DEEL IV STEENACHTIGE MATERIALEN: Beton, Metselwerk, Glas en Bodemmaterialen

Transcriptie

1 DEEL IV STEENACHTIGE MATERIALEN: Beton, Metselwerk, Glas en Bodemmaterialen 233

2 "Ceramics hierarchy" Uit: Open University, England. Cursus Materials 234

3 6 BETON 6.1) 6.1 Inleiding Algemeen: Beton is één van de belangrijkste constructiematerialen in de bouw en in de civiele techniek. Per jaar wordt in Nederland zo'n 15 miljoen m 3 beton gemaakt. Hiervoor wordt circa kg cement gebruikt en circa kg toeslagmateriaal. Beton is er voor vloeren, plafonds, kolommen, straatbedekking, bruggen, tunnels, rioolbuizen, waterzuiveringinstallaties, elektriciteitscentrales, opslagplaatsen van chemisch afval, inbedmateriaal voor radioactief afval, etc. Het is er van een lage druksterkte van 10 MPa tot een hoge druksterkte van 120 MPa. Zonder staal zou beton echter een veel minder prominente plaats innemen in constructieland". Het is het verbond tussen staal en beton (gewapend beton) dat beton zijn vooraanstaande positie heeft gebracht. Beton is een materiaal met een hoge druksterkte maar een relatief lage treksterkte. Bij het construeren in beton wordt zelfs aangenomen dat beton helemaal geen treksterkte heeft. Staal in het beton zorgt ervoor dat gewapend beton trekkrachten kan opnemen. Het beton blijkt daarbij staal perfect te beschermen tegen corrosie. Een slimme uitbreiding van de mogelijkheden van gewapend beton is in deze eeuw de vinding van het voorgespannen beton geweest. Het beton wordt hier door het voorspanstaal onder druk gezet. Bij trekbelastingen moet nu eerst de drukspanning worden afgebouwd voordat het beton onder trekspanning komt. Voorgespannen beton vindt in nog steeds toenemende mate een belangrijke plaats in bruggenbouw, in vloeren, in reservoirs, in spoorwegliggers, etc. Samenstelling: 6.2) Beton bestaat uit cementsteen, (cementpasta), toeslagmateriaal (Engels: aggregates), (vrij) water en lucht (air). Passen we betonstaal toe, dan spreken we van gewapend beton. Cementsteen wordt gevormd uit de reactie van cement met water. Bij deze reactie ontstaat een vaste stof, de cementsteen. Deze vaste stof kit het toeslagmateriaal aaneen. Het woord cement betekent dan ook "kit". Niet al het water in beton blijkt met cement te reageren. Het niet gereageerde water blijft dan achter als zogenaamd vrij water. Het bevindt zich in de poriën. De reactie van cement met water en de zich vormende microstructuur komen aan de orde in paragraaf Naast cement kunnen ook reactieve vulstoffen (Engels: additives) mede tot het bindmiddel behoren. Het zijn stoffen die door cement geactiveerd worden en soms met cementreactie- producten reageren. Ze worden besproken in paragraaf Een belangrijke grondstof van beton is water; het is één van de reactiecomponenten, samen met cement geeft het de cementsteen. Het grootste deel van beton bestaat uit toeslagmateriaal. Van 250 μm (wordt in de toekomst 125 μm) tot 4 mm spreken we over fijn toeslagmateriaal (zand). Vanaf 4 mm is er het grof toeslagmateriaal. In Nederland is de maximale korrel in beton, zoals die genormeerd is, 31,5 mm. Heel belangrijk is de korrelopbouw. De verschillende soorten toeslagmateriaal en de korrelopbouw komen in paragraaf ) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", Hoofdstuk 15, blz. 421 e.v. Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", Hoofdstuk 7, blz ) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", : t/m

4 Een onvermijdelijk bestanddeel van beton is lucht. Bij het vervaardigen van beton wordt in het algemeen veel aandacht besteed aan het uitdrijven van lucht. Echter ook na zeer goed verdichten blijven er altijd wel wat luchtinsluitsels in het beton achter. Deze hebben een verzwakkend effect op het beton. Evenals water heeft lucht geen sterkte. Soms wordt lucht echter moedwillig ingebracht, met name als het gaat om het verhogen van de vorstdooi(zout)bestandheid. Kleine luchtbelletjes, die homogeen verdeeld zijn in beton met afstanden kleiner dan enige tienden van mm's, blijken als expansievaatjes" voor vormend ijs te kunnen functioneren en daarmee de vorstdooibestandheid te verbeteren. Deze luchtbelletjes worden verkregen met zogenaamde luchtbelvormers; dit zijn middelen die kleine luchtbelletjes stabiliseren. Deze luchtbelvormers behoren tot de hulpstoffen. Er zijn meer hulpstoffen (admixtures), die in beton worden gebruikt, zoals bijvoorbeeld plastificeermiddelen die de verwerkbaarheid verbeteren, maar ook gebruikt kunnen worden om de watercementfactor (= water/cement in kg/kg) te verlagen. Er zijn er middelen die de cementreacties kunnen versnellen of vertragen. In paragraaf zullen deze en vele andere hulpstoffen nader aan de orde komen. Terminologie: 3) De nomenclatuur van de verschillende combinaties van materialen die samen beton vormen, is weergegeven in tabel Tabel Nomenclatuur. Materialen Onverhard (Engels: non-set) Verhard (Engels: set) cement + water cementpasta (of cementlijm) Engels: cement paste cementsteen (inclusief micro poriën). Engels: hardened cement cement + water + zand cement + water + zand + grind b) mortelspecie (dus cementpasta + zand) Engles: mortar betonspecie (dus mortelspecie + grind) Engels: fresh mortar paste) mortel a) Engels: hardened mortar beton (dus mortel + grind) Engels: concrete a) Soms wordt ook wel het woord "mortel" of "betonmortel"gebruikt voor betonspecie (bijvoorbeeld bij het woord betonmortelleverancier). b) Meestal wordt als grove fractie riviergrind gebruikt, maar niet altijd. Men maakt ook wel gebruik van gebroken steenslag, zeegrind dan wel korrels van gebroken (gerecycled) beton. In dit hoofdstuk wordt aan de betontechnologie (grondstoffen, betonvervaardiging) meer aandacht besteed dan bij de meeste andere materialen, omdat beton veelal ter plaatse wordt gemaakt en niet altijd in gerede vorm (betonproduct) de bouwplaats bereikt. 6.3) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz

5 6.2 Grondstoffen Cement Onder cement verstaan we een bindmiddel welk met water reageert tot niet wateroplosbare vaste verbindingen. We noemen dit soort bindmiddelen "hydraulische bindmiddelen". Soorten: 6.4) De drie belangrijkste cementsoorten voor Nederland zijn hoogovencement (CEM III/A en B, Engels: "blast furnace slag cement"), portlandcement (CEM I) en portlandvliegascement (CEM II/B-V, Engels:"Portland fly ash cement"). Eisen voor deze cementen waren vroeger opgenomen in de Nederlandse norm NEN 3550 en tegenwoordig in de Europese norm ENV Cement (die nu voor heel Europa is vastgesteld). Mondiaal gezien is portlandcement verreweg het meest belangrijke cement. In Nederland heeft echter hoogovencement het grootste marktaandeel. Samenstelling cement: Portlandcement wordt vervaardigd uit kalksteen, aluminiumoxide-, siliciumoxide- en ijzeroxidehoudende verbindingen. In Nederland wordt portlandklinker gemaakt in Maastricht. De grondstoffen zijn onder andere mergel, zwavel (leem), poederkoolvliegas, leisteen en hoogovenslak. Deze grondstoffen gaan in poedervorm in een oven en worden gesinterd tot een klinker. De klinker bevat kristallijne verbindingen (mineralen) die met water kunnen reageren tot cementsteen. De belangrijkste mineralen zijn aliet (3CaO).SiO 2 (tricalciumsilicaat), beliet (2CaO).SiO 2 (bicalciumsilicaat), (3CaO).Al 2 O 3 (tricalciumaluminaat) en celiet (4CaO).Al 2 O 3.Fe 2 O 3 (tetracalciumaluminaatferriet. In de cementchemie kort men deze mineralen af als resp. C 3 S, C 2 S, C 3 A en C 4 AF. De portlandklinker wordt vervolgens samen met gips (CaSO 4.2H 2 O calciumsulfaat-dihydraat) en/of anhydriet (calciumsulfaat CaSO 4 ) gemalen tot cement. Hoogovencement (blast furnace slag cement), bestaat uit een mengsel van gemalen portlandklinker, anhydriet (calciumsulfaat) en gegranuleerde hoogovenslak. In Nederland zijn hoogovencement en portlandvliegascement erg populair. Hoogovencement heeft ongeveer een marktaandeel van 60%. De oorzaken van dit hoge marktaandeel van deze ten dele op reststoffen gebaseerde cementen ten opzichte van portlandcement zijn enerzijds de productiekosten die lager zijn. Anderzijds ook de ten opzichte van portlandcement op sommige punten betere eigenschappen (zie verderop in dit hoofdstuk). Er zijn ook nog enkele andere specifieke cementtypen in omloop in Nederland zoals trasportlandcement, waarbij in de plaats van vliegas tras uit de Eifel, een vulkanisch gesteente wordt gebruikt. Ook wordt witte portlandcement gebruikt voor "schoon beton" toepassingen; dit is een portlandcement waarin geen ijzerhoudende verbindingen aanwezig zijn. Verder werd in het verleden ook aluminiumcement gebruikt, een cement op basis van calciumaluminaten. Figuur 6.2.1a geeft schematisch de procesgang van de cementfabricage aan in de stappen: vervaardiging portlandklinker (figuur a1) vervaardiging portland cement (figuur a2). Figuur 6.2.1b geeft de vervaardiging van hoogovencement en figuur 6.2.1c geeft de vervaardiging van portlandvliegascement. Tabel geeft de voor Nederland belangrijkste cementsoorten en hun samenstelling. De coderingen A, B of C geven een indicatie van het portlandklinker gehalte. 6.4 ) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 428 t/m 470 ( ). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 5.3, blz. 269 e.v. 237

6 Heeft men een CEM II waarbij een andere letter dan "V" is aangegeven, dan heeft men te maken met een andere reactieve toevoeging dan vliegas. De letter P staat voor natuurlijke puzzolanen, Q staat voor gebrande natuurlijke puzzolanen, D slaat op microsilica, S slaat op hoogovenslak, W slaat op calciumhoudende vliegas (de class-c vliegas afkomstig van bruinkoolverbranding). De letter T slaat op leisteen en L op kalksteen. De letter V slaat op vliegas afkomstig van de verbranding van antracietkolen (class-f vliegas). De ze vliegas bevat veel minder calcium dan een class- C vliegas. a1) van: portlandklinker a2) naar: portland cement b) hoogovencement c) portlandvliegascement Figuur Procesgang cementfabricage portland cement (a), hoogovencement (b) en portlandvliegascement (c). 238

7 Tabel De voor Nederland belangrijkste cementsoorten en samenstelling, aangeduid conform NEN-EN a) Benaming Aanduiding % Portlandklinker Andere hoofdbestanddelen in % portlandcement CEM I portlandvliegascement CEM II/A-V CEM II/B-V vliegas (class F: siliciumhoudend) vliegas (class F: siliciumhoudend) hoogovencement CEM III/A CEM III/B CEM III/C gemalen gegranuleerde hoogovenslak gemalen gegranuleerde hoogovenslak gemalen gegranuleerde hoogovenslak a) Alle cementen mogen naast de hoofdbestanddelen tot 5% (m/m) overige bestanddelen bevatten (bijvoorbeeld vulstoffen). Daarnaast bevatten de cementen tot ongeveer 5% gips of anhydriet. Cementklassen: De Europese norm NEN-EN (vroeger de Nederlandse norm NEN 3550) deelt cement naast in samenstelling ook in sterkteklassen in, zie tabel De getallen 32,5; 42,5 en 52,5 slaan op de normdruksterkte in MPa bepaald volgens NEN-EN 146-1, na 28 dagen verharden in een geconditioneerd waterbad met kalkwater (dus bij constante temperatuur van ongeveer 21 o C). De normdruksterkte is nu de gemiddelde sterkte van de mortel na het uitvoeren van een aantal druksterkteproeven (met een samenstelling van 1 deel cement : 3 delen normzand : 0,5 deel water). Men maakt prisma's 4x4x16 cm van deze mortels en kan dan twee druksterke metingen per prisma uivoeren (na de bepaling van de buigtreksterkte houdt men immers twee helften over). In wezen bepaalt men dus de kubusdruksterkte van een kubusje 4x4x4 cm 3. Maakt men drie prisma's, dan kan men dus 6 drukproeven uitvoeren (met de mallen die men gebruikt om de prisma's te maken, kan men in één keer drie prisma's maken). Bij de cementfabriek wordt dagelijks de sterkte van het cement gemeten. In elke sterkteklasse kan een onderscheid worden genoemd in een lage, een normale of een hoge beginsterkte. In het laatste geval wordt de letter R (van "rapid") gebruikt. Cement met een lage beginsterkte krijgt de toevoeging L. Een cement met een normale beginsterkte krijgt de toevoeging N. Tabel Mechanische en fysische eigenschappen (c.q. eisen) op hoofdlijnen volgens NEN-EN en NEN Sterkteklasse Druksterkte in N/mm 2 (gemiddelde sterkte) Beginsterkte na: Normsterkte na 28 dagen 2 dagen 7 dagen 32,5 L ,5 N ,5 en 52,5 32,5 R 10-42,5 L ,5 N 10-42,5 en 62,5 42,5 R 20-52,5 L 10-52,5 N 20-52,5 52,5 R 30 - Bij portlandcement is het verschil tussen de verschillende sterkteklassen voor en belangrijk deel te wijten aan de fijnheid van het cement. De fijnheid van cement wordt uitgedrukt in het specifiek oppervlak; dit is het oppervlak van alle cementdeeltjes per eenheid van massa, bijvoorbeeld 300 m 2 /kg (voor een normaal portlandcement). Hoe fijner gemalen hoe sneller de reactie optreedt. Snelhardende cement kan van nut zijn wanneer het uit economische redenen aanbevelingswaar- 239

8 dig is om zo snel mogelijk te ontkisten, voor te spannen, etc. Anderzijds geeft een snelhardende cement een snelle warmte-ontwikkeling. De reactie tussen cement en water is namelijk exothermisch, dat wil zeggen dat er warmte vrij komt. Hoe sneller de reactie verloop des te sneller de warmte vrijkomt. Als gevolg hiervan kan de temperatuur oplopen en neemt de kans op scheurvorming toe, met name bij afkoelen, zie paragraaf Eigenschappen: De drie meest gebruikte cementen verschillen aanzienlijk in eigenschappen. In het algemeen blijkt beton dat vervaardigd is met de mengcementen, hoogovencement of portlandvliegascement, dichter te zijn dan beton vervaardigd met portlandcement. De poriën in beton, via welke agressieve stoffen kunnen binnendringen, zijn bij hoogovencement en ook bij portlandvliegascement fijner dan bij portlandcement (op de lange duur). Dit leidt ertoe dat de duurzaamheid in het algemeen beter is, zoals een betere weerstand tegen sulfaten, een hogere weerstand tegen indringing van chloride-ionen, minder gevoelig voor alkali-silica-reactie e.d. Kortom met betrekking tot duurzaamheid zijn in het algemeen hoogoven- en portlandvliegascement te prefereren. Hier komen we nog op terug in paragraaf 6.7 over duurzaamheid. Deze cementen ontwikkelen ook minder snel warmte dan portlandcement. Figuur laat de warmte-afwikkeling van portlandcement en hoogovencement zien. De gevoeligheid voor scheurvorming bij hoogovencement als gevolg van warmteontwikkeling en afkoelen is daardoor in het algemeen minder. Hier tegenover staat dat de sterkte-ontwikkeling minder snel verkoopt, waardoor de ontkisting minder snel kan geschieden en er ook een grotere gevoeligheid is voor de kwaliteit van de nabehandeling. Op dit laatste aspect komen we verderop in dit hoofdstuk nog terug. In de figuur zijn weergegeven: Hoogovencement CEM III/A 42,5 (met minder dan 65% hoogovenslak), CEM III/B 42,5 met meer dan 65% hoogovenslak) en portlandcement CEM I 32,5 R (vroeger pc A genoemd), CEM I 42,5 R (vroeger pc B genoemd) en CEM I 52,5 R (vroeger pc C genoemd). Figuur Vrijkomende warmte bij hydratatie onder isotherme omstandigheden bij diverse cementen. 240

9 Met betrekking tot portlandvliegascement kan men stellen dat de warmte-ontwikkeling van het cement mm of meer tussen dat van portlandcement en hoogovencement in ligt. In tabel is een overzicht gegeven van verschillen in eigenschappen tussen portlandcement en hoogovencement. Tabel Enkele verschillen tussen portlandcement en hoogovencement. Eigenschap Portlandcement (pc) Hoogovencement (hoc) vrije kalk ontwikkeling (zie hydratatie) veel minder en daardoor i.h.a beter bestand tegen aantasting hydratatie warmte snellere warmte-ontwikkeling dan bij hoc.vooral voordeel in de wintertijd eventueel hoc met een fijnere maling gebruiken (in koude omstandigheden) temperatuurinvloed kleiner dan hoc op hydratatie hier wat groter, voordeel bij stomen van beton (in de wintertijd); tussen 5 en 10 o C enige sulfaatweerstand meer sulfaatgevoelige bestanddelen (zoals vrije kalk) dan in hoc en op de lange duur minder dichte cementsteenstructuur minder door minder dichte cement- vertraging groter dan bij pc, vooral bij hoog percentage slak weerstand tegen chlorideindringinsteenstructuur beter door dichte cementsteenstructuur (op de lange duur) gevoeligheid voor nabehandeling minder door snellere hydratatie slechter door langzame hydratatie kleur van een vers breukvlak grijs donkerblauw, verdwijnt na enige tijd als gevolg van oxidatie van ijzersulfide Carbonatatie (ook wel carbonatie genoemd) langzaam (als het beton goed gemaakt en verdicht is) gevoeliger voor carbonatatie dan pc (hoc moet goed nabehandeld worden) Milieuprofiel: 6.5) Het gebruik van reststoffen uit andere kringlopen dan die van cement en beton, maakt de milieubelasting van portlandvliegascement en vooral hoogovencement belangrijk geringer dan die van portlandcement, zie figuur van het milieuprofiel tot en met de cementproductie. Door gebruik van reststoffen worden de benodigde energie en grondstoffen verminderd; sterk vermindert ook de CO 2 uitstoot. De nieuwe richtlijnen ten aanzien van CO 2 uitstoot zullen naar alle waarschijnlijkheid gevolgen hebben voor de kosten van o.a. cement. 6.5) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 424 t/m 427 van het boek ( : t/m ). 241

10 pc hoc grondstoffenbehoefte energie (MJ) emissies afval Figuur Relatieve milieumaten portlandcement (a) en hoogovencement (b) van winning tot en met de productie ( from cradle to gravel'). Portlandcement is op 100% gesteld en hoogovencement wordt daarmee vergeleken Toeslagmaterialen 6.6) Soorten: Grof toeslagmateriaal kan men onderscheiden naar herkomst en naar volumieke massa. Naar herkomst onderscheiden we natuurlijk toeslagmateriaal en kunstmatig toeslagmateriaal. Natuurlijk materiaal kan via natte winning (riviergrind en zeegrind) dan wel via droge winning (gebroken natuursteen en bergzand) verkregen worden. Kunstmatig toeslagmateriaal is bijvoorbeeld betonen menggranulaat (combinatie van betongranulaat en metselwerkgranulaat) alsmede lichtgewichttoeslagmateriaal (geëxpandeerde klei c.q. mijnsteen, gesinterde vliegas e.d.). In Nederland kennen we een aantal typen toeslagmateriaal welke veel in beton worden toegepast. De toeslagmaterialenmarkt in Nederland is daarbij nogal aan veranderingen onderhevig. Vroeger werden uitsluitend riviergrind en zand (engels: rivergravel' resp. riversand') gebruikt. Nu komen, doordat geen nieuwe concessies meer worden gegund, andere materialen op de markt. Enerzijds gaat dit om import van grind uit het buitenland, maar het betreft ook andere toeslagmaterialen dan riviergrind, zoals zeegrind, gebroken kalksteen, gebroken graniet, lava, etc. Bovendien wordt het hergebruik van bouw- en sloopafval sterk bevorderd: "Beton uit beton"! Het sluiten van stofkringlopen is één van de hoofdthema's van het Nederlands Nationaal Milieubeleidsplan. 6.6) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 423, 424, 435 t/m 436 ( : en Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 6.10, blz. 315 e.v. 242

11 Voor al deze toeslagmaterialen geldt dat zij moeten voldoen aan normen. Zo kennen we de Nedelandse norm NEN 5905 voor riviergrind en zand. Inmiddels geldt de Europese norm NEN-EN (voor alle harde dichte toeslagmaterialen). Grove lichte toeslagmaterialen moeten voldoen aan NEN-EN en NEN Tevens zijn toegestaan beton- en menggranulaat. Hiervoor zijn speciale CUR-Aanbevelingen (Civieltechnisch Centrum voor de Uitvoering van Research en Regelgeving -CUR, te Gouda-) opgesteld terwijl ook NEN 5905 ingaat op deze materialen. De CUR heeft ook Aanbevelingen gepubliceerd voor gebroken kalksteen, gebroken graniet en lichte toeslagmaterialen vervaardigd uit poederkoolvliegas (Lytag en Aardelite ). In vele landen is overigens het gebruik van andere toeslagmaterialen dan riviergrind ook voor de hoogste sterkteklassen gebruikelijk. Voor zeer hogesterktebeton is het aan te bevelen om met sterkere materialen dan grind te werken. Indeling naar gewicht: Toeslagmaterialen worden behalve naar vorm ook ingedeeld naar gewicht. Normale toeslagmaterialen hebben een schijnbare volumieke massa van 2000 tot 2800 kg/m 3, en zware één die groter is dan 2800 kg/m 3. Lichtgewicht toeslag heeft een volumieke massa kleiner dan 2000 kg/m 3. Tabel geeft een overzicht van verschillende typen toeslagmateriaal. Tabel Eigenschappen van een aantal gangbare grove toeslagmaterialen. Waterabsorptie na 30 Grof toeslagmateriaal Volumieke massa (na Korrelsterkte (N/mm 2 ) drogen) in kg/m 3 minuten onder water (% m/m) Lichte toeslagmaterialen (dus sterk poreus) vallend onder NEN-EN en NEN 3543: Argex ,7-9,9 EXclay ,5 Liapor ,2-17 Normaal dicht toeslagmateriaal vallend onder NEN-EN en NEN 5905: Riviergrind ,8-1, Porfier ,4-0, Gabbro/dioriet ,0-1, Harde kalksteen ,9-1, Zandsteen/kwartsiet ,2-1, Basalt gering Graniet ,5-0, Zware toeslagmaterialen (andere voorbeelden zijn bariet en ferrosilicium) vallend onder NEN-EN en NEN 5905: Hematiet Magnetiet Korrelverdeling: De korrelopbouw van toeslagmateriaal in beton is van groot belang. Hoe beter de korrelopbouw, des te minder cement en water nodig zijn. Dit is niet alleen van belang voor de prijs van beton, maar ook voor allerlei eigenschappen, zoals de mate van droogkrimp, de kruip en de effecten op het milieu. In het algemeen wordt met een continue korrelverdeling gewerkt. Een continue korrelverdeling vraagt overigens wel wat meer cement en water dan wanneer een discontinue korrelverdeling wordt gekozen. In dat laatste geval kunnen de korrels nog dichter bij elkaar worden gebracht, zodat de ruimte ertussen, die moet worden opgevuld met cement en water, kleiner is. Het nadeel is echter dat discontinue mengsels zich moeilijker laten verdichten en bovendien bij transport eerder ontmengen. Verder komt in de natuur in het algemeen materiaal met een continue 243

12 verdeling voor; afzeven tot een discontinue verdeling zou verspilling van materiaal betekenen. In figuur is een continue en een discontinue korrelverdeling van een toeslagmateriaal te zien. In de Nederlandse Voorschriften Betontechnologie zijn grenswaarden voor de korrelverdeling van toeslagmateriaalmengsel in beton aangegeven; zie voor een nominale korrel van 11,2 mm respectievelijk van 31,5 mm figuur (nominale korrel 31,5 mm is de korrel die nog juist door een zeef van 31,5 mm heen gaat; dus in wezen de grootste korrel in het aggregaatmengsel). De korrelgebieden I zijn te prefereren boven de gebieden II. In ieder geval dient de mengselcurve tussen de bovenste en de onderste lijn te liggen. Figuur Continue en discontinue korrelverdelingen. In de voormalige Nederlandse betonnorm werden in het geval van gebied II dan ook iets andere eisen gesteld aan de betonsamenstelling; o.a. een hoger minimum cementgehalte. Hoe groter de nominale korrel die gebruikt wordt, des te minder fijn materiaal kleiner dan 250 μm nodig is om de ruimte tussen de toeslagmateriaalkorrels op te vullen. Dat betekent dat dan des te minder cement en vulstoffen nodig zijn, zie figuur 4.6. In de nieuwe Europese betonvoorschriften vinden we alleen nog een eis terug ten aanzien van het luchtgehalte als men luchtbelvormers moet toepassen, waarbij het luchtgehalte dan afhangt van de grootste korrel in het mengsel(tabel E in NEN 8005). In de huidige betonvoorschriften is het minimum cementgehalte een functie van het milieu waarin het beton geplaatst wordt (dezelfde tabel E in NEN 8005). Overigens moet benadrukt worden dat de in figuur gegeven grenslijnen voor de korrelverdeling gemaakt zijn voor riviergrind. Wanneer we te maken hebben met andere toeslagmaterialen zoals lichte, dan moet een correctie plaatsvinden voor de lagere volumieke massa. 244

13 a) Ontwerpgebied voor korrelgroep 0/11 mm In de huidige van toepassing zijnde normen NEN-EN en NEN 8005 zijn geen eisen opgenomen ten aanzien van de korrelopbouw van het toeslagmaterialenmengsel. Het verdient wel aanbeveling om het mengselontwerp af te stemmen op de curven zoals hier zijn aangegeven. Men onderscheidt grafieken voor de nominale korrels van 8, 11, 16, 22, 32 en 64 mm. b) Ontwerpgebied voor korrelgroep 0/32 mm Figuur Grenslijnen voor korrelgroep 0-11,2 en 0-31,5 mm (Vroeger was dit volgens de Nederlandse Betonvoorschriften NEN5950). 245

14 ' Figuur Fullerkrommen voor drie nominale korrelverdelingen: Hoe groter de nominale korrel, des te minder materiaal < 0,250 mm nodig is. Korrelvorm: Ook maken we onderscheid naar de vorm van de toeslagmateriaaldeeltjes, zoals rond en gebroken materiaal. In de norm komt men begrippen tegen als "kubiciteit" en gehalte aan platte stukken. De beproevingmethoden voor de korrelvorm vindt men terug in NEN-EN 933. Gebroken materialen met een onregelmatig oppervlak blijken in het algemeen meer cement en water te vragen dan ronde toeslagmaterialen. Dit is ook wel begrijpelijk doordat de weerstand tussen de korrels bij verwerken uiteraard groter zal zijn. Er is dus meer "smeermiddel" nodig om een goede verwerkbaarheid te krijgen. Vooral de korrelvorm van het fijne toeslagmateriaal (<4 mm) is daarbij van belang. Anderzijds leidt een onregelmatig oppervlak tot betere aanhechtingmogelijkheden van de cementsteen zodat de treksterkte van beton in dat geval veelal wat beter is bij eenzelfde druksterkte. Voor het constructieve ontwerp heeft dat echter geen gevolgen, omdat de treksterkte van beton bij de berekening van gewapende betonconstructies niet mag worden meegenomen. Verontreinigingen: 6.7) Toeslagmaterialen moeten vrij zijn van storende verontreinigingen. De verschillende normen en richtlijnen geven hier allerlei eisen voor. Zo moet voor riviergrind en -zand het humusgehalte en het gehalte aan kleideeltjes beperkt blijven. Voor zeegrind stelt men met name stringente eisen aan het chloridegehalte. Immers dat kan corrosie van wapening veroorzaken, zoals we nog zullen zien. Bij bouw- en sloopafvalgranulaat zijn er eisen met betrekking tot de hoeveelheid nevenbestanddelen, zoals glas en dergelijke. Belangrijk is ook dat in sommige materialen alkali-reactieve bestanddelen kunnen voorkomen. Dit zijn meestal glasachtige bestanddelen die via een vrij ingewikkeld proces tot een destructieve zwelling kunnen leiden waardoor het beton scheurt. Deze verontreinigingen moeten worden vermeden. Meestal kan men niet van verontreiniging spreken, maar betreft het een integraal bestanddeel van het betreffende gesteente. Bij gebruik van hoogovencement en ook portlandvliegascement blijkt de kans op een dergelijke reactie overigens klein, zie verder paragraaf 6.7 over duurzaamheid. 6.7) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials"; blz. 435, :

15 Eigenschappen: Voor de gebruikelijke betonklassen blijkt dat voor de natuurlijke gesteenten, zoals grind en graniet e.d., de sterkte van het toeslagmateriaal niet zo belangrijk is voor de druksterkte van beton. De zwakste schakel betreft de cementsteen en deze bepaalt grotendeels de eigenschappen. Bij lichte toeslagmaterialen kan dit anders worden. Bij hogere betonsterkten kan blijken dat deze minder sterk worden dan de cementsteen. Toeslagmaterialen hebben in het algemeen een hogere elasticiteitmodulus en verhogen daardoor de elasticiteitmodulus van beton ten opzichte van die van cementsteen. Dat verkleint de vervormingen bij belasting, waaronder externe belastingen, maar ook die bij droogkrimp van de cementsteen, zie verder de paragrafen en Lichte toeslagmaterialen hebben uiteraard het voordeel dat ze tot lichter beton leiden. Met name bij toepassingen waar het eigen gewicht van groot belang is, kan dit van groot belang zijn. Toeslagmaterialen kunnen ook worden gebruikt om specifieke doeleinden te bereiken. Zo zal bijvoorbeeld bij uitgewassen beton voor zogenaamde schoonbeton-toepassingen de kleur van het toeslagmateriaal van belang zijn. Bij betontoepassingen waar de slijtvastheid van belang is, zal een slijtvast toeslagmateriaal zinvol kunnen blijken. Dit geldt ook bij toepassingen van beton in de wegenbouw waar de polijstweerstand van belang is. In de deklagen wordt daarom met gebroken grind gewerkt, wat een goede polijstweerstand heeft. Bij gebruik van lichte toeslagmaterialen zal de porositeit van het beton groter zijn dan bij natuurlijke toeslagmaterialen, omdat uiteraard de korrel zelf poreus is. Nochtans hoeft dit niet te leiden tot een directe toename van de permeabiliteit. De ruimten waarin de lichte poreuze toeslagmateriaalkorrels zich bevinden, zijn niet rechtstreeks met elkaar verbonden. Bovendien blijken lichte toeslagmaterialen vaak een zeer goede binding met de cementsteen te hebben, terwijl bij materialen als grind er een vrij poreuze overganglaag aanwezig is, via welke transport van water, zouten, etc. kan plaatsvinden, zie paragraaf Hulpstoffen 6.8) Bij de samenstelling van beton kunnen ook hulpstoffen worden gebruikt. Hulpstoffen kunnen als doel hebben om de eigenschappen van de betonspecie en/of van het verharde beton te verbeteren. Het zijn stoffen die als regel in hoeveelheden kleiner dan 5% m/m van de cementhoeveelheid worden toegevoegd aan de betonspecie. De meest gebruikte hulpstoffen zijn plastificeermiddelen (Engels: plasticizers), luchtbelvormers (Engels: air entrainers agents -AEA-), vertragers (engels: retarders) en versnellers (Engels: accelerators). In NEN-EN 480 worden eisen gesteld aan de hoofdwerking in relatie tot een referentiebetonspecie. De norm voor hulpstoffen voor beton is de Europese norm NEN-EN Plastificeermiddelen: De naam plastificeren geeft al aan dat door toevoeging van deze hulpstof het mengsel plastischer wordt. De verwerkbaarheid neemt toe; het mengsel wordt als het ware vloeibaarder. Wanneer men de vloeibaarheid c.q. verwerkbaarheid gelijk houdt, kan men deze hulpstof gebruiken om minder water toe te voegen. Dit leidt er bij eenzelfde cementgehalte toe dat de watercement verhouding, de water/cementfactor, wordt verlaagd. Zoals we in paragraaf 6.6 zullen zien, is dit van groot belang voor de sterkteontwikkeling en dat is het ook voor de duurzaamheid. Minder water 6.8) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 436 t/m 438 ( :15.2.7). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf , blz. 323 e.v. 247

16 betekent ook minder krimp, zie paragraaf Kortom, de eigenschappen van het beton worden verbeterd. Bij gewone plastificeermiddelen bedraagt de waterreductie 5 tot 10%. Naast gewone plastificeermiddelen zijn de zogenaamde superplastificeermiddelen (Engels: superplasticizers, high-range-waterreducers) sterk opgekomen. Hiermee kan zelfs 15 tot 30% water bespaard worden. Het percentage water, dat bespaard kan worden, is afhankelijk van het type hulpstof, maar ook van de soort cement, de temperatuur van de specie en het tijdstip van verwerking na de menging. De werking van de plastificeerders is schematisch voorgesteld in figuur afzonderlijke deeltjes groepjes deeltjes omringd door water "uitgevlokte" pasta "gedispergeerde" pasta Figuur Schematische voorstelling van de werking van een superplastificeerder. Het plastificeermiddel wordt aan het oppervlak van de cementdeeltjes geadsorbeerd. De cementdeeltjes hebben oorspronkelijk een gevarieerde lading waardoor ze elkaar aantrekken. Als gevolg van dat aantrekken, ballen ze samen en vormen conglomeraten, welke veel water vasthouden. Water dat niet meer als vloeimiddel kan functioneren. Plastificeermiddelen geven nu de cementdeeltjes allemaal eenzelfde lading. De cement- deeltjes stoten elkaar daardoor af. We krijgen dan een veel betere dispersie van de vaste stofdeeltjes, waarbij het water beschikbaar blijft als vloeimiddel. Luchtbelvormers: Voor de milieuklassen XF2 (niet-volledig verzadigd met water in combinatie met dooizouten voor verticale oppervlakken van wegconstructies blootgesteld aan vorst en verstoven dooizouten) en XF4 (verzadigd met water met dooizouten of zeewater, wegen, brugdekken, spatzones van constructies in zee blootgesteld aan vorst) van NEN-EN wordt vereist dat het luchtgehalte bij een nominale korrelgrootte van 31,5 mm tenminste 3,5% moet zijn (te verkrijgen via een luchtbelvormer). In de Nederlandse norm NEN 5950 wordt gesteld dat wanneer de watercementfactor kleiner is dan 0,45 is, er geen luchtbelvormer behoeft te worden toegepast (omdat er in het Nederlandse klimaat bij ervaring gesteld kan worden dat dan geen vorstschade op zal treden bij zo'n lage watercementfactor). In de Europese norm komt deze uitsluitingregel echter niet voor. Nu kan bij slecht verdichten gemakkelijk 3,5% lucht of meer in het beton achterblijven. De kunstmatig ingebrachte luchtbelletjes door de luchtbelvormer dienen echter zo klein mogelijk te 248

17 zijn. In het algemeen moeten het belletjes zijn van 0,05 tot 0,1 mm. De Duitse norm DIN 1045 stelt dat er tenminste 1,5% luchtbellen kleiner dan 0,3 mm moeten zijn (men kan dit overigens alleen bepalen via visuele metingen aan geslepen oppervlakken met behulp van "image analysing technieken", zie figuur De luchtbelletjes dienen om de vorstdooibestandheid te verhogen. Ze werken als het ware als expansievaatjes. We komen daar in paragraaf over duurzaamheid nog op terug. Ze hebben echter ook een smerend effect en verbeteren daarmee de verwerkbaarheid. Ze werken als het ware als een plastificeermiddel (kogellagereffect), hoewel de aard daarvan heel anders is dan van de middelen die hiervoor besproken zijn. De luchtbelvormende hulpstof zorgt er voor dat de luchtbelletjes stabiel blijven. Normaal wordt immers bij het vervaardigen van beton alle mogelijke moeite gedaan om lucht uit te drijven. Overigens moeten we wel beseffen dat iedere procent lucht tot ruwweg 5% druksterkteverlies leidt! In buitenlandse normen wordt naast het luchtgehalte nog een eis gesteld aan de afstand tussen de luchtbelletjes. Gebleken is namelijk dat, wil de functie als expansievaatje aanwezig zijn, de afstand tussen de luchtbelletjes kleiner dan 0,2 mm moet zijn. Men gebruikt daarvoor de "afstandsfactor". In figuur is het begrip afstandsfactor door middel van een illustratie gedefinieerd. Figuur Afstandsfactor; dit is de maximale afstand van een willekeurig punt in de cementsteen tot een luchtbel. Vertragers: Een andere hulpstof voor cement zijn vertragers. Met name als het warm is, of als de specie van ver moet komen en lang verwerkbaar moet blijven, kan het gebruik van vertragers noodzakelijk zijn. Vertragers worden ook gebruikt in metselspecies, de zogenaamde natte prefab species. Daar komen we in het volgende hoofdstuk nog op terug. Goede vertragers moeten alleen de bindtijd vertragen; dat wil zeggen de verwerkbaarheidsperiode wordt verlengd, daarna verloopt de cement-reactie relatief snel. Figuur geeft aan wat voor effecten bereikt kunnen worden met een vertrager op basis van een lignine sulfonaat. Dit is zowel een vertrager als een plastificeerder. 249

18 1. Goed verwerkbaar. 2. Nog net verwerkbaar. 3. Kan niet meer getrild worden. 4: Sterkte is 10 N/mm 2 (druksterkte nodig voor ontkisten). 5: Tijdstip waarop dezelfde sterkte als die van het blanco beton bereikt is. Figuur Effect van vertrager (lignosulfonaat) op een aantal eigenschappen. Versnellers: Tegenover de vertragers vindt men de versnellers. Deze worden vooral gebruikt wanneer een hoge productiesnelheid gewenst is. In het verleden, tot ongeveer begin zeventiger jaren, zijn op grote schaal chloriden gebruikt. Calciumchloriden en natriumchloride blijken de cementreactie flink te kunnen versnellen; bijvoorbeeld om een druksterkte van beton te bereiken van 6 MPa was zonder calciumchloride 50 uur benodigd bij 5 C, respectievelijk 15 uur bij 25 C, met 1% calciumchloriden bij 5 C: 32 uur, bij 25 C: 11 uur. Echter, bij te hoge chlorideconcentraties kan corrosie optreden van wapening. Hiermee zijn grote problemen ontstaan, zie paragraaf over duurzaamheid. Daarom is tegenwoordig nog maar een laag chloridegehalte in gewapend beton toegestaan, terwijl bij voorgespannen beton het gebruik geheel verboden is. Er bestaan ook versnellers die niet op chloridebasis zijn; bijvoorbeeld die op basis van natriumforminaat en -thiocyanaat. Sommige van die hulpstoffen blijken echter ook corrosie te kunnen initiëren en dienen daarom met voorzichtigheid toegepast te worden. Andere hulpstoffen: Er zijn nog verschillende andere hulpstoffen; bijvoorbeeld middelen die gebruikt kunnen worden om de verdamping van water tegen te gaan, de zogenaamde "curing compounds". Deze worden op het vochtige beton gespoten en vormen als het ware een film die verdamping tegen gaat. Wij komen hier in paragraaf op terug. Verder zijn er stoffen die ertoe leiden dat beton waterafstotend (hydrophobic agents) wordt Vulstoffen 6.9) Vulstoffen worden als regel toegepast in percentages groter dan 5% op de cementmassa. In Nederland worden veel anorganische reststoffen als vulstof gebruikt. Een veel gebruikte reststof is poederkoolvliegas. Hiervoor is er een CUR-Aanbeveling 94: Poederkoolvliegas voor mortel en beton. Zie ook de Europese norm NEN-EN ) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 438 ( :15.2.8). 250

19 Poederkoolvliegas is een puzzolane stof, dat wil zeggen dat ze met kalk en water kan reageren tot watervaste cementerende verbindingen. Naast de puzzolane werking verbetert vliegas ook de korrelopbouw in het fijne gebied (1-100 μm). Poederkoolvliegas mag tot zekere hoogte in rekening gebracht worden op de water/cementfactor en het minimum cementgehalte. Daarmee wordt als het ware de bijdrage van deze toevoegingen tot de sterkte-ontwikkeling erkend. Aan poederkoolvliegas worden stringente eisen gesteld, zoals aan de fijnheid, korrelverdeling, het glasgehalte (moet > 60% zijn), de hoeveelheid resterende koolstof (maximaal 5%) en andere. Van vliegas, welke hieraan voldoet, mag de hoeveelheid vliegas voor 0,2 deel als cement worden beschouwd in geval van combinatie van vliegas met portlandcement; dat wil zeggen cement cement + 0,2 vliegas. Men stelt dat er een zekere "bindmiddelfunctie" aan het vliegas mag worden toegekend onder bepaalde condities, zie tabel Men mag vervolgens rekenen met een cementgehalte van c + k.v en een waterbindmiddelfactor van w/(c+k.v) waar v de hoeveelheid vliegas betekent. De volumieke massa van vliegas (class-f vliegas afkomstig van antracietkolen) is 2250 kg/m 3 en het specifiek oppervlak is in de range m 2 /kg. Tabel Bindmiddelfactor k voor poederkoolvliegas (NEN-EN en NEN-EN 450). Toegepaste cement CEM I 32,5 N en 32,5 R CEM I 42,5 R en hogere cementsterkteklassen CEM III/A voor alle cementsterkteklassen CEM III/B voor alle cementsterkteklassen Bindmiddelfactor k 0,2 0,4 0,2 0,2 Een andere toevoeging voor beton is silica fume, ook wel microsilica genoemd; eveneens een reststof, in dit geval van de siliciumbereiding. Dit is een bijzonder reactief puzzolaan. Het wordt vooral gebruikt voor het maken van hoogwaardig zeer sterk of zeer dicht beton. Evenals vliegas reageert het met kalk tot calciumsilicaathydraten; dat wil zeggen cementerende verbindingen. Doordat het bovendien een verbeterde korrelopbouw geeft in het zeer fijne deeltjesgebied, dat wil zeggen kleiner dan 10 μm, kan een grote mate van verdichting worden bereikt. Het aantal capillaire poriën neemt daardoor af, zie paragraaf Voor offshore constructies, welke van een zeer duurzaam beton gemaakt moeten worden, en voor zeer sterk beton, bijvoorbeeld met een druksterkte van 100 MPa wordt vaak silica fume gebruikt! Deze toevoegingen kunnen uiteraard ook worden gebruikt als bestanddeel van cement. Portlandvliegascement en hoogovencement zijn hier voorbeelden van. Een ander soort toevoeging is die van een polymeer in de vorm van in water gedispergeerde polymeerdeeltjes, de zogenaamde latex. (Ook veel gebruikt als bindmiddel voor verf!) Deze latex wordt gebruikt ter verlaging van de permeabiliteit van beton en kan ook de hechting verbeteren. De fijnheid van de polymeerbolletjes in de latex is van dezelfde grootte-orde als die van silica fume. Na de verdamping en reactie van het vrije water met het cement vloeien de polymeerbolletjes ineen tot een film, waardoor er naast cementsteen ook polymeervorming plaatsvindt. Het polymeer functioneert als toegevoegd bindmiddel. Toepassingen zijn onder andere bij reparatiemortels, bij het maken van dicht beton tegen chloride-indringing in onder andere brugdekken, voor glasvezelversterkt cement en voor geluidsarm zeer open beton als wegdek (in ontwikkeling). 251

20 6.2.5 Water 6.10) De hoeveelheid water in de specie wordt meestal opgegeven in verhouding tot de hoeveelheid cement in kg. Deze verhouding noemt men de water/cementfactor (w/c). Ze wordt uitgedrukt als massa per massa. Is de watercementfactor = 0,4 dan is er op iedere kg cement dus 0,4 kg water. Omdat een cementkorrel ongeveer 3 x zo zwaar is als eenzelfde volume water, is in beton met een watercementfactor = 0,4 een groter volume aan water dan aan cement aanwezig. Het is de taak van het water om: a) De korrels cement en toeslagmateriaal te omhullen met een laagje waardoor de verwerkbaarheid (mengen, transporteren, verdichten en afwerken) wordt bevorderd. b) Met het cement te reageren tot hydraten die de zand- en grindkorrels aan elkaar kitten. Op beide functies willen we wat nader ingaan. Veronderstel dat alle korrels cement en toeslagmateriaal zich met eenzelfde laagdikte water zouden omhullen en dat de korrels van het onverhard cement een gezamenlijk oppervlak bezitten van 300 m 2 /kg (specifiek oppervlak). Als de water/cementfactor van een pasta = 0,4 dan zou 0,4 liter water zich moeten verspreiden over 300 m 2. Als dit gelijkmatig is, wordt de laagdikte dus: 3 0,0004 m 2 = 1,3 μm 300 m De cementkorrels zelf hebben diameters van 1 tot 100 μm. Als niet de pasta, maar het beton een water/cementfactor van 0,4 bezit, moet bij het oppervlak van het cement ook het oppervlak van het zand en grind worden opgeteld. Omdat echter zand en grind geen groot oppervlak bezitten (de korrels zijn veel groter), is de water/cementfactor hoofdzakelijk bepalend voor de dikte van het gemiddelde waterlaagje. Het is dus te begrijpen dat men het watergehalte van een specie uitdrukt in de water/cementfactor. Als cement met water reageert tot hydraten zal op de lange duur een hoeveelheid water kunnen reageren die 25% van het cementgewicht bedraagt. Daarvoor moet het materiaal dan wel jaren nat blijven. Als de oorspronkelijke water/cementfactor 0,4 bedroeg, is dus: 0,25/0,40 deel van het oorspronkelijk water vast geworden. Het water dat in het beton achterblijft, bevindt zich in de poriën. Poriën verzwakken het beton, laten stoffen door die beton of wapening kunnen aantasten, veroorzaken bij uitdrogen droogkrimp, en kunnen tot schade leiden door bevriezing van het water in de poriën bij vorst. Een belangrijke doelstelling van de betontechnologie is dan ook een betonmengsel samen te stellen dat zo weinig mogelijk water nodig heeft, maar toch goed verwerkbaar is. Als water geschikt is om te drinken (Engels: "potable water") is het zeker geschikt om in beton te gebruiken. Veel betoncentrales pompen hun aanmaakwater uit de kanalen (waaraan ze gesitueerd zijn) en besparen zo in aanzienlijke mate op gebruik van drinkwater. Dit oppervlaktewater wordt dan wel geregeld gecontroleerd op vervuiling en verzilting. 6.10) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 439 ( :15.2.9) en blz. 434, :

21 6.3 Cementsteen en microstructuur Verharding van cement 6.11) Reacties bij portlandcement: De reactie van cement begin zodra het in aanraking komt met water. Het eerste mineraal dat reageert, is het 3CaOAl 2 O 3 (afgekort in cementchemienotatie: C 3 A). Dit reageert zo snel met water dat het cement al direct zou opstijven. De verwerkbaarheidsperiode zou dan veel te kort zijn om er in de praktijk wat mee te kunnen. Door gips (CaSO 4.2H 2 O) en/of anhydriet (CaSO 4 ) toe te voegen, wordt de verwerkbaarheidsperiode aanzienlijk verlengd. Gips reageert met het 3CaOAl 2 O 3 tot een verbinding, ettringiet genaamd, dat een laagje vormt om de cementdeeltjes en deze enige tijd afschermt van verdere reactie met water. Figuur illustreert dit proces. De reactie tot ettringiet is als volgt: 3CaOAl 2 O 3 + 3CaSO H 2 0 3CaOAl 2 O 3.3CaSO 4.32H 2 O (6.3.1) ettringiet met gips zonder gips Figuur Effect van gips op de cementsteenvorming bij de aanvang van de reactie. Na verloop van tijd vindt het water toch zijn weg naar de cementdeeltjes en valt het laagje ettringiet uit elkaar. De calciumsilicaten (3CaO.SiO 2 en 2CaO.SiO 2 ) reageren dan met water en vormen een calciumsilicaathydraatgel, afgekort CSH-gel. Voor het cementmineraal alite 3CaO.SiO 2 (C 3 S) geldt ongeveer de reactievergelijking: 2(3Ca0.Si0 2 ) + 6H 2 O 3CaO.2SiO 2.3H 2 O + 3Ca(OH) 2 + warmte (6.3.2) Het reactieproduct 3CaO 2.SiO 2.3H 2 O komt qua samenstelling (stochiometrisch) ongeveer overeen met het in gesteenten voorkomend mineraal tobermoriet. In werkelijkheid is er geen kristalvorm, zoals bij mineralen het geval is, maar een gelachtig materiaal, CSH-gel. Dat wil zeggen een wanordelijke structuur, waarbij alleen op microschaal enige orde aanwezig is. Die CSH-gel is de belangrijkste cementerende verbinding. Naast de CSH-gel wordt ook vrije kalk gevormd, Ca(OH) 2. Bij portlandcement bestaat circa 25% van het gereageerde cement uit deze kalk. De 6.11) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 440 en 441 ( : ). Verver & Fraaij, "Materiaalkunde", paragraaf 5.3.3, blz.275 e.v. 253

22 kalk heeft op zich niet zo'n bindende functie zoals de CSH-gel, maar is wel in kristallijne vorm aanwezig. Fasen in de verharding: 6.12) De verharding van cement laat zich in de volgende fases opdelen: a) Het mengen, waarbij het cement in water wordt gedispergeerd. Dit dispergeren kan worden verbeterd door het toevoegen van een plastificeermiddel, zoals besproken in paragraaf b) Het water reageert met het 3CaO.Al 2 O 3 en gips tot ettringiet. Gedurende enige uren daalt de verwerkbaarheid, maar het storten en verdichten van beton blijft mogelijk. De oplossing (het water) raakt verzadigd aan Ca(OH) 2. De ph stijgt tot boven de 12. De eerste CSH-gel wordt aan het eind van de verwerkbaarheidperiode gevormd. Men stelt dat de afbinding dan in treedt. c) De CSH-gel zet zich af op de oorspronkelijke cementdeeltjes. Deze deeltjes worden dus als het ware dikker en groeien zo naar elkaar toe, zie figuur Uiteindelijk raken ze elkaar en ontstaat de vaste stof: "cementsteen". Naarmate de afstand tussen de deeltjes groter is, duurt het langer voordat de groeiende deeltjes elkaar raken. De afstand is groter naarmate de water/cementfactor en/of de deeltjesgrootte groter is, en dus het specifiek oppervlak kleiner is, zie figuur Vooral op korte termijn leidt dit tot een veel grotere sterkte voor beton met een lage watercementfactor. Tijdens het reactieproces neemt de alkaliteit van het water in de poriën toe tot een ph van 13 à 14, door het in oplossing gaan van NaOH en KOH. Andere cementen: Bij hoogovencement verloopt aanvankelijk de reactie net zoals bij portlandcement. De portlandklinkerdeeltjes reageren eerst en vormen CSH-gel + kalk. Nadat de ph een niveau van ongeveer 12 bereikt heeft, beginnen de hoogovencementdeeltjes op te lossen en reageren de opgeloste delen (ook met de vrije kalk afkomstig van de Portlandklinkerdeeltjes) tot een vorm van CSH-gel: gegranuleerde hoogovenslak + water anhydriet als catalysator CSH-gel + warmte (6.3.3) De hoeveelheid ontwikkelde warmte is op korte termijn duidelijk minder dan de reactie In hoogovencementsteen is meer CSH-gel aanwezig en veel minder vrije kalk dan in portlandcement. Het capillaire poriënvolume is daardoor kleiner en dat van de gelporiën groter, waardoor de cementsteen c.q. het beton minder permeabel is, (in :6.3.2 wordt verder ingegaan op de microstructuur van beton en cementsteen). Bij portlandvliegascement of bij toevoeging van poederkoolvliegas aan beton, ontleedt de vliegas boven een ph van 13; dat wil zeggen, enige dagen nadat het cement met water gemengd is, zal het vliegas gaan reageren met water en de vrije kalk afkomstig van het portlandcement. De ontlede vliegas ontwikkelt een vorm van CSH-gel. De hoeveelheid vrije kalk neemt dus af en de cementsteen wordt verdicht door de naderhand gevormde CSH-gel. De reactie is volgens formule 6.3.4, ware het niet dat de vliegasreactie veel trager is dan die van hoogovenslak en pas na enige weken merkbaar wordt door de afname van de hoeveelheid vrije kalk in de verharde cementsteen. vliegas + Ca(OH) 2 + water bij hogere ph CSH-gel (6.3.4) ) Hendriks "Durable and Sustainable Construction Materials", blz. 440 ( : ). 254

23 Figuur Vorming van vaste stof door het uitgroeien van cementdeeltjes, resulterend in cementgel. Invloedsfactoren op de reactiesnelheid van de hydraterende cementkorrels: De reactiesnelheid hangt af van: - de temperatuur; - de fijnheid van het cement; - de hoeveelheid C 3 S (= cementchemische codering voor (3CaO)SiO 2 ten opzichte van C 2 S (= cementchemische codering voor (2CaO)SiO 2 ); - de watercementfactor (= wcf = w/c in liter/kg, dus in kg/kg met w= water en c = cement); - de tijdsduur dat het beton vochtig blijft. Bij de eerste drie factoren gaat hoge reactiesnelheid samen met een snelle stijging van de sterkte. Bij een hoge watercementfactor is de hydratatiesnelheid wel groot, maar blijft de sterkte lager als gevolg van het ontstaan van meer capillaire poriën, zie volgende paragraaf. 255

24 Figuur Gemiddelde afstand tussen de cementdeeltjes in cementsteen als functie van de specifieke oppervlakte van cement en de wcf. De gemiddelde deeltjesafstand is 2 keer de waterlaagdikte om elk deeltje. W/C = wcf = watercementfactor. Ook de cementsoort is van belang voor de soort sterkte-ontwikkeling. Door de cementfabrikant zijn de cementen zo ontworpen, dat deze na 28 dagen verharden bij 20 C volgens de normbeproeving dezelfde sterkte hebben, bijvoorbeeld klasse 42,5. In de periode tot 28 dagen en daarna kan de sterkte-ontwikkeling nogal verschillen, zie figuur Hoogovencement ontwikkelt zich trager dan portlandcement, ondanks de hogere maalfijnheid (300 m 2 /kg respectievelijk 400 m 2 /kg). Bij portlandvliegascement is dat verschil gering (een CEM II 32,5 heeft een zodanige maalfijnheid dat na 28 dagen voldaan wordt aan de normsterkte van 32,5 N/mm 2 ). Figuur De druksterkte ontwikkeling van (norm)mortels als functie van de tijd voor drie cementen. Een normmortel bestaat uit cement, zand en water met wcf = 0,50. CEM I = portland cement. CEM III = hoogovencement. De verharding is bij 20 C bij 95% R.V. 256