Duurzaamheid van zeer open beton

Katholieke Universitiet Leuven

Faculteit Toegepaste Wetenschappen

Departement Burgerlijke Bouwkunde

DUURZAAMHEID VAN

ZEER OPEN BETON

Promotor : Prof. Dr. ir. D. Van Gemert Assessoren : Prof. Dr. ir. L. Vandewalle

ir. A. Beeldens

Eindwerk voorgedragen tot het behalen van de graad van Burgerlijk Bouwkundig Ingenieur door

Bram Cornelis E 2000 Anne-Séverine Poupeleer

Het opstellen van een nieuwe theorie is niet hetzelfde als het slopen van een oude schuur om op die plaats een wolkenkrabber te bouwen. Het lijkt veel meer op het beklimmen van een berg, waarbij we nieuwe en weidse gezichten aanschouwen en waarbij we onverwachte verbindingen ontdekken tussen ons uitgangspunt en zijn rijke omgeving.

A. Einstein, The evolution of physics (1938)

Katholieke Universitiet Leuven

Faculteit Toegepaste Wetenschappen

Departement Burgerlijke Bouwkunde

DUURZAAMHEID VAN

ZEER OPEN BETON

Promotor : Prof. Dr. ir. D. Van Gemert Assessoren : Prof. Dr. ir. L. Vandewalle

ir. A. Beeldens

Eindwerk voorgedragen tot het behalen van de graad van Burgerlijk Bouwkundig Ingenieur door

Bram Cornelis E 2000 Anne-Séverine Poupeleer

Toelating tot bruikleen

Duurzaamheid van zeer open beton i

Toelating tot bruikleen De auteurs geven de toelating deze eindverhandeling voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor eigen gebruik. Elk ander gebruik valt onder de strikte beperkingen van het auteursrecht; in het bijzonder wordt er gewezen op de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze eindverhandeling.

Leuven, mei 2000

Voorwoord

Duurzaamheid van zeer open beton ii

Voorwoord Wij houden ons eraan om enkele mensen te bedanken voor hun steun en onvoorwaardelijke inzet bij de realisatie van dit eindwerk. In de eerste plaats denken we hierbij aan onze promotor Prof. Dr. ir. D. Van Gemert voor zijn interesse in deze materie en voor zijn richtgevend advies bij het verloop van het eindwerk. Ook willen we ir. A. Beeldens en Prof. Dr. ir. L. Vandewalle bedanken voor hun waardevolle bijdrage. Verder maken we van deze gelegenheid ook graag gebruik om het technisch personeel van het labo Burgerlijke Bouwkunde te bedanken voor de vele praktische tips en de begeleiding bij het uitvoeren van onze vele proeven. Zonder hun hadden we het drukke testprogramma onmogelijk binnen de voorziene tijd kunnen afwerken. Hun sympathieke begeleiding en de leuke babbel tussendoor maakten het zware werk al veel lichter. Bijzonder veel dank gaat ook uit naar Gerda voor haar hulp bij de SEM-analyse. We weten dat het soms moeilijk was en veel geduld en tijd vroeg, maar nooit was het haar te veel. Daarnaast gaat ook een woord van dank uit naar Ing. M. Van Messem die ons op de hoogte heeft gesteld van de geschiedenis en enkele praktische details in verband met de proefvakken in Herne, waar hij leidend ambtenaar was. Ook heeft hij ons de coördinaten gegeven van enkele mensen die ons geholpen hebben bij het zetten van de eerste stappen in de goede richting van onze thesis. Zo danken we ook P. Van Audenhove van het labo CRIC voor zijn technische uitleg en ir. Cl. Ployaert voor de deskundige raad. Verder hebben ir. Maria Kastelis en ir. F. Fuchs van het O.C.W. ons ook in het begin enorm geholpen door de vele literatuur die ze ter onzer beschikking gesteld hebben. Tevens hebben we ook veel geleerd van de kritische commentaren die ir. B. De Blaere leverde tijdens een zeer boeiend gesprek. Ook waren we blij verrast door het ter beschikking stellen van de gebruikte zouten door Ing. B. Geukens van Akzo Nobel en de polymeren door de firma Hoechst en Master Builders. Speciaal willen we ook Gert in het zonnetje zetten voor zijn aanstekelijk goed humeur en de bemoedigende woorden in moeilijke tijden. En tenslotte, maar daarom zeker niet minder belangrijk, zouden we ook onze ouders en broers willen bedanken voor de geboden mogelijkheden, hun continue steun en aanmoedigingen, zowel in goede als in minder goede tijden. Gedurende vijf jaren hebben ze ons gesteund bij onze studies van burgerlijk ingenieur bouwkunde. Anne-Séverine en Bram

Samenvatting

Duurzaamheid van zeer open beton iii

Samenvatting Zeer open beton (ZOB) wegverhardingen bezitten dankzij hun hoge porositeit gunstige geluid- en drainage-eigenschappen. Om een voldoende duurzaamheid en sterkte te garanderen worden polymeren toegevoegd. In dit eindwerk wordt de invloed van de parameters p/c-factor, polymeertype en intervaltijd op de duurzaamheid van ZOB onderzocht. De porositeit van het beton speelt hierbij een belangrijke rol. Omdat bij een mortelonderzoek deze macro-poriën geëlimineerd worden en bijgevolg de invloed van de polymeermodificatie op de materiaaleigenschappen duidelijker zichtbaar wordt, is eveneens een testprogramma voor polymeergemodificeerde mortels uitgevoerd. Vooreerst werden standaardproeven op polymeergemodificeerde mortel en beton uitgevoerd. Vervolgens werd de invloed van de verschillende parameters nagegaan op de vorst- en dooizoutbestendigheid van SBR- en SAE-gemodificeerde proefstukken. Om de bekomen resultaten te kunnen verklaren werd de microstructuur van de proefstukken onderzocht met behulp van een SEM-analyse.

Abstract Porous Concrete road pavements have good drainage effects and noise reducing capacities due the large accessible porosity. Polymer emulsions are added to obtain a sufficient strength and durability. This thesis discusses the influence of the polymer-cement ratio, the polymer type and the ‘interval time’ on the durability of Porous Concrete. The porosity has a great influence on the properties of Porous Concrete. By studying polymer modified mortars this factor can be eliminated. Because of this an additional test program for polymer mortars is executed in which the influence of polymer modification is investigated. First of all standard tests of polymer modified mortar and concrete are executed. In the next step the influences of the different parameters on the freeze-thaw resistance of SBR and SAE modified samples are investigated. To explain the results of the durability-tests and the adhesion phenomenon it is very important to understand the microstructure. Therefore a detailed SEM-analyse has been carried out.

Inhoudsopgave

Duurzaamheid van zeer open beton iv

Inhoudsopgave

1. INLEIDING 1

2. MATERIALEN EN SAMENSTELLING 3

2.1 BETONMENGSELS : SAMENGESTELDE PROEFS TUKKEN (ZOB/GB) 4 2.1.1 ZEER OPEN BETON 4 2.1.1.1 Basissamenstelling 4 2.1.1.2 Materialen 4 2.1.1.2.1 Steenslag 4 2.1.1.2.2 Zand 5 2.1.1.2.3 Cement 5 2.1.1.2.4 Polymeeremulsie 6 2.1.1.2.5 Water 6 2.1.1.3 Aanmaak 6 2.1.1.3.1 Mengen 6 2.1.1.3.2 Trillen 6 2.1.2 HET SUBSTRAAT 7 2.1.2.1 Basissamenstelling 7 2.1.2.2 Aanmaak 7 2.1.3 DETAIL VAN DE PLAAT 7 2.1.3.1 Detail van een doorsnede 7 2.1.3.2 Overzicht van de samenstellingen van het ZOB 8 2.1.4 BEWAAROMSTANDIGHEDEN 9 2.2 DE ELF MORTELMENGSELS 10 2.2.1 DE SAMENSTELLING 10 2.2.2 AANMAAK 11

3. HET TESTPROGRAMMA 12

3.1 PROEVEN OP DE VERSE SPECIE 12 3.2 PROEVEN OP DE VERHARDE SPECIE 12 3.2.1 OP 28 DAGEN 12 3.2.2 NA 28 DAGEN 12 3.2.2.1 Trekkoppen op 56 en 100 dagen 12 3.2.2.2 Duurzaamheidsproeven 13 3.2.2.2.1 Proeven op dooizoutbestendigheid 13 3.2.2.2.2 Proeven op vorstbestendigheid 14 3.2.2.3 SEM-onderzoek 14

4. STANDAARDPROEVEN 15

4.1 POROSITEIT 15 4.1.1 VERSCHILLENDE MEETMETHODES 16 4.1.1.1 Bepaling van de droge volumemassa 16 4.1.1.2 Bepaling van de porositeit met behulp van een excicator 16 4.1.1.3 Onder water weging 18 4.1.2 BESLUIT POROSITEIT 19 4.2 PROEVEN OP VERSE SPECIE 20 4.2.1 CONSISTENTIE 20

Inhoudsopgave

Duurzaamheid van zeer open beton v

4.2.2 HET LUCHTGEHALTE VAN DE VERSE SPECIE 22 4.3 PROEVEN OP VERHARDE SPECIE OP 28 DAGEN 23 4.3.1 RESULTATEN VOOR DE ZOB PROEFSTUKKEN 23 4.3.1.1 Sterkte 23 4.3.1.1.1 Druksterkte 23 4.3.1.1.2 Buigtreksterkte 24 4.3.1.2 E-modulus 25 4.3.2 RESULTATEN VAN HET MORTELONDERZOEK 26 4.3.2.1 Sterkte 26 4.3.2.1.1 Druksterkte 26 4.3.2.1.2 Buigtreksterkte 27 4.3.2.2 E-modulus 27 4.3.3 BESLUIT 28

5. MICROSTRUCTUUR 30

5.1 EMULSIEPOLYMERISATIE 31 5.2 BESPREKING VAN DE GEBRUIKTE POLYMEREN 34 5.2.1 ALGEMENE INDELING VAN POLYMEREN 34 5.2.2 SBR EN SAE 36 5.2.3 EIGENSCHAPPEN 38 5.2.3.1 Minimum filmvormingstemperatuur van de polymeren 38 5.2.3.2 Hoeveelheid vaste stof 41 5.3 OVERZICHT VAN DE VERSCHILLENDE MODELLEN 42 5.3.1 DE VISIE VAN OHAMA 42 5.3.2 DE VISIE VAN BIJEN 45 5.3.3 DE VISIE VAN PUTERMAN 46 5.3.4 VERDERE BEMERKINGEN OVER HET FILMVORMINGSFENOMEEN EN DE HYDRATATIE 48 5.3.5 DE VISIE VAN A. BEELDENS 49 5.4 MICROSTRUCTUURONDERZO EK 51 5.4.1 DE SCANNING ELECTRON MICROSCOPE 51 5.4.1.1 Het principe en de werking 51 5.4.1.2 Beperkingen 52 5.4.2 DE EDX-ANALYSE 52 5.4.2.1 Het principe en de werking 52 5.4.2.2 Beperkingen 53 5.4.3 ONDERZOEKSMETHODE 53 5.4.4 ONDERZOEK VAN DE REFERENTIEPROEFSTUKKEN VAN DE MORTELMENGSELS 54 5.4.4.1 Waarnemingen bij Styreen-butadieen-rubber 54 5.4.4.1.1 Mortelmengsel met 5% SBR 54 5.4.4.1.2 Mortelmengsel met 10% SBR 57 5.4.4.1.3 Mortelmengsel met 15% SBR 60 5.4.4.1.4 Mortelmengsel met 20% SBR 61 5.4.4.2 Samenvatting en bespreking 65 5.4.4.3 Waarnemingen bij Styreen-Acrylaat-Ester 67 5.4.4.3.1 Mortelmengsel met 5% SAE 67 5.4.4.3.2 Mortelmengsel met 10% SAE 70 5.4.4.3.3 Mortelmengsel met 15% SAE 72 5.4.4.3.4 Mortelmengsel met 20% SAE 76 5.4.4.4 Samenvatting en bespreking 78 5.4.5 ONDERZOEK VAN DE REFERENTIEPROEFSTUKKEN VAN HET ZOB 80 5.4.5.1 Gezaagde ZOB proefstukken 80 5.4.5.1.1 ZOB met 15% SBR 80 5.4.5.1.2 ZOB met 5% SAE 80 5.4.5.1.3 ZOB met 15% SAE 81

Inhoudsopgave

Duurzaamheid van zeer open beton vi

5.4.5.2 Gebroken ZOB proefstukken 82 5.4.5.2.1 ZOB met 10% SBR 82 5.4.5.2.2 ZOB met 15% SBR 83 5.4.5.2.3 ZOB met 10% SAE 84 5.4.5.2.4 ZOB met 15% SAE 85

6. DUURZAAMHEID 86

6.1 MECHANISMEN VAN VORSTSCHADE 87 6.1.1 VORST EN DOOI 87 6.1.2 DOOIZOUTEN 88 6.2 DUURZAAMHEIDPROEVEN BIJ POLYMEERGEMODIFIC EERDE MORTEL EN BETON 89 6.2.1 INLEIDENDE BESCHOUWINGEN 89 6.2.2 RESULTATEN EN BESPREKING 91 6.2.2.1 Bestandheid tegen dooizouten 91 6.2.2.1.1 Resultaten voor mortel 91 6.2.2.1.2 Resultaten voor ZOB 95 6.2.2.1.3 Trekkoppen na vorst-dooicycli met dooizouten 99 6.2.2.2 Vorst en dooi 100 6.3 BESLUIT 102

7. ADHESIE 103

7.1 LITERATUUROVERZICHT 103 7.1.1 ADHESIE MECHANISME VAN OHAMA 103 7.1.2 BELANGRIJKE PARAMETERS BIJ DE BEPALING VAN DE ADHESIE 105 7.2 ADHES IE ONDERZOEK BIJ ZOB 107 7.2.1 PROEFOPSTELLING 107 7.2.2 SOORTEN BREUKEN 107 7.2.3 RESULTATEN EN BESPREKING 109 7.2.3.1 Trekspanningen en breukgedrag 109 7.2.3.1.1 Trekspanning 109 7.2.3.1.2 Plaats van de breuk 109 7.2.3.1.3 Soorten breuken 111 7.2.3.1.4 Verklaring op basis van de miscrostructuur 113 7.2.3.2 Bespreking van de resultaten met de methode van Pareek 114 7.2.3.2.1 Hechtsterkte op referentieproefstukken 115 7.2.3.2.2 Methode van Pareek toegepast op vorst-dooicycli met dooizouten 116 7.2.3.2.3 Methode van Pareek toegepast op vorst-dooicycli zonder dooizouten 117 7.3 BESLUIT 118

8. BESLUIT 119

REFERENTIES 121

BIJLAGE 125

FIGUREN 127

TABELLEN 130

Inhoudsopgave

Duurzaamheid van zeer open beton vii

Inleiding

1

1. Inleiding

1

Inleiding Het particulier autoverkeer en het goederentransport per vrachtwagen kennen de laatste decennia een enorme groei. Door deze toename neemt de belasting van het milieu alsmaar toe. Niet alleen luchtvervuiling door de uitlaatgassen, files, parkeerproblemen maar ook verkeerslawaai en een stijgend aantal verkeersslachtoffers zijn belangrijke negatieve aspecten die de uitbreiding en verdere ontwikkeling van de verkeersinfrastructuur met zich meegebracht hebben. Wat lawaaihinder betreft speelt de wegbedekking en meer bepaald de oppervlaktetextuur en de dikte van de toplaag een belangrijke rol. In dicht bebouwde landen wordt er naar alternatieve wegverhardingen gezocht. Zo zullen wegbedekkingen met een open structuur het geluid een lagere frequentie geven en aldus doffer en minder storend maken voor het gehoor. Het is de grotere porositeit waaraan open verhardingen hun goede akoestische eigenschappen te danken hebben. Ten opzichte van gesloten wegbedekkingen biedt een open wegstructuur ook een betere oplossing voor opspattend water, aquaplanning, … . Sedert een tiental jaren worden in verscheidene landen autowegen voorzien van Zeer Open Asfalt (ZOAB). Onder meer omwille van problemen met wintergladheid van dit asfalt wordt in sommige landen geëxperimenteerd met open cementbeton [1]. Het Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, departement Leefmilieu en Infrastructuur, afdeling Vlaams-Brabant startte in 1996 te Herne en te Galmaarden (op 30 km ten zuidwesten van Brussel) een proefproject om geluidarme cementbetonverhardingen te testen en te vergelijken met ‘stille’ bitumineuze verhardingen, op zowel akoestisch, bouwtechnisch als financieel vlak. Dit onderzoek liep in samenwerking met het Opzoekingscentrum voor de Wegenbouw, het Opzoekingscentrum van de Belgische Cementnijverheid en de laboratoria Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit van Leuven en van de Universiteit van Gent. Op een doorgaand gewapende cementbetonverharding werden vier toplagen aangelegd : een steenmastiekasfalt SMA 0/14, een zeer open beton ZOB 0/7, een zeer open asfaltbeton ZOAB 0/14 (aangelegd met een tussenliggende Stress Absorbing Membrane Interlayer, SAMI ) en een fijn beton 0/7 [2]. Op basis van de Nederlandse ervaring met het aanbrengen van ZOB toplagen op de verharde onderlaag werd beslist enkel de ‘nat-in-nat methode’ in het project op te nemen. Vooral omwille van uitvoertechnische en economische redenen wordt deze techniek nog niet op grote schaal toegepast. De methode is vrij delicaat en relatief duur. Bovendien heeft open beton net als open asfalt het nadeel dat de poriën kunnen dichtslibben met als gevolg dat de gunstige effecten van de open structuur verdwijnen. Duurzaamheid is een belangrijk aspect bij het beoordelen van een bepaald bouwelement. Een weinig duurzaam bouwmateriaal zal vlug leiden tot allerhande schade. Zo worden wegverhardingen niet alleen op grote schaal blootgesteld aan alle weersomstandigheden maar ook aan UV-licht en wind. Voor wegenbeton is de bestandheid tegen vorst en tegen

Inleiding

2

chemische dooimiddelen van fundamenteel belang. In deze thesis wordt dan ook wat duurzaamheid betreft verder ingegaan op het aspect van de vorstschade en de aantasting door dooizouten van ZOB. Deze open structuur bezit immers een totaal ander thermisch gedrag dan gesloten wegverhardingen. Door een gepast steenskelet te gebruiken, probeert men een open structuur met ongeveer 25% toegankelijke poriën te maken. Om een voldoende duurzaamheid en sterkte te garanderen wordt polymeer toegevoegd. Uit voorgaande proeven is gebleken dat styreen-acrylaat en styreen-butadieen de beste resultaten op het gebied van sterkte gaven. Daarom is bij deze polymeren de invloed van de p/c-factor onderzocht. 5% bleek hierbij echter wel een minimum te zijn om nog een goede verwerkbaarheid te garanderen en 12% is uiteindelijk als optimum uit de bus gekomen. Deze polymeren worden in dit onderzoek verder getest om na te gaan welke invloed de verschillende parameters zoals het polymeertype, de p/c-factor, de intervaltijd ( = de tijd tussen het aanbrengen van de laag wegenbeton en de toplaag ZOB), … op het wintergedrag uitoefenen. Als basissamenstelling van het ZOB wordt in deze studie vertrokken van de resultaten ontleend aan een Europees studieproject, het Brite-Euram rapport BE 3415 ‘Optimization of the Surface Properties of concrete Roads in Accordance with Environmental Acceptance and traffic Safety’ [3], voorgaande onderzoeken [4] en praktijkervaringen te Herne. Hieruit is een optimale betonsamenstelling wat betreft geluidsreductie en bestandheid tegen stroefheid naar voren gekomen. In deze thesis wordt onder andere nagegaan of deze experimenteel bepaalde cementbetonverharding, ook goede resultaten geeft wat betreft duurzaamheid en meer bepaald het wintergedrag. Vooraleer dieper in te gaan op het specifiek wintergedrag van het ZOB zullen eerst de resultaten van de standaardproeven op de verse en verharde specie besproken worden (slump, flow, dynamische E-modulus, … ). Bij de structuur van het ZOB kunnen drie fasen onderscheiden worden: de aggregaten, de cementmatrix met polymeer en de poriën. De sterkte en de duurzaamheid van het open beton hangt onder meer af van de mortelmatrix en de adhesie van deze matrix aan de aggregaten. Als de porositeit constant blijft, zal een sterkere mortel of een betere adhesie mortel-aggregaat moeten verwezenlijkt worden, om een stijging van de sterkte te bekomen. Zowel bij de duurzaamheid als bij de sterkte van het ZOB zal de porositeit van het polymeerbeton een belangrijke factor zijn. In een bijkomend mortelonderzoek wordt de porositeit uitgeschakeld. Door alleen de polymeermortel te beschouwen wordt de invloed van polymeermodificatie op de verbeterde eigenschappen duidelijker zichtbaar. Voor de mortel zijn twee verschillende referentiesamenstellingen gebruikt : een standaardsamenstelling en een mortel met dezelfde samenstelling als de mortel van het ZOB. Om de resultaten te verklaren zal het ook belangrijk zijn dat het mechanisme van filmvorming en de structuur polymeerfilm-cementhydraten onderzocht wordt. Aangezien dit een zeer complex mechanisme is en tal van factoren een rol spelen, wordt in deze thesis een overzicht gegeven van de evolutie van de gedachtengangen over het filmvormingsmechanisme. De in dit onderzoek bekomen microstructuren worden met behulp van de Scanning Electron Microscope (SEM) geanalyseerd.

Materialen en samenstelling

Duurzaamheid van zeer open beton 3

2. Materialen en Samenstelling

2

Materialen en samenstelling Het toevoegen van polymeren leidt tot veranderde eigenschappen van mortels en beton. Afhankelijk van het gebruikte polymeertype, het polymeergehalte en de intervaltijd tussen de aanleg van de toplaag en het substraat kan de invloed van deze verschillende parameters op de al dan niet verbeterde kenmerken van polymeersystemen (sterkte, adhesie, E-modulus, duurzaamheid, poriëngehalte, …) onderzocht worden. Hiertoe werden acht verschillende mengsels ZOB aangemaakt en daarnaast nog elf verschillende polymeergemodificeerde mortelsamenstellingen. In eerste instantie werden acht platen (400 mm x 600 mm) aangemaakt die naar het voorbeeld van de reële proefvakken in Herne bestonden uit een toplaag van 40 mm ZOB die “nat in nat” aangebracht werd op een funderingslaag van 180 mm gewoon beton. Uit elke plaat werden vijftien cilinders met een diameter van 100 mm geboord. Hiervan werden negen proefstukken gebruikt voor proeven op dooizoutbestendigheid, drie voor vorst-dooicycli en de overige drie als referentie. Ook werden per plaat zes trekkoppen geplaatst om de adhesie te bepalen aan de hand van een rechtstreekse trekproef. Daarnaast werden van elk van de acht mengsel ook nog vijf à zes kubussen (zijde 150 mm) en twee balken (600 mm x 150 mm x 150 mm) aangemaakt voor de bepaling van de druksterkte en de buigsterkte op 28 dagen en van de porositeit van het mengsel. Van elk van de elf mortelsamenstellingen werden drie balkjes (40 mm x 40 mm x 160 mm) en negen cilinders ( ∅ 100 mm) aangemaakt. Met behulp van de balkjes werd de trek- en druksterkte op 28 dagen bepaald. Drie cilinders werden gebruikt ter bepaling van de bestandheid tegen dooizouten en drie voor vorst-dooicycli. De overige drie cilinders deden dienst als referentie.



2.1 Betonmengsels : samengestelde proefstukken (ZOB/GB) 2.1.1 Zeer Open Beton 2.1.1.1 Basissamenstelling Voor de samenstelling van het ZOB, die gebruikt is bij de aanmaak van de verschillende mengsels, werd uitgegaan van de gegevens die eerder in « State of the art report » van het Brite-Euram project BE 3415 [3] zijn gepubliceerd. Het was ook deze samenstelling (tabel 2.1) die gebruikt werd door ir. A. Beeldens [5] bij het uitvoeren van proeven die gebeurden in het kader van haar onderzoek naar de eigenschappen van rijwegverhardingen in beton met een zeer open structuur. Dit onderzoek werd gerealiseerd door de samenwerking van het laboratorium REYNTJENS van de KUL (Prof. Dr. Ir. D. Van Gemert) en het laboratorium MANGEL (RUG). Ook in Nederland werd met deze samenstelling al eerder geëxperimenteerd.

Componenten Hoeveelheid [kg/m³]

Porfiersteenslag 4/7 1352 Zand 0/1 89

Cement CEM III A 42.5 279 Polymeeremulsie (50% vast) 56

Water (exclusief het emulsiewater) 56 Tabel 2. 1 : Samenstelling van het ZOB met p/c = 10%

2.1.1.2 Materialen 2.1.1.2.1 Steenslag Door een porfiersteenslag 4/7 te gebruiken kan een gepast steenskelet voor een open wegstructuur bekomen worden. De keuze van de grootte van het steenslag is van cruciaal belang voor de latere structuur van het mengsel. Ze beïnvloedt in grote mate de uiteindelijke porositeit. Zo is het vooral van belang dat de range waarbinnen de verschillende korrelgroottes liggen niet te groot is. Dat zou immers leiden tot een te dichte structuur, doordat de kleine korrels de poriën tussen de grotere korrels opvullen. Studie van beton leert dat om een hoge druksterkte te bekomen net het tegenovergestelde moet nagestreefd worden. De wet van Feret [6] zegt immers dat een optimale druksterkte bekomen wordt, wanneer de holtes in het materiaal zo goed mogelijk gevuld worden met fijn materiaal. Hoewel het cement eigenlijk in mindere mate dienst doet als opvulmateriaal, is deze opvulling volgens hem toch afhankelijk van de kwaliteit van het cement en de concentratie van het cement in de lege ruimten van het inert skelet. Hiervoor verwijst hij naar een optimale W/C-factor. Natuurlijk komt het er in de eerste plaats vooral op neer om die holtes in het inerte skelet zo klein mogelijk te maken, terwijl bij het ZOB de holtes juist essentieel zijn. Deze voorgaande bemerking zal van belang zijn bij de bespreking van de resultaten van de druksterkte van het ZOB. Bij ZOB zou misschien ook kunnen gedacht worden aan grotere korrels, omdat dit aanleiding geeft tot een hogere porositeit. Hierdoor vermindert echter de effenheid van het oppervlak. Eveneens zal bij het gebruik van te grote korrels het specifiek oppervlak verkleinen zodat een



slechtere hechting tussen de aggregaten bekomen wordt. Vandaar de keuze voor porfiersteenslag 4/7. Voor het laatste mengsel moest om praktische redenen overgeschakeld worden op een ander granulaat. Er kon gekozen worden tussen twee beschikbare steenslagmengsels namelijk een korrelverdeling 2/7 of een 4/7 (welke gebruikt werd bij een ander lopend onderzoek in verband met snelhardend beton). Omdat dit mengsel op het eerste zicht niet op de oorspronkelijke 4/7 (gebruikt bij de ZOB samenstelling) leek, werden de zeefkrommen (bijlage 2.1 A.1, figuur 2.1) van de verschillende porfiersoorten bepaald. Uit die zeefcurve blijkt dat de korrelverdeling van 4/7 gebruikt voor de eerste zeven mengsels ZOB tussen die van de ‘nieuwe’ 2/7 en 4/7 (gebruikt bij het snelhardend beton) ligt. Bovendien is de curve van de oorspronkelijke 4/7 veel steiler. Dit betekent dat de range kleiner is, met een meer open structuur tot gevolg. Voor de aanmaak van het laatste mengsel ZOB werd geopteerd voor het granulaat 4/7 van het snelhardend beton omdat deze de kleinste range had. Er is echter wel een groot verschil met de oorspronkelijk gebruikte 4/7 merkbaar (bijlage 2.1 A.1, figuur 2.2 en 2.3). Naast de grotere range is er in de korrelverdeling van het kleine percentage fijne korrels een grotere variatie dan bij het oorspronkelijk granulaat, wat een dichter mengsel tot gevolg kan hebben. Hiermej zal verder bij de verklaringen van optredende fenomenen dan ook rekening moeten gehouden worden. Het is echter niet alleen de korrelgrootte die de porositeit kan beïnvloeden, maar ook de vorm van de korrels. Een mogelijke verklaring voor het feit dat de zone waar effectief holtes waarneembaar zijn, niet altijd zo groot is als gewenst, is dat de korrels niet kubisch genoeg zijn. Bij de mogelijke korrelvormen [7] worden ronde, hoekige en gemengde vormen onderscheiden. Steenslag, waaronder ook de grove granulaten 4/7 worden verondersteld een hoekige vorm te hebben. Dit vermindert de verwerkbaarheid, maar verbetert de stabiliteit. Naargelang het soortelijk oppervlak (verhouding tussen de oppervlakte en de massa van de korrels) worden kubus- of kogelvormige korrels met een klein soortelijk oppervlak en platte of naaldvormige korrels met een groot soortelijk oppervlak onderscheiden. De eerste soort levert een verbeterde verwerkbaarheid en een minimale behoefte aan omhullingsmortel op terwijl dit bij het tweede type korrel net het omgekeerde is. Problemen in verband met het behalen van de nodige porositeit treden op als er teveel platte en naaldvormige korrels zijn. Deze zullen immers de holtes opvullen en een dichtere structuur realiseren. Om een ideale open structuur te bekomen zouden alle porfierstenen 4/7 kubisch moeten zijn. Het niet kubisch zijn van de korrels kan een dichtere structuur tot gevolg hebben. Als besluit kan hier gesteld worden dat om een zo open mogelijke structuur te bekomen de korrelverdeling des te nauwer (kleine D/d-verhouding) moet zijn en de korrels des te hoekiger. 2.1.1.2.2 Zand Het gebruikte zand heeft een deeltjesgrootte van 0 tot 1 mm. Hoe fijner het zand, hoe lager de porositeit in het geval van een continue korrelverdeling. Door gebruik te maken van een fijn zand worden de kleine poriën gevuld maar blijven de watertoegankelijke poriën wel open. 2.1.1.2.3 Cement Daar in de wegenbouw in België een hoogovencement gebruikelijk is, werd ook in dit onderzoek geopteerd voor dit cement, namelijk. een CEM III A met 32% tot 64% slak, in overeenstemming met de NBN B12-001. Deze bevat ook minder klinker dan portlandcement. Het gebruikte cement is een laag alkalicement met een druksterkte tussen 42.5 en 62.5 N/mm²



op 28 dagen volgens de norm NBN B12-001. Het alkaligehalte wordt uitgedrukt in %NA2 equivalent (N: alkalioxyden, A: Aluminiumoxyde) en is voor CEM III/A begrensd tot 0.9%. 2.1.1.2.4 Polymeeremulsie Uit voorgaand onderzoek van ir. Anne Beeldens [8] is gebleken dat een styreen-acrylaat-ester (SAE) ‘Mowilith LDM 6880’ goede resultaten opleverde wat betreft de sterkte-eigenschappen van het ZOB. Ook uit een onderzoek in Gent [4] bleek SAE qua hechting en duurzaamheid een zeer goede oplossing. In dit onderzoek werd dan ook met dit type polymeer verder gewerkt. Daar bovendien de minimum filmvormingstemperatuur (MFT) en de chemische opbouw van het polymeer belangrijke factoren kunnen zijn in het duurzaamheidonderzoek en bij het bepalen van de sterktes, werden ook proefstukken aangemaakt met een ander type polymeer, namelijk een styreen-butadieenemulsie (SBR) “Reomix L6006”. Uit verder onderzoek (§ 5.2.3.1) zal blijken dat SBR immers een MFT van 5°C bezit, terwijl de gemiddelde MFT van SAE 32°C bedraagt. Verder valt op te merken dat de gebruikte polymeeremulsies 50% vaste stof bezitten. Dit is nagegaan door weging na drogen bij 105°C (bijlage 2.1 A.2). Hiermee moet rekening gehouden worden bij het bepalen van de polymeer-cementverhouding (= p/c-factor). De p/c-factor [gewicht%] wordt immers als volgt bepaald:

p/c [%] = d cementhoeveelhei

ymeer%) v/h polase (id vaste f hoeveelhe 50

2.1.1.2.5 Water De water/cement-factor (W/C) voor het ZOB wordt gelijk genomen aan 0,3. Hierbij wordt de waterfase van het polymeer in rekening gebracht. 2.1.1.3 Aanmaak 2.1.1.3.1 Mengen Voor het bereiden van het ZOB werd eerst het grind, vervolgens het zand en tenslotte het cement in een mixer gedaan. Tijdens het mengen werd achtereenvolgens het water en het polymeer toegevoegd. Nadien werd nog twee minuten verder gemixt. Per mengsel werden dan telkens vijf à zes kubussen (zijde 150 mm), twee balken (150 x 150 x 600 mm) en de toplaag (dikte 40 mm) van de plaat aangemaakt. 2.1.1.3.2 Trillen Na het aanbrengen van de helft van de specie en na het volledig vullen, werd telkens gedurende vijf seconden getrild. Verder werd het ZOB manueel vlak gemaakt met een truweel. Deze manier van trillen is gekozen naar het voorbeeld van de trillingsmethode die gebruikt werd in het voorgaande onderzoek van A. Beeldens. Zo was het mogelijk om een gelijkaardig beton te bekomen met eenzelfde verdichtingsgraad. Bijgevolg kunnen de resultaten vergeleken worden met deze uit het voorgaand onderzoek, zodat erop kan verder gebouwd worden. Op te merken valt wel dat deze manier van verdichten enige nadelen heeft. Doordat van onder naar boven getrild wordt, dient eerst de onderste specie (wegenbeton) aan



het trillen gebracht te worden vooraleer het ZOB de trillingen ondervindt. Dit is in de realiteit (proefvakken in Herne) niet het geval. Daar werd er logischerwijs van boven naar beneden getrild, wat veel efficiënter is. Bovendien zal door onderaan trillingsgolven aan te leggen, het ZOB in het gewone beton getrild worden. In plaats van een toplaag van 40 mm effectief open beton wordt een dunnere laag, die écht open is, gevolgd door een tamelijk grote overgangslaag van ZOB en wegenbeton. Onder die overgangslaag komt dan het gewone wegenbeton. 2.1.2 Het substraat 2.1.2.1 Basissamenstelling Voor de samenstelling van het substraat werd geopteerd voor hetzelfde beton als bij de proefvakken in Herne. De samenstelling is weergegeven in tabel 2.2.

Componenten Hoeveelheid [kg/m³] Porfiersteenslag 20/32 540 Porfiersteenslag 7/20 500 Porfiersteenslag 2/7 380

Rivierzand 0/5 580 Cement CEM III A 42.5 380

Luchtbelvormer 0.4 Water 163

Tabel 2. 2 : Samenstelling van de onderlaag wegenbeton

2.1.2.2 Aanmaak In een tegenstroommenger (capaciteit: 50 liter) werden eerst gedurende één minuut de inerte stoffen, het cement en het zand gemixt. Vervolgens werden tijdens het mengen het leidingwater en de luchtbelvormer toegevoegd, gevolgd door nog twee minuten mixen. Per mengsels waren twee mengbeurten nodig om een laag van 180 mm aan te brengen voor de plaat en om drie kubussen te vervaardigen. De proefstukken werden tijdens het vervaardigen verdicht op een triltafel gedurende ongeveer zeven seconden.

2.1.3 Detail van de plaat

2.1.3.1 Detail van een doorsnede Eén van de geluidsarme cementbetonverhardingen in Herne, is een ZOB. Het wegdek bestaat uit een funderingslaag doorlopend gewapend wegenbeton met een dikte van 180 mm waarop “nat in nat” een toplaag ZOB aangebracht is met een dikte van 40 mm (figuur 2.1). Deze dikte werd gekozen in functie van de gewenste geluidsabsorberende eigenschappen.



Figuur 2. 1 : Gedetailleerde dwarsdoorsnede van de plaat

Er werd hier enkel geopteerd voor de “nat in nat” uitvoeringsmethode omdat in Nederland al aangetoond is dat het aanbrengen van de toplaag ZOB op de verharde onderlaag in doorlopend gewapend beton (= nat in droog) problemen met de hechting kan teweeg brengen. Verder werd een onderscheid gemaakt tussen een intervaltijd van twee en vier uur. Deze tijd is de tijdspanne die verloopt tussen het aanbrengen van het substraat en de open toplaag. 2.1.3.2 Overzicht van de samenstellingen van het ZOB In dit onderzoek wordt bij de ZOB mengsels gekozen voor een p/c-factor van 5%, 10% en 15%. Hierbij vormt 5% een ondergrens om nog een voldoende goede verwerkbaarheid te kunnen garanderen. 15% wordt als bovengrens vooropgesteld omdat polymeren vrij duur zijn en de kostprijs van het ZOB anders te hoog zou oplopen. Twee reeksen mengsels worden aangemaakt: één met het polymeer SBR (PLAAT 1 tot en met 4) en één met SAE (PLAAT 5 tot en met 8). Bij elk polymeer variëert de p/c-factor van 5%, 10% tot 15% en bij 10% wordt nog een onderscheid gemaakt tussen een intervaltijd van 2 en 4 uur. Verder wordt de W/C-factor constant gehouden op 0.3, waardoor alle grootheden vastliggen. In tabel 6.3 worden de verschillende parameters voor de 8 mengsels samengevat.

Mengsel p/c-factor Polymeertype Tussentijd Plaat 1 5% SBR 2h Plaat 2 15% SBR 2h Plaat 3 10% SBR 2h Plaat 4 10% SBR 4h Plaat 5 15% SAE 2h Plaat 6 5% SAE 2h Plaat 7 10% SAE 2h Plaat 8 10% SAE 4h

Tabel 2. 3 : Overzicht van de samenstelling van de verschillende platen

De exacte samenstellingen (bijlage 2.1 B) van deze verschillende platen worden als volgt berekend. Voor het ZOB dient eerst de hoeveelheid polumeeremulsie (50% vaste stof) bepaald te worden aan de hand van de p/c-factor. Eens het polymeergehalte vastligt kan men berekenen hoeveel water er nodig is om een constante W/C-factor van 0.3 te bekomen. Tabel 2.4 vat de samenstellingen van de ZOB van de acht mengsels samen.



Componenten Hoeveelheid

[kg/m³] Hoeveelheid

[kg/m³] Hoeveelheid

[kg/m³] Plaat 1 & 6 (2h) Plaat 2 & 5 (2h) Plaat 3 & 7 (2h)

Plaat 4 & 8 (4h) Porfiersteenslag 4/7 1352 1352 1352

Zand 0/1 89 89 89 Cement CEM III A 42.5 279 279 279

Polymeeremulsie (50% vast) 28 83.7 56 Water (exclusief water in emuslie) 70 41.9 56

Tabel 2. 4 : Samenstelling van de toplaag ZOB van de acht platen

2.1.4 Bewaaromstandigheden Na het aanmaken werden alle proefstukken onmiddellijk bedekt met een plastic folie gedurende één dag om uitdroging tegen te gaan. Verder werden ze bewaard op +/- 16.5°C en 50% RV. Deze bewaaromstandigheden spelen een belangrijke rol temeer doordat het gedrag van polymeren heel temperatuurs- en vochtigheidsafhankelijk is.



2.2 De elf mortelmengsels 2.2.1 De samenstelling In het onderzoek naar de duurzaamheid van polymeermortel wordt vooral de invloed van de p/c-factor (0%, 5%, 10%, 15%, 20% ) en van het polymeertype (SAE en SBR) nagegaan. Om enigszins een referentie te hebben kan ofwel met een constante W/C-factor ofwel met een constante flow gewerkt worden. Aangezien bij hoge polymeergehaltes te plastische, vloeibare mengsels verkregen worden bij constante W/C, wordt gekozen om de flow constant te houden (gelijk aan de flow van het referentiemengsel zonder polymeermodificatie). De techniek bestaat erin om zoveel mogelijk parameters constant te houden om zo de invloed van het variërende polymeergehalte te onderzoeken. Dit is de hoofdreden waarom dit parallel onderzoek in mortel wordt uitgevoerd. Op deze manier wordt immers het probleem van de polymeermortel uit het groter geheel (ZOB) geïsoleerd en kan bijgevolg beter onderzocht worden. De invloed van de granulaten en holtes wordt immers tijdelijk buiten beschouwing gelaten. Natuurlijk spelen die een belangrijke rol, maar het is wenselijk eerst het gedrag van de polymeren in deze mortels te achterhalen alvorens de werking ervan te onderzoeken in het complexe geheel van de betonmatrix. Met dit in het achterhoofd werd gestart met een standaardsamenstelling voor de aanmaak van polymeermortels. Nadien werden echter ook twee mortels aangemaakt met dezelfde samenstelling als die van het ZOB. Daar echter het gebruik van zand 0/1 problemen opleverde op het vlak van de consistentie werd ook hier overgeschakeld op het gebruik van normzand maar wel met behoud van dezelfde hoeveelheden als bij het ZOB. Om de exacte samenstelling van de polymeermortels te vinden is een ‘try and error’-procedure toegepast. Door de W/C-factor te variëren kan op een iteratieve wijze (bijlage 2.2.A.1) naar die constante flow van het referentiemengsel gestreefd worden. Zo heeft men vertrekkende van een W/C-factor van 0,3 correcties aan de menghoeveelheden aangebracht tot een flow van 1.57 +/- 0.05 bekomen wordt. De uiteindelijke samenstellingen worden in tabel 2.5 en 2.6 weergegeven. Referentiemengsel ZOB-samenstelling SBR SAE p/c-factor [%] 0% 10% 10% Flow [-] 1.57 1.59 1.61 W/C-factor [-] 0.3 0.175 0.195 Componenten [kg/m³] [kg/m³] [kg/m³] Normzand 1350 339.7 339.7 Cement CEM III/A 42.5 450 1064.9 1064.9 Polymeeremulsie 0 213.7 213.7 Water 225 79.5 100.8

Tabel 2. 5 : Samenstelling van de referentie mortelmengsels en de mortelmengsels met ZOB samenstelling



SBR SAE p/c-factor [%] 5% 10% 15% 20% 5% 10% 15% 20% Flow [-] 1.58 1.56 1.61 1.61 1.57 1.61 1.59 1.59 W/C-factor [-] 0.36 0.293 0.265 0.233 0.4 0.318 0.281 0.27 Componenten [kg/m³] [kg/m³] [kg/m³] [kg/m³] [kg/m³] [kg/m³] [kg/m³] [kg/m³]

Normzand 1350 1350 1350 1350 1350 1350 1350 1350 Cement CEM III/A 42.5

450 450 450 450 450 450 450 450

Polymeeremulsie 45 90 135 180 45 90 135 180 Water 139.5 87 51.75 14.85 157.5 98.1 58.95 31.5

Tabel 2. 6 : Standaardsamenstelling van de mortels voor de verschillende p/c-factoren

2.2.2 Aanmaak Het mengen van de mortel met een p/c-factor van 0% gebeurde volgens de voorschriften van de norm NBN B12-208. De mengprocedure [9] voor een polymeermortel verliep als volgt : in de mixer werd eerst op lage snelheid het fijn zand en het cement gemengd. Na twee minuten werd het water en het polymeer toegevoegd. Tenslotte werd dan hoge snelheid nog eens drie minuten gemengd totdat een homogene mortel bekomen werd. Na de bereiding van de mortel werden de proefstukken gevormd volgens NBN B12-208. Mortelbalkjes van 40 x 40 x 160 mm³ werden aangemaakt voor het bepalan van de druk- en buigsterkte. Voor duurzaamheidtesten zijn cilindervormige proefstukken (∅ 100 mm) vervaardigd.

Het testprogramma


3. Het testprogramma

3

Het testprogramma De hoofdproeven van deze thesis zijn de vorstbestendigheidsproeven en proeven op dooizoutbestendigheid. Vooraf werden ook andere proeven uitgevoerd op de verse en verharde mengsels. Op te merken valt wel dat voor ZOB nog geen specifieke norm is opgesteld.

3.1 Proeven op de verse specie Bij de betonmengsels ZOB en wegenbeton werd de verwerkbaarheid van de verse specie getest door middel van de flowtest in overeenstemming met de NBN B15-233 en de slumptest in overeenstemming met NBN B15-205. Het luchtgehalte van het ZOB werd bepaald volgens NBN B15-208. De flowtest op de verse mortel gebeurde in overeenstemming met NBN B14-207. Ook het luchtgehalte van de verse mortel werd bepaald aan de hand van NBN B14-219.

3.2 Proeven op de verharde specie 3.2.1 Op 28 dagen Wat betreft de proeven op de verharde specie werd op 28 dagen de dynamische E-modulus bepaald door meting van de geluidssnelheid volgens de norm NBN B15-229. Ook de mechanische eigenschappen van de verschillende mengsels zoals de druksterkte (NBN B15-220) en de buigsterkte (NBN B15-214) werden op 28 dagen bepaald, respectievelijk op kubussen met zijde 150 mm en op balken 150 mm x 150 mm x 600 mm. De bepaling van de buig- en de druksterkte van de mortel gebeurde op basis van de NBN B12-208 op balkjes van 40 x 40 x 160 mm en werd net zoals bij het beton voorafgegaan door de bepaling van de E-modulus. 3.2.2 Na 28 dagen 3.2.2.1 Trekkoppen op 56 en 100 dagen Om de treksterkte te bepalen werden metalen trekkoppen (∅ (50 ± 1) mm of ∅ (70 ± 1) mm) op de monsters geplakt met Epicol-U. Na uitharding werd geboord tot in het gesloten substraat. Bij de proefstukken ZOB gebeurde dit boren tot een diepte van 50 mm en bij de

Het testprogramma


mortel werd er 20 mm ingeboord. Nadien werd aan de hand van een treksterkteapparaat de nodige kracht opgemeten om het geheel los te trekken. Omwille van praktische overwegingen en omdat geen norm bestaat voor open beton werden de trekkoppen op 56 dagen getrokken, in tegenstelling tot de voorgeschreven 28 dagen bij het klassiek beton. Op de platen werden later op 100 dagen (na bewaring op 16,5°C en 50% RV) nog een extra serie trekkoppen geplaatst om de zaak verder te onderzoeken. De analyse van de plaats waar de breuk zich voordoet, de benodigde kracht en de hechting tussen de toplaag ZOB en de onderlaag wegenbeton is immers een belangrijk onderzoekspunt. 3.2.2.2 Duurzaamheidsproeven 3.2.2.2.1 Proeven op dooizoutbestendigheid Van de vijftien cilinders die uit elk van de acht platen geboord werden, waren er negen bestemd voor dooizoutproeven. Ze werden onderworpen aan 28 vorst-dooicycli, waarbij het oppervlak van de proefstukken bedekt werd met een 3% -waterige oplossing van drie veel gebruikte wegenzouten (fijn zout van Akzo Nobel, grof zout van Solvay en Dimix). Voor de technische specificaties van deze drie types wordt naar de bijlage 3.1.A verwezen. Na 7, 14 en 28 cycli (1 cyclus = 24 uur) werd het losgekomen materiaal verzameld, gedroogd en gewogen om aldus het massaverlies te bepalen. Op een analoge manier werden drie van de negen mortelcilinders gebruikt voor het uitvoeren van deze vriesproef. Als zout werd bij deze proeven NaCl gebruikt. Vooraleer deze proef met de dooizouten konden worden opgestart, moesten een aantal voorbereidende stappen ondernomen worden: - Na het boren werden eventuele splinters en losgekomen materiaal verwijderd. Anders zou

deze de open poriënstructuur al teniet doen. De proefstukken werden nadat ze gedroogd waren naar de klimaatkamer gebracht.

- Tijdens het bewaren in de klimaatruimte werden de proefstukken ingekleefd in PVC-buizen en thermisch geïsoleerd. Hierbij werd ervoor gezorgd dat de PVC-buizen 20 mm boven het oppervlak van het proefstuk uitstaken. Het proefstuk werd met 2 soorten hars afgedicht: een hard epoxyhars ter hoogte van het gewone beton en een vervormbaar hars ter hoogte van het open beton (figuur 3.1) ten einde het ZOB de mogelijkheid te bieden uit te zetten tijdens het verdere proefverloop. Hierdoor zijn alle vlakken, behalve het bovenoppervlak, afgedicht. Doordat zonder enige afscherming het zachte hars in de poriën van het open beton zou lopen, werden ter afdichting de kernen met silicone ingestreken vooraleer het hars aan te brengen.

- Vervolgens werden de proefstukken thermisch geïsoleerd door een isolatielaag van 20 mm aan te brengen

- Gedurende drie dagen werden de proefstukken verzadigd met water door een laagje van 5 ± 2 mm boven het oppervlak aan te brengen.

Het testprogramma


Figuur 3. 1 : Doorsnede van de voorbereide proefstukken [4]

Na deze voorbereidende stappen kan de eigenlijke vriesproef starten. Voor een gedetailleerde beschrijving van de vriesproef en de geprogrammeerde vorst-dooicyclus van de vrieskast wordt naar bijlage 3.1.B verwezen. 3.2.2.2.2 Proeven op vorstbestendigheid Ook voor deze proeven werden de proefstukken eerst ingekleefd in PVC-buizen. Het verschil met de dooizoutenopstelling is dat de PVC-buis hier niet uitsteekt ten opzichte van het bovenvlak van het ZOB en dat de proefstukken niet geïsoleerd zijn. Verder werden de cilinders vooraf ondergedompeld. Van elk mengsel, zowel van het beton als van de mortel, werden drie proefstukken in de vrieskast geplaatst en aan 14 vorst-dooicycli (van elk 24u) onderworpen volgens de voorschriften van norm NBN B15-231 en NBN B05-203. Na een eerste dooifase bleven de holten in het ZOB permanent met water gevuld, doordat het ZOB zijdelings is afgedicht. De invloed van deze vorst-dooicycli op de monsters kan nagegaan worden door niet-destructief onderzoek ( bepaling E-modulus,…), door visuele waarneming gedurende en na de 14 cycli, door splijt- of buigproeven en deze resultaten te vergelijken met de referentieproefstukken. De proefstukken in dit onderzoek werden na 5, 7, 10 en 14 dagen enkel op hun visueel uitzicht gecontroleerd. Er werd nagegaan of er scheurvorming, afbrokkeling, afschilfering, barstvorming,… was opgetreden. Na afloop van de proef werden ook hier trekkoppen (φ70 ± 1 mm) op de oppervlakken geplakt en getrokken. Net zoals bij dooizouten werd voor de ZOB proefstukken ook hier eens het massaverlies bepaald om over een bijkomend relatief vergelijkingspunt te beschikken. Om inwendige schade op te merken werden deze proefstukken doorgezaagd. 3.2.2.3 SEM-onderzoek Om een beter inzicht te verwerven in de opbouw van de microstructuur van polymeermortels en ZOB werden van de referentieproefstukken blokjes van ongeveer één cm³ gezaagd. Deze werden eerst gedroogd en vervolgens met een goudlaagje gecoat. Door gebruik te maken van de Scanning Electron Microscope (SEM) kan zo de invloed van de polymeertoevoeging op microscopisch vlak nagegaan worden. Bovendien werden van ieder mortelmengsel enkele proefstukjes ondergedompeld in een 3% HCl-oplossing. Dit HCl lost de cementhydratatieproducten op, zodat met behulp van de SEM de resterende polymeerstructuur beter bestudeerd en geanalyseerd kan worden.

Standaardproeven


4. Standaardproeven

4

Standaardproeven Polymeertoevoeging bij mortel en ZOB gaat de materiaaleigenschappen sterk beïnvloeden. Om de invloed van die polymeren beter te begrijpen, wordt in het hoofdstuk 5 het mechanisme van de vorming van polymeercement co-matrix waarbij cementhydratatie en vorming van een polymeerfilm een grote rol spelen, nader onderzocht. Uit resultaten van verscheidene onderzoekers zal immers blijken dat om bijvoorbeeld optimale sterkte-eigenschappen te behalen er op jonge leeftijd een voldoende graad van cementhydratatie moet bereikt worden door vochtige bewaaromstandigheden (wet curing), gevolgd door een droge periode opdat een effectieve polymeerfilm gevormd zou worden [10, 11]. In dit deel worden de resultaten van enkele standaardproeven zoals druksterkte, buigtreksterkte en E-modulus die uitgevoerd zijn op 28 dagen weergegeven. Tijdens de aanmaak werden eveneens de consistentie van het beton en het luchtgehalte van het beton en de mortel opgemeten. Aangezien de invloed van polymeren op de sterkte en E-modulus bij ZOB en polymeermortels reeds uitvoerig aan bod gekomen is in de literatuur, wordt getracht de bekomen resultaten hieraan te toetsen en te vergelijken. Een belangrijke verklarende factor hierbij zal de porositeit van de proefstukken zijn. De verschillende meetmethodes en de resultaten van het poriëngehalte worden dan ook in een inleidende paragraaf behandeld.

4.1 Porositeit De porositeit is een belangrijke parameter voor het ZOB: een lagere porositeit zal bijvoorbeeld beter zijn voor de sterkte, maar vermindert de geluidsreductie en drainage-eigenschappen [5]. De poriënstructuur van de polymerengemodificeerde beton of mortels wordt enorm beïnvloed door het type polymeer en het p/c-factor. In de meeste gevallen zullen in vergelijking met gewone betonsoorten de grotere poriën afnemen en zullen kleinere poriën in aantal stijgen. Deze daling van het volume van grotere holtes werd ook door Hackel, Marusin en Ohama [12] waargenomen. De poriënverdelingsdiagramma’s van Ohama (figuur 4.1, [10]) tonen dat het aantal poriën met een radius van 0,2 µm of meer afnemen, terwijl voor de holtes in de range van 0,75 nm en minder een stijging merkbaar is. Het kleiner poriënvolume bij een grotere p/c-waarde zal tot verbeterde duurzaamheideigenschappen leiden.

Standaardproeven


Figuur 4. 1 : Poriënverdelingsdiagramma’s van ongemodificeerd en SBR-gemodificeerd beton [10]

4.1.1 Verschillende meetmethodes 4.1.1.1 Bepaling van de droge volumemassa Een eerste beeld van de poriënstructuur wordt verkregen op basis van de densiteit, die bepaald wordt door de verhouding van het gewicht op het uitwendig volume (bijlage 4.1 A). Voor de balken en de kubussen van het ZOB worden de resultaten weergegeven in figuren 4.2 en 4.3. Hieruit valt duidelijk op dat SBR-gemodificeerde proefstukken een grotere massadichtheid bezitten. Het iets kleiner poriënvolume zal dan ook resulteren in een wat grotere sterkte. Het poriëngetal zal blijkbaar een enorm belangrijke factor zijn in de verklaring van de bekomen resultaten. Hoewel de porositeit op zich een gemakkelijk te bepalen factor is, is dat in het geval van open beton niet waar!

1800

1850

1900

1950

2000

2050

2100

2150

0 5 10 15 20polymeer / cement (%)

dic

hth

eid

[ k

g/m

³]

polymeerSBR

polymeer SAE

1800

1850

1900

1950

2000

2050

2100

2150

0 5 10 15 20polymeer / cement (%)

dic

hth

eid

[kg

/m³]

polymeer SBR

polymeer SAE

Figuur 4. 2 : Droge volumemassa van de balken

Figuur 4. 3 : Droge volumemassa van de kubussen

4.1.1.2 Bepaling van de porositeit met behulp van een excicator De toegankelijke poriën worden bepaald met behulp van de exicator. Vooraf worden de kubussen gedroogd tot de massa constant is (mkubus). Eerst wordt de massa van de excicator, gevuld met water, bepaald. Vervolgens wordt de exicator (met de kubus erin) vacuüm gezogen terwijl de exicator met water gevuld wordt aan een snelheid van 5 cm/uur. Het gewicht na het vacuüm zuigen van de excicator (met kubus) met het water en met het plaatje verminderd met het water rond de kubus, bepaalt dan de

Standaardproeven


toegankelijke porositeit (figuur 4.4). Deze methode is toegepast op de referentiekubussen ZOB (zijde 150 mm).

-

=

Toepassing op kubus 105 (10%SAE): Na vacuümzuigen : Mex,kubus,plaatje,vol water = 29,851 kg (1) Mkubus = 6,792 kg (2)

(1) – (2) = 23,059 kg

-

Mexcicator,vol water = 25,711 (1) Vkubus = 3,508 dm³ (2) ( 1dm³= 1 l = 1kg )

(1) – (2) = 22,203 kg

=

totaal poriën =

%4,24508,3856,0

=

0,856 kg

Figuur 4. 4 : Bepaling van de porositeit met behulp van een excitator

Het resultaat van deze techniek toegepast op de overige mengsels is weergegeven in figuur 4.5 (bijlage 4.1 B).

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20

p/c-factor [%]

po

rosi

teit

[%

]

polymeer SBR

Polymeer SAE

Kubusnummer percentage porositeit P (mengsel 1) 5%SBR (2h) 27,5% 39 (mengsel 3) 10%SBR (2h) 21,3% 57 (mengsel 4) 10%SBR (4h) 18,5% 21 (mengsel 2) 15%SBR (2h) 24,9% 85 (mengsel 6) 5%SAE (2h) 29,9% 105 (mengsel 7) 10%SAE (2h) 24,4% 68 (mengsel 5) 15%SAE (2h) 19,5%

Figuur 4. 5 : Toegankelijke porositeit van de kubussen (bepaald door vacuüm zuigen) Ondanks het feit dat de meting voor de verschillende mengsels maar één keer kon gebeuren, wordt toch bij een toenemende p/c-factor een min of meer dalend poriënpercentage opgenoteerd. Een andere kritische opmerking bij deze methode betreft het feit dat alle oneffenheden aan de zijkanten, afgebrokkelde hoekjes, de plaats waar geen korrels kunnen zitten door de bekisting, … in de toegankelijke poriën meegeteld worden.

Standaardproeven


4.1.1.3 Onder water weging Van de ZOB-prisma’s, gebruikt bij de buigproeven, worden schijfjes met een benaderende dikte van 30 mm afgezaagd. Bovendien zijn die schijfjes zo vervaardigd dat de buitenste zijranden die tal van oneffenheden en onnauwkeurigheden veroorzaken, geëlimineerd zijn. Deze schijfjes worden in een droogstoof op (50±5) °C tot een constante massa (mdroog) gedroogd en vervolgens wordt het schijnbaar volume (Vs) opgemeten. Daarna worden de schijven totdat ze een constante massa bereiken, in water bij 20°C gedrenkt. Na één minuut uitlekken wordt dan de vochtige massa mvochtig bepaald. Door een hydrostatische weging wordt ook het gewicht onder water mow bepaald. Hieruit wordt tenslotte de droge volumemassa mdroog/Vs (figuur 4.6) en het percentage totale poriën berekend (bijlage 4.1.C).

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

0 5 10 15 20

polymeer/cement [%]

mas

sad

ich

thei

d [

kg/m

m³]

Polymeer SBRPolymeer SAE

Massadichtheid Nr. p/c-factor [%] [kg/m³] 1A 5% SBR(2h) 1993 1B 5% SBR(2h) 2003 3A 10% SBR(2h) 2134 3B 10% SBR(2h) 2130 4A 10% SBR(4h) 2011 4B 10% SBR(4h) 2060 2A 15% SBR(2h) 2253 2B 15% SBR(2h) 2237 6A 5% SAE (2h) 1922 6B 5% SAE (2h) 1955 7A 10% SAE (2h) 2068 7B 10% SAE (2h) 2051 5A 15% SAE (2h) 1804 5B 15% SAE (2h) 1944

Figuur 4. 6 : De droge volumemassa van de schijfjes ZOB

100.%s

mats

VVV

poriën−

=−

Aangezien mdroog, mvochtig, mopwaarts gekend zijn, wordt Vmateriaal als volgt bepaald:

lijkontoegankewdvochtig

materiaalmateriaaldroog

Vmm

Vm

.

.

ρ

ρ

+=

=

).(

).(.

lijkontoegankemateriaalwopwaarts

lijkontoegankemateriaalwop

VVm

VVgF

+=

+=

ρ

ρ waarin ρw = 1000 kg/m³

lijkontoegankew

opwaartsmateriaal V

mV −=⇒

ρ en vermits Vontoegankelijk berekend kan worden uit de

gekende md en mv volgt :

w

dvopwaarts

w

dv

w

opwaartsmateriaal

mmmmmmV

ρρρ+−

=−

−= )(

Standaardproeven


100.)(

%s

w

dvopwaartss

V

mmmV

poriënρ

−−−

=−

Hiermee wordt het totaal poriënvolume bedoeld, dus zowel inwendige als toegankelijke poriën. Het percentage inwendige holtes (ontoegankelijk) kan als volgt bekomen worden:

w

dv mmporiëninwendige

ρ−

=− _%

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20p/c-factor[%]

po

riën

geh

alte

[%

]

SBRSAE

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20p/c-factor [%]

po

riën

geh

alte

[%

]

SBRSAE

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20

p/c-factor [%]

po

riën

geh

alte

[%]

SBRSAE

Totale poriënvolume - de inwendige poriën = toegankelijke poriën

Figuur 4. 7 : De porositeit van de verschillende mengsels

Het percentage inwendige poriën blijkt tevens een functie te zijn van de p/c-factor. Bij 10% schommelt dat percentage voor de inwendige poriën rond 8%. Vroegere metingen [5] toonden aan dat het verschil tussen de water-toegankelijke en de totale poriën 6% bedraagt. 4.1.2 Besluit porositeit Op het eerste zicht blijken al die porositeitsgrafieken niet honderd procent met elkaar in overeenstemming te zijn. Toch is er wel een algemene trend waarneembaar. Bij stijgend polymeerpercentage verkleint meestal het poriënvolume. Het beton waaraan SAE toegevoegd is, bezit een meer poreuze structuur dan een beton met SBR. Zowel bij SBR als bij SAE (figuur 4.2 en 4.3) valt wel een lichte daling in volumemassa op bij de overgang van 10% naar 15%. Ook uit figuur 4.7 kan een iets grotere poriënvolume voor een SAE proefstuk opgemerkt worden. Of dit echter door een gewijzigde poriënstructuur komt, of door mogelijke meetfouten of gebreken van de meetmethode kan hier moeilijk achterhaald worden. Het verschil kan immers kleiner zijn dan eventuele meetfouten. De meting kan door tal van factoren beïnvloed worden. De twee meetmethodes maken gebruik van water: enerzijds bij het vacuüm zuigen (§ 4.1.1.2) van de kubussen voor het bepalen van de toegankelijke poriën en anderzijds bij de verzadiging van de schijfjes (§ 4.1.1.3). Uit de chemische opbouw van SAE blijkt dat het een polair molecule is en bijgevolg water aantrekt, terwijl dat voor SBR minder het geval is. Dit zou tot gevolg kunnen hebben dat in het geval van een apolair materiaal zoals bijvoorbeeld SBR de fijne poriën niet met water gevuld zijn, terwijl SAE wel iets meer water aanzuigt en bijgevolg al een grotere poriënvolume oplevert. Bij het verzadigen met water van de proefstukken gedurende vele dagen zal dit effect waarschijnlijk een grotere rol spelen dan bij het vacuüm zuigen onder water, alhoewel voor beide methodes dit fenomeen slechts in

Standaardproeven


minder mate zal gelden. Een metingen met kwik in plaats van met water zou hier misschien geschikter zijn. Ook zal de capillariteit een grote rol spelen. De capillariteit stijgt immers voor kleinere holten. Volgens Hackel, Ohama en Marusin [12] zijn bij 15% de poriëngroottes het kleinst. De microstructuur kan enige invloed uitoefenen bij de bepaling van de porositeit. De uiteindelijk zichtbare holtes zullen sterk afhankelijk zijn van de gebruikte porfiersteenslag en trilmethode (§ 2.1.1.3.2). Hoe meer getrild wordt, hoe kleiner de bekomen porositeit. De granulaten van de toplaag krijgen dan de kans in het substraat te trillen en zo zal een grote, dichtere tussenlaag ontstaan waarin zowel korrels van het ZOB als van het wegenbeton zich bevinden. Het type polymeer zal hier een belangrijke invloed uitoefenen op de compactiegraad en aldus op de porositeit [5]. De twee grafieken die de toegankelijke poriën met elkaar vergelijken, tonen dat deze in het geval van de meting van de kubussen met de exicator groter zijn dan bij de onder water weging van de schijfjes. Dit komt door het feit dat bij het bepalen van de porositeit van de kubussen ook de holtes van afgebrokkelde stukken, oneffen zijkanten, … meegerekend worden. Het is dus logisch dat bij de schijfjes waarbij de zijkanten (met afgebrokkelde kant) afgezaagd zijn, de porositeit afneemt. Eigenlijk toont dit aan dat er een gradatie in de porositeit is, de porositeit neemt af met toenemende diepte in het ZOB.

4.2 Proeven op verse specie Tijdens de aanmaak van het ZOB en het wegenbeton werden bij de verschillende mengsels de consistentie getest door de flow en de slump (§ 3.1) van de verse specie te bepalen. Voor het mortelonderzoek werd de flow van een referentiemengsel (p/c van 0%) bepaald en deze waarde werd dan voor de andere mengsels constant gehouden. Van het verse beton en de mortel werd eveneens het luchtgehalte bepaald.

4.2.1 Consistentie Voor een volledig overzicht van de resultaten van de flow en de slump van het wegenbeton wordt verwezen naar bijlage 4.2.A) De gemiddelde waarde van de flow en de slump bedraagt respectievelijk 1,12 en 4,79 mm. Deze waarden zijn een indicatie voor de verwerking en de verdichting van het mengsel. De resultaten van de flow vallen buiten de schaal van de norm NBN B15-001. Het zou droger zijn dan een aardvochtig beton (droog: van 1.20 tot 1.49). Volgens de slumpschaal bevindt het mengsel zich tussen een aardvochtig en een half-plastisch beton. De flow en de slump van de onderlaag spelen een grote rol bij het bepalen van de dikte van de overgangslaag. Hierbij is ook het trillen, waardoor cementmelk aan het oppervlak ontstaat, van belang. Als de onderlaag meer plastisch is, dan kunnen de bovenliggende korrels er gemakkelijker indringen. Dit zorgt ervoor dat het ZOB over een grotere diepte in het wegenbeton kan dringen. Hierdoor ontstaat een grote overgangslaag tussen het open beton en het wegenbeton. Figuren 4.8 en 4.9 en tabel 4.1 geven de resultaten van de slump en de flow van het ZOB weer.

Standaardproeven


Flow [-] Slump [mm]

Gem. v/d mengsels 1 5% SBR

1.463 45

Gem. v/d mengsels 2 15% SBR 1.49 205

Gem. v/d mengsels 3 10% SBR

1.51 197.5

Gem. v/d mengsels4 10% SBR 1.527 205.5

Gem. v/d mengsels5 15% SAE

1.552 205

Gem. v/d mengsels6 5% SAE 1.477 40

Gem. v/d mengsels7 10% SAE

1.546 217.5

Gem. v/d mengsels8 10% SAE 1.505 190

Tabel 4. 1 : De consistentie waarden van het ZOB

1,441,461,481,501,521,541,56

0 5 10 15 20

p/c-factor [%]

Flo

w [-

]

Flow v/hZOB metSBR

Flow v/hZOB metSAE

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20

p/c-factor [%]

Slumpv/h ZOBmet SBR

Slumpv/h ZOBmet SAE

slum

p [m

m]

Figuur 4. 8 : De flow van het ZOB

Figuur 4. 9 : De slump van het ZOB

Bij de stijging van de p/c-factor van 5% naar 10% stijgt de flow in het geval van SBR, net als bij SAE, maar daar liggen de waarden iets hoger. Vervolgens daalt de uitspreidingsmaat bij verdere toevoeging van SBR en dit in tegenstelling tot SAE, waar de waarde blijft stijgen. Een stijging van de flow betekent dat het mengsel meer plastisch wordt en bijgevolg beter verwerkbaar. Bij SAE blijft de flow stijgen terwijl dit bij SBR niet het geval is. De waarden bij 10% bedragen respectievelijk 1.519 en 1.526 waaruit blijkt dat men hier te maken heeft met een half-plastisch beton daar alle waarden tussen 1.50 en 1.79 gelegen zijn. Het betreft een vochtigere onderlaag met daar bovenop een minder plastische bovenlaag. Bij het ZOB vertonen de twee polymeren een opmerkelijk gelijklopend gedrag wat betreft de slump. De waarden van het met SBR verbeterde mengsel vertonen geen significant verschil dan die met SAE (resp. 201.5 en 203.75zie figuur 4.9). Volgens de slumpschaal geven deze getallen aan dat het gaat om een zeer vloeibaar beton (in tegenstelling tot wat de flow betreft). Bij een stijgend polymeergehalte stijgt eerst de slump, maar wanneer men het polymeergehalte nog verder laat toenemen dan blijft de slump ongeveer constant. Kortom, net zoals bij de flow is er in het begin de positieve invloed van het stijgend polymeergehalte, dat verder stilaan uitdooft wanneer het % polymeer te hoog wordt.

Standaardproeven


4.2.2 Het luchtgehalte van de verse specie Bij de aanmaak van zowel het beton als de mortel werd op de verse specie het luchtgehalte bepaald (bijlage 4.2.B). Bij een grotere p/c-factor wordt zowel bij mortel (figuur 4.10) als bij beton (tabel 4.2) een daling van het luchtgehalte vastgesteld wat ook terug te vinden was bij de uiteindelijke porositeit. De poriënverdelingsdiagramma van Ohama [10] toonde reeds aan dat bij een grotere p/c-factor het totaal poriënvolume (in de uitgeharde toestand) daalde. Doordat tijdens de uitharding een deel van het water nog gaat verdampen zal de uiteindelijke porositeit wel nog iets toegenomen zijn.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0% 5% 10% 15% 20% 25%

p/c-factor

luch

tgeh

alte

[%]

SBRSAE

Figuur 4. 10 : Het luchtgehalte van de verse mortelspecie

SBR-gemodificeerde ZOB SAE-gemodificeerde ZOB

p/c-factor

[%] Luchtgehalte

[%]

p/c-factor [%]

luchtgehalte [%]

Mengsel 1 5% 18,4 Mengsel 6 5% 19,9 Mengsel 3 10% 18,7 Mengsel 7 10% 17,4 Mengsel 4 10% 16,4 Mengsel 8 10% 19,5 Mengsel 2 15% 11,9 Mengsel 5 15% 18

Tabel 4. 2 : Luchtgehalte van de verse betonspecie

Standaardproeven


4.3 Proeven op verharde specie op 28 dagen

4.3.1 Resultaten voor de ZOB proefstukken 4.3.1.1 Sterkte Door de verbeterde eigenschappen zal in vergelijking met klassieke mortels en beton de sterkte verhogen en de scheurvorming verminderen. De lichte afname van de verbeterde eigenschappen bij een te hoge polymeerhoeveelheid enerzijds en de te hoge kostprijs van het polymeer anderzijds, hebben ertoe geleid dat de meeste onderzoeken [12] naar de sterkte van polymeergemodificeerde mortels toegespitst waren op mengsels met p/c-ratio’s van 0% tot 20% en een w/c-factor van 30% tot 60%, afhankelijk van de gewenste verwerkbaarheid. De eigenschappen worden niet alleen door het polymeerpercentage en w/c-factor beïnvloed, maar ook door het polymeertype en de curing omstandigheden. In de literatuur werden allerlei types, gaande van verstrooibare polymeerpoeders, emulsies tot vloeibare harsen bekeken. Uit voorgaande onderzoeken [4] in verband met ZOB zijn drie belangrijke polymeren naar voren gekomen: een acrylaatemulsie, een styreen-butadieenemulsie en een styreen-acrylaatemulsie. Met deze twee laatste types werd in het kader van dit onderzoek verder gewerkt.. De impact van de verschillende MFT, chemische opbouw,… (§ 5.2.2 en 5.2.3) van de twee gebruikte polymeren op de sterkte-eigenschappen van de polyeermortel en het ZOB worden vergeleken 4.3.1.1.1 Druksterkte De resultaten van de drukproeven die uitgevoerd zijn op het ZOB (kubussen van 150 mm) zijn weergegeven in tabel 4.2 en figuur 4.11 (bijlage 4.3 A.1). Een eerste vaststelling die bij deze resultaten gemaakt kan worden, is dat de druksterktes voor ZOB in de buurt liggen van de ‘normale’ sterkteklassen voor het gewone beton. Deze waarden zijn weliswaar iets groter dan de resultaten die in Herne bekomen zijn. Uit proeven die men in Herne-Galmaarden [13] uitgevoerd heeft op 28 dagen op het verharde ZOB (met een p/c-factor van 10%SAE) , werd immers een gemiddelde druksterkte (op een kubus van 15,8 cm) van 26 N/mm2 en een volumemassa van 2025 kg/m3 bekomen. Een andere trilwijze, de consistentie van de onderlaag, de keuze van de granulaten, … kunnen daar zeker een rol in gespeeld hebben. Uit het testprogramma blijkt eveneens dat er over een optimale sterkte zou kunnen gesproken worden, althans voor SAE. Voor SBR blijkt vanaf een p/c van 10 % geen noemenswaardige verbetering in de druksterkte waar te nemen.

Standaardproeven


0

10

20

30

0 5 10 15 20p/c-factor [%]

druk

ster

kte

[N/m

m²]

SBR

SAE

Figuur 4. 11 : De druksterkte van het ZOB

Ook valt uit figuur 4.11 en tabel 4.2 af te leiden dat ZOB met SBR een grotere druksterkte oplevert dan ZOB met een SAE-emulsie. Dit kan in verband gebracht worden met de massadichtheid die een belangrijke rol speelt bij het bepalen van de sterkte. Uit figuren 4.2 en 4.3 die de volumemassa in functie van het polymeerpercentage weergeven werd ook reeds gevonden dat SBR een grotere volumemassa bezit. Hoe groter de dichtheid, hoe meer de korrels op mekaar gepakt liggen, hoe groter de sterkte, maar hoe minder open de structuur is. De kleinere porositeit bij SBR die een belangrijke factor voor de sterkte van het ZOB is, kan gedeeltelijk die grotere sterkte voor SBR verklaren.

Polymeer SBR Polymeer SAE p/c

[%] Intervaltijd

[uur] Druksterkte

[N/mm²] p/c

[%] Intervaltijd

[uur] Druksterkte

[N/mm²] Mengsel 1 5 2 19,33 Mengsel 6 5 2 17,97 Mengsel 3 10 2 30,91 Mengsel 7 10 2 30,38 Mengsel 2 15 2 32,56 Mengsel 5 15 2 19,43 Mengsel 4 10 4 30,37 Mengsel 8 10 4 29,96

Tabel 4. 3 : De druksterkte van de mengsels ZOB

4.3.1.1.2 Buigtreksterkte Betonsoorten zonder polymeertoevoeging kunnen zeer weinig trek opnemen. Polymeren daarentegen zijn zeer goed in staat weerstand te bieden tegen trek- en buigtrekspanningen. De geteste betonproefstukken waar aan het ZOB een bepaalde hoeveelheid polymeer toegevoegd is, vertonen bijgevolg een opmerkelijke verbetering in de trek- en buigsterkte. Die toegenomen sterkte hangt naast de polymeerhoeveelheid sterk af van het gebruikte polymeertype, de bewaaromstandigheden,… . Deze sterktetoename die door tal van onderzoekers bevestigd is,[12] is niet alleen te danken aan de betere elastische eigenschappen van het polymeer, maar ook aan een betere binding tussen de aggregaten en de cement-polymeermatrix [12]. Buigtrek neemt toe naarmate de polymeerhoeveelheid stijgt, toch zal vanaf 10% à 15% een min of meer constante waarde bekomen worden. [14]. Figuur 4.12 die de resultaten (bijlage 4.3 A.2) van de in dit onderzoek uitgevoerde driepuntsbuiging weergeeft, sluit nauw aan bij voorgaande bemerkingen.

Standaardproeven


0

1

2

3

4

5

6

7

0% 5% 10% 15% 20%

p/c -factor[%]

breu

kspa

nnin

g [N

/mm

²]

polymeer SBR

polymeer SAE

gemiddeldepolymeer SBR

gemiddeldepolymeer SAE

Figuur 4. 12 : Buigtreksterkte van de balken ZOB

4.3.1.2 E-modulus Welke invloed heeft het toevoegen van een polymeeremulsie op de elasticiteitsmodulus in vergelijking tot ‘gewoon’ beton waar de E-modulus schommelt tussen de 25 en 30 GPa ? Een antwoord hierop is te vinden in het vervormingsgedrag van de polymeer-cement co-matrix. De E-modulus van een polymeer [15] (van 0,001 - 10x103 N/mm2) is opvallend kleiner dan die voor de cement-hydraten (van 10 - 30x104 N/mm2). Het polymeer gemodificeerde beton bezit dus blijkbaar een grotere ductiliteit. Uit spannings-vervormingsdiagramma’s [15] van een SBR gemodificeerd beton valt op dat bij een stijgende p/c-factor de elasticiteitsmodulus daalt en de verlenging zelfs tot drie keer kan toenemen in vergelijking met gewoon beton. Dit wordt veroorzaakt doordat de polymeerfilm door zijn hogere sterkte de propagatie bij microscheuren verhindert. Uit de figuren 4.13 en 4.14 blijkt dat bij een kleine p/c-factor (5%) de E-modulus nog in de buurt van het ‘gewone beton’ ligt. Bij hogere percentages valt een stijging op te merken. Het maximum is min of meer te situeren rond de 10%. Bij verdere toevoeging van polymeren (met een lage E-modulus) daalt die E-waarde opnieuw. Het type polymeer speelt een belangrijke rol in de compactiegraad en in de bekomen dichtheid. Dit heeft niet alleen invloed op de druksterkte, maar ook op de E-modulus. De lagere waarden voor de sterkte en de dichtheid van de SAE gemodificeerde ZOB houden dus verband met de lagere compactiemogelijkheden [16]. Zowel de E-modulus van de kubussen als van de balken (tabel 4.3) is groter voor SBR- gemodificeerde ZOB dan voor SAE-gemodificeerde ZOB. Deze eenvoudige vaststelling kon ook uit de resultaten van de dichtheid (figuren 4.2 en 4.3) worden afgeleid: een meer poreuze structuur zal tot een langere doorlooptijd van de golf leiden en bijgevolg tot een kleinere snelheid.

Standaardproeven


05

1015

2025

3035

40

0 5 10 15 20

p/c-factor [%]

E-m

odul

us [G

Pa]

SBR

SAE

05

10

1520

253035

40

0 5 10 15 20p/c-factor [%]

E-m

odul

us [G

pa]

SBR

SAE

Figuur 4. 13 : Elasticiteitsmodulus van de balken op 28 dagen

Figuur 4. 14 : Elasticiteitsmodulus van de kubussen op 28 dagen

p/c-factor

[%] Intervaltijd

[h] E-modulus

[Gpa] p/c-factor

[%] Intervaltijd

[h] E-modulus

[Gpa] SBR – gemodificeerde ZOB SBR – gemodificeerde ZOB

Mengsel 1 5 2 26,28 Mengsel 1 5 2 24,92 Mengsel 3 10 2 36,13 Mengsel 3 10 2 36,63 Mengsel 2 15 2 34,46 Mengsel 2 15 2 35,40 Mengsel 4 10 4 35,86 Mengsel 4 10 4 37,26

SAE – gemodificeerde ZOB SAE – gemodificeerde ZOB Mengsel 6 5 2 24,40 Mengsel 6 5 2 26,18 Mengsel 7 10 2 30,38 Mengsel 7 10 2 32,81 Mengsel 5 15 2 30,08 Mengsel 5 15 2 28,06 Mengsel 8 10 4 30,85 Mengsel 8 10 4 38,74

Tabel 4. 4 : Elasticiteitsmodulus van de balken op 28 dagen

Tabel 4. 5 : Elasticiteismodulus van de kubussen op 28 dagen

4.3.2 Resultaten van het mortelonderzoek

4.3.2.1 Sterkte 4.3.2.1.1 Druksterkte Uit figuur 4.15 blijkt dat de invloed van polymeergehalte op de druksterkte niet zo uitgesproken is. Bij SBR is er praktisch geen verschil merkbaar. Dit strookt met de bevindingen van Ohama [10] die aantoonde dat de druksterkte van een SBR gemodificeerde mortel niet significant verschilt van een mortel zonder polymeertoevoeging en dat tussen de 10% en 20% er een lichte daling op te merken was. Wat SAE-gemodificeerde mortel betreft kan verwezen worden naar Burge [17] die bij een verhoging van de p/c-factor vanaf 5% een stijging in de druksterkte op 28 dagen bekwam. De resultaten van dit onderzoek staven deze bewering van Burge (figuur 4.15 en bijlage 4.3 B.1). Bovendien treedt net zoals bij polymeergemodificeerde ZOB een optimum bij 10% à 15% op. Uit figuur 4.15 blijkt duidelijk dat een SAE gemodificeerde mortel een grotere druksterkte bezit dan een SBR-gemodificeerde mortel. Toevoeging van SBR, dat een lagere MFT heeft

Standaardproeven


(§5.2.3.1) dan SAE, blijkt tot een minder sterke mortel aanleiding te geven. Deze vaststelling wordt in de literatuur bevestigd [18]. D.G. Walters en Kuhlmann [19] stellen dat bij polymeermodificatie de co-matrix van cement en polymeer sterker is bij een hogere MFT [10], maar dat een minder flexibele film wordt gevormd.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0% 5% 10% 15% 20% 25%p/c-factor

druk

ster

kte

[N/m

m²]

LM0%

gemiddelde Lgemiddelde M

Figuur 4. 15 : De druktsterkte van de mortelbalkjes

4.3.2.1.2 Buigtreksterkte De buigsterkte worden bepaald op mortelbalkjes 40x40x160 mm³ volgens de standaardnorm NBN B12-208. Uit de numerieke resultaten (tabel 4.5) en figuur 4.16 blijkt dat de buigtreksterkte en de adhesie tussen mortel en aggregaat verbetert bij een stijgende p/c-factor. Toch dalen deze eigenschappen opnieuw bij een p/c-factor van 20%. Dit fenomeen verklaart Puterman [20] doordat de polymeermortel de zwakste schakel op de ‘trek’-lijn wordt. De sterke toename van de buigsterkte van een polymeergemodificeerd mortel in vergelijking met een mortel zonder polymeren sterk (figuur 4.16) vindt onder meer zijn oorsprong in het filmvormingsproces en de overbruggingsfenomenen die in het volgend hoofdstuk in detail zullen behandeld worden.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0% 5% 10% 15% 20% 25%

p/c-factor [%]

buig

trek

ster

kte

[N/m

m²]

LM0% polymeergemiddelde Lgemiddelde M

Figuur 4. 16 : De treksterkte van de mortelbalkjes

4.3.2.2 E-modulus

Standaardproeven


De elasticiteitsmodulus (figuur 4.17) toont een gelijkaardig verloop als de druksterkte (figuur 4.15). De SAE gemodificeerde mortelmengsels hebben een grotere elasticiteitsmodulus dan de SBR gemodificeerde.

323334353637383940

0% 5% 10% 15% 20% 25%

p/c-factor

E [G

pa]

SBR

SAE

0% polymeer

Gemiddelde SAE

gemiddeld SBR

Figuur 4. 17 : De elasticiteitsmodulus van de mortelproefstukken

Tabel 4.5 vat de resultaten van de druk- en treksterktes en de E-moduli bij mortel samen.

p/c-factor [%]

Trek [N/mm²]

Druk [N/mm²]

E-modulus [GPa]

0 0,68 50,61 37,7 SBR gemodificeerde mortel

5 0,94 45,87 33,4 10 1,11 49,77 35,6 15 1,14 49,93 35,0 20 1,19 47,15 34,5

SAE gemodificeerde mortel 5 0,88 50,15 35,7

10 1,32 67,01 39,0 15 1,36 66,26 37,7 20 1,19 64,53 37,4

Tabel 4. 6: Overzicht van treksterkte, druksterkte en E-modulus van de mortelmengsels

4.3.3 Besluit Uit het sterkte-onderzoek van het ZOB en van de polymeer-gemodificeerde mortels blijkt dat de polymeermodificatie leidt tot een opmerkelijk betere buigsterkte en adhesie (voor een meer gedetailleerd overzicht wordt verwezen naar bijlage B die de resultaten van dit hoofdstuk bundelt). Indien de invloed van het polymeer op de buigtreksterkte en druksterkte vergeleken wordt (figuur 4.15 en 4.16), valt op dat het effect op de druksterkte minder groot is, alhoewel er waarschijnlijk wel een vertraging [21] van het hydratatieproces is. Figuren 4.12 en 4.16 bewijzen duidelijk dat de treksterkte sterk beïnvloed wordt door de polymeertoevoeging:

Standaardproeven


Figuur 4. 18 : Overbruggingsfenomenen bij trek en druk [ 22]

Bij een goede adhesie kunnen de scheuren die loodrecht op de aangelegde trekkracht ontstaan rekenen op het overbruggingseffect van de polymeren (hoofdstuk 5) waardoor scheuruitbreiding verminderd wordt. Bij druk zullen deze fenomenen van brugvorming minder efficiënt zijn. De polymeren spelen dus een grotere rol bij trekbelastingen dan bij druk [figuur 4.18]. Uit de resultaten van de mortel blijkt toevoeging van SAE een grotere sterkte op te leveren dan in het geval van SBR. Bij beton daarentegen blijkt het beton met SBR betere eigenschappen te bezitten. Deze contradictie zou verklaard kunnen worden door naar het type breuk te kijken. In hoofdstuk 7 over adhesie wordt bij de trekproeven naar het type breuken gekeken. Van elke soort breuk (adhesie-, korrel- en mortelbreuk) wordt bepaald hoeveel procent van het oppervlak ingenomen wordt door een welbepaald type breuk. Het zal blijken dat bij SAE inderdaad wat minder mortelbreuk optreedt dan bij SBR wat dus ook af te leiden was uit de mortelproeven. Een mortel met SAE bezit dus een hogere sterkte. In het geheel van het ZOB zullen niet alleen mortelbreuk maar ook nog andere belangrijke factoren zoals adhesie aan het aggregaat, porositeit,… een rol gaan spelen. Bij SBR blijkt het percentage adhesiebreuk kleiner te zijn dan bij SAE. Dit zou een mogelijke verklaring kunnen zijn dat bij een SBR-gemodificeerd beton toch nog een hogere sterkte bekomen kan worden.

Microstructuur


5. Microstructuur

5

Microstructuur In dit hoofdstuk wordt de microstructuur van het ZOB besproken. In het kader van dit onderzoek over ZOB is dit een belangrijke factor. Immers, om alle fenomenen in verband met de duurzaamheid van ZOB die in het volgend hoofdstuk zullen worden aangekaart te begrijpen en te verklaren, is de kennis van de opbouw van de structuur op microschaal noodzakelijk. Alvorens over te gaan tot de beschrijving van de proefstukken op microschaal wordt eerst het mechanisme van emulsiepolymerisatie ontleed. Vervolgens worden de eigenschappen van de gebruikte polymeren aangegeven en wordt een kort historisch overzicht gegeven van de ontwikkeling van het denken over de microstructuur van polymeer gemodificeerde mortel en beton. Na de bespreking van de microstructuur van de beproefde monsters, wordt een model opgesteld voor de onderzochte structuren.

Microstructuur


5.1 Emulsiepolymerisatie Resultaat van een emulsiepolymerisatie [23, 24] is een vloeistof (meestal water) waarin polymeerpartikeltjes zijn opgelost. Het proces dat hiertoe leidt ziet er als volgt uit. Een monomeer (vb. styreen-acrylaat ester) is ten gevolge van de aanwezigheid van koolstofketens niet direct oplosbaar in water. Daarom worden oppervlakteactieve stoffen toegevoegd (figuur 5.1). Dit zijn moleculen die een hydrofoob einde bevatten (één of meer

Figuur 5. 1 : Begintoestand van een emulsiepolymerisatie [24]

hydrocarbonaat ketens) en een hydrofiel einde (anionisch, cationisch of neutraal afhankelijk van de groep). Die oppervlakteactieve stoffen gaan het monomeer in oplossing houden in het water, waardoor monomeerdruppels van 1 micron grootte ontstaan. Door toevoeging van een overmaat aan oppervlakteactieve stoffen, gaan er aggregaten gevormd worden, de zogenaamde micellen. De concentratie oppervlakteactieve stoffen waarbij de vorming van deze micellen begint wordt kritische micel concentratie genoemd (cmc) [25]. Ze bevatten een honderdtal moleculen die een oneffen sferische vorm (0.1 µm) gaan aannemen, waarbij de hydrofiele zijde van elke molecule naar het centrum van de micel zal wijzen. In tegenstelling tot de druppels monomeer bestaan ze voor het grootste gedeelte uit oppervlakteactieve stoffen en bevatten slechts een beetje monomeer. Tenslotte is er nog een zeer kleine fractie monomeer opgelost in water, in evenwicht met de hoeveelheid gedispergeerd monomeer.

Figuur 5. 2: Toevoegen van de initiator [24]

Figuur 5. 3 : Polymerisatiereactie [24]

De initiator (R*) wordt aan de continue fase toegevoegd (figuur 5.2). Deze gaat de loszwevende monomeren (M) in het water activeren en die dringen vervolgens een micel

Microstructuur


binnen. De kans dat ze in een grotere monomeerdruppel zouden binnendringen is onwaarschijnlijk omdat er grootteordes meer micellen zijn dan druppels. De monomeren zullen naar het hydrofobe staartuiteinde (in het centrum) van de oppervlakteactieve stof migreren. Zo zijn de monomeren, die nu in de micellen zitten, als het ware opgelost in het water. De eigenlijke polymerisatie kan nu opgaan in de micellen (figuur 5.3). Er wordt constant monomeer aangevoerd vanuit de grote druppels, omwille van het te onderhouden evenwicht van de vrije en gedispergeerde monomeren. De polymerisatie stopt wanneer uiteindelijk alle monomeer is opgebruikt en de grote druppels verdwenen zijn. De oppervlakteactieve stof op het oppervlak van deze grote druppels is tijdens het proces beetje bij beetje verhuisd naar de micellen, naarmate deze groter werden en de druppels slonken. Per micel zijn er gemiddeld slechts één of maximaal enkele actieve moleculen aanwezig, zodat slechts één of enkele grote polymeermoleculen gevormd worden. Daardoor kan met dit proces een hoge molmassa worden bereikt. Het eindresultaat is een polymeeremulsie (figuur 5.4).

Figuur 5. 4 : Emulsie of latex [24]

Polymeeremulsies [26] bestaan dus uit een vaste stof die gedispergeerd is in een waterige oplossing. Het fijn verdeeld houden van de discontinue fase, zodat de elementen niet zouden samenklitten, gebeurt tijdens het fabricageproces (door sterk te roeren). De emulsie die zo ontstaat wordt dan gestabiliseerd zoals hierboven beschreven. De uiteindelijke lading van de deeltjes is afhankelijk van de gebruikte oppervlakteactieve stof. Deze keuze hangt in grote mate af van het aggregaat waarop de polymeren zich nadien moeten vasthechten. Voor een goede hechting zal in het geval van een negatief silicaat- of porfiergesteente de polymeeremulsie positief geladen moeten zijn. Men spreekt dan van een kationische emulsie. Kalkstenen daarentegen worden met een negatieve of anionische geladen emulsie behandeld. De polymeerketens die zich in de micellen bevinden zijn na volledige polymerisatie echter neutraal. De lading van de emulsie is dan ook te situeren bij de oppervlakteactieve stoffen en niet bij de koolstofketens. Zo kunnen de twee polymeren die gebruikt worden in het kader van dit onderzoek (SBR en SAE) aanleiding geven tot een negatieve emulsie wanneer er gewerkt wordt met carboxylgroepen als oppervlakteactieve stoffen. Bij het gebruik van de emulsie moet na het mengen met het steenaggregaat de emulsie ‘gebroken’ worden: de discontinue fase moet weer continu gemaakt worden om op het steenoppervlak een gesloten laag te kunnen vormen. In het geval van SBR en SAE vormen de carboxylgroepen (=oppervlakteactieve stof) in de zure omgeving negatieve ionen. Deze worden door het contact met het tegengesteld geladen steenoppervlak van hun lading ontdaan, waardoor de polymeerdeeltjes weer kunnen coalesceren. Dit proces evolueert verder naarmate het water verdampt of opgebruikt wordt door het hydratatieproces. Als er geen geactiveerde

Microstructuur


moleculen meer zijn, zullen secundaire bindingskrachten optreden tussen de verschillende polymeerpartikeltjes om een continue film te vormen. Dit filmvormingsproces wordt onder andere gecontroleerd door de temperatuur. De verschillende deeltjes moeten immers voldoende beweeglijkheid (kinetische energie) bezitten om een film te vormen. De laagste temperatuur, waarbij een film gevormd wordt, is een eigenschap van het polymeer en wordt de minimum filmvormingstemperatuur (MFT) genoemd.

Microstructuur


5.2 Bespreking van de gebruikte polymeren

5.2.1 Algemene indeling van polymeren Bij polymeren wordt onderscheid gemaakt tussen thermoplasten en thermoharders [23]. Thermoplasten kunnen vloeibaar gemaakt worden door opwarming tot een bepaalde temperatuur zonder dat de afzonderlijke polymeermoleculen zich ontbinden . Bij thermoharders daarentegen zal bij een bepaalde temperatuur de structuur volledig ontbinden zonder dat er sprake is geweest van polymeermoleculen in de vloeibare fase. Oorzaak hiervan is dat bij thermoharders een driedimensionaal netwerk gevormd wordt (de verschillende polymeermoleculen zijn via primaire chemische verbindingen gekoppeld aan elkaar). Bij een thermoplast daarentegen worden de verschillende moleculen in verharde toestand gebonden door secundaire krachten. Alle materialen worden gekenmerkt door bepaalde overgangstemperaturen waarbij de eigenschappen van het materiaal meestal sterk gewijzigd worden. Zo heeft bijvoorbeeld aluminium een smelttemperatuur Tm die de overgang geeft van de kristallijne harde fase naar de vloeibare fase. Glas heeft dan weer een glasovergangstemperatuur (Tg) die de overgang geeft van de harde amorfe fase naar de vloeibare fase. De glijdingsmodulus van glas bijvoorbeeld ziet er dan ook uit zoals geschetst in figuur 5.5. Naar analogie met glas wordt de modulus gebruikt om de indeling van de polymeren te illustreren.

Figuur 5. 5 : Glijdingsmodulus van glas [23]

De glijdingsmodulus van een volledig amorfe thermoplastische kunststof heeft verloop van figuur 5.6a. In tegenstelling tot bijvoorbeeld gewoon glas is er nog een tweede knik in de curve waar te nemen. Wanneer vanuit de volledig amorfe fase de structuur wordt opgewarmd, zal deze bij de glasovergangstemperatuur niet direct vloeibaar worden zoals dat wel het geval is bij gewoon glas. Dit zal pas gebeuren bij een hogere temperatuur, namelijk de vloeitemperatuur (Tv). In het gebied tussen Tg en Tv is het materiaal week-elastisch en vertoont het een zeer grote vervormbaarheid: het materiaal is rubberachtig. Het gevormde plateau tussen deze twee temperaturen wordt dan ook het rubberplateau genoemd. Het ontstaan ervan is terug te brengen tot de grote lengte van de moleculen. Juist boven de glasovergangstemperatuur bezitten de moleculen nog te weinig energie om het kluwen van de verschillende polymeerketens te ontwarren, waardoor de structuur nog niet echt

Microstructuur


vloeibaar geworden is. Men spreekt hier van fysische verknopingen. Boven Tv is die energie wel aanwezig en wordt het materiaal echt vloeibaar.

a) volledig amorfe thermoplastische thermoplast b) niet volledige amorfe thermoplast

Figuur 5. 6 : Glijdingsmodulus van een volledig amorfe thermoplastische kunststof [23]

Volledig kristallijne polymeren bestaan niet, maar er zijn er wel waarbij een gedeelte van het polymeer uithardt in een kristalrooster. Dit gedeelte wordt aangeduid door de kristallisatiegraad. Bij zulk een polymeer is het verloop van de glijdingsmodulus nog iets ingewikkelder (figuur 5.6b). Vertrekkende vanuit de vloeibare fase wordt bij Tv weer het rubberplateau gevormd. Vanaf de smelttemperatuur Tm (steeds hoger dan Tg) kristalliseert een gedeelte van het polymeer wat ook weer een sprong veroorzaakt in het diagram. Tussen Tg en Tm bestaat het polymeer gedeeltelijk uit rubber en gedeeltelijk uit een kristallijne structuur. Bij Tg wordt deze rubberfase ingevroren tot een glasstructuur en blijft er een volledig harde structuur over die gedeeltelijk amorf en gedeeltelijk kristallijn is. Bij thermoharders met een lage vernettingsgraad (figuur 5.7a) kan boven Tg ook een rubberplateau ontstaan dat behouden blijft tot Td (de ontbindingstemperatuur). Thermoharders met een hoge vernettingsgraad (figuur 5.7b) blijven hard tot Td. Tg heeft bij deze laatste polymeren geen fysische betekenis meer.

a) met een lage vernettingsgraad b) met een hoge vernettingsgraad

Figuur 5. 7 : De glijdingsmodulus van een thermoharder

Microstructuur


5.2.2 SBR en SAE SBR en SAE zijn de twee polymeren die in dit onderzoek gebruikt werden. Hun chemische formules zijn weergegeven in figuur 5.8.

Styreen-Butadieen-Rubber SBR Styreen-Acrylaat-Ester SAE (CHCH2)n(CH2CH=CHCH2)m

(CHCH2)n(CH2CHCOOR)m

Figuur 5. 8 : Chemische formule van SBR en SAE [29]

Deze twee polymeren worden nu ingepast in het algemeen schema van de vorige paragraaf. De glasovergangstemperatuur van SBR ligt beneden de kamertemperatuur (= verwerkings- en bewaartemperatuur van de verschillende beton- en mortelmengsels). Dit wil zeggen dat SBR zich zal gedragen als een rubber. De glasovergangstemperatuur van SAE daarentegen ligt ver boven de kamertemperatuur, en het polymeer zal dus uitharden in een (gedeeltelijke) amorfe structuur. Informatie over de kristallisatiegraad van deze twee polymeren is niet precies gekend, maar vermits ze allebei een volumineuze benzeenring (figuur 5.8), die slecht in een kristalrooster past, als zijtak hebben, zal deze aan de lage kant liggen. Een andere temperatuur die nog van belang is in het onderzoek van polymeer gemodificeerde mortel en beton is de minimum filmvormingstemperatuur (MFT). Dit is de temperatuur waarboven de polymeerdeeltjes gaan coalesceren tot een film. Onderzoek naar de exacte waarden van de MFT en de invloed van de hoeveelheid water in de emulsie op deze temperatuur zal behandeld worden in de volgende paragraaf. Als resultaat werd gevonden dat de MFT van SBR 5°C is, terwijl die van SAE 32°C is. Er dient wel opgemerkt te worden dat deze MFT niet noodzakelijk gelijk is aan de Tg. De Tg is een specifieke materiaaleigenschap, terwijl de MFT niet alleen van de eigenschappen van het polymeer zelf afhankelijk is, maar ook van andere parameters, zoals de beweeglijkheid van de deeltjes. Verder is het fysico-chemisch gedrag bij kamertemperatuur van de twee polymeren verschillend. SBR is olieachtig en heeft dus een apolair karakter. Daartegenover staat echter dat rubber vrij kleverig is. SBR kan dus niet zo goed reageren, maar het biedt wel de mogelijkheid tot de vorming van een goed contact. SAE verzekert een betere interactie, maar maakt dan weer niet zo’n goed contact: het is immers een vrij hard materiaal (Tg ligt boven de kamertemperatuur). Om een goed fysisch contact te maken is dit een nadeel. Als een hard materiaal tegen een ander komt, dan kunnen deze immers moeilijk elkaar bevatten en in elkaar verankeren. Een zacht vervormbaar rubber biedt hier betere mogelijkheden voor. Het polaire karakter van het SAE is dan echter weer wel een positieve eigenschap. Hierdoor kan het fysico-chemisch sterker binden wat kan resulteren in een betere adhesie. Uit de chemische formule (figuur 5.8) blijkt reeds dat het twee stabiele polymeren of macro-moleculen zijn. De ketens zelf bestaan immers uit koolstofatomen die gebonden worden door covalente bindingen. Dit komt erop neer dat volledige en dus stabiele elektronenschillen

Microstructuur


worden gevormd door elektronen die gemeenschappelijk zijn aan twee atomen. De ionische bindingen spelen hier een kleinere rol met uitzondering van de OH-bindingen. Hieruit blijkt dus dat noch SBR, noch het SAE gemakkelijk zal overgaan tot een chemische binding met andere materialen: C-C bindingen zijn immers zeer sterk (bindingsenergie = 350 kJ/mol). Ondanks het feit dat het erg veel energie vereist om de hoek en de lengte van de C-C verbindingen te veranderen, bezitten polymeren toch nog een groot vervormingsvermogen. Dit is te wijten aan de zeer gemakkelijke rotatie van de C-C bindingen ten opzichte van elkaar. Buiten deze primaire covalente bindingen zijn er natuurlijk ook secundaire valentiekrachten die zorgen voor de cohesie tussen de ketens onderling. Bij SAE zijn het vooral de dipoolkrachten die zorgen voor deze verbinding. Bij het apolaire SBR daarentegen zijn het vooral de dispersiekrachten (vorming van tijdelijke dipolen). Ondanks het feit dat polymeren weinig neiging tot chemische interacties vertonen, spreekt men in de literatuur toch van een zekere interactie tussen de hydratatieproducten en de anionische elementen aanwezig in sommige polymeerdispersies [27]. Zo gaat bijvoorbeeld de carboxylgroep van SAE reageren met de Ca2+-ionen van het cement en aldus resulteren in een calciumcomplex op basis van ionische interacties. Alhoewel de C-C binding tussen de hoofdketen en de carboxylgroep een sterke binding is, kan deze in een sterk basische omgeving toch verbroken worden. Acrylaten staan immers bekend voor hun gevoeligheid aan basen. In sterk basisch milieu kan het polymeer dus gaan ontbinden en reageren met andere ionen. Deze ontbinding van het polymeer wordt echter tegengesproken door onderzoek uitgevoerd door Chandra en Flodin [28]. Wanneer aan een polymeeremulsie natriumhydroxide werd toegevoegd in plaats van Ca(OH)2 was er geen verandering in de eigenschappen van het polymeer. Veranderingen van het polymeer zijn dus niet te wijten aan ontbinding omwille van de basische omgeving, maar omwille van de reactie met Ca(OH)2 [28]. Wat betreft de beweeglijkheid, ziet het er voor deze macro-moleculen totaal anders uit dan voor andere moleculen. Er moet immers telkens een gecoördineerde verplaatsing van de hele macromolecule ten opzichte van de anderen plaatsvinden. Ze moeten dus als het ware door elkaar diffunderen. De grote lengte en de ingewikkelde configuratie maakt het echter geen gemakkelijke opgave. Bijgevolg krijgt men afhankelijk van de molmassa hoge waarden voor de viscositeit, die op zijn beurt de verwerkbaarheidsgrens bepaalt. Bovendien hangt er aan de lineaire ketens van C’s en H’s in het geval van SAE en SBR nog een volumineuze benzeenring. Deze zijgroep vermindert drastisch de beweeglijkheid van de keten en door de aromatische ring krijgt het materiaal ook een zekere polariteit. Tenslotte valt ook nog op te merken dat ondanks het feit dat polymeren chemisch relatief inert zijn, ze wel gevoelig zijn voor degradatie. SBR bijvoorbeeld, dat bestaat uit een hard en glanzend, maar tevens bros polystyreen en slagvast gemaakt is door het enten en bijmengen van butadiëen, is zeer onderhevig aan degradatie onder invloed van licht.

Microstructuur


5.2.3 Eigenschappen Voordat wordt overgegaan tot het onderzoek van de microstructuur worden eerst de MFT en de hoeveelheid vaste stof van SBR en SAE experimenteel bepaald. Deze twee eigenschappen spelen immers een belangrijke rol bij de verklaring van het gedrag van de polymeren respectievelijk bij de bepaling van de p/c-factor. 5.2.3.1 Minimum filmvormingstemperatuur van de polymeren Over de minimum filmvormingstemperatuur is er in de literatuur nog geen unanimiteit bereikt. Sommige auteurs spreken elkaar tegen, terwijl andere elkaar bevestigen. Mogelijke oorzaak is dat het niet steeds exact dezelfde polymeren zijn die onderzocht werden. Volgens Wang Peng [29], die wel met dezelfde polymeren heeft gewerkt, zijn de eigenschappen van de twee gebruikte polymeren deze die weergegeven zijn in tabel 5.1.

Commerciële naam

Chemische benaming

vast stof [%]

pH MFT [°C] Viscositeit bij 20°C

Rheomix styreen

butadieen (SBR)

48 10.5 0-45 24-50

Mowilith styreen acrylaat (SAE)

50 7.5 6 100

Tabel 5. 1 : Eigenschappen van SBR en SAE volgens Wang Peng

A. Beeldens [21] daarentegen stelt dat de MFT van SBR en SAE respectievelijk 5°C en 32°C is. Volgende eigenschappen voor SAE worden opgegeven (tabel 5.2):

Vaste stof Viscositeit pH Deeltjesgrootte MFT Densiteit

51 ± 2% (Massa%) 40 ± 15 mPa.s 8.0 ± 1 0.15-0.25 µm 32°C 1.03 ± 0.02g/cm³

Tabel 5. 2 : Eigenschappen van SAE volgens A. Beeldens

In een experimenteel onderzoek heeft M. Puterman [30] nog andere waarden gevonden. Hij hanteert voor SBR als toevoegstof bij Portlandcement een MFT van –17°C en van 38°C voor SAE. Omdat in de literatuur geen éénduidigheid bestaat over de MFT van SBR en SAE en omdat de kennis van deze eigenschap belangrijk is voor de verklaring van de microstructuur van het polymeer gemodificeerde beton, werd in dit onderzoek overgegaan tot een experimentele bepaling van de MFT van de twee gebruikte polymeeremulsies. Hiertoe werden in een eerste fase de polymeeremulsies, die ongeveer voor 50% uit vaste stof bestaan (zie § 5.2.3.2), in kleine hoeveelheden uitgestreken op glazen plaatjes die gedurende een dag op respectievelijk 5, 23, 30 en 32°C (figuur 5.9) werden bewaard. Hierbij werd op alle plaatjes een zelfde hoeveelheid emulsie aangebracht.

Microstructuur


SBR 50% op 5°C SBR 50% op 23°C SBR 50% op 30°C SBR 50% op 32°C

SAE 50% op 5°C SAE 50% op 23°C SAE 50% op 30°C SAE 50% op 32°C

Figuur 5. 9 : Bepaling van de MFT van SBR en SAE

Uit deze vergelijkende testen werd duidelijk dat SBR een lagere MFT heeft dan SAE. Daar waar SBR reeds bij 5°C een doorzichtige film vormt, is de emulsie bij SAE op 5°C helemaal verhard en gebroken. Deze structuur ziet eruit als een gebroken melk-wit verkleurde visgraatstructuur. Bij hogere temperaturen verdwijnt deze melk-witte kleur. Bij 23°C ziet de structuur eruit als een gebroken glasstructuur. Bij 30°C is het uitzicht op sommige plaatsen al egaler, maar nog steeds zijn er vele barsten aanwezig. Bij 32°C daarentegen, verminderen de barsten in aantal en in grootte, en een doorzichtige film neemt langzaam maar zeker de overhand. Tot hier toe werd er enkel gekeken naar de zuivere emulsies met 50% vaste stof. In de mortel- en betonmengsels wordt echter ook een hoeveelheid aanmaakwater toegevoegd (afhankelijk van de p/c-factor), zodat de verhouding polymeer op water varieert. De werkelijk aanwezige verhoudingen zijn aangegeven in tabel 5.3. In een volgende stap wordt dan ook onderzocht wat de invloed is van de polymeer/water-verhouding (p/w) op het filmvormingsgedrag. Hierbij wordt naar twee aspecten gekeken: enerzijds het eindresultaat (wordt er een film gevormd), anderzijds de tijdsevolutie van het filmvormingsproces.

Microstructuur


Polymeer p/c-factor emulsie Aanmaakwater p/w-verhouding Type [%] [g] [g] [-]

Mortel

SBR 5 45 139.5 0,14 SBR 10 90 87 0,34 SBR 15 135 51.75 0,57

SBR 20 180 14,85 0,86 SAE 5 45 157,5 0,13 SAE 10 90 98,1 0,31 SAE 15 135 58,95 0,53 SAE 20 180 31,5 0,74

SBR 10-ZOB 213,7 79,5 0,57 SAE 10-ZOB 213,7 100.8 0,51

Beton

SBR 5 28 69,7 0,17 SBR 10 56 56 0,33 SBR 15 83,7 41,85 0,50 SAE 5 28 69,7 0,17 SAE 10 56 56 0,33 SAE 15 83,7 41,85 0,50

Tabel 5. 3 : p/w – verhoudingen van de mortel- en betonmengsels

Uit de foto’s (bijlage 5.1 foto 1-78) kan afgeleid worden dat het water eigenlijk niet veel invloed heeft op het eindresultaat van het filmvormingsproces. Wanneer bijvoorbeeld de SBR monsters met de verschillende p/w-verhoudingen van de mortel worden vergeleken, is geen onderscheid te maken in de gevormde structuur bij één temperatuur. De oppervlakte waarover een gebroken structuur gevormd wordt bij –17°C of waar reeds de eerste tekenen van een film te zien zijn bij 5°C, wordt wel groter naarmate de p/w-verhouding stijgt. Dit is echter logisch omdat bij een hogere p/w-verhouding ook meer polymeerpartikeltjes aanwezig zijn op het glasplaatje. Dus niet tegenstaande de relatieve hoeveelheid polymeer stijgt bij toenemende p/w-verhouding, blijft het eindresultaat gelijk. Hetzelfde kan gezegd worden over de verschillende emulsies met SAE als polymeer. Om na te gaan of het water misschien enige invloed zou hebben op het tijdsverloop van het proces zelf, werd voor de twee polymeertypes de evolutie in functie van de tijd genoteerd voor emulsies met de p/w-verhouding die gebruikt werden in de verschillende mortelmengsel (tabel 5.3). Deze proef werd uitgevoerd bij 22°C. Bij 5%-SAE (p/w = 0.13) begon het water vrijwel onmiddellijk te verdampen nadat de emulsie op het plaatje was aangebracht. Het verdampingsritme is niet gelijk voor de proefplaatjes met de verschillende p/w-verhoudingen, maar neemt af met stijgende p/w-factor. Na een uur was die verdamping overal toegenomen en aangezien de filmvormingstemperatuur niet bereikt werd, ontstond er een gebroken en gebarsten structuur. Deze verdamping begon bij SBR pas na een half uur zichtbaar te worden. Ook hier was bij een hoger polymeerpercentage een tragere verdamping waar te nemen. Bij 5% en 10% waar een grotere hoeveelheid water aanwezig is, ziet men sneller het effect van de verdamping vermits het wateroppervlak ook groter is. Tevens zal de effectieve polymeeroppervlakte bij een stijgend p/c-factor toenemen. Op het begintijdstip van de filmvorming heeft dit allemaal weinig invloed daar een verdamping van een kleine hoeveelheid water met een klein contactoppervlak met de lucht

Microstructuur


even snel is voltooid als de verdamping van een groot watergehalte indien het over een grotere oppervlakt is uitgesmeerd. De p/w-verhouding heeft dus weinig invloed op het begintijdstip van de filmvorming, daar de film gevormd wordt als het water uit de emulsie verdampt is. Dit wordt bevestigd door de theorie van Ohama (zie §5.3.1), die verder in dit hoofdstuk zal besproken worden. Bij nadere inspectie van de monsters wordt nu nagegaan wat juist die MFT is in de verschillende gevallen. Deze temperatuur, die niet afhankelijk blijkt te zijn van de hoeveelheid water, is de temperatuur waarop de deeltjes voldoende kinetische energie bezitten om te coalesceren Bij SBR (bijlage 5.1 A.1 foto 1, 6, 11 en 16) blijkt duidelijk dat het gebruikte polymeer bij te lage temperatuur (-17°C) niet de kans krijgt om zich te schikken, maar ter plaatse ingevroren wordt en zo een amorf uitzicht vertoont. Wanneer de temperatuur opgedreven wordt tot 5°C begint er zich stilaan een film te vormen. Dit bevestigt de waarnemingen van A. Beeldens [21]. De film wordt echter mooier wanneer de temperatuur nog meer oploopt (23°C). Er wordt zelfs een soort optimum bereikt, want als de temperatuur de 30°C overschrijdt, komen er kleine rimpels in het vlies (32°C). Deze worden bij verdere opwarming (38°C) talrijker. Besloten kan worden dat de MFT van SBR 5°C is en dat de film ook bij hogere temperatuur wordt gevormd, zij het van iets minder goede kwaliteit. Dezelfde waarnemingen zijn mogelijk bij de monsters met p/c-factor van de betonmengsels (bijlage 5.1 A.2 foto’s 21-34) en de mortelmengsels met ZOB-samenstelling (bijlage 5.1 A.3 foto’s 35-39). Voor de reeks plaatjes met SAE ziet het er enigszins anders uit (bijlage 5.1 B). Bij een temperatuur van -17°C, heeft het monster echter wel hetzelfde uitzicht als SBR en is gewoon ingevroren in de oorspronkelijke toestand. Bij een stijging van de temperatuur boven het nulpunt (5°C), heeft de structuur geen amorf uitzicht meer, maar is het eerder donzig. De gevormde visgraatstructuur komt bol te staan en komt los van het onderliggend preparaat. Wanneer de proef gebeurt op kamertemperatuur (23°C), wordt er een gebroken glasstructuur gevormd. Bij een hogere bewaartemperatuur (32°C), is de specie niet volledig gebroken, maar kan er reeds sprake zijn van een initiële fase in het filmvormingsproces. Ook hier komt het bekomen resultaat weer overeen met de beproevingen uitgevoerd door A. Beeldens. Wanneer de temperatuur oorspronkelijk nog hoger is, wordt de film egaler en zijn er minder lintjes in te bespeuren. Weer zijn dezelfde fenomenen waar te nemen bij staaltjes met betonsamenstelling (bijlage 5.1 B foto’s 60-78). Op basis van deze waarnemingen kan men nu met zekerheid stellen dat de SBR-emulsie die hier gebruikt is tijdens de verwerking (op kamertemperatuur) over voldoende mobiliteit beschikt om een rubberachtig vlies te vormen terwijl SAE deze capaciteit pas bezit wanneer de temperaturen oplopen tot 32°C. 5.2.3.2 Hoeveelheid vaste stof De meeste referenties in de literatuur geven voor de hoeveelheid vaste stof van de polymeeremulsies waarden aan rond 50% [29, 21], maar ook dit werd eerst proefondervindelijk onderzocht vooraleer over te gaan tot onderzoek van de opbouw van de microstructuur. Vergelijking van het gewicht vóór en na het drogen, resulteert in een hoeveelheid van 50% vaste stof voor SBR en 51% voor SAE (bijlage 2.1 A.2), wat de meeste teruggevonden waarden in de literatuur bevestigt. Voor de eenvoud wordt in het vervolg steeds gesproken over een massapercentage vaste stof van 50% voor beide polymeren.

Microstructuur


5.3 Overzicht van de verschillende modellen Over de structuur van polymeer gemodificeerde mortel (en beton) heerst nog veel onduidelijkheid. In de literatuur komen eigenlijk twee grote strekkingen voor. Zij die stellen dat de polymeren een film vormen na de hydratatie en zij die van mening zijn dat de twee processen parallel verlopen. Hierna volgen enkele belangrijke visies van personen die in dit verband met dit onderwerp al veel onderzoek verricht hebben. 5.3.1 De visie van Ohama Ohama [31] behoort tot de eerste categorie. Hij heeft een drie-stappen-model opgesteld dat door veel wetenschappers aanvaard en gebruikt wordt. stap 1

Begintoestand Ongehydrateerd cementdeeltje Polymeerpartikeltjes Aggregaten (de tussenruimte is water)

STAP 1 Mengsel van ongehydrateerde cementdeeltjes en cementgel, waarop zich polymeerpartikels vestigen

Figuur 5. 10 : Beginstadium en eerste stap in het model van Ohama [31]

Wanneer de polymeerlatex vermengd wordt met de verse cementmortel (of beton), worden de polymeerpartikeltjes uniform verspreid in de cementfase (figuur 5.10). In de polymeer-cement pasta wordt geleidelijk een cement-gel gevormd door de cementhydratatie. Tijdens dit proces wordt Ca(OH)2 gevormd, dat de waterfase verzadigt. De polymeerpartikeltjes zelf zetten zich gedeeltelijk neer op het oppervlak van de cement-gel en op het oppervlak van de ongehydrateerde cementdeeltjes van het mengsel. Verder reageert het calciumhydroxide in de waterfase waarschijnlijk met het silica-oppervlak van de aggregaten om zo een calciumsilicaatlaag te vormen. stap 2 Door het verbruik van water bij de ontwikkeling van de cement-gel worden de polymeerpartikels geleidelijk aan opgesloten in de capillaire poriën. Als de cementhydratatie verder gaat, en het capillaire water nog verder gereduceerd wordt, gaan de polymeerpartikeltjes samenklitten om een continue, dichtgepakte laag te vormen op het oppervlak van het mengsel van cementgel en ongehydrateerde cementpartikeltjes en tegelijkertijd ook op de voorheen gevormde calcium-silicaatlaag, die de aggregaten bedekt

Microstructuur


(figuur 5.11). Zo worden de grote poriën in het mengsel opgevuld met de adhesieve en cohesieve polymeerpartikeltjes.

STAP 2 Mengsel van cementgel en ongehydrateerde cementpartikels ingebed in een dicht gepakte laag van polymeerpartikeltjes

Figuur 5. 11 : Stap 2 in het model van Ohama [31]

Chemische reacties kunnen plaatsvinden tussen de oppervlaktedeeltjes van reactieve polymeren en Ca2+-ionen, vaste Ca(OH)2 oppervlaktedeeltjes of de silicaatlaag over de aggregaten. Verwacht wordt dat zulke reacties de binding tussen de cementhydraten en de aggregaten gaan verbeteren en dus ook de eigenschappen van verhard latexgemodificeerde mortel (en beton). stap 3 Door de verdere reductie van het water (hydratatie en verdamping) gaan uiteindelijk dicht bij elkaar gepakte polymeerpartikeltjes op de cementhydraten coalesceren in een continue film of membraan (figuur 5.12). Deze filmen of membranen verbinden de cementhydraten om een monoliet netwerk te vormen waarin de polymeerfase de cementhydrataatfase interpenetreert . Zulk een structuur werkt als een matrixfase. De latex-gemodificeerde mortel (beton) en de aggregaten worden door die matrix samengebonden om zo een verharde mortel (en beton) te gaan vormen.

STAP 3 Gehydrateerde cement omringd door een polymeerfilm of membranen Ingesloten water

Figuur 5. 12 : Stap 3 in het model van Ohama [31]

Voor de uitleg van dit filmvormingsproces, maakt Ohama gebruik van een vereenvoudigd schema met een polymeerlatex op een onderliggende cementmatrix (figuur 5.13).

Microstructuur


In deze opstelling zal omwille van capillaire effecten het aanwezige water naar de poriën bewegen. Luchtinsluitsels in het substraat zullen daarentegen migreren naar de verse dispersiemortel en resulteren in luchtbellen in de adhesieve laag. De filmvorming wordt bekomen doordat de polymeerpartikeltjes zich opstapelen tengevolge van de verdamping en van de absorptie van het water door het substraat. Dit proces wordt verder nog versterkt door verdere drainage. Volgens Ohama wordt de cement dus eerst volledig gehydrateerd alvorens de polymeren een film gaan volgen.

Polymeerpartikeltjes Water ⇒ Polymeerlatex Cementhydraten FLOCCULATIE van POLYMEER De vorming van een Dichtgepakte structuur Van polymeerpartikeltjes DRAINAGE van WATER tussen de POLYMEERPARTIKELTJES COALESCEREN van de POLYMEERPARTIKELTJES Vorming van een continue Polymeerfilm

Figuur 5. 13 : Filmvormingsmechanisme volgens Ohama [31]

Het model van Ohama versterkt de algemene aanname dat de eigenschappen van gewone mortel en beton in het algemeen verbeterd worden door toevoeging van latex. Hij stelt dat de microscheurtjes in de latexgemodificeerde mortel of beton ontstaan, wanneer het monster belast wordt, overbrugd worden door de gevormde polymeerfilmen of membranen. Op die manier wordt scheuruitbreiding verhinderd en tegelijkertijd wordt een sterke cementhydraat-aggregaat binding ontwikkeld. Bovendien stijgt de gunstige invloed van dit effect bij stijgend polymeergehalte. Een overmaat aan luchtinsluitsels en een overmaat aan polymeer veroorzaken echter discontinuïteiten in de gevormde monoliete netwerkstructuur, waardoor de sterkte daalt. Daarnaast brengt het afdichtingseffect van de polymeerfilmen of membranen een merkbare verbetering in waterbestandheid, waterdichtheid, weerstand tegen vocht of luchtpenetratie, chemisch weerstand en vries-dooibestendigheid met zich mee. Deze effecten worden eveneens verhoogd door een toenemende p/c-factor. Deze visie, waarbij de microstructuur bestaat uit een co-matrix van enerzijds mineraal cementmateriaal en anderzijds organisch polymeermateriaal, die onafhankelijk van elkaar

Microstructuur


gevormd worden, maar uiteindelijk resulteren in een gecombineerde matrixfase, waarmee aggregaten verbonden worden, wordt door Bijen niet volledig bijgetreden. 5.3.2 De visie van Bijen Onmiddellijk nadat de verschillende elementen worden samengevoegd gaat volgens Bijen een gedeelte van de polymeerdeeltjes zich afzetten op de cementpartikeltjes en op de aggregaten, terwijl het andere gedeelte in de oplossing blijft. Dit gebeurt zodanig dat er een evenwicht ontstaat tussen de twee hoeveelheden. Enkel de niet-geadsorbeerde polymeren dragen volgens hem bij tot de eigenschappen van het polymeer-cement beton omdat het hoofdzakelijk die deeltjes zijn die een film kunnen vormen. De geadsorbeerde partikeltjes daarentegen gaan de hydratatie verhinderen en vertragen. Ze gaan immers chemisch interageren met de cementhydratatieproducten en zo complexen vormen, die het hydratatieproces vertragen [32, 33]. Uit onderzoek aan de T.U. Delft [34] met styreen-acrylaat emulsies blijkt dat er een interactie plaatsvindt tussen het polymeer en de Ca2+, SO4

2-, en de OH- ionen in de vloeibare fase van de cementpasta. Voor het SAE-polymeer zal het aandeel aan Ca2+ in het poriënwater dalen, terwijl de hoeveelheid SO4

2- en OH- stijgt. Het lijkt erop dat de Ca2+-ionen reageren met het polymeer en de vorming van Ca(OH)2 en ettringiet afremmen. Het ‘opslorpen’ van Ca2+ start door de reactie van de Ca2+-ionen met de carboxylgroep die aanwezig is in het polymeer. Het reactiemechanisme tussen de acrylaatpolymeren en de Ca2+-ionen wordt ‘saponification’ of ‘verzeping’ genoemd. Die chemische reactie tussen het acrylaat-polymeer en calciumhydroxide zorgt voor een enorme versterking van het beton [35]. Het betekent dat bij polymeerbeton de acrylaat-polymeren voor ionische bindingen met het beton zorgen door die reactie met Ca(OH)2. Het vormen van zo’n ‘crosslinked’ structuur zorgt dus voor verbeterde eigenschappen en een betere duurzaamheid dan deze bij gewone beton/mortel. Verder zal de polymeerlaag verdikken naarmate het water in de capillaire poriën opgebruikt wordt. Sommige hydratatieproducten van het cement gaan door deze laag groeien, terwijl andere gaan neerslaan. Het model van Bijen is dus wel grotendeels gesteund op dat van Ohama, maar vertoont toch enkele grote verschilpunten. Ten eerste stelt Ohama dat alle polymeerdeeltjes geleidelijk aan gaan neerslaan tijdens de hydratatie en nadat al het water opgebruikt is of verdampt een film gaan vormen, terwijl het volgens Bijen slechts een gedeelte van de polymeerdeeltjes zijn die een film gaan vormen en dan nog juist diegene, die tijdens de hydratatie niet zijn neergeslagen. Ten tweede gaat Ohama ervan uit dat de beide processen, hydratatie en filmvorming, volledig onafhankelijk zijn. Bijen daarentegen heeft het over het hinderen van de hydratatie door de geadsorbeerde partikeltjes. Beide wetenschappers zijn het er echter wel over eens dat de hydratatie van de cement en de filmvorming van de polymeren twee opeenvolgende processen zijn. Alhoewel Bijen hier toch al enigszins vanaf wijkt, wanneer hij beweert dat de hydraatproducten gedeeltelijk door de polymeerlaag groeien. Puterman [30] gaat echter nog een stap verder en heeft het over de gelijktijdigheid van de processen.

Microstructuur


5.3.3 De visie van Puterman Het model ter vorming van polymeer-cement beton opgesteld door Puterman [30] bestaat uit vier fasen (figuur 5.14).

Fase1 Fase2

Fase3 Fase4

granulaat polymeerfilm Figuur 5. 14 : Het model van Puterman [30]

Fase 1 In deze eerste kortstondige fase bevinden de cementdeeltjes zich samen met de polymeerpartikeltjes in de waterrijke fase. Fase 2 Bij het mengen van de polymeerdispersie met het cement en de aggregaten, worden de polymeerpartikeltjes op de minerale fase geadsorbeerd en vormen daar een laag van deeltjes, die de beschikbare oppervlakte coaten. Het aantal geadsorbeerde deeltjes is afhankelijk van het aantal polymeren en de grootte van het oppervlak. De overige deeltjes blijven in het water. Fase 3 De dicht opeengepakte polymeerpartikeltjes gaan samenklitten en een film vormen (als de temperatuur hoger is dan de MFT) en tegelijkertijd start de hydratatiereactie van het cement. De film wordt gevormd onafhankelijk van het feit of er nog water aanwezig is. Het zijn de intermoleculaire krachten die dit filmvormingsproces beheersen. De hydratatie start overal

Microstructuur


waar het water aan de minerale fase kan. Elders vindt er geen hydratatie plaats en blijven de cementdeeltjes in een ongehydrateerde toestand bedekt door een polymeerfilm. Fase 4 Afhankelijk van het feit of het water de minerale fase kan bereiken of niet, krijgt men volledige, gedeeltelijke of helemaal geen hydratatie van de cementpartikeltjes. Naarmate de hydratatie doorgaat, gaan de hydratatieproducten door de film snijden en drukken ze de polymeren samen. Zo gaan de cementpartikeltjes een geheel vormen waarin de polymeerdeeltjes in een continue laag aanwezig zijn. Er wordt een in elkaar vervlochten netwerk gevormd, waarin ook nog ongehydrateerde cementpartikeltjes kunnen voorkomen. Daar waar volgens Ohama het filmvormingsproces het hydratatieproces niet verhindert, omdat ze na elkaar plaatsvinden, is dit volgens Puterman wel zo. Uit het microscopisch

Figuur 5. 15: Hydratatie van ongemodificeerde cement

onderzoek van Puterman blijkt immers dat de polymeerfilm die gevormd wordt de hydratatiereactie verhindert en soms zelfs belet, doordat ze sommige cementpartikeltjes isoleert van het water. Er dient in dit opzicht volgens Puterman wel een onderscheid gemaakt te worden tussen polymeeremulsies met een MFT boven (figuur 5.16) en onder (figuur 5.17) de verwerkingstemperatuur. Om dit te onderzoeken maakte hij drie verschillende cementoplossingen: één zonder polymeer (figuur 5.15), één met een polymeer dat een MFT heeft boven de verwrkingstemperatuur (figuur 5.17) en één er onder (figuur 5.16). Het zijn immers enkel de emulsies met een MFT beneden de verwerkingstemperatuur, die een film van dicht opeengepakte polymeerpartikeltjes gaan vormen en op die manier de hydratatie gaan verhinderen (figuur 5.17). De film gaat immers op sommige plaatsen de cementpartikeltjes volledig omringen en zo verhinderen dat het water, vereist voor de hydratatie-reactie, deze partikeltjes kan bereiken, alhoewel er nog voldoende water aanwezig is. De hydratatie wordt echter niet volledig verhinderd, omdat de film niet alle cementdeeltjes volledig kan isoleren. Bij een latex met een MFT boven de verwerkingstemperatuur doet deze belemmering zich niet voor. Er wordt immers geen film gevormd die de cementdeeltjes van het water kan isoleren (figuur 5.17). De hydratatie kan dus bijna ongehinderd plaatsvinden. Voor wat betreft de glasachtige polymeeremulsies, die een relatief hoge MFT hebben, zijn Puterman en Ohama het eens over het niet gehinderd worden van het hydratatieproces door de aanwezigheid van polymeer.

Microstructuur


Styreen-acrylaat copolymeer MFT= 38°C > verwerkingstemperatuur GEEN FILMvorming => geen belemmering

Zuiver acrylic-ester polymeer MFT= 14°C < verwerkingstemperatuur WEL FILMvorming => wel belemmering

Figuur 5. 16 :Hydratatie van met styreen-acrylaat copolymeer gemodificeerde cement

Figuur 5. 17 : Hydratatie van met zuiver acrylic-ester polymeer gemodificeerde cement

5.3.4 Verdere bemerkingen over het filmvormingsfenomeen en de

hydratatie Deze drie modellen geven een overzicht van de beschikbare theorieën over polymeergemodificeerde mortels en beton. Niemand weet tot nu toe echt zeker hoe de structuur in elkaar zit. Iedereen tracht te verklaren wat hij of zij ziet. Zo doen er verschillende versies de ronde over het filmvormingsfenomeen en de hydratatie. Volgens Ohama [36] is de finale stap tijdens het uithardingsproces van de polymeer gemodificeerde mortel en beton, het wegtrekken van het water gedurende de cementhydratatie gevolgd door het coalesceren van de polymeerpartikeltjes, waarna een continue film gevormd wordt met een geïntegreerde netwerkstructuur als eindresultaat. Deze film gaat dan de verharde cement aaneenbinden. Semerad [37] daarentegen schrijft dat er een coherent polymeerframe gevormd wordt na de toevoeging van het polymeer aan de mortel (zie ook § 5.3.3), maar dat zulks pas gebeurt vanaf een bepaalde p/c-factor. Deze factor is wel afhankelijk van het polymeertype, maar schommelt meestal rond de 5%. Beiden beweren ze samen met Osen [38] dat het coherente polymeerframe dat uiteindelijk gevormd wordt, zich uitspreidt over de micro-scheurtjes in het gehard cement en zo dienst doet als brug of vulstof. De polymeerfilm voorkomt zo de verdere uitbreiding van de microscheuren in de mortel. De microscheuren worden immers merkbaar kleiner in aantal en in grootte. Samen met de adhesieve verbindingen met de zandkorrel, resulteren de filmen in een grote verbetering van de mechanische eigenschappen. Er zijn echter ook wetenschappers die de filmvorming in vraag stellen. Liang Naixing [39] heeft de microstructuur van cementsteen gemodificeerd met SB latex onderzocht en vond dat deze afhankelijk was van de p/c-factor. Wanneer er weinig SB latex wordt toegevoegd (p/c = 0.1), vormt SB niet echt een film alhoewel er wel een soort netwerkstructuur aanwezig is. Deze netwerkstructuur is grotendeels opgebouwd uit SB latexpartikeltjes, die enkel

Microstructuur


samengebonden zijn door intermoleculaire krachten, waardoor het netwerk geen volledige continue film is, maar een netwerk met veel gebreken. Bij een hoger polymeerpercentage (p/c = 0.5) vormt de SB snel een film in de uithardende cementpasta. Hierbij wordt een integrale continue film gevormd, waarbij er geen deeltjes meer zichtbaar zijn. In sommige delen echter gaan de vliesjes en de klonters er voor zorgen dat de cementstenen in verschillende eilanden verdeeld worden, wat een nadelige invloed heeft op de draagkracht. Bij een gepaste hoeveelheid SB latex (p/c = 0.3), vormt het polymeer samen met de cement een drie dimensionaal netwerk. Beide fasen interpenetreren in elkaar om zo samen één geheel te vormen. De mechanische eigenschappen van het uitgeharde materiaal verbeteren hierdoor enorm. Mortel en beton die met polymeren gemodificeerd zijn, ervaren volgens Puterman een zekere vertraging in de ontwikkeling van de sterkte, welke toe te schrijven is aan de invloed van de polymeren op het hydratatieproces. Dit zou naar de theorie van Chandra en Flodin [40] te verklaren zijn aan de hand van de tweewaardige calciumionen van Ca(OH)2 die vrijkomen tijdens het hydratatieproces. Ze gaan immers interageren met de anionische elementen aanwezig in sommige polymeerdispersies, evenals met de carboxylgroep van de acrylaatpolymeren. Dit resulteert in een calciumcomplex gevormd door ionische interacties, waardoor het polymeer zijn filmvormingscapaciteit verliest. Semerad [37] en Wilding [41] hebben gevonden dat de hydratatie van het cement daalt met stijgende polymeerconcentratie (wat ook Puterman beweert). De polymeren dragen immers bij tot de vorming van intermediaire polymeerfilmen, welke de cementkorrels omringen en daardoor de diffusie van water en andere opgeloste species in de weg staan, terwijl deze elementen normaal het hydratatieproces van cement controleren. Ook andere wetenschappers zoals Gorur en Wittman [42], Grosskurth en Konietzko [43] en Gregory [44] bevestigen dat een vertraging van de gelvorming plaatsvindt wanneer de polymeer concentratie stijgt, wat leidt tot een reductie van de initiële sterkteontwikkeling. Deze theorieën in verband met het effect van polymeren op de hydratatie van cement worden tevens bevestigd door Chen en Zhong [45]. Zij hebben mortel onderzocht, gemodificeerd met SB latex en acrylaat copolymeer. SB latex zou het hydratatieproces van cement vooral in het beginstadium vertragen, daar waar het eigenlijk geen invloed zal hebben op de eindtoestand van het hydratatieproces. Acrylaat copolymeer emulsie daarentegen vertraagt het hydratatieproces, met een verlenging tot gevolg. Zeng, Short en Page [46] hebben specifiek de hydratatie van SBR (met toevoeging van carboxylgroepen) gemodificeerde mortel onderzocht. Zij besluiten in overeenstemming met de andere onderzoekers dat het SBR de rol speelt van een vertrager en dit des te meer naarmate het polymeerpercentage opgedreven wordt. 5.3.5 De visie van A. Beeldens Na deze vele modellen en beweringen over polymeer gemodificeerde mortel op microschaal kan uiteindelijk de stap gezet worden naar de macrostructuur van het ZOB. Daar dit onderzoek kadert in het doctoraat van A. Beeldens wordt vertrokken van dezelfde samenstelling, werkwijze, verdichtingswijze en bewaaromstandigheden als degene die in haar testen gebruikt werden [16]. Bijgevolg zijn haar bevindingen in verband met de structuur [5] van het ZOB ook toepasbaar op de mengsels die aangemaakt zijn in het kader van dit onderzoek. Macroscopisch zijn er in het ZOB drie fazen te onderscheiden welke homogeen verspreid zijn in het materiaal. Ten eerste de grove aggregaten die discontinu verspreid zijn in het materiaal. Ten tweede de continu verspreide cement-polymeer fase (waarvoor reeds verschillende

Microstructuur


modellen van andere wetenschappers zijn aangehaald). Deze pasta vormt een matrix waarin de aggregaten zijn ingebed. De aggregaten worden omhuld door een fijne laag van deze pasta (0.5 tot 1 mm dik) en worden ook door middel van ‘bruggen’ aan elkaar gebonden. De derde fase bestaat uit grote poriën die doorheen het materiaal aan elkaar verbonden zijn. Op die manier krijg je een tweede matrix naast de cement-polymeer matrix. A. Beeldens beweert dat de kunst erin bestaat juist genoeg mortel toe te voegen aan het ZOB, opdat de aggregaten omhuld zouden zijn door een film en daardoor aan elkaar worden gebonden door middel van “bruggen”. Teveel mortel zou de open poriën tussen de aggregaten gaan opvullen (= negatief voor de geluidreductie en de drainage), te weinig zou de sterkte van de structuur in gedrag brengen. Uit vergelijkingstesten heeft A. Beeldens kunnen besluiten dat bij het gebruik van een mortel zonder polymeer deze ideale omhulling niet bereikt kan worden. Door toevoeging van 10% (= p/c-factor) polymeer krijgt men wel een volledige bedekking van de aggregaten. De adhesie van de polymeer-cementpasta op de aggregaten is echter niet uniform. Het ideale ZOB zou een groot aantal grote poriën en een klein aantal kleine poriën dienen te bezitten, dit wil zeggen dat het verschil tussen de totale en de toegankelijke porositeit zo klein mogelijk dient te zijn.

Microstructuur


5.4 Microstructuuronderzoek In deze paragraaf wordt de microstructuur van de beproefde monsters onderzocht met behulp van een ‘Scanning Electron Microscope’ (SEM) en een ‘Energie-Dispersief analysesysteem van X-stralen’ (EDX). Op basis hiervan kan onderzocht worden welke van de vorige tegenstrijdige modellen het dichtst bij de waarheid aanleunt. Het inzicht in de microstructuur zal de verklaring van de duurzaamheid en de adhesie vergemakkelijken. 5.4.1 De Scanning Electron Microscope 5.4.1.1 Het principe en de werking Bij een SEM (figuur 5.18) wordt een beeld gevormd door het te bestuderen monster te bombarderen met een bundel elektronen.

Figuur 5. 18 : Het SEM-apparaat (links) en het apparaat om het monster te coaten (rechts)

De door een gloeidraad uitgezonden elektronen worden door een anode versneld. Vervolgens worden ze door de spoel van de condensator gericht naar het deel van het te bestuderen voorwerp. De magnetische lenzen gaan, door focussering en verbreding van de straal, over tot vergroting. De elektronenbundel wordt tenslotte door een laatste magnetische lens geprojecteerd op een fluorescerend scherm dat oplicht en het beeld zichtbaar maakt. Dit is om te voorkomen dat de beweging van de elektronen vertraagd wordt. Het scheidend vermogen van een microscoop hangt af van de golflengte van de gebruikte lichtbundel. Wanneer deze op een voorwerp valt, worden sommige stralen opgehouden door de ondoorschijnende delen. De doorschijnende delen laten slechts een deel van de stralen door welke na focussering het beeld uitmaken. Is de tussenruimte tussen twee ondoorschijnende

Microstructuur


delen ongeveer even groot als de golflengte van het gebruikte licht, dan wordt het invallend licht zeer verspreid en bereikt slechts een klein deel van de lichtbundel de lens. Het komt er dus op aan de golflengte van het licht te verkleinen door de snelheid te vergroten. Een elektronenmicroscoop vergroot tot 200 000 maal, terwijl een optische microscoop slechts tot 2400 maal kan vergroten. Ook belangrijk is het feit dat het te onderzoeken materiaal elektrisch geleidend moet zijn. Indien dit niet zo is kan men het monster voorzien van een dun geleidend laagje (‘coaten’). Dit laagje kan bestaan uit goud (zoals bij dit onderzoek) of koolstof en is noodzakelijk om de elektronenstroom via de monsterhouder te kunnen laten wegvloeien. De laag wordt in een ‘sputter’ onder vacuüm verstuifd op het monster. 5.4.1.2 Beperkingen Bij SEM-onderzoek moet men rekening houden met het feit dat de interpretatie van een SEM-foto niet altijd 100% waterdicht is. Dit is reeds af te leiden uit de verschillende interpretaties van de microstructuur die in de loop van de tijd gegeven zijn (zie § 5.3). Sommige kenmerken zijn goed vergelijkbaar tussen de verschillende proefstukken: de verspreidingsgraad en de grootte van de deeltjes, de manier van verbinden, het aantal en de grootte van de holtes, enzovoort. Andere eigenschappen zijn onduidelijk, omdat ze niet in beeld gebracht kunnen worden of omdat een SEM-foto hierover geen informatie kan geven. Zo valt het geregeld voor dat sommige componenten van het proefstuk, zelfs na herhaaldelijk ‘coaten’, onvoldoende geleiden en gaan oplichten. Hiervan wordt vermoed dat het om polymeerpartikeltjes (polymeren zijn geen goede geleiders) gaat, maar dit kan niet met 100% zekerheid gesteld worden. Bovendien kan door het fel oplichten de structuur helemaal niet meer onderscheiden worden. De informatie die de SEM-foto’s opleveren, blijft natuurlijk ook louter visueel. Men kan in principe niet weten op welke elementen men aan het kijken is. Hier biedt een Energie-Dispersief analysesysteem van X-stralen (EDX) wel enige oplossing. 5.4.2 De EDX-analyse 5.4.2.1 Het principe en de werking Deze analyse geeft aan welke elementen er allemaal voorkomen. Zo krijgt men al een beter zicht op de aard van de deeltjes. De vorming van het EDX-beeld gebeurt door het bombarderen van het te onderzoeken stuk beton of mortel met een elektronenkanon in een vacuümkamer van het toestel. Het apparaat richt een elektronenbundel op het monster. Hierdoor kunnen bepaalde elektronen geabsorbeerd worden door het beton- of morteloppervlak, andere worden weggeleid over dit met goud geleidend gemaakt oppervlak. In nog andere gevallen vindt er een botsing plaats tussen elementen uit de oppervlaktelaag en de inslaande elektronen. Dit heeft een emissie van X-fotonen en secundaire elektronen uit het gebombardeerd materiaal tot gevolg. Deze fotonen verlaten het beton in de vorm van X-stralen die kenmerkend zijn voor de elementen aanwezig in het monster. Door de detectie van die X-stralen kan een beeld gevormd worden van de chemische samenstelling van het proefstuk. Deze X-stralen kunnen gedetecteerd worden via een Energie-Dispersief analysesysteem van X-stralen (EDX). In dit geval wordt beroep gedaan op een silicium-kristal, gedopeerd met lithium, hetwelk zeer gevoelig is voor de energieën van de uitgezonden X-fotonen. Met behulp van een speciale transistor en een versterker kunnen de energiepulsen uiteindelijk worden gesorteerd. Dit resulteert tenslotte in een spectrum op een kathodebuis.

Microstructuur


In zulk een spectrum verschijnen dan verschillende pieken die aangeven welke elementen er op het oppervlak aanwezig zijn. Ten gevolge van het coaten met goud verschijnt er in het spectrum steeds eerst een enorme goud-piek onafhankelijk van de andere elementen. Daarnaast begint elk spectrum ook met een enorme Be-piek. Met deze pieken dient in het verder onderzoek dan ook geen rekening gehouden te worden. Daarnaast vertoont het spectrum in sommige gevallen een Si-piek of een Si-piek vergezeld van een Ca-piek. Dit eerste duidt op de aanwezigheid van een zandkorrel, terwijl het voorkomen van de twee pieken samen verraadt dat er cementhydratatieproducten aanwezig zijn. Analyse van polymeren leidt daarentegen tot geen pieken. 5.4.2.2 Beperkingen Bij de interpretatie van de resultaten uit een EDX-analyse moet echter rekening gehouden worden met het feit dat door de oneffen oppervlakken van de monsters een minder duidelijk beeld gevormd wordt. Bovendien is het soms toch nog onmogelijk te achterhalen welke elementen voorkomen omdat de elektronen het te onderzoeken punt doorbranden. Dit gebeurt bijvoorbeeld wanneer op zeer fijne cementhydratatieplaatjes een EDX wordt uitgevoerd. 5.4.3 Onderzoeksmethode Eerst en vooral werd getracht een beeld te vormen van de microstructuur op basis van de ‘gecoate’ referentieproefstukken van elk mengsel. Hierdoor wordt er een beeld gevormd van de wijze van verbinding van het polymeer gemodificeerd cement en de zandkorrels. De polymeren komen in deze soort van analyse enkel voor als partikeltjes op de mortel. Voor een tweede onderzoek werden de proefstukken eerst geëtst met HCl. Deze etsing gebeurt door een 5-uur durende onderdompeling in een zure oplossing, waarna de proefstukken afgespoeld en gedroogd worden. Door het etsen verdwijnen de meeste cementpartikeltjes en komt het polymeer vrij te liggen. Op die manier is het mogelijk om ook een beter zicht te krijgen op het voorkomen van het polymeer in de mortelpasta in plaats van de verschijningsvorm aan de buitenkant. De polymeerpartikeltjes die onderzocht zijn in de eerste reeks SEM-testen zijn door het etsen immers samen met de cementpartikeltjes van de proefstukken verdwenen. Bovendien kunnen de contactpunten tussen de polymeermassa en de granulaten zo ook beter onderzocht worden.

Microstructuur


5.4.4 Onderzoek van de referentieproefstukken van de mortelmengsels1

5.4.4.1 Waarnemingen bij Styreen-butadieen-rubber 5.4.4.1.1 Mortelmengsel met 5% SBR

Foto a

5% SBR x25 Foto b

5% SBR x500 Foto c

5% SBR x200 Foto d

5% SBR x1000

Foto e

5% SBR x400 Foto f

5% SBR x1000 Foto g

5% SBR x1700

Figuur 5. 19 : De ongeëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 5%)

Het ongezaagde oppervlak binnen in een holte van het mengsel ziet eruit zoals figuur 5.19a is weergegeven. Er komen heel wat holtes (85-217 µm) in voor, waarin op hun beurt weer andere holtes gevormd zijn. Sommige plaatsen (“valleien”) zijn nog iets lager gelegen, alhoewel het niet echt poriën zijn. Ze hebben een lengte van om en bij de 750 µm, ze zijn vlak en bedekt met spikkeltjes polymeer van 1 µm (figuur 5.19b). Deze laatste hangen soms aaneen tot deeltjes van 4 µm. Bij 200 maal vergroting (figuur 5.19c), ontdekt men een “schots en scheve” stapeling van “brokstukken”, van 65 tot 180 µm en soms meer. Het betreft hier waarschijnlijk zandpartikeltjes met daarop polymeerstipjes van ongeveer 1 µm grootte (figuur 5.19d). Figuur 5.19e toont een holte met diameter van 0.14 mm waarin zich een verzameling ettringietnaalden van ongeveer 12µm lang bevindt. Aan de rand van die holtes ontwikkelen zich dankzij de aanwezigheid van water in de holte en de beschikbare plaats, calciumhydroxide kristalletjes (figuur 5.19f en g) van om en bij de 0.37 mm. Op het eerste zicht is er dus helemaal geen film te bespeuren in dit mengsel. Wel moet er bij deze bewering rekening mee gehouden worden dat het hier enkel gaat om een visuele inspectie van buiten af. Er wordt een beeld gevormd van de verspreiding van de polymeerpartikeltjes op de cementhydraten en hier en daar op de uitstekende zandkorrels. Om 1 Voor een volledig overzicht van de SEM-analyse van de mortelmengsels wordt verwezen naar bijlage 5.2 A.

Microstructuur


echter de structuur van de polymeren in de mortel te kunnen bestuderen dient de cement eerst te worden weggeëtst met een oplossing van 3% HCl.

Foto a

5% SBR x1000 Foto b

5% SBR x700

Foto a: Poging tot overbrugging tussen de twee granulaten mislukt. Foto c: Bij deze kleine overspanning wordt er wel een brug gevormd.

Foto b: Zuignap van de polymeermassa op de zandkorrel. Foto d: De polymeerbrij hecht zich vast aan de zandkorrel

Foto c 5% SBR x2000

Foto d 5% SBR x2500

Figuur 5. 20 : Geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 5 %)

De structuur die dan zichtbaar wordt is in figuur 5.20 weergegeven. Hier is in tegenstelling tot de figuur 5.19 wel sprake van een film. Daar er echter niet voldoende polymeren aanwezig zijn (p/c-factor is slecht 5%), zijn de filmen niet continu. Het is alsof het polymeer de kloven tussen de granulaten wenst te overbruggen, maar er niet in slaagt (figuur 5.20a). Van op de zandkorrels vertrekken aan beide zijden verschillende boven elkaar gelegen laagjes polymeer, die elkaar als het ware de hand willen rijken, maar net tekort komen. Hier en daar is de overspanning iets kleiner en slagen ze er wel in (figuur 5.20c). Het polymeer op zich vormt niet echt een dun filmpje, maar een kleine kluster. Op sommige plaatsen zijn het cement en het polymeer zodanig verweven, dat ze één dicht ‘tapijt’ vormen. Dit hecht zich vast aan de naast gelegen korrel (figuur 5.20d) of als deze zich op een zekere afstand bevindt, vertrekt er vanuit die polymeerbrij een zuignap (figuur 5.20b) die zich met twee ‘poten’ vastzet op de korrel. Deze verbindingen gebeuren bij zuiver SBR vooral fysisch. Door het feit dat SBR een rubber is, is het zeer flexibel en kan zich relatief gemakkelijk in allerlei bochten en kronkels wringen

Microstructuur


en zo haken vormen die zorgen voor een fysische verbinding bij een gebrek aan chemische bindingen. Het kleverig karakter van een rubber bevordert dit fenomeen. In een ander onderzoek [46], waar getest werd wat de invloedsfactoren zijn op de kinetica en het mechanisme van de hydratatie van een SBR gemodificeerde cementlatex, werden twee verschillende SBR’s onderzocht. Beide bevatten ze een niet-ionische stabilisator en een anti-schuimend produkt. De deeltjesgrootte lag binnen een range van 50-200 nm, de pH was 9.5 en de volumemassa was 1.01 in de beide gevallen. Het grote verschil was de hoeveelheid aan chemisch gebonden carboxylzuren, respectievelijk 1% (SBR1) en 5% (SBR2), uitgedrukt in monomeer ratio. Deze kleine hoeveelheden carboxylzuren worden gewoonlijk chemisch gebonden aan het SBR om het polymeer een verbeterde latex stabiliteit en adhesie te geven. In een zure omgeving gaan de carboxylgroepen dicht bij het oppervlak van de SBR deeltjes geïoniseerd worden (figuur 5.21a). Deze groepen kunnen dan reageren met de calciumionen in de oplossing (figuur 5.21b) of binden met de calciumionen aan de oppervlakte van cementkorrels (figuur 5.21c). Deze interactie kan in het beginstadium van de hydratatie leiden tot flocculatie en in een later stadium tot de vorming van bruggen om de cementmatrix samen te binden.

(a) Ionisatie van de carboxylgroep (b) Interactie met calciumionen in oplossing (c) Binding met een cementkorrel

Figuur 5. 21 : Binding van Ca aan het polymeer [46]

Het polymeer SBR dat gebruikt is in het kader van dit onderzoek bevat waarschijnlijk ook een zeker percentage aan carboxylgroepen dat dienst kan doen als oppervlakteactieve stof bij de emulsiepolymerisatie. Deze zullen dan ook zorgen voor een zekere versteviging van de gevormde fysische verbingen (figuur 5.20b en d). Op basis van de twee onderzoeksmethoden kan gesteld worden dat bij 5% SBR binnen in de mortel een eerste stap gezet wordt naar de interfererende netwerkstructuur waarover in de literatuur (Ohama, Puterman,…) zoveel gesproken wordt. Om van een echt sterk coherent polymeerframe te kunnen spreken is het percentage SBR nog niet hoog genoeg. Zoals Semerad [37, zie ook § 5.3.4] stelt is er een zekere minimale hoeveelheid polymeer nodig om een volledige filmontwikkeling te krijgen.

Microstructuur


5.4.4.1.2 Mortelmengsel met 10% SBR

Foto a : Een lens van polymeerbolletjes die haltertjes vormen (x4500)

Foto b: Overzicht van de lens (x2000)

Foto c: Verzameling ettringietnaalden met polymeerbolletjes in verweven. (x2000)

Figuur 5. 22 : Niet geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10%)

Bij 10% SBR gaan de polymeerbolletjes zich in tegenstelling tot bij 5% meer verzamelen in grotere groepen en zo als het ware lenzen (van bolletjes) vormen (figuur 5.22b). Deze lenzen hebben lengtes tot 30 µm. Ze zijn echter nog steeds opgebouwd uit afzonderlijke polymeerbolletjes van 1 µm grootte. Tussen de lenzen in, is het cementoppervlak bedekt met stipjes polymeer van 0.2 µm grootte. Inzoomen op de polymeerbolletjes van 1 µm, leert dat sommige halter-vormig (figuur 5.22a) zijn en eigenlijk uit twee aaneengeklitte bolletjes (0.5 µm) bestaan. Het is alsof de verbinding op een onderliggend niveau gerealiseerd is. Ook hier worden in een holte ettringietnaaldjes (5µm) teruggevonden, waartussen nu polymeerbolletjes van 1.5 µm verweven zitten (figuur 5.22c).

Foto a

10% SBR x500 Foto b

10% SBR x1700 Foto c

10% SBR x2000 Figuur 5. 23 : Niet geëtste SBR-gemodificeerde mortelmensels (p/c = 10%)

Net als bij 5% SBR wordt langs de rand van een holte (figuur 5.23b) calciumhydroxide kristalletjes aangetroffen. Dit is logisch omdat ook hier water en de benodigde ruimte voor de vorming van dergelijke kristallen aanwezig is. Verder worden door contact van water met cement nog andere cementhydraten gevormd (=hydratatie), zoals bijvoorbeeld calciumsilicaat (CSH). Toch blijven uiteindelijk nog holle plaatsen over, waar zich water of lucht bevindt. Bij

Microstructuur


toevoeging van polymeren gaat volgens de mening van verschillende wetenschappers (Chandra, Fodin, Semerad, Puterman zie§ 5.3.4) de hydratatie echter vertraagd en belemmerd worden. Chen en Zhong [45, zie ook § 5.3.4] bevestigen dit, maar beweren dat voor een SB latex, zoals hier besproken wordt, deze vertraging enkel in het beginstadium plaatsvindt en dat daar in de eindtoestand niets meer van te merken is. De vorming van mooie grote Ca(OH)-kristallen bevestigt hun bewering (figuur 5.23b). Deze kristallen (0.32 µm) groeien van de rand naar het centrum van de holte (950 µm) toe. Rondom de holte bevinden zich polymeerpartikeltjes alleen en in groep. De individuele deeltjes klitten samen tot groepjes die op hun beurt weer samen voorkomen. Aan de holte (figuur 5.23a) vertrekken ook twee scheurtjes, die ongeveer 2 µm open staan. Op sommige plaatsen wordt deze opening overbrugd door een sliertje polymeren. Ohama, Semerad en Osen (zie § 5.3.4) beweren dan ook dat het uiteindelijk gevormde coherente polymeerframe zich zal uitspreiden over de micro-scheurtjes in het uitgehard cement en zo dienst zal doen als brug of vulstof. Dit frame wordt zichtbaar op proefstukken die vooraf geëtst werden met HCl.

Foto b : 10% SBR x1000

Foto a : 10% SBR x200 Foto c : 10% SBR x1000

Figuur 5. 24 : Geëtste SBR-gemodificeerde mengsels (p/c = 10%)

Figuur 5.24a toont een overbrugging tussen twee granulaten. In tegenstelling tot de mengsels met 5% SBR slaagt het polymeer er hier wel in de ‘kloof’ te overbruggen. Op basis van deze waarnemingen kan dan ook bevestigd worden dat de uiteindelijke mechanische eigenschappen (bijv. treksterkte) van de mortel beter zullen worden door de aanwezigheid van de elastische polymeerfilm. Bij 500 x vergroting van een niet geëtste mortelspecie (figuur 5.27a) krijgt men een duidelijk beeld van een zandkorrel die als het ware perfect in de cementpasta past. Op het detail van de korrel (figuur 5.27b) is duidelijk te zien dat er opvallend minder polymeerbolletjes aanwezig zijn op het zand in vergelijking met de mortel. Dit zou een eventuele aanduiding kunnen zijn voor de kleinere affiniteit van polymeer voor zand dan voor cement.

Microstructuur


Dat het hier wel degelijk om een zandkorrel gaat die in de cementpasta ligt kan zonder twijfel gecontroleerd worden aan de hand van een EDX-analyse. Beide spectra zijn hieronder weergegeven.

Figuur 5. 25 : EDX op hydratatieproducten

Figuur 5. 26 : EDX op zandkorrels

Eerst en vooral komen er in beide spectra een grote Be- en Au-piek voor, deze spelen in de verdere analyse geen rol. Daarnaast verraden de twee andere (kleinere) pieken, respectievelijk Si- en Ca-pieken in het eerste spectrum (figuur 5.25) de aanwezigheid van gehydrateerde calciumsilicaten. In het tweede spectrum (figuur 5.26) is slechts één andere piek te bespeuren (naast de Be- en Au-piek), dit bewijst dat het hier gaat om een zandkorrel. Een verklaring hiervoor kan gevonden worden in de mineralogische opbouw van de componenten. Zand dat hoofdzakelijk uit kwarts opgebouwd is, zal door zijn negatieve lading weinig interactie vertonen met een anionische emulsie (ten gevolge van de carboxylgroep die geïoniseerd is, zie figuur 5.21a). Hoogovencement daarentegen wordt verkregen door het ijzererts (Fe203) , samen met een kiezelzuur- en aluminiumhoudend gesteente (Si02, Al2O3) zoals klei,… tot een slak te smelten en dat dan ‘af te schrikken’. Bij de hydratatie zullen calciumsilicaten gevormd worden (cfr. de twee pieken in het spectrum van figuur 5.25). De positieve Ca-ionen zullen dus met een anionische emulsie beter reageren wat ook de dichtere concentratie van polymeerpartikels op de cementhydratatieprodukten kan verklaren. De kleine zandkorrel (77 µm) ligt als het ware in een op maat gesneden vakje in de mortelpasta en rondom is er een kleine spatie. Behalve aan één zijde, waar de verbinding met het cement verzekerd wordt door een sliert polymeerbolletjes. Dit zou weer aanleiding kunnen geven tot een verhoogde cohesie van de mortel.

Foto a: De zandkorrel ligt ingebed in de polymeer-cement mortel.

Foto b: Detail van de hechting tussen de cementpasta en de zandkorrel, hier gerealiseerd

door een polymeermassa.

Foto a

10% SBR x500 Foto b:

10% SBR x2000 Figuur 5. 27 : Niet geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10%)

Microstructuur


5.4.4.1.3 Mortelmengsel met 15% SBR Onderzoek van het mortelmengsel met 15% SBR (figuur 5.28) leert dat op sommige plaatsen hogere concentraties polymeer aanwezig zijn dan bij 5% of 10% SBR, terwijl op andere plaatsen de spreiding hetzelfde is.

Figuur 5. 28 : Niet geëtste SBR-gemodificeerd mortelmengsel (p/c = 15%, x700)

Deze hoge concentraties polymeer zijn niet alleen terug te vinden op mortellaagjes op een zandkorrel zoals in figuur 5.28, maar ook in holtes komen klusters polymeren voor (zie bijlage nr foto304cx500). Deze klusters hebben een lengte van ongeveer 60 µm, daar waar ze bij 10% SBR maximaal 30 µm lang zijn. De polymeerbolletjes blijven echter slechts 1 µm groot.

Foto a

15% SBR x1000 Foto d

15% SBR x1000

Foto b


15% SBR x200 Foto e

15% SBR x2000 Figuur 5. 29 : Geëtste SBR gemodificeerde mortelmengsel (p/c = 15%)

Microstructuur


Algemeen kan dus aangenomen worden dat bij mortels met een hogere p/c-factor ook meer polymeerpartikeltjes op de cement gaan zitten, wat logischerwijs te verwachten is. De vraag is echter: “Hoe gaan deze partikeltjes zich schikken?”. Uitwendig komen ze soms samen voor en soms verspreid. Inwendig (de geëtste structuur) daarentegen, ziet het er weer helemaal anders uit. Bij vergelijking van figuur 5.29 (15% SBR) met figuur 5.24 (10% SBR) is het duidelijk dat er veel meer bruggen (figuur 5.29d en e) gevormd worden bij 15% polymeer. Het geheel van verbindingen geeft bij 15% SBR zelfs aanleiding tot een heuse netwerkstructuur (figuur 5.29c). Op basis van de foto’s (figuur 5.28 en 5.29) kan gesteld worden dat de polymeerpartikeltjes zich afzetten op de hydratatieprodukten (figuur 5.28), om dan te coalesceren en zo een continue film te vormen (figuur 5.29c) rond en tussen de cementpartikeltjes. In deze visie duiden de gaten (figuur 5.29e) in de netwerkstructuur de plaatsen aan waar vóór het etsen de cementhydraten gezeten hebben. De cementproducten zaten dus stevig ingebed in een elastische polymeermortel.

Het polymeer vormt een continue film rond de hydratatieprodukten.

Gaten in de netwerkstructuur. ‘Bruggen’ zijn als rekkers gespannen rond de gaten

Vóór etsing van de mortelmengsels. Na etsing van de mortelmengsels. Figuur 5. 30 : Effect van etsing met HCl op de polymeer gemodificeerde mortelmengsels

Op die manier vormde het geheel een stevig driedimensionaal netwerk (figuur 5.30). De gemeenschappelijke beweringen van Ohama, Bijen en Puterman zijn bij deze dus bevestigd. Onderling verschillen deze wetenschappers nog wel van mening wat betreft het tijdstip waarop deze interpenetrerende polymeerfilm gevormd wordt. Op basis van deze foto’s kan daar echter geen sluitend antwoord op gegeven worden. Het betreft hier immers steeds proefstukken waarbij het cement op het einde van het hydratatieproces gekomen is en waarbij de polymeren hun definitieve structuur bereikt hebben. Welk van de twee processen eerst was, is hier dus niet uit op te maken. Bij nader onderzoek van de aansluitingen tussen de polymeerfilm en het zand kunnen twee fasen onderscheiden worden. Rond de korrel zit net als bij 5% (figuur 5.20d) en 10% (figuur 5.24a) SBR een polymeerlaagje, maar dan dikker en over een groter oppervlak uitgesmeerd (figuur 5.29b). Vanop dit laagje vertrekken dan ‘bruggen’ die rond de cementpartikeltjes gespannen zijn. 5.4.4.1.4 Mortelmengsel met 20% SBR Bij 20% SBR klitten de polymeerpartikeltjes nog meer samen dan bij lagere percentages, wat ook te verwachten is. Ze zijn immers in grotere hoeveelheden aanwezig. Bovendien vertonen ze blijkbaar een zekere affiniteit voor elkaar. Dit was ook te merken tijdens de proef op de verschillende polymeeremulsies ter bepaling van de MFT. Tijdens het filmvormingsproces gingen de polymeerbolletjes zich daar immers ook in groep verzamelen alvorens uit te harden.

Microstructuur


Foto a

20% SBR x4500 Foto b


20% SBR x2000 Figuur 5. 31 : Niet geëtste SBR gemodificeerde mortmengsels (p/c = 20%)

De gecoalesceerde polymeerpartikeltjes (1 µm) gaan bij 20% SBR uitwendig reeds één continu gelaagd kleedje vormen op de cementdeeltjes, daar waar er bij 15% uitwendig nog geen sprake van was. Door de hoge aanwezige kwantiteit bedekken ze het gehele oppervlak tot in de holtes toe, alsof er een dicht net over het geheel gespannen is (figuur 5.31c). Bij een vergroting van 4500 maal (figuur 5.31b) ziet de bolvormige structuur die bij een vergroting van 2000 maal (figuur 5.31c) waargenomen wordt, er heel anders uit. De bolletjes blijken niet echt rond te zijn, maar de structuur te hebben van een roos (4 µm). Bovenaan bestaan ze uit één of twee deeltjes, die al dan niet als haltertjes (figuur 5.31b) aan elkaar hangen. Daaronder bevindt zich een dieper gelegen laag polymeerdeeltjes, die op haar beurt op een onderliggende laag steunt. Het lijkt op een bloem die openbloeit bij de eerste zonnestralen. Op deze manier wordt een continue dichte laag gevormd. Of er hier nu sprake kan zijn van een film of niet hangt af van de gehanteerde definitie. Normaal spreekt men van een film, wanneer de discontinue deeltjes gaan coalesceren en één continu geheel vormen waar na enige tijd geen deeltjes meer zichtbaar zijn. Dit fenomeen doet hier dan ook langzaam zijn intrede, maar waar nu exact de grens ligt tussen film en niet-film is niet zo gemakkelijk te bepalen. Als men echter een vergelijking maakt tussen figuur 5.31b en de foto die Puterman gemaakt heeft van een filmvormend polymeer (figuur 5.17) dan kan gesteld worden dat 20% SBR aan de buitenkant van de cementmassa volgens Putermans visie een film vormt. Dit in tegenstelling tot de losse polymeerpartikeltjes die zich bij lagere SBR-percentages op de cementpasta bevinden. De haltervormige structuur die hier bij sterke vergroting tot uiting komt (figuur 5.31b) was ook reeds te zien bij toevoeging van 10% SBR (figuur 5.22a). Het lijkt erop dat deze haltervormige stukjes de basiselementen vormen van de SBR polymeerstructuur. Naarmate er meer polymeer wordt toegevoegd, gaan deze ook steeds dichter op elkaar gepakt zitten en uiteindelijk een continu kleedje vormen dat over het geheel verweven is.

Microstructuur


Figuur 5. 32 : SBR gemodificeerd mortelmengsel ( p/c = 20%, x100)

Ook in de poriën (figuur 5.32) is de overmaat aan polymeer duidelijk te merken. Bij verdamping van het water is de polymeeremulsie (50% vaste stof) die zich oorspronkelijk in de porie bevond op zichzelf beginnen uitharden, met een verzameling aaneengeklitte polymeerdeeltjes tot gevolg. In tegenstelling tot bij 15% SBR is er bij 20% reeds op de niet geëtste proefstukken een polymeerfilm waarneembaar. De foto’s die gemaakt kunnen worden na aantasting met HCl (figuur 5.33 en figuur 5.34) kunnen deze waarnemingen alleen nog maar bevestigen en versterken. Ook daar is er immers duidelijk een film waar te nemen. Het geheel zelf ziet er vaster (figuur 5.33a) en steviger uit dan bij 15%. De gaten zijn minder groot en de structuur is meer gelaagd (figuur 5.33b).

Foto a

20% SBR x500 + HCl Foto b

20% SBR x500 + HCl Figuur 5. 33 : Geëtste SBR gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%)

Wat betreft de aanhechting op de zandkorrels is er weer (zoals bij 15% SBR) een onderscheid mogelijk tussen de laag die als een kleedje rond de korrels (figuur 5.33a) zit en het netwerk dat vanop deze laag vertrekt.

Microstructuur


Foto a 20% SBR x1000

+HCl

Foto b 20% SBR x3000

Figuur 5. 34 : Geëtste SBR gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%)

Die aanhechting is zeer goed in detail te zien op foto 2 (figuur 5.34). De polymeerbrij hecht zich met verschillende ‘pootjes’ vast aan de zandkorrel. Het zijn diezelfde zuignapjes die ook bij 5% (figuur 5.20b) zichtbaar waren, maar nu veel kleiner en fijner en in grotere hoeveelheden. De verbinding zal bij 20% dan ook veel steviger zijn.

Microstructuur


5.4.4.2 Samenvatting en bespreking Op basis van voorgaande SEM- en EDX-analyse kan er een beeld gevormd worden van de structuur van de met SBR gemodificeerde mortelproefstukken. Het basisbestanddeel waaruit de SBR-film is opgebouwd zijn haltervormige deeltjes. Deze deeltjes zijn bij de verschillende hoeveelheden polymeer terug te vinden, maar natuurlijk in stijgend aantal naarmate het polymeerpercentage opgedreven wordt. Ze zijn het resultaat van een samensmelting van twee bolvormige partikeltjes (1µm) uit de polymeeremulsie. De wijze waarop deze elementen aan elkaar hangen is blijkbaar afhankelijk van het percentage aanwezige polymeer. Zo zijn de deeltjes bij 5% SBR zeer verspreid en niet samenhangend. Bij 10% krijgt men polymeerlenzen tot 30µm naast een verdere verspreiding van kleinere en grote deeltjesverzamelingen. Bij 15% is de verspreiding gering, terwijl de meeste deeltjes geconcentreerd voorkomen op een beperkt aantal plaatsen. Bij 20% tenslotte is het hele oppervlak bedekt met een continue en dichte gelaagde polymeerzone. Wat betreft de filmvorming waarvan in de literatuur [zie § 5.3.1] sprake is, dient een onderscheid gemaakt te worden tussen het beeld dat zichtbaar is bij de ongeëtste proefstukken en de structuur die te onderscheiden valt nadat de cementhydratatieproducten verwijderd zijn door een onderdompeling in HCl gedurende vijf uur. In het eerste geval zijn de cementpasta en de zandgranulaten zichtbaar met daarop de verspreide polymeerpartikeltjes. Naarmate er meer polymeer wordt toegevoegd, is de verspreiding minder groot om uiteindelijk bij 20% een dichte laag te vormen die de gehele structuur bedekt. Bij voldoende vergroting blijft men echter de individuele partikeltjes herkennen, maar er kan (naar analogie met de foto’s (figuur 5.17) van Puterman) wel reeds sprake zijn van een continue film. Na het etsen zijn er enkel nog zand- en polymeerdeeltjes waar te nemen. Nu kunnen er nog moeilijk individuele deeltjes worden waargenomen in de polymeerbrij. Het is één continue plastische gelei geworden die tussen de verschillende korrels een net tracht te spannen en daar des te beter in slaagt naarmate het polymeergehalte opgedreven wordt. De vele gaten in het vlies geven de plaats aan waar de cementproducten gezeten hebben voor de etsing met HCl. In de mortel, evenals erbuiten, heeft het polymeer, de neiging om een film te vormen. De verwerkingstemperatuur ligt dan ook ver boven de MFT (5°C) van SBR. De visie van Ohama die spreekt over de vorming van een geïntegreerde netwerkstructuur, is hier dus duidelijk bevestigd. Ook de modellen van Bijen en Puterman leveren dit resultaat op. Het verschil zit hem echter in de manier waarop dit eindresultaat behaald werd. Daarover zijn in het kader van dit microscopisch onderzoek geen testen gedaan. Enkel het eindresultaat na volledige uitharding werd hier geanalyseerd om op basis daarvan de adhesie (§ 6) en de duurzaamheid (§ 7) te kunnen verklaren. Liang Naixing stelt dat bij SB-latexgemodificeerde mortel met een laag percentage polymeer (p/c = 10%) niet echt een film gevormd wordt [39]. Onderzoek leert dat dit afhankelijk is van wat men juist onderzocht heeft en wat men juist definieert als een film. Zo is er ten eerste een belangrijk onderscheid tussen de waarnemingen bij geëtste en niet-geëtste proefstukken en ten tweede dient aangegeven te worden of enkel een continu vlies als film wordt aanzien of ook een opeenstapeling van onderscheidbare korreltjes.

Microstructuur


Bij de niet-geëtste proefstukken komen de individuele polymeerpartikeltjes voor op de cementhydraten en kunnen eventueel bij hoge percentages (20% SBR), wanneer ze een continu geheel vormen als film gedefinieerd worden. Bij een vergroting van 4500 maal (Fig. 54) is er immers een continu geheel zichtbaar (verwerkingstemperatuur is immers hoger dan MFT), net als op de foto van Puterman (figuur 5.17). Volgens hem mag dit als een film beschouwd worden. De definitie bij de waarnemingen van geëtste proefstukken ligt iets gemakkelijker. Daar zijn er immers quasi geen individuele deeltjes meer zichtbaar. Zelfs bij 5% SBR wordt er daar een vlies gevormd, zij het in geringe mate. De stelling dat er bij een p/c-factor van 10% niet echt een film gevormd wordt is vanuit dit standpunt gezien niet echt aanvaardbaar. Alhoewel er niet voldoende polymeer aanwezig is om de volledige ruimte tussen de granulaten te overspannen, geven de gevormde ‘bruggen’ toch zeker aan dat er van filmvorming sprake is. Verder zegt Liang Naixing [18] dat er pas bij een p/c-factor van 50% een integrale continue film gevormd wordt in het uithardende cement, waarbij geen deeltjes geobserveerd kunnen worden. Desalniettemin zou een p/c-factor van 30% voldoende zijn om een stevig verweven driedimensionaal netwerk te vormen. Met zulke hoge percentages polymeer is er in dit onderzoek niet geëxperimenteerd. Er werden enkel testen uitgevoerd met een polymeergehalte tussen de 5 en de 20% met sprongen van 5%. De ondergrens is gesteld geweest met het oog op de minimale benodigde hoeveelheid polymeer om een coherent polmeerframe te vormen [37] en de bovengrens is vastgelegd geweest om de kosten te beperken. Een te hoog polymeerpercentage zou immers het ZOB oneconomisch maken [5]. Bovendien gaat men in dit onderzoek na of het optimum bij 10% à 12% SBR, waarover in het kader van het proefproject in Herne [21] gesproken is met betrekking tot de akoestische eigenschappen en de stroefheid, ook hier geldt. Een eventueel optimum bij 50% wordt hier dan ook buiten beschouwing gelaten. De p/c-verhouding dient daarnaast ook beperkt te worden, gezien bij hoge gehaltes de verbeterde eigenschappen verloren gaan omwille van de overvloedige luchtinsluitsels. Mogelijk kan ook een samenklontering van het polymeer ontstaan waardoor de continue cementstructuur verloren gaat [47].

Microstructuur


5.4.4.3 Waarnemingen bij Styreen-Acrylaat-Ester 5.4.4.3.1 Mortelmengsel met 5% SAE

Figuur 5. 35 : Niet geëtst SAE-gemodificeerd mortelmengsel (p/c = 5%, x1000)

De polymeerdeeltjes zijn hier (figuur 5.35) in tegenstelling tot wat zichtbaar was bij 5% SBR (figuur 5.19) iets minder verspreid. Bovendien zijn individuele korreltjes (1 µm) hier zeer zeldzaam. De meeste komen voor in groepjes van 1 tot 5 deeltjes. Deze hebben op zich een grootte van ± 2 µm. Op sommige plaatsen wordt deze verspreiding van groepjes polymeerbolletjes opgeheven en verschijnen ze in grotere concentraties van verschillende groepen aan de rand van de onderliggende korrels. Ook in de holtes worden die groepjes en samengeklitte gehelen van deze groepjes teruggevonden.

Foto a

5% SAE x50 Foto b

5% SAE x100 Foto c

5% SAE x200 Foto d

5% SAE x250 Figuur 5. 36 : SAE-gemodificeerde mortelmengsels

Onderzoek van de geëtste monsters leert dat de polymeerstructuur tussen de verschillende korrels niet dichtgepakt is. De polymeerslierten trachten het geheel wel samen te binden, maar ze slagen er nog niet in er een sterk cohesief geheel van te maken. Op de foto’s (figuur 5.36) is er duidelijk een net van draden zichtbaar, maar van een dicht vlies is nog helemaal geen sprake. De pogingen tot brugvorming reiken in vele gevallen niet ver genoeg (figuur 5.37a en d) en als het polymeer er wel in slaagt een brug te vormen is deze zeer broos en tenger (figuur 5.37c en d). De enkele gevormde bruggen vertrekken van een polymeerlaag (figuur 5.38a) die vastgehecht is op de granulaten, net zoals dat het geval was bij SBR (figuur 5.20a). De hechting gebeurt ook hier door zuignapjes die zich vastzetten op de granulaten (figuur 5.38a).

Microstructuur


Foto a

5% SAE x500 Foto b

5% SAE x500 Foto c

5% SAE x500 Foto d

5% SAE x700 Figuur 5. 37 : Geëtste SAE gemodificeerde mortelmensels (p/c = 5%)

De hechting tussen het granulaat en de co-matrix wordt hier dus duidelijk verbeterd door de toevoeging van polymeren (figuur 5.38b). Deze verbinding gebeurt niet zuiver fysisch, maar wordt versterkt door een chemische interactie. SAE (figuur 5.8) bezit immers carboxylgroepen die in staat zijn te reageren met de Ca-ionen in het mengsel [40]. Het mechanisme [28] ziet er als volgt uit (figuur 5.39).

Foto a

5% SAE x1000 Foto b

5% SAE x3000 Figuur 5. 38 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmensels (p/c = 5%)

Door de hydratatie van de cementdeeltjes gaat het water verzadigd worden met calciumhydroxide. Dit calciumhydroxide in de waterfase kan mogelijk reageren met silicium dat zich aan het oppervlak van de granulaten bevindt om zo een calciumsilicaatlaag op het granulaat te vormen. Dit kan bevestigd worden door de uitgevoerde EDX-analyse (figuur 5.40) op het oppervlak van de korrel in (figuur 5.38b). Daar zijn immers naast de gebruikelijke Au-pieken tevens een Si-, Ca- en Al-piek aanwezig. De grote Si-piek toont aan dat het wel degelijk om een zandkorrel gaat, terwijl de Ca-piek getuigt van de vorming van een calciumsilicaatlaag rond deze zandkorrel. De Al-piek getuigt verder nog van de eventuele vorming van andere hydratatieproducten. De polymeerdeeltjes gaan aan het mengsel van gehydrateerde en niet-gehydrateerde cementpartikeltjes hechten evenals aan het granulaatoppervlak. Er kan immers een chemische reactie plaats vinden tussen de reactieve groep van het polymeer (de carboxylgroep) en de calciumionen, het oppervlak van de calciumhydroxidekristallen of de calciumsilicaatoppervlakken van de granulaten. Het belang van deze chemische binding met betrekking tot de sterkte is echter nog niet eenduidig bepaald gezien hier ook mogelijk luchtinsluitsels van groot belang zijn [47].

Microstructuur


Figuur 5. 39 : Reactie tussen de actieve groep van SAE en het calciumion [28]

Figuur 5. 40 : EDX-analyse van de korrel op foto b (figuur 5.38)

Visueel ziet de structuur er bij 5% SAE dus ongeveer uit zoals bij 5% SBR. Op basis van de SEM foto’s kan echter niets gezegd worden over de eigenschappen van de gevormde structuur, al zullen deze in de twee gevallen waarschijnlijk wel verschillend zijn door het verschil in het karakter van de polymeren.

Microstructuur


5.4.4.3.2 Mortelmengsel met 10% SAE Bij de mengsels met 10% SAE is het geheel bedekt met polymeerbolletjes (foto 1, figuur 5.41), zowel op het oppervlak, als in de holtes, als in de holtes van de holtes (foto 3, figuur 5.41). Overal zijn polymeerbolletjes aanwezig, die als het ware een dichte structuur vormen.

Foto a

10% SAE x100 Foto b

10% SAE x500 Foto c

10% SAE x500 Figuur 5. 41 : Niet geëtste SAE gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10 %)

Op het eerste zicht zijn deze deeltjes groter dan bij SBR, maar uit nader onderzoek blijkt dat het in feite bloemkoolvormige structuren van 4 à 5 µm (figuur 5.41b) zijn die zelf uit verschillende deeltjes bestaan. Deze grillige vormen, zijn als het ware de bouwstenen van SAE-gemodificeerde mortels. Het zijn immers dezelfde elementen die ook bij 5% SAE (figuur 5.35) zichtbaar waren, maar hier zijn ze tweemaal zo groot. Toch zijn deze “bloemkooltjes” ook hier samengesteld uit elementaire basispartikeltjes polymeer van 1 µm grootte. Door het feit dat ze groter zijn in afmeting en in aantal dan bij 5% SAE gaan ze elkaar op sommige plaatsen raken, zodat een netwerk van kruisende ketens (figuur 5.41b) gevormd wordt. Daarnaast is tijdens het SEM-onderzoek ook opgevallen dat er veel holtes verspreid zijn over het oppervlak, zowel grote als kleinere.

Foto 1:

10% SAE x400 Foto 2:

10% SAEx1200 Figuur 5. 42 : Niet geëtste SAE gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10 %)

Verder zijn er ook nog scheuren aanwezig op het cementoppervlak (figuur 5.42a). Deze scheuren kwamen ook nog voor bij lage percentages SBR (figuur 5.19b en figuur 5.23a). Hier en daar trachten de polymeerdeeltjes deze scheuren te overbruggen (figuur 5.42b). Op figuur 5.43 is hetzelfde interessante fenomeen waarneembaar als datgene dat uitgebreid behandeld is geweest in paragraaf 5.4.4.1.2 bij 10% SBR. De figuur laat immers duidelijk zien dat de zandkorrels een veel kleinere affiniteit vertonen voor de polymeerpartikeltjes dan de cementhydratatieproducten. Deze SEM foto’s bewijzen dat SAE op dat gebied dus

Microstructuur


hetzelfde gedrag heeft als SBR. De gebruikte oppervlakteactieve stoffen om de emulsies te bekomen geven in de beide gevallen dus aanleiding tot de vorming van negatieve ionen. Dit doet vermoeden dat de producent van de emulsies in de twee gevallen (dus ook voor SBR) gebruik gemaakt heeft van carboxylgroepen, al is dit niet honderd procent zeker geweten.

Figuur 5. 43 : Niet geëtst SAE gemodificeerd mortelmengsel (p/c = 10%, x1000)

In vergelijking met 5% SAE (figuur 5.36a) vertoont 10% SAE (figuur 5.44a) al een iets vaster geheel, wat niet wegneemt dat er nog heel wat zwakke schakels in het systeem zitten. Bij 200 maal vergroting is er immers een poging tot netvorming zichtbaar, maar er zijn nog heel wat open plaatsen (figuur 5.44b en c).

Foto a

10% SAE x50 Foto b

10% SAEx200 Foto c

10% SAEx200 Foto d

10% SAEx250 Figuur 5. 44 : SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/ c = 10%)

De polymeren bevinden zich tussen de granulaten waar ze zich trachten aan vast te hangen (figuur 5.45a). Op sommige plaatsen zijn die verknopingspunten heel fragiel en klein (figuur 5.45b). Het net zelf, of wat er stilaan op begint te trekken is geen dun vlies, maar eerder een volumineuze massa, die hier en daar bruggen tracht te vormen (figuur 5.45c).

Foto a

10% SAE x250 Foto b

10% SAE x250 Foto c

10% SAE x1000 Figuur 5. 45 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10%)

Microstructuur


5.4.4.3.3 Mortelmengsel met 15% SAE Het oppervlak bij 15% SAE ziet er ook uit als een mini-rotsgebergte, bedekt met een geplooid kleedje, waar als het ware die zogenaamde “bloemkolen” aan vastgenaaid zijn.

Foto a

15% SAE x400 Foto b

15% SAE x400 Foto c

15% SAE x2000 Figuur 5. 46 : Niet geëtste SAE-gemodificeerde mortemengsels (p/c = 15%)

In dit geval zijn ze echter nog groter dan bij 5 of 10% SAE, nl. van 4 tot 13 µm. Ze komen ofwel verspreid voor ofwel in trosjes bijeen tot 36 µm (figuur 5.46a). Soms vormen ze op randen en hoeken een continu geheel van 115 µm lang en 30 µm breed (figuur 5.46a). Ook hier moet bijgevolg een onderscheid gemaakt worden tussen zones van hoge en lage concentraties, maar in het algemeen zitten de deeltjes dichter bij elkaar dan bij lagere polymeergehaltes. Het grote verschil (met 10%) is dat ze hier in grotere zones continu aaneenhangen, terwijl bij 10% (figuur 5.41b) vooral een netwerkstructuur van slierten wordt gevormd. Bij 400 maal vergroting (figuur 5.46b) is er ook hier aan de rand van een holte van 70 µm diameter een scheur te merken zoals dat ook bij 10% SAE het geval was. Deze scheuren worden echter niet alleen bovenaan op het cementoppervlak samengehouden door enkele bolletjes geflocculeerde polymeerpartikeltjes, maar ook door de polymeermassa binnen in de cementpasta. De foto’s na etsing met HCl, tonen immers dat er in de cementpasta een net van polymeren verweven is, dat als een elastisch vlies het geheel samenhoudt (figuur 5.47, figuur 5.49, figuur 5.52).

Foto a

15% SAE x200 Foto b

15% SAE x1000 Foto c

15% SAE x3000 Figuur 5. 47 : Geëtste SAE gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 15%)

Microstructuur


Volgens Puterman [30] zouden de “vezels” tussen de polymeermassa en de zandstenen die zichtbaar worden na het etsen een gevolg zijn van het etsen zelf. Ze zouden in de originele co-matrix helemaal niet aanwezig zijn, maar gevormd worden als resultaat van het oplossen van

(Volgens Puterman) Een met zuur behandeld, gebroken oppervlak van een polymeer-cement beton monster met zachte styreen-butadieen (MFT= -17°C). De vezels werden waarschijnlijk gevormd tijdens het ontbinden van de minerale binder.

Figuur 5. 48 : Foto uit het onderzoek van Puterman [30]

deeltjes van de minerale fase. Het zachte en ductiele polymeer zou zich uitrekken en een brug vormen over het gevormde gat (figuur 5.48). Deze bewering lijkt op basis van deze foto’s (figuur 5.47) vrij onrealistisch. De gevormde bruggen lijken vrij groot. De fijne draden die zichtbaar zijn in figuur 5.47b kunnen misschien wel een gevolg zijn van het wegetsen van de minerale fasen, maar de bredere polymeerbruggen ernaast waren hoogstwaarschijnlijk wel al aanwezig in het oorspronkelijke proefstuk. Het is immers onwaarschijnlijk dat het polymeer na uitharden nog de mogelijkheid bezit om zo’n uitgebreid net van verbindingen te realiseren met de aggregaten.

Figuur 5. 49 : Geëtste SAE-gemodificeerd mortelmensel (p/c = 15%, x500)

De aanwezige bruggen vertrekken meestal vanop een polymeermassa die tegen de granulaten kleeft. In deze polymeerbrij zijn bij een vergroting van 500 maal in tegenstelling tot de polymeren op de ongeëtste monsters geen afzonderlijke deeltjes meer te onderscheiden. Ze zijn reeds gecoalesceerd tot een film. Bij nog sterkere vergroting zal men waarschijnlijk een

Microstructuur


gegolfd oppervlak zien. Dit filmvormingsproces verloopt immers in verschillende fasen (figuur 5.50). Eerst gaan de discontinue deeltjes uit de oplossing bezinken, naarmate de continue waterfase fase verdwijnt. Deze deeltjes worden vervolgens meer en meer gecompacteerd, waardoor ze hun bolle vorm inruilen voor een meer hoekig voorkomen. Dit resulteert uiteindelijk in een verzameling dicht opeengepakte hexagonale deeltjes die langzaam het uitzicht van een honingraatstructuur krijgen. Uiteindelijk wordt in de limiet een mooie egale film gevormd [23].

Stap 1 Stap 2 Stap 3 Stap 4

Figuur 5. 50 : Schematische voorstelling van de opeenvolgende stappen van het filmvormingsproces

Het is echter zeer opmerkelijk dat bij deze mortelmengsels een film gevormd wordt. De filmvormingstemperatuur van SAE is immers 32°C (zie § 5.2.3.1), terwijl de mengsels bewaard worden bij 20°C. Een mogelijke verklaring wordt gezocht in een toename van de temperatuur van het mengsel door de warmte afkomstig van het hydratatieproces. De binding en verharding van cement is immers een exotherme reactie waarbij warmte vrijkomt. De hoeveelheid warmte die na een bepaalde tijd vrijkomt in het mengsel is echter functie van verschillende factoren (cementgehalte, cementtype, water-cementfactor, hulpstoffen.,…) en kan daardoor niet in de literatuur gevonden worden. Bovendien is de mate waarin deze warmte ook daadwerkelijk tot een temperatuurstijging in het mengsel aanleiding geeft ook weer afhankelijk van meerdere parameters, zoals de samenstelling (capaciteit om warmte op te slagen), de capaciteit van het element (de mate waarin warmte aan de omgeving kan worden afgestaan) en de omgevingstemperatuur. In het geval van een polymeergemodificeerde cementgebonden mortel in het ZOB is de vrije oppervlakte die in contact staat met de lucht vrij groot ten opzichte van de massa, waardoor de vrijgekomen warmte gemakkelijk aan de omgeving wordt afgestaan. De temperatuurstijging in het mengsel blijft dan vermoedelijk ook beperkt. Voor de mortelproefstukken ligt dit echter iets anders, de structuur is immers niet zo poreus. In beide gevallen echter, wordt die afkoeling beperkt door het afdekken van de proefstukken op krimp te voorkomen. Desalniettemin kan enkel een effectieve temperatuurmeting hierover uitsluitsel brengen. Door registratie van de temperatuur tijdens de eerste vierentwintig uur van het uithardingsproces, wordt deze verklaring dan ook verworpen. De temperatuur loopt immers maximaal op tot 21°C (figuur 5.51). Om deze meting te kunnen uitvoeren werd opnieuw een mortelmengsel aangemaakt met een p/c-factor van 5% (SAE). De temperatuur werd geregistreerd met behulp van een thermokoppel dat in het mortelmengsel werd geplaatst. Deze proef is uitgevoerd in een geklimatiseerde ruimte (20°C, R.V. 60%).

Microstructuur


16

17

18

19

20

21

22

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 22 23 24

tijd [uren]

tem

per

atu

ur

[°C

]

Figuur 5. 51 : Temperatuursverloop in het mortelmengsel met 5% SAE tijdens de uitharding

De MFT wordt dus niet bereikt en toch wordt een film gevormd in het mortelmengsel. Dit is volledig in tegenstelling met wat Puterman beweert (zie § 5.3.3) Een andere mogelijke verklaring vertrekt van de wetenschap dat het filmvormingsproces aan de basis een kinetisch proces is: de deeltjes moeten voldoende beweeglijkheid bezitten om samen te vloeien. Op die manier is het namelijk te begrijpen dat er aan dit proces een minimum temperatuur (MFT) gekoppeld wordt: hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de beweeglijkheid van de deeltjes. De temperatuur is echter niet de enige parameter die de beweeglijkheid bepaalt. Men kan inzien dat de beweeglijkheid groter zal zijn wanneer de deeltjes opgelost zijn in water, dan wanneer ze zich op een bepaald oppervlak bevinden, waaraan ze door adhesieve krachten gebonden worden.

Op dit gebied is er dan ook een onderscheid tussen de uitgevoerde proeven met de emulsie op de glasplaatjes (waar een dunne laag werd aangebracht en het water vrij snel verdampt) en het uitharden van polymeergemodificeerde mortel, waar het water hoofdzakelijk verdwijnt door hydratatie, een proces dat pas na geruime tijd volop start. Verdampen is hier immers niet zo zeer aan de orde vermits het beton afgedekt wordt met een folie bij het uitharden. Door de langere aanwezigheid van het water hebben de deeltjes dus een grotere beweeglijkheid en kunnen dus toch (ondanks de hogere MFT) een film vormen (figuur 5.52).

Figuur 5. 52 : Geëtste SAE gemodificeerd mortelmengsel (p/c = 15%, x1000)

Microstructuur


5.4.4.3.4 Mortelmengsel met 20% SAE Het beeld dat gevormd wordt bij 20% SAE is op het eerste zicht hetzelfde als bij 15%, maar de zones waar de polymeer “bloemkolen” een continu geheel vormen, zijn hier groter dan bij 15%.

Foto a

20% SAE x200 Foto b

20% SAE x200 Foto c

20% SAE 400 Foto d

20% SAE x400 Figuur 5. 53 : Niet geëtste SAE gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%)

De polymeerverzamelingen zoals ze op het cementoppervlak (figuur 5.53) voorkomen zijn in figuur 5.54a en c nog eens duidelijk zichtbaar. Het zijn weldegelijk verzamelingen van allemaal kleine deeltjes van ongeveer 1 µm grootte, die niet gecoalesceerd zijn. Ze hebben duidelijk hun eigenschap tot defloculatie verloren en gaan in grote groepen samenklitten en overgaan tot vorming van polymeeraggregaten. Hierdoor is de vorming van een film uitgesloten. Een mogelijke verklaring voor dit fenomeen zou kunnen gegeven worden vanuit de veronderstelling dat de oppervlakteactieve stoffen verdwenen zijn. Zo kan bijvoorbeeld bij het gebruik van een ionische stabilisator, deze tenietgedaan worden door de aanwezigheid van ionen. De ionen die in het mengsel aanwezig zijn (Na2+, K+, Ca2+, …) evenals de negatieve tegenionen gaan immers de werking van de stabilisator afvlakken en vernietigen. Dat is ook de reden waarom er bij het gebruik van emulsies soms gewerkt wordt met een mengeling van een ionische stabilisator en een niet oplosbare stabilisator.

Foto a

20% SAE x400 Foto b

20% SAE x1000 Foto c

20% SAE x3000 Figuur 5. 54 : Niet-geëtste SAE gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%)

Het beeld dat verkregen wordt na etsing van de proefstukken met 20% SAE ziet er weer helemaal anders uit. De verzameling discontinue deeltjes (figuur 5.54) heeft weer plaats gemaakt voor een continue film met gaten, die de oorspronkelijke plaats van de cement

Microstructuur


aangeven (zie ook figuur 5.30a). Door het hoge polymeerpercentage slaagt het polymeer erin de gehele oppervlakte te overspannen (figuur 5.55b).

Foto a

20% SAE x200 Foto b

20% SAE Figuur 5. 55 : Geëtste SAE gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%)

Wat de verbinding tussen de aggregaten en het polymeer betreft is er nogal wat variatie. Op sommige plaatsen zijn er niet veel contactpunten (figuur 5.56b) en is er als het ware een spleet tussen de film en de aggregaten. figuur 5.56a daarentegen geeft aan dat in tegenstelling tot bij lagere polymeerpercentages de aanhechting zich uitspreidt over een veel groter contactoppervlak. Er is hier een hele lijn waar contact gemaakt wordt met de aggregaten terwijl er bij 15% SAE meestal slechts enkele discrete punten waren en er bovendien veel meer gaten waren ter hoogte van de aansluiting (figuur5.47b).

Foto a 20% SAE x500

Foto b 20% SAE x500

Figuur 5. 56 : Geëtste SAE gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%)

Microstructuur


5.4.4.4 Samenvatting en bespreking Na het SEM-onderzoek van SAE kan nu een vergelijking gemaakt worden tussen SBR en SAE. Een belangrijke opmerking is het verschil in voorkomen van polymeerdeeltjes van SBR en SAE aan de buitenzijde van de mortelpasta. Alhoewel de basisbestanddeeltjes, waarover reeds gesproken werd, in beide gevallen sferische bolletjes zijn van ± 1µm zijn, is het voorkomen in beide gevallen verschillend. Bij SBR vormen deze deeltjes in eerste instantie haltertjes (figuur 5.22a), die dan verder afhankelijk van het percentage polymeer door de opeenstapeling van verschillende niveaus aan polymeerdeeltjes het uitzicht krijgen van “roosjes” (figuur 5.31b) die zo langzaam maar zeker een continu geheel vormen. Bij SAE daarentegen klonteren de basiselementjes van 1 µm al vanaf lage percenten polymeergehaltes samen in zogenaamde “bloemkolen” (figuur 5.46c), die op hun beurt de sleutel vormen van de structuuropbouw bij stijgend polymeergehalte. Ze worden immers steeds groter en gaan bij 10% ketens vormen (figuur 41b), bij 15% continue gebieden (figuur 5.46a), die dan tenslotte bij 20% nog verder uitgebreid worden (fig 5.53d). Wat betreft de polymeerstructuur binnenin de mortelpasta krijgt men bij toevoeging van SAE ongeveer dezelfde structuren als bij SBR, ondanks de verschillende MFT. De exacte temperatuur waarop een film zal gevormd worden is natuurlijk niet zo gemakkelijk te definiëren en is bovendien nog afhankelijk van vele andere omgevingsfactoren, daar de MFT een kinetische eigenschap is van het materiaal. Door de interactie met andere elementen (ionen van het cement), de variërende vochtigheidsgraad (cementpartikels slorpen water op en sluiten het in), de snelheid van reactie,…kan de filmvorming beïnvloed worden. Wat juist aanleiding gegeven heeft tot de vorming van een film bij SAE (ondanks het feit dat de temperatuur lager was dan de MFT) is niet met zekerheid te zeggen. Bovendien is dit ook niet het onderwerp van dit onderzoek. Er zijn dan ook geen gerichte proeven uitgevoerd met dit doel voor ogen. Er is enkel getracht te achterhalen welke structuur er gevormd is, met het oog op het vinden van een verklaring voor de duurzaamheid en de adhesie. Hoe deze structuur juist tot stand gekomen is dient in een ander onderzoek te worden uitgezocht. Het is wel duidelijk dat SAE, net als SBR, bij 5% reeds de eerste tekenen van een film vertoont, maar er niet in slaagt de structuur samen te houden (figuur 5.36b). Buiten enkele fragiele bruggen, is het nog een vrij onsamenhangende structuur. Bij 10% is het net reeds iets uitgebreider, maar komen er nog grote mankementen voor (figuur 5.44c). De film die gevormd wordt bij 15% SAE ziet er daarentegen reeds veel steviger uit en houdt de granulaten goed samen (figuur 5.47b). De deeltjes zijn immers gecoalesceerd tot de vorming van een plastisch net. Bij 20% tenslotte zet deze evolutie zich door. De cementpasta die interpenetreert met de polymeerstructuur wordt door deze polymeerfilm verstevigd, en dit des te meer bij hogere polymeerpercentages naarmate de film verder uitgebouwd is. De scheurtjes die voorkomen in de mortelspecie worden aan het oppervlak overbrugd door de polymeerbolletjes (figuur 5.42b en figuur 5.46b) en inwendig worden ze samengehouden door de netwerkstructuur van het polymeer (figuur 5.47b). Wat de verbinding tussen de aggregaten en de polymeermassa betreft, welke de samenhang van de gehele structuur verzekeren, is er ook een evolutie zichtbaar bij stijgend polymeerpercentage. Meestal vertrekt de verbinding hier net als bij SBR van een laagje rond de aggregaten. Bij 5% heeft men naar analogie van SBR ook zuignapjes (figuur 5.38b). Bij

Microstructuur


10% SAE zijn de verbindingspunten ook soms nog vrij summier, daar waar er bij 15% verschillende rijen van bruggen zichtbaar zijn. Bij 20% tenslotte krijgt men een combinatie van bruggen en contactstroken, die het geheel stevig aaneen dienen te houden.

Microstructuur


5.4.5 Onderzoek van de referentieproefstukken van het ZOB2 Het onderzoek van de microstructuur van de geteste proefstukken is tot hiertoe beperkt gebleven tot de SEM- en EDX-analyse van mortelstukken. Hierbij is op microschaal onderzocht hoe de structuur eruitziet, tot welke graad de cementhydratatieproducten ontwikkeld zijn en of een eventuele polymeerfilm gevormd is. Er is met andere woorden nagegaan of er een monolitische matrixfase gevormd is met een netwerkstructuur waarin cementhydraten en polymeerfilm met elkaar verstrengeld zijn. In een volgende stap wordt naar de gehele ZOB-structuur gekeken, inclusief granulaten. Er wordt nagegaan hoe deze granulaten door de co-matrix worden omgeven. Dit speelt immers een belangrijke rol bij de verklaringen van de duurzaamheid en de adhesie. 5.4.5.1 Gezaagde ZOB proefstukken 5.4.5.1.1 ZOB met 15% SBR

MORTEL

Granulaat

Foto a

15% SBR x25 Foto b

15% SBR x350 Figuur 5. 57 : ZOB met 15% SBR

Onderzoek van gezaagde monsters veroorzaakt problemen omdat de structuur zelf aangetast wordt door het zagen. Het is dus niet betrouwbaar om op basis van waarnemingen op gezaagde oppervlakken zoals figuur 5.57a en b conclusies te gaan trekken op microschaal. Wel geeft figuur 5.57a een mooi beeld van de mortellaag tussen de korrels en toont tevens aan dat er verder rond de korrels ook nog een mortelkleedje zit. Figuur 5.57b geeft een detail van de overgang tussen mortel en granulaat. 5.4.5.1.2 ZOB met 5% SAE Om te beletten dat er foute waarnemingen worden verricht omwille van het zagen van het monster, wordt de structuur niet onderzocht aan het zaagoppervlak zelf, maar op plaatsen waar de zaag niet geweest is (in een holte, dieper in het proefstuk,…). Zo laat figuur 5.58a de onbeschadigde aansluiting tussen de granulaten zien. Dit beeld is vrij karakteristiek voor de hele ZOB-structuur op macroschaal, namelijk een aaneenschakeling van granulaten (fase 1) met behulp van een continu verspreide cement-polymeer fase (fase 2) parallel met de gerealiseerde poriënstructuur (fase 3). Bij 500 maal vergroting ziet men echter dat er hier nog maar weinig polymeer te bespeuren valt: de cementhydratatieproducten nemen ruimschoots de bovenhand. De mortelbrug tussen de aggregaten (figuur 5.58a) is dan ook nog niet zo volumineus. 2 Voor een volledig overzicht van de SEM-analyse van het ZOB wordt verwezen naar bijlage 5.2 B.

Microstructuur


12

3

Foto a

5%SAE x25 Foto b

5%SAE x500 Figuur 5. 58 : ZOB met 5% SAE

5.4.5.1.3 ZOB met 15% SAE Bij een hoger percentage polymeren (15%) ziet de brug tussen twee aggregaten er iets stabieler uit, ze vormt één continu geheel met het mortelkleedje over de aggregaten (figuur 5.59). De polymeermodificatie dient dus niet alleen om microscheuren te overbruggen en sterkere bindingen te realiseren tussen de cementhydraten en de granulaten, maar daarnaast zal door toevoeging van polymeren de grootte van de poriën afnemen en een polymeerfilm afgezet worden op de poriënwand. Dit alles heeft een positieve invloed op de duurzaamheid van het materiaal [47]. Voor de reductie van het verkeersgeluid en de drainage van het regenwater is dit echter negatief. Wat geluidsreductie betreft zal een structuur met grote holtes het geluid een lage frequentie geven en aldus doffer en minder storend werken. Bovendien zorgt een meer open wegverharding voor een betere afwatering.

Figuur 5. 59 : ZOB met 15% SAE

Microstructuur


5.4.5.2 Gebroken ZOB proefstukken Om de problemen met de inspectie van de gezaagde oppervlakken te vermijden, worden de gebroken vlakken bestudeerd. Zo wordt tevens ook meer informatie verkregen dan bij de analyse van de buitenoppervlakken in holtes en poriën. 5.4.5.2.1 ZOB met 10% SBR De foto’s van figuur 5.60 geven duidelijk de verschillende soorten breuken aan. Opvallend is dat er veel adhesiebreuken (A) te zien zijn. Met andere woorden het mortelkleedje rond de korrels komt los tengevolge van een zwakke adhesie. Dus niet tegenstaande de mortel zelf wel sterk genoeg is (zie §7), krijgt men toch breukfenomenen. Natuurlijk gaan deze adhesiebreuken gepaard met cohesiebreuken, zoals op de foto’s ook zichtbaar is. De mortel scheurt immers aan de randen van de losgekomen mortellaagjes en tussen de korrels in de ‘bruggen’, die de aggregaten verbinden.

M

A

Foto a

10% SBR x1000 Foto d

10% SBR x 25

M

A

M

M

A

AA

M

A : adhesie M: mortelbreuk (cohesie)

MA

Foto b

10% SBR x25 Foto c

10% SBR x10 Foto e


Inspectie van de mortelbreuken geeft een beter zicht op de structuur van de mortel. De cementhydratatieplaatjes zijn op die manier mooi zichtbaar (figuur 5.61b). Er kan echter geen EDX-analyse op uitgevoerd worden daar ze gewoon doorgebrand worden. Ook in holtes zijn de cementhydratatieproducten duidelijk zichtbaar (figuur 5.61b). Figuur 5.60e en 5.61a toont diezelfde plaatjes in de cementpasta.

Microstructuur


Foto a

10% SBR x25 Foto b

10% SBR x1000 Foto c:


5.4.5.2.2 ZOB met 15% SBR Ook hier zijn adhesiebreuken zichtbaar, maar de plaatsen waar de mortel begeeft nemen toe (figuur 5.62). Dit zal ook blijken uit de treksterkte die besproken wordt in het volgende hoofdstuk.

A

M

M

M

M

Foto a 15% SBR x10

Foto b 15% SBR x350

Foto c 15% SBR x100

Figuur 5. 62 : ZOB met 15% SBR

Daarnaast valt er ook op te merken dat de cementhydratatieplaatjes hier niet meer zo goed zichtbaar zijn als in de ZOB met 10% SBR. Door het grotere percentage polymeer zijn ze verstopt onder de polymeermassa.

Microstructuur


5.4.5.2.3 ZOB met 10% SAE Bij 10% SAE zijn duidelijk ook adhesiebreuken aanwezig: de korrel in figuur 5.63 is als het ware helemaal bloot gelegd.

Figuur 5. 63 : ZOB met 10% SAE x200

Een ander opmerkelijk feit is het uitzicht van de cementhydratatieplaatjes. Op figuur 5.64b zijn duidelijk verschillende groepen van plaatjes aanwezig. Dit bekrachtigt de bewering van sommige wetenschappers dat alhoewel de hydratatie gehinderd wordt door de ontwikkeling van de polymeerfilmen het uiteindelijk resultaat onveranderd blijft [45]. Volgens anderen gaan sommige polymeren het eindresultaat wel beïnvloeden door de kristalgroei van de cementhydraten te verminderen. Dit heeft echter een meer amorfe structuur tot gevolg, wat de sterkte van het materiaal verhoogt [47]. Het bizarre echter is de “aangetaste” rand van de plaatjes (figuur 5.64a). Er is hier geen vergelijking mogelijk met een ongemodificeerde mortel (daar er geen SEM-analyse op gebeurd is), maar in een ander onderzoek in Delft [48], waar de evolutie van de microstructuur en de mechanische eigenschappen onderzocht zijn van puzzolaan injectie grout, heeft men gelijkaardige waarnemingen gedaan. Ze werkten daar echter niet met hetzelfde materiaal, maar wat betreft de hydratatieproducten kunnen ze in het referentiemengsel (zonder silica fume) mooie kristallijne hexagonale plaatjes onderscheiden. In de cementpasta zelf zijn dezelfde plaatjes terug te vinden, maar minder groot. Verder blijkt echter dat deze vormen “etched” zijn tot meer afgeronde vormen. Deze morfologie wordt daar verklaard door het feit dat een deel van de portlandiet kristallen oplossen en de overeenstemmende Ca2+-ionen diffunderen en reageren met nabijgelegen puzzolaankorrels om zo C-S-H te ontwikkelen. Het is dus een resultaat van puzzolaanreacties. Alhoewel het in het kader van dit onderzoek over hoogovencement gaat zullen er hoogstwaarschijnlijk, gezien de waargenomen fenomenen, gelijkaardige reacties plaatsvinden.

Foto a

10% SAE x1000 Foto b

10% SAE x200 Figuur 5. 64 : ZOB met 10% SAE

Microstructuur


5.4.5.2.4 ZOB met 15% SAE Tot slot wordt er nog een blik geworpen op de ZOB met 15% SAE. Net als bij 10% SBR komen hier weer relatief gezien meer mortelbreuken (fig 5.65) voor dan bij 10% SAE.

plaatjes

polymeer

Foto a

15% SAE x20 Foto b


Inspectie van de proefstukken heeft aangetoond dat er relatief veel barsten zijn in de mortellaag rond de granulaten (figuur 5.65b). Hier en daar worden deze barsten aan het oppervlak overbrugd door polymeerklusters, net als bij de mortelproefstukken (§5.4.4). 15% polymeer is ook reeds voldoende om tevens de cementhydratatieplaatjes te bedekken.

Foto a

10% SAE x20 Foto b

10% SAE x500 Foto c


Er is zelfs zodanig veel polymeer in de mortel dat een EDX-analyse van figuur 5.66b geen resultaat oplevert. Deze foto van een morteloppervlak is genomen aan de rand (rechts) van figuur 5.66a. De breuk aan het aggregaat die zich daar heeft voorgedaan is weer een combinatie van adhesie en cohesie. Verder zijn er in figuur 5.66c dan weer wel plaatjes zichtbaar, met dezelfde afgeronde vorm als bij de vorige mengsels.

Duurzaamheid


6. Duurzaamheid

6

Duurzaamheid Sneeuw en ijzel zijn niet welkom op onze wegen. Ze verhogen het gevaar op ongevallen en verstoren bovendien het economisch leven. Het moeilijk wegtransport tijdens de winter zorgt immers voor verlate leveringen en dit allemaal in een tijd dat goederen Just in Time dienen geleverd te worden. In onze maatschappij waar mobiliteit een zeer belangrijke rol speelt, is dus een ononderbroken en veilig transport van personen en goederen gedurende het hele jaar van groot belang. Het ijsvrij maken van de wegen gebeurt met sneeuwruimers en dooimiddelen. Het grootste belang van een dooimiddel zoals natrium- of calciumchloride schuilt in een fundamentele fysisch-chemische eigenschap: het verlagen van de vriesgrens van water waarin het wordt opgelost. Een zout kan preventief of curatief gestrooid worden. Preventieve strooiingen worden uitgevoerd van zodra sneeuw of ijs voorspeld worden. Hierdoor vertraagt de aanhechting van de sneeuw aan het wegdek. Bij curatief gebruik wordt de wintergladheid op de wegen bestreden wanneer reeds sneeuw gevallen is. Aan drie eigenschappen van een dooizout worden eisen gesteld:

- de korrelsamenstelling - het watergehalte - de zuiverheid

Bij curatief gebruik zal de samenstelling een niet onbelangrijke rol spelen. Fijne korrels kunnen sneeuw en ijs aan de oppervlakte doen smelten maar hun werking reikt niet ver genoeg in de diepte. Grovere korrels dringen echter doorheen de ijslaag tot op het wegdek.Om gemakkelijk en gelijkmatig te kunnen strooien mag het zout maar een beperkt watergehalte bezitten. Bovendien moet een dooimiddel aan een hoge zuiverheidgraad beantwoorden. Zouten van een lagere kwaliteit zijn niet alleen nadelig voor het milieu maar hebben ook nog tal van andere nadelen. Zo zal een beperkt zoutgehalte de oplosbaarheid verminderen. Het smeltproces zal vertragen en bijgevolg is een grotere strooidosis voor eenzelfde resultaat nodig. Vervolgens zal na het dooiproces een vette kleiachtige laag op het wegdek achterblijven en de rijweg glibberig maken. Een ander nadeel is dat onoplosbare bestanden de poriën van open wegverhardingen kunnen verstoppen en zo de drainerende werking teniet doen. In dit proefprogramma worden op het ZOB drie veel gebruikte wegenzouten getest: een grof steenzout van Borth (Solvay), een fijn geraffineerd zout van Akzo Nobel en een mengsel van calciumchloride en natriumchloride (Di-mix). Voor de meer technische specificaties en de werking van de dooizouten wordt naar bijlage nr?? verwezen. Vooraleer de resultaten van vorst- en dooiproeven te bespreken, worden eerst de mechanismen van vorstschade op een rijtje gezet.

Duurzaamheid


6.1 Mechanismen van vorstschade Via allerlei poriën en scheurtjes kan water in materialen met open structuur binnendringen. Wanneer vorst optreedt en het bevriezend water heeft geen voldoende expansieruimte, ontstaan spanningen in het omringend materiaal. Naast afbrokkelingen aan het oppervlak kan ook de inwendige structuur ernstig beschadigd worden door scheurvorming. Belangrijke factoren bij vorstbestendigheid zijn de poriënstructuur, de mogelijke expansieruimte, de mate van waterverzadiging en de sterkte van het beton. De invloed van het gebruik van dooizouten op de duurzaamheid van een beton is tweeërlei. Enerzijds veroorzaken dooizouten bij het smelten van sneeuw en ijzel een thermische schok waardoor scheurtjes in het materiaal kunnen ontstaan en anderzijds versnelt de pekel de afbrokkeling van het aggregaat. Om het mechanisme van bevriezend water in relatie tot de poriënstructuur beter te begrijpen, moet natuurlijk eerst die poriënstructuur nader onderzocht worden. In contact met water zal het cement hydrateren en wordt er calciumsilicaat (CSH) gevormd. De ruimte die het water innam zal opgevuld worden met reactieproducten. Toch blijven er nog holle plaatsen over waarin zich nog water of lucht bevindt. Bij toevoeging van polymeren aan de mortel en het beton zullen die voorgaande processen echter veel complexer zijn. Omdat de poriënverdeling van groot belang is bij de duurzaamheid van beton tegen vorstschade, werd in hoofdstuk 5 de chemische interactie tussen de polymeerdispersie en het hoogovencement tijdens het hydratatieproces grondig bekeken. 6.1.1 Vorst en dooi Bij overgang van de vloeibare naar de vaste fase treedt bij water een volumeuitzetting van 9% op. Als die uitzetting ongehinderd kan gebeuren is er niets aan de hand. Maar als er geen of onvoldoende ruimte is om uit te zetten, ontstaan spanningen in het ijs en het omringende materiaal. In het tijdschrift Betoniek [1] wordt er een relatie gegeven tussen de grootte van de capillaire poriën en de temperatuur waarop ijsvorming (van zuiver water) in de poriën mogelijk is: hoe kleiner de porie, hoe lager de temperatuur moet zijn om het aanwezige water te laten bevriezen. Om het schademechanisme door vorst te achterhalen kan beroep gedaan worden op drie theorieën. Schadevorming en vorstwerking in beton kunnen verklaard worden door de hydraulische druk, de vorming van ijslenzen en de osmotische druk. Meestal treedt een combinatie van deze drie factoren op. Bij de eerste theorie zal het uitzettende ijs het overige water voor zich uitdrijven waardoor een hydraulische druk zal ontstaan in de poriën. Hierdoor zal het water naar plaatsen met een lagere druk bewegen. De mate waarin dit gebeurt, hangt af van de snelheid waarmee het water bevriest, de permeabiliteit van de cementsteen en de afstand tot de lege poriën. Als het water snel bevriest is er immers minder kans voor het nog niet bevroren water om naar lege poriën of luchtbellen te stromen. Ook de poriënstructuur zal een belangrijke rol spelen. Het feit dat de poriën al dan niet met elkaar verbonden zijn, zal er voor zorgen dat het water al dan niet gemakkelijk weg kan. Indien er een moeilijke uitweg is voor het water zal de druk op de wanden toenemen en kan schade optreden. Het mechanisme van ijslensvorming [2] geeft een andere verklaring voor vorstschade in betonnen constructies. In het grensvlak tussen het ijs en het water in de capillaire poriën zal

Duurzaamheid


een drukverschil opgebouwd worden door een verschil in oppervlaktespanning. De druk p die op het wateroppervlak uitgeoefend wordt is gelijk aan (r = straal van de porie):

rwaterijs

p)/(2σ

=

Als het water in de grotere poriën bevriest, neemt de dampspanning daar af. In de kleine poriën waar het water nog niet bevroren is, wijzigt de dampspanning niet. Dit onevenwicht in de dampspanning zal ervoor zorgen dat water naar de grotere porie gestuurd wordt. Het water dat onttrokken wordt in de kleine porie waar het niet kon bevriezen, zal dat wel doen in de grotere porie. Op deze wijze wordt een ijslens gevormd, die verder aangroeit. Indien dit proces kan doorgaan zullen spanningen optreden en afschilfering ontstaan, wanneer niet voldoende expansieruimte beschikbaar is. Een derde theorie verklaart de vorstschade aan de hand van osmotische drukken. Doordat het poriënwater tal van onzuiverheden (kalk, zouten,…) bevat, zal ook het vriespunt verlaagd worden. Als het water bevriest, zullen die stoffen niet opgenomen worden in het ijs. Hierdoor stijgt de concentratie onzuivere stoffen in het nog niet bevroren water. Dit manifesteert zich eerst in de grote poriën. Het onevenwicht tussen die concentraties in de kleine en grote poriën zorgt ervoor dat water naar de grote poriën zal stromen (osmose) om zo een herstel van het natuurlijk evenwicht teweeg te brengen. Zo ontstaat er een osmotische druk. Door die stromingen zal de concentratie opgeloste stoffen in het water weer verlaagd worden, waardoor dat water nu ook kan bevriezen. Bij verzadiging ontstaan hier ook hydraulische drukken in de cementsteen. 6.1.2 Dooizouten Bij toevoegen van zouten zal het vriespunt van het poriënwater verlaagd worden. Deze vriespuntverlaging is afhankelijk van de zoutconcentratie. Het is dus mogelijk dat het water aan het oppervlak van het beton nog niet bevroren is en dieper binnenin wel. Het bovenste deel van het betonoppervlak zal daarentegen door de lagere temperatuur wel bevriezen. Zo ontstaat soms een laag water tussen twee reeds bevroren lagen. Bij verdere daling van de temperatuur zal ook die laag bevriezen, en aangezien er geen plaats is om uit te zetten, zullen er spanningen optreden. Tevens gaat bij het strooien van dooizouten de bovenlaag van het ijs smelten. De warmte die hiervoor nodig is, wordt onttrokken aan het onderliggend beton. Deze temperatuursdaling in de onderlaag kan voor een grote thermische schok zorgen. De zo ontstane trekspanningen kunnen tot ernstige schade leiden.

Duurzaamheid


6.2 Duurzaamheidproeven bij polymeergemodificeerde mortel en beton

6.2.1 Inleidende beschouwingen Het gebruik van polymeren in beton of mortel ter verbetering van de duurzaamheid kent tal van toepassingen in de bouwwereld. In tegenstelling tot een gewone betonsoort zal een gemodificeerd beton sterk verbeterde vorst-dooieigenschappen bezitten [2,5,6,44,45 p 56]. Zo bemerkte Alexanderson [45;p57] dat een monster met een p/c-factor van 10% een veel betere weerstand had dan een beton zonder polymeerbewerking. Tot deze vaststelling kwam ook Balaguru [32p57] die in plaats van polymeeremulsies epoxyharsen aan het beton toevoegde. De graad van verbetering hangt af van het gebruikte polymeertype. Het absolute massaverlies [kg/m²] is natuurlijk ook afhankelijk van het aantal cycli waaraan de proefstukken onderworpen zijn. De toegenomen duurzaamheid wordt deels geassocieerd met een verminderde porositeit doordat de polymeerpartikels een deel van de poriën opvullen. [shangai, p56 ;29,31,44]. Nader onderzoek hieromtrent leert dat bij een stijging van de p/c-factor de poriën met diameter boven de 500 Å ernstig gereduceerd zullen worden. [PIC p 7]. Bij de diffusie van Cl -- ionen in de cementpasta spelen juist deze poriën met een radius groter dan 500 Å een beslissende rol [p274]. Bij stijgende p/c-factor zal de totale porositeit dalen en aldus leiden tot een verbeterde duurzaamheid [11, 12, 18, 42 ; shangai p56], waterbestendigheid, vorst-dooibestendigheid en een betere weerstand tegen chlorideaantasting, corrosie en carbonatatie. De duurzaamheid blijft echter niet steeds verbeteren bij toenemende p/c-factor. Sommige onderzoekers [shangai p56] beweren dat er een optimum is bij 10 à 15 %. De meeste gebruikte polymeren ter bescherming van chloride-diffusie zijn SBR, PAE en acrylaatemulsies. Dit wordt in de literatuur meermaals bevestigd [ 6,9,30,47 ]. SBR en PAE tonen vaak de beste resultaten. In dit onderzoek wordt gewerkt met een SBR-emuslie en SAE-emulsie Niet alleen het polymeerpercentage en het type polymeer hebben een belangrijke effect op het capillaire poriënsysteem. Porositeitsmetingen hebben aangetoond dat vorst-dooicycli zelf een invloed kunnen uitoefenen op de poriënstructuur [p253 :Ohama shangai]. Deze studies tonen dat er een opmerkelijke verbetering in de duurzaamheid op te merken valt, omwille van polymeermodificatie, optimale poriëngrootteverdeling, verbetering in de structuur van Ca(OH)2,… . Vorst-dooicycli zullen leiden tot een reductie van het totaal poriënvolume in vergelijking met gewone mortels doordat losgekomen, beschadigde hydratatieprodukten zich in de poriën afzetten. Door die vrieseffecten zal een herverdeling van de poriën optreden (figuur 6.1).

Duurzaamheid


Figuur 6. 1 : Poriënverdelingsdiagramma’s van ongemodificeerde en SBR-gemodificeerde mortel volgens Ohama

Duurzaamheid


6.2.2 Resultaten en bespreking Vermits de poriënstructuur van het beton en van de polymeercementmortels voornamelijk beïnvloed wordt door de gebruikte polymeersoorten en de p/c-factor, zijn dit de belangrijkste parameters in dit duurzaamheidonderzoek waar de bestandheid tegen chemische dooimiddelen en tegen vorst en dooi wordt nagegaan. Bij het mortelonderzoek worden de proefstukken onderworpen aan een vorst–dooiproef en aan de inwerking van NaCl. Bij de ZOB-kernen keren dezelfde proeven terug, alleen worden daar drie veel gebruikte wegenzouten [bijlage ?? voor een analyse van de drie zouten] getest. 6.2.2.1 Bestandheid tegen dooizouten 6.2.2.1.1 Resultaten voor mortel Met behulp van hypothestesten [3] kunnen de opgemeten massaverliezen tijdens de duurzaamheidproeven geanalyseerd en vergeleken worden. De testen die gebruikt worden houden rekening met de onzekerheid van de schatting en zorgen dat zo weinig mogelijk foutieve beslissingen genomen worden. Zo kan worden nagegaan [bijlage nr ??] of er een significant verschil is op te merken tussen de verschillende waarden van de parameters. In een intermezzo wordt eerste de achterliggende theorie van de hypothesetest weergegeven en bij wijze van voorbeeld wordt nagegaan of een polymeermortel met een p/c-factor van 5% significant verschilt van een polymeermortel met p/c-factor van 10% en of er een beduidend verschil is tussen SBR- en SAE-gemodificeerde proefstukken bij 5% op het gebied van duurzaamheid. Intermezzo : Hypothesetest Theorie Bij een statistische analyse wordt een keuze gemaakt tussen twee hypothesen: een nulhypothese (H0: θ = θ0) en een alternatieve hypothese (H1: θ <, ≠ of > θ0). Dit onderscheid speelt een belangrijke rol omdat er per conventie van wordt uitgegaan dat H0 waar is en dat H1 niet waar is. Bij het testen van de hypothese waarbij verondersteld wordt dat de nul-hypothese juist is, zal nagegaan worden of onder deze veronderstelling de steekproefgegevens H0 niet tegenspreken. Men zal H1 aanvaarden als H0 erg onwaarschijnlijk is. Het verwerpen van H0 kan geïnterpreteerd worden als een sterker ‘bewijs’ dan het niet verwerpen van de nul-hypothese. In dit onderzoek wordt nagegaan of er een significant verschil is tussen de verschillende p/c-factoren, tussen SBR en SAE en tussen de verschillende dooimiddelen. Er zijn telkens drie waarden beschikbaar ( n1 = n2 = 3 ). Voor elk van deze populaties kan dan het gemiddelde en de standaarddeviatie berekend worden. Vervolgens wordt de verhouding tussen S1²/S2² bepaald. Dit is eigenlijk een eerste hypothesetest om na te gaan of σ1² =σ2² (H0). We verwerpen deze aanname (H0) en beschouwen H1 (σ1²≠σ2²) als waar, indien geldt: S1²/S2² ∉ ( f1-α/2,n1-1,n2-1, fα/2,n1-1,n2-1). Als dit wel geldt, veronderstelt men σ1=σ2 en kan volgende statistiek toegepast worden: Als nul-hypothese wordt vertrokken van µ1=µ2. De alternatieve hypothese wordt hier H1: µ1>µ2 of µ1<µ2.

Duurzaamheid


Teststatistiek wordt:

21

210

11nn

S

XXt

p +

−= ( gepoolde t-test)

waarbij 2

)1()1(

21

222

2112

−+−+−

=nn

SnSnS p

H0 wordt verworpen indien : ):():(

2112,0

2112,0

21

21

µµµµ

α

α

<−<>>

−+

−+

HttHtt

nn

nn en α = 0,05

Voorbeeld (tabel 6.1)

Voor SBR-gemodificeerde mortel Voor mortel met een p/c-factor = 5%

Is het verschil tussen 5% en 10% Is het verschil tussen SBR en SAE Significant genoeg ? significant genoeg ?

n1= 3 n2= 3 n1= 3 n2= 3 Resultaat : 5% 10% resultaat : SBR SAE massaverlies 0,067915 0,030329 massaverlies 0,067915 0,3929 [kg/m²] 0,063484 0,015915 [kg/m²] 0,063484 0,74939

0,069379 0,016425 0,069379 0,48289 Gemiddelde = 0,07 0,02 gemiddelde = 0,07 0,54

std = 0,003 0,008 std = 0,003 0,185

Std² = 0,00001 0,00007 std² = 0,00001 0,03437 Verhouding S1²/S2² = 0,14086 verhouding S1²/S2² = 0,0002741

ligt niet in het interval ligt in het interval [1/39;39]=[ 0,025641;39] toch mag men hier die aanname

veronderstellen (cfr cursus statistiek tabel K6 : f0.025,2,2 = 39 ) vermits n1 = n2 = 3

S²p = 0,00004 S²p = 0,02

Sp = 0,0062 Sp = 0,13

test-statistiek = to = 9,12805 test-statistiek = to = -4,435393

student-verdeling student-verdeling n1+n2-2 = 4 n1+n2-2 = 4

t0.05,4 = tα = 2,132 t0.05,4 = 2,132

H0 : µ1 = µ2 H0 : µ1 = µ2

H1 : µ1 > µ2 H1 : µ1 < µ2

Verwerp H0 als t0 > tα Verwerp H0 als t0 < -tα

dus H0 is te verwerpen dus een significant verschil dus significant genoeg

Tabel 6. 1 : Uitgewerkt voorbeeld van de hypothesetest In de vergelijking bij een mortel van 5% tussen SBR met SAE blijkt dat de verhouding S1²/S2² ∉ ( f1-α/2,n1-1,n2-1, fα/2,n1-1,n2-1) zodat de aanname σ1=σ2 niet beschouwd mag worden. Er wordt

Duurzaamheid


dan overgegaan naar een benaderend betrouwbaarheidsinterval. Indien echter n1 = n2 is de t-test vrij robuust ten opzichte van afwijkingen van de veronderstelling σ1=σ2, zodat deze veronderstelling meestal aanvaardbaar is. Uit figuur 6.23 en de statistische analyse (tabel 6.2) blijkt dat er zowel voor het polymeertype SBR als voor SAE een significant verschil bestaat wat de duurzaamheid betreft tussen een p/c-factor van 0%-5% en tussen een p/c-factor van 5%-10%.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0% 5% 10% 15% 20%p/c-factor

mas

save

rlies

[ kg

/m²] polymeerSBR

gemiddeldepolymeer SBR

polymeerSAE

gemiddeldepolymeer SAE

Figuur 6. 2 : Massaverlies bij mortel in functie van de p/c factor voor SBR en SAE

Vergelijking tussen de verschillende percentages

SBR SAE

Tussen 0 en 5% Significant genoeg Significant genoeg Tussen 5% en 10% Significant genoeg Significant genoeg Tussen 10 en 15% Geen significant verschil Geen significant verschil Tussen 15 en 20% Geen significant verschil Geen significant verschil

Besluit : Tussen 0%, 5% en 10% is er een significant verschil. Vanaf 10% tot 20% zijn geen noemenswaardige verschillen meer.

Vergelijking tussen SBR en SAE

Bij 5% Significant genoeg Bij 10% Geen significant verschil Bij 15% Geen significant verschil Bij 20% Geen significant verschil

Besluit: Als de twee verschillende polymeren vergeleken worden, valt op dat er alleen voor 5% een significant verschil bestaat.

Tabel 6. 2 : Hypothesetesten toegepast op de invloed van de p/c-factor op de duurzaamheid

3 De massaverliezen bij een p/c-factor van 0% zijn niet opgenomen in de grafiek omdat deze waarden veel groter zijn dan de andere massaverliezen (ordegrootte 9 kg/m²)

Duurzaamheid


Indien polymeren toegevoegd worden zal de bestandheid tegen vorst en dooi verbeteren. Bij een p/c-factor van 15% zal het massaverlies sterk gedaald zijn in vergelijking met een mortel waaraan geen polymeer toegevoegd is (van gemiddeld 9 kg/m² bij een p/c-factor van 0% tot ongeveer 0,023 kg/m² bij 15%). Figuur 6.2 toont een grote daling van het massaverlies bij de overgang van een p/c-factor van 5% naar een p/c-factor van 10%. Bij hogere percentages wordt het verloop min of meer constant. Voor een gedetailleerd overzicht van de numerieke resultaten en de massaverliezen wordt naar bijlage nr ?? verwezen. Een verhoogde p/c-factor betekent dus niet noodzakelijk een forse stijging in duurzaamheid [Technologie van de Bouwmaterialen]. Van 10% tot 20% blijken ook uit deze resultaten geen echt duidelijke verschillen naar voren te komen. Steeds verder opdrijven van de p/c-factor blijkt niet altijd efficiënt te zijn en zal alleen maar de kostprijs de hoogte injagen. Bij polymeer gemodificeerde mortels zullen voornamelijk de gunstige poriënstructuur en de filmvormingsverschijnselen voor de betere duurzaamheideigenschappen zorgen. De grootte van de poriën neemt af met stijgende p/c-factor en zoals bij de bespreking van de mechanismen van vorstschade reeds uitgelegd is, zal de temperatuur sterker moeten dalen alvorens het water in die kleine holtes bevroren wordt. Studies [4] hebben uitgewezen dat het aantal poriën met een grootte tussen 750 Å en 7500 Å een cruciale rol spelen in de vorstschade. Het is algemeen bekend dat water in de capillaire poriën kleiner dan 750 Å niet bevriest bij nul graden en dat de poriën groter dan 10000 Å de expansie van het bevriezend water goed kunnen opnemen. Deze kritieke range (figuur 6.3) van poriëngroottes blijkt voor SBR bij 5% veel groter te zijn dan voor 10% of 15% wat ook strookt met de veel grotere massaverliezen die hier opgemeten zijn. Tussen 10% en 15% is er praktisch geen verschil waar te nemen. Meestal (ook voor SBR) daalt het aantal poriën in de kritieke range bij een stijgende p/c-verhouding. PAE bleek bij 10% de meeste gunstige poriënverdeling te bezitten. [Technologie van Bouwmaterialen, Ohama]=[4.3]

Figuur 6. 3 : p/c-factor versus totaal poriënvolume in de kritieke range 750-7500Armstron [ ]

referentie! De filmvormingsverschijnselen die in hoofdstuk 5 (microstructuur) uitgebreid aan bod zijn gekomen, zullen mede bepalen hoe goed een mortel bestand is tegen vorst en dooi. Door hun afdichtingseffecten zullen de filmen zorgen voor een goede waterbestendigheid, voor een

Duurzaamheid


betere weerstand tegen vocht en een beter vries-dooi gedrag. Bovendien kunnen de expansiedrukken tengevolge van het bevriezend water beter opgenomen worden door een polymeergemodificeerde mortel dan door een mortel zonder polymeertoevoeging. Bij een p/c-factor van 5% was zowel bij SBR als bij SAE door een te kleine polymeerhoeveelheid nog niet echt sprake van een dichte netwerkstructuur (figuur 5.20 en 5.37) in tegenstelling tot bij 10%-20% waar wel een mooi netwerk (figuur 5.33 en 5.55) gevormd wordt. Dit uit zich dan ook in de grotere massaverliezen bij lagere p/c-factoren. De grote daling bij de overgang van 5% naar 10% gevolgd door het constante verloop bij hogere percentages, kan in verband gebracht worden met het feit dat bij 5% nog niet echt sprake is van een film is en bij 10-20% wel. Wat het verschil tussen SBR- en SAE-gemodificeerde mortels betreft, wordt uit de statistiek duidelijk dat alleen bij een p/c-factor van 5% het SBR een beduidend beter resultaat oplevert dan het SAE. Hierbij zal de poriënverdeling waarschijnlijk een niet onbelangrijke rol spelen. Het grotere massaverlies bij SAE kan ook mede beïnvloed worden door het polair karakter van het polymeer (zie paragraaf 5.1). Hierdoor wordt door SAE het water gemakkelijker aangetrokken zodat wanneer dit bevriest en uitzet een grotere expansiedruk optreedt. Het feit dat SBR zich als een rubber gedraagt en bijgevolg meer elastisch is dan SAE, kan een bijkomende verklaring betekenen voor het grotere massaverlies, doordat het elastisch vlies bij SBR een grotere uitzetting kan opnemen. 6.2.2.1.2 Resultaten voor ZOB Uit voorgaande paragrafen blijkt dat tal van factoren zoals de poriënverdeling, de filmvorming, de eigenschappen van de polymeren, … een rol kunnen spelen bij vorstschade van polymeergemodificeerde mortels. Bij ZOB komt er nog een ander aspect bij: het water zal in het ZOB gemakkelijk kunnen binnendringen via de talrijke grote holtes. Bij de duurzaamheid zal enig verband tussen deze poriënstructuur en het massaverlies op te merken zijn. Toch moet rekening gehouden worden met het feit dat de grotere poriën het uitzetten van het bevriezend water in sommige gevallen beter kunnen opnemen. Ook hier kan het apolair karakter van SBR de vorstschade beïnvloeden. Al deze factoren maken het proces van vorstschade zeer complex. Figuren 6.4 tot en met 6.7 tonen de gemiddelde waarde van het massaverlies in functie van de p/c-factoren voor de verschillende dooizouten.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

5% 10% 15%

p/c -factor

grofzout

fijnzout

Di-mixMas

save

rlies

[kg/

m²]

Vergrotingzie figuur 6.6

0

1

2

3

4

5

6

7

8

5% 10% 15%

p/c -factor

grofzout

fijn zout

Di-mix

Mas

save

rlies

[kg/

m²]


Figuur 6. 4 : Massave rlies van de SBR-gemodifi-ceerde mortelmengsels tengevolge van 28 vorst-dooicycli met dooizouten

Figuur 6. 5 : Massaverlies van de SAE gemodifi-ceerde mortelmengsels tengevolge van 28 vorst-dooicycli met dooizouten

Duurzaamheid


0,00,10,20,30,4

0,50,60,70,8

0,91,0

5% 10% 15%p/c -factor

grofzout

fijnzout

Di-mix

Mas

save

rlies

[kg/

m²]

0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0

5% 10% 15%p/c -factor

grofzout

fijnzout

Di-mix

Mas

save

rlies

[kg/

m²]

Figuur 6. 2 : Massaverlies van de SBR-gemodifi-ceerde mortelmengsels tengevolge van 28 vorst-dooi cycli met dooizouten (uitvergroot)

Figuur 6. 3 : Massaverlies van de SAE gemodifi-ceerde mortelmengsels tengevolge van 28 vorst-dooicycli met dooizouten (uitvergroot)

Uit de statische analyse (tabel 6.4) en uit de figuren 6.4 tot en met 6.7 blijkt dat de verschillende wegenzouten niet echt een significante invloed op het massaverlies uitoefenen. Hieraan wordt dan in het verdere onderzoek weinig aandacht besteed.

Vergelijking tussen de verschillende percentages SBR SAE

grof zout Tussen 5% en 10% Significant genoeg Geen significant verschil Tussen 10 en 15% Significant genoeg Significant genoeg

fijn zout Tussen 5% en 10% Significant genoeg Geen significant verschil Tussen 10 en 15% Geen significant verschil Significant genoeg

Di-mix Tussen 5% en 10% Significant genoeg Geen significant verschil Tussen 10 en 15% Geen significant verschil Significant genoeg

Besluit : Bij SBR valt op dat tussen 5% en10% een significant verschil optreedt, en niet zozeer tussen 10% en 15%. Voor SAE daarentegen is er geen beduidend verschil tussen 5% en 10%, maar ligt de overgang tussen de 10% en 15%.

Vergelijking tussen SBR en SAE

Grof bij 5% Significant genoeg fijn bij 5% Significant genoeg Di-mix bij 5% Significant genoeg Grof bij 10% Significant genoeg fijn bij 10% Significant genoeg Di-mix bij 10% Geen significant verschil Grof bij 15% Significant genoeg fijn bij 15% Geen significant verschil Di-mix bij 15% Geen significant verschil Besluit: Bij 5% en 10% blijkt er een opvallend verschil te zijn tussen de twee polymeren

Tabel 6. 3 : Hypothesetesten op de duurzaamheid van ploymeergemodificeerd ZOB

Net zoals bij de polymeergemodificeerde mortels het valt ook hier een daling van het massaverlies op bij stijgende p/c-factor . Het overzicht van de hypothesetesten toont aan dat

Duurzaamheid


er voor SBR-gemodificeerde ZOB voor de verschillende zouten steeds een noemenswaardig verschil is tussen een p/c-factor van 5% en 10%. Tussen 10% en 15% is er enkel bij een grof zout ook een significante daling in massaverlies te merken. Voor SAE-gemodificeerde ZOB valt op dat er pas een significant verschil optreedt bij overgang van een p/c-factor van 10% naar 15%. Dit betekent dat er hier meer polymeren toegevoegd moeten worden, vooraleer enige merkbare verbetering op de duurzaamheid waar te nemen is. Hiervoor kan opnieuw verwezen worden naar de microstructuur. Het vormen van bruggen en een polymeerfilm zorgt voor een verbeterde duurzaamheid. Indien de twee polymeren vergeleken worden (figuren 6.8-6.13), levert de SAE-gemodificeerde ZOB met een p/c-factor van 5% en 15% een beter resultaat, terwijl voor 10% de SBR-gemodificeerde ZOB iets beter blijkt te scoren. Uit paragraaf 4.1 blijkt dat SBR-gemodificeerde ZOB een meer poreuze structuur bezit. Zo kan het water verder in de structuur binnendringen waardoor meer poriën in contact met het water gesteld worden. Dit kan leiden tot een groter massaverlies tengevolge van vorst-dooicycli en bijgevolg tot een grotere vorstschade. Bij 5% lijkt deze vaststelling op te gaan: SAE-gemodificeerde ZOB levert een kleiner massaverlies op. Bij een p/c-factor van 10% klopt deze redenering niet meer. De gewijzigde poriënstructuur door polymeertoevoeging en het afstotend karakter van SBR lijken hier een positieve invloed op SBR-gemodificeerde ZOB uit te oefenen. Deze factoren kunnen bij een p/c-factor van 10% de overhand nemen. Aangezien de invloed van polymeertoevoeging op de poriënverdeling en de groottes niet tot dit onderzoek behoort, kan hieromtrent geen eenduidige uitspraak gedaan worden.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0% 5% 10% 15% 20%p/c-factor

polymeerSBR

gemiddeldepolymeerSBR

polymeerSAE

gemiddeldepolymeerSAE

Mas

save

rlies

[kg/

m²]


0.00.1

0.20.3

0.40.50.6

0.70.80.9

1.0

0% 5% 10% 15% 20%p/c-factor

polymeerSBR

gemiddelde polymeerSBRpolymeerSAE

gemiddelde polymeerSAE

Mas

save

rlies

[kg/

m²]

Figuur 6. 4 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met grof zout

Figuur 6. 5 : Massaverlies van de ZOB ten-gevolge van 28 vorst-dooicycli met grof zout (vergroting)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0% 5% 10% 15% 20%p/c-factor

polymeerSBR

gemiddeldepolymeerSBRpolymeerSAE

gemiddeldpolymeerSAE

Mas

save

rlies

[kg/

m²]


0.0

0.10.2

0.30.4

0.50.6

0.70.8

0.91.0

0% 5% 10% 15% 20%p/c-factor

polymeerSBR

gemiddeldepolymeerSBR

polymeerSAE


Mas

save

rlies

[kg/

m²]

Figuur 6. 6 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met fijn zout

Figuur 6. 7 : Massaverlies van de ZOB ten-gevolge van 28 vorst-dooicycli met fijn zout (vergroting)

Duurzaamheid


0

1

2

3

4

5

6

7

8

0% 5% 10% 15% 20%p/c-factor

polymeerSBR



Mas

save

rlies

[kg/

m²]


0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0% 5% 10% 15% 20%

p/c-factor

polymeerSBR



Mas

save

rlies

[kg/

m²]

Figuur 6. 8 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met Di-mix

Figuur 6. 9 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van vorst-dooicycli met Di-mix (vergroting)

Bovenstaande paragrafen tonen aan dat zowel de p/c-factor als het polymeertype een rol spelen bij duurzaamheid. Daarnaast is in dit onderzoek de intervaltijd tussen het aanbrengen van de toplaag ZOB en de laag wegenbeton een belangrijke factor. Men kan zich afvragen of deze wachttijd tussen het aanbrengen van de toplaag en het substraat een invloed kan uitoefenen op de vorstbestendigheid. Voor SBR-gemodificeerde ZOB met een wachttijd van twee uur blijkt uit figuur 6.14 dat bij een p/c-factor van 10% een iets kleiner massaverlies optreedt. Dit zou te verklaren zijn doordat er een betere hechting is tussen de ZOB toplaag en het onderliggend wegenbeton bij een intervaltijd van 2 uur. Hierdoor zal een dichtere overgangslaag ontstaan. Bij een intervaltijd van 4 uur, waar een meer duidelijke scheidingslijn optreedt, zal er minder ‘goede versmelting’ tussen de twee lagen zijn waardoor het water dieper kan indringen en grotere schade teweegbrengen. Voor SAE-gemodificeerde ZOB doet zich op het eerste zicht het tegenovergestelde fenomeen voor. Hier moet wel opgemerkt worden dat om praktische redenen mengsel 8 (zie hoofdstuk 2) met een andere porfiersoort aangemaakt is. Deze vergelijking van de intervaltijd bij een p/c-gehalte van 10% moet bijgevolg met “een korreltje zout” genomen worden. Om een goede vergelijkingswaarde te hebben, zouden de twee mengsels dezelfde steenslag moeten hebben. De gebruikte porfiersteenslag van mengsel 8 blijkt weinig massaverlies te ondervinden bij 4 uur. Of deze korrelverdeling van plaat 8 ook bij een intervaltijd van 2 uur betere eigenschappen wat het wintergedrag betreft zou hebben, wordt hier in het midden gelaten.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 2 4 6tussentijd [h]

SBR

SAE

Mas

save

rlies

[kg/

m²]

-

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 2 4 6

tussentijd[h]

SBR

SAE

Mas

save

rlies

[kg

/m²]

0.0

0.20.4

0.6

0.81.0

1.2

1.4

0 2 4 6

tussentijd [h]

SBR

SAEz

Mas

save

rlies

[kg/

m²]

Grof dooizout Fijn dooizout Di-mix

Figuur 6. 10 : Invloed van de tussentijd op het massaverlies tengevolge van 28 vorst-dooicycli met dooizouten van ZOB met een p/c-factor van 10%

Duurzaamheid


Doordat het massaverlies na 7, 14 en 28 dagen opgemeten werd, kan ook een tijdsevolutie bestudeerd worden. Figuur 6.15 (ZOB) en figuur 6.16 (mortel) tonen dat dit verloop goed lineair kan benaderd worden.

R2 = 0.9755

R2 = 0.988

R2 = 0.993

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

7 14 21 28aantal cycli [dagen]

mas

save

rlies

[kg/

m²]

grofzout

fijnzout

Di-mix

R2 = 0.9796

R2 = 0.9793

R2 = 0.9774

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10


mas

save

rlies

[kg/

m² ]

grofzout

fijnzout

Di-mix

Mengsel 1 (5% SBR-2h) Mengsel 3 (10% SBR-2h)

Figuur 6. 11 : Massaverlies in functie van de tijd voor ZOB kernen tengevolge van de vorst-dooicycli met dooizouten

R2 = 0.9893

R2 = 0.9995

R2 = 0.9999R2 = 0.9666

0.000

0.010

0.020

0.0300.040

0.050

0.060

0.070

0.080


mas

save

rlies

[kg/

m²]

p/c = 5%

p/c =10%p/c =15%

p/c =20%

R2 = 0.8965

R2 = 0.9851

R2 = 0.8994

0.000

0.005

0.010

0.015

0.020

0.025

0.030

0.035

0.040

7 14 21 28

aantal cycli [dagen]

mas

save

rlies

[kg/

m²]

p/c = 5%

p/c = 10%

p/c = 15%

p/c = 20%

SBR-gemodificeerde mortel SAE-gemodificeere mortel

Figuur 6. 12 : Massaverlies in functie van de tijd van de polymeer gemodificeerde mortelmengels tengevolge van vorst-dooi cycli met dooizouten

Bij de interpretatie van al deze resultaten moet zeker enige voorzichtigheid gehanteerd worden. Het betreft hier immers zeer kleine massaverliezen. Indien de mortel rond een porfierkorrel aangetast wordt, zal de veel zwaardere korrel ook in de weging opgenomen worden. Zo kan verklaard worden dat er bij sommige mengsels pieken van een schijnbaar veel groter massaverlies aanwezig zijn. Ook moet ermee rekening worden gehouden dat de testvoorwaarden hier vrij streng zijn in vergelijking met de reële omstandigheden. De schade (afbrokkeling van de bovenste aggregaten) die op te merken is, gebeurt alleen in de bovenlaag doordat alleen deze aangevallen wordt door de zouten. ( PIC p126 ). In werkelijkheid kan het water omwille van de hoge porositeit wegvloeien vooraleer het bevriest. 6.2.2.1.3 Trekkoppen na vorst-dooicycli met dooizouten Door de treksterkte van de verschillende proefstukken te bepalen na de vorst–dooicycli, wordt getracht de invloed op het breukgedrag van zowel de aangetaste mortel- als de betonproefstukken te bepalen. Ondanks dat niet alle trekkoppen bruikbare resultaten opleverden, kan toch geconcludeerd worden dat bij mortel nog steeds de grootste trekkracht

Duurzaamheid


bij een p/c-factor van 20% gemeten wordt. Voor de ZOB proefstukken geldt net als bij de referentiewaarden dat een p/c-factor van 10% met een intervaltijd van 2h de beste treksterkte gaf. Bij een p/c-factor van 5% blijkt de polymeertoevoeging daarentegen nog weinig effect te hebben op de treksterkte. Voor een verdere analyse wordt verwezen naar paragraaf ?? waar aan de hand van de methode van Ohama en Pareek de resultaten van de trekkoppen vergeleken wordt met de referentiesproefstukken. Blijkbaar zal tengevolge van vorst-en dooiprocessen alleen een daling in de treksterkte optreden; het breukgedrag zal niet wijzigen. 6.2.2.2 Vorst en dooi Samen met aantasting door dooizouten is vorstschade een van de belangrijkste factoren bij duurzaamheidonderzoeken. Dat de microstructuur en de poriën ook hier een zeer belangrijke rol spelen in de verbeterde eigenschappen, hoeft hier geen verhaal meer. De vraag is natuurlijk hoe de invloed van vorst nagaan kan worden. Er zouden bijvoorbeeld lengtevariaties, verandering in dynamische E-modulus,… opgemeten kunnen worden [ PICp413 ]. Aangezien de geteste proefstukken ingepakt zijn in PVC-buizen, kunnen dergelijke meetmethodes hier niet toegepast worden. Norm NBN B15-231 schrijft louter een visuele inspectie voor. In dit onderzoek zijn de proefstukken na 5, 7, 10, 14 dagen aan een visueel onderzoek onderworpen. Voor de betonproefstukken werd ook het massaverlies bepaald. Zowel bij mortel als bij ZOB werd bij de visuele controle na 14 dagen geen of weinig merkbare schade vastgesteld. Bij de ZOB proefstukken zijn bij een p/c-factor van 5% SBR en in mindere mate bij 5% SAE wel enkele brokjes losgekomen en tevens zijn er enkele uitwendige barsten zichtbaar. In de overige gevallen vertonen zowel de betonproefstukken als de mortelproefstukken weinig uitwendige schade. Om inwendige scheuren op te sporen werden sommige proefstukken doorgezaagd. Onder de lichtmicroscoop werden dan wel een groter aantal microscheuren vastgesteld (figuur 6.17).

Figuur 6. 13 : Microscheuren in het ZOB tengevolge van de vorst-dooicycli

Volgens de norm worden bij vorstproeven geen massaverliezen opgemeten, de resultaten worden enkel visueel waargenomen. De reden hiervoor is dat heel wat van de stukjes die losgekomen zijn verloren gaan tijdens het vol- en leeglopen van de vrieskast. Om toch een idee te krijgen van de proportionele waarde tussen de verschillende mengsels wordt bij de SBR-gemodificeerde ZOB proefstukken eens getracht de massaverliezen te bepalen (bijlage). Bovendien moet ook rekening gehouden worden met de stukjes die los zijn, maar toch aan de zijkant vasthangen in het hars of in het silicone. Uit figuur 6.18 valt af te leiden dat bij een stijgende p/c-factor het aantal afgebrokkelde korrels afneemt. Voor een volledig en meer gedetailleerd overzicht wordt naar de bijlage???? verwezen.

Duurzaamheid


Net zoals bij dooizouten werden ook hier na de vorst-dooicycli trekkoppen op de proefstukken geplakt. Uit de resultaten [zie bijlage] blijkt de treksterkte bij 15% het grootst te zijn, doch kleiner dan de treksterkte van de referentieproefstukken. Voor een meer gedetailleerde vergelijking wordt verwezen naar paragraaf????

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0% 5% 10% 15% 20%

p/c-factor

mas

save

rlies

[g/p

roef

stuk

]

polymeerSBR

gemiddelde

Figuur 6. 14 : Massaverlies bij ZOB tengevolge van 14 vorst-dooi cycli

Duurzaamheid


6.3 Besluit Op het gebied van duurzaamheid werd hier onderzoek verricht naar de bestandheid tegen dooizouten en de invloed van vorst-dooicycli. In het mortelonderzoek valt duidelijk op dat een polymeertoevoeging een gunstig effect uitoefent op het vorst-dooigedrag van proefstukken onder de inwerking van dooizouten. De polymeerfilm zorgt er ondermeer voor dat de mortel grotere spanningen tengevolge van het water, dat uitzet bij het vriezen, kan opnemen. Uit de literatuurstudie is gebleken dat vooral een kritische range aan poriëngroottes nadelig is voor de vorstschade. Veel hangt dus af van het gebruikte polymeer en de invloed van de polymeertoevoeging op de poriënverdeling. Algemeen valt op dat bij een stijgende p/c-factor het massaverlies daalt en dat SBR betere resultaten geeft dan SAE. Dit kan verklaard worden doordat het rubber SBR betere elastische eigenschappen bezit dan SAE en daardoor het uitzetten van het bevriezend water beter kan opvangen. De forse daling van het massaverlies bij overgang van een p/c-factor van 5% naar 10% en hoger percentages kan met behulp van de SEM-beelden in verband gebracht worden met de betere netwerkstructuur en met de film die ontstaat bij deze overgang. Tussen 10% en 20% zijn de verschillen minder uitgesproken, daar de microstructuuranalyse aantoont dat in beide gevallen reeds een behoorlijk netwerk zich ontwikkeld heeft. Uit het mortelonderzoek zijn de SBR-gemodificeerde proefstukken naar voren getreden als vrij goed bestand tegen inwerking van dooizouten. Bij het ZOB is dit niet steeds het geval, maar daar zullen andere belangrijke factoren zoals bijvoorbeeld de porositeit van de open structuur een groot effect uitoefenen. Hoe de microstructuur en het poriënnetwerk eruit zien, speelt dus ook hier wat vorstschade betreft een grote rol. De drie dooizouten leveren niet echt een significant verschil op voor het massaverlies. De scheikundige analyses (bijlage nr??RoB) tonen dan ook geen noemenswaardige verschillen. Algemeen kan bij het onderwerpen van de monsters aan vorst-dooicycli geconcludeerd worden dat een toevoeging van polymeren zeker en vast een gunstige invloed uitoefent op het wintergedrag van beton en mortel. Uit de studies blijkt immers slechts in weinige gevallen ernstige vorstschade op te treden.. Natuurlijk worden de proefstukken hier ‘maar’ aan 14 cycli onderworpen. Men kan zich dan afvragen of in tegenstelling tot sommige andere studies [PICp413 :zelfde verwijzing als hierboven) waar tot 300 vorst-dooicycli uitgevoerd worden, er in het kader van de duurzaamheid van ZOB geen groter aantal cycli genomen zou moeten worden

Adhesie


7. Adhesie

7

Adhesie Het adhesieonderwerp, dat in dit hoofdstuk besproken zal worden, is binnen het ZOB een belangrijk problematiek. De adhesie tussen de toplaag ZOB en de onderlaag wegenbeton is immers een belangrijke factor voor de duurzaamheid van de wegverharding. In tegenstelling tot de bepaling van de meeste fysische eigenschappen waarvoor sinds ruime tijd duidelijke en ingeburgerde meetmethodes en evaluatiesystemen bestaan, is dit voor de bepaling van de adhesie nog niet het geval omwille van zijn complexiteit. De volgende paragraaf bewijst dat er de laatste jaren al wel veel over geschreven is, maar dat een standaard evaluatiemethode nog niet tot stand gekomen is.

7.1 Literatuuroverzicht De adhesiefenomenen die reeds onderzocht zijn, betreffen vaak typische herstellingssystemen van beton (herstelmortels). Hierbij gaat het vaak om de adhesie tussen een polymeergemodificeerde mortel en een gewone mortel in het beton. In deze paragraaf wordt het onderzoek van twee wetenschappers betreffende dit onderwerp besproken. Meer specifiek onderzocht Ohama [2, 5] het adhesiemechanisme in de interface van mortel en mortelsubstraten en Peier [3] de configuratie van de proefstelling. Verder wordt ook kort ingegaan op de invloed van de bewaaromstandigheden [6] en van het substraat [7]. 7.1.1 Adhesie mechanisme van Ohama Aan de hand van SEM–foto’s van de polymeerfilm aan de hechtingsvlakken tussen mortel en mortelsubstraten tracht Ohama [5] een model op te stellen van het mechanisme van de verbeterde adhesie. De invloed van de polymeerpartikels (gebruikte polymeren : SBR, EVA, PAE ) aan de adhesietussenlaag wordt nader onderzocht. Ohama stelt dat de polymeren tengevolge van het verdampen en het adsorberen van het water door het substraat een film vormen (figuur 5.13). Bij het onderzoek van de microstructuur werd aan de hand van de SEM-analyse deze filmvorming van de polymeren reeds bevestigd. Naast het water, dat omwille van capillaire effecten naar de poriën in het substraat beweegt, zijn tijdens het filmvormigsproces ook luchtbellen in de adhesieve laag aanwezig. Deze luchtbellen zijn afkomstig van luchtinsluitsels in het substraat die na het aanbrengen van de polymeermortel naar de verse mortel gemigreerd zijn (figuur 7.1a). Door de vorming van de polymeerfilm kunnen deze echter niet meer ontsnappen en dit kan problemen met de adhesie in de interface met zich meebrengen.

Adhesie


1

2

3

a) Transport van water en luchtbellen in de interface

b) Het adhesiemechanisme

Figuur 7. 1 : Studie van de hechtingslaag bij herstelmortels volgens Ohama [5]

Figuur 7.1b geeft duidelijk dit adhesiemechanisme weer. De filmlaag kan opgesplitst worden in drie delen. Elk deel speelt zijn rol in het adhesieverschijnsel : de twee buitenste contactlagen vervullen een rol in de binding door chemische interactie (figuur 7.1b1) en door mechanische interlocking (figuur 7.1b 3). De middenste laag (figuur 7.1b 2) zorgt voor een relaxatie van de spanningen die optreden in de adhesielaag. In een ander onderzoek heeft Ohama de adhesie en bindingssterkte van polymeergemodificeerde mortels ten opzichte van gewone mortels getest [2]. Volgens de resultaten van dit onderzoek stijgt de breukspanning in functie van het polymeergehalte. Deze stijging is wel afhankelijk van het gebruikte polymeertype. In zijn onderzoek werd gebruik gemaakt van een klassiek portlandcement en onder andere van het commerciële polymeer styreen-butadieen rubber (tabel 7.1).

Type Polymeer

Specifieke Graviteit 20°C, [-]

pH 20°C, [-]

Viscositeit 20°C,[cp]

Totaal vast [%]

SBR 1.020 8.6 175 44.9 Tabel 7. 1 : Eigenschappen van styreen-butadieen rubber Eén van de uitgevoerde testen sluit nauw aan bij de pull-off test die ook gebruikt is in het kader van dit onderzoek over ZOB. Om de adhesie of verbindingssterkte te bepalen van de proefstukken wordt de maximale opgemeten kracht gedeeld door de oppervlakte van de trekkop. De invloed van de verschillende polymeergehaltes wordt onderzocht (tabel 7.2). De breukspanning ligt rond 1 N/mm² voor mengsels met een p/c-factor van 0 tot 10% SBR en rond de 2 N/mm² voor de mengsels met 20% SBR. Ze stijgt duidelijk in functie van het polymeergehalte. Deze stijging is eveneens waarneembaar bij de andere geteste polymeren. Bovendien liggen de breukspanningen bij deze polymeren (ethyleen-vinyl acetaat en poly-acrilaat ester) merkelijk hoger dan bij de overeenkomstige SBR-mengsels.

Adhesie


Type

Polymeer Cement : zand p/c

[%] W/C [%]

Flow [-]

Adhesiespanning [N/mm²]

- 1 : 3 0 77.7 166 0.8 SBR 1 : 3 5 66.7 166 1.0 SBR 1 : 3 10 68.5 170 1.1 SBR 1 : 3 20 62.8 171 2.2

Tabel 7. 2 : Samenstelling van de geteste SBR-gemodificeerde mortels en de opgemeten adhesiespanning tussen de gemodificeerde mortel en de klassieke mortel

Na de uitvoering van de pull-off testen werden de verschillende breukfenomenen van de proefstukken geobserveerd en thuisgebracht in één van de volgende drie categorieën: A : Adhesiebreuk (breuk in de interface) M : Cohesiebreuk in de polymeergemodificeerde mortel S : Cohesiebreuk in het substraat (klassiek cement mortel) Elk breukoppervlak wordt onderverdeeld in tien delen. Voor elk deel wordt bepaald welk breuktype aanwezig is. Op die manier kan het hele breukoppervlak gekarakteriseerd worden: A6 M3 S1 wil bijvoorbeeld zeggen dat 60% van het oppervlak adhesiebreuk vertoont, 30% cohesiebreuk in de mortel en 10% cohesiebreuk in het substraat. De resultaten van het onderzoek van Ohama voor de SBR-gemodificeerde mortel zijn weergegeven in tabel 7.3

p/c-factor 0 % 5% SBR 10%SBR 20% SBR A6 M4 A6 M4 A8 M2 A2 M2 S6

Tabel 7. 3 : Beschrijving van het breukvlak bij trekproeven op SBR-gemodificeerde mortel

7.1.2 Belangrijke parameters bij de bepaling van de adhesie W.H. Peier [3] bespreekt het probleem van het testen van de adhesie. Zijn benaderingswijze van het probleem kan geëxtrapoleerd worden naar ZOB wegverhardingen. Zoals soms getracht wordt het probleem van herstelmortel bij beton te herleiden naar een mortel(gemodificeerd)-mortel(gewoon) hechtingsprobleem [4], kan de adhesie tussen de top- en onderlaag bij ZOB wegverhardingen ook geschematiseerd worden door een mortel-mortel hechtingsprobleem. In de overgangslaag tussen de ZOB en het wegenbeton is het immers hoofdzakelijk de adhesie tussen de polymeergemodificeerde mortel van het ZOB en de klassieke mortel van het gewoon wegenbeton dat de sterkte bepaalt. Door een uitwendige kracht op dit mortel-mortelsysteem kan het geheel onder spanning komen te staan en bezwijken (adhesiebreuk). In overeenstemming met de aard van de belasting kunnen drie spanningstoestanden onderscheiden worden [3]: (a) spanningen door zwellen en krimpen, hoofdzakelijk veroorzaakt door water en waterdamp

fenomenen (b) thermische spanningen veroorzaakt door temperatuursvariaties (c) mechanische spanningen veroorzaakt door uitwendige mechanische krachten Om de spanningstoestand te definiëren, moet het mechanisch gedrag van het systeem zelf gekend zijn. Het gedrag wordt beschreven door een set van mechanische eigenschappen die zowel de specifieke eigenschappen van de verschillende materialen (o.a. druksterkte, E-modulus, lineaire uitzettingscoëfficiënt, …) als de adhesie-eigenschap van de aangrenzende materialen bevatten. Het grote verschil tussen beide groepen van eigenschappen is dat de

Adhesie


eerste reeks slechts één materiaal karakteriseert, terwijl de adhesie-eigenschap de interactie tussen twee materialen karakteriseert. Hierdoor zal bij adhesieproblemen de verbindingsmethode ( nat op nat, nat op droog, … ) van beide materialen een rol spelen . In tegenstelling tot meting van sommige eigenschappen, zoals bijvoorbeeld de E-modulus, waar configuratie en afmetingen weinig of geen invloed uitoefenen, zal bij de bepaling van de adhesie de afmetingen van het monster en de proefopstelling wel degelijk in rekening gebracht moeten worden. Dat de afmetingen een belangrijke rol spelen bij het testen van de adhesie volgt reeds uit het feit dat de krimpspanning toeneemt met stijgende dikte van de polymeermortel waarop de test wordt uitgevoerd. Twee systemen die enkel in laagdikte verschillen zullen dus een andere adhesie hebben. Niet alleen de afmetingen van de toplaag [3] spelen een rol, maar uit onderzoek uitgevoerd door Puterman [6] en Cleland [7] blijkt dat ook de bewaaromstandigheden en de aard van het substraat belangrijk zijn bij het bepalen van de adhesie. De curing-methode (nat, droog, standaard) oefent een grote invloed uit op de kwaliteit van de adhesie [6]. De cementhydratatie is in dit opzicht een cruciale factor. De proefstukken die in droge ongunstige omstandigheden bewaard worden zullen een zwakke adhesie (grootteorde 0,5Mpa) vertonen, omdat de hydratatie niet voldoende kan optreden door een gebrek aan water. In een vochtige omgeving daarentegen is er voldoende toevoer van water, zodat de hydratatie ongehinderd kan plaatsvinden. Dit resulteert in grote hydratatiekristallen die bijdragen tot een grotere sterkte. Natuurlijk is de groei van deze kristallen niet vrij, maar wordt ze gehinderd door de ontwikkeling van de polymeerfilm (zie § 5.3.3). Hierdoor ontstaat een meer amorfe structuur, die de sterkte van het materiaal nog verhoogt. De kristallen hebben immers op zich een grote sterkte, maar worden samengehouden door de zwakkere Van Der Waalskrachten en hebben een relatief klein specifiek oppervlak. De amorfe gel-structuur heeft een veel groter specifiek oppervlak en een kleiner aantal glijdvlakken zodanig dat de structuur beter tegen spanningen bestand is [5.28]. Volgens Cleland [7] wordt algemeen aangenomen dat de sterkte van het substraat geen invloed heeft op de adhesie, maar uit zijn onderzoek met SBR-gemodificeerde mortels blijkt dat de adhesiesterkte toch afneemt met een toenemende W/C-factor (0.4-0.55-0.7) van het substraat.

Adhesie


7.2 Adhesie onderzoek bij ZOB

7.2.1 Proefopstelling Uit de literatuur is duidelijk naar voor gekomen dat de configuratie en de dimensies van de proefstukken goed gekozen moeten worden. Daarom werden in het kader van dit onderzoek de proefstukken vervaardigd naar het voorbeeld van de realiteit in Herne, waar een 40 mm dikke toplaag op een onderlaag van 180 mm wegenbeton aangebracht is volgens de nat-in-nat procedure (figuur 7.2).

Figuur 7. 2 : Schematische doorsnede van de proefstukken

Voor het bepalen van de treksterkte van de referentieproefstukken werd gebruik gemaakt van trekkoppen met een diameter van 50 ± 1 mm, vastgelijmd op de platen. Het meten van de treksterkte van de proefstukken die de verschillende vorst- en dooicycli hadden doorstaan, gebeurde met trekkoppen met een grotere diameter (70 ± 1 mm). Op die manier wordt het contactoppervlak vergroot en de fouten ten gevolge van een toevallige zwakke schakel in het geheel geminimaliseerd. De talrijke oneffenheden gaan anders de meting totaal overmeesteren en een foutief beeld geven van de adhesiesterkte. 7.2.2 Soorten breuken Resulterende spanningen in de proefstukken, ten gevolge van zwellen en krimpen (figuur7.2), temperatuursvariaties en uitwendige mechanische belastingen, geven aanleiding tot twee verschillende breukfenomenen : cohesie en adhesie. à Cohesie

a) in het ZOB - de mortel breekt (figuur 7.3a) - de korrels breken (figuur 7.3b)

b) in het wegenbeton - de mortel breekt - de korrels breken

à Adhesie a) in het ZOB : breuk tussen de korrels en de mortel door een slechte hechting (figuur

7.3c) b) in de hechtingslaag c) in het wegenbeton : breuk tussen de korrels en de mortel door een slechte hechting

ZOB

beton

krimpspanning

Adhesie


Foto a

Mortelbreuk Foto b

Korrelbreuk Foto c

Adhesiebreuk Figuur 7. 3 : De verschillende breuksoorten

Het is echter niet altijd zo eenvoudig om het type breuk onder te brengen in deze twee vakjes. Een adhesiebreuk tussen de mortel en een korrel in het ZOB gaat aan de randen natuurlijk over in een cohesiebreuk van de mortel (figuur 7.4c). Omgekeerd is dit echter niet noodzakelijk het geval. ZOB waarbij de korrels samengebonden zijn door een zwakke mortel, kan over heel het oppervlak breken in de mortel zelf (figuur 7.4a). Soms doet zich een korrelbreuk voor (figuur 7.4b). De reden hiervan is de slechte kwaliteit van de korrel zelf. Porfier wordt immers ontgonnen in een groeve waar mogelijk spleten kunnen voorkomen. In die spleten kan water binnensijpelen dat aanleiding geeft tot oxidatiereacties. Daardoor worden de korrels aangetast en vertonen inwendige scheuren. Deze scheuren resulteren in korrels met kleinere sterkte. Ook de richting waarin later een kracht wordt uitgeoefend op de korrels speelt in dit opzicht een grote rol. Door de kleine inwendige scheuren gaan er immers preferentiële scheurrichtingen ontstaan die een beduidend kleinere weerstand tegen de uitwendige belasting hebben.

a) Cohesiebreuk in de mortel

b) Cohesie breuk in de mortel en de korrel

c) Cohesiebreuk in de mortel en adhesiebreuk

Figuur 7. 4 : Schematische voorstelling van verschillende breukmodes

Adhesie


7.2.3 Resultaten en bespreking Bij de analyse van de resultaten spelen verschillende aspecten een rol. De naakte treksterktecijfers zijn onvoldoende om het fenomeen naar waarde te evalueren. Vereiste kracht, plaats van de breuk en soort breuk beïnvloeden elkaar en resulteren in de uiteindelijke adhesiesterkte van de monsters. 7.2.3.1 Trekspanningen en breukgedrag 7.2.3.1.1 Trekspanning De breukspanningen van de referentieproefstukken uitgemiddeld per mengsel zijn weergegeven in figuren 7.5 en 7.6:

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20p/c-factor [%]

Trek

span

ning

[N/m

m²]

na 56 dagen bij 2h

na 56 dagen bij4h

na 100 dagenbij 2h

na 100 dagenbij 4h

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 5 10 15 20p/c-factor [%]

Trek

span

ning

[N/m

m²] na 56

dagen bij2h

na 100dagen bij2h

Figuur 7. 5 : Treksterkte van de SBR-gemodifi-ceerde referentieproefstukken

Figuur 7. 6 : Treksterkte van de SAE- gemodifi-ceerde referentieproefstukken

Uit de grafieken kan afgeleid worden dat de trekspanningen nodig om een breuk te veroorzaken bij een p/c-factor van 5% het kleinst zijn, wat duidt op de minst sterke structuur. Bij 10% is voor beide polymeertypes een maximum terug te vinden. De vereiste breukspanningen na 56 dagen variëren bij SBR van 3 N/mm² bij een p/c-factor van 5%, tot iets minder dan 6 N/mm² bij 10% . Dit patroon is tevens terug te vinden bij SAE. Na 100 dagen is de treksterkte voor beide polymeren toegenomen. De invloed van de tijd tussen het aanbrengen van de twee lagen is niet zo duidelijk. Na 56 dagen is er geen verschil te merken tussen een intervaltijd van 2 en 4 uur. Bovendien zal de treksterkte bij een intervaltijd van 4 uur ook niet toenemen na 100 dagen: de waarde blijft schommelen rond de 6 N/mm². Algemeen is het verloop van de treksterkte in functie van het polymeergehalte voor beide polymeeremulsies na 56 dagen gelijkaardig. Al is de stijging van de sterkte in functie van de tijd bij SAE meer uitgesproken dan bij SBR. 7.2.3.1.2 Plaats van de breuk De lokalisatie van de breuk bij de verschillende mengsels is voorgesteld in figuur 7.7. Opgemerkt moet worden dat de analyse van breuklocatie een delicate zaak is omdat er hierbij een groot aantal factoren een rol speelt: de sterkte van de verschillende materialen, de dikte van de verschillende lagen, de toevallige aanwezigheid van zwakke elementen zoals aangetaste of gebarsten granulaten, de graad van menging of ontmenging op een welbepaalde plaats, de porositeit, … .

Adhesie


-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

5%SBR 15%SBR 10%2hSBR 10%4hSBR 15%SAE 5%SAE 10%2hSAE 10%4hSAE

Die

pte

[cm

]

Open Beton Tussenlaag Gewone Beton

diepte van de breuk na 56 dagen diepte van de breuk na 100 dagen Figuur 7. 7: Lokalisatie van de breuk bij de verschillende mengsels

Naar analogie met Ohama [2] kan een overzicht gegeven worden van de aard van de breuk en van het aantal breuken in elke laag voor de verschillende mengsels, met

- T : de toplaag ZOB - O : de overgangslaag - G : de onderlaag gewoon wegenbeton

SBR SAE

5%-2h 10%-2h 10%-4h 15%-2h 5%-2h 10%-2h 15%-2h na 56 dagen T1O1G1 G1 O2G1 T2O1 T2 G1 T2G1 T1O1G1 na 100 dagen T2 G1 T1 G2 T2 T2O1 T1 G1 T2

Tabel 7. 4 : Analyse van de plaats van de breuk na 56 en 100 dagen van de verschillende mengsels ZOB

De plaats van de breuk treedt bij 5% SBR op in de toplaag bij spanningen van rond de 4 à 5 N/mm² (bijlage trekkoppen). Het mengsel breekt soms echter ook in de overgangslaag en in het gewone beton, maar deze breuk vindt steeds plaats bij relatief kleinere krachten, namelijk tussen de 2 en de 3,5 N/mm². Een lokaal zwak punt in het gewone beton veroorzaakt in die gevallen een breuk alvorens het ZOB de kans krijgt te breken. Algemeen breken de proefstukken met 5% SBR in het ZOB. Bij 10%-2h SBR ligt de breuk dieper. Hier breekt hoofdzakelijk het gewone beton en dit bij relatief hoge spanningen (tot 9,7 N/mm²). De treksterkte van het polymeergemodificeerde ZOB is in dit geval dus zeer goed en stijgt bovendien in functie van de tijd. Deze vaststellingen wijzen erop dat het ZOB bij 10%-2h zelfs sterker is dan het gewone beton. Om de polymeergemodificeerde open structuur te doen breken zouden immers nog hogere uitwendige krachten nodig zijn dan diegene die nu al vereist zijn om het wegenbeton te doen

Adhesie


bezwijken. Bij één proefstuk doet de breuk zich voor net onder de trekkop op 0.9 cm van de bovenrand. Het betreft hier waarschijnlijk een lokale slechte stapeling van granulaten, die aanleiding geeft tot een lagere treksterkte. Wel moet in dit verband opgemerkt worden dat ondanks het hier een zwakke schakel betreft in het open systeem, de nodige spanning om deze schakel te verbreken toch nog hoger ligt dan bij andere polymeerpercentages. Dit onderstreept nogmaals de sterkte van dit systeem. Als de toplaag aangebracht is na een intervaltijd van 4 uur in de plaats van 2 uur wijken de resultaten opmerkelijk af. Na 56 dagen krijgt men bij 10%-4h vooral breuk in de overgangslaag, daar waar het bij 10%-2h in het wegenbeton breekt. De spanning nodig om deze breuk teweeg te brengen is in de twee gevallen ongeveer even groot (5,3 N/mm²). Na verloop van tijd echter verschuift de plaats van de breuk bij 10%-4h naar boven, naar het ZOB toe. De hechtingslaag zelf is dus sterker geworden. Het probleem situeert zich nu echter in de overgang ZOB-hechtingslaag. Het is echter wel zo dat de breukspanning gestegen is naar 5,8 N/mm². Desalniettemin is ze niet meer gelijk aan de spanning in het overeenkomstige geval bij 2 uur. Daar is de vereiste breukspanning van 5,3 N/mm² gestegen naar 8,2 N/mm², respectievelijk na 56 en 100 dagen. De stijging in sterkte is bij 4h dus niet zo spectaculair. Uit de resultaten blijkt dat de hechting beter is, als tijdens de aanmaak de toplaag sneller wordt aangebracht op het reeds gestorte wegenbeton (intervaltijd 2h). Bij een stijging van de intervaltijd kunnen dus problemen ontstaan met de hechtingslaag. Ondanks de veranderingen in het gedrag in de loop van de tijd blijft bij een intervaltijd van 4 uur de zwakke plaats de hechtingslaag. De resultaten bij ZOB met een p/c-factor van 15% zien er dan weer helemaal anders uit. Hier vindt de breuk steeds plaats in het ZOB bij spanningen die liggen tussen waarden die teruggevonden worden bij 5% en 10%. Bij toevoeging van 15% polymeer daalt blijkbaar dus de sterkte van de polymeermortel ten opzichte van 10%, maar levert toch nog een beduidend beter resultaat dan bij 5% polymeer. Hieruit zou kunnen besloten worden dat de referentieproefstukken met SBR een optimum vertonen bij 10% wat betreft adhesiesterkte. Uit tabel 7.4 en de bijlage ……kan men afleiden dat er ongeveer dezelfde tendensen terug te vinden zijn bij toevoeging van SAE. 7.2.3.1.3 Soorten breuken Naast de totale treksterkte en de plaats van de breuk is ook de soort breuk een belangrijk gegeven bij de analyse van de adhesie. Op basis van deze gegevens kan immers de oorzaak van de breuk achterhaald worden. Hierbij zal ook de rol van de microstructuur naar voren treden. Door gebruik te maken van de SEM-beelden kan getracht worden te achterhalen waarom en waar een bepaald proefstuk breekt. Breekt het zeer open beton door een minder sterke mortel of door een slechte adhesie tussen aggregaat en mortel? Het monster zal immers ten gevolge van de aangelegde trekkracht breken op de zwakste schakel. De geobserveerde breukfenomenen in het ZOB of in de overgangslaag ten gevolge van de adhesietesten worden hier naar het voorbeeld van Ohama [2] ondergebracht in verschillende categorieën (tabel 7.5). Het totale oppervlak wordt beschreven door 100% samengesteld uit volgende categorieën. H : percentage holtes in het breukvlak A : percentage adhesiebreuk (breuk in de interface tussen de mortel en de korrels) in

het breukvlak K : percentage korrelbreuk (cohesiebreuk) in het breukvlak

Adhesie


M : Percentage mortelbreuk (cohesiebreuk) in het breukvlak Een breuk in het wegenbeton (G) wordt niet in detail geanalyseerd, omdat dit buiten het bestek van dit onderzoek valt. De monsters met breuk in het ZOB of de hechtingslaag zijn geanalyseerd in tabel 7.5. Het aantal beschouwde proefstukken staat er telkens tussen haakjes achter.

SBR 5%-2h 10%-2h 15%-2h

Na 56 dagen

H20A42K3M35 (2)+(1G)

(1G)

H27A47K4M22 (3)

Na 100 dagen

H14A52K3M31 (2)+(1G)

H15A54K6M25 (1)+(2G)

H24A50K6M20 (3)

SAE

5%-2h 10%-2h 15%-h2 Na

56 dagen H20A46.5K7M26.5

(2)+(1G) H15A55K5M25

(1)+(2G) H23A45K6M27

(2)+(1G) Na1

100 dagen H20A40K6M34

(1)+(1G)

(0) H17A44K6M33

(2) Tabel 7. 5 : Beschrijving van het breukvlak bij trekproeven op de referentieproefstukken

Een breuk die zich voordoet in het ZOB of in de hechtingslaag is in alle gevallen hoofdzakelijk te wijten aan een gebrek aan adhesiesterkte tussen de korrels en de mortel zelf. Bij toevoeging van 10% polymeeremulsie is meer dan de helft (54% en 55%) van het gebroken oppervlak te wijten aan adhesieproblemen tussen de mortel en de korrel. Bij 5% en 15% liggen voor beide polymeren deze percentages net iets lager. De bijdrage van de mortelbreuk bij SBR-gemodificeerde ZOB daalt naarmate meer polymeer toevoegd wordt. Bij 5% is de bijdrage van de mortel ongeveer 30%, bij 10% SBR is dit gedaald tot 25% en bij 15% SBR is het uiteindelijk nog maar rond de 20%. Dit is tevens uit een microstructuur af te leiden.

Foto a

5% SBR na vorst Foto b

10% SBR (4h) na vorst Foto c

15%SBR na vorst Figuur 7. 8 : Breukoppervlakken

Bij het polymeer SAE is die daling niet echt uitgesproken. Het lijkt erop dat de mortel zelf het sterkst is bij 10%, waar hij bij 5% en 15% SAE gemakkelijker breekt. Het holtepercentage is geen representatieve waarde voor de porositeit van de beschouwde mengsels. De porositeit in het breukoppervlak is immers niet noodzakelijk dezelfde als elders

Adhesie


in het ZOB. De relatief open structuur bij de monsters met 15% polymeer, kunnen misschien wel aanleiding gegeven hebben tot een breuk op die plaats (figuur 7.8). De korrelbreuken bij SAE zijn net als bij SBR eerder lukraak en gelijkmatig verspreid bij de verschillende mengsels. Als de breukoppervlakken van de in dit onderzoek geteste SBR-gemodificeerde proefstukken vergeleken worden met tabel 7.3 van Ohama keren enkele belangrijke fenomenen terug. Zo blijkt bij een p/c-factor van 10% de adhesie het grootste probleem te geven, terwijl de bijdrage van de mortelbreuk in beide gevallen bij 5% het grootst is. Bij 20% stelt Ohama een enorme afname in adhesiebreuk en een min of meer gelijk percentage mortelbreuk vast, terwijl het grootste aandeel van de breuk zich in het substraat voortdoet. De waarden in tabel 7.5 reiken slechts tot een p/c-factor van 15%, maar toch is dit fenomeen al lichtjes waarneembaar. 7.2.3.1.4 Verklaring op basis van de miscrostructuur Bij de SEM-analyse van de proefstukken zijn twee belangrijke aspecten naar voren gekomen: enerzijds het filmvormingsproces en de mogelijke overbruggingen en anderzijds de adhesie tussen een korrel en het polymeer. Deze twee factoren zullen een belangrijke rol spelen om het breukgedrag beter te begrijpen. Bij een p/c-factor van 5% merkt men zowel bij SBR als bij SAE dat er zich polymeerbruggen willen vormen, maar door een te kleine hoeveelheid polymeerdeeltjes lukt dit niet (zie §5.4.4.1.1 figuur 5.20a en §5.4.4.3.1 figuur 5.37). Bij een p/c-factor van 10% begint zich in de mortel een duidelijk netwerk met bruggen af te tekenen (zie §5.4.4.1.2 figuur 5.24a en §5.4.4.3.2 figuur 5.44b). Indien het polymeerpercentage verder wordt opgedreven, is dit fenomeen nog meer uitgesproken (zie §5.4.4.1.3 figuur 5.29 en §5.4.4.3.3 figuur 5.47). Dit betekent dat bij een voldoende hoge p/c-factor een sterkere mortel gevormd wordt. Als de ZOB-kernen getrokken worden, zal bijgevolg het aandeel mortelbreuk bij toenemende p/c-factor dalen of constant blijven aangezien de gevormde bruggen zorgen voor een sterkere mortel. Dat kan gedeeltelijk die daling van het aandeel mortelbreuk bij SBR verklaren. Adhesieeigenschappen hangen vooral af van hoe goed het polymeer met het aggregaat kan reageren of hoe goed het polymeer de aggregaten kan inkapselen. Bij 5% SBR (zie §5.4.4.1.1 figuur 5.20b) zijn op sommige plaatsen polymeerlaagjes rond de korrels gewikkeld of grijpt het polymeer de korrel met ‘zuignapjes’ vast. Deze polymeerlaagjes worden bij 10% (zie §5.4.4.1.2 figuur 5.24a en §5.4.4.3.2 figuur 5.45a) en 15% (§ 5.4.4.1.3 figuur 5.29a en b en §5.4.4.2.3 figuur 5.49) iets dikker. Ook vallen hier de verschillende ‘pootjes’ op die de korrels vastgrijpen. Bij SBR dat zich als een rubber en dus flexibel gedraagt, zijn het vooral de mechanische verbindingen die ervoor zorgen dat een hechting kan ontstaan. Om nog een betere hechting te krijgen kunnen carboxylzuren toegevoegd worden (zie §5.1 emulsiepolymerisatie). Een gelijkaardig verschijnsel wordt bij SAE waargenomen maar daar zal vooral het polaire karakter zorgen voor een goede adhesie Deze wordt nog versterkt door de vorming van chemische bindingen van de carboxylgroepen met de Ca2+-ionen. Uit de microstructuur valt dus op dat bij een hoge p/c-factor een sterke, stevige mortel ontstaat zowel door de aanwezigheid van een elastische film als door de betere adhesieeigenschappen. Aan de hand van de SEM-beelden werd de adhesie zand-polymeer van mortelstukjes bekeken. Deze adhesieproblematiek kan geëxtrapoleerd worden naar de adhesie porfier-

Adhesie


polymeer want zowel een silicaatgesteente als een porfiersteenslag zijn negatief geladen (§5.1). Bij de uitgevoerde trekproef zal steeds de zwakste schakel (figuur 7.8) in de treklijn het begeven. De resultaten tonen bij een p/c-factor van 5% een groot percentage mortelbreuk ten gevolge van de zwakke mortel. Dit aandeel in mortelbreuk daalt bij 10% ( § 5.4.5.2.1 figuur 5.60) en 15%. Bij 10% wordt een grote treksterkte bekomen temeer door de talrijk aanwezige bruggen. De zwakke schakel is daar verschoven naar de hechting tussen mortel en aggregaat (zie §5.4.5.2.3 figuur 5.63) . Bij 15% waar het aandeel mortelbreuk het kleinst is, zullen andere factoren zoals een minder goede hechting tussen mortel en aggregaat, breuk omwille van vele holtes,… een zwakkere schakel zijn dan de mortel op zich. 7.2.3.2 Bespreking van de resultaten met de methode van Pareek De treksterkte is zoals uit bovenstaande analyse blijkt geen duidelijk en gemakkelijk te onderzoeken eigenschap. De vele verschillende parameters die onderling verband houden met elkaar maken het geheel onoverzichtelijk. Daarom wordt getracht de verschillende kenmerken te verzamelen en te globaliseren om ondanks de vele uitzonderingen toch tot een algemeen besluit te komen. S.Pareek en andere [8, 9] hebben hiervoor een zeer eenvoudige, maar toch zeer relevante en visuele methode uitgewerkt. Ze slagen erin zowel informatie over de sterkte als over het breukgedrag in de evaluatie te betrekken. Hun methode heet de ‘Square Optimization Methode’. In deze methode wordt de hechtsterkte van een mortel op een substraat uitgezet tegenover de breukmode, door middel van de relatieve aandelen van adhesie- en cohesiebreuk over het testoppervlak. Het optimalisatievierkant voor de evaluatie van de hechtproeven ziet er in theorie als volgt uit (figuur 7.9):

Figuur 7. 9 : Het optimalisatievierkant voor de evaluatie van de hechtproeven

De grafiek wordt opgedeeld in vier gebieden door een horizontale en verticale lijn. De verticale lijn komt overeen met 50% cohesie-breuk en de horizontale lijn met de minimale breuksterkte die vereist is voor een goede hechting.

Adhesie


Alhoewel de hechtsterkte problematiek bij ZOB enigszins afwijkt van deze bij herstelmortels op een betonsubstraat, wordt ook hier getracht de theorie van Pareek te gebruiken om tot een eenvoudige analyse te komen van het anders moeilijk te vatten gedrag van ZOB. Achtereenvolgens worden de resultaten besproken van de referentieproefstukken, van de proefstukken die de 14 vorst-dooicycli hebben ondergaan en tot slot van de proefstukken die zijn blootgesteld aan 28 vorst-dooicycli met zouten. 7.2.3.2.1 Hechtsterkte op referentieproefstukken Het optimalisatievierkant voor de referentieproefstukken van ZOB is weergegeven in figuren 7.10 en 7.11, na respectievelijk 56 en 100 dagen.

0123456789

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%-cohesie

bre

uks

pan

nin

g N

/mm

²]

5%SBR

10%-4hSBR

15%SBR

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100cohesiebreuk [%]

breu

kspa

nnin

g [N

/mm

²]

5%SAE

10%-2hSAE

15%SAE

a) SBR-gemodificeerde ZOB b) SAE-gemodificeerde ZOB

Figuur 7. 10 : Optimalisatievierkant van de referentieproefstukken ZOB na 56 dagen

0

1

2

3

4

56

7

8

9

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%-cohesie

bre

uks

pan

nin

g [

N/m

m²]

5%SBR

10%-4hSBR

15%SBR

0123456789

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

cohesiebreuk [%]

5%SAE

15%SAE

breu

kspa

nnin

g [ N

/mm

²]

a) SBR-gemodificeerde ZOB b) SAE-gemodificeerde ZOB

Figuur 7. 11 : Optimalisatievierkant van de referentieproefstukken ZOB na 100 dagen

Het hechtoppervlak wordt omwille van de eenvoud gelijkgesteld aan 100%, zodat men op die schaal gemakkelijk kan schatten hoeveel procent van het hechtvlak adhesiebreuk en hoeveel cohesiebreuk vertoont. De cohesiebijdrage wordt hier gezien als het totaal aan korrel- en mortelbreuk. Een eerste element dat ontbreekt om een analoge evaluatie te doen als bij de herstelmortels, is de geëiste hechtsterkte. Tot nu toe is nog niet vastgelegd welke eis gekoppeld is aan de hechtsterkte van een ZOB toplaag in de wegenbouw. Dit kan het onderwerp zijn van verder onderzoek.

Adhesie


Het komt er dus voorlopig op neer om de ligging van de punten binnen het vierkant te situeren en relatieve verschuivingen op te merken en te verklaren. Na 56 dagen ligt de wolk van punten voor de beide polymeren op ongeveer dezelfde plaats, links van de 50% cohesie-lijn. Opvallend is wel dat de monsters met een p/c-factor van 10% er wat hechtspanning betreft bovenuit steken. Bij SBR wordt voor 10%-4h de hoogste waarde bereikt. Voor 10%-2h is er echter geen voorstellingspunt binnen het vierkant. De ZOB is daar zo sterk dat eerst het gewone beton gaat breken, bij een trekspanning van 5,3 N/mm². Bijgevolg is de waarde van de trekspanning, die nodig zou zijn voor adhesieve breuk of voor cohesiebreuk in het ZOB nog hoger. Deze waarneming bevestigt de betere aanhechting tussen de toplaag en het onderliggende substraat, wanneer gewerkt wordt met een tussentijd van 2h. Voor de hechtsterkte van SAE na 56 dagen zijn dezelfde stellingen geldig. In de loop van de tijd stijgt de sterkte voor beide polymeren, alhoewel het breukgedrag niet relevant gaat wijzigen. Het blijven hoofdzakelijk adhesiebreuken die de hechtsterkte gaan domineren. Ook na 100 dagen blijven de mengsels met een p/c-factor van 10% sterker en breken ze hoofdzakelijk in het ZOB. Om meer gedetailleerde besluiten te kunnen trekken zijn meer proefstukken vereist, zodat het globale beeld beter tot uiting komt en de uitzonderingen eruit springen en geëlimineerd kunnen worden. Bovendien ontbreken in sommige gevallen ook relevante resultaten van beproefde monsters omwille van technische problemen (lijmbreuk, buiging tijdens positionering van de trekkoppen bij de trekproeven,..). Het kan ook zijn dat er een lokale stijging van het aantal zwakke was of een lokale onstabiele schikking. Het relatief kleine oppervlak waarop getrokken wordt, speelt de invloed van deze factoren nog in de hand. 7.2.3.2.2 Methode van Pareek toegepast op vorst-dooicycli met dooizouten De optimalisatievierkanten voor de proefstukken die de vorst-dooicycli met zouten hebben ondergaan, zijn weergegeven in figuur 7.12.

0123456789

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

cohesiebreuken [%]

5%-SBR

10%-SBR(4h)

15%-SBRbreu

kspa

nnin

g [ N

/mm

²]

0123456789

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

cohesiebreuken [%]

5%-SAE

10%-SAE

15%-SAE

breu

kspa

nnin

g [ N

/mm

²]

a) SBR gemodificeerde-ZOB b) SAE gemodificeerde-ZOB

Figuur 7. 12 : Optimalistievierkant van de proefstukken ZOB na 28 dooi-vorstcycli met dooizouten

Ook hier is de “Square Optimization Method” niet volledig toepasbaar omdat er gegevens ontbreken (de geëiste hechtsterkte staat nog niet vast, de waarden bij 10%-2h SBR zijn niet voorgesteld omdat er lijmbreuk en breuk in het wegenbeton voorkomt, bij SAE ontbreken er verschillende waarden ten gevolge van lijmbreuk, breuk in het gewone beton of omdat breuk wel optreedt, maar de stukken niet loskomen,…).

Adhesie


Globaal treedt een grote daling op in breukspanning bij alle mengsels na de 28 dooi-vorstcycli met dooizouten. Bij SBR wordt de treksterkte ongeveer gehalveerd terwijl bij SAE deze reductie nog meer uitgesproken is (tot 33% van de oorspronkelijke waarde). Wat het breukgedrag betreft is er een lichte verschuiving tussen de referentieproefstukken en de proefstukken die de dooi-vorstcycli met toevoeging van dooizouten hebben ondergaan. Het percentage adhesieve breuken in het breukoppervlak daalt lichtjes. Dit wijst op een verzwakking van de samenhang tussen de componenten van de mortel. De vorstmechanismen (zie § 6.2 ) hebben immers geleid tot een aantasting van de structuur. 7.2.3.2.3 Methode van Pareek toegepast op vorst-dooicycli zonder dooizouten Figuur 7.13 toont het optimalisatievierkant van de monsters die 14 dooi-vorstcycli hebben ondergaan:

01

234

56789

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

cohesiebreuken [%]

breu

kspa

nnin

g [N

/mm

²] 5%SBR

10%SBR2h

15%SBR

10%SBR4h

0

12

3

4

56

7

8

910

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100cohesiebreuken [%]

breu

kspa

nnin

g [N

/mm

²]5%SBR

10%SBR2h

15%SBR

a) SBR-gemodificeerde ZOB b) SAE-gemodificeerde ZOB Figuur 7. 13 : Optimalisatievierkant van proefstukken ZOB na 14 dooi-vorstcycli

De globale daling van de breukspanningen, die reeds merkbaar was bij de vorst-dooicycli met gebruik van dooizouten, is hier zonder het gebruik van deze dooimiddelen nog meer uitgesproken. Alle waarden vallen in dit geval terug tot 1,2 N/mm² en lager. Het percentage cohesiebreuk blijft hier ongeveer hetzelfde als bij de referentieproefstukken. Men heeft hier dus te maken met een zeer zwakke overwegend adhesieve breuk.

Adhesie


7.3 Besluit Onderzoek naar de adhesiesterkte betreft de sterkte van de interface van twee materialen. Deze verbinding wordt bij ZOB wegverhardingen gerealiseerd door een overgangszone tussen het ZOB (porfiersteenslag gebonden door een co-matrix van cementhydraten en een polymeerfilm) en een onderlaag gewoon wegenbeton. Het zijn bijgevolg de eigenschappen van de verschillende voorkomende elementen en hun interactie die de uiteindelijke adhesiesterkte zullen bepalen. Ook andere factoren zoals de test-methode, de afmetingen, de bewaaromstandigheden, … oefenen een niet te verwaarlozen invloed uit. Uit de resultaten blijkt dat de adhesie meestal stijgt met toenemende p/c-factor, tot een bepaald optimum bereikt is. Zowel bij SBR als bij SAE ligt dit optimum rond 10%. Het breukgedrag blijft wel hoofdzakelijk adhesief. Het zijn de overbruggingsverschijnselen van de polymeerfilm, die gevormd wordt vanaf een p/c-factor van 10%, die waarborg staan voor deze hoge treksterkte. Bij breuk zal bijgevolg niet het percentage mortelbreuk doorslaggevend zijn,, maar het zwakke punt bevindt zich in de verbinding tussen de co-matrix van polymeer en cement en de aggregaten. Door toevoeging van extra oppervlakteactieve stoffen kan waarschijnlijk wel een betere hechting tussen de porfierkorrels en de polymeermortel bekomen worden. Uit de analyse aan de hand van de methode van Pareek kunnen duidelijk enkele algemene tendensen en verschuivingen wat betreft de adhesie naar voren komen. De ‘wolken-verplaatsingen’ na vorst- en dooicycli tonen aan dat het breukgedrag quasi niet wijzigt. Alleen de adhesiesterkte blijkt fors af te nemen en dit des te meer als er geen dooizouten aanwezig zijn. De analysemethode van Pareek heeft echter ook enkele nadelen. Zo kan de invloed van de zeer hoge sterkte van de polymeergemodificeerde ZOB, die uiteindelijk breekt in het gewone beton, niet mee onder de loep genomen worden. Bovendien is het een globaliserende methode die de kleine verschillen afvlakt om de analyse eenvoudiger te maken, maar daardoor ook eventuele kleine essentiële nuances verbergt. Daarnaast valt ook op te merken dat er voor een degelijke analyse een veel groter aantal proefstukken vereist is dan het aantal dat in dit onderzoek beproefd werd. Bij de bepaling van dit aantal moet daarenboven ook rekening gehouden worden met het feit dat er tal van proeven niet gebruikt kunnen worden door technische problemen zoals dat in dit onderzoek het geval geweest is.

Besluit


8. Besluit

8

Besluit Dit onderzoek naar de duurzaamheid van ZOB kadert in het doctoraat van A. Beeldens. Er werd vertrokken van een samenstelling met 10% (= p/c-factor) SAE die in een voorgaand onderzoek reeds optimaal werd bevonden qua stroefheid en geluidsreductie. Om echter een beter beeld te krijgen van de invloed van de p/c-factor en van het polymeertype werd een breder gamma van percentages getest van zowel SBR als SAE. Tevens werd een onderscheid gemaakt tussen een intervaltijd van 2 en 4 uur. De invloed van deze parameters werd nagegaan ter bepaling van de vorstbestendigheid en de bestandheid tegen dooizouten. Het voorafgaande sterkteonderzoek heeft, naar analogie met de stellingen in de literatuur, aangetoond dat polymeermodificatie een opmerkelijke verbetering teweeg brengt, qua treksterkte en dit zowel bij de mortel als bij het ZOB. Bij de druksterkte daarentegen is de invloed veel kleiner. De porositeit, die voornamelijk bepaald wordt door de verdichtingswijze, blijkt een belangrijke rol te spelen bij de druksterkte. Een stijgende p/c-factor zorgt voor een lagere porositeit en bijgevolg een grotere sterkte. Om een betere inzicht te krijgen in de duurzaamheid- en de adhesieproblematiek is aan de hand van een SEM-analyse de opbouw van de polymeergemodificeerde structuur op microschaal onderzocht. Bij het mortelonderzoek werd in twee fasen te werk gegaan. Eerst werd de structuur van het polymeer op de cementpasta onderzocht en nadien werd overgegaan tot een nauwkeurigere analyse van de polymeerfilm in de mortelpasta zelf. Dit werd mogelijk door het wegetsen van de cementproducten. Ter bepaling van de aard van de waargenomen elementen werden puntanalyses (EDX) uitgevoerd.Uit het mortelonderzoek blijkt dat beide polymeren op de cementpasta samenklitten zonder over te gaan tot een degelijke filmvorming. In de pasta daarentegen vormen zowel SBR als SAE een duidelijke netwerkstructuur. Alleen is die bij een p/c-factor van 5% nog niet voldoende ontwikkeld om het geheel stevig samen te houden, bij een p/c-factor van 10% zijn er wel ‘bruggen’ zichtbaar tussen de aggregaten en bij 15 en 20% tenslotte worden deze verder uitgebouwd tot een stevig elastisch netwerk. Niet alleen de uitbouw van het net, maar ook de hechting van dit polymeernetwerk aan de aggregaten blijkt te verbeteren bij stijgende p/c-factor. De SEM-analyse van het ZOB werd bemoeilijkt door de oneffen structuur van het ZOB oppervlak. Naast een duidelijk beeld van de mogelijke breukfenomenen bij de gebroken proefstukken, leverde deze analyse niet veel extra elementen op. De macrostructurele opbouw daarentegen kwam wel duidelijk aan het licht. Bij de duurzaamheidproeven werd een onderscheid gemaakt tussen proeven op dooizouten vorstbestandheid. Aan de hand van hypothesetesten werd dan nagegaan welke waarden van de parameters significante verschillen opleverden.

Besluit


Uit de resultaten bij het mortelonderzoek is duidelijk naar voren getreden dat een hogere p/c-factor aanleiding geeft tot een betere dooizoutbestandheid. Tussen een p/c-factor van 5% en 10% is een forse daling van het massaverlies bekomen. Vanaf 10% echter blijken er geen noemenswaardige verschillen meer op te treden zodat dit rekening houdend met de dure kostprijs van het polymeer als een voldoend hoog polymeerpercentage voorgesteld kan worden. Dit kon eveneens waargenomen worden bij de SEM-analyse waar bij een p/c-factor van 5% nog niet echt sprake kon zijn van overbruggingsfenomenen, daar waar vanaf 10% zich duidelijke filmvormingsverschijnselen voordeden. Ook blijkt een SBR-gemodificeerde mortel beter opgewassen te zijn tegen de inwerking van zouten. Bij het ZOB werden drie verschillende wegenzouten onderzocht. Uit de statische analyse is gebleken dat er geen noemenswaardige verschillen tussen deze drie types zijn. Bij de SBR-gemodificeerd ZOB kan - net als bij mortel - voor een p/c-factor van 10% een klein massaverlies opgetekend worden. Bij SAE-gemodificeerde monsters daarentegen zou eigenlijk een grotere polymeerhoeveelheid toegevoegd moeten worden daar 10% minder goede resultaten opleverde. Ter bepaling van de vorst-dooibestandheid werden de mortelcilinders en de ZOB kernen aan 14 vorst-dooicycli onderworpen. Na visuele inspectie was in de meeste gevallen geen of weinige schade waar te nemen. Na de duurzaamheidproeven werden op de monsters trekkoppen geplaatst om de invloed van de cycli op de treksterkte na te gaan. In dit onderzoek werd dan met de methode van Pareek de bekomen resultaten geanalyseerd. Een daling van de treksterkte ten gevolge van vorst-dooicycli werd waargenomen. Om nauwkeuriger deze verschuivingsfenomenen te bestuderen zou echter een groter aantal proefstukken moeten worden getest. Tenslotte kan er nog verder onderzoek verricht worden met het oog op het bepalen van de exacte samenstellingen en eigenschappen van de verschillende polymeertypes. Door bijvoorbeeld gebruik te maken van een DSC-test (Differential Scanning Calorimetry [1]) kunnen de thermische eigenschappen zoals de Tg van het polymeermateriaal bepaald worden.

Referenties


9. Referenties

Referenties [1] Hendrikx L., Geluidsarme betonverhardingen, Dossier Cement, Febelcem, J.P.

Jacobs, 18 november 1998. [2] Caestecker C., Van Messem M., Proefvakken van geluidsarme

cementbetonverhardingen, Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, departement Leefmilieu en Infrastructuur, administratie Wegen en Verkeer, commissie cementbetonverhardingen, 1996.

[3] Brite/Euram. State of the art report , Surface properties of concrete roads in accordance with traffic safety and reduction of noise, Brite/Euram project BE 3415, October 1994, p. 102.

[4] De Blaere B., Taerwe L., Proeven op beton met zeer open structuur, Laboratorium Magnel voor betononderzoek, Proef nr. 95/0520-BDB/MS, Universiteit Gent, 1996. [5] Beeldens A., Van Gemert D., Development of porous polymer cement concrete for

highway pavements in Belgium, Proceedings of the Second East Asia Symposium on Polymers in Concrete (II-EASPic), May 1997, Koriyama, p. 121-129.

[6] Lambotte H., Wetenschappelijke Betonsamenstelling, Hoofdstuk IV:Technologie van de Bouwmaterialen: deel 2, Van Gemert D., VTK, 1997-1998, p. 1-9.

[7] Huberty J.-M., Memento cement/beton, Febelcem, 1997, p. 8-9. [8] Beeldens A.,Van Gemert D., Caestecker C.(LIN), Van Messem M. (LIN), Structure

and Performance of Porous Concrete, Proceedings of the 10th ICCC, June 1997, Gothenburg, p.4iV007. [9] Method of making samples of polymer-modified mortar in the

laboratory, Proceedings of the RILEM TC 113 International Symposium, Ed. Van Gemert. D. , July 1995, Oostende, p. 167.

[10] Ohama Y. ACI Materials Journal, Principle of Latex Modification and Some Typical Properties of Latex-Modified Mortars and Concretes, Bouwmaterialen deel 2, Van Gemert D., 1987.

[11] Lavelle J.A., ACI Materials Journal, 85 (1), 1988, p. 41-48. [12] Nosayaba F.O. Evbuomwan, A state of the art report on the strength and

durability properties of polymer modified mortars and concrete, School of Civil Engineering, University of Birmingham, UK, ICPIC 1990, Shangai ; Ed. Huang Yiun-Yuan, Wu Keru and Chen Zhiyuan, p52-59.

[13] Van Audenhove P., Ployaert Cl., CRIC, Proeven op beton, monsters van de bouwplaats, bestek nr. KN 1084 G94, 1996.

[14] Kim W.K., Ohama Y. and Demura K., Thermal Resistance of polymer-modified mortars using redispersible polymer powders , Proceedings of the Second East Asia Symposium on Polymers in Concrete (II-EASPic), May 1997, Koriyama, p. 374.

[15] Ohama Y. , Handbook of Polymer-Modified Concrete and Mortars, properties and process technology, Noyes Publications,1995, p.86-89.

[16] Beeldens A., Van Gemert D., Mechanical properties and structure of porous concrete, Caestecker C., Van Messem M., Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, LIN, 1996. [17] Burge T.A, Proceedings of the 5th International Congress of Polymers in Concrete,

1987, p. 293-300 uit [12]. [18] Kubokawa T., Matsusato H. and Yamazaki Y., Characteristics of polymer-modified

mortars using redispersible polymer powders, Proceedings of the Second East Asia Symposium on Polymers in Concrete (II-EASPic), May 1997, Koriyama, p. 145.

Referenties


[19] Walters D.G., The Effect of Polymer Variables and Other Parameters on the

Properties of Polymer-Modified Cement Mixtures, Polymer-Modified Hydraulic-cement Mixtures, ASTM STP 1176, Ed. Kuhlmann L.A.,Walters D.G, 1993, Philadelphia, p. 6.

[20] Puterman M., Enhancement of adhesion of cementitious rendering to concrete by polymeric additives, Proceedings of the Second International RILEM Symposium ISAP, 1999, Dresden, p. 242.

[21] Beeldens A. en Van Gemert D., Paste-aggregate adhesion in polymer-cement porous concrete, Proceedings of the Second International RILEM Symposium ISAP, 1999, Dresden, p. 93-102.

[22] Schorn H., Fracture Behavior of PCC, Proceedings of the Second International RILEM Symposium ISAP, 1999, Dresden, p. 39.

[23] Mewis J., Kunststoffen, cursustekst, VTK, 1998-1999. [24] Grayson M., Polymerization mechanisms and processes, p.720-744 en Polymers

p.745-755, Encyclopedia of chemical technologie, Vol.18, Ed. John Wiley & Sons, 1982.

[25] Edward W. Duck, Emulsion Polymerization, Encyclopedia of polymer science and technology, Vol.5, Ed. John Wiley & Sons, 1966, p.801-856.

[26] Van Gemert D., Technologie van de bouwmaterialen, deel 3, cursustekst, VTK, 1995-1996, p. 50-54.

[27] Chandra S., Flodin P., Cement & Concrete Research, 17(6), 1987, p. 875-890. [28] Chandra S., Ohama Y., Mechanisms of concrete-polymer interactions, Polymers in concrete, CRC Press, 1994, Chapt.7,p. 147-186. [29] Wang Peng, Van Gemert D., Performance of polymer modified porous

concrete,1997, p. 16. [30] Puterman M., Malorny W., Some doubts and ideas on the microstructure formation of PCC, Proceedings of the IXth ICPIC, 1998, Bologna, p. 165-178. [31] Ohama Y., Classification of concrete-polymer composites, Polymers in concrete,

1994 Chapter 5, p. 83-86. [32] Ben-Dor, L. , Heitner-Wiruin, C. and Diab, H.,CCR., 15, 1985 uit[12]. [33] Chandra S., Flodin, P., Cem. And Con. Res. (CCR), 17, 1987, p. 875 uit [12]. [34] Larbi J.A., J. M.J.M Bijen, A study of chemical interactions between some

polymer dispersions and portland cement during hydratation, Proceedings of the 6th International Congress on Polymers in Concrete, 1990, Shangai, p. 185-192.

[35] Li Zhenping Song Zhongjian, Fan Chengmou, The chemical reaction between acrylate copolymer and calciumhydroxide from concrete, Proceedings of the 6th International Congress on Polymers in Concrete, 1997, Shangai, p. 193 –196.

[36] Ohama Y et al, Polymer Concrete, ASCI SP-89, 1983, p. 313-322 uit [12]. [37] Semerad E et al, 5th International Congress of Polymers In Concrete, 1987, p. 223-228

uit [12]. [38] Osen MP, Construction Repair, February 1987, p. 45-48 uit [12]. [39] Liang Naixing, Effect of SB Latex on Hydratation of Cement and

Microstructure of Hardened Cement, Journal of Silicate, Vol.22, No. 4., 1994, p. 340-6.

[40] Chandra S and Flodin P, Cement & Concrete Research,17(6), 1987,p. 875-890 uit [12] [41] Wilding CR et al, Cement & Concrete Research., 14(2), 1984, p. 185-194 uit [12]. [42] Gorur KV and Wittman FH, Ibid, p. 199-203 uit [12]. [43] Grosskurth KP and Konietzko A, 5th ICPIC, 1987, p. 171-174 uit [12]. [44] Gregory T, Ibid, p. 205-207 uit [12].

Referenties


[45] Chen Z.Y.and Zhong S.Y., Rechearch and development of polymers in concrete in

China, Proceedings of the Second East Asia Symposium on Polymers in Concrete (II-EASPic), May 1997, Koriyama, p. 1-19.

[46] Zeng, Short en Page, Early-age hydration kinetics of polymer-modified cement, Advances in Cement Research, 1996. [47] Beeldens A., Van Gemert D., Synergie van minerale en polymere bindmiddelen in

mortels, KVIV-TI studiedag “Technologie van de pleisters en mortels in de hedendaagse bouw”, 1998, Antwerpen.

[48] Toumbakari E.-E., Van Gemert D., Tenoutasse T.P., Microstructural evolution and mechanical properties of pozzolanic injection grouts, 1999, Delft.

[49] …, Duurzaamheid eigenschappen: Vorst en dooi, Betoniek, Stichting BetonPrisma, januari 1999.

[50] Van Gemert D., Technologie van de bouwmaterialen, deel 1, cursustekst, VTK, 1997-1998, p.IX 8-9.

[51] Chorinsky E.G., Proceedings of 5th International Congress of Polymers in Concrete, 1987, p.23-25 uit [12].

[52] Hackel E. et al, 5th International Congress of Polymers in Concrete, 1987, p. 305-308 uit [12].

[53] Fowler D.W., Paul D.R., Ibid, p. 20-34 uit [12]. [54] Alexanderson J., Ibid, p. 360-373 uit [12]. [55] Balagura P.et al, Concrete Durability, ACI SP-100, 1, 1987, p. 863-876 uit [12]. [56] Gierloff M. et al, Polymer Modified Concrete, ACI SP-99, 1987, p. 73-89 uit [12]. [57] Perkins P.H., Repair, Protection and Waterproofing of Conc. Structures, Elsevier

Science Publishers LTD., Engeland, 1986, p. 25-30 uit [12]. [58] Kuhlmann L.A., Ibid, p. 48-53 uit [12]. [59] Marusin S, Ibid, p.135-150 uit [12]. [60] Bayou L. et al, 3rd International Congress of Polymers in Concrete, 1981, p. 395-409

uit [12]. [61] Ohama Y., Demura K., Freeze-thaw durability of powdered and aqueous polymer

modified mortars and effects of freezing- and thawing cycles on their pore structures, Proceedings of the 6th International Congress on Polymers in Concrete, 1990, Shangai, p. 253.

[62] Beirlant J., Statistiek, cursustekst, VTK, 1995-1996. [63] Hwang E.H., Hasegawa T., Yukio Hama, EiJi Kamada, Ohama Y., Frost resistance

and physical properties of polymer-modified mortars , Proceedings of the first East Asia Symposium on polymers in concrete, 1994, Korea, p.53-80.

[64] Soh Y.S., Soh S.Y.and Soh H.S, Frost resistance of polypropylene fiber reinforced light-weight polymer modified mortar, Proceedings of the Second East Asia Symposium on Polymers in Concrete (II-EASPic), May 1997, Koriyama, p. 407-417.

[65] Ohama Y., Demura K., Nagao H. and Ogi T., Adhesion of polymer-modified mortars to ordinary cement mortar by different test methods, Proceedings of an international symposium, organized by RILEM Technical Committe 52, Resin Adherence to Concrete and Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, 1986, Paris, p. 719-729.

[66] Pareek S., Ohama Y., Demura K., Adhesion mechanism of ordinary cement mortar to mortar substrates by polymer dispersion coatings, Proceedings of the 6th International Congress on Polymers in Concrete, 1990, Shangai, p. 442-449.

Referenties


[67] Peier W.H, Adhesion testing of polymer modified cement mortars, Proceedings of

an international symposium, organized by RILEM Technical Committe 52, Resin Adherence to Concrete and Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, 1986, Paris, p. 730.

[68] Puterman M., Adhesion between Polymers and Concrete, Proceedings of the Second International RILEM Symposium ISAP, 1999, Dresden, p. 235-246.

[69] Cleland D.J. and Basheer P.A.M., Adhesion and integrity of joints between construction materials, Proceedings of the Second International RILEM Symposium ISAP, 1999, Dresden, p. 257-265.

[70] Rostislav Drochytka, Petr Stepánek, The problems with the bond of strength of repair mortars , Proceedings of the Second International RILEM Symposium ISAP, 1999, Dresden, p. 331-338.

[71] Pareek S., Ohama Y., Demura K., Evaluation method for adhesion test results of bonded mortars to concrete substrates by square optimization method, ACI Materials Journal,1995, p. 355-360 uit [72].

[72] Van Gemert D., Herstellen van betonoppervlakken, Departement Bouwkunde, KUL, Proceedings studiedag Herstellen van Beton, TI-KVIV, 1995, Antwerpen.

[73] http:// www.irc.leeds.ac.uk/irc/facilities/dsc/dsc.htm

Bijlage


10. Bijlage

Bijlage

Bijlage


Figuren


11. Figuren

Figuren Figuur 2. 1 : Gedetailleerde dwarsdoorsnede van de plaat________________________________________ 8 Figuur 3. 1 : Doorsnede van de voorbereide proefstukken [4] ____________________________________ 14 Figuur 4. 1 : Poriënverdelingsdiagramma’s van ongemodificeerd en SBR-gemodificeerd beton [10] _______ 16 Figuur 4. 2 : Droge volumemassa van de ZOB balken __________________________________________ 16 Figuur 4. 3 : Droge volumemassa van de ZOB kubussen ________________________________________ 16 Figuur 4. 4 : Bepaling van de porositeit met behulp van een excitator ______________________________ 17 Figuur 4. 5 : Toegankelijke porositeit van de kubussen bepaald met excicator ________________________ 17 Figuur 4. 6 : De droge volumemassa van de schijfjes ZOB _______________________________________ 18 Figuur 4. 7 : De porositeit van de verschillende ZOB mengsels ___________________________________ 19 Figuur 4. 8 : De flow van het ZOB _________________________________________________________ 21 Figuur 4. 9 : De slump van het ZOB ________________________________________________________ 21 Figuur 4. 10 : Het luchtgehalte van de verse mortelspecie _______________________________________ 22 Figuur 4. 11 : De druksterkte van het ZOB ___________________________________________________ 23 Figuur 4. 12 : Buigtreksterkte van de ZOB balken _____________________________________________ 24 Figuur 4. 13 : Elasticiteitsmodulus van de balken ZOB op 28 dagen________________________________ 25 Figuur 4. 14 : Elasticiteitsmodulus van de kubussen ZOB op 28 dagen______________________________ 25 Figuur 4. 15 : De druktsterkte van de mortelbalkjes ____________________________________________ 26 Figuur 4. 16 : De treksterkte van de mortelbalkjes _____________________________________________ 27 Figuur 4. 17 : De elasticiteitsmodulus van de mortelproefstukken__________________________________ 27 Figuur 4. 18 : Overbruggingsfenomenen bij trek en druk [ 22] ____________________________________ 28 Figuur 5. 1 : Begintoestand van een emulsiepolymerisatie [24] ___________________________________ 31 Figuur 5. 2: Toevoegen van de initiator [24] _________________________________________________ 31 Figuur 5. 3 : Polymerisatiereactie [24] _____________________________________________________ 31 Figuur 5. 4 : Emulsie of latex [24]_________________________________________________________ 32 Figuur 5. 5 : Glijdingsmodulus van glas [23]_________________________________________________ 34 Figuur 5. 6 : Glijdingsmodulus van een volledig amorfe thermoplastische kunststof [23] ________________ 35 Figuur 5. 7 : De glijdingsmodulus van een thermoharder[23] ____________________________________ 35 Figuur 5. 8 : Chemische formule van SBR en SAE [29] _________________________________________ 36 Figuur 5. 9 : Bepaling van de MFT van SBR en SAE ___________________________________________ 39 Figuur 5. 10 : Beginstadium en eerste stap in het model van Ohama [31]____________________________ 42 Figuur 5. 11 : Stap 2 in het model van Ohama [31] ____________________________________________ 43 Figuur 5. 12 : Stap 3 in het model van Ohama [31] ____________________________________________ 43 Figuur 5. 13 : Filmvormingsmechanisme volgens Ohama [31]____________________________________ 44 Figuur 5. 14 : Het model van Puterman [30] _________________________________________________ 46 Figuur 5. 15: Hydratatie van ongemodificeerde cement [30] _____________________________________ 47 Figuur 5. 16 :Hydratatie van met styreen-acrylaat copolymee gemodificeerde cement [30] ______________ 48 Figuur 5. 17 : Hydratatie van met zuiver acrylic-ester polymeergemodificeerde cement [30] _____________ 48 Figuur 5. 18 : Het SEM-apparaat (links) en het apparaat om het monster te coaten (rechts)______________ 51 Figuur 5. 19 : De ongeëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 5%) _________________________ 54 Figuur 5. 20 : Geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 5 %) ____________________________ 55 Figuur 5. 21 : Binding van Ca aan het polymeer [46]___________________________________________ 56 Figuur 5. 22 : Niet geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10%) _________________________ 57 Figuur 5. 23 : Niet geëtste SBR-gemodificeerde mortelmensels (p/c = 10%)__________________________ 57 Figuur 5. 24 : Geëtste SBR-gemodificeerde mengsels (p/c = 10%) _________________________________ 58 Figuur 5. 25 : EDX op hydratatieproducten __________________________________________________ 59 Figuur 5. 26 : EDX op zandkorrel _________________________________________________________ 59 Figuur 5. 27 : Niet geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10%) _________________________ 59 Figuur 5. 28 : Niet geëtste SBR-gemodificeerd mortelmengsel (p/c = 15%) __________________________ 60 Figuur 5. 29 : Geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsel (p/c = 15%)_____________________________ 60 Figuur 5. 30 : Effect van etsing met HCl op de polymeergemodificeerde mortelmengsels ________________ 61 Figuur 5. 31 : Niet geëtste SBR-gemodificeerde mortmengsels (p/c = 20%) __________________________ 62 Figuur 5. 32 : Niet geëtsteSBR-gemodificeerd mortelmengsel ( p/c = 20%) __________________________ 63

Figuren


Figuur 5. 33 : Geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%) ____________________________ 63 Figuur 5. 34 : Geëtste SBR-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%) ____________________________ 64 Figuur 5. 35 : Niet geëtst SAE-gemodificeerd mortelmengsel (p/c = 5%) ____________________________ 67 Figuur 5. 36 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c =5%) _____________________________ 67 Figuur 5. 37 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmensels (p/c = 5%) ______________________________ 68 Figuur 5. 38 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmensels (p/c = 5%) ______________________________ 68 Figuur 5. 39 : Reactie tussen de actieve groep van SAE en het calciumion [28] _______________________ 69 Figuur 5. 40 : EDX-analyse van de korrel op foto b (figuur 5.38) __________________________________ 69 Figuur 5. 41 : Niet geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10 %) ________________________ 70 Figuur 5. 42 : Niet geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10 %) ________________________ 70 Figuur 5. 43 : Niet geëtst SAE-gemodificeerd mortelmengsel (p/c = 10%)___________________________ 71 Figuur 5. 44 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10%) ____________________________ 71 Figuur 5. 45 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 10%) ____________________________ 71 Figuur 5. 46 : Niet geëtste SAE-gemodificeerde mortemengsels (p/c = 15%) _________________________ 72 Figuur 5. 47 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 15%) ____________________________ 72 Figuur 5. 48 : Foto uit het onderzoek van Puterman [30] ________________________________________ 73 Figuur 5. 49 : Geëtste SAE-gemodificeerd mortelmensel (p/c = 15%)_______________________________ 73 Figuur 5. 50 : Schematische voorstelling van de opeenvolgende stappen van het filmvormingsproces_______ 74 Figuur 5. 51 : Temperatuursverloop in het mortelmengsel met 5% SAE tijdens de uitharding_____________ 75 Figuur 5. 52 : Geëtste SAE-gemodificeerd mortelmengsel (p/c = 15%)______________________________ 75 Figuur 5. 53 : Niet geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%) _________________________ 76 Figuur 5. 54 : Niet-geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%)_________________________ 76 Figuur 5. 55 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%) ____________________________ 77 Figuur 5. 56 : Geëtste SAE-gemodificeerde mortelmengsels (p/c = 20%) ____________________________ 77 Figuur 5. 57 : ZOB met 15% SBR__________________________________________________________ 80 Figuur 5. 58 : ZOB met 5% SAE__________________________________________________________ 81 Figuur 5. 59 : ZOB met 15% SAE__________________________________________________________ 81 Figuur 5. 60 : ZOB met 10% SBR__________________________________________________________ 82 Figuur 5. 61 : ZOB met 10% SBR__________________________________________________________ 83 Figuur 5. 62 : ZOB met 15% SBR__________________________________________________________ 83 Figuur 5. 63 : ZOB met 10% SAE__________________________________________________________ 84 Figuur 5. 64 : ZOB met 10% SAE__________________________________________________________ 84 Figuur 5. 65 : ZOB met 15% SAE__________________________________________________________ 85 Figuur 5. 66 : ZOB met 10% SAE__________________________________________________________ 85 Figuur 6. 1 : Poriënverdelingsdiagramma’s van ongemodificeerde en SBR-gemodificeerde mortel volgens Ohama ______________________________________________________________________________ 90 Figuur 6. 2 : Massaverlies van de SBR-gemodificeerde mortelmengsels tengevolge van 28 vorst-dooicycli met dooizouten (uitvergroot)_________________________________________________________________ 96 Figuur 6. 3 : Massaverlies van de SAE-gemodificeerde mortelmengsels tengevolge van 28 vorst-dooicycli met dooizouten (uitvergroot)_________________________________________________________________ 96 Figuur 6. 4 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met grof zout ________________ 97 Figuur 6. 5 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met grof zout (vergroting) _______ 97 Figuur 6. 6 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met fijn zout _________________ 97 Figuur 6. 7 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met fijn zout (vergroting) _______ 97 Figuur 6. 8 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met Dimix ___________________ 98 Figuur 6. 9 : Massaverlies van de ZOB tengevolge van 28 vorst-dooicycli met Dimix (vergroting) _________ 98 Figuur 6. 10 : Invloed van de tussentijd op het massaverlies tengevolge van 28 vorst-dooicycli met dooizouten van ZOB met een p/c-factor van 10% _______________________________________________________ 98 Figuur 6. 11 : Massaverlies in functie van de tijd voor ZOB kernen tengevolge van de 28 vorst-dooicycli met dooizouten___________________________________________________________________________ 99 Figuur 6. 12 : Massaverlies in functie van de tijd van de polymeergemodificeerde mortelmengels tengevolge van vorstdooi cycli met dooizouten ____________________________________________________________ 99 Figuur 6. 13 : Microscheuren in het ZOB tengevolge van de vorst-dooicycli_________________________ 100 Figuur 6. 14 : Massaverlies bij ZOB tengevolge van 14 vorst-dooicycli ____________________________ 101 Figuur 7. 1 : Studie van de hechtingslaag bij herstelmortels volgens Ohama [5] _____________________ 104 Figuur 7. 2 : Schematische doorsnede van de proefstukken______________________________________ 107 Figuur 7. 3 : De verschillende breuksoorten_________________________________________________ 108 Figuur 7. 4 : Schematische voorstelling van verschillende breukmodes_____________________________ 108 Figuur 7. 5 : Treksterkte van de SBR-gemodificeerde referentieproefstukken ________________________ 109

Figuren


Figuur 7. 6 : Treksterkte van de SAE- gemodificeerde referentieproefstukken________________________ 109 Figuur 7. 7: Lokalisatie van de breuk bij de verschillende mengsels _______________________________ 110 Figuur 7. 8 : Breukoppervlakken _________________________________________________________ 112 Figuur 7. 9 : Het optimalisatievierkant voor de evaluatie van de hechtproeven_______________________ 114 Figuur 7. 10 : Optimalisatievierkant van de referentieproefstukken ZOB na 56 dagen _________________ 115 Figuur 7. 11 : Optimalisatievierkant van de referentieproefstukken ZOB na 100 dagen ________________ 115 Figuur 7. 12 : Optimalistievierkant van de proefstukken ZOB na 28 dooi-vorstcycli met dooizouten ______ 116 Figuur 7. 13 : Optimalisatievierkant van proefstukken ZOB na 14 dooi-vorstcycli ____________________ 117

Tabellen


12. Tabellen

Tabellen Tabel 2. 1 : Samenstelling van het ZOB met p/c = 10% SAE _______________________________________ 4 Tabel 2. 2 : Samenstelling van de onderlaag wegenbeton _________________________________________ 7 Tabel 2. 3 : Overzicht van de samenstelling van de verschillende platen______________________________ 8 Tabel 2. 4 : Samenstelling van de toplaag ZOB van de acht platen __________________________________ 9 Tabel 2. 5 : Samenstelling van de referentiemortelmengsels en de mortelmengsels met ZOB samenstelling___ 10 Tabel 2. 6 : Standaardsamenstelling van de mortels voor de verschillende p/c-factoren _________________ 11 Tabel 4. 1 : De consistentiewaarden van het ZOB______________________________________________ 21 Tabel 4. 2 : Luchtgehalte van de verse betonspecie_____________________________________________ 22 Tabel 4. 3 : De druksterkte van de mengsels ZOB ______________________________________________ 24 Tabel 4. 4 : Elasticiteitsmodulus van de balken ZOB op 28 dagen__________________________________ 26 Tabel 4. 5 : Elasticiteismodulus van de kubussen ZOB op 28 dagen ________________________________ 26 Tabel 4. 6: Overzicht van treksterkte, druksterkte en E-modulus van de mortelmengsels_________________ 28 Tabel 5. 1 : Eigenschappen van SBR en SAE volgens Wang Peng [29]______________________________ 38 Tabel 5. 2 : Eigenschappen van SAE volgens A. Beeldens [21]____________________________________ 38 Tabel 5. 3 : p/w – verhoudingen van de mortel- en betonmengsels _________________________________ 40 Tabel 6. 1 : Uitgewerkt voorbeeld van de hypothesetest _________________________________________ 92 Tabel 6. 2 : Hypothesetesten toegepast op de invloed van de p/c-factor op de duurzaamheid _____________ 93 Tabel 6. 3 : Hypothesetesten op de duurzaamheid van ploymeergemodificeerd ZOB ____________________ 96 Tabel 7. 1 : Eigenschappen van styreen-butadieen rubber ______________________________________ 104 Tabel 7. 2 : Samenstelling van de geteste SBR-gemodificeerde mortels en de opgemeten adhesiespanning tussen de gemodificeerde mortel en de klassieke mortel _____________________________________________ 105 Tabel 7. 3 : Beschrijving van het breukvlak bij trekproeven op SBR-gemodificeerde mortel _____________ 105 Tabel 7. 4 : Analyse van de plaats van de breuk na 56 en 100 dagen van de verschillende mengsels ZOB ___ 110 Tabel 7. 5 : Beschrijving van het breukvlak bij trekproeven op de referentieproefstukken _______________ 112

Duurzaamheid van zeer open beton

Documents

Transcript of Duurzaamheid van zeer open beton