ULTRA-SNELHARDEND BETON...ULTRA-SNELHARDEND BETON Promotor: Prof. Dr. Ir. L. Vandewalle Assessoren:...

181
Katholieke Universiteit Leuven Faculteit Toegepaste Wetenschappen Departement Burgerlijke Bouwkunde ULTRA-SNELHARDEND BETON Promotor: Prof. Dr. Ir. L. Vandewalle Assessoren: Dr. Ir. A. Beeldens (OCW) Ir. D. Dupont Verhandeling tot het verkrijgen van de graad van Burgerlijk Bouwkundig Ingenieur, voorgedragen door: Jan Folens Kristof Vanfleteren E2003

Transcript of ULTRA-SNELHARDEND BETON...ULTRA-SNELHARDEND BETON Promotor: Prof. Dr. Ir. L. Vandewalle Assessoren:...

  • Katholieke Universiteit Leuven Faculteit Toegepaste Wetenschappen Departement Burgerlijke Bouwkunde

    ULTRA-SNELHARDEND BETON Promotor: Prof. Dr. Ir. L. Vandewalle Assessoren: Dr. Ir. A. Beeldens (OCW) Ir. D. Dupont

    Verhandeling tot het verkrijgen van de graad van Burgerlijk Bouwkundig Ingenieur, voorgedragen door:

    Jan Folens

    Kristof Vanfleteren

    E2003

  • Abstract Door de steeds toenemende belasting van het wegennet worden het onderhoud en de herstelling van de wegen, in het bijzonder van betonwegen, steeds moeilijker. Het afsluiten van wegen voor het verkeer over een langere periode brengt zowel economisch als sociaal hoge kosten met zich mee. Lange files, lange wachttijden maken het noodzakelijk de tijd van afsluiting van de wegen zo kort mogelijk te houden. Momenteel worden herstellingen reeds na 3 dagen opengesteld voor het verkeer, maar dit zou moeten verlaagd worden tot de helft. In het kader van dit eindwerk werd een onderzoek ondernomen om te komen tot een betonsamenstelling, gebaseerd op courant beschikbare cementsoorten en granulaten, waarbij een sterkte van 40 MPa (op cilinders) reeds na 36 uur wordt bereikt. Ook de verwerkbaarheid en de duurzaamheid dienden aan bepaalde eisen te voldoen. De samenstellende componenten van het beton, de hydratatie van het cement, de factoren die een invloed hebben op de snelheid van de sterkteontwikkeling, de aanwending van plastificeerders en de duurzaamheid van het snelhardend beton worden grondig bestudeerd in het eerste deel van dit eindwerk. In een tweede deel volgt de bespreking van de toepassing van het ontworpen mengsel op een project te Galmaarden. Tot slot worden ook de resultaten van een laboratoriumonderzoek aan het Departement Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven geanalyseerd. Het laboratoriumonderzoek heeft tot doel om de verschillende eigenschappen van het desbetreffende betonmengsel te onderzoeken. 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.

    De auteurs

    Leuven, mei 2003

  • Naar de bron van de rivier

    Op de weg die ik mij koos, loop ik, plotsklaps sprakeloos, als ik zie wat ik heb ondernomen, waarvan ik kwam, waar ik ben gekomen. Ik dacht: dit is niet het juiste pad. Niet wat ik voor ogen had. Niet de reis die mij was beloofd. Het lot heeft mij een kool gestoofd. Straks kies ik een andere laan, bij het kruispunt, een halfuur gaans. Ik alleen bepaal mijn baan. Ik alleen bepaal waar ik zal gaan. Op de weg die ik mij koos, loop ik, plotsklaps sprakeloos. Ik loop, plotsklaps sprakeloos, op de weg die ik mij koos. The Book of Counted Sorrows

  • DANKWOORD Bij het ter perse gaan van deze thesis houden wij eraan alle mensen te danken die direct of indirect hebben bijgedragen tot de realisatie ervan. Onze welgemeende dank gaat uit naar Professor Dr. Ir. Vandewalle L., Ir. Dupont D. en Dr. Ir. Beeldens A., die ons gedurende het voorbije academiejaar met raad en daad hebben bijgestaan. Dank zij hun enthousiaste aandacht en de vele nuttige suggesties werd onze thesis in goede banen geleid. Een woord van dank zijn wij ook verschuldigd aan ing. Van Audenhove P. van het OCCN (Opzoekingscentrum voor de Cementnijverheid). Hij maakte veel van zijn tijd vrij om ons te begeleiden bij het proefprogramma in het kader van dit eindwerk. Voor praktische informatie konden we steeds bij hem terecht. Verder willen we ook nog volgende mensen bedanken: De Heer Lonneux T., ir. van de Administratie Wegen en Verkeer van de Vlaamse Overheid, voor de informatie aangaande het proefproject te Galmaarden. De Heer Vermeulen G., ing. bij de firma Interbeton N.V., voor het leveren van de materialen voor het proefprogramma in het laboratorium van het Departement Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven en voor zijn deskundig advies. De Heer Rens L., ir. bij Febelcem (Federatie van de Belgische Cementnijverheid), voor het kritisch nalezen van het praktisch gedeelte van dit eindwerk. Het personeel van het laboratorium van het Departement Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven, voor de hulp die we kregen tijdens het uitvoeren van de proeven.

  • Het schrijven van een eindwerk ervaar ik als het kroonstuk van een heerlijke vijfjarige studententijd. Maar studeren doe je niet alleen. Een heleboel mensen leeft met je mee. En de realisatie van deze thesis is de ideale gelegenheid om hen eens in de bloemen te zetten. In de eerste plaats wil ik mijn ouders danken die voor mij een zorgeloze leefwereld creëerden waarin de studie centraal stond. Ook mijn vriendin Sofie verdient een pluim. Ze was de klaagmuur als het wat minder ging en kon me steeds motiveren om verder te gaan. En natuurlijk zijn er nog de vrienden (in het bijzonder de kotgenoten Kristof, Alexander en Benoit) met wie ik in Leuven onvergetelijke momenten heb beleefd.

    Kristof Op het einde van deze vijfjarige studie kan ik terugkijken op een schitterende studententijd. Vele mensen hebben hieraan bijgedragen en zij verdienen dan ook een extra woordje van dank. In de eerste plaats wil ik mijn ouders bedanken. Zij maakten dit alles voor mij mogelijk en steunden me op elk moment. Daarnaast zijn er de vrienden door wie ik hier in Leuven van een prachtige tijd kon genieten. Ook mijn vriendin Marthe wil ik extra bedanken. Zij steunde me als geen ander en motiveerde me om tot het uiterste te gaan.

    Jan

  • Inhoudsopgave

    i

    INHOUDSOPGAVE DEEL I: Theoretisch gedeelte Inleiding ........................................................................................................................1 Hoofdstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton? .................................................................3

    1.1 De componenten van beton ........................................................................................4 1.1.1 De basiscomponenten .........................................................................................4

    1.1.1.1 Cement.............................................................................................................4 1.1.1.2 Granulaten en zand ..........................................................................................6 1.1.1.3 Water................................................................................................................8

    1.1.2 Hulpstoffen en toevoegsels .................................................................................9 1.1.2.1 Hulpstoffen ......................................................................................................9 1.1.2.2 Toevoegsels ................................................................................................... 11

    1.1.3 Alkali-silica reacties ......................................................................................... 12 1.2 Mechanische eigenschappen van het beton.............................................................. 14

    1.2.1 Ontwikkeling van de druksterkte ...................................................................... 14 1.2.2 Spanning-rek gedrag......................................................................................... 14 1.2.3 Elasticiteitsmodulus.......................................................................................... 15

    Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement .............................................................................. 17

    2.1 Chemisch bekeken .................................................................................................... 17 2.1.1 Hydratatiemechanismen ................................................................................... 17 2.1.2 Klinkerhydratatie versus hydratatie van de samenstellende componenten. ..... 18 2.1.3 Hydratatiecomponenten afzonderlijk bekeken................................................. 18

    2.1.3.1 C3S................................................................................................................. 19 2.1.3.2 C2S................................................................................................................. 23 2.1.3.3 C3A ................................................................................................................ 24 2.1.3.4 C4AF.............................................................................................................. 25

    2.1.4 Hydratatie van portlandcement ......................................................................... 26 2.1.4.1 Hydratatiemechanismen ................................................................................ 26 2.1.4.2 Kinetica.......................................................................................................... 28 2.1.4.3 Hydratatiewarmte .......................................................................................... 31

    2.2 Fysisch bekeken........................................................................................................ 32 2.2.1 Verschillende aspecten van de structuurvorming............................................. 32

    2.2.1.1 Geometrische en morfologische aspecten..................................................... 32 2.2.1.2 Fysico-chemsiche aspecten............................................................................ 33 2.2.1.3 Stereologische aspecten................................................................................. 33

    2.2.2 Ontwikkeling van de microstructuur volgens Scrivener .................................. 34 2.2.2.1 De vroege periode van de hydratatie ............................................................. 35 2.2.2.2 De middelste periode van de hydratatie ......................................................... 35 2.2.2.3 De late hydratatieperiode ............................................................................... 36

    2.2.3 Pastasterkte en factoren die de sterkte beïnvloeden......................................... 36 2.2.3.1 Sterkte van de individuele klinkermineralen en het effect van de

    cementsamenstelling op de sterkte ................................................................ 37 2.2.3.2 Effect van de fijnheid van het cement ........................................................... 38 2.2.3.3 Effect van de deeltjesgrootte verdeling ......................................................... 38

  • Inhoudsopgave

    ii

    2.2.3.4 Effect van het sulfaatgehalte.......................................................................... 39 2.2.3.5 Effect van alkali-, calcium- en magnesiumoxiden ........................................ 39 2.2.3.6 Effect van de temperatuur.............................................................................. 40 2.2.3.7 Effect van de porositeit.................................................................................. 40 2.2.3.8 Effect van de W/C-factor ............................................................................... 40 2.2.3.9 Effect van de hydratatiegraad ........................................................................ 41 2.2.3.10 Effect van vochtgehalte (relatieve vochtigheid) ............................................ 41

    2.2.4 Pastasterkte versus betonsterkte: de interface-zone.......................................... 41 Hoofdstuk 3: Invloed van de temperatuur ..................................................................... 44

    3.1 Bepaling van de warmtebronnen.............................................................................. 44 3.1.1 De eigenwarmte van de samenstellende bestanddelen..................................... 44 3.1.2 De ontwikkelde hydratatiewarmte .................................................................... 44 3.1.3 De omgevingstemperatuur ................................................................................ 46

    3.2 Invloed van de temperatuur op de sterkteontwikkeling ............................................ 46 3.3 Rijpheid van het beton.............................................................................................. 48 3.4 Invloed van de temperatuur op de krimp van snelhardend beton op jonge leeftijd.. 51 3.5 Invloed van de temperatuur op de poriënstructuur ................................................... 52

    Hoofdstuk 4: Plastificeerders en superplastificeerders ................................................. 54

    4.1 Reologische eigenschappen van beton ..................................................................... 55 4.2 Waarom werken superplastificeerders? .................................................................... 56

    4.2.1 Werking superplastificeerders .......................................................................... 56 4.2.2 Eigenschappen van een superplastificeerder .................................................... 57 4.2.3 Effectiviteit van een superplastificeerder ......................................................... 58 4.2.4 Dosering ............................................................................................................ 61 4.2.5 Vier vormen van reologisch gedrag.................................................................. 61

    4.3 Mogelijke problemen en hun oplossing .................................................................... 62 Hoofdstuk 5: Duurzaamheid van ultra-snelhardend wegenbeton ............................... 65

    5.1 Het begrip duurzaamheid.......................................................................................... 65 5.2 Aantasting als gevolg van vorst-dooi cycli en hun combinatie met dooizouten...... 66

    5.2.1 Vloeistoftransport doorheen beton ................................................................... 66 5.2.2 Aantasting door vorst-dooi cycli ...................................................................... 66 5.2.3 Vorst-dooi cycli in combinatie met dooizouten................................................ 68

    5.3 Waterabsorptie .......................................................................................................... 70 5.4 Krimpen van betonwegen......................................................................................... 71

    5.4.1 Plastische krimp................................................................................................ 71 5.4.2 Verhardingskrimp............................................................................................. 71 5.4.3 Uitdrogingskrimp.............................................................................................. 72 5.4.4 Krimp bij snelhardend beton ............................................................................ 72 5.4.5 Vervormingen bij temperatuursveranderingen en krimp in de wegbetonplaat 73

    Hoofdstuk 6: Speciale procédés ....................................................................................... 74

    6.1 Gebruik van isolatie als afdekkingsmateriaal........................................................... 74 6.2 Het gebruik van microgolven ................................................................................... 75 6.3 Het gebruik van cellulose-vezels .............................................................................. 76

  • Inhoudsopgave

    iii

    Hoofdstuk 7: Economische analyse en contractvormen................................................ 78 7.1 Ultra-snelhardend beton: financieel voordelig? ........................................................ 78

    7.1.1 Meerkost door het gebruik van ultra-snelhardend beton.................................. 78 7.1.2 Financieel voordeel door het gebruik van ultra-snelhardend beton.................. 79

    7.1.2.1 Formules ........................................................................................................ 81 7.1.2.2 Simulatie ........................................................................................................ 82

    7.2 Contractvormen ........................................................................................................ 83 7.2.1 Lane Rental System .......................................................................................... 83 7.2.2 Cost-Plus -T ime (A+B) system ......................................................................... 83 7.2.3 Incentives and Disincentives (I/D) ................................................................... 83

    Hoofdstuk 8: State of the art ............................................................................................ 84

    8.1 Het prille begin ......................................................................................................... 84 8.2 België ........................................................................................................................ 85 8.3 Buitenland................................................................................................................. 86

    DEEL II: Praktisch gedeelte Hoofdstuk 9: Proefvak te Galmaarden........................................................................... 89

    9.1 Laboratoriumproeven UFT ....................................................................................... 89 9.2 Extra proeven bij InterBeton .................................................................................... 90 9.3 Aanleg van het proefvak te Galmaarden.................................................................. 93

    9.3.1 Proefprogramma proefvak Galmaarden ........................................................... 94 9.3.2 Resultaten proefprogramma proefvak Galmaarden.......................................... 95

    9.3.2.1 Drukproeven.................................................................................................. 95 9.3.2.2 Weerstand tegen chemische smeltmiddelen.................................................. 97 9.3.2.3 Proeven op vers beton.................................................................................... 99

    9.3.3 Conclusies project te Galmaarden .................................................................... 99 Hoofdstuk 10: Proefprogramma aan de K.U.Leuven....................................................101

    10.1 Betonsamenstelling ..................................................................................................101 10.2 Karakteristieken van het materiaal..........................................................................102

    10.2.1 Korrelverdeling van de granulaten en het zand ...............................................102 10.2.2 Mineralogische en scheikundige samenstelling van het cement .....................105 10.2.3 Maalfijnheid van het cement ...........................................................................105 10.2.4 Sterkteklasse van het cement ...........................................................................106

    10.3 Aanmaak van het beton ...........................................................................................106 10.4 Druksterkte ..............................................................................................................109

    10.4.1 Resultaten van de drukproeven........................................................................110 10.4.2 Gebruik van een rijpheidsfunctie .....................................................................111 10.4.3 Vergelijking van klassiek wegenbeton en snelhardend wegenbeton...............113

    10.5 Elasticiteitsmodulus.................................................................................................115 10.6 Krimp.......................................................................................................................117 10.7 Vorst-dooi proeven in combinatie met dooizouten.................................................121 10.8 Waterabsorptie .........................................................................................................123

    Besluit ...................................................................................................................125

  • Inhoudsopgave

    iv

    BIJLAGE A ................................................................................................................... A-1 A.1 Details uitvoering proeven te InterBeton .....................................................................A-1 A.2 Resultaten proeven InterBeton.....................................................................................A-2

    BIJLAGE B ................................................................................................................... B -1

    B.1 Foto’s werken Galmaarden ..........................................................................................B-1 B.2 Temperatuurverloop proefvak Galmaarden .................................................................B-2 B.3 Weerstand tegen chemische smeltmiddelen (CaCl2) ...................................................B-3

    BIJLAGE C ................................................................................................................... C-1 BIJLAGE D ................................................................................................................... D-1

    D.1 Resultaten drukproeven...............................................................................................D-1 D.2 Temperatuurverloop.....................................................................................................D-1 D.3 Samenstelling beton Zaventem en Ternat....................................................................D-2

    BIJLAGE E ....................................................................................................................E-1 BIJLAGE F ....................................................................................................................F-1 BIJLAGE G ................................................................................................................... G-1

    G.1 Samenstelling en eigenschappen betonmengsel Japan................................................G-1 G.2 Samenstelling betonmengsel Madrid...........................................................................G-2 G.3 Samenstelling betonmengsel Engeland .......................................................................G-3

    BIJLAGE H ...................................................................................................................H-1

    H.1 Technische fiche superplastificeerder TIXO ..............................................................H-1 H.2 Technische fiche plastificeerder POZZOLITH 200 N ................................................H-4 H.3 Technische fiche superplastificeerder GLENIUM 27 20% .........................................H-7

    BIJLAGE I ..................................................................................................................... I-1 BIBLIOGRAFIE

  • Figurenlijst

    v

    FIGURENLIJST Figuur 1: Vergelijking van een conventioneel beton met HEC [28] ..........................................3 Figuur 2: Vergelijking van sterkteontwikkeling bij HEC en HSC-beton [29] ...........................4 Figuur 3: Invloed van de aard van de aggregaten op de druksterkte [30] ..................................8 Figuur 4: Invloed van de vervanging van cement door silica fume en vliegas op de

    druksterkte van het beton [32] ................................................................................... 11 Figuur 5: Spanning-rek curven voor een cementpasta, aggregaten en beton onder druk:........ 15 Figuur 6: Hydratatiemechanismen [1] ...................................................................................... 17 Figuur 7: Mogelijk hydratatiegedrag van de samenstellende componenten van het cement

    [1]............................................................................................................................... 18 Figuur 8: Fractie C3S gehydrateerd in functie van de tijd [3] ................................................... 19 Figuur 9: Microstructuur van een gebroken oppervlak van C3S pasta op verschillende

    vergrotingen (W/C = 1.00 en 20°C) [5] ..................................................................... 22 Figuur 10: Hydratatiegraad i.f.v. de tijd van de afzonderlijke componenten van cement [5] .. 23 Figuur 11: Hydratatiegraad van de componenten in de hoedanigheid van cement [5] ............ 28 Figuur 12: Vorming van de hydraatproducten i.f.v. de tijd [5] ................................................ 29 Figuur 13: Invloed van W/C-factor op de hydratatiesnelheid [2] ............................................. 30 Figuur 14:Hydratatiewarmte i.f.v. de tijd [5] ........................................................................... 31 Figuur 15: Vorming van de reactieproducten en opbouw van structuur [1] ............................. 32 Figuur 16: Verandering van de breukmode van interparticulair naar transparticulair [1] ........ 34 Figuur 17: Ontwikkeling van microstructuur gedurende de hydratatie [3] .............................. 35 Figuur 18: Evolutie van de druksterkte van C3S, C2S, C3A en C4AF – pasta’s, 20°C; (a)

    W/S=0.4, 3000 cm²/g; (b) W/S=0.45, 3000 cm²/g [5] .......................................... 37 Figuur 19: De drie delen van de interface – zone [1] ............................................................... 42 Figuur 20: Microstructuur van de transitiezone na 1 (l) en 28 (r) dagen hydratatie [11] ......... 43 Figuur 21: Druksterkteverloop i.f.v. de tijd [14] ...................................................................... 46 Figuur 22: Druksterkte en E-modulus i.f.v. tijd en temperatuur [16] ....................................... 47 Figuur 23: Twee uithardingsverlopen met gelijke rijpheid volgens Saul [17] ......................... 49 Figuur 24: Druksterkte verus rijpheid volgens Saul [17] ......................................................... 49 Figuur 25: Ijklijn [17] ............................................................................................................... 51 Figuur 27: Poriënvolume in functie van de temperatuur [20] .................................................. 52 Figuur 28: Backscattered electron beelden. (boven op 5°C, onder op 50°C) [20] ................... 53 Figuur 29: Invloed SP op verwerkbaarheid [24] ...................................................................... 54 Figuur 30: Dispergerende eigenschap van een SP [23] ............................................................ 56 Figuur 31: Werking van een SP [21] ........................................................................................ 57 Figuur 32: Moleculair gewicht [23].......................................................................................... 58 Figuur 33: Invloed gescheiden toevoeging van de SP ( η=viscositeitscoëfficiënt, RPM =

    Rates Per Minute) [25] ............................................................................................ 59 Figuur 34: Toevoegen van SP aan een mengsel met W/C = 0.3 [25] ....................................... 60 Figuur 35: Toevoegen van SP aan een mengsel met W/C = 0.35 [25] ..................................... 60 Figuur 36: Verzadigingspunt bij een bepaalde dosis SP [23] ................................................... 61 Figuur 37: Vier verschillende vormen van reologisch gedrag [23] .......................................... 62 Figuur 38: Ligging vriespunt [24] ............................................................................................ 69 Figuur 39:Vergelijking tussen beton behandeld met microgolfenergie en een

    portlandcementbeton [38] ....................................................................................... 75 Figuur 40: Vergelijking tussen beton behandeld met microgolfenergie en een

    portlandcementbeton [38] ....................................................................................... 76 Figuur 41: Vergelijking van de invloed van de toevoeging van vezels op de druksterkte

    [39].......................................................................................................................... 77

  • Figurenlijst

    vi

    Figuur 42: Vraag en aanbod in de transportsector .................................................................... 80 Figuur 43: Vraag en aanbod voor autosnelweg ........................................................................ 81 Figuur 44: Druksterkte in functie van de tijd; 5 samenstellingen (Japan) [55] ........................ 86 Figuur 45: Druksterktes betonsamenstelling luchthaven Leipzig [58] ..................................... 87 Figuur 46: Zeefkromme rivierzand 0/4....................................................................................103 Figuur 47: Zeefkromme porfier 2/7.........................................................................................103 Figuur 48: Zeefkromme porfier 7/20 .......................................................................................104 Figuur 49: Zeefkromme inert skelet ........................................................................................104 Figuur 50: Druksterktes van de kernen bovenaan ...................................................................110 Figuur 51: Druksterktes van de kernen onderaan....................................................................110 Figuur 52: Dynamische E-modulus .........................................................................................116 Figuur 53: Krimp van snelhardend beton (mengsel A) ...........................................................117

  • Tabellenlijst

    vii

    TABELLENLIJST Tabel 1: Scheikundige samenstelling van portlandklinker [10] .................................................5 Tabel 2: Mineralogische samenstelling van portlandklinker [10] ..............................................5 Tabel 3: Effect van de specifieke oppervlakte van het cement op de sterkte [5] ..................... 38 Tabel 4: Eigenwarmte van de voornaamste bestanddelen van beton [2].................................. 44 Tabel 5: Hydratatiewarmte van de samenstellende componenten [2] ...................................... 45 Tabel 6: De vier belangrijkste werkzame stoffen voor plastificeerders en

    superplastificeerders [21] ........................................................................................... 55 Tabel 7: Invloed chemische en fysische eigenschappen op effectiviteit SP [21] ..................... 58 Tabel 8: Parameters die adsorptie beïnvloeden en hun relatie tot de effectiviteit van de SP

    [21] ............................................................................................................................. 59 Tabel 9: Mengselsamenstellingen [40] ..................................................................................... 67 Tabel 10 : Resultaten Trekproef en E-modulus proef [40] ...................................................... 68 Tabel 11: Resultaten vorst -dooi proef met dooizouten [40] ..................................................... 70 Tabel 12: Absorptiecoëfficiënten [40] ..................................................................................... 70 Tabel 13: Karakteristieken van hoog performant beton voor wegherstellingen [44] ............... 72 Tabel 14: Value of time [51] .................................................................................................... 82 Tabel 15: Samenstellingen mengsels te Iowa [53] ................................................................... 84 Tabel 16: Druksterktes werken luchthaven Engeland [57] ....................................................... 87 Tabel 17: Betonsamenstellingen laboratoriumproeven UFT [1] .............................................. 89 Tabel 18: Druksterkte (MPa) gemeten op kernen (∅113mm, h:100mm) [59] ........................ 90 Tabel 19: Samenstelling beton voor proef InterBeton.............................................................. 90 Tabel 20: Druksterktes (MPa) proeven InterBeton 11/10/2002 ............................................... 91 Tabel 21: Samenstelling tweede mengsel proef InterBeton..................................................... 91 Tabel 22: Druksterktes (MPa) proeven InterBeton 26/10/2002 ............................................... 91 Tabel 23: Samenstelling tweede mengsel proef InterBeton..................................................... 92 Tabel 24: : Druksterktes (MPa) proeven InterBeton 7/11/2002 ............................................... 92 Tabel 25: Schijnbare vochtige volumieke massa (kg/m³) – Druksterkte (MPa) ...................... 96 Tabel 26: Proeven op vers beton .............................................................................................. 99 Tabel 27: Mengselsamenstellingen voor proefprogramma (P = plastificeerder, SP =

    superplastificeerder) ..............................................................................................102 Tabel 28: Mineralogische en scheikundige samenstelling van het cement .............................105 Tabel 29: Buigtreksterkte en Druksterkte van de mortelbalkjes in functie van de tijd. ..........106 Tabel 30: Normen voor proeven op verse mengsel.................................................................107 Tabel 31: Resultaten proeven op het verse mengsel................................................................107 Tabel 32: Gemiddelde temperaturen met bijhorende rijpheid .................................................112 Tabel 33: Vergelijking druksterktes UFT, Zaventem e n Ternat, MPa [13] en [60] ................113 Tabel 34: Krimpberekening snelhardend beton.......................................................................119 Tabel 35: Krimpberekening conventioneel wegenbeton.........................................................120 Tabel 36: Resultaten vorst -dooi proeven.................................................................................121 Tabel 37: Resultaten vorst -dooi proeven beton Ternat [61] ....................................................122 Tabel 38: Waterabsorptiecoëfficiënten....................................................................................123 Tabel 39: Waterabsorptiecoëfficiënten Ternat [61].................................................................124

  • Inleiding

    1

    Inleiding Beton is een materiaal dat bestaat uit granulaten, zand en cement. Wordt aan het cement water toegevoegd, dan treden er hydratatiereacties op die leiden tot de vorming van een kunstmatig mineraal, de cementsteen. Aan deze componenten kunnen verder nog hulpstoffen worden toegevoegd met als doel specifieke eigenschappen van het beton te wijzigen. Rekening houdend met het feit dat deze verschillende componenten nog in verschillende hoeveelheden kunnen worden aangewend, wordt het duidelijk dat er enorm veel samenstellingen bestaan die elk hun eigen karakteristieken hebben. Ook vandaag wordt nog steeds gesleuteld aan de reeds jarenlang gekende samenstelling van cement, water, zand en granulaten om te komen tot een goed compromis tussen de verschillende gewenste eigenschappen. Dit eindwerk heeft tot doel om te komen tot een betonmengsel voor toepassingen in de wegenbouw dat, op basis van courant beschikbare materialen, reeds na 36u druksterktes op cilinders behaalt van 40 MPa. Anderzijds moet het mengsel gedurende voldoende tijd verwerkbaar blijven en dient het beton voldoende duurzaam te zijn. De eis dat het wegenbeton op jonge leeftijd zo’n hoge druksterkte dient te behalen, is een gevolg van het feit dat het uitvoeren van herstellingen van betonwegen steeds moeilijker wordt als gevolg van de steeds toenemende belasting van het wegennet. Het afsluiten van wegen voor het verkeer over een lange periode brengt hoge kosten met zich mee. Standaard betonverhardingen kunnen 5 tot 14 dagen na het storten aan het verkeer worden blootgesteld. Momenteel wordt echter al courant gebruik gemaakt van de ‘fast track’ technologie die het mogelijk maakt de weg reeds na 3 dagen open te stellen. Toch volstaat dit nog niet en wordt gezocht naar mogelijkheden om de weg reeds na 36 u open te stellen voor het verkeer. Men spreekt over de ‘ultra fast track’ techniek. Om beter te begrijpen hoe deze snelle sterkteontwikkeling kan worden gerealiseerd, wordt het hydratatieproces grondig bestudeerd. De verschillende chemische reacties worden onderzocht, er wordt nagegaan hoe de structuur wordt gevormd en de verschillende factoren die een invloed hebben op de evolutie van de sterkteontwikkeling komen aan bod. De sterkte-evolutie is echter niet het enige criterium in de zoektocht naar een geschikt mengsel. Voor de realisatie van de sterkte-eis zal het belangrijk blijken te zijn om een hoog cementgehalte toe te passen. Dit brengt echter de verwerkbaarheid in het gedrang. Het mengsel moet immers vervoerd worden van de betoncentrale naar de werf en daar nog voldoende verwerkbaar zijn om door een slipform paver aangebracht te worden. Het gebruik van superplastificeerders is een noodzaak. In dit eindwerk wordt dan ook uitgebreid ingegaan op hun eigenschappen en hun werkingsmechanisme. Tot slot is er nog een eis omtrent duurzaamheid. Om de hinder veroorzaakt door wegenwerken te beperken is het niet alleen nodig te zorgen voor een snelle sterkteontwikkeling, maar is het ook belangrijk dat veelvuldige herstellingen worden voorkomen. Het beton moet voldoende duurzaam zijn. Voor wegenbeton is de weerstand tegen vorst-dooi cycli in combinatie met dooizouten van primordiaal belang.

  • Inleiding

    2

    Na uitgebreide laboratoriumonderzoeken, uitgevoerd aan het Departement Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven en in de firma InterBeton N.V., werd een betonmengsel bekomen dat aan de drie eisen voldoet. Dit mengsel werd in november 2003 toegepast op een proefproject van de Vlaamse Overheid te Galmaarden. Resultaten van zowel het laboratoriumonderzoek en het proefproject zijn opgenomen en besproken in dit eindwerk. Dit eindwerk is opgebouwd uit twee grote luiken. Het eerste luik is een literatuurstudie die in een achttal hoofdstukken de meest relevante zaken met betrekking tot het ultra-snelhardend beton verduidelijkt. Het tweede luik is een praktisch gedeelte dat in twee hoofdstukken de resultaten van het laboratoriumonderzoek en het proefproject behandelt. In hoofdstuk 1 wordt het begrip ultra-snelhardend beton gedefinieerd en worden de verschillende samenstellende componenten van het beton besproken. Er wordt ook aandacht gewijd aan de voornaamste mechanische eigenschappen: druksterkte en E-modulus. In hoofdstuk 2 wordt het hydratatieproces bekeken vanuit twee standpunten: chemisch en fysisch. In het eerste deel wordt nagegaan hoe het cement en de verschillende scheikundige bestanddelen reageren en welke factoren de reactiesnelheid beïnvloeden. In het tweede deel gaat men dieper in op de ontwikkeling van de microstructuur en wordt een overzicht gegeven van de belangrijkste invloedsfactoren op de sterkte van de pasta. Hoofdstuk 3 behandelt meer specifiek de invloed van de temperatuur op de sterkteontwikkeling. Zoals gesteld is niet alleen de sterkteontwikkeling belangrijk, maar moet ook de nodige aandacht uitgaan naar de verwerkbaarheid en de duurzaamheid van het beton. De werking van plastificeerders en superplastificeerders en de problemen die kunnen gepaard gaan met hun gebruik, worden bestudeerd in hoofdstuk 4. Hoofdstuk 5 behandelt de duurzaamheid van ultra-snelhardend wegenbeton. Meer bepaald de aantasting als gevolg van vorst-dooi cycli in combinatie met dooizouten en het krimpgedrag komen een bod. Tot slot van de literatuurstudie volgen nog drie afsluitende hoofdstukken. In hoofdstuk 6 worden enkele speciale procédés vermeld die het eveneens mogelijk maken om hoge druksterktes te bekomen op jonge leeftijd. Ze zijn echter voor de praktijk niet of weinig van toepassing gezien de hogere kostprijs. In hoofdstuk 7 wordt nagegaan of de aanwending van dit beton financieel voordelig is. De verminderde maatschappelijke kost als gevolg van een versnelde openstelling van de weg voor het verkeer wordt afgewogen tegenover de verhoogde materiaalkost. Hoofdstuk 8 tenslotte is een ‘state of the art’ rapport waarin getracht wordt een overzicht te geven van de ontwikkelingen die er reeds zijn geweest in verband met de toepassing van snelhardend en ultra-snelhardend beton. Het praktisch gedeelte begint met een bespreking van het proefproject te Galmaarden in hoofdstuk 9. De werfsituatie wordt besproken evenals de resultaten van de proeven die voor en tijdens het project werden uitgevoerd. Eens het proefproject te Galmaarden afgewerkt was, werd nog een bijkomend proefprogramma opgemaakt in het laboratorium van het Departement Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven. Dit gebeurde ondermeer omwille van volgende twee redenen: Eerst en vooral is het de bedoeling om het beton dat gebruikt werd op de werf volledig in kaart te brengen. Naast het verloop van de druksterkte die reeds eerder werd onderzocht, is men immers ook geïnteresseerd in andere eigenschappen zoals de E-modulus en de optredende krimp. Een tweede reden is het feit dat het interessant is om de eigenschappen van dit snelhardend beton te vergelijken met de eigenschappen van een klassiek wegenbeton dat gemaakt wordt met hoogovencement. De resultaten van deze proeven worden tot slot besproken in hoofdstuk 10.

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    3

    Hoofdstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton? Het begrip ultra-snelhardend beton kan het best worden verklaard door te wijzen op het verschil tussen de volgende, vaak door elkaar gebruikte, begrippen: hoog performant beton (High Performance Concrete – HPC), hoge sterkte beton (High Strength Concrete – HSC), en snelhardend beton (High Early Strength Concrete – HEC). Elk beton dat voldoet aan de criteria om één of meerdere beperkingen van een conventioneel beton op te vangen, wordt een hoog performant beton genoemd. Het kan een beton zijn dat gekenmerkt wordt door een verhoogde weerstand tegen omgevingsinvloeden; het kan een beton zijn dat een verhoogde druksterkte heeft; maar het kan eveneens een beton zijn dat het mogelijk maakt de constructietijd te beperken en aldus toelaat de wegen sneller open te stellen voor het verkeer zonder dat de duurzaamheid er op latere leeftijd onder lijdt. Bijgevolg is het niet mogelijk een unieke, sluitende definitie van hoog performant beton te geven zonder te kijken naar de vereisten die worden gesteld voor de specifieke toepassing van dat beton. Hoge sterkte beton heeft zijn naam te danken aan die betoneigenschap die het sterkst in het oog springt: de hoge eindsterkte. Het is de dag van vandaag mogelijk om een beton te maken dat druksterktes behaalt van 70 tot 300 MPa (vb. Reactive Powder Concrete). Deze hoge waarden kunnen verkregen worden door het realiseren van een zeer dense structuur. Hiervoor zijn er naast een lage W/C-factor en een uitgelezen korrelverdeling ook zeer fijne deeltjes nodig die de holtes tussen de cement- en aggregaatpartikels verder opvullen: silica fume. (Ultra-) snelhardend beton onderscheidt zich van het hoge sterkte beton in de reden waarvoor het beton gebruikt wordt. Bij een snelhardend beton is het de bedoeling om reeds op jonge leeftijd aanzienlijke sterktes te behalen. Als gevolg hiervan zal echter ook de eindsterkte groot zijn. De termen snelhardend beton en hoge sterkte beton liggen dus zeer dicht bij elkaar, maar mogen geenszins verward worden. In dit eindwerk verstaan we onder ‘ultra-snelhardend’ een beton dat reeds na 36 uur een druksterkte op cilinders behaalt van minstens 40 MPa. Dit is bijna zoveel als de sterkte die een conventioneel beton behaalt na 28 dagen. In Figuur 1 en Figuur 2 wordt enerzijds het verschil tussen een conventioneel en een snelhardend beton verduidelijkt en anderzijds krijgt men een beeld van het onderscheid tussen een snelhardend beton en een hoge sterkte beton.

    Figuur 1: Vergelijking van een conventioneel beton met HEC [28]

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    4

    0

    0,1

    0,2

    0,3

    0,4

    0,5

    0,6

    0,7

    0,8

    0,9

    1

    0 5 10 15 20 25 30

    tijd (dagen)

    Ver

    ho

    ud

    ing

    van

    de

    dru

    kste

    rkte

    to

    t d

    e st

    erkt

    e o

    p 2

    8d (

    cilin

    der

    s)

    ACI

    HEC

    HSC

    Figuur 2: Vergelijking van sterkteontwikkeling bij HEC en HSC-beton [29]

    1.1 De componenten van beton Het probleem dat moet worden opgelost bij het vervaardigen van beton is het formuleren van een antwoord op de vraag hoe men op de meest economische en technisch beste wijze de grondstoffen waarover men beschikt kan, verwerken tot een kunstmatig steenmateriaal dat aan de gestelde eisen voldoet. Snelhardende betonmengsels vereisen geen speciale materialen of technieken, maar zijn net zoals conventionele betonmengsels opgebouwd uit 4 basiscomponenten: cement, granulaten, zand en water. Hieraan zullen nog hulpstoffen worden toegevoegd om bepaalde eigenschappen van de specie te wijzigen of te verbeteren. Toch zal, hoewel er gebruik kan gemaakt worden van de klassieke in de omgeving aanwezige materialen, de nodige aandacht moeten worden besteed aan de materiaalselectie. Zo is het aangewezen dat vooraleer een bepaald mengsel wordt gebruikt, het onderworpen wordt aan een grondige laboratoriumanalyse om de juiste eigenschappen van het beton te kunnen onderzoeken. Vooraleer dieper in te gaan op de vraag waar een beton zijn sterkte vandaan haalt, worden eerst de samenstellende bestanddelen die relevant zijn voor snelhardend beton besproken.

    1.1.1 De basiscomponenten

    1.1.1.1 Cement Cement is een hydraulisch bindmiddel dat zich voordoet als een zeer fijn mineraal poeder. Door een hydraulisch effect verhardt het in contact met het aanmaakwater (hydratatie). Als bindmiddel kit het de verwerkte inerte materialen van het mengsel samen. De relatief snelle verharding bij normale temperatuur gebeurt zowel onder water als aan de lucht en

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    5

    resulteert in de vorming van een kunstmatig mineraal dat cementsteen wordt genoemd [27, p. 13]. Het cement wordt bekomen door het fijnmalen en innig vermengen in wisselende verhoudingen van de volgende hoofdbestanddelen: klinker, hoogovenslak, vliegas en calciumsulfaat. Enkel de klinker en het calciumsulfaat, dat in het proces enkel optreedt als bindingsregelaar, zijn altijd in het cement aanwezig. In de wegenbouw maakt men gebruik van twee types cement, zijnde respectievelijk portlandcement en hoogovencement. Het portlandcement wordt verkregen door het mengen en malen van portlandklinker en calciumsulfaat. Bij het hoogovencement wordt ook nog hoogovenslak toegevoegd. Portlandklinker is een product dat grotendeels uit calciumsilicaten bestaat en dat wordt bekomen door een behandeling op hoge temperatuur (sinterproces) van een welbepaald en gehomogeniseerd mengsel van stoffen die voornamelijk kalk (CaO), silica (SiO2) en, in geringere mate, aluminiumoxide (Al2O3) en ijzeroxide (Fe2O3) bevatten. Deze thermische behandeling wijzigt volledig de eigenschappen van de oxiden, die zich hergroeperen in hydraulische componenten [10, p.6.6]. Deze hydraulische componenten zijn C3S, C2S, C3A, C 4AF, M en C. In Tabel 1 en Tabel 2 worden de mineralogische en scheikundige samenstelling van portlandklinker weergegeven.

    Tabel 1: Scheikundige samenstelling van portlandklinker [10]

    Hydraulische componenten

    Volledige formule Korte formule

    Gewone benaming Gewichtsverhouding

    in %

    3CaOSiO2 C3S Calciumsilicaat

    Aliet 40 tot 65

    2CaOSiO2 C2S Calciumsilicaat

    Beliet 10 tot 35

    3CaOAl2O3 C3A Calciumaluminaat

    Celiet 0 tot 15

    4CaOAl2O3 Fe2O3

    C4AF Calciumaluminoferriet 1 tot 20

    MgO M Magnesiumoxide < 5 CaO C Calciumoxide < 3

    Tabel 2: Mineralogische samenstelling van portlandklinker [10]

    Oxiden Gewichtsverhouding in % Volledige formule

    Korte formule Gewone benaming Grenswaarden Richtgemiddelde

    CaO C Kalk 62 tot 68 65 SiO2 S Kiezelzuur 19 tot 25 22

    Al2O3 A Aluminiumoxide 2 tot 9 5 Fe2O3 F ijzeroxide 1 tot 5 3 MgO M Magnesiumoxide 0 tot 2 1

    K2O + Na2O K + N Alkalioxiden 0,5 tot 1,5 1

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    6

    Hoogovenslak is een gegranuleerd product dat wordt bekomen door het plots afkoelen van smeltend hanggesteente. Door dit afschrikken heeft de slak een glasachtige structuur die drager is van hydraulische eigenschappen. Deze hydraulische eigenschappen zijn echter latent aanwezig en moeten worden opgewekt door activerende stoffen zoals klinker en calciumsulfaat. Slak gemalen zonder deze stoffen is dus geen bruikbaar cement. Een zeer belangrijk verschil tussen slak en portlandklinker is het feit dat slak slechts 40 tot 45% kalk bezit, en dit in tegenstelling met de 65% aanwezig in de klinker. Dit maakt ook dat het gehalte aan C3S en C2S in slak veel lager is. Vermits nu vooral het C3S bijdraagt tot hoge sterktes op jonge leeftijd, is voor deze studie waarbij gezocht wordt naar betonsamenstellingen die geschikt zijn voor het snel saneren van betonwegen, geopteerd voor portlandcement. Factoren die een belangrijke invloed zullen hebben op de snelheid van de sterkteontwikkeling zijn de mineralogische samenstelling en de maalfijnheid.

    1.1.1.2 Granulaten en zand Granulaten In beton zijn de granulaten, de discontinue fase, ingebed in de continue matrixstructuur, de mortel. In het algemeen zijn de granulaten sterker dan de cementsteen waardoor bij een belasting van 70 tot 90% van de totale druksterkte, eerst mortelscheuren of onthechtingen tussen granulaat en mortel optreden. Bij een beton met hoge eindsterkte heeft men te maken met een grotere cementsteensterkte. Deze sterkte wordt zelfs zo groot dat de limiterende factor het toeslagmateriaal wordt. Het is belangrijk de korrelgrootte, korrelvorm, korrelverdeling en de aard van de korrels goed in het oog te houden. Deze zullen immers samen bijdragen tot een betere verdichting en een betere hechting. Korrelgrootte Een kleine korrelgrootte is te prefereren. De specifieke oppervlakte van het toeslagmateriaal en daarmee het hechtvlak met de cementsteen is dan groter, waardoor de gemiddelde hechtspanning kleiner is terwijl verstorende spanningsconcentraties minder zullen optreden. Deze spanningsconcentraties ter plaatse van vooral de grotere toeslagkorrels ontstaan doordat de elasticiteitsmodulus van het toeslagmateriaal doorgaans aanzienlijk hoger is dan die van de cementsteen [28, p. 20]. Bovendien zal voor een gegeven volume beton het gebruik van grotere aggregaten resulteren in kleinere pastavolumes. Dit zorgt dan ook voor een grotere hinder tegen volumeveranderingen van de pasta, wat op zijn beurt resulteert in bijkomende spanningen en microscheurtjes [29] . Kleinere steentjes zijn bovendien ook sterker vermits het breekproces vaak de interne defecten in het mineraal wegwerkt [11, p. 10]. Anderzijds mag de maximale korreldiameter ook niet te klein worden gekozen omdat dit de waterbehoefte ongunstig beïnvloedt. De ervaring leert dat het moeilijk wordt beton te maken met een hoge eindsterkte als de maximale korreldiameter groter is dan 25mm.

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    7

    Korrelvorm Een hoge eindsterkte bereikt men pas als er een goede hechting is tussen de cementsteen en de toeslagmaterialen. Cementsteen heeft minder grip op gladde, ronde vormen. Daardoor prefereert men in de praktijk een toeslagmateriaal met een ruw oppervlak dat voor 100% gebroken is [30, p. 9]. Toch mag het granulaat niet al te hoekig zijn vermits dit de verwerkbaarheid verlaagt en de vraag naar water verhoogt. Het ideale aggregaat is kubisch, hoekig, gebroken en heeft een beperkt gehalte aan platte, lange deeltjes. Korrelverdeling De korrelverdeling geeft de verdeling van de korrels tussen de minimale en de maximale korreldiameter weer. Hoe beter deze korrelverdeling, hoe minder holtes er overblijven. Bij het aanmaken van een hoogwaardig beton, zoals bijvoorbeeld snelhardend wegenbeton, speelt deze korrelverdeling een belangrijke rol vermits op jonge leeftijd het korrelskelet een groot deel van de krachten opneemt [31, p. 13]. Een uniforme verdeling resulteert bovendien in een betere verwerkbaarheid waardoor de W/C-factor kan verkleind worden. De fijnere granulaten vullen de holtes op tussen de grotere, waardoor men een hogere betondensiteit bekomt, wat op zijn beurt resulteert in:

    § Een vermindering van de waterhoeveelheid en dus een hogere sterkte. § Een verhoogde duurzaamheid, dit door een herleiding van de toegangen

    voor waterpenetratie in het verharde betonmengsel. Een goede verdeling verbetert tevens de zetmaat of slump [12, p. 5]. Aard en sterkte van de korrels Figuur 3 [30, p.28] toont aan dat een beton met gebroken kalksteengranulaten een hogere druksterkte op cilinders behaalt dan een beton dat gemaakt is met gerolde grindgranulaten. De cementpasta heeft immers een betere grip op de kalksteen. Daardoor scheurt het beton zowel in de cementsteen als in de kalksteen. Bij het grind is dit niet het geval. De cementsteen heeft minder grip op de ronde korrel. Het beton scheurt dus daar waar de hechting is tussen grind- en cementsteen. [30, p.27]. Bij hoger wordende sterkteniveaus zal het steeds belangrijker worden om de eigenschappen van de cementsteen en het toeslagmateriaal goed op elkaar af te stemmen. Het gladde breukvlak, dwars door de korrels heen, wijst erop dat de granulaten te zwak zijn. Een hogere eindsterkte kan aldus worden bereikt door het kiezen van een sterker granulaat. Bovendien moeten de granulaten, die worden gebruikt voor de aanmaak van het beton, zuiver zijn. Zo moet het overgrote gedeelte van de filler of steenstof verwijderd worden. Deze zeer fijne deeltjes slorpen immers een deel van het water op dat nodig is voor de hydratatie. Kleine deeltjes die aan de granulaten blijven kleven, zijn ronduit nefast voor het aangemaakte beton [31, p. 13].

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    8

    Figuur 3: Invloed van de aard van de aggregaten op de druksterkte [30]

    Zand Het fijne granulaat, nl. het zand, dient zo goed mogelijk de ruimte tussen de grove granulaten op te vullen. Om een voldoende dichte structuur en een goede verwerkbaarheid te bekomen, dient men dus een voldoende hoeveelheid fijn materiaal te voorzien.

    1.1.1.3 Water Zonder water heeft men geen beton. De functie van het water in het mengsel is drieërlei. Eerst en vooral neemt het water deel aan de hydratatie van het cement. Strikt genomen is voor deze hydratatiereactie slechts een hoeveelheid water nodig die ongeveer gelijk is aan 24% van het gewicht van het cement. Ten tweede is het water nodig voor het bevochtigen van de inerte materialen. Alle inerte materialen moeten immers omhuld worden met een dunne waterfilm zodat de cementpasta zich gemakkelijk aan de korrels kan hechten. De soortelijke oppervlakte van de korrels is hierbij bepalend: hoe fijner de korrels, hoe groter het te bevochtigen oppervlak. Tenslotte is het water nog van belang voor het regelen van de verwerkbaarheid. Deze verwerkbaarheid wordt slechts ten dele door het watergehalte bepaald, vermits er ook hulpstoffen zijn om de verwerkbaarheid te regelen. Te grote volumes water geven aanleiding tot gevaar voor segregatie, uitzweten, uitdrogingskrimp en een teveel aan poriën in de betonmassa. Het totale watergehalte moet steeds in combinatie met het cementgehalte worden gezie n. De W/C-factor mag immers niet te hoog liggen. Het is belangrijk hierbij op te merken dat als water in het beton moet worden beschouwd: de som van het aanmaakwater, het in de hulpstoffen aanwezige water en het vocht in de granulaten. Bij het aanmaken van het beton is het bovendien zeer belangrijk te kijken naar de kwaliteit van het gebruikte water. Dit moet zo zuiver mogelijk zijn. Een overmaat aan suiker, zout, alkali’s, zuren, vetten of organische stoffen kan bijzonder schadelijk zijn: suikers vertragen of verhinderen de uitharding, zouten daarentegen werken bindingsversnellend en verhogen de bindingssterkte. Ze vergroten wel de kans op corrosie in het geval van gewapende structuren. Meestal geldt als algemene regel dat het aanmaakwater drinkbaar moet zijn.

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    9

    Gezien er in een snelhardend betonmengsel slechts een beperkte hoeveelheid water aanwezig is, is het van zeer groot belang dat dit vocht niet dadelijk verdampt maar in het beton blijft. Het vocht beïnvloedt immers rechtstreeks de betoneigenschappen zowel op korte als op lange termijn. Curing is essentieel bij fast track mengsels om het vocht, dat noodzakelijk is voor de hydratatie tijdens de vroege periode van sterkteontwikkeling, niet te laten verdampen. Bij een traditioneel wegenbeton gebruikt men ongeveer 1 liter curing compound per 5m². Bij snelhardende betonmengsels wordt het hydratatiewater snel verbruikt, wat de kans op plastische krimpscheuren vergroot. Daarom is het aangewezen het gebruik van de curing compound op te drijven tot ongeveer 1 liter per 3,5 m² [33, p.34].

    1.1.2 Hulpstoffen en toevoegsels

    1.1.2.1 Hulpstoffen Hulpstoffen zijn organische of anorganische materialen in vaste of vloeibare toestand, toegevoegd aan de normale componenten van een mengsel. De maximale hoeveelheid is in de meeste gevallen beperkt tot 5% van het cementgewicht [27, p.20]. Deze stoffen reageren met het hydraterende cementsysteem door fysische en/of chemische reacties en hebben tot doel om sommige karakteristieken van het beton te wijzigen, hetzij in verse toestand, hetzij tijdens de binding en de verharding, hetzij in vaste toestand. Elke hulpstof heeft één of meerdere omschreven hoofdwerkingen en kan tegelijk secundaire werkingen vertonen. Het zijn echter geen wondermiddelen voor het verbeteren van fouten in de samenstelling en men dient er rekening mee te houden dat het gebruik van een hulpstof dikwijls aanleiding geeft tot een tegen elkaar afwegen van de wijzigingen van diverse eigenschappen: vaak veroorzaakt het versterken van de ene eigenschap het verminderen van een andere. Hulpstoffen spelen een belangrijke rol in de moderne betontechnologie bij het vervaardigen van hoogwaardige betonsoorten. De indeling van de hulpstoffen steunt voornamelijk op het doel waarvoor de hulpstof wordt aangewend. In wat volgt bespreken we enkel die hulpstoffen die relevant zijn in het kader van dit eindwerk. (Sterk) waterreducerende middelen Waterreducerende en de veel effectievere sterk waterreducerende middelen zijn hulpstoffen die de karakteristieken van het beton in verse toestand wijzigen. De producten laten toe voor eenzelfde verwerkbaarheid het watergehalte van de mortel te verminderen. Of nog, ze maken het mogelijk dat bij eenzelfde watergehalte de verwerkbaarheid verhoogt. Luchtbelvormers Luchtbelvormers zijn producten die een groot aantal kleine en afzonderlijke luchtbellen, die gelijkmatig in de massa zijn verdeeld, meevoeren en stabiliseren. De luchtbelvorming kan de verwerkbaarheid en de cohesie van het verse mengsel verbeteren en verhoogt de vorstbestendigheid van de verharde mortel en van het verharde beton. De vorstbestendigheid wordt gerealiseerd door expansievaten voor het water te voorzien en

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    10

    door de continuïteit van het capillair netwerk te verbreken. De luchtbellen zorgen ook voor dooizoutbestandheid door als schokdemper op te treden voor de thermische krimp. Deze laatste is het gevolg van het smelten, wat wordt mogelijk gemaakt door het onttrekken van warmte aan de bovenste laag beton van de weg. Door in beton lucht te stabiliseren, vermindert, vooral wanneer niet tegelijkertijd de hoeveelheid aanmaakwater kan worden verkleind, zijn uiteindelijke sterkte. Er wordt aangenomen dat voor elke procent ingesloten lucht meer in het verharde beton, het verlies aan sterkte kan oplopen tot 5% [10, p.20]. Versnellers en vertragers Zoals reeds vermeld wordt calciumsulfaat aan het beton toegevoegd om te verhinderen dat de bindingsreactie te snel zou verlopen. Men kan echter ook stoffen toevoegen aan het beton die de werking van die regelaar versnellen, vertragen of zelfs helemaal verhinderen. Het blijft echter opletten, en proeven moeten steeds het gebruik voorafgaan. Concentraties spelen hierbij een belangrijke rol: een product kan in hoge concentratie vertragend werken en in lage dosis versnellend. Het product kan bijvoorbeeld de aanvang van de binding versnellen, maar het bindingseinde vertragen. Versnellers Een bindingsversneller vermindert de tijd die nodig is om van plastische toestand naar verharde toestand over te gaan; een verhardingsversneller zorgt voor sneller toenemende aanvangssterktes. Een aantal versnellers zijn gemaakt op basis van chloriden. Hun gehalte wordt echter door de norm beperkt vermits ze in gewapende constructies corrosie kunnen veroorzaken. Modernere producten zijn chloorarm. Vertragers Deze hulpstoffen onderbreken of vertragen het hydratatieproces. De overgangstijd van plastische naar verharde toestand wordt verlengd zonder uiteindelijk sterkteverlies. De vertragers worden ofwel toegevoegd aan de specie, ofwel verstoven over het natte betonoppervlak. Vertragers kunnen gemaakt worden op basis van enkele zuren, koolhydraten, suikers of derivaten. Middelen om de waterpenetratie te vermijden Vloeistofafstotende middelen verhogen de oppervlaktespanning van de capillairen en verminderen het zuigeffect en bijgevolg de absorptiecapaciteit. Sommige producten reageren met de door de hydratatie vrijgegeven kalk tot onoplosbare calciumzouten. Hierdoor verkleinen de poriën. Waterbeperkende stoffen zorgen voor een grotere compactheid en een kleinere porositeit. Heel wat waterreduceerders of luchtbelvormers streven dit na [27, p.25].

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    11

    1.1.2.2 Toevoegsels Een toevoegsel wordt gedefinieerd als een fijn verdeeld anorganisch materiaal dat toegevoegd kan worden aan beton om bepaalde eigenschappen te verbeteren of om speciale eigenschappen te bekomen. Er zijn twee soorten toevoegsels: nagenoeg inerte toevoegsels en puzzolaan (latent-hydraulische) toevoegsels. Twee voorbeelden van deze laatste groep worden nader besproken: silica fume en vliegassen [18, p.2.32]. Silica fume Silica fume is een industrieel bijproduct dat bij de fabricage van silicium en ferrosilicium vrijkomt en voor 75-95% bestaat uit het amorfe siliciumdioxide (SiO2). Deze microsilicadeeltjes zijn ongeveer 100 keer kleiner dan een deeltje cement [9, p.15]. Ze zijn dus als vulstof zeer geschikt. Door de toevoeging van silica fume wordt de microstructuur van de cementmatrix sterk gewijzigd, waardoor vooral de eigenschappen van de contactzone toeslagmateriaal-matrix sterk worden verbeterd. Een rechtstreeks gevolg van de verbetering van de eigenschappen van de cementmatrix en de contactzone matrix-toeslagmateriaal is dat het toeslagmateriaal maatgevend wordt voor de uiteindelijke sterkte. De toevoeging van silica fume aan het beton zorgt bovendien voor een grotere waterbehoefte (wat wijst op het belang van het gebruik van een superplastificeerder), een verminderde neiging tot ontmenging en waterafscheiding, een aanzienlijke plastische krimp, een verhoogde druksterkte en een verlaagde permeabiliteit. Dit komt door een duidelijke verlaging van het aantal grovere poriën in de cementsteen, terwijl de totale porositeit ongeveer gelijk blijft. Ook al geeft het gebruik van silica fume aanleiding tot grote druksterktes op langere termijn, toch is de beoogde vroege sterkte onvoldoende. Silica fume kan het beton wel verbeteren inzake dichtheid, maar het hoog cementgehalte staat wel op zichzelf borg voor de nodige dichtheid met traditionele materialen. Daarom vindt silica fume geen toepassing in dit eindwerk. Deze conclusie wordt ook gestaafd aan de hand van Figuur 4.

    Figuur 4: Invloed van de vervanging van cement door silica fume en vliegas op de druksterkte van het

    beton [32]

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    12

    Vliegas Vliegas, geproduceerd in thermische elektriciteitscentrales, wordt meegevoerd door de rookgassen die vrijkomen bij de verbranding van steenkool. Het wordt langs elektrostatische weg uit de rookgassen gefilterd. Het vliegas komt voor onder de vorm van fijn poeder dat voornamelijk is samengesteld uit bolvormige deeltjes met een glasachtige structuur. Het vliegas heeft als voornaamste interessante kenmerken dat het beschikt over een plastificerend vermogen en dat het puzzolane eigenschappen heeft. Vliegas kan op twee manieren worden toegepast in beton. Het gedeeltelijk vervangen van cement door vliegas zal de aanvangssterkte doen afnemen, maar de ultieme sterkte ligt merkelijk hoger. Bij vliegastoevoeging zonder afname van het cementgehalte wordt vliegas gebruikt als aanvulling bij de fijnste fractie van het toeslagmateriaal. In het algemeen zal hier de sterkte van het mengsel de sterkte van het mengsel zonder vliegas overtreffen, maar dan op latere ouderdom. De voordelen van de vliegastoevoeging komen pas op middellange en lange termijn tot uiting: ze draagt bij tot de mechanische weerstand en verkleint de waterdoorlatendheid. Voor een toepassing als snelle sterkteontwikkeling komt ze dus niet in aanmerking. Aldus vindt vliegas geen toepassing in dit eindwerk. Deze conclusie wordt ook gestaafd aan de hand van Figuur 4 [32, p. 703].

    1.1.3 Alkali-silica reacties Hoewel de meeste granulaten als inert kunnen worden beschouwd, kunnen in bepaalde gevallen scheikundige reacties optreden tussen de granulaten en alkaliën die initieel in het beton aanwezig zijn of door uitwendige factoren aangebracht worden. Het gaat hier om een reactie met silicieuze granulaten die niet qua chemische formule (SiO2), maar qua structuur van gewone kwartskorrels afwijken. Deze reactieve korrels bestaan dus ook uit siliciumdioxide, maar zijn structureel anders opgebouwd. Hun rooster is wanordelijker en in extreme gevallen missen ze zelfs elke structuur. Globaal gezien kan men stellen dat de reactiviteit afneemt naarmate de kristalliniteit toeneemt. Een minder goed gestructureerd mineraal bevat meer onregelmatigheden zodat de oppervlakte waarop de reactie zich kan voordoen groter is. Bij de aantasting van de silicakorrel door de poriënoplossing van het beton gaat het vooral om een reactie van het siliciumdioxide met alkalihydroxiden. De korrel wordt langzaam afgebroken en omgezet tot een alkali-silica gel. Deze gel kan door het opnemen van water zwellen waardoor inwendige drukken ontstaan in het beton, die na een tijdsverloop van één of meerdere jaren scheuren veroorzaken. Deze reactie gaat meestal gepaard met verschijnselen van vorstgevoeligheid.

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    13

    Voor het kunnen optreden van dergelijke reacties moet er aan drie voorwaarden gelijktijdig worden voldaan. Er is nood aan een vochtige omgeving, aan de aanwezigheid van alkaligevoelige granulaten in het beton en aan een hoog alkaligehalte in het beton. De term alkaliën die hier gebruikt wordt, heeft betrekking op de alkalische metalen natrium en kalium. Het gehalte van deze stoffen in beton wordt meestal uitgedrukt aan de hand van hun overeenstemmende oxiden. Internationaal worden de alkaliën bij problemen van alkali-silica reacties aangeduid met het ‘natriumoxide equivalent’ dat wordt weergegeven aan de hand van de volgende formule:

    %Na2O-equivalent = %Na2O + 0,658 x %K2O Hierbij staat de factor 0,658 voor de moleculaire massaverhouding Na2O/K2O. Alkaliën in beton zijn voornamelijk afkomstig van het cement, maar ze kunnen ook aangebracht zijn via hulpstoffen, dooizouten, … . Zoals gesteld moet er aan de 3 voorwaarden gelijktijdig voldaan zijn vooraleer men kan spreken van alkali-silicareacties. Door er nu voor te zorgen dat één van deze voorwaarden niet voldaan is, kan men problemen vermijden. Zo kan men werken met cementen met een laag alkaligehalte (LA-cementen), kan men gebruik maken van niet reactieve granulaten,… .

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    14

    1.2 Mechanische eigenschappen van het beton

    1.2.1 Ontwikkeling van de druksterkte Zoals de naam het zelf aangeeft, wordt een snelhardend betonmengsel gekarakteriseerd door een snelle ontwikkeling van de druksterkte. Na één dag worden met dergelijke mengsels sterktes behaald die met sommige conventionele betonsoorten zelfs niet na 28 dagen worden behaald. Deze snelle sterkteontwikkeling gaat ook gepaard met een hoge sterkte op latere leeftijd. Dit karakteristieke druksterkteverloop wordt verkregen dankzij de toepassing van veel cement en weinig water: de W/C-factor schommelt typisch tussen 0.30 en 0.40. Hulpstoffen worden dan toegevoegd om de verwerkbaarheid voldoende hoog te houden. Figuur 1 en Figuur 2 tonen het typisch verloop van de druksterkte met de tijd.

    1.2.2 Spanning-rek gedrag Bij het vergelijken van het spanning-rek verloop van een conventioneel beton met dat van een beton met hoge eindsterkte, stelt men een aantal duidelijke verschillen vast. Vooreerst is er bij deze laatste betonsoort een meer lineair verloop van de s -e curve, en dit tot een hoger percentage van de maximale spanning. Bij het bereiken van de breukspanning vertoont een dergelijk beton bovendien een grotere rek en merkt men een steiler verloop van het dalend stuk van de curve op. Het beton vertoont een kleinere breukrek. Al deze veranderingen zijn het gevolg van een betere hechting aggregaat-pasta. De grotere lineariteit van het s -e gedrag weerspiegelt de kleine hoeveelheid microscheurtjes die in het beton met hoge sterkte aanwezig zijn bij lage belastingen [34, p.13]. De vorm van het spanning-rek verloop is ook verbonden met de aard van het betonmateriaal als composiet. Hoewel de cementpasta en de granulaten op zich een uitgesproken bros karakter hebben, heeft gewoon beton een meer ductiel karakter. Deze schijnbare paradox kan verklaard worden door het verschil in stijfheid tussen de cementpasta en de aggregaten. Dit zorgt voor spanningsconcentraties in de contactzones. Vanaf een zeker spanningsniveau ontwikkelt zich een patroon van microscheuren. Bij toename van de spanning wordt de toegevoegde energie grotendeels verbruikt in de verdere uitbreiding van dit scheurpatroon. Op die manier ontstaat een efficiënte interne spanningsverdeling wat leidt tot een taaie breuk. Bij een beton met hoge eindsterkte is het stijfheidsverschil tussen de aggregaten en de pasta veel kleiner. Het minder ontwikkeld patroon van microscheuren zorgt voor een explosieve en brosse breuk. Toch is de bereikte sterkte hoger wegens de kleinere tendens tot microscheurvorming vóór de breukspanning bereikt wordt [34, p. 14].

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    15

    Figuur 5: Spanning-rek curven voor een cementpasta, aggregaten en beton onder druk:

    Links: significant verschil tussen pasta en aggregaat

    Rechts: licht verschil tussen pasta en aggregaat [34]

    1.2.3 Elasticiteitsmodulus De elasticiteitsmodulus is na de druksterkte de belangrijkste eigenschap van het beton. Waar de druksterkte van het beton heel snel en eenvoudig kan bepaald worden, ligt dat voor de E-modulus anders. Om deze tijdrovende bezigheid echter te kunnen omzeilen, is men altijd al op zoek gegaan naar een eenvoudige relatie tussen de druksterkte en de elasticiteitsmodulus. Deze manier van werken gaat goed op voor een conventioneel beton. Bij stijgende waarden van de druksterkte van het beton, neemt de elasticiteitsmodulus minder toe dan zou kunnen verwacht worden. De empirische verbanden, die zijn opgesteld voor conventioneel beton, blijken meestal niet meer op te gaan voor beton met een hoge eindsterkte. Aïtcin, Mehta en Baalbaki [35, p. 517] geven hiervoor als mogelijke oorzaak dat de elastische eigenschappen van hoge sterkte beton worden beïnvloed door de aard van het aggregaat. De zeer dense cementfase en de sterke aggregaat-pasta binding zorgen ervoor dat een dergelijk beton werkt als een hecht composiet. Ze stellen dat de kenmerken van het aggregaat een even belangrijke invloed hebben op de elastische eigenschappen als de W/C-factor. Toch bleef men op zoek gaan om ook voor hoge sterkte beton verbanden te kunnen leggen tussen de druksterkte en de E-modulus. Aan het departement architectuur van de Universiteit van Tokio heeft men een studie gemaakt om tot een praktische en universele vergelijking te komen die toepasselijk is voor hoge sterkte beton. Door een regressieanalyse te doen op meer dan 3000 gegevens afkomstig van verschillende experimenten in Japan is men gekomen tot het volgende verband:

    1/324

    1 2 3.35 10 2.4 60BE k k

    σγ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ [MPa]

    Hierin is s B (MPa) de druksterkte en ? (t/m³) het eenheidsgewicht van het beton. Om nog rekening te houden met de invloed van enerzijds de aard van de aggregaten en anderzijds de aanwezigheid van minerale hulpstoffen worden twee correctiefactoren k1 en k2

  • Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?

    16

    toegevoegd. De vergelijking zou toepasbaar zijn op zowel normale als hoge sterkte beton [36, p. 1247-1253]. Wanneer echter een exacte kennis van de elasticiteitsmodulus nodig is, blijft het in de praktijk raadzaam een monster te nemen en hiervan proefondervindelijk de E-modulus te bepalen.

  • Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement

    17

    Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement In wat volgt gaan we dieper in op de hydratatie van het portlandcement. Uit de literatuur is het vrij duidelijk dat cementhydratatie en structuurvorming elkaar wederzijds beïnvloeden. Het chemisch aspect van de hydratatie wordt meestal behandeld onder de naam hydratatiemechanismen. Het fysisch en stereologisch aspect wordt meestal beschouwd wanneer het gaat om structuurvorming en sterkteontwikkeling. Vermits het chemisch, fysisch en stereologisch aspect van de hydratatie interfereren gedurende het ganse proces zou de hydratatie als één groot geheel moeten bestudeerd worden. Omwille van de duidelijkheid wordt hier een onderscheid gemaakt tussen enerzijds de chemische en anderzijds de fysische kant van de zaak.

    2.1 Chemisch bekeken De bespreking van de hydratatie van cement, chemisch bekeken, is voornamelijk gebaseerd op het werk van HEWLETT, P.C.met name Lea’s Chemistry of Cement and Concrete [5].

    2.1.1 Hydratatiemechanismen Hydratatie betreft een complexe interactie tussen water enerzijds en de cementdeeltjes anderzijds. Dit proces kan, volgens K. Van Breugel [1], op twee verschillende manieren verlopen. Hij onderscheidt het “trough-solution” en het “topochemisch” concept, beiden te zien in Figuur 6. Het trough-solution proces verloopt als volgt. Na contact met water lossen de anhydride korrels op en worden de hydratatieproducten in de oplossing gevormd. Vervolgens slaan deze laatste neer op het korreloppervlak. De kennis van het trough-solution concept dateert van het begin van de 20ste eeuw en werd geformuleerd door Le Chatelier [1, p.43]

    Figuur 6: Hydratatiemechanismen [1]

    De kennis van het topochemisch principe dateert van dezelfde periode. Michaelis [1, p.42] stelt dat de calciumrijke siliciumklinker bij contact met water Ca++-ionen in oplossing stuurt. Het overblijvende calciumarme skelet reageert vervolgens met deze calciumrijke oplossing. Dit geeft aanleiding tot hydratatieproducten die een groter volume bezitten dan het originele anhydride cement.

  • Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement

    18

    2.1.2 Klinkerhydratatie versus hydratatie van de samenstellende componenten.

    Men kan verwachten dat de hydratatiesnelheid van het cement een functie zal zijn van de snelheid waarmee zijn samenstellende componenten hydrateren. De vraag stelt zich of de individuele componenten aan een onafhankelijke snelheid hydrateren dan wel dat er zich een uniforme, graduele reductie voordoet van de deeltjesgrootte bij het voortschrijden van het proces, zie Figuur 7. In de literatuur wijzen verschillende auteurs erop dat noch de ene stelling, noch de andere correct zou zijn. Zo stelt Bentur [1, p.45] dat de hydratatie van C3S versneld wordt in aanwezigheid van C2S. Ook Yamaguchi [1, p.45] toont aan dat de hydratatiesnelheid van de individuele componenten verschilt in verschillende mengsels. Deze resultaten duiden op een interactie tussen de hydraterende bestanddelen.

    Figuur 7: Mogelijk hydratatiegedrag van de samenstellende componenten van het cement [1]

    Volgens Lehmann [1, p.45] kan de onafhankelijke hydratatie van componenten zich voordoen in het vroege stadium van het proces. Later, als de laagdikte van de hydratatieproducten op de cementkorrels stijgt, wordt de reactiesnelheid meer en meer bepaald door de snelheid van de waterdiffusie [2, p.15] en verloopt de hydratatie van de verschillende componenten met een meer gelijklopende snelheid.

    2.1.3 Hydratatiecomponenten afzonderlijk bekeken Een studie van de hydratatie van de samenstellende componenten van cement is aangewezen wegens de complexiteit van de hydratatiereacties van het geheel.

  • Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement

    19

    2.1.3.1 C3S Tricalciumsilicaat (C3S – 3CaOSiO2) is de voornaamste en belangrijkste component van portlandcement die in grote mate haar binding en verharding bepaalt. Er doen zich verschillende vormen van C3S voor. Er kan een onderscheid worden gemaakt tussen het zuivere C3S, gemaakt onder laboratoriumcondities, en het C3S waarbij men in het kristalrooster vreemde ionen aantreft. De reactiviteit van deze laatste wordt bepaald door de hoeveelheid en de kwaliteit van die ionen. Het C3S aanwezig in portlandklinker is ook een onzuiver materiaal, gedopeerd met vreemde ionen die aanwezig zijn in de ruwe grondstoffen waaruit de klinker wordt gesinterd. Dit C3S, bekend onder de naam aliet, kan wat betreft samenstelling en reactiviteit variëren van cement tot cement. De reactieproducten die bij omgevingstemperatuur gevormd worden, zijn enerzijds de amorfe calciumsilicaathydraatfase (C-S-H), en anderzijds het calciumhydroxide (CH). De streepjes in de notatie van C-S-H duiden op het feit dat de samenstelling van het calciumsilicaathydraat niet vastligt. CSH zou de specifieke samenstelling weergeven van CaO ⋅SiO2⋅H2O [3, p. 124].

    ( )232323 362 OHCaHSCOHSC +→+ [10]

    2.1.3.1.1 Kinetica

    Figuur 8: Fractie C3S gehydrateerd in functie van de tijd [3]

    Figuur 8 geeft de relatie weer tussen de gereageerde fractie C3S en de verstreken tijd [4]. Dit voor een cement met een specifieke oppervlakte van 300 à 500 m²/kg (Blaine) en gehydrateerd als pasta met een W/S-factor (water/solid) van 0.5 à 0.7 op kamertemperatuur. Onder deze condities kan men verschillende stadia onderscheiden:

  • Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement

    20

    § Pre-inductie periode (A-B): onmiddellijk na contact met water grijpt een intense, maar korte hydratatie van het C3S plaats. Gedurende deze fase is er ook een intense warmteafgifte. Deze periode duurt niet langer dan enkele minuten.

    § Inductie of slapende periode (B-C): de pre-inductie periode wordt gevolgd door

    een periode waarin de reactiesnelheid aanzienlijk daalt. Deze periode houdt enkele uren aan.

    § Post-inductie periode (C-D): na enkele uren neemt de hydratatiesnelheid plots

    terug toe en bereikt een maximum na 5 tot 10 uren. In deze periode bereikt het gehalte aan CH in de vloeibare fase een maximum en begint af te nemen. Kristallijn CH slaat neer.

    § Late periode (D-E): hoewel de reactiesnelheid over haar maximum heen is en

    gradueel afneemt, zal de reactie nog maandenlang doorgaan en slechts stoppen eens al het C3S is weggereageerd.

    De hydratatiesnelheid van het C3S wordt bepaald door meerdere factoren. Naast de invloed van de hoeveelheid en de kwaliteit van de vreemde ionen in het rooster op de reactiviteit van het C3S, kan deze laatste ook worden verhoogd door een snelle afkoeling bij de productie waardoor er zich structurele defecten in het rooster voordoen. Ook het oplossen van chemische componenten in het aanmaakwater kan de kinetica beïnvloeden. Het proces wordt versneld door de aanwezigheid van chloriden terwijl fosfaten, boraten, zouten en ook organische componenten zoals verschillende sachariden een vertraging teweeg brengen. De reactiesnelheid kan ook worden beïnvloed door het toevoegen van vaste substanties aan het water-C3S mengsel. Zo zal reeds gehydrateerd C3S de inductieperiode verkorten en de toevoeging van kristallijn CH zal de reactiesnelheid tijdens de post-inductie periode vergroten. Ook door toevoeging van fijn verdeeld materiaal kan de hydratatie versneld worden daar zij de kernvorming van het C-S-H vergemakkelijken [3, p.163]. Ook de toevoeging van gips of anhydriet doet de hydratatie versnellen [5, p.243-245]. De hydratatiegraad van C3S neemt bovendien toe bij een hoger C3A gehalte. C3A werkt als een katalysator omdat het zeer vlug warmte ontwikkelt en dat versnelt de hydratatiereacties. Ook al is de invloed van het C3A opmerkelijk, toch blijft deze beperkt tot de beginfase [9, p. 14].

    2.1.3.1.2 Samenstelling van de vloeibare fase Bij contact met water gaan Ca- en Si-ionen snel in oplossing. Aanvankelijk is de molaire verhouding Ca2+/SiO2 gelijk aan 3 wat wijst op een congruente oplossing van het C3S. De aanvankelijk hoge silicaat concentraties nemen heel snel af. De concentratie CH neemt daarentegen voortdurend toe tot waarden groter dan de oplosbaarheid in water. Na enkele uren begint de concentratie echter af te nemen.

    2.1.3.1.3 Hydratatiemechanisme Bij de oplossing van het materiaal gaan de O2--ionen, die oorspronkelijk aanwezig waren in het C3S kristalrooster, in de vloeibare fase als OH--ionen en de SiO −44 als nauwelijks

  • Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement

    21

    gedissocieerd H4SiO4. Initieel is de oplossingssnelheid van C3S groter dan de diffusiesnelheid om de opgeloste ionen van de nabijheid van het oppervlak te verdrijven. Dit heeft in de omgeving van het korreloppervlak een concentratiegradiënt als gevolg. Op die manier raakt de vloeibare fase op deze plaats snel verzadigd met calciumsilicaathydraat en een laagje van C-S-H producten begint neer te slaan op het C3S oppervlak. Een andere theorie stelt dat de oplossing van C3S incongruent in plaats van congruent verloopt. Dit houdt in dat C3S niet in een verhouding 3:1 oplost. Een SiO2-rijke laag wordt op deze manier op het oppervlak gevormd en deze absorbeert op zijn beurt de opgeloste Ca2+-ionen uit de vloeibare fase. De reden voor het vertragen van het hydratatieproces reeds binnen enkele minuten na het mengen met water enerzijds, en voor het terug op gang komen van de reactie na de inductieperiode anderzijds, is nog niet duidelijk. In wat volgt geven we een aantal gangbare theorieën die dit fenomeen verklaren.

    § Een eerste theorie stelt dat de eerstgevormde hydratatieproducten die neerslaan op het korreloppervlak als een barrière werken. Deze verhindert de migratie van water naar het ongehydrateerde korreloppervlak en/of deze van ionen naar de waterige oplossing met een vertraging van het hydrateren tot gevolg. De slapende periode zet zich in. Een verandering in de aard van de gevormde C-S-H producten maakt hieraan een einde. Tengevolge van deze verandering wordt de barrière doorlatend. De aard van deze verandering is nog niet volledig begrepen. Het zou een fasetransformatie betreffen die mogelijks vergezeld is met veranderingen in samenstelling of morfologie. Het zou dus kunnen worden omschreven als een veroudering van het materiaal [5, p. 246]. Men kan deze laag C-S-H producten anderzijds ook beschouwen als een semi-permeabel membraan dat door de opbouw van osmotische druk in de vloeistof tussen korrel en membraan uiteen barst waardoor zo ook een einde wordt gesteld aan de slapende periode [3, p. 162].

    § Een tweede theorie gaat ervan uit dat de siliciumrijke laag op het oppervlak met

    de eraan geadsorbeerde Ca2+-ionen een elektrische barrière vormt die de doorgang van ionen verhindert.

    § Vermits de verhouding van het CaO en het SiO2 in de C-S-H fase steeds kleiner

    is dan 3 gaat de hydratatie van het C3S steeds gepaard met een afgifte van CH. Het aldus gevormde CH lost op in water en dit tot concentraties groter dan het oplosbaarheidsproduct. Dit kan verklaard worden door het feit dat het oppervlak van de CH kernen verontreinigd is met silicaat ionen. De capaciteit van de vloeistof om verder CH in oplossing te nemen, neemt af en de slapende periode gaat in. De concentratie aan CH woedt na verloop van tijd dermate groot dat de verontreiniging wordt overwonnen. Het CH kan neerslaan en de hydratatiesnelheid neemt terug toe. Dit introduceert de post-inductie periode.

  • Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement

    22

    § Een laatste theorie stelt dat het einde van de inductieperiode wordt bepaald door de vorming en groei van een ‘second-stage’ C-S-H dat verschillend is van het ‘first-stage’ product. De vorming van het eerste C-S-H wordt gecontroleerd door de CH concentratie van de vloeibare fase en de snelheid ervan neemt af met toenemende concentratie. Het tweede C-S-H begint zich te vormen nadat de thermodynamische grens voor kernvorming bereikt is en stelt aldus een einde aan de slapende periode. Volgens deze theorie vormt het eerstgevormde C-S-H geen barrière en vertraagt de reactie hier dus niet door. De slapende periode wordt dan ook opgeheven door de vorming van een nieuw product (tweede C-S-H) en niet door het doorbreken van een barrière waarop de eerste twee theorieën wel berusten.

    Eens de slapende periode beëindigd is, wordt de snelheid van de hydratatie bepaald door de snelheid waarmee het ongehydrateerde C3S in oplossing gaat. De ionen migreren weg van het oppervlak en slaan neer in de oplossing. De vrije ruimte wordt steeds meer opgevuld en deze neemt gradueel af. Op deze wijze wordt de hydratatie een meer en meer diffusiegecontroleerd proces.

    2.1.3.1.4 Microstructuur van gehydrateerd C3S De gehydrateerde pasta is een poreus materiaal bestaande uit open poriën met variabele grootte. Reeds enkele seconden na het contact met water zijn de eerste hydratatieproducten waarneembaar. De eerstgevormde producten hebben een vezel- of bladachtige structuur. Na verloop van tijd zijn de gevormde producten echter dichter gepakt en vormloos. De C-S-H fase in een uitgeharde pasta is niet gelijkmatig verdeeld. Immers, het product dat wordt gevormd binnen de originele korrelgrens, het inner-product, is dens en vertoont weinig structuur. Het outer-product daarentegen, gevormd in de ruimte aanvankelijk met water gevuld, heeft een vezelachtige structuur en is veel minder dens. Dit alles is te zien in Figuur 9. Het CH slaat neer onder de vorm van grote kristallijne deeltjes in de ruimte die aanvankelijk met water was gevuld.

    Figuur 9: Microstructuur van een gebroken oppervlak van C3S -pasta op verschillende vergrotingen (W/C = 1.00 en 20°C) [5]

  • Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement

    23

    2.1.3.2 C2S Dicalciumsilicaat (C2S – 2CaO ⋅SiO2) heeft verschillende modificaties, waarvan het β-C2S de belangrijkste is. Het β-C2S is een metastabiele modificatie op alle temperaturen. Het kan echter op kamertemperatuur gestabiliseerd worden door vreemde ionen in het kristalrooster te brengen. Een niet gedopeerde vorm van β-C2S wordt gevormd door γ-C2S te verwarmen tot hoge temperaturen en af te schrikken. Het γ-C2S is de enige modificatie van C2S die stabiel is op kamertemperatuur.

    2.1.3.2.1 Kinetica De