gedreven en moet ervoor gezorgd worden, dat de specie alle hoeken van de bekisting opvult. Dit kan op verschillende manieren gebeuren. Er kan bijvoorbeeld met trilnaalden worden gewerkt, die in het beton gehangen worden. Er wordt ook, met name in de prefabindustrie, gewerkt met bekistingtrillers. Verder kan er worden gestampt, zoals soms bij het maken van in de grond gevormde palen of bij het maken van betonstenen, of stampen plus trillen tegelijkertijd. Trillen van niet-zelfverdichtendbeton als verdichtingmethode komt het meest voor. Tijdens het trillen, neemt de afschuifsnelheid van de specie toe. Er worden immers krachten uitgeoefend. Bo-vendien neemt als gevolg van het thixotrope karakter van beton (net als bij ketchup) de viscositeit af, zie figuur 6.4.4. Bij het trillen beweegt de specie niet gelijkmatig. Grote korrels worden verder

267

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

Bij a: De specie is gestort; grote korrels zijn naar de zijkant gerold. Bij b: De naald brengt het grove toeslagmateriaal dichter bij elkaar. De mortel (cement, zand,

water) gaat naar het oppervlak van de bekisting, waar ook lucht zich verzamelt in lucht-zakken.

Bij c: De mortel beweegt zich verder naar de bekisting door het grovere materiaal heen. Het totale volume wordt kleiner; we zijn immers aan het verdichten.

Bij d: De mortel vormt een huid op het beton aan de bekisting. Grovere korrels zijn daarbij niet te vinden en de fijnheid van de deeltjes neemt naar de buitenkant toe. Dit is het zoge-naamde wandeffect. Het verklaart waarom beton na ontkisten zoveel cement aan het op-pervlak heeft en grijs is. Het toeslagmateriaal kan men niet zien. Het is ook van belang voor de eigenschappen van beton. Immers, er bevindt zich relatief veel cement en ook veel water aan het oppervlak. Als de trilnaald op en neer gehaald wordt, bewegen de luchtbel-len zich langs de wand naar boven. Vaak zijn ze, wanneer het verdichtingproces wordt af-gebroken, nog aan het oppervlak van beton te zien.

Figuur 6.4.6 Schematische weergave van de verdichting van beton met behulp van een trilnaald. Tegenwoordig is het ook mogelijk om de beton vloeibaar (consistentieklassen F5 en hoger) te maken, zodat hij als water gegoten kan worden. De verdichting kan dan achterwege blijven. Dit vloeibare beton is mogelijk geworden met de komst van de nieuwe generatie superplastificeerders en middelen om ondanks de vloeibaarheid toch ontmenging te voorkomen (thickeners). Men spreekt dan van zelfverdichtend beton. Men onderscheidt de consistentiegebieden SF1, SF2 en SF3 met vloeimaten van resp. 550-650 mm, 660-750 mm en 760-850 mm.

268

De toepassinggebieden zijn resp.: SF1: ongewapend tot licht gewapend beton zonder belangrijke obstakels SF2: wanden en kolommen SF3: complexe vormen, veel wapening, moeilijke toegankelijkheid. 6.4.4 Nabehandelen 6.17)

Een zeer belangrijke stap in het vervaardigingsproces van een betonnen constructie is het nabe-handelen omdat het jonge beton beschermd moet worden tegen beschadiging en uitdroging. Aan-wijzingen worden gegeven in NEN 6722. Beton heeft een ‘twee-componenten’ bindmiddel: cement en water. Als water in contact is met de lucht vindt er verdamping plaats. Voor het beton betekent dat, dat één van de reactiecomponenten verdwijnt. Doordat bij de reactie van cement met water bovendien warmte vrijkomt en het beton dus warmer wordt, kan die verdamping vrij snel gaan. Het is van belang de verdamping tegen te gaan. De reactiecomponent water moet in het beton blijven! Bovendien, wanneer het beton uit-droogt door verdamping, reageert het tegelijkertijd met CO2 (carbonatatie). Als gevolg van dit proces zal bij het opnieuw benatten van het beton blijken dat er slechts in beperkte mate een ver-dere cementreactie met water plaatsvindt. Het effect van het droogproces op de cementreactie is onomkeerbaar! In de Euronorm (voorheen ook de Nederlandse norm 6722, Voorschriften Beton Uitvoering -VBU 1988-), wordt gesteld dat het beton moet worden beschermd tegen uitdrogen totdat het een gemiddelde kubusdruksterkte van 14 N/mm2 bereikt heeft. In de praktijk gaat dit nog wel eens fout. Het blijkt dat er veelal korter wordt nabehandeld. CUR aanbeveling 31 "Nabehandeling en bescherming van beton" geeft als alternatief van de nabehandeling op basis van druksterkte een aantal dagen dat beton moet worden nabehandeld. Dit aantal dagen is afhankelijk van de buiten-omstandigheden (temperatuur, vochtigheid en windsnelheid) en de toepassing van het beton (mili-euklasse). Bij langzaam verhardende betonsamenstellingen, bijvoorbeeld met hoogovencement, is de kwets-baarheid voor een nabehandeling van te korte duur groter dan bij sneller hardende portlandcement. Aangetoond is dat bij slecht nabehandelen van beton er een grote toename kan zijn van de perme-abiliteit ten opzichte van goed nabehandeld beton. Het consequent voldoen aan de eisen, die aan nabehandeling worden gesteld, is daarom van belang. Een dergelijk belang wordt nog groter wan-neer het gaat over landen met een warm klimaat waar verdamping sneller kan gaan; bijvoorbeeld langs de Arabische Golf. Een mogelijkheid om een voldoende goede nabehandeling te verkrijgen, is uiteraard het beton in de bekisting te laten. Andere zijn: het nat houden, bijvoorbeeld door ge-bruik te maken van natte doeken, onder plastic afdekken e.d. Een derde mogelijkheid is al ge-noemd onder de paragraaf over hulpstoffen: het gebruik maken van ‘curing compounds’. De effec-tiviteit van deze curing compounds is niet in alle gevallen van te voren te voorspellen. Er ont-breekt nog aan een adequate beproevingmethode. Een curing compound wordt opgebracht wan-neer het beton uit de kist komt, maar bij horizontale oppervlakken dient dan eerst het bleeding-water te zijn verdwenen. ‘Bleeding’, besproken in paragraaf 6.4.3, wordt meestal als negatief gezien voor beton. Het heeft echter ook een positief effect. Het geeft een beschermende werking tegen snelle uitdroging van het beton. Gebleken is bijvoorbeeld dat bij betonsoorten die niet ontmengen, dat wil zeggen geen 6.17) Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 7.24, blz.338.

269

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


(a) beton continu onder water bewaard;

(b) beton 7 dagen bewaard onder vochtige om standigheden, daarna bij 20 °C en 50 % R. V.;

(c) beton direct na verdichten blootgesteld aan 20 0 C en 50% R.V.

Figuur 6.4.7 Verloop van plastische krimp bij beton, alsmede zwellen en krimpen van beton, bij

bewaren onder water en onder droge omstandigheden.

270

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

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

Figuur 6.5.1 Ontwikkeling "schuifsterkte" bij cementpasta en mortel (S-curve). Belangrijk is, dat de stijfheid zich sneller ontwikkelt dan de sterkte-eigenschappen, zie figuur 6.5.2. Dit heeft tot zeer belangrijk gevolg dat de breukvervorming (bij korteduurbelasting) bij dit 6.19 ) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 441 (§:15.2.11).

271

jonge beton (6-24 uur oud) aanzienlijk lager is dan bijvoorbeeld bij 28 dagen oud beton. Met na-me de breukrek is dan zeer gering, zie figuur 6.5.3. Dit betekent bijvoorbeeld dat in dit stadium extra doorbuigingen van op buiging belaste elementen zorgvuldig moet worden vermeden, en dat in dit stadium het beton zeer gevoelig is voor krimp door uitdroging en spanningen als gevolg van temparatuurgradiënten. Andere belangrijke karakteristieken van jong beton zijn de hoge kruipspanningrelaxtie en de ster-ke vochtgevoeligheid (krimpvervorming, krimpspanning). Figuur 6.5.2 Tijdsafhankelijke ontwikkeling van de elasticiteitmodulus, de treksterkte en de

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

. Figuur 6.5.3 Ontwikkeling breukrek als functie van de tijd voor jong beton (lage breukvorming

jong beton).

272

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

vloer is gestort, na 40 uur verharden.

273

Figuur 6.5.5 Trekspanningontwikkeling ter plekke ‘x’ van figuur 6.5.4 in richting loodrecht op

het papier. (σtr in de figuur is de treksterkte-ontwikkeling, σ in de figuur is de spanning-ontwikkeling in het beton).

274

6.6 Verhard beton 6.6.1 Sterkte 6.20) Algemeen: De Voorschriften Beton zoals die tot voor kort gebruikelijk waren (VBT 1986, NEN 5950 en VBU 1988 NEN 6722) zijn opgegaan in de Europese norm NEN-EN 206. Opdracht: Zoek deze norm op en zoek naar de lijst van sterkteklassen. Deze worden inmiddels uitgedrukt met twee cij-fers, bijvoorbeeld C32/35 waarbij 35 de karakteristieke kubusdruksterkte in N/mm2 betekent. Het eerste getal is de cilinderdruksterkte. Voordat de EN 206 in gebruik kwam, werd de sterkteklasse uitgedrukt met bijvoorbeeld de codering B35 waarbij 35 de karakteristieke kubusdruksterke is, (zie het boek van Hendriks, blz. 442). De karakteristieke sterkte is de waarde waarbij 95% van het geteste beton (dus de proefkubussen) sterker is dan die (karakteristieke) waarde (zie hieronder). De Voorschriften Beton en ook de Europese norm ENV 206) gaan uit van twee kwaliteitsparame-ters: de druksterkte en de duurzaamheid. De parameter "sterkte" wordt uitgedrukt in druksterkte. Aan deze druksterkte worden andere eigenschappen gerelateerd, zoals de elasticiteitmodulus, de kruip en de mate van droogkrimp; dat wil zeggen als de druksterkte vaststaat, dan mag men aan deze eigenschappen een bepaalde waarde toekennen. Op deze laatste eigenschappen komen we in dit hoofdstuk terug. Nu is de druksterkte niet een eenduidig bepaalde fysische materiaalgrootheid, zoals bijvoorbeeld de dichtheid. De druksterkte hangt namelijk af van verschillende factoren, zoals temperatuur, vochtgehalte, snelheid van belasting, afmetingen e.d. Wat we onder druksterkte verstaan en hoe we deze bepalen moet daarom eenduidig vastgelegd zijn, om een bruikbaar kwaliteitscriterium te verkrijgen. In Nederland, evenals in vele andere Europese landen wordt de druksterkte bepaald aan kubussen; betonkubussen van 150 x 150 x 150 mm die 28 dagen oud zijn en gedurende die periode bij 20°C en een bepaalde vochtigheid van de omgeving zijn bewaard. Andere invloedsfac-toren, zoals de snelheid van betasten in de drukpers, de mate van vlakheid van de drukplaten in de pers e.d. zijn eveneens voorgeschreven. Sterkteklassen voor beton: In de NEN-EN 206-1 worden de druksterkteklassen onderkend voor normaal en zwaarbeton. Ta-bel 6.6.1 geeft een (niet volledig) overzicht. In de tweede kolom van de tabel is de codering voor de sterktekalsse gegeven. De letter C slaat op "concrete" en het eerste getal is de karakteristieke cilinderdruksterkte. Het tweede getal (na het schuine streepje) is de karakteristieke kubusdruk-sterkte. Onder de karakteristieke waarde wordt verstaan, die waarde, die met een waarschijnlijkheid van 5% wordt onderschreden. Niet de gemiddelde waarde is dus maatgevend, maar de kans dat een waarde lager is dan de "karakteristieke sterkte". Deze kans mag niet hoger zijn dan 5%. De bere-kening van de kans is afgeleid uit de statistiek. Voor de druksterkte is er sprake van een zoge-naamde normale verdeling van een groot aantal resultaten welke met de waarschijnlijkheids-kromme van Gausz kan worden beschreven. Figuur 6.6.1 toont zo’n kromme. De letter C in de figuur geeft de plek aan van de karakteristieke sterkte.

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

275

n

ii=1

xx =

n

∑

Tabel 6.6.1 Sterkteklassen en materiaaleigenschappen voor normaal en zwaar beton.

Volgens Sterkteklasse Karakteristieke kubusdruksterkte

(MPa)

Rekenwaarde voor de druk-

sterkte van beton (MPa)

Gemiddelde treksterkte van beton

(MPa)

Rekenwaarde voor de trek-sterkte (MPa)

E-modulus (MPa)

NEN 6720, NEN-EN

206-1

C12/15 C20/25 C28/35 C35/45 C45/55 C53/65

15 25 35 45 55 65

9 15 21 27 33 39

1,8 2,3 2,8 3,3 3,8 4,3

0,90 1,15 1,40 1,65 1,90 2,15

26000 28500 31000 33500 36000 38500

CUR Aan-beveling 97

C60/75 C70/85 C80/95 C90/105

75 85 95

105

45 50 55 60

4,5 4,7 4,9 5,1

2,25 2,35 2,45 2,55

38900 39300 39700 40100

Voor lichtbeton gebruikt men de codering LC eveneens gevolgd door twee getallen (LC van "lightweight concrete") waarbij het laatste getal de karakteristieke kubusdruksterkte weergeeft. Voorbeelden zijn: LC12/13; LC320/22;……; LC80/88. De gemiddelde waarde (is tevens de meest voorkomende van alle n waarden): (6.6.1) Deze curve bezit 2 buigpunten. Binnen deze buigpunten valt 68% van alle waarnemingen, dus tussen (gemiddelde + s) en (gemiddelde - s). 90% van alle waarnemingen valt tussen ( gemiddelde + 1 ,64 s) en (gemiddelde - 1 ,64 s); 5% is dus lager dan (gemiddelde - 1 ,64 s) en 5% hoger dan (gemiddelde + 1 ,64 s). Figuur 6.6.1 Gausz-kromme. De waarde van s wordt bepaald door:

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

y

xC

276

( )n 22

i2i 1

x - xst an daardafwijking s = (N/mm )

n - 1=∑

2kx = x - 1,64.s (N/mm )

kx = x - z.s

2kx x + k.s (N/mm )≥

(6.6.2) De karakteristieke waarde voor een normale verdeling volgt uit: (6.6.3) Nu gaat de formule voor de standaard afwijking s alleen goed op als het aantal resultaten waarover men beschikt zeer groot is. Alleen dan is s met grote zekerheid bekend. In de praktijk beschikt men alleen over een betrekkelijk klein aantal proefkuben en is de feitelijke s dus niet bekend. Men moet dan schrijven: (6.6.4) waarin z afhangt van het aantal proefstukken. Zo vindt men bijvoorbeeld voor z bij: 3 proefstukken : 2,9 6 proefstukken : 2,0 12 proefstukken : 1,8 25 proefstukken : 1,7. Bij toepassing van bovenvermelde waarden wordt echter alle risico bij de producent gelegd als men formule 6.6.4 gaat toepassen om het gerede beton goed- dan wel af te keuren. Beton wordt goedgekeurd als: (6.6.5) De gemiddelde sterkte wordt uiteraard bepaald op een aantal proefkubussen, evenals s en xk is de door de constructeur voorgeschreven karakteristieke sterkte. De factor k is afhankelijk van het aantal kubussen dat getest wordt en wordt bepaald door het producentenrisico en een (gering) con-sumentenrisico. De waarde van k voor 12 testkubussen is ongeveer 1,54; dus kleiner dan 1,8. Met producentenrisico wordt bedoeld de kans dat ten onrechte een goede beton wordt afgekeurd. Met consumentenrisico wordt bedoeld de kans dat onrechte slechte beton wordt goedgekeurd. Het spreekt vanzelf dat het consumentenrisico slechts gering mag zijn. Tegenwoordig wordt ook wel met hogere sterkten dan klasse C55 gewerkt, wel tot klasse C100 toe (en inmiddels hoger); dit wordt met name gebruikt voor het construeren van slanke kolommen om gewicht en ruimte te besparen. Ook waar het beton met hoge duurzaamheid betreft wordt vaak met zeer sterk beton gewerkt. Het uitgangspunt is dan hoge duurzaamheid en niet de sterkte. Re-kenregels voor "hoge sterkte beton" (sterkte klasse groter en gelijk aan C65) zijn neergelegd in het CUR-rapport 90-9 "Hoge sterkte beton: technologie, eigenschappen en rekenwaarden", 1991, Gouda (een soort voornorm). CUR staat voor: ‘Civiel Technisch Centrum voor de Uitvoering van Research en Regelgeving’).

277

( ) 2druk karakteristiek

representatieve waarde van de treksterkte =

0,7. 1,05 + 0,05.σ (N/mm )

Hoe sterker beton wordt, hoe brosser het wordt, zoals blijkt uit figuur 6.6.2. Hoge sterkte beton gedraagt zich nagenoeg min of meer elastisch, zonder grote blijvende vervormingen terwijl de breukstuik echter lager is dan die van gewoon beton. Figuur 6.6.2 Relatie tussen spanning en vervorming, voor beton met opklimmende niveaus van

druksterkte. De gestippelde curve is voor een bepaald lichtgewichtbeton. De treksterkte: In het algemeen geldt voor steenachtige materialen dat de treksterkte ruwweg een tiende is van de druksterkte en beton is daarop geen uitzondering. Het is echter lastig om een directe trekproef uit te voeren op beton en vandaar dat men de splijttreksterkte bepaalt (zie §:2.10.9). Volgens NEN 6720 geldt: (6.6.6) Tabel 6.6.1 geeft enige waarden voor de aan te houden treksterkten. De watercementfactor wcf (= w/c in kg/kg): 6.21) Hoe kunnen we nu beton van een bepaalde sterkteklasse maken? Voor Nederlands rivierzand en riviergrind is het voor een bepaald cement nagenoeg uitsluitend de watercementfactor die de sterkte bepaalt. Figuur 6.6.3 geeft het verloop van de sterkte als functie van de watercementfactor weer voor drie verschillende cementklasse bij één cementsoort. Uit de figuur blijkt dat ook de cementklasse een invloed heeft op de sterkte. Zonder de toepassing van superplastificeerders is het niet mogelijk om de curven in de figuur door te trekken naar hogere sterkten bij lagere waterce-mentfactoren. De reden is dat dan de verwerkbaar zodanig verslechtert dat een goede beton niet meer te maken en te verdichten is. Het is dank zij de ontwikkeling van nieuwe generaties super-plastificeerders dat we beton kunnen maken met zeer lage watercementfactoren (< 0,40). Figuur 6.6.4 geeft een vergelijking tussen twee verschillende cementsoorten.

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

278

25

30

35

40

45

50

55

60

65

0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65

wcf

kubusdruk-sterkte (MPa)

CEM I 32,5 R

CEM III/B 42,5 N LH HS

De beide figuren gelden voor normaal verdicht beton met een luchtgehalte kleiner dan 2%. Een vuistregel is dat men voor elke % lucht boven de 2% een sterktereductie mag verwachten die ge-lijk is aan het toevoegen van 10 liter water per 1 m3 beton. Zie ook figuur 6.6.5. Figuur 6.6.3 Druksterkte van beton na 28 dagen als functie van de watercementfactor. Figuur 6.6.4 Relatie watercementfactor en 28 daagse sterkte voor twee cementsoorten.

Kubusdruk- sterkte

279

nksterkte =

wcf

( )( )druk n

k- pdruk 0

Volgens Feret:kσ =

volume water + volume lucht /(volume cement

Volgens Powers:

σ = σ .e (met p = porositeit)

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

Figuur 6.6.5 Verlies in sterkte als functie van het luchtgehalte in beton. De lijnen in de figuren 6.6.3 en 6.6.4 voldoen in het gegeven traject aan de formule (regel van Abrams): (6.6.7) De constante k hangt af van de cementsoort en de constante n is ongeveer gelijk aan 2 en wcf = w/c in kg/kg. Feret heeft de invloed van lucht hieraan toegevoegd. Wanneer ook lucht aanwezig is, blijkt de sterkte, nog beter dan met de water/cementfactor, voorspelbaar te zijn met de (water + lucht)/cement volumeverhouding (liter/liter, formule 6.6.8). Powers geeft het verband tussen de porositeit en de sterkte (formule 6.6.9). (6.6.8) (6.6.9) Voor gangbare betonsamenstellingen kan men de gemiddelde betonsterkte redelijk voorspellen met de formule:

280

2n dagen n

bx = a.N + - c (N/mm )wcf

(6.6.10) waarbij n het aantal dagen verharding is en Nn de normsterkte van het gebruikte cement na n da-gen. Tabel 6.6.2 geeft een overzicht van de waarden a, b en c voor cementen van ENCI. Tabel 6.6.2 De parameters a, b en c in formule 6.6.10 in cement van ENCI.

Cement a b c

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

0.85 0.80 0.75

33 25 18

62 45 30

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


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

281

2σE = (N/mm )ε

Niet alleen voor het eerste is het vervorminggedrag van belang, maar ook voor het tweede. Im-mers zodra de vervormingcapaciteit is bereikt, zal het materiaal bezwijken. De materiaalgrootheid die de optredende vervorming bij een gegeven belasting in hoge mate be-paalt, is de elasticiteitmodulus (E). In het lineair elastische gebied geldt: (6.6.11) waarin:

E = de elasticiteitmodulus in N/mm2; σ = de spanning in N/mm2;

ε = de opgetreden relatieve vervorming0

ΔLε = L

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

.

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

Figuur 6.6.6 Het σ-ε diagram van beton met een opgaande belastingtak en een neergaande be-

lastingtak. Aangegeven is een drietal wijzen om de E-modulus te bepalen. De E-modulus van een composietmateriaal is afhankelijk van de E-moduli van de bestanddelen, alsmede de volume-aandelen hiervan. Voor het bestanddeel cementsteen blijkt de elasticiteit-modulus afhankelijk te zijn van de porositeit. Het volgende verband blijkt op te gaan:

282

Ec = Ec, 0 x (1-p)n (6.6.12) waarin n een door experimenten te bepalen factor en:

Ec = de elasticiteitmodulus van cementsteen; Ec, 0 = de elasticiteitmodulus van cementsteen bij porositeit 0; pc = de porositeit van de cementsteen.

Figuur 6.6.7 geeft enige meetresultaten weer. Voor zowel riviergrind als rivierzand is de E-modulus hoger dan die van cementsteen. Voor lichte toeslagmaterialen blijkt echter soms het om-gekeerde het geval te zijn.

E-modulus x 103 [N/mm2]

Verhard: 24 maanden oud

Δ 7 maanden oud 6 maanden oud

1-p

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

283

Krachtenover- dracht Spanninglijnen Breukpatroon a) beton met riviergrind en -zand b) lichtbeton met lichtgewicht toeslagmateriaal Figuur 6.6.8 Gedrag van beton met rivierzand en -grind bij drukbelasting (a) en met lichtge-

wichttoeslagmateriaal (b).

284

Aandeel toeslagmateriaal (%; voor de vierkanten), resp. percentage lucht (voor de driehoeken) Figuur 6.6.9 Counto’s model van de elasticiteitmodulus (de stijgende lijn met de vierkantjes).

Als er meer lucht in het beton zit, neemt de E-modulus af (de dalende lijn met de driehoekjes).

6.6.3 Droogkrimp en vochtzwelling 6.23)

Onder droogkrimp (of zwelling) van een betonelement zullen we verstaan de krimp (zwelling) van verhard beton, door uitwisseling van water met de omgeving. De droogkrimp is het gevolg van het verdwijnen van water uit poriën (zowel capillaire als gelpo-riën), alsmede van aan de wanden in de poriën geadsorbeerde watermoleculen. Zoals bekend uit §:2.9, verlaagt water de oppervlaktespanning van cementsteen. Wanneer water uit de cement-steenporiën verdampt, zullen die wanden elkaar aantrekken teneinde de vergrote oppervlaktespan-ning als gevolg van de verdamping weer te verminderen; het gevolg is krimp. Naarmate het water zich verder terug trekt, worden de krachten, die daarbij op de wanden worden uitgeoefend steeds groter. Figuur 6.6.10 geeft de krimp schematisch weer als functie van het vochtverlies.


285

Figuur 6.6.10 Krimp als functie van het vochtverlies. Het in de figuur aangegeven gebied van 100% tot 50% relatieve vochtigheid is voor de bouwprak-tijk het meest belangrijk. In dit gebied spelen vooral de capillaire poriën een belangrijke rol. De grootte van de krimp blijkt voor een bepaalde betonsamenstelling vooral bepaald te worden door de hoeveelheid water, die in het beton is gebruikt. Er blijkt een lineaire relatie te bestaan tussen de hoeveelheid water en de krimp, zoals weergegeven in figuur 6.6.11. Figuur 6.6.12 illustreert dit nog eens. Hier is de krimp (de verticale as) weergegeven als functie van het cementgehalte (de x-as), het watergehalte (de gestippelde lijnen geven betonmengsels weer met gelijk watergehalte) en/of de watercementfactor wcf (de getrokken lijnen; bedenk dat wcf = w/c). De getrokken lijnen zijn dus betonmengsels met constante wcf. Figuur 6.6.11 Afhankelijkheid van de droogkrimp van mortels van de waterhoeveelheid

(uitgedrukt in massaprocenten) waarmee de mortels zijn aangemaakt.

286

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

287

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

288

Droogkrimp leidt dus tot vervorming, en als deze vervorming verhinderd wordt, tot spanningen. Dit kan eventueel tot ongewenste en ongecontroleerde scheurvorming. Het is niet voor niets dat we bij bijvoorbeeld betonvloeren aan de bovenkant (dus de drukzone) toch betonstaal aanbrengen. We noemen dat de krimpwapening. Figuur 6.6.15 De krimp van beton als functie van de tijd bij verschillende relatieve vochtigheden. 6.6.4 Kruip 6.24)

Kruip is de tijd-afhankelijke vervorming, die het gevolg is van een in de tijd voortdurende, con-stante, mechanische belasting, zie §:2.10. Kruipvervorming is op te vatten als een soort van vis-ceuze vervorming en is opgebouwd uit: - Herstelbare kruip, dit is de tijdafhankelijke vervorming die na het wegnemen van de belasting

weer geleidelijk verdwijnt. Het wordt voornamelijk veroorzaakt door verplaatsing van water in de fijnere poriën (gel + deel capillaire poriën). Deze waterverplaatsing is verwant aan het droogkrimpproces.

- Niet herstelbare (permanente) kruip; dit is de vervorming die resteert na het wegnemen van de belasting en na het verdwijnen van de herstelbare kruip. Figuur 6.6.16 illustreert dit. Vele ver-vormingen wordt veroorzaakt doordat plaatselijk bindingen tussen deeltjes worden verbroken.

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

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

R.V. = 100% R.V.

289

de belasting scheurvorming aan het buitenoppervlak van beton als gevolg van droogkrimp achter-wege zal blijven. Figuur 6.6.16 Kruipvervorming in relatie tot andere vervormingen. “Herstel “ na ontlasten. Als gevolg van de aangelegde kruip(druk)spanning komt het beton als het ware onder voorspan-ning te staan, zodat de optredende trekspanningen, tengevolge van droogkrimp gecompenseerd worden. Door het achterwege blijven van scheurvorming worden spanningen niet afgebouwd, waar dat bij scheurvorming wel het geval is. Dit verklaart dat de vervorming in combinatie van kruip en droogkrimp groter is, dan wanneer deze grootheden afzonderlijk worden gemeten. Kruip kan worden beschreven met het Burgers-model (blz. 74, 76), zie figuur 2.10.17. Figuur 6.6.17 Schematische voorstelling van afzonderlijke kruip, krimp en van gelijktijdige kruip

en krimp. Het gearceerde gebied geeft de krimp/kruip aan.

290

Bij kruip onderkennen we de specifieke kruip (c); dit is de kruip per eenheid van spanning. Verder kennen we de kruipcoëfficiënt, φ; dit is de verhouding tussen de kruipvervorming en de momenta-ne vervorming (de momentane vervorming is de elastische vervorming die onmiddellijk optreedt na belasten). Voor de rekenwaarde van de sterkte wordt voor deze kruipcoëfficiënt van beton circa 1 aangehouden. Bij andere materialen zoals hout en kunststoffen kan deze belangrijk hoger zijn. De mate waarin beton kruipt, wordt in belangrijke mate bepaald door het volume-aandeel aan toe-slagmateriaal. De meeste toeslagmaterialen kruipen belangrijk minder dan cementsteen, enerzijds door het ontbreken van de vochtafhankelijke component en anderzijds door de hogere elasticiteit-modulus. De kruip van cementsteen hangt met name af van de watercementfactor. Van groot belang is tevens de tegenhanger van kruip: spanningrelaxatie. De spanning bij een be-paalde vervorming neemt af in het verloop van de tijd (zie §:2.10). In de praktijk betekent dit, dat bij een opgelegde vervorming de spanning afneemt. Bij langzaam toenemende vervormingen, zo-als bij droogkrimp, kan de spanningopbouw veel lager blijken dan met de wet van Hooke wordt berekend. 6.6.5 Spanningen door temperatuurverschillen Beton zal de temperatuurveranderingen van de omgeving volgen. Daarbij treedt wel een fasever-schil op als gevolg van de warmtecapaciteit en warmtegeleiding (temperatuurverlenging); zie §:2.11. Voor riviergrindbeton is de lineaire uitzettingcoëfficiënt ongeveer gelijk aan die van staal en bedraagt 12.10-6 K-1 (enigszins afhankelijk van het vochtgehalte van beton). Dit is een belang-rijk aspect bij gewapend beton; tussen staal en beton ontstaan geen interne spanningen bij tempe-ratuurveranderingen. Bij gebruik van andere toeslagmaterialen dan riviergrind en -zand, verandert de uitzettingcoëffici-ent. Bekend is bijvoorbeeld dat sommige toeslagmaterialen relatief lage uitzettingcoëfficiënten hebben, zoals sommige kalksteensoorten. Deze leiden er dan toe dat de uitzettingcoëfficiënt van het beton daalt. Het belangrijkste effect voor de praktijk is echter, dat als gevolg van de uitzetting en de aanwezigheid van temperatuurgradiënten over betonconstructies, spanningen in het beton worden geïntroduceerd, die in sommige gevallen tot scheurvorming (bezwijken) kunnen leiden. In §:6.5 zijn reeds besproken de temperatuurspanningen, die het gevolg zijn van de cementhydrata-tiewarmte-ontwikkeling. Ook opwarming door buitenlucht en zoninstraling, gevolgd door afkoe-ling van verhard beton, kan tot scheurvormingen in de buitenhuid leiden. Dezelfde wetmatighe-den liggen bij verhard beton ten grondslag, zij het dat de betoneigenschappen niet zoals bij jong beton veranderen. Scheurvorming kan verder het gevolg zijn van het kromtrekken van platen, waardoor mechanische belastingen tot grotere spanningen kunnen leiden. Een voorbeeld is het bol staan van betonnen wegdekken. Dit kan ertoe leiden, dat ondersteuning van de betonplaten niet overal meer aanwezig is, zodat bij verkeersbelasting de geïntroduceerde spanningen groter zijn, dan bij het ontwerpen vanuit werd gegaan. Temperatuurspanningen zijn voor beton belangrijker dan vochtspanningen, omdat de temperatuurfluctaties in beton veel sneller verlopen dan vochtver-anderingen. Spanningen als gevolg van verhinderde vochtbewegingen, kunnen daardoor veel meer relaxeren en blijven beperkt. Het vermijden van scheuren als gevolg van temperatuurspanningen is van groot belang voor vloeistofdichte constructies.

291

6.6.6 Gedrag bij brand 6.25) Bij brand ontstaan temperaturen die binnen 1 uur tot 1000°C kunnen oplopen en daarna nog waar-den van 1100°C tot 1200°C kunnen bereiken. Beton verliest bij langdurige verwarming tot 100°C alle water uit de capillairen en uit de poriën in de cementsteen. Als de temperatuur snel stijgt, kan dit water soms niet meer genoeg verdampen en kunnen er door de druk schilvers afspringen. Tot aan 200° verhit, kan beton, als materiaal, gedurende zeer lange tijd zijn sterkte- eigenschappen behouden. Wel kunnen zich bij snel verhitten bij constructies spanningen voordoen als gevolg van temperatuurgradiënten, die tot scheurvorming leiden. Bij afkoelen keert het beton niet tot dezelfde dimensies terug als de oorspronkelijke; dit komt door de opgetreden droogkrimp. Ook temperatu-ren tussen de 200°C en 573°C kan het beton zonder schade doorstaan, tenzij temperatuurspannin-gen tot scheurvorming leiden. Bij 573°C gaat het kwarts in zand en grind in een andere kristalvorm over (de kwarts-sprong van α-kwarts naar β-kwarts). Dit gaat gepaard met een volumeverandering (expansie bij hoge tempera-tuur). De optredende lengteveranderingen zijn weergegeven in figuur 6.6.18. Figuur 6.6.18 Lengteveranderingen bij brand. Lichte toeslagmaterialen voor beton bevatten meestal geen kwarts en hun uitzettingcoëfficiënt is veel lager dan van zand en grind. Het gevolg is, dat de uitzetting en dus ook de spanningen door verschil in temperatuur veel kleiner blijven dan bij grindbeton. Wel zal ‘jong’ licht beton meer water bevatten. Op jonge leeftijd kan licht beton daarom meer "spatten" (schilfers) dan grindbeton.

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

292

6.7 Duurzaamheid 6.26)

6.7.1 Algemeen Bij het ontwerpen van grote civieltechnische werken wordt door de opdrachtgever (vaak de over-heid) in toenemende mate een ontwerp geëist met een zeer lange levensduur, bijvoorbeeld 150 jaar. Dit betekent dat het “doorrekenen” op “duurzaamheid” moet leiden tot een ontwerp dat in-derdaad in de praktijk die levensduur moet vertonen. Men heeft daarvoor de “Duranica”-methodiek ontworpen waarbij met kansrekening, statistiek en kennis van materiaaleigenschappen kan worden voorspeld hoe lang een bepaald ontwerp zonder ernstige materiaaldefecten kan func-tioneren. Kennis van materiaaleigenschappen is hierbij dus onontbeerlijk. De duurzaamheid van beton kan worden bedreigd door invloeden van chemische, fysische of me-chanische aard. De bedreiging kan zowel van binnen als van buiten afkomen. a) Chemisch: Er kunnen reacties plaatsvinden: Van buiten uit: Zuren, water en sommige zouten die met cement kunnen reageren. Zuren kunnen opgelost zijn in water (regenwater is vaak zuur). Het kunnen ook gasvormig zuurvormende oxiden zijn, die met water uit het beton zuren vormen, zoals koolzuur (C02) of zwaveldioxide (S02), en dan met de kalk uit het cement reageren. Grondwater kan zouten bevatten die schadelijk zijn. Van binnen uit: Toeslagmaterialen of verontreinigingen, die met water reageren of met cement, en daarbij expansie veroorzaken. b) Fysisch: Van buiten: Vriezen, brand, zonnestraling, plotseling afkoelen van warm beton in een gevel door regen. Van binnen uit: Temperatuurspanningen, krimpspanningen. Deze zijn in de vorige paragrafen behandeld. c) Mechanisch: Van buiten: Opgelegde belastingen. Van binnen uit: Eigen gewicht. Deze mechanische belastingen zullen we hier buiten beschouwing laten. Het is typisch een taak van de constructeur om problemen door mechanische belastingen te voorkomen.

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

293

d) Corrosie van de wapening: Een bijzonder aspect bij de duurzaamheid van gewapende betonconstructies is de mogelijkheid van corrosie van de wapening: een (elektrochemische) aantasting van staal, die echter tevens tot een fysische aantasting van het beton kan leiden. Van buiten: Chloride indringing, carbonatatie. Van binnen uit: Chloride inmenging. 6.7.2 Chemische aantasting De belangrijkste chemische aantastingmechanismen kunnen worden opgesplitst in aantasting door destructieve expansie en door oplossen. Destructieve expansie: Dit type aantasting valt te onderscheiden in sulfaataantasting en in alkali-toeslagmateriaalreactie. Sulfaataantasting: Sulfaataantasting van beton door indringing van sulfaatzouten van buitenaf komt in Nederland vooral voor bij funderingen in sulfaatrijke gronden, bijvoorbeeld bij de zogenaamde katteklei-gronden. Verder in niet natuurlijke milieus, zoals bij contact met sulfaathoudende voedingoplos-singen in de kassenbouwteelt, en in de kunstmestindustrie met sulfaathoudende grondstoffen en eindproducten. Onder sulfaataantasting wordt verstaan het scheuren van beton ten gevolge van de vorming van expansieve, slecht oplosbare, sulfaathoudende dubbelzouten; de meest belangrijke daarvan is et-tringiet, ook wel de cementbacil genoemd. Sulfaat uit de omgeving kan het beton binnendringen door capillaire opzuiging van sulfaathoudend water, of door diffusie van sulfaat-anionen. Sulfaat-anionen (SO4

2-) komen voor in combinatie met verschillende kationen, zoals natrium (Na+), calci-um (Ca2+), ammonium en magnesium. Bij het binnendringen in beton wordt sulfaat omgezet in gips, door middel van de reactie: Ca2+ + SO4

2- + 2H2O → CaSO4.2H2O (6.7.1) Dit gips reageert vervolgens weer met calciumaluminaatverbindingen tot ettringiet, een voorbeeld van een dergelijke reactie is: 3(CaSO4.2H2O) + 3CaO.Al2O3 + 26H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O (6.7.2) etttringiet Ten gevolge van deze ettringietvorming zet de cementsteen uit. De spanningen welke daarvan het gevolg zijn, kunnen zo groot worden, dat het beton gaat scheuren. Ettringiet is ook in paragraaf 6.3.1 ter sprake gekomen, in verband met de bindtijdregulering. Ettringietvorming vindt dan plaats in de vloeibare fase en is dan niet expansief. Behalve door indringing van sulfaat van buitenaf kan sulfaataantasting ook optreden door inwen-dige aantasting, als portlandcementbeton te snel en tot te hoge temperatuur wordt verwarmd. Ge-bleken is, dat in dat geval het als bindtijdregelaar gebruikte gips (calciumsulfaatdihydraat) niet volledig gebonden wordt en later ettringiet kan vormen.

294

Sulfaatexpansie treedt alleen op in geval van aanwezigheid van sulfaat en bij vochtige omstandig-heden. Sulfaataantasting kan worden tegengegaan door: - Het kiezen van een sulfaatbestand cement. Sulfaatbestand portlandcement bijvoorbeeld; dit is een type portlandcement waarbij het cal ciumaluminaatgehalte laag gehouden is, bijvoorbeeld kleiner dan 5% m/m volgens de Ne derlandse Cementnorm NEN 3550. Ook hoogovencement en portlandvliegascement zijn goed sulfaatbestand. Dit wordt wel toegeschreven aan de bijzonder dichte cement gelstruc tuur, waardoor de sulfaatbinnendringing zeer traag verloopt. - Het maken van een zo weinig permeabel mogelijk beton, dat wil zeggen het toepassen van een zo laag mogelijke watercementfactor. Alkali-toeslagmateriaalreactie: Een aantal gesteenten, dat in sommige landen is toegepast als toeslagmateriaal voor beton, blijkt een expansieve reactie te kunnen veroorzaken. De reactie die ten grondslag ligt, aan deze schade wordt wel de alkali-toeslagmateriaalreactie genoemd. Alkaliën uit het cement (natrium en kalium) blijken met reactief kiezelzuur of silicaten in het toeslagmateriaal te reageren. Doordat het ontstane reactieproduct water aantrekt, ontstaan inwendige spanningen, waardoor expansie optreedt en scheurvorming het gevolg kan zijn. De expansie zal mede afhangen van de snelheid waarmee water van buiten naar binnen kan worden doorgevoerd via de cementsteen. Riviergrind en -zand uit de Maas kan soms alkali-reactief zijn. Dit heeft soms problemen gegeven. Bekend is schade aan viaducten door toeslagkorrels, die alkali-reactief reageren. Deze schade is pas na vele jaren (20 jaar of meer) zichtbaar. Aangezien echter in Nederland in toenemende mate gesteenten uit andere landen moeten worden ingevoerd, moet met deze reactie meer dan in het verleden rekening worden gehouden. Alkali-toeslagmateriaalreactie kan worden tegengegaan door: - Het gebruik van een laag alkalische portlandcement. - Toepassing van hoogovencement of portlandvliegascement. Het effect hiervan wordt toegeschreven aan de lagere alkaliteit en aan de weinig permeabele cementstructuur, dat wil zeg gen langzaam transport van stoffen. Oplossen: Onder oplossen zullen wij hier verstaan, alle reacties waarbij de oorspronkelijke calciumsilicaat-hydraatstructuur wordt afgebroken en minder goed cementerende verbindingen worden gevormd. Voorbeelden van agressieve stoffen in dit verband zijn magnesium-, maar ook ammoniumzouten. Magnesiumzouten reageren met calciumsilicaathydraat en vormen daarbij magnesiumhydroxide en kiezelzuur, waarbij de cementerende werking verloren gaat. Zie bijvoorbeeld de reactie hieronder: MgCl2 + CSH → CaCl2 + SiO2 + Mg(OH)2 (6.7.3) goed bruciet, slecht oplosbaar oplosbaar Gelukkig precipiteert het Mg(OH)2 in de poriën, waardoor deze verstoppen en de aantasting be-moeilijkt wordt. Een gecombineerd voorkomen van sulfaten en magnesium kan zowel aantasting door vorming van sulfaatzouten, als door oplossen geven. Bijzonder agressief in dit verband is ook ammoniumsul-faat, waarbij ten gevolge van het verdwijnen van het ammonia (als ammoniakgas) geen precipita-

295

tie kan plaatsvinden. De verdere aantasting kan dan ongestoord verder verlopen, waarbij het sul-faat weer tot ettringietvorming aanleiding kan geven. Een ander vorm van oplossen is de aantasting door agressief koolzuurhoudend water. Water bevat altijd wel een zekere hoeveelheid opgelost koolzuur (CO2). Naast elkaar kunnen opgelost kool-zuur (CO2), bicarbonaat (HCO3

-) en carbonaat-ionen (CO32-) voorkomen. Bij contact van dit water

met cementsteen stelt zich een evenwicht in tussen dit water en de cementsteen. Indien hierbij de vrije kalk en CSH-gel opgelost worden is er sprake van agressief koolzuur. Een dergelijke aantasting komt nogal eens voor bij zoetwaterbekkens, tanks e.d. Bij een goede kwaliteit beton (wcf < 0,45) vervaardigd van hoogovencement, blijft de aantasting, zelfs bij zeer agressief water, meestal beperkt tot het oplossen van enkele mm’s betonhuid over een periode van tientallen jaren; zie figuur 6.7.1. Ook door zeer zuiver water kan beton aangetast worden door oplossen; bijvoorbeeld bij condens-water en bij kalkarm bergwater. Alleen in combinatie met erosie (stenen, e.d.) kan dit type aantas-ting ernstig worden. Figuur 6.7.1 Aantasting door agressief koolzuur in water (CO2).

296

6.6.3 Vorst/dooi (zout) aantasting 6.27)

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

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

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

297

Gelukkig zijn in de praktijk dergelijke poriën, die het eerste bevriezen en onderkoeld zijn, de gro-tere poriën. Deze zijn meestal niet (geheel) gevuld met water (zie figuur 6.7.3). Als ze wel vol zijn, leidt niet alleen de expansie bij de ijsvorming tot schade, maar ook water wat wordt weggedrukt naar kleinere poriën. Dit in kleinere poriën weggedrukte water roept daar een drukkracht op. Deze hydraulische druk kan zo groot worden, dat het beton een blijvende expansie ondergaat, waarbij scheurvorming optreedt. Figuur 6.7.3 Schematische voorstellig poriënsysteem beton met luchtbel. Een verdere oorzaak voor de uitzetting bij bevriezing is die van de waterdampbeweging. Zoals in figuur 6.7.4 is geïllustreerd, zal het water in de grote poriën als eerste bevriezen. Aangezien ijs een lagere dampspanning heeft dan water, zal er een diffusie gaan plaatsvinden van waterdamp naar het ijs toe. Dat betekent dat de ijskristallen in de luchtbellen en grote poriën zullen groeien, en de hoeveelheid water in de kleine fijnere poriën in omvang zal verminderen, zie figuur 6.7.5. Dit verschijnsel verklaart mede waarom luchtbellen in beton positief werken op de vorstdooibe-standheid. Overigens werken luchtbellen ook gunstig doordat ze een uitweg bieden voor water dat weggedrukt wordt bij het bevriezen (hydraulische druk). Verder maakt het verschijnsel duidelijk, dat in geval van snelle afkoeling, het water in de fijnere poriën geen tijd krijgt om naar de grotere poriën te diffunderen. Als gevolg daarvan zal er bij de ijsuitzetting in de poriën veel eerder van ijsdruk sprake zijn dan bij langzame afkoeling het geval is. Een ander verschijnsel dat bijdraagt tot de vorming van ijsdruk is weergegeven in figuur 6.7.6. Het betreft de thermische uitzetting in een periode dat de omgeving weer warmer wordt. Nadat zich een ijskristal gevormd heeft, zal dit ten gevolge van de diffusie van waterdamp uit de omge-vende poriën aangroeien, en uiteindelijk de gehele porie kunnen opvullen. Wanneer nu het ijs c.q. het beton in temperatuur stijgt, zal dit ijs gaan uitzetten. De uitzettingcoëfficiënt van ijs is onge-veer vijf maal zo groot als die van cementsteen en van water! Dit betekent dat er op de poriënwand spanningen zullen ontstaan. Berekend kan worden dat deze trekspanning ongeveer 0,36 x AT (N/mm2) zal zijn. Bij een temperatuurverschil van 15°C bete-kent dit dat de trekspanning van cementsteen overschreden zou kunnen worden.

298

Figuur 6.7.4 Bevriezen water in grote poriën. Figuur 6.7.5 Aangroeien ijs in luchtbel en leger worden kleine poriën.

299

Figuur 6.7.6 Uitzetting van ijs bij warmer worden. Vorst-dooizout aantasting: In de Nederlandse praktijk komt vorst-dooischade weinig voor; wel komt regelmatig vorst-dooizoutschade voor. Schade dus als gevolg van het gelijktijdig inwerken van dooizout en vorst-dooibelasting. Er zijn verschillende oorzaken waardoor de combinatie dooizout en vorst-dooibelasting zwaarder is dan in geval alleen van de laatste sprake is, te weten: - De verschillen in dampdruk tussen ijs en water worden kleiner bij aanwezigheid van dooi-

zouten, dat wil zeggen het diffunderen van waterdamp van kleine naar grote poriën wordt minder; de "expansie vaatjes" functioneren niet zo goed meer!

- Bij contact met dooizouten is er veelal sprake van een hoger watergehalte, omdat de zouten de neiging hebben om het water in de poriën vast te houden (hygroscopiciteit). Dit alles be-gunstigt het ontstaan van ijsdruk in geval van gebruik van dooizouten.

- Dooizouten worden toegepast op horizontale vlakken die in aanraking komen met regen en sneeuw en waarop plassen water kunnen blijven staan. De kans, dat de oppervlaktelaag van een horizontaal vlak de kritische waterverzadiginggraad bereikt, is groter dan die van hel-lende of verticale vlakken.

- Dooizouten werken vriespuntverlagend. Deze vriespuntverlaging neemt met de concentratie toe. Aan het betonoppervlak zal de concentratie en dus de vriespuntdaling het hoogst zijn. Naar binnen toe neemt de concentratie en de vriespuntdaling af (zie figuur 6.7.7). Door de aanwezige temperatuurgradiënt kan dit tot gevolg hebben, dat het inwendige en de opper-vlaktelaag eerder kunnen bevriezen dan de tussenliggende laag. Bij verder afkoelen van het beton bevriest de tussenliggende laag. De reeds bevroren toplaag zal dan worden afgedrukt ("scaling" of "afschilfering") omdat het onder druk staande water niet naar de in het inwen-dige aanwezige, (nog) niet met water gevulde ruimten kan worden afgevoerd.

Hoogovencementbeton is in het algemeen minder goed vorst-dooizoutbestand dan portlandce-ment. De vorst-dooi(zout)bestandheid van beton kan worden verbeterd door luchtbelletjes in het

300

beton te brengen met behulp van een luchtbelvormer. De afstandsfactor dient bij portlandcement-beton maximaal 0,2 mm te bedragen; dat wil zeggen dat de maximale afstand van een willekeurig punt in het beton tot een luchtbol kleiner moet zijn dan 0,2 mm; zie paragraaf 6.2.3 "hulpstoffen". In de Nederlandse voorschriften Betontechnologie NEN 5950 wordt als alternatief voor het in-brengen van luchtbelletjes genoemd een beton met een watercementfactor kleiner of gelijk aan 0,45 (in de Europese norm komt dit alternatief niet ter sprake). Figuur 6.7.7 Schematische voorstelling proces van afschilferen oppervlaktelaag beton bij ge-

lijktijdig vriezen en aanwezigheid van chloride-ionen door indringen dooizout. 6.7.4 Corrosie van de wapening Corrosie van de wapening is mondiaal beschouwd verreweg de belangrijkste schadeoorzaak bij gewapende betonconstructies. De mechanismen van corrosie zijn in hoofdstuk 3 besproken. Daar is ook het verschijnsel passivering beschouwd. De bescherming van staal door beton is één van de factoren die heeft bijgedragen aan het succes van gewapend beton als constructiemateriaal. Corro-sie van wapening in beton treedt op als het alkalische milieu verdwijnt door carbonatatie of indien plaatselijk de passiveringlaag wordt doorbroken door chloride-ionen. Carbonatatie: Dit is het proces waarbij koolzuur uit de lucht reageert met alkalische en aardalkalische bestand-delen in cementsteen. Bij deze reactie vindt geen degradatie van het beton plaats. In tegendeel portlandcementbeton wordt er zelfs sterker en minder permeabel van. Wel vindt een reductie van de pH plaats. Een en ander is geïllustreerd in figuur 6.7.8 . Als dit carbonatatiefront de wapening bereikt heeft, kan corrosie plaatsvinden, omdat de passivering beneden een pH van 10 niet meer bestaat. Het betreft dan corrosie die gelijkmatig over het oppervlak optreedt.

301

Figuur 6.7.8 Daling alkaliteit (pH) als gevolg van carbonatatie. Over de snelheid waarmee de indringing van het carbonatatiefront plaatsvindt, bestaat nogal on-duidelijkheid. Vroeger werd wel aangenomen dat dit verliep volgens de wet: x = A√t (6.7.4) waarin x de indringdiepte is van het carbonatatiefront (mm), A een constante (mm/jaar) en t de tijd (jaren). Deze wet valt af te leiden uit de tweede diffusiewet van Fick. Het verband gaat vrij goed op bij opslag in een ruimte met constante vochtigheid en temperatuur; onder atmosferische omstandigheden echter blijkt de snelheid van carbonatatie at te nemen naar-mate het carbonatatiefront verder binnendringt. Dit heeft te maken met het gegeven dat wisselin-gen in het vochtgehalte optreden. De snelheid van carbonatatie hangt onder andere af van: - De watercementfactor hoe lager deze is hoe lager de carbonatatiesnelheid. - De cementsoort cementen met een lage aanvangssterkte carbonateren in het algemeen snel-

ler dan die met een hoge aanvangssterkte. De sterkte op het moment van blootstellen aan de buitenlucht is bepalend voor de snelheid van carbonatatie. Ook het kalkgehalte van het ce-ment heeft invloed. Bij hoogovencement is deze in het algemeen wat lager, wat de carbona-tatiesnelheid verhoogt.

- De nabehandeling een slechte nabehandeling betekent een hogere carbonatatiesnelheid, dit betreft dus met name juist de dekking van het wapeningstaal.

Eén en ander betekent in de praktijk, dat voor een goed beton met een watercementfactor kleiner dan 0,55 en een goede nabehandeling en dekking welke voldoet aan de Nederlandse Beton Voor-schriften, er geen enkel gevaar voor carbonatatie gedurende een zeer lange levensduur van het beton behoeft te zijn. Eén en ander is geïllustreerd in figuur 6.7.9 van het x = A√t verband; dat wil zeggen dat de prak-tijk gunstiger zal zijn.

302

2

2δc δ c = D. (voor het één-dimensionale geval)δt δx

Figuur 6.7.9 Indringdiepte carbonatatiefront a/s functie van de tijd volgens x = A√t verband en

in werkelijkheid buiten (beschut). Chloride-ionen: Zoals we in het vorige hoofdstuk gezien hebben, kunnen chloride-ionen ook bij handhaving van het hoog alkalische milieu van beton corrosie geven. De passiveringlaag wordt slechts locaal ver-broken. De corrosie is dan ook plaatselijk van aard: putcorrosie, zie hoofdstuk 3. De chloride-ionen kunnen afkomstig zijn van buiten, bijvoorbeeld door indringing vanuit de zee of bij kunstwerken in wegen van dooizouten. Maar ze kunnen ook direct aanwezig zijn, bijvoor-beeld bij gebruik van chloride als versneller. De indringing van chloride-ionen valt globaal te berekenen met de tweede wet van Fick: (6.7.5) c = concentratie, t = tijd, D = diffusiecoëfficiënt. De diffusiecoëfficiënt is een materiaalgrootheid. In de getijde- en spatzone bij zowel marine constructies als in kunstwerken in de wegenbouw, is het veel meer de waterabsorptie of capillaire wateropzuiging die chloride-ionen het beton in voert en niet de diffusie van chloride-ionen. Met het water wordt dan ook het zout opgezogen, zie figuur 6.7.10. De snelheid waarmee de chloride-ionen beton indringen wordt bepaald door: - De cementsoort: bijvoorbeeld bij hoogovencement gaat dit zeer langzaam. Dit heeft vooral

te maken met de zeer fijne poriënstructuur van hoogovencement waardoor de ionen zich slechts langzaam kunnen voortbewegen.

- De nabehandeling: afhankelijk van de kwaliteit van nabehandelen zijn een aantal millime-ters tot centimeters van de dekking zeer permeabel voor chloride.

- De temperatuur: hoe hoger hoe sneller de indringing.

303

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

de tijd voor (A) matig beton en (A') voor zeer goed beton.

afdrukken van het beton boven de wapening

304

Bij voldoende dekking, dat wil zeggen beantwoordend aan de Nederlands/Europese betonvoor-schriften, is in geval van carbonatatie de corrosie ook na initiëring gering, omdat de vochtfluctua-ties aan de wapening in dat geval klein zijn, zie figuur 4.7.13. Goed beton zal dan, zoals in figuur 6.7.11 aangegeven, niet de initiëringfase bereiken, en zelfs als dat geschiedt zal in geval van car-bonatatie de corrosiesnelheid bij voldoende dekking verwaarloosbaar zijn. Figuur 6.7.12 Volume van ijzer en daaruit gevormde corrosieproducten. Figuur 6.7.13 De variatie van het vochtgehalte in de dekkinglaag buiten onbeschut. De minimale betondekking is in de betreffende normen voorgeschreven: NEN-EN 206-1, NEN 8005 en NEN 6720. Voor de meest gunstige omgevingfactoren (milieuklasse XC1 gaat het om 20 mm, oplopend tot >45 mm voor de milieuklassen XF2, XF4 en XA) voor oncontroleerbare opper-vlakken.

305

6.8 Nieuwe ontwikkelingen en hergebruik/recycling 6.28)

De laatste jaren hebben er grote ontwikkelingen plaats gevonden ten aanzien van hulpstoffen en betonsoorten. De nieuwe generaties superplastificeerders maakt hoge sterkte beton en zelfverdich-tend beton mogelijk. Hoge sterkte beton: Door het toevoegen van microsilica (zeer kleine amorfe SiO2 bolletjes) is men in staat om beton met een in situ sterkte van 200 MPa te maken. Men zorgt bij het mengselontwerp voor: - Reductie van deeltjesgrootte (dus niet meer een grindfractie met en grootste korrel van 31,5

maar van bijvoorbeeld 16 mm of kleiner) - De toevoeging van fijne en zeer fijne poeders ter verhoging van de homogeniteit (zoals mi-

crosilica, vliegas en gemalen kalkmeel) en/of: - Het toepassen van een groter cementen vliegasgehalte dan normaal (zie het item hierbo-

ven) - Reductie van de watercementfactor (al het water moet reageren met cementkorreltjes waar-

door de capillaire porositeit geminimaliseerd wordt) - Eventueel het toevoegen van korte staalvezels om de "taaiheid" van het omhoog te brengen. Lage sterkte mengsels: Men is in staat om stabiele mengsels te maken met slechts 150 kg cement, 1800 kg zand en 75 kg water in combinatie met hulpstoffen. Lage sterkte mortels kunnen toegepast worden in demonta-bele constructies waardoor slechts weinig vermogen is om de voegen tussen de betonelementen open te breken. Zelfverdichtend beton: (Engels: auto-compacting concrete) Bij zelfverdichtend beton boekt men milieu- en tijdwinst omdat het beton niet meer met trilnaal-den e.d. verdicht hoeft te worden. Ook wordt het werk van de bouwvakker erdoor verlicht. Een belangrijk aspect is dat men met zelfverdichtend beton ingewikkelder bekistingen kan toepas-sen en ruimtes met veel wapening zonder grote problemen kan volgieten. Ook bij dit soort meng-sels maakt men bij voorkeur gebruik van een hoger poedergehalte (cement + vliegas, kalksteen-meel e.d.) en van de nieuwste generatie superplastificeerders. Men bereikt de zelfverdichtbaarheid namelijk niet door het alsmaar opvoeren van het watergehalte omdat dan segregatie op gaat tre-den. Vaak past men ook "thickeners" toe om de specie cohesief te houden. Het gaat dan vaak om zeer fijne poeders gebaseerd op bijvoorbeeld zetmeel die men in geringe hoeveelheden toevoegt. Vezelbeton: Men kan aan de betonspecie staalvezels toevoegen die de mechanische eigenschappen van het beton doen verbeteren (minder problemen met krimpscheuren, verhoging "taaiheid" van het beton, schokweerstand, e.d.). Bij staalvezelbeton gaat het om toevoegingen van ongeveer 1,5% maar dit kan sterk verhoogd worden in speciale toepassingen bijvoorbeeld zelfverdichtende hogesterkte

6.28) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 421 t/m 427 (§:15.1) en blz. 464 t/m

467 (§:15.4). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", §:1.5 en §:7.9.

306

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

307

7 METSELWERK 7.1)29 7.1 Stenen en elementen in de bouw 7.1.1 Inleiding Metselwerk (Engels: masonry) wordt veel toegepast in de bouw. Wanneer men de woningbouw in Nederland bekijkt, lijkt het wel of meer dan 90% uit metselwerk vervaardigd is. Dit beeld is ver-tekend, doordat achter de baksteenmetselwerk buitenwanden veel beton schuil gaat. Toch is Ne-derland bij uitstek een land van metselwerk. Niet zo verwonderlijk als je bedenkt dat de grondstof-fen voor metselwerk in Nederland in ruimte mate voorkomen. Alternatieven van eigen bodem, zoals hout, zijn daarentegen schaars. Metselwerk is een constructie uit samengesteld materiaal. Stenen en metselmortel vormen het metselwerk. Ook het hiervoor besproken materiaal beton is samengesteld. Daar zijn het steentjes (zand en grind) en de cementsteen, die samen het materiaal vormen. Bovendien zijn er andere ste-nen, kalkzandsteen en betonstenen, die zelf ook uit een soort beton bestaan. Er zijn dan ook veel overeenkomsten, ook al wordt metselwerk optisch anders ervaren dan beton. We zullen in dit hoofdstuk aandacht besteden aan de verschillende metselstenen, blokken en ele-menten, die in Nederland worden gebruikt, en aan de tweede ingrediënt van metselwerk: met-selmortels en lijmen. Tenslotte zal het samengestelde materiaal van steen en metselmortel - met-selwerk - worden behandeld. 7.1.2 Stenen en elementen a) Baksteen: De baksteen (Engels: ceramic brick) is een keramisch product. De oorspronkelijke kleideeltjes worden in het keramisch proces door sinteren (bakken bij hoge temperatuur) met elkaar verbon-den. De binding tussen de deeltjes bestaat uit atomaire bindingen, die op zich sterk zijn. De sterkte wordt echter bepaald door het aantal punten waar de deeltjes verbonden zijn, en dat aantal is nu juist beperkt. Baksteen is er in vele kleuren, soorten en maten. Dat komt omdat baksteen vervaardigd wordt uit klei, welke gewonnen wordt in de nabijheid van de baksteenfabriek. De soort klei varieert per winning en leidt tot een baksteen, die zich zowel qua eigenschappen als qua kleur en structuur onderscheidt van andere. Door toevoegingen (bijvoorbeeld pigmenten) en door aanpassingen in de (stook)procesvoering kunnen we de eigenschappen bovendien beïnvloeden. Baksteen is de laatste jaren vooral gewild geraakt om zijn esthetische eigenschappen. Pluriformiteit van aanbod is daar-bij belangrijk. Men onderscheidt metselbakstenen en straatstenen, -klinkers. Baksteen wordt vervaardigd in verschillende formaten (afmetingen), zoals weergegeven in tabel 7.1.1. De Waalformaatsteen is echter verreweg de belangrijkste. Het formaat F5 is speciaal ont-worpen voor het zogenaamde "modulair metselwerk" waarbij verticale en horizontale maatspron-gen gerealiseerd kunnen worden bij modulaire bouwsystemen.

7.1)29 Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 425 t/m 446 (§:18).

Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", §:4.1 t/m en §:6.10.

308

Baksteen kan niet in grote formaten, zoals de kalkzandsteenelementen, worden vervaardigd. Bak-stenen onderscheiden zich dan ook door de wijze waarop ze vervaardigd worden. We onderschei-den: de vormbaksteen, de extrusiesteen, de handvormsteen en de stempelperssteen. De verschil-lende productiewijzen leiden ook tot verschillende eigenschappen. Tabel 7.1.1 Genormaliseerde formaten van bakstenen.

Afmetingen (mm) Benaming van het formaat Lengte Breedte Dikte

vechtformaat waalformaat dikformaat F5-formaat straatsteen klinkerkei straatklinker

210 210 210 230

211

195

100 100 100 110

101

85

40 50 65 57

95

48 tot 92

De benamingen en kwaliteitseisen worden beschreven in de (oudere) Nederlandse norm NEN 2489: Metselbakstenen en in de Europese normen NEN-EN 771 en 772. (zie bijvoorbeeld tabel 7.1.2). We onderscheiden stenen voor: - Binnenmuursteen A. Hierbij worden de coderingen A0 t/m A6 gebruikt. Voor type A0 wor-

den geen speciale eisen gesteld. A1 is voor dragend halfsteens metselwerk, A2 t/m A4 geldt voor lichtgewicht stenen met volumieke massa aflopend van 1200 kg/m3 tot 800 kg/m3. A6 is voor schoon metselwerk.

- Buitenmuursteen B1 t/m B5. Voor type B1 worden geen speciale eisen gesteld, bij typen B2 en B3 worden zwaardere eisen gesteld. B4 is voor trasramen en B5 is voor kelders.

- Hogedruksteen C1 t/m C3 voor zwaar belaste binnen- en buitenmuren. C1 is voor stenen met gemiddelde druksterkte van 30 MPa, C2 is voor 45 MPa en C3 is voor 50 MPa.

Van binnenmuur naar zwaar belaste binnen- en buitenmuren nemen ook andere eisen met betrek-king tot andere eigenschappen toe. zo wordt met name de wateropneming lager. Bij poreuze bin-nensteenmuren kan deze oplopen tot 40% (vol/vol) maar voor de zwaarst klasse mag deze niet meer zijn dan 20% (vol/vol). Hierbij gaat het om de totale hoeveelheid water die een staan kan opnemen. Belangrijk voor stenen is het wateropzuigend vermogen. Dit wordt uitgedrukt in het Hallergetal en geeft het water aan dat in zestig seconden wordt opgenomen (per eenheid van op-pervlak) als gevolg van opzuiging. Het gaat hier dan om het vermogen om water uit de metselmor-tel te zuigen. De elasticiteitmodulus van baksteen varieert met de porositeit en kan een interval beslaan van 2 tot 10 GPa. Bakstenen tonen nauwelijks droogkrimp, ze zijn immers na drogen in de oven gebakken. De warmtegeleidingcoëfficiënt is lager naarmate de steen meer poreus is. Bij een lage porositeit vin-den we een hogere volumieke massa en een hogere warmtegeleidingcoëfficiënt. De warmtegelei-dingcoëfficiënt hangt verder sterk af van het vochtgehalte in de praktijk; zie tabel 7.1.3. Bijzondere binnenmuurstenen zijn nog de zogenaamde poreuze isolerende bakstenen. De meest bekende daarvan is de porisosteen, die vervaardigd wordt uit klei, leisteen, zaagsel en poederkool-vliegas. Porisostenen hebben een druksterkte tussen 10 tot 13 MPa bij een volumieke massa van 11 00 tot 1200 kg/m3. De warmtegeleidbaarheid is zoals verwacht mag worden laag ten opzichte van gewone baksteen en varieert voor de droge steen van 0,80 tot 1,10 Wm-2K-1.

309

Tabel 7.1.2 Kwaliteitseisen voor metselbaksteen naar toepassinggebied (NEN 2489).

310

Tabel 7.1.3 Afhankelijkheid warmtegeleidingcoëfficiënt metselbaksteen van vochtgehalte.

Toeslag op warmtegeleidingcoëfficiënt bij 0% vocht bij een vochtgehalte van: Muurgewicht (kg/m3) 1 vol.% 2 vol.% 3 vol.%

1200 1500 1800

22 17 12

42 33 25

60 48 37

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

311

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

Klassen Eigenschap Eenheid G2/400 G4/600 G6/800

volumieke massa minimale druksterkte elasticiteitmodulus

warmtegeleidingcoëfficiënt (A)

kg/m3 MPa MPa

W/(m K)

300-400 2,0

1200 0,08

500-600 4,0

2000 0,14

700-800 6,0

2500 0,19

312

3 2 + warmte CaO + COCaCOkalksteen ongebluste kalk koolstofdioxidegas

→ ↑

2 2CaO + H O Ca(OH + warmte)→

7.2 Metselmortel en lijm 7.2.1 Algemeen De verbinding tussen stenen wordt gemaakt door de metselmortel (Engels: masonry mortar). Bij blokken en elementen wordt lijm (Engels: glue, adhesive) gebruikt. In deze paragraaf komen de bestanddelen van metselmortel, de vervaardiging, de soorten mortel en lijm, en de eigenschappen van de mortel aan de orde. 7.2.2 Bindmiddelen a) Kalk: Tot circa 1900 werd metselwerk vervaardigd met nagenoeg uitsluitend kalk (Engels: lime) als bindmiddel. Kalk is een verzamelnaam voor: uit kalksteen door middel van branden bereid bind-middel. Het branden van de kalk geschiedt in draai- of schachtovens, waarbij calciumcarbonaat wordt omgezet in calciumoxiden.

(7.2.1) Na het branden tot calciumoxiden wordt hieraan water toegevoegd, waardoor de kalk „geblust” wordt. (7.2.2) Indien precies die hoeveelheid water wordt toegevoegd, die nodig is voor de reactie (stoichiome-trische hoeveelheid), ontstaat een droog eindproduct, dat luchtkalk heet. Wordt meer water toege-voegd dan ontstaat deeg, ook wel leskalk of putkalk genoemd. Vroeger werd er veel met kalkdeeg gewerkt, tegenwoordig meer met luchtkalk. Kalk kan worden bereid door branden uit kalksteen (poederkalk) en schelpen (schelpkalk), maar ook wel uit een bijproduct van de carbietbereiding (carbietkalk). Verder kennen we ook nog hy-draulische kalk. Deze laatste is een uit een kalksteen vervaardigde kalk, waarbij naast kalksteen ook kleiachtige bestanddelen aanwezig waren. Deze kalk en de gebrande kleiachtige bestanddelen kunnen samen cementachtige verbindingen vormen. Wanneer luchtkalk als bindmiddel voor metselmortels wordt gebruikt, vindt de binding plaats door reactie van de calciumhydroxide (Ca(OH)2) met koostofdioxidegas (CO2) uit de lucht tot opnieuw calciumcarbonaat (CaCO3). De kringloop is daarmee rond. Om deze reactie tot stand te brengen moet er dus toetreding van lucht mogelijk zijn. Onder water lukt dit dus niet. In het alge-meen is de verharding van kalk een langzaam proces. De kalk vervult naast de functie als bindmiddel ook nog een aantal andere funkties in de mortel. Door de grote fijnheid van de kalkdeeltjes heeft deze het vermogen om vocht aan zich te binden. Luchtkalk heeft een fijnheid van tenminste 90% deeltjes < 0,01 µm en een specifiek oppervlak van ongeveer 1800 m2/kg. Dat is ruim 6 keer meer dan het specifieke oppervlak van portlandce-ment. Een kalk mortel heeft daardoor een hoog waterretentie-vermogen (= het vermogen om water vast te houden). Dit is enerzijds van belang in verband met de opzuiging van water door de stenen, anderzijds ook voor het uitdrogen als gevolg van verdamping. Bij aanwezigheid van kalk gaat dit minder snel, dan in vergelijking met een pure cement metselmortel. Door de hoge fijnheid en door de plaatjesachtige vorm van de kalkdeeltjes hebben de mortels ook een (in het algemeen) smeer-

313

bare, smeuïge consistentie, waardoor ze zich gemakkelijker laten verwerken door de metselaar dan pure cementmortels. Verder leidt de toevoeging van kalk tot een verlaging van de elasticiteit-modulus van de mortels, ten opzichte van pure cement mortels, zodat de spanningen, die als ge-volg van droogkrimp van de mortel op stenen worden uitgeoefend, kleiner zijn dan bij pure ce-mentmortels. Kalk wordt tegenwoordig nauwelijks meer alleen als bindmiddel gebruikt, maar bij-na altijd in combinatie met cement. Toch heeft kalk vele eeuwen lang uitstekend gefunctioneerd; het is vooral verdrongen door ce-menthoudende mortels waarmee sneller gemetseld kon worden, als gevolg van de hogere reactie-snelheid. Een voordeel van de kalkmortels is, dat metselwerk na gebruik weer gemakkelijk te scheiden is in stenen en mortel, waardoor de stenen weer hergebruikt kunnen worden. Dit geschiedde vroeger op ruime schaal, en zou ook in de toekomst weer een rol kunnen gaan spelen met het oog op duur-zaam bouwen. b) Cement: Cement is in deze eeuw populair geworden als bindmiddel in metselmortels, omdat het een veel snellere verharding kent dan kalk, en ook wel omdat het een betere weer- en windbestendigheid heeft dan pure kalkgebonden mortels. De Nederlandse metselmortelnorm NEN 3835 staat het be-sproken bindmiddel cement toe. Meestal wordt portlandcement gebruikt vanwege de lagere ge-voeligheid voor uitdroging ten opzichte van hoogovencement. Mortels bestaande uit alleen ce-ment, zand en water worden niet of nauwelijks toegepast, omdat door de grote krimp gemakkelijk spleten ontstaan langs de steen of ook scheuren in de steen. Op de markt is ook een metselcement beschikbaar. Metselcement is een speciaal bindmiddel op basis van een aantal ingrediënten, waaronder kunnen zijn: portlandcement, kalk, gemalen kalk-steen, vliegas, luchtbelvormers e.d. De door de Nederlandse cementindustrie vervaardigde metsel-cement is een mengsel, dat verkregen is door het samen malen van portlandcement en kalksteen, en toevoeging van een luchtbelvervormer. Het heeft een vrij hoog specifiek oppervlak van 650 m2/kg; dat is ruim twee maal zo hoog als het specifiek oppervlak van portlandcement A. Die fijn-heid wordt bereikt door het malen van de (zachte) mergel (kalksteen). Met de luchtbelvormer, worden in de mortel stabiele luchtbellen ingebracht. Hieronder wordt daarop teruggekomen. De eigenschappen van met metselcement vervaardigd metselwerk liggen in dezelfde grootte-orde als van traditionele metselmortels op basis van cement en kalk, zie §:7.2.5. 7.2.3 Hulpstoffen Bij zeer veel metselmortels worden hulpstoffen gebruikt, met name luchtbelvormers. Door het inbrengen van lucht worden een aantal eigenschappen van de metselmortel verbeterd, en boven-dien is het natuurlijk een erg goedkoop ingrediënt, als je de mortelprijs per volume-eenheid be-schouwt. De luchtbelletjes verbeteren duidelijk de cohesie van de metselmortel, dus de samenhang van de specie wordt verbeterd, terwijl tegelijkertijd een meer smeuïge mortel ontstaat, die door zijn grote cohesie niet gemakkelijk ontmengt. De verbeterde cohesie draagt ook bij tot een toena-me van de waterretentie, zodat de opzuiging van water door de steen langzamer verloopt, en de verdampingsnelheid van water naar de lucht vermindert. Lucht heeft uiteraard ook een duidelijk verlagend effect op de elasticiteitmodulus, waardoor spanningen als gevolg van krimp e.d. op de stenen verminderen. De luchtbelletjes worden ingebracht door middel van een schuimmiddel op basis van bijvoorbeeld vinsolresin, proteïnederivaten of alkylarylsulfonaten. Voor de zogenaamde natte prefabspecies die langere tijd verwerkbaar moet zijn, worden ook ver-tragers toegepast. Dit zijn meestal gluconaatzouten (een suikerderivaat), die een sterke vertraging

314

van de cementreactie geven. 7.2.4 Zand en vulstof Zand dient volgens de metselmortelnorm NEN 3850 te voldoen aan de eisen voor zand voor ge-wapend beton volgens NEN 5905, zulks met enkele kleine afwijkingen (zie figuur 7.2.1 voor de gewenste korrelgradering). Naast zand wordt ook wel met vulstof gewerkt met name in de zogenaamde droge prefab-species. Onder vulstof wordt verstaan een stof, niet bindmiddel zijnde, kleiner dan 250 μm. In het alge-meen betreft het gemalen kalksteen, bijvoorbeeld mergel. Deze gemalen kalksteen is, zoals be-sproken, ook aanwezig in metselcement. Door de hoge fijnheid verbetert het de cohesie en de wa-terretentie van de mortel. Door de goede binding met cement is het bovendien geen zwakke scha-kel in de uitgeharde mortel. Figuur 7.2.1 Grenslijnen voor de zeefkromme van zand voor metselmortels. 7.2.5 Metselmortelsoorten Metselmortels: Er is tegenwoordig een veelvoud van metselmortels op de markt; zoveel dat de Nederlandse met-selmortelnorm zich beperkt tot het stellen van prestatie-eisen zoals eisen met betrekking tot de druksterkte, buigsterkte, hechtsterkte en volumieke massa. Er zijn slechts een klein aantal samen-stellingeisen, vooral met betrekking tot het luchtgehalte en de toegelaten grondstoffen. Verder wordt het aan de gebruiker overgelaten wat te kiezen. Zo zijn er: - De traditionele basterdmortels, bijvoorbeeld bestaande uit 1 deel cement, 1 deel luchtkalk

en 6 delen zand. - De natte prefab-species, bestaande uit cement, zand en lucht ingebracht door middel van

een hulpstof. De hoeveelheid lucht gaat daarbij meestal tot aan het maximaal toegelatene. Een typische samenstelling is bijvoorbeeld cement 1 deel, zand (ongeveer) 4 delen, lucht 10% vol/vol. Verder zijn deze prefab-species vertraagd, zodat verwerken tot 24 uur of lan-

315

ger mogelijk is. Uiteraard dient tijdens deze periode verdamping van water voorkomen te worden.

- De droge prefab-species, kant en klare droge mortels met bijvoorbeeld een samenstelling van 1 deel portland cement, ½ deel gemalen kalksteen (vulstof), 6 delen zand en een lucht-belvormer. Soms worden ook de droge prefab-species gemaakt, met naast luchtkalk ce-ment als bindmiddel. De droge prefab-species worden in silo's naar de bouw gevoerd. Daar wordt er naar believen van gebruik gemaakt door te mengen met water. Deze species hebben een verwerkbaarheidsperiode die kan oplopen tot 3 uur.

- Op de bouw vervaardigde mortels met behulp van metselcement en zand, welke volgens specificatie, bijvoorbeeld in een verhouding van metselcement staat tot zand van 1:3, wordt gemengd.

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

316

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

317

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

318

Het verband tussen de stenen is niet onbelangrijk. Het is gebleken dat zelfs wanneer geen hechting aanwezig is tussen de stenen, als gevolg van het verband toch nog in redelijke mate buigspannin-gen in de lengterichting van stenen kunnen worden opgenomen door het in elkaar grijpen van de stenen met daaraan gehechte mortel. Vandaar dat men gewoonlijk de verticale voegen niet laat doorlopen. Figuur 7.3.1 Verband tussen muurdruksterkte en steendruksterkte bij gebruik van mortels van

verschillende samenstelling.

Muurdruksterkte (MPa)

20

18

22

16

14

12

10

8

6

4

2

10 20 30 40 50 60 Steendruksterkte (MPa)

319

Halfsteensverband Vrij verband Vlaams verband Staand verband Kruisverband Noors verband Engels verband Koppenverband Klezorenverband, Klezorenverband, (Patijts verband) lopend staand Figuur 7.3.2 Enige steenverbanden.

320

7.4 Duurzaamheid 7.4.1 Algemeen Bij metselwerk zijn de belangrijkste processen die de duurzaamheid bedreigen: - Expansieve kristallisatie van zouten in de stenen. Deze zouten kunnen zowel uit het metswerk

zelf, als uit de ondergrond komen. - Expansie door vorming van sulfaatzouten in de mortel. - Vorst/dooiaantasting van steen en/of mortel. 7.4.2 Kristallisatie van zouten Esthetisch: Zowel in de steen als in de mortel van metselwerk zijn zouten aanwezig. Als gevolg van transport van water bij drogen en nat worden van het metselwerk zullen de zouten, welke zijn opgelost in het water, naar het oppervlak worden gevoerd waar het water verdampt en de zouten uitkristallise-ren. De hoeveelheid van deze zouten is het algemeen te gering om het metselwerk aan te tasten. Edoch, de afzetting van de zouten vormt wel een esthetisch probleem: het zogenaamde uitbloeien, een witte tot vuilgele neerslag. Het treedt vaak op bij nieuw metselwerk, maar ook daarna blijkt in bepaalde perioden plotseling weer zoutuitslag te kunnen optreden. Sommige zouten zijn goed wa-teroplosbaar en spoelen dan ook bij regenbuien weer gemakkelijk weg, zoals bijvoorbeeld natri-um- en kaliumsulfaat. Andere zouten zijn veel hardnekkiger, minder goed wateroplosbaar; een voorbeeld is calciumcarbonaat, een zout dat gevormd wordt wanneer kalk aan het oppervlak ge-raakt en daar met kooldioxide (CO2) uit de lucht tot calciumcarbonaat reageert. In het algemeen is afwachten de beste remedie. Wanneer dit niet acceptabel is, kunnen de zouten ook worden verwij-derd, bijvoorbeeld door een verdunde azijnzuuroplossing te gebruiken. Overigens is vervuiling van metselwerk meestal het gevolg van detailfouten bij het ontwerp. Vaak gaat het hierbij om een onjuiste afvoer van regenwater langs de gevel. We kunnen uitbloei (Engels: efflorescence) op het oppervlak van de stenen verwachten, maar ook op de mortelvoeg. Expansie: Indien er een continue aanvoer van zouten plaatsvindt, kan de zoutvorming ook de mechanische eigenschappen van de steen bedreigen. Dit is met name het geval wanneer het vochttransport van-uit de ondergrond plaatsvindt door capillaire opzuiging; in figuur 7.4.1 is dit schematisch weerge-geven. Boven het maaiveld verdampt het water en zetten de zouten zich af. In droge perioden zal het metselwerk ten dele uitdrogen, om vervolgens bij nattere periode weer nat te worden. De afge-zette zouten blijken hierbij op te lossen en opnieuw te kristalliseren, waardoor een steeds groter wordende kristallisatiedruk kan worden opgebouwd. Een druk die groter kan worden dan de trek-sterkte van de stenen. Afschilferen van de stenen kan dan het gevolg zijn. Vaak zien we dit proces juist boven het maaiveld, met name bij oude gebouwen waarbij geen waterwerend membraam is toegepast in de fundering en de fundering bovendien poreus is.

321

Figuur 7.4.1 Schematische voorstelling transport van zouten naar zone boven maaiveld bij met-

selwerk. Expansie door sulfaten: De duurzaamheid van metselwerk kan ook worden bedreigd door expansie bij vorming van sul-faatzouten in de mortel. Dit is hetzelfde proces als bij beton kan optreden. In dit geval kan het sulfaat afkomstig zijn uit de steen. Het is mede om deze reden, dat aan de steen eisen worden ge-steld met betrekking tot het sulfaatgehalte en Lipinski-getal. Men kan stellen, dat er geen gevaar is voor sulfaatexpansie, indien men zich aan de normen houdt. 7.4.3 Vorst/dooi aantasting Met een gemiddelde frequentie van eens per tien jaar blijkt wel eens vorstschade op te treden bij metselwerk. Deze frequentie is wat toegenomen, omdat vanaf de zeventiger jaren de spouwmuren geïsoleerd worden, waardoor de buitenmuur kouder is. De schade kan zowel de steen betreffen als ook de metselmortel. Het mechanisme is in wezen hetzelfde als bij beton. Wanneer de poriën een bepaalde waterverzadiginggraad hebben bereikt, kan er schade optreden. Voor het mechanisme wordt verwezen naar beton waarbij opgemerkt wordt, dat bij stenen in het algemeen de zoge-naamde hydraulische druk minder is, omdat de poriën groter zijn. De schade wordt veelal gecon-stateerd op het grensvlak tussen steen en mortel, welke in het algemeen de meest zwakke schakel vormt. Opgemerkt moet worden dat in geval dat metselwerk veel zouten bevat, bijvoorbeeld door capillaire opzuiging van de ondergrond, het evenwichtsvochtgehalte ook veel hoger is dan zonder aanwezigheid van zouten (hygroscopiciteit), waardoor de kans op de vorstschade weer vergroot wordt.

322

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

323

8 GLAS 8.1) 30 8.1 Inleiding Glas is een onderkoelde vloeistof. Door de snelheid van afkoelen heeft geen kristallisatie kunnen optreden, zodat specifieke minerale bestanddelen niet aanwezig zijn. Glas is een materiaal dat al zo oud is als de wereld. Immers glasachtige bestanddelen vinden we in de aardkost terug. Glas als bouwmateriaal echter, is van veel jongere datum. Aangenomen wordt dat de mens glas heeft leren maken en benutten vanaf ongeveer 2000 voor Christus. Misschien wel als gevolg van het te "ver" smelten van klei bij het pottenbakken. Het heeft vooral zijn weg gevonden in de bouw, als gevolg van het feit dat het doorzichtig is. Later zijn ook andere gunstige eigenschappen van glas een eigen leven gaan leiden, zoals de mogelijkheden om glasvezels als versterking te gebruiken, of om glaswol en schuimglas als isolatiemateriaal te gebruiken. Tegen-woordig is het aantal toepassingen van glas in de bouw bijzonder groot. Te noemen zijn o.a. spie-gelglas, glasblokken, glaswol, isolatieglasschuim, glasvezelversterkte kunststofproducten, glasve-zelversterkt cement, glazen deuren etc. Glas is daarmee een multifunctioneel materiaal voor de bouw met een breed toepassinggebied. We zullen in dit hoofdstuk ingaan op eigenschappen van glas alsmede op enkele specifieke toe-passingen. Alvorens we dit doen zullen we in het kort samenstelling en indeling bespreken. 8.2 Samenstelling en indeling Het meest specifieke van glas is de amorfe structuur; er zijn geen kristallijne bestanddelen aanwe-zig; amorfe structuren komen ook voor bij kunststoffen en zelfs bij metalen. Hier zullen we ons echter beperken tot de anorganische glazen, waarbij altijd siliciumoxide een belangrijke compo-nent is, terwijl daarnaast ook altijd een eenwaardig metaaloxide aanwezig is, zoals K2O, Na2O, Li2O etc. De structuur van glas bestaat uit een driedimensionaal netwerk van Si-O tetraëders, die wanorde-lijk gerangschikt zijn, zie figuur 8.2.1. De belangrijkste toepassing van glas is spiegelglas voor ruiten. Het meest gebruikte vervaardi-gingprocedé van dit moment is het “floatglas process”. De eigenschappen van glas kunnen verbe-terd worden door het glas te harden. Hierbij ondergaat glas een warmtebehandeling waardoor uit-eindelijk de buitenzijde onder druk komt te staan en de binnenzijde onder trek. Er vindt dus voor-spanning plaats zoals dat ook bij voorgespannen beton het geval kan zijn. Dit spanningverloop in gehard glas is in figuur 8.2.2 geïllustreerd. Om bepaalde eigenschappen te verbeteren, kan glas ook gewapend worden met staaldraad. Ook kunnen glasplaten op elkaar gelijmd worden om eigenschappen te verbeteren. De lichtdoorlatendheid van glas is uiteraard zeer belangrijk. De mate waarin licht wordt doorgela-ten, kan door aanpassingen in het glas zelf, maar ook door aanbrengen van aparte oppervlakte la-gen, of tussenlagen bij gelijmd glas, in belangrijke mate beïnvloed worden. Glasblokken kunnen mechanisch belast worden en worden daarom gebruikt in bijvoorbeeld plafonds welke licht moe-ten doorlaten. Hoe dunner glas is, des te sterker het is (relatief). Van dit principe wordt gebruik gemaakt bij het maken van glasvezels. Glasvezels worden gebruikt bij versterking van kunststof-fen en van cement. Voor dit laatste wordt een speciale zogenaamde alkalibestendige glasvezel gebruikt. 8.1)30 Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", Hoofdstuk 20.

Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", Hoofdstuk 12.

324

Glas leent zich verder voor isolatiematerialen, hetzij in de vorm van glasvezels (glaswol en steen-wol), hetzij als schuimglas. Figuur 8.2.1 De structuur van glas bestaande uit een driedimensionaal netwerk van Si-O tetraë-

ders. Figuur 8.2.2 Spanningen in een op buiging belaste plaat van gehard glas. A: reeds in de plaat

aanwezige spanningen; B: door buiging in de plaat opgewekte spanningen; C: re-sulterende spanningen.

325

8.3 Eigenschappen van glas 8.3.1 Mechanische eigenschappen Glas is ten opzichte van materialen als beton en keramische materialen, een bijzonder treksterk materiaal. In figuur 8.3.1 is dat weergegeven. Treksterktes in de grootteorde van 200 tot 300 MPa zijn gebruikelijk. Figuur 8.3.1 toont tevens, dat gehard glas aanzienlijk sterker is. Uit de figuur blijkt ook dat niet-gehard glas nogal kruipgevoelig is. Glas wordt dan ook zelden gebruikt om blijvende belastingen op te nemen. Wel is glas goed bestand tegen kortdurende belastingen, zoals windbelasting. De dunne spiegelruiten kunnen een flinke windkracht gemakkelijk doorstaan. Hoe groter de in de glasstructuur voorkomende fouten, hoe zwakker het materiaal. Aan het opper-vlak van glas blijken de grootste scheurtjes te kunnen voorkomen als gevolg van het fabricage- en afkoelproces. Deze scheurtjes vormen in wezen de grootste fout. De grootte van deze fout blijkt minder te zijn, naarmate de diameter van het glasvezels geringer is. Dit is in figuur 8.3.2 geïllu-streerd. Dit verband geeft ook aan waarom dunne glasvezels met een diameter van 10 μm zo trek-sterk kunnen zijn. Glas kan zoals vermeld sterker worden gemaakt door het te harden. Daardoor wordt met name de kans op fouten aan het oppervlak verkleind, doordat het glas daar onder druk staat. Ook door po-lijsten kan een toename van de sterkte optreden. Polijsten kan zowel mechanisch als chemisch geschieden. Dit laatste gebeurt door het te etsen. Figuur 8.3.1 Treksterkte van vlakglas. Glas is een treksterk, maar echter zeer bros materiaal. Het is bijzonder gevoelig voor stootbelas-ting. Dat is dan ook de reden dat glas wel gewapend wordt. Deze wapening verlaagt in het alge-meen de treksterkte zoals aangegeven in tabel 8.3.1. Doch wanneer het glas zou kapot gaan door stootbelasting, wordt het door de wapening bijeen gehouden, zodat het niet uiteen valt. Zo'n prin-cipe is min of meer ook van toepassing bij gelaagd glas. Hierbij worden twee of meerdere platen glas op elkaar gelijmd. Bij stootbelasting in zo'n geval, bijvoorbeeld een steen op een ruit of iets dergelijks, zal één van de ruiten breken, doch door de dempende lijmlaag tussen de glasplaten zal de volgende intact blijven, waardoor de scherven van de eerste laag aan de intact zijnde tweede of derde laag blijven hangen.

326

Figuur 8.3.2 Treksterkte van glasvezels (soda-kalkglas) afhankelijk van de diameter. Tabel 8.3.1 Treksterkte gewoon spiegelglas en spiegelglas met draadversterking.

Glassoort Grenzen treksterkte (MPa) gepolijst spiegelglas

gepolijst spiegelglas met draad gegoten glas

gegoten glas met draad

42 - 49 39 - 53 38 - 76 39 - 55

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

327

Figuur 8.3.3 Doorlating van transparante niet gekleurde kunststofplaten als functie van de licht-

golflengte. 8.3.3 Glas en warmte De uitzettingcoëfficiënt van glas: Glas heeft een lineaire uitzettingcoëfficiënt die iets lager is dan van beton en keramische materia-len, en veel kleiner dan van de meeste kunststoffen en van aluminium. Tabel 8.3.2 geeft een over-zicht van uitzettingcoëfficiënten van verschillende materialen. Wanneer glas wordt gebruikt in aluminium- of kunststofkozijnen moet met de verschillen in uitzettingcoëfficiënt rekening worden gehouden. Dit kan geschieden door voldoende ruimte tussen het kozijn en glas open te laten, en deze op te vullen met een plastische kit. Tabel 8.3.2 De uitzettingcoëfficiënt van glas en enige andere bouwmaterialen.

Materiaal Uitzettingcoëfficiënt x10-6 (K-1) gewoon glas aluminium

staal beton

baksteen naaldhout hard PVC

glasvezel-polyester acrylaat

8,5 24 12

10 à 14 5 à 7 3 à 6

50 à 80 20 à 50

80

golflengte licht (μm)

328

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

Materiaal Warmtegeleidingcoëfficiënt (W/m K) aluminium

staal baksteen-metselwerk (klinkers hardgrauw)

lichtbeton (1300 kg/m3) las

naaldhout (loodrecht op de vezels) polystyreenschuim

glasschuim glaswol

204 52

0,70 - 1,26 0,47 - 0,81

0,81 0,14 - 0,17

0,03 0,07 - 0,12

0,09 Figuur 8.3.4 De constructie van Polyglas.

329

Figuur 8.3.5 De invloed van de spouwwijdte op de isolatie waarde (k-waarde). Brandveiligheid: Glas is een materiaal met een slechte brandwerendheid. Bij het ontstaan van steile temperatuur-gradiënten in het glas, zoals bij brand, scheurt het materiaal gemakkelijk door zijn brosheid, en valt het in stukken uiteen. Het is een typisch voorbeeld van een materiaal dat onbrandbaar is, maar een slechte brandwerendheid heeft. De brandwerendheid kan duidelijk verbeterd worden door draadglasversterking te nemen. Bij brand blijven de glasscherven dan als het ware aan het verster-kende gaas hangen. Gelaagd glas heeft een vergelijkbaar effect. Er is gelaagd glas op de markt waarbij de tussenlaag opschuimt bij verhitting. Dit geeft een hitte-isolerend effect. 8.3.4 Geluidsisolatie van glas Glas heeft als materiaal op zichzelf een niet slechter geluidsisolerend vermogen dan beton. Door-dat glasruiten echter zo dun zijn en daardoor de massa gering is, is het isolerend vermogen van dit product zeer gering. Verhoging van isolatie kan bereikt worden door dikker glas te nemen. Ook hier blijkt dubbelglas met een luchtkanaal positief te kunnen werken. Daarbij moet bij voor-keur de dikte van de beide glasruiten verschillen, om eigenresonanties zo veel mogelijk te voor-komen. Belangrijk is ook dat de ruit met een flexibele kit in de sponning wordt gezet. Bij starre verbindingen zal het effect van resonantie in hoge mate aanwezig zijn. Een belangrijk lek van ge-luid vindt overigens via reten om het kozijn plaats.

330

8.4 Enkele specifieke glasproducten Glasblokken: Glazen bouwstenen worden vrij veelvuldig gebruikt in de bouw. Ze worden toegepast voor bin-nen- en buitenmuren, vloeren en daken. Ze kunnen worden verenigd tot grote oppervlakken. Het gebruik is voornamelijk in grotere gebouwen in de U-bouw sfeer: kantoren en fabrieken. Figuur 8.4.1 geeft een typisch voorbeeld van een doorsnede van een wand van glasbeton. Grote aandacht moet worden besteed aan mortelvoegen en aan de uitzetting van muren en glasblokken. Door het brosse karakter kunnen glazen bouwstenen slechts weinig vervorming opnemen. Figuur 8.4.1 Wand van glasbeton (DIN 4242). Glaswol en steenwol: Glaswol en steenwol zijn isolatie producten, die op grote schaal worden toegepast. Bij glas- en steenwol worden de vezels vanuit een vloeibare mix verspoten door een gaatjesprofiel. Hierdoor ontstaan glasvezels van verschillende dikten, met hier en daar verdikkingen. Verschil tussen steen- en glaswol betreft voornamelijk de chemische samenstelling. Beide producten hebben een grote markt verworven, doordat het vrij goedkope en resistente materialen zijn. In tabel 8.4.1 zijn eigen-schappen van enkele isolatiematerialen opgenomen. Steenwol, en in mindere mate glaswol, wor-den overigens ook op grote schaal gebruikt in de tuinbouw, als substraat voor de plantenteelt. Glas- en steenwol kunnen huidirritatie veroorzaken; dragen van beschermende kleding bij aan-brengen wordt aangeraden. Schuimglas: Schuimglas (Engels: foam glas) neemt een bijzondere plaats in tussen andere isolatiematerialen (kunststofschuimen, glaswol, kurk) aangezien het door zijn gesloten celstructuur volkomen water- en dampdicht is. Bovendien is het onbrandbaar en rotvrij. Het materiaal is verder bestand tegen vele chemicaliën. Een nadeel is evenwel de brosheid. Het materiaal is meestal zwart, maar kan ook in andere kleuren worden geleverd. Door de gunstige eigenschappen groeit de markt voor schuimglas.

331

Tabel 8.4.1 Enkele eigenschappen van isolatiematerialen.

Materiaal Warmte-geleiding (W/m K)

Volume-gewicht (kg/m3)

Druksterkte (MPa)

Buigtrek-sterkte (MPa)

Thermische uitzetting-coëfficiënt x10-6 (K-1)

Temperatuur bestandheid

(oC)

glasschuim polystyreen-

schuim 15 kg/m3 *)

minerale wol **)

0,052

0,029

0,041

144

15 *)

35 - 200

1,4

±10-6 -

0,5

0,3 - 0,4 -

9

21 - 45 -

450

75

±700 *) Het in de bouw toegepaste polystyreenschuim heeft een minimaal volumegewicht van ±15 kg/m3 en een maxi-

maal volumegewicht van ±100 kg/m3. **) Steenwol. Glasvezels: Glasvezels ter versterking van kunststoffen en cement kunnen worden verkregen door glasdraden te trekken. Voor dit glas wordt een speciale samenstelling gebruikt, om de bestendigheid tegen met name water te verbeteren. Hoewel glas niet erg watergevoelig is, blijken de dunne glasvezels van de gewone glasvezels toch zodanig door water te kunnen worden aangetast, dat de eigen-schappen merkbaar veranderen. Ze worden gebruikt voor het versterken van kunststoffen (daar-voor wordt verwezen naar het hoofdstuk over kunststoffen), maar ook wordt een speciale glasve-zel met een verhoogde alkalibestendigheid gebruikt voor het versterken van cement. Door de ver-sterking met glasvezels van cement kan de treksterkte en de rekcapaciteit verhoogd worden. Een speciale component is nog het in Nederland ontwikkelde polymeer gemodificeerde glasvezelver-sterkte cement; een combinatie van glasvezels, cement en een kunststof. Glasvezels worden verder gebruikt voor het versterken van gips en voor het wapenen van bitumen o.a. van dakbedekking, maar ook bij asfalt.

332

8.5 Duurzaamheid Glas, zowel wat betreft spiegelglas, als in de vorm van glazuur op tegels, geëmailleerd staal en dergelijke, staat bekend om zijn hoge duurzaamheid. Het bestaat uit metaaloxides en bevindt zich, anders dan de metalen, reeds in een laag energetische toestand. Met die uitzondering dat glas een als het ware ingevroren vloeistof is, waarbij er thermodynamisch toch een voorkeur is om een meer kristallijne vorm aan te nemen. In de praktijk geeft dit echter geen aanleiding tot problemen met duurzaamheid, omdat de snel-heid van omzetting naar de kristallijne vorm verwaarloosbaar klein is. Wel kan glas worden aan-getast door een hoog alkalisch milieu. Eenmaal opgenomen in een constructie zal dit in het alge-meen niet gebeuren. Misschien met één uitzondering; dat is als glas langdurig in contact is met stilstaand water. Door oplossen van natrium- en kaliumionen uit het glas kan een hoog alkalisch laagje water ontstaan, welk vervolgens de glasstructuur aantast. Dit verschijnsel is echter voor de praktijk nauwelijks relevant, omdat bij verticale vlakken er steeds onvoldoende water is, of door regenwater schoonspoeling plaatsvindt. Wel geeft het aan dat het schoonhouden van glas, het verwijderen van vuil, belangrijk kan zijn om op plaatsen van aangehecht vuil dit soort aantasting-mechanismen te kunnen vermijden. De alkali-gevoeligheid van glas is wel bekend uit het etsen van glas, indien er cementspecie overheen gelopen heeft. Tijdens de bouw moet hier op gelet wor-den. Een andere aantasting die wel een wordt waargenomen van glas, is zure aantasting. Dit be-treft een aantasting door het fluor waterstof (HF). Dit zuur ontstaat onder andere bij het sinteren van grof keramische producten. In de omgeving van keramische fabrieken kan men dit aantasting-verschijnsel dan ook nog weleens aantreffen. Door de snel verscherpende eisen met betrekking tot emissies naar de lucht is dit probleem voor de toekomst niet meer relevant. 8.6 Hergebruik/recycling Glas laat zich uitstekend hersmelten tot nieuw glas en wordt op grote schaal toegepast bij flessen. Voor glas uit de bouwen sloopafvalsectie is omsmelten nu nog beperkt het geval. Met het ingaan van het verbod op het storten van bouwen sloopafval mag verwacht worden dat dit zal toenemen. Wegens het brosse karakter van glas, is het hergebruik van spiegelglas als zodanig niet uitvoer-baar.

333

9 BODEMMATERIALEN 9.1)31 9.1 Inleiding Onder bodemmaterialen zullen we verstaan alle natuurlijke anorganische materialen die afkomstig zijn van de aardkorst en die geen andere bewerking ondergaan dan een mechanische (zagen, bre-ken, malen, zeven, etc.) alvorens toegepast te worden. Ze maken onderdeel uit van de gestolde laag van de aarde die op sommige plaatsen heel dun (enkele km's dik) en op andere plaatsen dik is (60 km en meer). Natuursteen verweert en de verweerde producten komen voor als blokken, kei-en, stenen, grof korrelig materiaal, fijnkorrelig en zeer fijn materiaal. In dit college zullen we on-derscheid maken in vormen die voor de praktijk van de civiele techniek en de bouw van belang zijn: - natuursteen in de vorm van blokken en platen; - grof korrelig materiaal; - fijn korrelig materiaal. In het navolgende zullen we kort ingaan op het ontstaan en de samenstelling van bodemmateria-len. Vervolgens zullen we een indeling in en benaming van korrelgroottefracties bespreken. Ten-slotte zullen de drie genoemde voor de civiele techniek belangrijke materialen aan de orde komen. Naast de natuurlijke bodemmaterialen zullen enkele reststoffen besproken worden die, qua chemi-sche en mineralogische samenstelling overeenkomen met de aardkorstmaterialen, en die dezelfde toepassing hebben als bodemmateriaal. Ontstaan en samenstelling: Tijdens het langzame stollingproces van de aarde zijn diverse gesteenten gevormd. Dit proces vindt nog steeds doorgang; denk maar aan vulkanen. Deze gesteenten noemen we de stollingge-steenten of primaire gesteenten. De gestolde laag drijft op de smelt. Deze smelt is geen homogene substantie; zwaardere stoffen bevinden zich meer in het midden, de lichtere drijven daarboven op. Echter ook binnen een denkbeeldige schil om het middelpunt, blijkt de chemische samenstelling grote variaties te kunnen vertonen. Bij het stollen van de smelt ontstaan uit de vloeistof in het al-gemeen meerdere mineralen. Een mineraal is een verbinding van een specifieke chemische sa-menstelling met een specifieke kristallijne structuur. Belangrijk voor de eigenschappen van de gestolde gesteenten is ook de plaats waar de gesteenten stollen, of beter, de snelheid van afkoelen. Hoe sneller de afkoeling, des te kleiner de mineraalkristallen. Gesteenten die onder de aardkorst langzaam afkoelen, tonen een grove kristalstructuur, bijvoorbeeld graniet (zie figuur 9.1.1). De mineralen zijn met het blote oog kenbaar. Bij uitvloeiinggesteenten, die aan het oppervlak snel zijn afgekoeld, is de kristalstructuur fijn, bijvoorbeeld basalt. We treffen aan het oppervlak een vrij grote verscheidenheid van stollinggesteenten aan. Zodra de gesteenten aan het oppervlak van de aarde terecht komen, begint de verwering. Dit is een afbraakproces als gevolg van mechanische (erosie), fysische (vorst-dooiwisselingen, tempera-tuurwisselingen etc.), chemische (oplossen) en biologische (plantenwortels, zuurvorming) inwer-king. Dit proces leidt tot verkleining van het gesteente, en tot scheiding van het gesteente in brok-stukken bestaande uit één of meerdere mineralen. De brokstukken worden door zwaartekracht, water en wind weggevoerd van hun oorspronkelijke plaats en komen ergens anders weer tot rust. De bovenste laag van ons land is nagenoeg geheel gevormd door dit proces, we spreken over se-diment-, afzetting- of secundaire gesteenten. 9.1)31 Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", Hoofdstuk 22.

Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", Hoofdstuk 3.

334

In het algemeen geldt hoe verder van de bron verwijderd des te fijner de brokstukjes zijn die zich afzetten. Denk maar aan ons land. Grind in Limburg, zand meer stroomafwaarts van de rivieren en klei in de westelijke en noordelijke provincies. We noemen dit de klastische sedimenten. Figuur 9.1.1 Voorbeeld van granietstructuur (gepolijst oppervlak). De meest verweerde vorm van gesteenten zijn de klei en zanddeeltjes. Klei is gevormd door om-zetting van mineralen met water. Het zijn deeltjes kleiner dan 2 μm. In het algemeen zijn ze plaat-vormig. Het Nederlandse zand bestaat voornamelijk uit het mineraal α-kwarts. Onder de sedi-mentgesteenten rekenen we ook gesteenten die ontstaan zijn uit resten van biologische aard, zoals kalksteen (de organogene sedimenten). Ook kennen we gesteenten die ontstaan zijn door oplossen en reageren, de chemische sedimenten; een voorbeeld is gipssteen. Door bewegingen van de aarde, door nieuwe afzettingen van sedimentgesteenten, en door uit-vloeiingen van de aarde, kunnen sedimentgesteenten onder hoge druk en/of temperatuur komen te staan. Daarbij ondergaan deze gesteenten veranderingen; de metamorfe- of omvorminggesteenten ontstaan. Voorbeelden zijn marmer uit kalksteen, en leisteen uit klei. Tabel 9.1.1 geeft een overzicht van de verschillende soorten gesteenten. Tabel 9.1.1 Overzicht natuursteen.

Hoofdgroep Onderverdeeld in Voorbeelden stollinggesteenten of primaire gesteenten

dieptegesteenten, ganggesteenten, uitvloeiinggesteenten

granieten, profieren, o.a. basalt (lava)

sedimentgesteenten of afzettinggesteenten of secundaire gesteenten

klastische-, chemische- en organoge-ne sedimenten

grind, zand, klei, gipssteen, kalksteen

metamorfe gesteenten of omvorminggesteen-ten

metamorfose door temperatuur, door druk of door temperatuur/druk

kwartsiet, gneis, lei, kristallijn marmer

335

Figuur 9.1.2 illustreert het wordingsproces van gesteenten en figuur 9.1.3 toont de gesteente-cyclus. Figuur 9.1.2 Principe ontstaan van stollinggesteenten. 1 = magma (vloeibaar gesteente) 2 = stolling en kristallisatie 3 = stollinggesteente 4 = erosie en verwering 5 = sedimentatie 6 = sediment en sedimentair gesteente 7 = rekristallisatie en metamorfose 8 = metamorf gesteente 9 = (partiëel) smelten. Figuur 9.1.3 De gesteentecyclus (overgenomen van Wikepedia).

336

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

Korrelgrootte Fractiebenaming Fractiemateriaal < 2 μm

2 - 63 μm 63 μm - 2 mm 2 mm - 63 mm

63 mm - 200 mm 200 mm - 630 mm

> 630 mm

lutumfractie siltfractie

zandfractie grindfractie stenenfractie keienfractie

blokkenfractie

lutum silt

zand grind stenen keien

blokken

337

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

338

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

Soort Volumieke massa

(kg/m3)

Lin.uitzetting- coëff.

(10-6/K)

Druksterkte (MPa)

Buigsterkte (MPa)

Elasticiteit-modulus (MPa)

Water- opneming (gew. %)

graniet porfier basalt

zandsteen kalksteen

(hardsteen) marmer gneis

2500-3200 idem

3000-3200 ca. 2500

ca. 2500 ca. 2500

als graniet

7 - 8 idem ca. 8 9 - 11

5 - 11 idem 7 - 8

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

20 - 180

idem 160 - 240

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

5 - 15 5 - 12

10 - 20

(4 - 8).104 (2,5-6,5).

(6 - 10). 104 (0,2 - 2).104

(0,8 - 9).104

idem (1,3-3,5).104

0,2 - 0,5 0,2 - 0,7 0,1 - 1,3 0,2 - 0,9

0,2 - 1

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

Figuur 9.3.1 Schematische voorstelling verwering van kalksteen.

339

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

Korrels Korrelgroottes fijn zand

middel zand grof zand

63 μm - 0,2 mm 0,3 mm - 0,6 mm 0,6 mm - 2 mm

fijn grind middel grind

grof grind

2 mm - 6 mm 6 mm - 20 mm 20 mm - 63 mm

340

Zowel de indeling als de grenswaarde zijn echter geenszins eenduidig vastgelegd in de verschil-lende vakgebieden. Zo is zand in de betontechnologie materiaal met een maximale korrel van 4 mm en is de maximale korrel bij grind 31 mm, zie Hoofdstuk 6. Naast de indeling naar korrelgrootte kunnen we het materiaal ook indelen naar vorm. Zo onder-scheiden we bijvoorbeeld: - Rond (natuurlijk) materiaal; - Gebroken materiaal (in de wegenbouw steenslag genoemd). De korrelvorm is belangrijk voor de eigenschappen. Dit blijkt wel uit eisen in de regelgeving van diverse toepassingen van grof korrelige materialen. In de Standaard RAW329.2) bepalingen voor bitumineus gebonden verhardinglagen bijvoorbeeld, worden eisen gesteld aan de hoeveelheid rond materiaal. Voor iedere fractie tussen opeenvolgende zeven mag dit ten hoogste 1% zijn. Een gebroken oppervlak geeft namelijk een betere hechting van het bitumen! De CUR339.3) Aanbeveling "Betongranulaat als toeslagmateriaal voor beton", vraagt een bepaalde mate van cubiciteit (hoekigheid). Een verdere indeling is die naar soort gesteente. Zo kennen we in Nederland gebroken porfier, gebroken graniet en gebroken kalksteen. Behalve natuurlijke gesteenten vallen binnen de korrel-grenswaarden van grof korrelige materialen ook vele reststoffen, zoals betongranulaat, metsel-werkgranulaat, fosforslak, staalslak, afvalverbrandingslak. Ook bestaat een indeling naar vindplaats, zoals rivierzand en -grind, groeve zanden grind, mo-rene grind, etc. Steeds blijken daarbij, al naar gelang het toepassinggebied, andere benamingen voor te komen. Gebruik: Zand en grind worden voor velerlei toepassingen ingezet. Bijvoorbeeld zand voor ophogingen, de aardebaan in de wegenbouw, in beton en asfalt, in metselspecie, als fundering voor bestratingen, als grondstof voor kalkzandsteen, etc. Rond grind wordt voornamelijk gebruikt in beton en in mindere mate in asfalt. Gebroken gesteenten (steenslag) worden toegepast voor ongebonden funderingen in de wegen-bouw (voornamelijk reststoffen), als steenslag in asfalt, als toeslagmateriaal in beton, als filterma-teriaal onder andere bij oeverbescherming, etc. Combinaties van zand en grind worden wel toege-past via het natuurlijk voorkomend materiaal stol; dit wordt op beperkte schaal nog gewonnen in Limburg. Het wordt met name gebruikt als funderingmateriaal voor wegen, erfverharding, e.d. Eigenschappen: De eigenschappen van grofkorrelige materialen corresponderen wat betreft sterkte, E-modulus en andere mechanische eigenschappen met die van natuursteen waar ze van afstammen. Zo zal gra-nietslag corresponderen met hetgeen in tabel 9.3.1 over graniet vermeld is. Bij de sedimentaire gesteenten, die loskorrelig in de natuur aanwezig zijn, zijn er echter verschil-len. Door het verweringproces zijn soms bepaalde mineralen verdwenen en de meer resistente overgebleven. Anderzijds zijn de oppervlakken van de losse korrels blootgesteld aan verwering, zodat er soms een zwakke oppervlaktelaag aanwezig is. Toch behoren ons riviergrind en rivier-

9.2)32 RAW = Stichting Rationalisatie en Automatisering Grond-, Water- en Wegenbouw. 9.3)33 CUR = Civiel Technisch Centrum voor de Uitvoering van Research en Regelgeving

341

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

342

9.5 Fijn korrelig materiaal Indeling/samenstelling: Naar NEN 5104 "Classificatie van onverharde grond monsters" zouden we onder fijnkorrelig ma-teriaal kunnen verstaan grond bestaande uit de drie fracties: - zand: deeltjes groter dan 63 μm en kleiner dan 2 mm; - silt: deeltjes groter dan 2 μm en kleiner dan 63 μm; - lutum: deeltjes kleiner dan 2 μm. Bij de indeling van de fijnkorrelige grondsoorten wordt daarbij gebruik gemaakt van het drie-hoeksdiagram weergegeven in figuur 9.5.1. Figuur 9.5.1 Driehoeksdiagram voor grond met daarin aangegeven gebieden mariene klei en korrelverdeling van klei. Binnen dit driehoeksdiagram vallen dan grondsoorten als klei (onder klei wordt ook wel verstaan uitsluitend de kleimineralen zoals montmorilloniet, kaolien e.d.), leem en zand. Tussen deze "ex-tremen" zijn er vele tussenvormen, zoals zandige klei, lemig zand, etc. Klei is een sterk samenhangende grondsoort (zeer fijnkorrelig), die bestaat uit een mengsel van lutum, silt en zand. Figuur 9.5.1 geeft een voorbeeld van een samenstelling in het driehoeksdia-gram voor mariene klei. Voor het Limburgse löss is zo'n diagram gegeven in figuur 9.5.2. Löss bevat dus nauwelijks zand, maar bestaat hoofdzakelijk uit de siltfractie met een weinig lutum. Mariene klei heeft een hoger lutumaandeel en een hogere zandfractie. Bovendien blijkt uit het bijgaande korrelverdelingdiagram dat löss een zeer smalle korrelverdeling heeft, dat wil zeggen dat de deeltjes allemaal ongeveer eenzelfde grootte hebben; de mariene klei echter heeft een veel bredere korrelspreiding. Dit heeft consequenties voor de eigenschappen!

343

Figuur 9.5.2 Driehoeksdiagram voor grond met daarin aangegeven gebieden mariene löss en korrelgrootteverdeling van die löss. Gebruik: Fijnkorrelig grond wordt voor vele civieltechnische doeleinde gebruikt. Voorbeelden zijn o.a. on-ze dijken, met name de oude dijken bestaan voor een belangrijk deel uit klei en geluidswallen, eveneens uit klei en leem. Bij de aanleg van diepwanden wordt bentoniet, een kleisoort, gebruikt als stabilisatiemiddel. Bentoniet-zand mengsels worden gebruikt om gebieden met verontreinigde grond en chemisch afval van de omgeving te isoleren. Opslagplaatsen voor huisvuil worden voor-zien van een ondoorlaatbare kleilaag. Ophogingen van bouwterreinen bestaan meestal uit zand; ook lemig zand wordt gebruikt. Eigenschappen: Tussen de verschillende grondsoorten zijn grote verschillen. Dit heeft te maken met de korrelop-bouw en de fysische/chemische eigenschappen van de korrel. De lutum fractie, en in mindere mate silt, bestaan voornamelijk uit plaatjes; zand daarentegen is veel meer kubisch of rond van aard. In civieltechnische toepassingen is veelal het draagvermogen van belang. Het draagvermogen van de meeste zanden is goed. Van klei is het in droge toestand goed, maar blijkt het draagvermogen vaak sterk vochtafhankelijk. De vochtgevoeligheid blijkt uit de zogenaamde plasticiteitgrenzen van Atterberg (een Zweedse bodemkundige). Er zijn twee grenzen: de plasticiteitgrens, ook uit-rolgrens (Engels: plastic limit) genoemd en de vloeigrens (Engels: liquid limit). De plasticiteit-grens is de grens in vochtgehalte, waarbij de vaste stof overgaat in een plastische klei. We noemen dit de uitrolgrens omdat het de grens is waarbij we met de hand een hompje klei kunnen uitrollen tot een draad van ongeveer 3 mm doorsnede (waarbij we uitgaan van droge klei waar men steeds wat water aan toevoegt). Onder plasticiteit verstaan we de eigenschap van een materiaal om onder spanning (zonder breuk) te vervormen en daarbij de aangenomen vorm te behouden als de spanning wordt weggenomen; zie §:2.10.

344

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

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

345

Tabel 9.5.1 Eigenschappen mariene klei en löss.

Eigenschap Eenheid Mariene klei, gebied Leeuwarden/Sneek

Löss, gebied Zuid-Limburg

Herkenningseigenschappen: korrelverdeling :

% < 2 μm % 2 - 63 μm % > 210 μm watergehalte kalkgehalte

humus vloeigrens uitrolgrens

plasticiteitsindex

% m/m % m/m % m/m % m/m % m/m % m/m % m/m % m/m % m/m

13 - 48 49 - 61

1 - 2 31 - 119

9,0 - 21.2 0,8 - 10,0 53 - 110 16 - 43 31 - 86

18 - 28 51 - 73

0 - 8 19 - 24

5,4 - 7,6 0,2 - 3,1 22 - 31 15 - 22 4 - 16

Verdichtbaarheid: optimale Proctordichtheid 1)

vochtgehalte hierbij

kg/m3

% m/m

1340 - 1520 21,2 - 33,1

1,76 - 1,81 14,0 -16,2

Draagvermogen: CBR-waarde 2)

E-modulus

%

MPa

9,5 - 11,5

13,1 - 18,0

5,0 - 10,6

3,6 Wrijvingeigenschappen (celproef):3)

cohesie wrijvinghoek

kPa

graden

4 - 15

15 - 24

0 - 4

25 - 35 Klink (samendrukkingproef):

belasting 20 kPa

% L/L

2,2 - 4,8

0,5 - 0,7 Zwel:

belasting 7 kPa belasting 20 kPa

% L/L

% Vol/Vol

> 5

< 1, 5 < 1, 5

Krimp: lengtekrimp

volumekrimp

% L/L

% Vol/Vol

6,5 - 15,0

18,6 - 31,5

4,0 - 4,38 10,7 - 11,2

Methyleenblauwproef:4) MB-waarde ml/g 5,9- 7,3 2,6 - 2,8 Vorstgedrag: vorstheffing mm 0,4 - 0,9 25,8 - 29,4

Doorlatendheid 5) Kv * 1010 m/s 1,1 - 13,6 4,4 - 8,7 1) Dit is een in de wegenbouw gebruikelijke gestandaardiseerde proef om de dichtheid van grondsoorten, die op een

gestandaardiseerde wijze verdicht worden, te meten als functie van het vochtgehalte. Vervolgens definieert men de optimale proctordichtheid en vochtgehalte

2) CBR = Californian Bearing Ratio. Hierbij vergelijkt men op een gestandaardiseerde wijze de indringingweerstand van een stalen stempel in een grondsoort, relatief ten opzichte van een standaardmonster van gebroken steenslag.

3) Hierbij brengt men het materiaal in een rubberhoes en brengt men via vloeistofdruk een horizontale belasting aan. Verticaal kan men vervolgens de grondworst mechanisch belasten en vervolgens nagaan bij welke belastingcom-binaties bezwijken optreedt.

4) Dit is een test waarbij men m.b.v. een indicatorvloeistof kan zien of er zwellende kleideeltjes aanwezig zijn. 5) = hydraulische permeabiliteit Tabel 9.5.2 Consistentiegebieden volgens Atterberg van enige kleisoorten.

Maasklei Rijnklei Jonge zeeklei

Kaoliniet Bentoniet Kwartsmeel

vloeigrens 69 37 32 48 88 14 uitrolgrens 29 23 22 33 49 13 plast. index 40 14 10 15 39 1

fractie < 2 μm 53 36 24 73 80 0

346

Tabel 9.5.4 Civieltechnische toepassingmogelijkheden van mariene klei en löss in een dijk-

constructie. Toepassing Mariene klei Löss Afdekking: beschermende laag voor erosiebescherming, tegengaan uitlo-ging, begroeiing, enz.

geschikt niet geschikt

Fundering: primaire belastingsprei-dende laag als onderdeel van de verhardingconstructie c.q. weg

niet van toepassing,

niet van toepassing,

Belastingspreidende laag: onderdeel van de ophoging en verhardingcon-structie, in de "Standaard" zand ge-noemd. Ligt onder de wegfundering.

niet van toepassing niet van toepassing

Constructieve aanvulling: aanvullen van ontgravingen, demping van slo-ten e.d. met in de toekomst een be-langrijke bovenbelasting. Ligt onder de constructieve ophoging.

nader onderzoek gewenst geschikt onder voorwaarden

Constructieve ophoging: ophoging ten behoeve van wegen (excl. zand-bed), bouwen industrieterreinen met een belangrijke bovenbelasting. Ligt onder de belastingspreidende laag.

nader onderzoek gewenst geschikt onder voorwaarden

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

len (in m/s).

Materiaal Hydraulische permeabiliteit Capillaire opzuiging boven de vrije grondwaterspiegel

(mm) grof grind fijn grind grof zand fijn zand

zand + 30 % sloef kaolien beton

Na-montmorilliniet cementsteen (w/c 0,4)

dicht marmer colloïdale klei (< 0,1 μm)

10 10-1 10-2 10-4 10-6 10-8

10-10 (sterk afhankelijk van samenstelling) 10-10 10-14 10-14 10-14

nauwelijks gering

120 - 150 800 - 1100

1100 - 1500 kleisoorten: > 2000 afhankelijk van wcf

347

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

348

a) Geen zwellende kleimineralen aanwezig b) matige hoeveelheid zwellende klei aanwezig c) Veel zwellende kleimineralen aanwezig Figuur 9.5.4 Methyleenblauwtest op aanwezigheid van zwellende kleimineralen. Duurzaamheid: We hebben al gezien, dat bij de fijn korrelige materialen klei gevoelig is voor het vochtgehalte. Bij toenemend vochtgehalte verliest klei zijn draagvermogen en wordt het plastisch. Bij het weer drogen kunnen vervolgens krimpscheuren optreden. De eigenschappen van klei kunnen ook beïn-vloed worden door zoutconcentraties, als gevolg van interactie van de zouten met de kleiplaatjes (ion-uitwisseling). In het algemeen is dit toch van minder belang. Bij het ontwerp van een civiele constructie met fijnkorrelig materiaal moet met de vochtafhankelijkheid van de eigenschappen rekening worden gehouden. Daartoe moet de vochtbelasting vast staan. Bij een aanleggen van een zandbed, dient dit zo droog mogelijk te zijn om opvriezen en daarmee uitzetting te voorkomen. Een goede ontwatering is hier dus noodzakelijk.

349

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

Dictaat betondeel

Documents

Transcript of Dictaat betondeel