Rapportage Deelproject voegherstelmortels voor Historisch Metselwerk

Transcriptie

1 : Aanpak vochtproblemen massief metselwerk Rapportage Deelproject voegherstelmortels voor Historisch Metselwerk dr ir Caspar Groot & Jos Gunneweg TU Delft, Delft, september 2012

2 bij de voorplaat: Ed Heijer, meestervoeger bij Van Bommel Gevelgroep, aan het werk op molen De Vier Winden te Monster (ZH) 2

3 deelonderzoek Voegherstelmortels Uitvoering TU Delft faculteit Civiele Techniek & Geowetenschappen, Onderzoekers dr ir Caspar Groot Jos Gunneweg Opdrachtgever Monumentenwacht Nederland Subsidiënt Provincie Zuid-Holland Supervisor Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed Begeleidingscommissie ir M Brouwers R Crèvecoeur PJ Drop BJM Franken ing J Hofstra ir M van Hunen J Kneppers ir AF van der Ree (vz) HBT Sangers ing GA Westenbroek Ad- hoc leden en informanten RE Batenburg R van Bommel J Borgers Ir EJ Brands B Dooren Mr F Houbaer Ing M de Jong Ir J Kamphuis Ing J Koek WB Loth M van Milt H van Overschot Ing AC Spoon G Takkenkamp C Terlouw J Venema Ing L Verbij F van Werkhoven Delft, september

4 4

5 Deelonderzoek Voegmortels Inhoudsopgave Rapportage Voorwoord Samenvatting / Summary 0 Inleiding /probleemstelling 1 Literatuuronderzoek en praktijkwaarnemingen 11 Inleiding 12 Eisen bij het toepassen van (her)voegmortels in erfgoedmetselwerk 13 Comptabiliteitsaspecten en duurzaamheid 14 Ademen of afsluiten 15 Bouwschadelijke zouten en receptuur voegherstel mortels 16 Thermische schade aan muren door harde voegen over zachte metselmortel 17 Krimp bij uitharding van voegmortels, natuurlijke dilatatie 18 Achteruitgang ademend vermogen restauratie-voegmortels 19 Mortelhulpstoffen 110 Hydrofobeermiddelen 111 Cultuurwaarden en de praktijk 112 Winterstop metselen en voegen in de restauratie 2 Laboratoriumonderzoek en discussie resultaten 21 Materiaalkeuzen en Verwerkbaarheid 211 Materiaalkeuzen 212 Verwerkbaarheid voegmortels 22 Mechanische eigenschappen 221 Uithardingsprocedures 222 Drukproeven 223 Dynamische E-modulus, vervormbaarheid 23 Hygrische eigenschappen 231 Vochtabsorptie en drooggedrag: inleiding 232 Bevochtigen en drogen van prisma s 233 Bevochtigen en drogen van mortelplakken 234 Bevochtigen en drogen van muurtjes 235 Karstenbuisproeven 236 Vochtabsorptie en drooggedrag in relatie tot poriënverdeling (MIP) 24 Krimp- en uitzettingsgedrag 241 Krimp in voegen aangebracht in bakstenen 242 Krimp aan cirkelvormige plakken op bakstenen 243 Thermische en hygrische uitzetting / krimp aan prisma s 5

6 25 Vorstbestandheid: Vries-dooi proeven aan voegproefstukken 251 Resultaten Vries-dooi proeven huidig onderzoek (uitgevoerd door TNO) 252 Vergelijking resultaten vries-dooi proeven met Pointing Project 3 Conclusies en Aanbevelingen 30 Samenvattend 31 Conclusies 311 Inleiding 312 Verwerkbaarheid 313 Druksterkte en stijfheid 314 Vochtabsorptie en droging 315 Plastische en uithardingskrimp 316 Thermische en hygrische uitzetting 317 Thermische spanningen: α x E 318 Vorstbestandheid 32 Aanbevelingen 321 Aanbevelingen technische eigenschappen voegherstel mortels voor zacht historisch metselwerk 322 Aanbevelingen vervolgonderzoek 323 Aanbeveling mbt laten vervallen toepassingsgebied restauratie bij aanpassing CUR Aanbeveling communicatie en implementatie onderzoeksresultaten Bijlage Bouwstenen voor de richtlijn restauratievoegmortels voor zwaar regenbelast massief metselwerk van muren gemetseld in kalkmortels 6

7 Voorwoord De voor u liggende rapportage Herstelvoegmortels voor Historisch Metselwerk gaat op fundamentele wijze in op de bijzondere positie die monumenten opgetrokken uit massief metselwerk innemen als het gaat om voegwerkherstel Oorspronkelijk werden bij voegwerkherstel kalk- en kalktrasmortels gebruikt als metselmortel en voor voegwerkherstel De afgelopen decennia hebben cementgebonden mortels deze klassieke mortels verdrongen met alle gevolgen van dien, met name ten aanzien van de vochthuishouding in het metselwerk en de duurzaamheid De rapportage gaat in op de vele aspecten, die bij voegmortels een rol spelen, zoals daar zijn: de mechanische, hygrische, fysische, chemische en esthetische aspecten van de toe te passen mortel Elk van deze aspecten is weer onderverdeeld, bij mechanisch gaat het bijvoorbeeld om druksterkte, vervormbaarheid (E-modulus), hechting aan de ondergrond, reversibiliteit en opofferingsgezindheid Aan de hand van vele proefnemingen en experimenten zijn waarden gevonden, die kunnen leiden tot een verantwoorde wijze van voegwerkherstel De wetenschappelijke basis is er dus en de op de praktijk gerichte uitwerking vindt u verder in de bijlage Bouwstenen voor een Richtlijn Restauratiemortels en in de rapportages Inboetwerk, Transversaalscheuren en Uitvoeringswijze voegwerkherstel, die inmiddels ook gereed zijn Het zal uiteraard nog geruime tijd duren tot al deze informatie gemeengoed is geworden Het gaat immers om anders samengestelde mortels en een andere wijze van voegwerkherstel Nu het Totaalonderzoek Vochtproblematiek massief metselwerk (monumenten) met de genoemde rapportages is afgesloten, zal de verdere aandacht zich richten op het verspreiden van de opgebouwde informatie onder alle bij monumenten betrokken instanties en personen Met name ook de aannemers en voegers zelf, die moeten wennen aan een andere denk- en werkwijze! Het onderzoek Herstelvoegmortels voor Historisch Metselwerk werd verricht door dr ir CJWP (Caspar) Groot, JTM (Jos) Gunneweg Mevr Aga Visbeen verleende op een waardevolle wijze assistentie bij vele van de experimenten Het onderzoek Herstelvoegmortels is volledig gefinancierd door de provincie Zuid-Holland U ziet op de eerste pagina ook de logo s van de andere sponsoren van het totaalonderzoek Ook al sponsort men een deelonderzoek, men wordt geacht aan het totaal te hebben meegewerkt De begeleidingscommissie bestond bij dit onderzoek uit de heren ing J (Jan) Hofstra en HBT (Herman) Sangers (molenconsulenten prov Zuid-Holland), ir M (Michiel) van Hunen (Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed), R (Rob) Crèvecoeur (vh Centraal Lab ICN, nu Atelier Amati Epe), J (Jan) Kneppers (lid Vakgroep Restauratie), ir M (Maarten) Brouwers (Rijksgebouwendienst), P J (Piet) Drop (Heijmans Restauratiewerken), ing G A (Gerard) Westenbroek (Kon Verbond van Nederlandse Baksteenfabrikanten), B JM (Bennie) Franken (Monumentenwacht Nederland) en ir AF (Arnold) van der Ree (voorzitter) Daarnaast werden, afhankelijk van het onderwerp, ad-hoc deskundigen uit het restauratieveld uitgenodigd om in de vergaderingen een inbreng te leveren Deze zijn vermeld op de colofonpagina onder de noemer ad-hoc leden en informanten 7

8 Zoals gezegd is het Totaalonderzoek nu aan een afronding gekomen In 2005 verscheen de eerste rapportage Kwaliteitseisen Restauratiebaksteen, in 2007 Kwaliteitseisen Metselmortels in Kalk en in februari 2011 de rapportages Detectie en Injectie In 2012 zijn dat Bouwkundige detailleringen bakstenen windmolens, Voegherstelmortels, Transversaalscheuren, Inboetwerk en Uitvoeringswijze voegwerkherstel De onderzoeken zullen mogelijk leiden tot nieuwe richtlijnen of aanbevelingen Een door de Rijksdienst voor het Cultureel Erfgoed begeleide commissie zal zich hiermee belasten Arnold van der Ree Voorzitter begeleidingscommissie 8

9 Samenvatting In dit rapport worden de resultaten gepresenteerd van laboratorium onderzoek aan voegherstel mortels; een en ander in de context van praktijkervaringen opgedaan bij hervoegprojecten van historisch zacht metselwerk Met zacht metselwerk wordt bedoeld in kalkmortel opgetrokken zwaar regenbelast massief, veelal zoutbelast, metselwerk (c ; Kastelen, kasteelruïnes, stadspoorten, bakstenen molenrompen, kerkgebouwen en kerktorens tot aan de Neogotiek etc) Het onderzoek was gericht op de ontwikkeling van voegherstelmortels geschikt voor (zoutbelast) zwaar regenbelast historisch metselwerk - naast bakstenen molens, ook kerktorens ed -, en heeft een breed toepassingskader Specifiek voor het onderzoek is dat het over voegherstelmortels gaat die in relatief zacht metselwerk worden aangebracht: dat wil zeggen metselwerk met meestal mechanisch zwakke (luchtkalk) legmortels en zwak tot matig sterke (bak)stenen Zwak wil niet zeggen dat dergelijk metselwerk niet duurzaam zou zijn Er zijn voorbeelden genoeg van metselwerk dat zonder restauratiebeurten de eeuwen heeft getrotseerd Het onderzoek is opgezet vanuit een inventarisatie en analyse van schadegevallen, die opgetreden zijn vaak kort na het aanbrengen (5-10 jaar) van een voegherstelmortel De drie belangrijkste typen schaden die aangetroffen werden zijn (i) vorstschaden, (ii) zoutschaden en (iii) schaden als gevolg van thermische spanningen Bij de oplossing van de problemen als gevolg van schaden aan voegmortels valt het op dat naast materiaalkundige aspecten (materiaalkeuze van de voegherstelmortel) uitvoeringstechnische aspecten (de wijze van verwijderen van de voeg; de vorm, de diepte van het uithakwerk; de wijze van aanbrengen van de voeg; de aanbreng- en uithardingscondities van het voegwerk) een nagenoeg even belangrijke rol spelen In de rapportage worden aanbevelingen gegeven ten aanzien van de materiaalkundige en uitvoeringstechnische aspecten die tot een duurzame kwaliteit van voegherstelmortels aangebracht in zacht historisch metselwerk kunnen leiden: materiaalkeuze aspecten compatibiliteit tussen de mechanische en hygrische eigenschappen van de voegherstelmortels en die van het omliggende materiaal aanbevelingen tav druksterkte, de waterabsorptie coëfficiënt, de thermische spanningscoëfficiënt, gedrag bij vries-dooi proef uitvoeringstechnische aspecten aanbevelingen ten aanzien van de verwerkbaarheid van voegherstelmortels, diepte voeg (uithakwerk); voor verdere detaillering van de uitvoeringsaspecten wordt verwezen naar het rapport: Uitvoeringswijzen inboetwerk herstel transversaalscheuren voegwerkherstel 9

10 10

11 Summary This report presents the results of a laboratory research program on repointing mortars; the results are interpreted in the context of practical experience obtained with repointing projects in historic masonry The research was focused on the development of repointing mortars appropriate to be used in (salt laden) historic masonry exposed to heavy rainfall Examples are wind mills, church towers, castle towers etc, in fact a vast domain of historic massive masonry Specific for this type of masonry is that the repointing mortars are applied in relatively weak masonry: masonry with mechanically weak air lime bedding mortars and weak to moderate strength of the (fired clay) bricks However, weak does not mean that the masonry is not durable: there are examples enough of weak masonry structures which defied the centuries The research is set-up starting with an inventory and analysis of damage cases concerning restoration of repointing often relatively recently performed (5-10 years ago) The three most important fields of damage observed are (i) frost damage (ii) salt damage (iii) thermal stress damage Regarding the solution of repointing problems it is a striking to note that apart form materials aspects (materials choice for the repointing mortars) the quality of the execution technique (removing of the joint, form and depth of the joint, the tooling of the mortar into the joint, curing condition of the mortar) is a determining factor with regard to the durability of the repointing In this report recommendations are given on materials aspects and the execution technique with a view to a qualitative better durability of the repointing: materials aspects there should be compatibility in mechanical and hygrical behavior between the new repointing material and the existing historic masonry material recommendations are given on recommended ranges compressive strength, water absorption coefficient, thermal stress coefficient and freeze-thaw behavior execution aspects recommendations are given with regard to the workability of the repointing mortar and the depth of the joint; for further details on the execution see the report Execution techniques on brick replacement, cracks repair and repointing 11

12 0 Inleiding en Probleemstelling VOEGREPARATIEMORTELS (projectvoorstel) *) *) tekstgedeelten in italic (schuine tekst) zijn toevoegingen Toepassingsgebeid Dit onderzoek heeft uitsluitend betrekking op: zacht metselwerk; waarmee wordt bedoeld in kalkmortel opgetrokken zwaar regenbelast massief, veelal zoutbelast, metselwerk (c ; Kastelen, kasteelruïnes, stadspoorten, bakstenen molenrompen, kerkgebouwen en kerktorens tot aan de Neogotiek etc) Probleemstelling De laatste decennia is het gebruik van klassieke kalk- en kalktrasmortels als metselmortel en als mortel voor voegwerkherstel bij de restauratie van metselwerk van stenen molens en aanverwant klassiek massief metselwerk (mn ook kerktorens) verdrongen door de toepassing van cementgebonden mortels Uit het praktijkonderzoek is gebleken dat daaraan grote nadelen kunnen kleven mbt een gezonde vochthuishouding en evenals tav de duurzaamheid van het werk De faalkosten zijn de afgelopen decennia aanzienlijk gebleken Toch kan het toepassen van uitsluitend kalk als bindmiddel in veel gevallen tot problemen leiden (als gevolg van agressieve omgevingscondities) Ook worden fouten gemaakt met de gradering van het voegzand Vaak is ook onvoldoende rekening gehouden met de effecten van chloride- en sulfaatbelasting van de ondergrond De drogingseigenschappen van de mortel die, zeker bij toepassing in eerder gehydrofobeerd werk, een centrale plaats behoren in te nemen, worden maar zelden als parameter meegenomen Hetzelfde geldt voor de elasticiteit van de voegmortel en de thermische uitzettingscoëfficiënt Het onderwerp voegherstelmortels in (zoutbelast) zwaar regenbelast metselwerk naast bakstenen molens, ook kerktorens ed -, heeft een breed toepassingskader en is zeer complex gebleken Een omvangrijk op EU-niveau uitgevoerd onderzoeksproject (zgn Pointing Project ) heeft weliswaar een belangrijke aanzet gegeven tot een wetenschappelijke benadering van hervoegen van monumentale gebouwen, maar heeft nog niet geleid tot een direct in de restauratiepraktijk toepasbaar eindresultaat Ook de in RILEM verband gebundelde wetenschappelijke onderzoeken zijn zeer belangrijk maar behoeven nog een vertaalslag Doel van het onderzoek Het ontwikkelen van aan te bevelen voegmortels voor reparatievoegwerk als platvol werk (geen snijvoeg), toepasbaar op een oorspronkelijke metselmortel in kalk of kalk-tras, waarbij naast kalk in bescheiden dosering evt andere bindmiddelen (tras / traskalk, portlandcement, hoogovenslakgranulaat) worden toegevoegd om resistentie te verkrijgen tegen chloride- of sulfaatbelasting en met een passende gradering van het voegzand ivm de gewenste zouttransporterende eigenschappen Hierbij wordt ook de verwerkbaarheid nagegaan en de toepassing van een gesorteerd éénkorrelig zand (een extreme gradering die gunstig is voor porositeit en droging) 12

13 Op basis van de gevonden uitgangspunten worden eisen geformuleerd, die aan pre-fab restauratiemortels moeten worden gesteld De eisen te stellen aan prefab restauratievoegmortels, de aan te bevelen bouwplaatsgemengde voegmortelrecepturen met de eisen aan de mortelstoffen, de verwijzing naar genormaliseerde testmethoden en/of beschrijving van speciale testprotocellen, alsmede een definitie van het minimaal te verrichten vooronderzoek worden opgenomen in een als apart document te publiceren Bouwstenen voor de Richtlijn restauratievoegmortels voor zwaar regenbelast massief metselwerk van muren gemetseld in kalkmortels Wijze van onderzoek Algemeen Om zoveel mogelijk praktisch toepasbare resultaten te kunnen boeken is het onderzoek in een praktijkcontext geplaatst; dat wil zeggen dat de keuzen die voor het onderzoek zijn gedaan ten aanzien van keuzen van materialen en toe te passen laboratoriumonderzoekmethoden zoveel mogelijk geïnspireerd zijn door praktijkervaringen Eerst is een literatuuronderzoek gedaan waarin de praktijkwaarnemingen werden verwerkt Hierbij bleek dat, in samenhang met poriestructuur en hardheid, voldoende kennis aanwezig is omtrent chemische en mechanische resistentie van bindmiddelen in restauratievoegmortels Laboratoriumtests hierop werden achterwege gelaten en vervangen door aanvullende experimenten om te komen tot passende druksterktebepalings-protocollen voor traag uithardende mortels De in het programma voorziene PFM onderzoek naar de kwaliteit van het hechtvlak werd vervangen door een fotografische en metrische vastlegging van de krimpspleet van voegen ingezet in sleufsparingen gezaagd in bakstenen Het onderzoek heeft als einddoel het formuleren van aanbevelingen die bij kunnen dragen aan de verbetering van de kwaliteit van het voegwerk voor erfgoedmetselwerk Laboratoriumonderzoekingen Het onderzoek dient te zijn toegespitst op verwerkbaarheid (aan proefmuurtjes; ook eenkorrelig zand ) krimp porositeit, (bepaling vrijwillige wateropneming 48u) voegzandgradering (voor platvol werk) hygrisch gedrag in de muur (getest aan proefstukken, gezaagd van proefmuurtjes, de baksteen wel en niet waterdicht gecoat: simulatie effect hydrofobeerbehandeling) verbeterde testprotocollen Na evaluatie waarschijnlijke geschiktheid: poriegrootteverdeling ( kwikporosimetrie microlab CiTG ) hygrische zwelling en krimp E- modulus carbonatatiediepte vorstbestandheid (aangepaste test en 2 reeksen proefstukken, de baksteen niet en wel waterdicht gecoat (niet uitgevoerd) chloride- en sulfaatresistentie kwaliteit hechtvlak (PFM onderzoek) 13

14 Consultaties met uitvoerende bedrijven Om een zo breed mogelijk draagvlak voor de implementatie van de resultaten van dit onderzoek te verkrijgen werden enkele ervaren restauratievoegers, waarvan enkele directeur van een voegbedrijf, als ad-hoc leden gevraagd de behandeling in de begeleiding van de concept rapportage bij te wonen Ook werden afzonderlijk besprekingen gevoerd met de bestuursleden van Het Gevelgilde, de vakgroep van erkende restauratievoegbedrijven Naar aanleiding van deze besprekingen werden ter verduidelijking enkele aanvullingen in de tekst geplaatst, met name een zo scherp mogelijke definitie van de toepasbaarheid van de onderzoeksresultaten bij zwaar regenbelast mogelijk zoutbelast zacht metselwerk De vuistregel voor de uithakdiepte werd genuanceerd zonder dat het uitgangspunt in principe werd gewijzigd Overleg mbt aanpassing SBR-CUR 61 Samen met de vertegenwoordiger van de RCE werd door de onderzoekers een gesprek gevoerd met de rapporteur van de commissie die een wijziging van de SBR CUR 61 aanbeveling Het voegen van Metselwerk (1998) (zie hierna, hoofdstuk 1) voorbereidt Met hem werd besproken de wenselijkheid dat het artikel 2 van deze aanbeveling, toepassingsgebied zodanig wordt gewijzigd dat daar de term restauratie uit wordt geschrapt De rapporteur zegde toe bereid te zijn dit aan de commissie voor te leggen Hier ligt verder geen taak meer voor de onderzoekers 14

15 1 Literatuuronderzoek en praktijkwaarnemingen Context In historisch metselwerk zijn bij de bouw over het algemeen zachte mortels toegepast Luchtkalk, hydraulische kalk of luchtkalk in combinatie met een puzzolaan materiaal zoals tras werden daarbij in het verleden meestal als bindmiddel gebruikt Deze bindmiddelen harden op een andere manier uit dan de nu gebruikelijke Portland cement mortel Zo hardt luchtkalk (Ca(OH) 2 ) uit door binding van koolzuur (CO 2 ) uit de lucht (het snelst onder vochtige omgevingscondities) waardoor kalksteen (CaCO 3 ) ontstaat De beste uithardingscondities voor een snelle carbonatatie zijn afwisselend nat en droog Hydraulische kalk hardt daarentegen in belangrijke mate uit onder invloed van water (net zoals portlandcement), maar de reactie gaat veel langzamer dan bij portlandcement Dit is ook het geval bij tras (in combinatie met luchtkalk) Dit onderzoek heeft betrekking op het hervoegen van in kalkmortels gemetseld oorspronkelijk doorgestreken metselwerk in baksteen of natuursteen of het hervoegen van eerder hervoegd, in kalkmortels gemetseld oorspronkelijk doorgestreken werk Het voegtype is: platvol Historisch metselwerk met andere karakteristieken valt uitdrukkelijk buiten het onderzoeksgebied 11 Inleiding De schade die hervoegen van massief metselwerk in heel Europa de afgelopen decennia te zien heeft gegeven aan historische muren is de drijvende kracht geweest achter het tot stand komen van een reeks wetenschappelijke onderzoeken met het doel oorzaken van fouten te achterhalen en de richting aan te geven voor verbeteringen De belangrijkste waren wel die in het kader van het met Europese subsidie uitgevoerde, in november 2001 voltooide project Maintenance of pointing in historic buildings; Decay and replacement; (EC Environment Programme ENV4-CT98-706), hierna aangehaald als het Pointing Project en de onderzoeken uitgevoerd door de bij de RILEM TC Repair Mortars for Historic Masonry aangesloten wetenschappers en instituten, die in syllabi van RILEM workshops zijn gepubliceerd - Pointing Project In het rapport van het Pointing Project wordt na een algemene inleiding ondermeer aan de hand van casussen een beeld gegeven van vorstschade aan legmortel en voegmortel en mogelijke reparatiewijzen en wordt de schade aan voegmortels door zouten en het toepassen van incompatibele mortels behandeld Ook wordt ingegaan op de esthetische compatibiliteit van voegwerk en de relatie tot het cultuurwaarde aspect Voorts worden de resultaten gegeven van een aantal laboratoriumonderzoeken Ondermeer wordt gerapporteerd over een onderzoek betreffende de invloed van voegmortels op het vorstschaderisico en op schade door expansieve zouten in relatie tot vochttransport Met behulp van NMR metingen wordt vastgesteld dat bij een cementvoeg over een kalkgebonden metselmortel droging minder via de voeg maar sterker via de steen plaats vindt Waardoor bij zoutbelast metselwerk er door crypto-florescence, schade aan de steen kan ontstaan Ook worden de mechanische aspecten onderzocht, met name hechting van hervoegwerk en de invloed van thermische uitzetting Het onderzoeksrapport wordt afgerond met een hoofdstuk getiteld Ideaal Hervoegen (in monumenten) en een hoofdstuk Vereisten waarin een overzicht wordt gegeven van de eisen waaraan compatibele hervoegmortels moeten voldoen Ondermeer wordt een globaal overzicht gegeven van toe te passen bindmiddelen in relatie tot compatibiliteitseisen In de hierna volgende paragrafen zullen enkele deelonderzoeken uit het Pointing Project nader worden betrokken onder vermelding van de titels van de papers en de desbetreffende auteursnamen 15

16 Figuur 111 Extreem voorbeeld van bevochtiging en droging bijna volledig via de steen bij cementgebonden voegmortel in zoutbelast metselwerk aan de kust (foto: groot gunneweg delft) Dit omvangrijke onderzoek levert een aantal belangrijke nieuwe gezichtspunten op, samengevat in [paper 64, KEP van Balen, LJAR van der Klugt, MP Luxán, FDorrego; Vereisten ] waarin een overzicht wordt gegeven van de eisen waaraan compatibele hervoegmortels moeten voldoen zoals de eis [paper 64] dat de voegmortel droging van de metselmortel mogelijk moet maken In paper 56 worden de resultaten weergegeven van droogproeven van proefstukken met verschillende legmortel/voegmortel combinaties De belangrijkste waarnemingen in de context van dit onderhavige onderzoek zijn: - legmortel kalkgebaseerd, waarover portlandcementvoeg, droging hoofdzakelijk via de steen - legmortel kalkgebaseerd, waarover kalkgebaseerde voeg, droging gelijkmatig via zowel de voeg als de steen Maw cement over kalk blokkeert de droging via de voeg Voor weerstand tegen zure regen worden echter 1 op 1 de aanbevelingen in de CUR AA 61- Het voegen van metselwerk, 2 e druk 1998, overgenomen die in het kort neerkomen op hard en dicht, zonder dat vermeld wordt dat dit strijdig kan zijn met de mechanische compatibiliteit en in tegenspraak is met het eerder geformuleerde uitgangspunt dat de voegmortel droging van de metselmortel mogelijk moet maken De vertaling van de afzonderlijke onderzoeksresultaten in dit slothoofdstuk is verder nog te globaal en de eisen te stellen aan restauratie voegmortels worden niet vertaald in van getalswaarden voorziene verifieerbare parameters waardoor deze samenvatting een globaal en lastig in de praktijk toepasbaar karakter houdt - RILEM De binnen de genoemde RILEM commissie Repair Mortars for Historic Masonry gepubliceerde onderzoeksresultaten handelen over meer dan alleen voegmortels maar voor zover voegmortels betreffende zijn daar in het kader van dit onderzoeksproject bijzonder van belang de RILEM Pro 12 de onderzoeksverslagen van de RILEM International Workshop 1999 Paisley Scotland 16

17 Op een aantal van de daarin gerapporteerde onderzoeken zal later in dit onderzoeksrapport nader worden ingegaan Literatuur - Maintenance of pointing in historic buildings; Decay and replacement EC Environment Programme ENV4-CT98-706, november 2001 ; met inbreng van een aantal door geheel Europa verspreide universiteiten en onderzoeksinstituten Coördinerend auteur RPJ van Hees, TNO Nederland [paper 64, KEP van Balen, LJAR van der Klugt, MP Luxán, FDorrego; Vereisten ] - RILEM Proceedings International Workshop 1999 Paisley Scotland ed PBartos, CGrooot, JJHuges - Proceedings Historic Masonry Conferences: HMC08, Lisbon en HMC10, Prague 12 Eisen bij het toepassen van (her)voegmortels in erfgoedmetselwerk *) *) De teksten in dit hoofdstuk komen uit de RILEM-publicatie Requirements for repointing mortars for historic masonry [Paper for Materials & Structures journal 2012, in preparation] Algemene technische eisen Hervoegen mag geen negatieve effecten hebben op de duurzaamheid van het bestaande metselwerk De reparatiemortel moet compatibel zijn met bestaande metselstenen en mortel en/of met de originele mortel Met compatibel wordt in algemene zin bedoeld dat de reparatiemortel niet de oorzaak van schade in het originele metselwerk mag zijn/worden In praktische zin komt het er op neer dat de mechanische en hygrische eigenschappen van de reparatiemortel zich in de buurt van de bestaande metselstenen en mortel moeten bevinden Grote verschillen in eigenschappen tussen reparatiemateriaal en bestaand materiaal leiden vaak tot schade; bij grote variatie in eigenschappen dient men bij de reparatiemortel te kiezen voor compatibiliteit met het zwakste en meest poreuze omgevende materiaal De (her)voegmortel dient opofferend te zijn Het is zinloos om een zeer duurzame (her)voegmortel toe te passen die ofwel schade veroorzaakt in de legmortel en/of in de metselstenen Als er schade optreedt dan moet dat plaatshebben in de (her)voegmortel die gemakkelijker te vervangen is dan de legmortel of de metselsteen Extra zorg moet worden besteed aan het hervoegen van historisch kalkmortelmetselwerk dat aan vorst kan worden blootgesteld Er een risico van vorstschade in de legmortel direct achter de (her)voegmortel, tenzij de (her)voegmortel een uitstekend droginggedrag vertoont De (her)voegmortel dient geen spanningsconcentraties in de muur te veroorzaken Gebruik een mortel niet sterker dan nodig om aan mechanische en duurzaamheidvereisten te voldoen De hechting tussen steen en mortel moet lager zijn dan de treksterkte van de metselsteen Er dienen geen schadelijke zouten in de mortel te worden verwerkt De mortel dient het drogen van het metselwerk via de voegen te bevorderen (bij hoog vochtgehalte gebeurt dit eerst door capillair vochttransport en vervolgens door damptransport in combinatie met capillair transport) Dit is vooral belangrijk in metselwerk met dichte metselstenen Via de mortel kan het metselwerk ademen De richting van het capillaire vochttransport dient te zijn van metselstenen 17

18 naar mortel, zodat zouten van de steen naar de mortel kunnen migreren (zouten kunnen aanleiding zijn tot schaden als verkruimeling of het afspringen van stukken) SBR CUR 61 aanbeveling Het voegen van Metselwerk (1998) Deze aanbeveling is voortgekomen uit een eerdere versie die in 1993 is opgesteld De aanleiding was schade in nieuwbouwvoegwerk (spouwmuurbouw, cementmortels, dillatatievoegen) door zure regen of uitloging De uitkomst was, kort samengevat, maak de voeg zo hard mogelijk, deel de hardheid in drie klassen die gerelateerd zijn aan een toepassingsklasse en controleer de hardheid met de voeghardheidsmeter Hoe harder Hoe Beter! Wat verwonderlijk was, dat deze uitgangspunten met zoveel woorden ook toepasselijk werden verklaard, niet alleen op nieuwbouw en renovatie, maar ook op restauratievoegwerk! Hiermee werd al het metselwerk van 1300 heden, massief en spouwmuur, zacht en hard, op één hoop geveegd en werd totaal voorbij gegaan aan het aspect compatibiliteit De herziening die tot de huidige richtlijn na 1998 leidde bracht daar, hoewel ook in die jaren al wetenschappelijk onderzoek was gedaan naar schade in historisch metselwerk, door toepassing van CUR-61 achtige harde voegmortels, geen verandering in In de tekst 1998 staat letterlijk: Artikel 2 Toepassingsgebied: De aanbeveling is van toepassing op metselwerk bij nieuwbouw, restauratie en renovatiewerk Volgens deze lijn geredeneerd valt het in het onderhavige onderzoek behandelde zwaar regenbelaste maar zachte metselwerk in toepassingsklasse I: werk niet afgeschermd tegen weer en wind en daarmee in de hoogste voeghardheidsklasse VH4! De actuele uitgangspunten voor restauratievoegwerk luiden heel anders en zijn onder meer geformuleerd door de RILEM Waarbij compatibiliteit het sleutelwoord is Ze zijn in de hierna volgende paragraaf 12 Eisen bij het toepassen van (her) voegmortels in erfgoedmetselwerk samengevat In de praktijk blijkt dat voegersbedrijven die in hoofdzaak restauratie doen, zich van deze frictie zeer goed bewust blijken te zijn en de CUR 61 en de voeghardheidsmeter terzijde leggen Voegbedrijven die in hoofdzaak nieuwbouw en renovatie doen en zich incidenteel met restauratie bezig houden en dat zijn er recent, gezien de slappe nieuwbouwmarkt steeds meer houden zich, omdat ze niets anders kennen echter wel vast aan de CUR 61 Ook bij architecten die zich slechts incidenteel met restauratie bezig houden, treft men deze wijze van voorschrijven wel aan, evenals bij sommige adviseurs Voor de CUR-61 aanbeveling is thans een herziening in bewerking die in de loop van 2012 zal verschijnen Hier ligt een kans om dit te doorbreken Het is van groot belang dat de RCE zich wendt tot de commissie die deze herziening voorbereidt om te instigeren dat het artikel 2 toepassingsgebied zodanig wordt gewijzigd dat daar de term restauratie uit wordt geschrapt Verder zou het van belang zijn dat daar tegenover de algemene eisen voor restauratievoegwerk zoals die in de volgende paragraaf zijn vermeld en de nadere eisen voor zwaar regenbelast massiefmetselwerk in kalk (zacht metselwerk) met oorspronkelijk doorgestreken voegen, zoals uit dit onderhavige deelonderzoek naar voren komen, door de RCE ruim worden gecommuniceerd met de restauratiesector 18

19 Niet alleen uitvoerende bedrijven, ook architecten, vakspecialisten bij overheidsdiensten, opleidingsinstituten, mortelproducenten en dergelijke English Heritage Practical Building Conservation Mortars, renders & plasters Dit standaardwerk is een praktijkboek voor de restauratie van massief monumentaal metselwerk in de Angelsaksische landen Het geeft via een heldere verdeling van de metselwerkkarakteristieken de conditie en de vochtbelasting van de muur weer in totaal 8 verschillende mortelrecepturen waaruit voor de desbetreffende situatie de van toepassing zijnde keuze kan worden gemaakt Het betreft mortels op basis van luchtkalk, puzzolane mortels (luchtkalk + tras of metakaolin) of natuurlijke hydraulische kalk Portlandecement of hoogovencement komen in deze recepturen niet voor Literatuur - SBR CUR 61 aanbeveling Het voegen van Metselwerk; Stichting CUR, Gouda, mei Herziening CUR 61 aanbeveling, CUR Bouw & Infra pdf brochure - Henry, A en Stewart, J; English Heritage Practical Building Conservation Mortars, renders & plasters, Ashgate,

20 13 Technische Comptabiliteitsaspecten en Duurzaamheid *) Compatibiliteit: eigenschappen restauratiemortel moeten passen bij het historische materiaal en daar geen schade aan toebrengen = duurzaamheid van de hele muur Duurzaamheid: hoge intrinsieke weerstand van het mortelmateriaal zelf tegen verweringsomstandigheden = duurzaamheid van de voeg op zich! Schijnbare tegenstelling: intrinsieke duurzaamheid voeg gaat vaak ten koste van de duurzaamheid van de muur als geheel! Compatibiliteit en duurzaamheid betreffen de uitgeharde fase; daaraan voorafgaand van belang: UITVOERING - verwerkbaarheid - samenhang + plasticiteit (bij weinig water, want voegmortel) (beoordeling praktijkproef door voeger) - nabehandeling - gevoeligheid voor uitdrogen/ evt noodzaak nabevochtigen (aard van het bindmiddel) - afbindtijd - verwerkbaarheid - samenhang + plasticiteit (bij weinig water, want *) voegmortel) (cijfer praktijkproef voeger) Naast technische compatibiliteit spelen andere overwegingen een rol bij een verantwoorde restauratiepraktijk - afbindtijd Te noemen zijn principes van authenticiteit, conceptuele en functionele vereisten Voor een nadere uitwerking hiervan wordt verwezen naar de RILEM publicatie: Groot, CJWP, Ashall, G and Hughes, J (2005), RILEM Report 28: Characterisation of Old Mortars with Respect to Their Repair, in Groot, CJWP, Ashall, G and Hughes, J (eds), RILEM website 20

21 Technische eisen aan de reparatiemortel te stellen, rekening houdend met eigenschappen van omliggende materiaal (compatibiliteit met het omliggende materiaal) worden in tabel hieronder weergegeven UITGEHARDE FASE COMPATIBILITEIT mechanisch Mechanisch Druksterkte / buigtreksterkte / vervormbaarheid (e-modulus) / hechting aan ondergrond / reversibiliteit / opofferingsgezindheid (geen maat voor; inschatting) hygrisch Hygrisch open porositeit (VW 48u) /capillaire waterabsorptie coëfficiënt / droogeigenschappen / dampdoorlatendheid (dampdiffusieweerstands coëfficiënt; niet belangrijk z droogeigenschappen) Mechanisch fysisch Druksterkte Fysisch / buigtreksterkte / vervormbaarheid (e-modulus) / hechting aan Vorstbestandheid ondergrond / voeg reversibiliteit / risico vorstschade / opofferingsgezindheid aan legmortel / (geen maat voor; inschatting) hygrische uitzetting / thermische uitzetting / krimp chemisch Chemisch Resistentie tegen expansieve zouten uit de ondergrond / Resistentie van het bindmiddel tegen chemische reacties van aanwezige zouten stschade aan legmorte / esthetisch hygrische Esthetisch uitzetting / thermische uitzetting / krimp Kleur / structuur / textuur 21

22 Deze ~ 20 parameters zijn de technische aspecten waar bij het ontwerp van een mortelreceptuur of keuze prefab mortel rekening mee moet worden gehouden Het is onmogelijk dat een mortel aan al deze comptabiliteitseisen voldoet Sommige zijn bovendien tegenstrijdig Met name bij sterk zoutbelast werk kan de eis duurzaam zoutbestande voeg leiden tot een uit oogpunt van mechanische compatibiliteit onverantwoord harde mortel met dito te hoge E-modulus waarde Afhankelijk van situatie moet een rangorde (prioriteitstelling) worden bepaald Ook niet alle parameters zijn van even groot belang, zoals uit het laboratoriumonderzoek zal blijken 22

23 14 Ademen of afsluiten Uit wetenschappelijk onderzoek is bekend dat voegmortels in de restauratie, in tegenstelling tot wat werd gedacht, niet moeten afsluiten maar moeten ADEMEN Vooral in Groot Brittannië en Schotland is veel onderzoek gedaan naar het verschil in effecten en levensduur van ademende versus afsluitende materialen, die alle het principe van ademende materialen ondersteunden Daarin is ademen gedefinieerd als het vermogen van een materiaal om vocht dat in muren is doorgedrongen te laten drogen aan het oppervlak [RILEM Pro 12 Int RILEM Workshop on historic mortars; May 1999 Breathing, a relationship between hydraulicity and permeability of hydraulic lime; PFG Banfill and AM Foster Heriot Watt University Scotland] Wij breiden deze definitie uit als volgt: Ademen is het vermogen van een materiaal om vocht dat in muren is doorgedrongen te laten drogen aan het oppervlak en bij regen zo weinig mogelijk vocht toe te laten Waarom drogen als je door afsluiten kunt voorkomen dat de muur nat wordt? Omdat eeuwenoud massief muurwerk, met name dat wat in het verleden met niet compatibele materialen werd hersteld, een scala aan inhomogeniteiten bevat, die met elkaar in verbinding een weg vormen waardoor het regenwater van buiten naar binnen in een gebouw dringt Dit kunnen zijn scheuren en scheurtjes, veroorzaakt door thermische spanningen of ongelijkmatige zettingen in de ondergrond, holten en spleten veroorzaakt door niet vol- en zat metselen etc Sommige zichtbaar, de meeste met het blote oog niet waarneembaar, zoals de materiaalovergangen metselmortel-steen, voegmortel-steen Reeds in poriën en spleten > 100 µm ( = 0,1 mm) kan water zich verplaatsen door VRIJE stroming waardoor bij slagregen (regen + winddruk) en door de zwaartekracht water in de muur komt en door capillaire werking in het poreuze materiaal van baksteen en mortel wordt opgenomen Dat oud metselwerk bij regen droog blijft is een illusie Dus moet, met name de voeg, zodra de regen ophoudt, het mogelijk maken dat de muur droogt De voeg moet ademen Afsluiten werkt averechts Om na te gaan welke eigenschappen een voeg(mortel) moet hebben om te ademen is een beschouwing over de fysische mechanismen van vochtopname en droging nuttig Het gaat hierbij in het bijzonder om hygrische aspecten als porositeit en poriegrootteverdeling In het algemeen geldt dat capillair vochttransport bij goed hydraulisch contact tussen poreuze materialen verloopt van een materiaal met grove poriën naar een materiaal met fijne poriën 23

24 De porositeit en poriegrootteverdeling van baksteen kan per bouwwerk en met name bij oudere gebouwen waar in de muren een grote spreiding van baksteeneigenschappen voorkomt, zelfs per muur, grote verschillen vertonen Het is niet realistisch dat daarnaar via kostbare analysetechnieken onderzoek gedaan wordt Wel kan op eenvoudige wijze via hygrische proeven de zgn open porositeit worden bepaald Dit kan ook op een eenvoudige manier aan brokken ongeschonden metselmortel worden gedaan Op grond van bovenstaande kunnen we tot een meer algemene regel komen ademende hervoegmortels dienen: (i) voldoende fijne poriën te hebben aangevuld met een aandeel grovere poriën (ivm vorstbestandheid) (ii) een totale open porositeit te hebben, die in ieder geval groter is dan die van de er achter liggende metselmortel Dit zijn twee parameters die voor de oude mortel aan een monster en voor een reparatiemortel aan een mortel uitgehard tussen stenen met een opzuiggedrag vergelijkbaar met het te hervoegen metselwerk, zijn vast te stellen Literatuur Banfill, PFG and Foster, AM, A relationship between hydraulicity and permeability of hydraulic lime ; RILEM Publication Pro 012 Int RILEM Workshop on historic mortars 1999 (zie RILEM Website) 24

25 15 Bouwschadelijke zouten en receptuur voegherstel mortels 151 Algemeen In oudere bouwwerken kunnen zouten worden aangetroffen die er door volumevergroting ten gevolge van kristallisatie met H 2 O of het aangaan van een chemische reactie met het bindmiddel, oorzaak van kunnen zijn dat de voeg degradeert of wordt uitgedrukt Daar is altijd vocht bij nodig Zonder vochttransport geen schade, de zouten zijn dan immobiel - directe fysische schade Het meest voorkomend is de directie fysische schade die optreedt op een moment dat een oververzadigde zoutoplossing bij droging uitkristalliseert in een opvangruimte, waarbij de zouten in oplossing een kleinere ruimte innemen dan in de uitgekristalliseerde vorm Dit kan tot hoge drukken leiden ( zie oa Hens in Toegepaste Bouwfysica ) Ook kunnen bepaalde zouten met H 2 O hydrateren wat eveneens tot hoge drukken kan leiden Indien de zoutoplossing door de poriën het voegoppervlak kan bereiken (1e droogfase) bloeien de zouten op het oppervlak uit Dit is alleen een esthetisch probleem, niet mechanisch en bovendien tijdelijk, want de regen spoelt de zouden af Wanneer er echter een vochtfront in het materiaal ontstaat (2e droogfase, zie figuur 233) vindt de kristallisatie onder het oppervlak plaats: krypto-uitbloeiing Dit kan wèl schade opleveren, het uiteendrukken van de mortel Vindt de krypto-uitbloeiing plaats in het grensvlak voeg-metselmortel, dan kan de voeg worden uitgedrukt Figuur 151 Schade door krypto-uitbloeiing NaCl (zeezout) aan het steenoppervlak (zie de deuken, veroorzaakt door afgesprongen stukken steen), in kalkzandstenen muurtje van schuur bij boerderij die bij de watersnoodramp in 1953 maanden in het zeewater heeft gestaan (foto: groot gunneweg delft) 25

26 Als het zouttransport niet voldoende via de voeg kan plaatsvinden kan ook bij zwakkere stenen kryptouitbloeiing in de steen plaatsvinden met verpulveren van het steenoppervlak tot gevolg - indirecte fysische schade Vorstschade als gevolg van de aanwezigheid van zouten kan ontstaan doordat hygroscopische zouten ervoor zorgen dat de muren moeilijker drogen en het vochtgehalte dus voor langere periodes hoog blijft (hierbij is een tegenovergesteld effect dat als gevolg van de aanwezigheid van zouten het vriespunt daalt) De aanwezigheid van de zouten wijzigt ook het poriënsysteem Grote poriën in de voegen versmallen en fijne poriën slibben dicht [WTCB gids voor restauratie van metselwerk] Ook kan door een blijvend hoog vochtgehalte van het sterk zoutbelaste werk, een chemische reactie ontstaan tussen de zouten en het bindmiddel van de metselmortel, waarbij sterk volumevergrotende minerale verbindingen kunnen ontstaan als thaumasiet, die dermate hoge hydratatiedrukken kunnen opleveren dat er scheuren in het metselwerk ontstaan [Van Hees, Wijffels, VD Klugt, Pointing Project, paper 57 Thaumasite swelling in Mortars] - chemische aantasting Chemische reacties van zouten, met water als transportmiddel en katalysator, met het bindmiddel van de mortel kunnen er toe leiden dat de mortelmatrix uiteenvalt Of dit al dan niet kan geschieden hangt af van de aard en de concentratie van het zout / de zouten, de aard van het bindmiddel in de mortel en van de thermische en hygrische belastingswisselingen Dus aan de oostzijde van een gebouw nauwelijks, aan de westzijde meer schade 152 Om welke zouten gaat het? Het betreft in hoofdzaak chloriden, sulfaten en nitraten van calcium, magnesium en natrium Minder voorkomend zijn fosfaten Het Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf in België (WTCB) heeft het onderstaande overzicht gemaakt van zouten die in bouwmaterialen kunnen voorkomen Tabel 151 Hygroscopisch gedrag bij relatieve luchtvochtigheid van 20 0 C Bron: WTCB gids voor restauratie van metselwerk Aanvulling tav van de chloriden: Roel Hendrickx van het KIK meldt dat het dooizout in België ook hoofdzakelijk uit KCl kan bestaan 26

27 Niet genoemd zijn de vorming van ettringiet en thaumasiet, beide zeer sterk zwellende verbindingen waarover met name [Van Hees, Wijffels, VD Klugt, Nijland, TNO] hebben gerapporteerd Ettringiet kan ontstaan door een reactie van natriumsulfaat of kaliumsulfaat (vanuit een externe bron of vanuit de bakstenen) met aluminiumoxide (Al 2 O 3 ) in het bindmiddel, een sterk volumevergrotende verbinding, waarna in een later stadium gips Ca(SO 4 )2 H 2 O ontstaat De vorming van thaumasiet is een exotisch verschijnsel dat zich slechts voordoet in bijzondere gevallen met name bij lage temperaturen ( C) gecombineerd met een permanent hoog vochtgehalte Ook wanneer in de cement of in een natuurlijke hydraulische kalk weinig of geen Al 2 O 3 voorkomt, kan thaumasiet worden gevormd De volumevergroting van thaumasiet is dusdanig extreem dat er scheuren kunnen ontstaan in het metselwerk (oa Moerputtenbrug, s-hertogenbosch); [Hacquebord et al Syllabus WTA Studiedag Interventies en hun Consequenties; Drongen B,13 nov 2009] 153 welke zoutbronnen onderscheiden we? Genoemde verontreinigingen met zouten kunnen afkomstig zijn uit de volgende bronnen - chloriden Kuststreken: aerosol in zeewind; vroegere inundatie of overstroming; uit de muur aan de basis van een gebouw dat tijdelijk in het zeewater heeft gestaan Waarschijnlijk ook: gebruik van brak aanmaakwater bij het metselen in steden met een haven in open verbinding met zee (men mag aannemen dat in de zomer het aanmaakwater voor de mortelbereiding zo met een emmer uit de haven zal zijn geschept, zeker wanneer in de zomer het schaarse regenwater in de regentonnen bij de huizen nodig was voor drinkwater) Langs de benedenrivieren ook wel in het grondwater Ten slotte, dooizout Figuur 152 Kerktoren aan de kust, aantasting voeg in luchtkalk door zeezout (NaCl) (foto: groot guneweg delft) 27

28 - sulfaten Luchtvervuiling, uit het grondwater, uit de steen (indien op lagere temperatuur gebakken, anders keramisch gebonden) - nitraten Luchtvervuiling, vogeluitwerpselen, menselijke urine, dierlijke urine en mest (stal), kunstmest 154 bepalen mate en aard van zoutbelasting Voor het ontwerpen van een receptuur voor een restauratievoegmortel is het noodzakelijk de mate en de aard van de zoutbelasting in de muur te kennen Daartoe zijn er verschillende analysemethoden beschikbaar Deze worden hieronder kort besproken waarbij ook de mate van toepasbaarheid in relatie tot de kosten wordt aangegeven - geleidbaarheidsbepaling Bij geleidbaarheidsmeting wordt met een conductiviteits- of weerstandsmeter de elektrische geleidbaarheid van alle ionen in een waterige oplossing gemeten (10 gr monster in 100 ml water) Zouten vallen vaak uiteen in een positief metaalion en een negatief zuurrest ion Bv NaCl, zeezout in Na + en Cl - Ter voorkoming van electrolyse wordt gebruik gemaakt van wisselspanning in plaats van gelijkstroom De geleidbaarheid wordt uitgedrukt in ms/m (millisiemens per meter) of μs/cm (microsiemens per cm) Voor bepaalde concentraties van zouten is met behulp van de geleidbaarheidswaarde de volgende klassering van de mate van zoutbelasting geformuleerd: µs/cm geen zoutbelasting µS/cm tussengebied, schade mogelijk Voorbeeld geleidbaarheidsmeter (bron: wwwgereisingerde) > 1100 µs/cm zoutbelast werk Door sommigen worden nog andere concentratieklassen gemaakt Bijvoorbeeld, < 500 µs/cm, geen zoutbelasting, µs/cm, lichte zoutbelasting, µs/cm, matig, µs/cm hoog, > 4000 µs/cm, zeer hoog De resultaten moeten als indicatief worden beschouwd: indicatief ten aanzien van de mate van zoutbelasting, omdat ook bindmiddelbestanddelen invloed hebben op de gemeten waarden; de proef geeft geen informatie over de aard van de zoutbelasting Bij hoge zoutbelasting dient de aard van de zouten te worden bepaald (zie de beschrijving van de proeven hieronder) om tot verantwoorde keuzen tav restauratie-interventies te kunnen beslissen Het is een betrekkelijk goedkope proef die wel op professionele wijze moet worden uitgevoerd 28

29 - hygroscopisch vochtgehalte (HMC) en vochtgehalte bepaling (MC) Een andere manier om de mate van zoutbelasting vast te stellen is door het bepalen van het hygroscopisch vochtgehalte van een gruismonster Deze proef wordt gewoonlijk gecombineerd met de bepaling van het vochtgehalte Met de proeven wordt een indruk gekregen van vocht- en zoutverdeling in een muur (over hoogte en diepte) Bij deze methode kan onderscheid gemaakt worden tussen optrekkend en bijv lekvocht Ook is het mogelijk verschillende typen zouten te onderscheiden door het hygroscopisch vocht (bijv in een klimaatkamer) bij verschillende RV te bepalen De beoordeling van de proefresultaten ten aanzien van de mate van zoutbelasting wordt gedaan wordt door specialisten; er is geen classificatiesysteem - kwalitatieve zoutanalyse Door middel van aantoningsreacties kan het geleidbaarheidsmonster op aanwezigheid van Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Chloriden, Sulfaten, Nitraten en Carbonaten worden onderzocht Hier hangen geen getalswaarden aan Het is een duurdere proef, die daarom meestal uitsluitend op het bij de geleidbaarheidsbepaling als sterkst belast gemeten monster wordt uitgevoerd - kwantitatieve zoutanalyse Men kan met verdergaande analysetechnieken een verfijnde bepaling met behulp van atomaire absorptie spectroscopie uitvoeren op de massaconcentraties in mmol/kg en m/m van de diverse ionen Dit wordt door sommigen wel aanbevolen maar voor het voegmortelontwerp is het meestal niet nodig deze relatief dure analyse te laten uitvoeren - XRD of röntgendiffractie analyse Met röntgendiffractie of XRD analyse is het mogelijk om een samenstelling en identiteit te bepalen van een poedervormig monster Hierbij worden geen ionen gemeten (elementen) maar kristallijne verbindingen, moleculen De bepaling kan kwalitatief en - tot op zekere hoogte - kwantitatief zijn In gevallen van exotische zoutbelasting kan het nuttig zijn een dergelijke analyse uit te voeren Figuur 153 Voorbeeld diagram XRD analyse (bron: TU Delft fac 3ME, sectie S&C) 29

30 Zo is het bijvoorbeeld gelukt, bij een geval van onverklaarbare voegdegradatie aan nieuw werk, aluminium fosfaat hydraat Al (PO 4 ) (H 2 O) 253 te identificeren, het reactieproduct van fosforzuur, H 3 PO 4 dat vermoedelijk was achtergebleven uit een reiniging met een cementsluierverwijderaar Deze verbinding maakt geen deel uit van een standaard kwantitatieve zoutanalyse Voor het voegmortelontwerp is het in normale gevallen echter niet nodig om een XRD analyse te laten uitvoeren 155 Zouten en bindmiddelkeuze De chemische reacties van aanwezige zouten met het bindmiddel in de mortel kunnen zeer verschillen al naar gelang de mineralogische samenstelling van het bindmiddel Bij het wetenschappelijk onderzoek naar zoutresistentie van bindmiddelen ligt het accent op beton Hierbij worden de verschillende cementsoorten wat hun mechanische eigenschappen betreft, als onderling verwisselbaar beschouwd: hoge sterkten, hoge E-moduli Er is ook onderzoek gedaan met het oog op de restauratie van voegmortels Opvallend daarbij is dat in de meeste gevallen de mechanische eigenschappen, en daarmee de mechanische compatibiliteit met de bestaande muur, niet wordt meegewogen Dit kan met name bij de eenzijdige conclusie dat hoogovencement in de mortelrecepturen leidt tot chloride- zowel als sulfaatresistente recepturen, gemakkelijk verkeerd worden geïnterpreteerd Door veel hoogovencement in de mortel te gebruiken ontstaat een veel te harde, te weinig vervormbare zoutresistente voeg; deze is voor de duurzaamheid van de muur sterk te ontraden Het komt hierbij aan op het vinden van het juiste midden tussen duurzaamheid en compatibiliteit - Chloriden Wat plaats kan vinden is dat Calciumcarbonaat (uitgeharde kalk) met zeezout (NaCl) wordt omgezet tot het makkelijk oplosbare calciumchloride (CaCl 2 ) Ook de harde voegmortel op basis van portlandcement, waarin eveneens calciumcarbonaat voorkomt, kan op basis van hetzelfde proces worden aangetast Schade is het gevolg, vooral langs de randen van de steen / voeg overgang die de zouten opneemt, die als aerosol komen aanwaaien en in water opgelost dit aan de voeg doorgeeft [Kalkboek p 167] Ook mogelijk is de vorming van Friedelzout wat zeer expansief is Met de chloriden als katalysator vindt dit plaats bij aanwezigheid van zowel CaO als AL 2 O 3, bv in witte cement en in tras ( ~20%) ontraden: Luchtkalk (calciumcarbonaat) of portlandcement Ontraden eveneens: Hydraulische kalk (HL), bv traskalk (op de markt als een voorgemengd bindmiddel met naast tras en luchtkalk, ook ~ 25% PC en een luchtbelvormer) Tras (hoog aandeel aluminiumoxide) + kalk bouwplaatsgemengd, behalve wanneer de verhouding tras kalk zodanig is dat alle trasdeeltjes met de kalk hydrateren en er geen ongebonden tras overblijft of, andersom, geen ondermaat aan tras dus een overmaat aan calciumcarbonaat Dit onderwerp vereist nadere studie aanbevolen: In [Kalkboek p 167 ] wordt hoogovencement aanbevolen met evt bijmengen van zekere kunstharsemulsies Wel dient men andere compatibiliteitsoverwegingen bij de bindmiddelkeuze te betrekken Bedoeld worden druksterkte, E-modulus waarden en hygrisch gedrag In de onderhavige metselwerkkarakteristiek (compatibel met kalkmortels) zal een mortel met uitsluitend hoogovencement daar niet aan kunnen voldoen, is uit het hier gerapporteerde onderzoek gebleken 30

31 Bepaalde natuurlijke hydraulische kalken blijken ook, met name door het lage Ca(OH) 2 gehalte en idem lage Al 2 O 3 gehalte en geverifieerd in chloride verweringstests (sterke concentratie zeezout in aanmaakwater) zeer chloridebestand te zijn (proeven aan uitgeharde monsters) De betreffende natuurlijke hydraulische kalk bevat in type NHL 3,5 een gehalte Al 2 O 3 van 1,66% en in type NHL2 2,08% (nb: tras 20%) verder C 3 A (tricalcium aluminaat) ook zeer lage waarden In NHL 3,5 0,5% resp in NHL 2, 0,4% [ Van andere op de markt zijnde natuurlijke hydraulische kalken werden dergelijke gedetailleerde mineralogische analyses niet aangetroffen Om hun geschiktheid in dit toepassingsgebied te beoordelen dient men mineralogische analyses en chlorideverweringstests te doen uitvoeren Een combinatie van bedoelde natuurlijke hydraulische kalk met een bescheiden deel hoogovencement voor het verkrijgen van voldoende groene sterkte, is ook toepasbaar Verder kan evt worden toegepast, tras + luchtkalk in de juiste verhoudingen, zie boven Verkennende laboratoriumexperimenten door de onderzoekers met hoogovenslakgranulaatmeel (ipv hoogovencement) en luchtkalk zijn veelbelovend maar wegens markttechnische omstandigheden, omdat dit materiaal slechts in bulkhoeveelheden op de markt is, niet vertaalbaar naar de restauratiepraktijk op dit moment -sulfaten Bij sulfaatbelasting kan in kalkmortels of in portlandcementmortels en de vrije kalk of de gecarbonateerde kalk, gipsvorming (Calciumsulfaat) plaatsvinden die hydrateert tot calciumsulfaat hydraat wat hydratatiedrukken oplevert die de mortelmatrix stuk kan drukken In combinatie met chloridebelasting kan eventueel natriumsulfaat ontstaan dat ook sterk volumevergrotend is Bij vorming van het sterk volumevergrotende ettringiet wordt de mortelmatrix uiteen gedrukt De exotische situatie van thaumasietvorming valt buiten dit algemene kader en vraagt om een op maat ontworpen mortelreceptuur ontraden: Luchtkalk (calciumcarbonaat) of portlandcement Eveneens ontraden Hydraulische kalk (HL, bv traskalk, (niet te verwarren met NHL, natuurlijke hydraulische kalk) aanbevolen: Hoogovencement, want sulfaatarm (nanatten!) en laag gehalte Al 2 O 3 en laag gehalte aan vrije kalk Wanneer men daar de andere compatibiliteitsoverwegingen bij betrekt, zoals druksterkte, E-modulus en hygrisch gedrag, dan zal een dergelijke mortel echter (compatibel met kalkmortels) daar niet aan kunnen voldoen, is uit het hier gerapporteerde onderzoek gebleken Combinatie hoogovencement met luchtkalk (zie hierboven) kan ook voldoen, mits mechanisch compatibel Bepaalde natuurlijke hydraulische kalken blijken ook zeer sulfaatresistent, met name door de afwezigheid van SiO 3, het lage Ca(OH) 2 gehalte en idem lage C 3 A gehalte, de afwezigheid van gips en van natrium en kaliumoxide, welke elementen en verbindingen alle wel in mindere of meerdere mate in portlandcement aanwezig zijn [ 31

32 Van andere op de markt zijnde natuurlijke hydraulische kalken werden dergelijke gedetailleerde mineralogische analyses niet aangetroffen Om hun geschiktheid in dit toepassingsgebied te beoordelen dient men mineralogische analyses en sulfaatverweringstests te doen uitvoeren Verder kan evt worden toegepast: tras + luchtkalk in de juiste verhoudingen, zie boven Ook een volledig hydraulische mortel met een combinatie hoogovenslakgranulaatmeel (ipv hoogovencement) en luchtkalk zal sulfaatresistent zijn Een combinatie van de genoemde natuurlijk hydraulische kalk met een bescheiden toegift hoogovencement om een betere groene sterkte te krijgen, is binnen mechanische compatibiliteitsgrenzen, ook toepasbaar *In het geval van thaumasietvorming zou, volgens [Van Hees, Wijffels, VD Klugt, Pointing Project paper 57 Thaumasite swelling in Mortars ] ook een natuurlijke hydraulische kalk (NHL) met een laag gehalte aan Al 2 O 3 niet worden toegepast In het laboratorium bleken mortelprisma s met een dergelijke natuurlijke hydraulische kalk in tegenstelling tot die met een combinatie van hoogovencement en luchtkalk, niet te voldoen (verschillen in snelheid van sterkteontwikkeling de reden?) Dit is een specifiek onderwerp en valt buiten dit algemene onderzoekskader -nitraten Werken vooral fysisch: volumevergrotend In de literatuur niet veel bekend omtrent chemische aantasting van mortels door nitraten Derhalve geen aspect bij bindmiddelkeuze Belangrijkste is fysische / mechanische schade; open porositeit en mechanische sterkte zijn hierbij belangrijk (zie aldaar) Samenvattend, bij zoutbelast werk : Het meest effectief is te zoeken naar een bindmiddel / bindmiddelencombinatie, die zowel chloride- als sulfaatresistent is: DUS: - GEEN portlandcement, geen luchtkalk zonder ander(e) hydraulische bindmiddel(en), geen HL / traskalk, geen witte cement - WEL hoogovencement met luchtkalk (niet effectief bij chloriden), bepaalde natuurlijke hydraulische kalk NHL met laag gehalte aluminaten (behoudens bij lage temperaturen en hoog vochtgehalte: thaumasietvormingsrisico) Combinatie hoogovencement met deze NHL ook mogelijk - WELLICHT: tras ~ luchtkalk in de juiste onderlinge verhouding (nader onderzoek nodig) 32

33 Uitvoeringsaspecten Voegers werken liefst met een combinatie luchtkalk + portlandcement wat makkelijk is vanwege de vrij hoge groene sterkte (sterkte na korte tijd) en er wordt weinig nazorg vereist Dit is dus in zoutbelaste situaties te ontraden! Hoogovencement hardt trager uit dus moet wel worden nabevochtigd, anders treedt verbranding op Hetzelfde bij een natuurlijke hydraulische kalk, hoewel hier minder kans op verbranden, reactie komt bij voldoende vocht later wel weer op gang Voorbevochtiging belangrijk Aan beschermen tegen uitdrogen en vrij intensief nabevochtigen zal men dus moeten wennen 156 eigenschappen voegzand en zoutbelasting: alkali silica reactie (ASR) Alkali silica reactie (ASR) wordt in hoofdzaak bestudeerd vanwege schaden in beton maar die schaden kunnen zich ook voordoen in metsel- en voegmortels De term ASR duidt op een geheel van volumevergrotende reacties die kunnen plaatsvinden tussen bepaalde bestanddelen van het aggregaat (voor beton: grint en zand, voor metsel- en voegmortels, alleen zand) met alkaliën die in het poriënwater aanwezig zijn Deze bestanddelen bevatten reactieve silica (kiezelzuur) De alkaliën (natrium- en kaliumhydroxiden) kunnen afkomstig zijn van alle samenstellende elementen van het beton cq de metselof voegmortel of aangevoerd worden van buitenaf (aerosol of dooizout) Enkel de vrije, oplosbare alkaliën spelen een rol in het reactieproces Hoe fijner de deeltjes in het aggregaat (het zand) en hoe meer reactieve silica deze deeltjes bevatten, met name de fractie < 0,062mm, des te hoger de kans op ASR De meeste voegzanden zijn rivierzanden Deze bestaan voornamelijk uit kwarts en bezitten geen splijtrichtingen en zijn chemisch bijna niet reactief, ook de fijnere deeltjes niet Om op kleur te komen worden door voegers ook bergzand en zavelzand gebruikt Het zijn groevezanden met een andere mineralogische samenstelling en structuur dan het rivierzand Het vermoeden bestaat dat deze zanden bij werk dat natriumchloridebelast is in bepaalde omstandigheden tot ASR aanleiding kunnen geven In de betonindustrie is het gebruikelijk dat zanden in een kortdurende test op ASR risico worden getest (bij deze test wordt de aanwezigheid van reactieve silica in het aggregaat aangetoond) Voor voegzanden wordt dit niet gedaan omdat het in de meeste situaties niet aan de orde is Bij grotere voegherstelwerken in de situatie die hierboven is geschetst zou dit misschien in overweging kunnen worden genomen 157 remedies tegen aanwezige bouwschadelijke zouten in relatie tot voegmortelontwerp Samenvattend zijn de remedies ter voorkoming van directe of indirecte schade ten gevolge van bouwschadelijke zouten in of door voegherstelmortels: chemisch: -kies een bindmiddel dat resistent is voor het bouwschadelijke zout / de combinatie van bouwschadelijke zouten fysisch: -zorg voor voldoende open porositeit waardoor opgeloste zouten kunnen migreren naar en kristalliseren aan het oppervlak; neem daarbij de zoutuitbloei die bij drogend weer ontstaat (en indien deze nog oplosbaar is bij regen weer wordt afgespoeld) voor lief 33

34 Figuur 154 Voorbeeld zouttransporterende hydraulische kalkvoegmortel, toren Goedereede (foto: groot gunneweg delft) -mechanisch maak de mortel zo sterk (hard) mogelijk Dit staat echter op gespannen voet met de mechanische compatibiliteitseisen (lage druksterkte, lage E- modulus, bij metselwerk in kalkmortels) Deze frictie is niet op te lossen Een mortelreceptuur die deze tegenstrijdige eisen overbrugt bestaat niet Door de duurzaamheid van het bestaande historische metselwerk topprioriteit te geven wordt de keuze wel duidelijk vaak zal gelden: geef de mortel zo voldoende sterkte om zoutaantasting te voorkomen Zie verder hoofdstuk compatibiliteit vs duurzaamheid - uitvoering er moet diep worden uitgehakt literatuur - WTCB gids voor restauratie van metselwerk - Hens, H, Toegepaste Bouwfysica Acco Leuven, Balen, K van et all Het Kalkboek, Rijksdienst voor de Monumentenzorg, Zeist, Van Hees, Wijffels, VD Klugt, Pointing Project paper 57 Thaumasite swelling in Mortars - Hacquebord et al Syllabus WTA Studiedag Interventies en hun Consequenties; Drongen B,13 Nov 2009], - wwwstastiercouk/nhl/testres/seawaterhtm - wwwgereisingerde - wwwbetonlexiconnl 34

35 16 Thermische schade aan muren door harde voegen over zachte metselmortel 161 Praktijkwaarnemingen Bij bezonning van oude, meestal donker verweerde muren in de zomer kan de temperatuur aan de huid van de muur flink oplopen ten opzichte van dieper gelegen zones Er kunnen temperaturen tot wel 50 à 60 o C worden bereikt Daardoor vindt aan de buitenhuid van de bakstenen meer uitzetting plaats dan dieper in de muur Dit is een cyclisch proces dat vermoeiing van het materiaal kan opleveren Bij een zachte (kalk) mortel als metselmortel in doorstrijkwerk worden de thermische spanningsverschillen opgenomen door de mortelvoeg en levert deze uitzetting geen problemen op Wordt over deze mortel een zachte hervoegmortel gezet dan zijn er evenmin problemen Bij een harde cementmortel als herstelvoeg over een kalkmortel kunnen wel problemen ontstaan, zoals afspringen van de randen van de stenen De schadebeelden in de onderstaande foto s duiden daar op Figuur 161 Afgeschilferde stenen bij zeer harde cementvoeg over metselmortel in kalk Li: IJsselstenen in Vrouwetoren Gouda; Re: Tufsteenblokken in basement toren NH Kerk Monster (foto s: groot gunneweg delft) Vermoeiing Men veronderstelt dat de mechanische schaden optreden wanneer grenswaarden in mechanische sterkten eenmalig worden overschreden Aangezien het hier gaat om cyclisch wisselende belastingen kan ook aan vermoeiing worden gedacht Bij vermoeiing bezwijkt een materiaal onder een wisselende belasting, waardoor er breuk kan optreden, zelfs indien de spanningen overal ver onder de maximale vloei- of breukspanning blijven Het zou wellicht ook bij kristallijne opbouw van siliciumverbindingen (cement!) kunnen optreden Vermoeiing is bij staal en aluminium bekend en diepgaand onderzocht Lange tijd zijn wetenschappers ervan overtuigd geweest dat silicium geen vermoeiingsgedrag zou vertonen en dat werd ondersteund door praktijktests Wetenschappers van het NIST Amerikaanse National Institute of Standards and Technology hebben bij proeven met silicium nu echter toch vermoeiing geconstateerd De wetenschappers denken dat de toevoeging van schuifspanningen in de belasting de oorzaak is van de vermoeiing Wanneer we bij voegen de hygrische en thermische vormveranderingen tov het grensvlak met de steen beschouwen, is duidelijk dat we hier met name met deze schuifspanningen te maken hebben Het is goed voor te stellen dat kristallijne structuren van calciumverbindingen minder gevoelig zijn voor vermoeiing 35

36 162 Rekenkundige benadering: thermische spanningen in relatie tot E-modulus De praktijkwaarnemingen dat een harde voeg, of beter een voeg met weinig vervormingscapaciteit of wel hoge E-modulus, door temperatuurswisselingen schade kan toebrengen aan zacht metselwerk kan rekenkundig worden onderbouwd Het betreft niet alleen de uitzetting van de voeg zelf die door de geringe breedte ten opzichte van de stenen klein is Door de temperatuurgradiënt gaat ook de buitenste zone van de baksteenhuid uitzetten en dat bij elkaar zorgt bij een niet samendrukbare voeg voor spanningen die ook in het in het interface steen-voeg-steen hun weg zoeken Het verband tussen opgebouwde spanning bij thermische uitzetting en E-modulus vinden we oa bij [Hens] en [Masoud]: De thermische uitzettingscoëfficiënt wordt berekend door een staaf materiaal te verwarmen met een temperatuurtoename van Δ θ ; door meting de lengtetoename te bepalen en deze met de oorspronkelijke lengte te vergelijken; en vervolgens de verlenging te delen door de temperatuurtoename, zodat de lengte toename per 0 C (= 0 K) wordt bepaald α = (ΔL /L) /Δ θ (m/(mk)), waarbij ΔL = de lengte toename; L = oorspronkelijke lengte en Δ θ = temp toename [K] Thermische vervorming van een voeg kan tot hoge spanningen in het metselwerk leiden wanneer er sprake is van een voegmateriaal met een hoge stijfheid (E-modulus); de spanning die opgebouwd wordt kan uitgedrukt worden in σ = f α E Δθ waarbij f een factor is die bepaald wordt door de tegendruk van het omliggende materiaal Is de tegendruk nul dan kan het materiaal vrij uitzetten en ontstaat er geen spanning (f=0) Is de omgeving star dan f=1 Met andere woorden: het product van de lineaire uitzettingscoëfficiënt en de elasticiteitsmodulus αe, de thermische spanningscoëfficiënt, is de maat voor de mogelijke spanningsopbouw per o K in het metselwerk Hieruit blijkt dat naarmate het product αe bij een gelijk temperatuurverschil groter wordt, de thermische spanning oploopt 163 Eerder laboratoriumonderzoek [Vermeltfoort, Groot, Wijen] en [Hayen, Van Balen] Het effect van thermische schade is in het laboratorium nader onderzocht in het onderzoek Thermal strains in repointed masonry preliminary investigations using ESPI [Vermeltfoort, Groot, Wijen; RILEM pro 12 paper 21, Paysley Scotland, 1999] Ook in het Pointing Project is er een onderzoek in die richting gedaan [ Hayen, Van Balen Thermal Expansion of Historic Masonry, looking for Physical Compatibility ; paper 510 ] Bij dit laatste onderzoek werden de lineaire thermische uitzettingscoëfficiënten van verschillende mortels en bakstenen en de combinaties daarvan bepaald en met elkaar vergeleken In het eerst vermelde onderzoek werden een klein aantal proefstukken met verschillende combinaties metsel- en voegmortels, zacht over hard en hard over zacht, in een stoof verhit van 25 o C naar 35 o C, waarbij de temperatuur op verschillende diepten in het proefstuk werd gemeten Op het proefstuk waren 4 markeerpunten aangebracht in de vorm van een rechthoek Door middel van het laser meetsysteem Newport ESPI SD-30 (Electronic Speckle Pattern of Interferrence) werd de plaats van die punten zowel bij 36

37 de lage als bij de hogere temperatuur digitaal vastgelegd Met speciale software werd de verplaatsing van elk van de vier markeerpunten berekend en in een grafische voorstelling geconverteerd Onder voorbehoud van de beperkingen die de eenvoudige testopstelling en het beperkte aantal proefstukken, worden ondermeer de volgende conclusies uit dit onderzoek getrokken: Een zachte voegmortel heeft geen invloed op de spanningsverdeling in de proefstukken vanwege zijn lage E-modulus ten opzichte van die van de baksteen en de harde metselmortel; Een harde voegmortel scheidt de bakstenen doordat ze trekspanningen in de metselmortel veroorzaken In de werkelijkheid kan dit leiden tot grote drukspanningen in de buitenste zone van de bakstenen In de onderstaande figuren wordt dit schematisch aangegeven Figuur 162 Veronderstelde verschillen in thermische spanningen in metselwerk als gevolg van verschillen in thermische spanningscoëfficiënten (αe ) bij harde cement hervoegmortels (boven) en zachte kalk hervoegmortels (beneden) (bron: groot gunneweg delft) 37

38 Dit sluit aan bij de hiervoor gegeven rekenkundige benadering Ook de conclusies van het onderzoek Hayen, Van Balen hoewel in andere bewoordingen gesteld, kwamen in wezen op het zelfde neer Hieruit mag worden afgeleid dat hervoegmortels qua thermische uitzettingscoëfficiënt en E- modulus waarden niet te veel mogen afwijken van die van de authentieke metselmortel Vrij bewegen of verhinderde vervorming Het is van belang op te merken dat, anders dan in de praktijk, thermische schade niet effectief zal optreden aan uit 2 stenen bestaande proefstukken in een laboratoriumsituatie Deze stenen kunnen immers vrij bewegen, want ze zijn niet ingesloten door ander metselwerk (verhinderde vervorming) en ondervinden dus geen tegendruk De spanning in de laboratoriumsituatie wordt evenwel omgezet in verplaatsing, welke verplaatsing dus in het hier behandelde onderzoek gemeten werd Literatuur - Vermeltfoort, Groot, Wijen; Thermal strains in repointed masonry preliminary investigations using ESPI [RILEM pro 12 paper 21] - Hayen, Van Balen Thermal Expansion of Historic Masonry, looking for Physical Compatibility (paper 510 Maintenance of pointing in historic buildings; Decay and replacement; EC Environment Programme ENV4-CT98-706, november Hens, H Toegepaste Bouwfysica 1 Randvoorwaarden, prestatie, materiaaleigenschappen, Leuven, Masoud, Ahmed Mechanica van Materialen wwwwikibooksorg/wiki/ 38

39 17 Krimp bij uitharding van voegmortels, natuurlijke dilatatie Krimp is één van de tijdsafhankelijke effecten in een mortel, tw het verminderen van het (uitwendige) volume door fysische of chemische processen Krimp wordt in hoofdzaak bestudeerd in snel uithardende hydraulische mortels, ic portlandcement en hoogovencement in beton Krimp verloopt daarin anders dan bij traag uithardende hydraulische mortels als natuurlijke hydraulische kalk of puzzolane mortels of in mortels met luchtkalk En bij voegmortels nog weer anders dan bij metselmortels of bij betonmortels Alvorens op deze verschillen in te gaan hieronder de beschrijving van de oorzaken van krimp in het algemeen (beton) zoals oa gegeven bij [Vegt, I ] -oorzaken Capillaire krimp / plastische krimp Uithardingskrimp (veroorzaakt door chemische en autogene processen, carbonatatie en hygrische krimp) Capillaire krimp / plastische krimp : bij traag uithardende mortels de belangrijkste krimp Plastische of capillaire krimp - hierna, plastische krimp - kan alleen in verhardende specie optreden: de plastische fase Wanneer de verdamping van water aan het specieoppervlak groter is dan de (interne) watertoevoer kan de nog plastische specie gaan krimpen omdat de wanden van de poriën naar elkaar toe worden getrokken De plastische krimp gebeurt tijdens de plastische fase en is reversibel want kan door watertoevoeging weer ongedaan worden gemaakt De plastische krimp is voor cementmortels klein, maar voor traag uithardende mortels groot, en daar de belangrijkste soort krimp Dit kan, met name in pleisters, ernstige scheurvorming veroorzaken en bij voegmortels zorgen dat er een microspleet in het interface ontstaat Bij metselmortels wordt deze krimp tenietgedaan door de compactie van de nog plastische mortel in de mortelvoegen ten gevolge van het gewicht van de bovenliggende steenlagen en in de stootvoegen min of meer door het doorgeven van de druk vanuit de mortel in de lintvoegen aan die in de stootvoegen Bij voegmortels, is het metselwerk uitgehard: enige weken / maanden, of bij hervoegen eeuwen, en de afstand tussen de interfaces van de stenen een constante Hierdoor kan geen compactie meer plaats vinden zoals bij het metselen, waardoor er een microspleet in het interface ontstaat, doch in de plastische fase behoeft dit niet tot een probleem te leiden zoals hierna zal worden uitgelegd Overigens worden in Engeland voegmortels in zuivere luchtkalk wel 1 dag na inzetten nagewerkt, wat uiteraard zeer goed kan doordat ze in 24 uur nog geen binding hebben ontwikkeld Het meten van krimp is een lastige zaak: een onderscheid maken tussen plastische en uithardingskrimp is vooral moeilijk te doen In de proevenserie die in dit rapport gepresenteerd wordt zijn plastische en uithardingskrimp tezamen gemeten in een proef die, wat opzet betreft, afgeleid is van een krimpproef ontwikkeld door [ de Vekey, B] 39

40 Te verwachten is dat, in tegenstelling tot cementmortels, bij de hydraulische kalkmortels de plastische krimp groot zal zijn Factoren van invloed op plastische krimp en krimp in het algemeen Aangezien voor traag uithardende mortels de plastische krimp het grootst is, wordt in het navolgende de nadruk daarop gelegd Bij cementmortels is de hygrische krimp de belangrijkste Dan is de chemische binding al voltooid De mechanismen zijn echter enigszins vergelijkbaar met die van de plastische krimp Het betreft de volgende factoren: Water/bindmiddel factor, ic dosering aanmaakwater Snelheid van de binding ic type bindmiddel Zuiging van de ondergrond en al dan niet voornatten daarvan Uitdroging aan het buitenoppervlak ic onvoldoende beschermen en/of nanatten Volume aandeel bindmiddel tov zand Korrelgrootte van het zand De invloed van de water/bindmiddel factor, ic dosering aanmaakwater is duidelijk Hoe minder water, des te minder capillaire of plastische krimp kan optreden Dit is - naast het voorkomen van smetgevaar - een extra argument, een goede reden om traag uithardende voegmortels zo droog mogelijk in te zetten en vervolgens het verse werk geregeld na te nevelen Cementmortels daarentegen moeten, gezien de zeer snelle binding, wel een royalere hoeveelheid aanmaakwater hebben om verbranden te voorkomen Later vocht toevoegen helpt dan niet meer Overigens hebben cementmortels door die snelle binding ook nauwelijks plastische krimp dus is zo droog mogelijk verwerken hier ook niet nodig De snelheid van de binding ic type bindmiddel is hierboven al genoemd als factor De invloed op de plastische krimp is ahw omgekeerd evenredig met de afbindingstijd: snelle binding cement: weinig plastische krimp; trage binding kalk: hoge plastische krimp Hoe sneller de reactie, hoe sneller de mortel star wordt, hoe minder vormverandering / krimp kan optreden wanneer het poriewater verdampt of wordt afgezogen door de ondergrond Onderstaande grafiek geeft de uithardingskarakteristiek weer voor 3 typen binding Traag uithardende mortels zullen in theorie bij vochttoediening in de plastische fase als het ware hygrisch zwellen (niet te verwarren met de hygrische uitzetting in de uitgeharde fase, die veel geringer is) en vervolgens zal de chemische binding, de hydratatie, verder op gang komen In die volgorde Daarna zal bij een volgende nat-droog cyclus, de hygrische zwelling minder zijn maar ook de plastische krimp Dit wegens het minder plastisch geworden zijn van de mortel Enzovoort Van een Franse natuurlijke hydraulische kalk die in drie sterkten op de markt is, is de volgende krimp na 28 dagen bekend [mm/m]: NHL 5, 0,15, NHL 3,5, 0,25, NHL 2 0,51 [Tedeschi, L] Deze is in belangrijke mate plastische krimp Hoe hoger het gehalte aan hydraulische componenten, de C 2 S, hoe sneller de binding sneller gaat en daarmee dus de (plastische) krimp kleiner wordt 40

41 14 uithardingskarakteristiek mortels CL 70 - NHL 3,5 - MC 12 druksterkte N/mm NHL 3,5 1:2,5 MC 1 : 3 CL 70 1 : weken Figuur 171 Uithardingskarakteristieken van een luchtkalk (CL70), een Natuurlijke Hydraulische Kalk (NHL 3,5) en een metselcement (MC) mortel Ook de zuiging van de ondergrond en al dan niet voornatten daarvan heeft duidelijk een belangrijke invloed op de plastische krimp Dit is de andere factor waardoor water aan de mortel wordt onttrokken naast verdamping Voornatten is voor voegmortels dus belangrijk, niet alleen voor de uitharding maar ook om de plastische krimp te verminderen Door uitdroging aan het buitenoppervlak ic onvoldoende nanatten kan bij schraal zonnig weer een zodanig snelle verdamping van het aanmaakwater geschieden dat krimpscheurtjes ontstaan loodrecht op de richting van de voeg Dit kan worden voorkomen door het verse werk te beschermen en daarna voldoende na te natten zoals hiervoor reeds is beschreven Het volume aandeel bindmiddel tov zand is bepalend voor de hoeveelheid aanmaakwater die een voeg- of metselmortel nodig heeft om een zekere plasticiteit of verwerkbaarheid te krijgen Hoe meer bindmiddel = fijne deeltjes (vette mortel), hoe meer aanmaakwater nodig, hoe meer plastische krimp kan ontstaan Immers hoe fijner de deeltjes, hoe groter het specifiek oppervlak (Blaine getal m 2 /g,), dat een maat is voor het watervasthoudend vermogen van een mortel Een te vette mortel is meer krimpgevoelig De korrelgrootte van het zand heeft op het watervasthoudend vermogen een vergelijkbaar effect Voor eenzelfde verwerkbaarheid geldt: Fijn zand meer water meer krimp; grof zand minder water minder krimp Bij voegmortels is dit echter niet de enige parameter die de korrelgrootte van het zand bepaalt Immers, goede verwerkbaarheid vraagt om een fijner zand en grove korrels in het oppervlak van de voeg spoelen sneller uit Het gaat ook hier om vinden van het juiste compromis literatuur - Vegt, I Glas-in-beton afstudeerverslag TU Delft, faculteit Civiele Techniek Delft, 20 augustus Tedeschi, L Mineralogy of binders and the Effects of Free Lime content and Cement addition in Mortars CESA St Astier Fr (jaartal onbekend) - Vekey, B de et Al ; A new Total shrinkage test for mortar Building Research Establishment (BRE) UK - wwwbetonlexiconnl 41

42 18 achteruitgang ademend vermogen restauratie-voegmortels 181 inleiding: invloed hardheidscriterium en garantiestelling De idee dat ook in de restauratie een voeg altijd hard moet zijn om duurzaam te zijn, want dan is deze pas sulfaat- en chloridebestand, is ontstaan door de CUR aanbeveling AA 61- Het voegen van metselwerk, 2 e druk 1998, waarin het hardheidscriterium als enige parameter voor kwaliteit wordt gehanteerd Hoe harder hoe beter! De pendel van de voeghardheidsmeter moet zo ver mogelijk terugzwaaien, dan zit je goed Inmiddels is de restauratiesector wel doordrongen van het feit dat dit voor oude muren gemetseld in kalkmortels geen goede keuze is en strijdig met het uitgangspunt van mechanische compatibiliteit, dus vraagt om: zachte(re) voegmortels! Deze nuancering mbt mechanische compatibiliteit is pas vrij recent doorgedrongen en sommige voegbedrijven/gevelrestaurateurs en prefabmortel producenten en voegbedrijven willen daar nog niet aan en zweren in zoutbelaste situaties voor de keuze van een restauratievoegmortel om de hoogste voeghardheidsklasse in de genoemde CUR aanbeveling te halen of in ieder geval te benaderen Een CUR aanbeveling die - bij gebrek aan beter - door architecten ook nog wel eens in restauratiebestekken van toepassing wordt verklaard! Nog steeds hebben voegbedrijven, geconfronteerd met de eis tot garantieverlening, moeite om een zachtere voegmortel toe te passen De voeg moet zichtbaar 10 jaar goed blijven, dan heeft men aan zijn garantieverplichting voldaan Men kan de vraag stellen of de garantie-eis dan niet anders moet worden geformuleerd, maar dat valt buiten het kader van dit onderzoekshoofdstuk Wanneer binnen de garantietermijn een te harde voeg door vochtinsluiting bij vorst of door krypto uitbloei van zouten achter de voeg wordt uitgedrukt, is het duidelijk dat de garantie niet is waargemaakt Moeilijker voor te stellen is dat ook al ziet voegwerk er op het oog goed uit, dit toch een sterk negatieve invloed kan hebben op de vochthuishouding in de muur en zelfs een bron van lekkage kan zijn en bij zachte zoutbelaste stenen mogelijk tevens vergruizing van het buitenoppervlak door krypto uitbloeiing (zie foto hieronder) Figuur 181 Het mechanisme zichtbaar bij een kerktoren hervoegd met een cementgebonden restauratiemortel; schade aan zachte bakstenen, vochtgehalte in de muur toegenomen 42

43 182 praktijkvoorbeelden Uit verschillende praktijk gevallen (Domburg, Goedereede, etc) is gebleken dat bij in kalk gemetseld historisch metselwerk de opofferingsgezindheid van een voegmortel, ic een zachte mortel, de duurzaamheid van de muur als geheel ten goede zal komen Sommige van deze objecten werden eerder met cementmortels hervoegd, met schadebeelden als hierboven is beschreven Dit is zowel uit een oogpunt van monumentenzorgethiek, als uit economisch oogpunt een verkieslijker situatie dan sterk voegwerk dat in zichzelf gaaf blijft, maar op een onzichtbare manier voor verstoring van de vochthuishouding zorgt en daardoor de kans op vorstschade in de metselmortel en in de steen doet toenemen Bij zoutbelaste situaties in eeuwenoude torens is sterk voegwerk vaak de oorzaak van het verkruimelen van zachte bakstenen door krypto uitbloeiing Een voeg die direct na het zetten goed aanligt en door een gunstige porositeit (passende waterabsorptie coëfficiënt en drogingcoëfficiënt) voldoende ademend vermogen heeft, kan wanneer hij te hard is (een te hoge E-modulus + een te hoge uitzettingscoëfficiënt), van lieverlee zodanig gaan werken dat het hydraulisch contact *) vermindert en er spleten ontstaan Via deze spleten in de interface infiltreert water in de muur dat er dan niet via de 1 e capillaire droogfase meer uit kan (omdat door de spleten het capillaire transport is onderbroken) Anders gezegd: bij een weinig poreuze baksteen zal vocht dat in de metselmortel is getrokken niet meer via het oppervlak van de voeg kunnen verdampen, maar alleen via de relatief grove luchtspleet (omgevend materiaal heeft immers een veel fijnere porositeit) *) Met hydraulisch contact wordt bedoeld de aansluiting tussen poreuze materialen, waardoor vochttransport van het ene naar andere materiaal kan plaatsvinden (voor verdere detaillering zie [W Depraetere, JCarmeliet, HHens; Mosture Transfer at Interfaces of Porous Materials: Measurements and simulations ; Proceedings International Workshop 1999 Paisley Scotland - RILEM Pro 12 RILEM website] Men ziet in de praktijk dat in een dergelijk geval bij felle bezonning, de voeg ahw gaat zweten (foto 182) Figuur 182 Voeghechtvlak spleet: bij felle bezonning gaat de voeg als het ware zweten 43

44 Wanneer er sprake is van een dergelijke situatie van verbroken hydraulisch contact zal de voeg droog zijn, maar wanneer men er een stukje uit breekt zal de interface en met name de metselmortel daarachter, nat zijn (foto s 183) Figuur 183 Voorbeelden van de aanwezigheid van vocht achter het voegwerk door de aanwezigheid van spleten Hierdoor ontstaat een grote vertraging in het drogen Behalve verminderde droging gaat zich nog een ander fenomeen voordoen, tw waterinfiltratie via de voeghechtvlak - spleet Ook al is daar visueel nog niets van te zien kan via deze spleet bij slagregen waterinfiltratie in de muur plaats vinden De zgn voeghechtvlakspleet lekkage De mechanismen die in de loop van de tijd tot verslechtering van het hydraulisch contact kunnen leiden worden hierna behandeld Allereerst wat in de literatuur bekend is over de verschillende vormen van hydraulisch contact 44

45 Figuur 184 Spleet in interface cementgebonden voegmortel metselmortel; zwart is algvorming (foto PFM microscopie Microlab TU Delft CiTG aan dunslijppreparaat, groot gunneweg delft) 183 achteruitgang ademend vermogen ; mechanismen De problemen treden vooral op aan de zon en regenbelaste zijde van een gebouw Van zuid tot noordwest De belangrijkste wisselingen in de toestand van het metselwerk zijn vocht en temperatuur Dit is een periodieke wisseling van opwarmen, nat worden en afkoelen, uitdrogen, vorst, nat worden, opwarmen, uitdrogen enzovoort, die dag in dag uit, seizoen na seizoen voortgaat De drie belangrijke aspecten zijn: - temperatuurswisselingen - wisselingen in vochtgehalte - trillingen: alleen bij windmolens - temperatuurwisselingen In de vorige paragraaf (par 16) is aangetoond hoe een harde voeg, of beter een voeg met een hoge thermische uitzettingscoëfficiënt en weinig vervormingscapaciteit of wel hoge E-modulus, door temperatuurswisselingen schade kan toebrengen aan zacht metselwerk waarbij het product αe, de thermische spanningscoëfficiënt maatgevend is en de thermische spanning oploopt naarmate de uitkomst hoger is en de temperatuurswisselingen hoger zijn (zie ook conclusie 317) Het is aannemelijk dat de cyclische veranderingen van de spanning tussen de baksteen en de voeg door deze thermische uitzetting en krimp er de oorzaak van kan zijn dat deze vooral bij een V-vormig uitgeslepen voeg zich los wrikt Dit mechanisme is in onderstaande figuur nader verklaard 45

46 Figuur 185 Mechanisme achteruitgang ademend vermogen bij toepassing cementvoeg in kalkgemetseld werk De V-vorm bevordert het loswrikken! Dit geleidelijke proces zal bij vorst nog worden versterkt, waardoor de spleet in het hechtvlak groter wordt In sommige gevallen zal de voeg worden uitgedrukt maar dat hoeft niet altijd het geval te zijn Men kan het wel waarnemen door op de voeg te tikken met een stalen voorwerp: de voeg klinkt dan hol Als door deze micro deformatie weinig of geen mechanische hechting meer aanwezig is, ook in de stootvoegen, en er steeds minder sprake is van inklemming, dan kan de voeg min of meer vrij werken tov de steen Op dat moment gaat het meer en meer over verschillen in lengteverandering tussen voeg en steen in plaats van spanningsveranderingen en gaan de verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënt tussen baksteen en voeg een rol spelen - wisselingen in vochtgehalte Ook de wisselingen in vochtgehalte zorgen voor volumeveranderingen, ic lengteveranderingen Omdat de hygrische lengteverandering, L h geen lineair verloop heeft, wordt deze niet uitgedrukt in een coëfficiënt maar wordt een maximum relatief lengteverschil bepaald tussen droog en vochtverzadigd Uiteraard kunnen de thermische en de hygrische spanning niet bij elkaar worden opgeteld: immers als er na flinke bezonning een bui komt daalt de temperatuur en daarmee de temperatuurspanning, maar neemt gelijk het vochtgehalte dus de hygrische spanning toe (pendelwerking) - trillingen; alleen bij windmolens Bij bakstenen windmolens zorgt het malen van de molen voor trillingen in de molenromp Het dempend vermogen van de mortel is hierbij belangrijk om de trillingsenergie om te zetten in inwendige energie Naar verwachting scoren op dit vlak zachte mortels duidelijk beter dan harde mortels Daarbij komt het aspect temperatuurspanningen (α x E) waarbij harde voegen met een hoge E-modulus + hoge uitzettingscoëfficiënt voor versterking van het loswerken van de voegen zorgen Ook betreffende dit aspect zijn zachte voegen met een lage E-modulus in het voordeel 46

47 184 samenvatting conclusie - aanbeveling Door het mechanisme van cyclische thermische en hygrische spannings- en lengteverandering, versterkt door vorstinwerking, en bij bakstenen windmolens, de trillingen door het malen, zal bij harde voegmortels met een hoge E-modulus-waarde met name in V-vormige voegen ook zonder dat dit met het oog waarneembaar is, een zich verwijdende microspleet in het interface van de voeg ontstaan Deze zorgt ervoor dat de kwaliteit van het hydraulisch contact geleidelijk aan vermindert en overgaat in een luchtspleet tussen de lagen Hierbij is infiltratie van regenwater via de spleet mogelijk en wordt bij droog weer de capillaire droogfase geblokkeerd, waardoor de op grond van de porositeit intrinsiek ademende voeg die kwaliteit kwijtraakt en juist een vochtprobleem introduceert, bij zachte zoutbelaste stenen mogelijk tevens vergruizing van het buitenoppervlak door krypto uitbloeiing Conclusie Hoge thermische spanningen als gevolg van hoge thermische uitzetting en hoge stijfheid manifesteren zich bij harde mortels (hoog cement gehalte) en kunnen leiden tot mechanische zowel als hygrische schade in zacht metselwerk Dit moet zoveel mogelijk worden voorkomen Om die reden verdienen zachte mortels met een hoge samendrukbaarheid (is lage E-modulus waarde) de voorkeur; dit type mortels hebben meestal ook de laagste thermische uitzettingscoëfficiënt Bij zoutbelaste situaties waar in beginsel een harde voegmortel wenselijk is, moet worden gezocht naar een compromis Een mortel met een gematigde E-moduluswaarde In geen geval is een harde mortel, met een hoge E-moduluswaarde, te verkiezen; een mortel met uitsluitend PC of HOC zal in dit zachte werk zeker niet aan de eis van een gematigde E-moduluswaarde kunnen voldoen Een eventuele voortijdige degradatie van de mortel zelf bij zoutbelast werk (opofferingsgezindheid) moet worden geaccepteerd en zal voor de duurzaamheid van de muur als geheel voordeliger zijn en daardoor ook bezien in economisch opzicht en cultuurwaarde aanbeveling 1) Bij eisen aan restauratie voegmortels als nieuwe parameter introduceren: thermische spanningsmodulus: α x E het product van thermische uitzettingscoëfficiënt α en (dyn) E-modulus 2) Voor het type massief metselwerk in kalkmortels hiervoor een grenswaarde te bepalen Literatuur - Hens, H Toegepaste Bouwfysica 1 Randvoorwaarden, prestatie, materiaaleigenschappen, Leuven, Masoud, Ahmed Mechanica van Materialen wwwwikibooksorg/wiki/ - CUR aanbeveling AA 61- Het voegen van metselwerk, 2 e druk W Depraetere, JCarmeliet, HHens; Mosture Transfer at Interfaces of Porous Materials: Measurements and simulations Proceedings International Workshop 1999 Paisley Scotland, RILEM website Publication Proceedings, Pro 12 - Thomson, M, Lindqvist JE, Elsen J, Groot CJWP Porosity of mortars RILEM website Publication Report rep

48 19 Mortelhulpstoffen In mortels voor toepassing in de nieuwbouw worden aan de droge mortels, meestal cementmortels, vaak chemische mortelhulpstoffen toegevoegd als luchtbelvormers (lbvs), mortelstabilisatoren, plastificeerders en soms water repellents (hydrofobeermiddelen voor droge mortels) Ook wordt soms een hechtmiddel toegevoegd De chemische samenstelling van deze mortelhulpstoffen is vaak onbekend, omdat deze vaak onder het fabrieksgeheim vallen Bij mortels voor restauratie, met name ook voegmortels kan de toepassing van deze stoffen bezwaren opleveren die zich vaak pas in een later stadium openbaren - Luchtbelvormers en mortelstabilisatoren Deze worden toegevoegd om de verwerkbaarheid te verbeteren en een betere vorstresistentie te bereiken Sommige fabrikanten van droge mortels achten het toevoegen van lbvs ook onmisbaar om voldoende plasticiteit en stabiliteit (geen ontmenging, geen bleeding) te krijgen voor het transport van de met aanmaakwater gemengde specie door de mixer Andere fabrikanten stellen het ook zonder lbvs af te kunnen Recent zijn luchtbelvormers in wetenschappelijke studies in verband gebracht met sterke kalkuitbloei bij nieuwbouwmetselwerk, dat onder vochtige omstandigheden is gemetseld alsook met een verminderde hechting en een verhoogd risico op verbranden Enige citaten: Bij overdosering zal de hoeveelheid luchtbellen en de grootte van de luchtbellen toenemen Omdat de bellen als kogeltjes werken is er minder water nodig voor een goede verwerkbaarheid Daardoor neemt het watergehalte af en neemt het gevaar op verbranden toe Daarnaast leidt het tot verminderde hechting tussen metselmortel en steen en een vergrote kans op uitbloei van mortelbestanddelen (vooral kalk) [Van der Klugt 2003 Praktijkboek Instandhouding Monumenten Deel-II-11, p 24] De aanwezigheid van lbvs kan invloed hebben op de ernst van kalkuitbloei [Kalkboek p 163] Volgens Brocken en Nijland [White efflorescence on brick masonry and concrete masonry blocks, Construction and Building Materials 18 (2004) ] tonen recente onderzoeken aan dat luchtbelvormers en andere additieven de mobiliteit van Na, K, Mg, Ca, en sulfaten in baksteen vergroten (blz 316] noemen in noot 3 en noot 9, twee bronnen in de literatuur ( ) Verder kunnen ook toeslagstoffen zoals luchtbelvormers oplosbare zouten bevatten [ Infoblad 06 Voorkomen en behandelen van witte uitslag op baksteen metselwerk ] ; over voegmortels (nieuwbouw): Toevoegen van luchtbelvormer of plastificeerder (aan voegmortels) is ongewenst omdat deze stoffen het watervasthoudend vermogen van de specie verminderen met een grote kans op verbranden van de voegmortel [wwwbetrouwbaarbaksteennl] De reden die opgegeven wordt is niet juist Er zal enige teruggang in het watervasthoudend vermogen zijn omdat de luchtbellen relatief groot zijn, de belangrijkste reden is echter dat bij de toepassing van luchtbelvormers er minder water nodig is om een gelijke verwerkbaarheid te verkrijgen Er is dus minder water in het mengsel waardoor sneller bij vochtverlies (waterabsorptie door de steen) verbranding optreedt 48

49 Voor de verwerkbaarheid is de toepassing van luchtbelvormers in kalkgebaseerde mortels ook niet nodig De kalk is veel fijner dan cement, heeft een groter specifiek oppervlak en dito watervasthoudend vermogen, waardoor de plasticiteit, smeuïgheid gunstiger ligt dan bij een cementmortel Conclusie: Toevoegen van luchtbelvormer aan op kalk gebaseerde mortels voor restauratie is in het algemeen niet wenselijk en in voegmortels sterk te ontraden Dit impliceert dat ook geen zgn metselkalk dient te worden gebruikt aangezien daarin altijd een luchtbelvormer of mortelstabilisator is ingemengd Men dient een pure luchtkalk zonder mortelhulpstoffen toe te passen literatuur - Van der Klugt 2003 Praktijkboek Instandhouding Monumenten Deel-II-11, p 24 - Van Balen, K et al Kalkboek; ISBN Rijksdienst voor de Monumentenzorg, Brocken en Nijland [White efflorescence on brick masonry and concrete masonry blocks, Construction and Building Materials 18 (2004) ] - Noot 3 [ Bowler, Wingter Investigations into causes of persistant efflorescence on masonry; Masonry Int ; Bowler, Sharp, Testing of various Brick/Mortar combinations for mortar durability, efflorescence potential and resistance to rain penetration; Proc Br Masonry Soc (8) 31-6] - Noot 9 [ Bowler, Wingter Testing of various brick/mortar combinations for mortar durability, efflorescence Potential and resistance to rain penetration, Masonry Proc Br Masonry Soc 1998;(8):31 6 geraadpleegde website - wwwbetrouwbaarbaksteennl/images1/betrouwbaarbaksteen/bestanden/09-03%20kwaliteit%20van%20voegwerkkeuze%20voegmortelpdf 49

50 110 Hydrofobeermiddelen - waterafwijzende - afstotende middelen (Water repellents) Sommige fabrikanten van prefab-voegmortels voor nieuwbouw en een enkele ook voor restauratie mortels, voegen een hydrofobeermiddel (waterafstotend, waterafwijzend middel) toe Verschillende aanduidingen voor een groep mortelhulpstoffen die alle dezelfde werking hebben Het betreft meestal cementmortels Verondersteld wordt een vermindering van het risico op verbranden en van de plastische krimp doordat het hydrofobeermiddel in de natte mortel de eerste fase droging ( verdamping - van het aanmaakwater - vanaf het buitenoppervlak) zou verhinderen, omdat water niet capillair naar het buitenoppervlak van de voeg kan komen Dit heeft natuurlijk ook gevolgen voor de vochtregulerende eigenschappen in de uitgeharde fase Ook worden hydrofobeermiddelen speciaal toegevoegd aan prefab-voegmortels op cementbasis (nieuwbouw) Hierdoor zou het risico op kalkuitloging via de voeg ( kalkhydraat - ionen, ook vrije kalk genoemd, ontstaan bij de cementbinding) in de uitgeharde fase bij dit type metselmortels verminderen Men spreekt dan van uitbloeiblokkers die de adhesiekrachten in de poriën opheffen, waardoor capillaire vochtstroming praktisch geheel wordt voorkomen Hierdoor wordt de kans op vrije kalkuittreding (witte uitslag) aanzienlijk gereduceerd De andere kant van deze medaille is bekend aangezien hydrofobeermiddelen ook sterk het drogen van de muur via de voeg verminderen omdat, zoals reeds genoemd, de eerste fase droging verdamping vanaf het buitenoppervlak) wordt geblokkeerd, omdat water niet capillair vanuit de legmortel via de waterafstotende voeg naar het buitenoppervlak kan komen Ook kan een voeg met hydrofobeermiddel bij langdurige regen en sterke wind doorslaan en zo toch water afgeven aan de achterliggende metselmortel, die vervolgens maar moeilijk meer kan drogen waardoor een steeds verdergaande verhoging van het vochtgehalte kan ontstaan Dit is bij spouwmuurbouw niet problematisch, omdat doorslaand water in de spouw verdampt, maar bij massief metselwerk moet een herstelvoeg kunnen ademen! Conclusie: Bij voegmortels voor restauratie van massief metselwerk geen hydrofobeermiddelen toevoegen In hoofdstuk 253 is een test gegeven om bij prefab-mortels te kunnen vast stellen of er al dan niet een hydrofobeermiddel is ingemengd (Karstenbuistest) 50

51 - hechtemulsie De toeslagstoffen onder deze categorie zijn populair bij metselaars en voegers omdat ze de plasticiteit, de smeuiigheid van de specie verbeteren De toepassing volgens de industrie is die van hechtbrug (aanbrandmiddel/hechtmiddel) en toegevoegd aan het aanmaakwater van een mortel, als hechtingsverbeteraar om het aanmaakwater beter vast te houden, om de waterdichtheid van de mortel te verbeteren, de treksterkte te vergroten en de kans op scheurvorming te verminderen Deze hechtmiddelen zijn op basis van een 50% kunststofdispersie Sommige fabrikanten geven aan dat de werkzame stof een styreenbutadieen copolymeer, een met kunstrubber gemodificeerd polystyreen, is Ook wordt latex genoemd Het is in wezen een lijm De aanbevolen doseringen voor gebruik in mortels zijn vrij hoog Genoemd worden 60cc op 1 l natte specie of 10% van het cementgewicht wat ongeveer op hetzelfde neer komt Uit de door fabrikanten verstrekte documentatie blijkt impliciet dat de porositeit van de mortel minder wordt, hetgeen wanneer waterdichtheid wordt verlangd, een gewenst resultaat is Indien men een mortel wenst die ademt is de vraag of dit met de genoemde doseringen hechtmiddel niet sterk negatief wordt beïnvloed Ook zou een dergelijke dosering in voegmortels kunnen betekenen dat de mortel gaat plakken wat voor het uiterlijk van het werk niet acceptabel is In de SBR CUR publicatie Hydrofoberen van Gevels (nieuwbouwsituatie!) wordt op deze verschijnselen gewezen De claims betere verwerkbaarheid (ivm vulling van diepe voegen) en verkleinen risico verbranding door het toepassen van een hechtmiddel in een lage dosering, zijn in principe interessant voor restauratie voegmortels Aan de andere kant is voorstelbaar, dat door toevoegen van een hechtmiddel bij traag uithardende mortels het transport van nog niet gecarbonateerde kalkdeeltjes uit de voeg in het interface wordt verminderd wat dan een nadeel zou zijn voor het ademend vermogen van de voeg In het kader van dit onderzoeksproject is een kleine verkennende proef uitgevoerd met een mortel zonder en met hechtmiddel De resultaten worden besproken in het desbetreffende hoofdstuk 3 Conclusies en Aanbevelingen 51

52 111 Cultuurwaarden en de praktijk Bij het invullen van het cultuurwaarden aspect worden de mogelijkheden om de uitgangspunten, zoals die vanuit de restauratie-ethiek gelden, beperkt door de technische mogelijkheden, tw de op de markt verkrijgbare mortelstoffen en de te stellen eisen op het punt van mechanische en hygrische compatibiliteit die de duurzaamheid van het herstelwerk bepalen De grove steenkalk en schelpkalk zoals die in primitieve ovens werd gebrand en voor wat betreft de steenkalk eerst in de rot moest worden gezet om een verwerkbare mortel mee te kunnen maken, bestaat niet meer Figuur 1111 Authentieke schelpkalkmortel (14 e eeuw) zichtbaar geworden door afboeren metselwerk vanwege vorstschade (foto: groot gunneweg delft) Moderne metselkalk (luchtkalk) is veel fijner en met minder verontreinigingen en vraagt om andere recepturen Maar ook deze kalk als enige bindmiddel toepassen is om technische redenen niet verantwoord (risico uitspoelen bij regen, bouwvorstrisico, niet resistent tegen zoutbelasting) Daarom zullen in dit onderzoek ontworpen op kalk gebaseerde voegmortels, naast de luchtkalk met toevoeging van andere (hydraulische) bindmiddelen die vroeger nog niet bestonden, of met natuurlijke hydraulische kalk, het enig haalbare compromis vormen Een compromis dat overigens in de restauratiepraktijk al jaren wordt gepraktiseerd en veel dichter bij het cultuurwaardenaspect in de buurt komt dan de cementmortels die ook werden toegepast maar vandaag de dag om technische redenen worden verworpen Kleur en textuur Deze liggen in het verlengde van het cultuurwaardenaspect De oorspronkelijke kleur van schelpkalkmortels en steenkalkmortels is vuilwit/lichtgrijs tot geelwit Deze kleur is door verwering aan de buitenzijde van deze categorie gebouwen meestal vuilgrijs tot donkergrijs geworden (figuur 1112) 52

53 Het is een ervaringsfeit dat een nieuwe voeg binnen een paar jaar door verwering sterk verdonkert Daarom wordt bij hervoegwerk vaak gestreefd naar een tint tussen de oorspronkelijke mortelkleur en die van de verweerde voeg in De meeste prefab restauratie voegmortels zijn op de markt in een aantal verschillende tinten, die op basis van monsters met kleurnummers te bestellen zijn Daarbij zijn dan de technische eigenschappen van de mortel bij de verschillende kleuren hetzelfde Het op tint brengen van een bouwplaatsgemengde voegmortel gebeurt door het opzetten van een aantal proefstukken waarin gespeeld wordt met verschillende zanden, bindmiddelen en evt speciale mortelpigmenten Figuur 1112 Verweerde, bij restauratiebeurt gerespecteerde gave authentieke doorgestreken steenkalkvoeg (1767) (foto: groot gunneweg delft) Hoewel er sprake is van een cultuuromslag beschouwen verschillende voegers het bindmiddel in de eerste plaats als een kleurstof Door het inmiddels meer en meer doorgedrongen besef van het belang van mechanische, fysische en chemische compatibiliteit en het feit dat de bindmiddelen daar nu juist de bepalende factor in zijn moet de gewenste tint dus vooral met de zanden en evt een kleine toegift mortelpigmenten worden bereikt Dit maakt het bereiken van de juiste tint wel lastiger temeer daar ook aan de technische eigenschappen van het zand, korrelgradering, vrije luchtgehalte en ASR resistentie, eisen worden gesteld Het gevaar bestaat dat in deze fase van het restauratieproces een uitgekiende basisreceptuur totaal verandert Daarom is het van belang in het proces een stap in te bouwen om de eigenschappen van de uiteindelijk op kleur gekozen receptuur met een paar simpele laboratoriumproeven te controleren 53

54 Figuur 1113 Voegmortel luchtkalk CL 90, een lichte PC CEM I 42,5 N, het zand: geel metselzand + rood bergzand Bij de restauratie van de bouwwerken uit de vroegste periode van baksteenbouw als kastelen, kasteel ruïnes en kerktorens wordt het soms wenselijk geacht de meer grove textuur van de oorspronkelijke doorgestreken mortel te imiteren Hiertoe worden wel gritjes (granulaten) van marmer, basalt of schelpen of geselecteerde grote zandkorrels toegevoegd Proeven uitgevoerd in 2010 in het kader van de conservering van de kasteelruïne Brederode te Santpoort leerden dat een toevoeging van maximaal ~ 3% [v/v] op het totale volume van zand + bindmiddel, geen merkbare invloed op de mechanische en hygrische eigenschappen van de mortel heeft, mits het voegzand dat als basis wordt gebruikt aan de gewenste specificaties voldoet Figuur 1114 Kasteelruïne Brederode ; proefstuk voegwerk met toevoeging basaltgranulaat voor een grovere textuur; restanten loszittende cementgebonden herstelvoeg zichtbaar en plaatselijk de authentieke schelpkalkmortel Soms worden om een grovere textuur te bereiken nog trucjes toegepast als kloppen, borstelen of kammen (vegen met een gaasje) Dit is uiteraard alleen acceptabel als men de zekerheid heeft dat de vers ingezette voeg niet los wordt geborsteld van steen en/of metselmortel 54

55 112 Winterstop metselen en voegen in de restauratie ter voorkoming bouwvorstschade Bouwvorstschade-risico = eenmalig risico! De centrale vraag is wanneer er in het najaar / winter met metselen en voegen moet worden gestopt om bouwvorstschaderisico te vermijden In de eeuwen dat alleen kalk als bindmiddel werd toegepast was het metselseizoen traditioneel bepaald van april t/m september, ofwel een winterstop van oktober t/m maart, waarna de vorst uit de muur is, een periode van 6 maanden Soms werd voorgeschreven dat het werk bovendien, indien nodig geoordeeld, vorstvrij en waterdicht moest worden afgedekt In de huidige nieuwbouwpraktijk met spouwmuurbouw en cementgebonden mortels met bij metselmortels toegevoegde mortelhulpstoffen als luchtbelvormers en anti-vries (voorkomt bevriezen van het aanmaakwater tot 10 C, een enkele fabrikant claimt: tot zelfs 20 C!) loopt het metselseizoen vrijwel het hele jaar rond en is er slechts bij extreme vorst sprake van een winterstop en dan nog voornamelijk vanwege de arbeidsomstandigheden voor het personeel en gebaseerd op de gevoelstemperatuur Bron: FNV brochure Vorstelijk op de bouwplaats - vorst in 4 stappen Deze ontwikkelingsgang is er in belangrijke mate op gericht het sinds het verdwijnen van de vorstverletverzekering uitgevroren zijn van metselaars, dat direct voor rekening komt van de aannemer, te minimaliseren In het huidige onderzoekskader is echter om voor de restauratievoegmortels te kunnen voldoen aan de eisen van mechanische compatibiliteit bij muren oorspronkelijk gemetseld in kalkmortels = zachte steen en dito mortel, een stap weg gezet van de pure cementmortels en gekozen voor mortels met bindmiddelen die een lagere sterkte opleveren met dito E-moduluswaarden Echter, deze harden trager uit, reden waarom de in de nieuwbouw gehanteerde uitgangspunten voor wat betreft het metselseizoen bij dit type mortels niet kunnen worden toegepast 55

56 Ter verduidelijking, mortels op basis van uitsluitend luchtkalk, zonder puzzolane toevoegingen zijn het langste vorstgevoelig (zolang de carbonatatie niet diep genoeg in de mortel is doorgedrongen); deze pure luchtkalkmortels worden overigens weinig toegepast Simpelweg terug naar vroeger: een winterstop van oktober t/m maart? Dit zou helder zijn en ook zeker safe, maar door de bouwvak-vakantie blijft een veel te beperkte periode voor de uitvoering over Niet reëel en ook niet nodig Bevriezingsverschijnselen in jonge mortels groene sterkte Bevriezingsverschijnselen van water in poreuze bouwmaterialen en de gevolgen daarvan zijn complex en in hun uitwerking soms tegengesteld Een vocht bevattende jonge mortel loopt kans inwendig kapot te worden gedrukt Maar in een jonge mortel die geen vocht meer bevat, omdat bijvoorbeeld al het vocht in de stenen is opgezogen of bij schraal weer is gedroogd, loopt men geen risico In theorie zou men dus zelfs een drooggetrokken puzzolane voegmortel met folie kunnen afdekken, de winter laten overstaan, in het voorjaar ontdekken en weer benatten waarna de uitharding weer zou verder gaan In theorie, want bij een dikke muur die veel vocht bevat wat op een zonnige dag naar het buitenoppervlak van de muur trekt en daar in de nacht strenge vorst op volgt kan dit natuurlijk anders aflopen Voor metselmortels is met name het vorstfront van belang Dit begint in de mortel aan het muuroppervlak en trekt afhankelijk van de temperatuurwaarde en de duur van de vorst langzaam of sneller dieper in de muur De grens van het vorstfront is kritisch Als er voldoende droging is ontstaan na het metselen en ook voorbij het vorstfront, is het vochtgehalte laag en zal er ook bij een jonge mortel geen vorstschade ontstaan Voldoende uitharding = groene sterkte + de hoeveelheid vocht zijn de kritische parameters Men zegt wel dat bij een groene sterkte van minimaal 2 N/mm 2 een jonge mortel, ook vocht verzadigd, in het algemeen geen bouwvorstschaderisico oplevert Tabel 1121 Vries-dooi cycli gedurende 3 winters 56

57 Metsel- en voeg seizoen in productbladen prefab restauratiemortels Er is geen sprake van een genormeerde aanduiding van dit aspect in productbladen van de diverse producenten en leveranciers Sommigen noemen het seizoensaspect in het geheel niet, terwijl het karakter van een desbetreffende mortel zeker niet rechtvaardigt dat er net als bij nieuwbouw situaties bij vriezend weer mee gewerkt zou kunnen worden Bij een traskalk voegmortel (moderne traskalk, cement versterkt) vonden wij vermeld: niet bij lucht- en ondergrondtemperaturen < + 5 o C Een leverancier van een prefab schelpkalk-mortel schrijft: tegen vorstinwerking beschermen Producent trashoudende prefabvoegmortel: minimaal 1 dag tegen vorst beschermen Een leverancier van een NHL: verwerkbaar tussen +5 en + 35 o C Producent prefab cementversterkte schelpkalk voegmortel : tussen +5 en + 25 o C verwerkbaar Discussies en spanningsveld Dergelijke vermeldingen en de manier waarop ze zijn gesteld leveren op de bouw veel stof tot discussie op tussen opdrachtgever/directie/adviseur enerzijds en aannemer/onderaannemer anderzijds Discussies die als de winter nadert en de eerste nachtvorst zich aankondigt, vaak op het scherp van de snede worden gevoerd Door de aannemer die er groot belang bij heeft de betekenis van die aanduidingen zo ver mogelijk op te rekken Door de opdrachtgever, de architect en de adviseur, die het liefst aan de veilige kant willen blijven Moeten die temperatuurwaarden ontleend worden aan weersverwachtingen, of moeten ze op het werk worden gemeten Indien dit het geval is, waar dan en op welk moment van de dag? Het kan goed zijn dat in de middag in de volle zon een waarde van + 5 wordt gehaald maar het in de schaduw op 1 m boven de grond nog vriest En wat als het in de schaduw nog midden op de dag + 5 is maar s-nachts vriest? En als het bijna voorspelbaar een voorlopig eenmalige dip in de temperatuur betreft en er daarna volgends de meerdaagse weersverwachting geen nachtvorst meer te verwachten is? Als er een garantieverplichting is zal de aannemer daar op wijzen en zeggen: laat het maar aan mij over, het komt goed Maar als het werk aan het begin van de winter wordt voltooid en de steigers worden afgebroken of - bij vestingmuren - steigerhaken in combinatie met een werkponton, is controle moeilijk als er een paar voegjes op straat worden gevonden of in het water zijn gevallen De opdrachtgever zal zeggen, laat de steiger dan maar overstaan tot april volgend jaar dan kunnen we het controleren of je uitgangspunt deugt De aannemer wil op steigerhuur besparen, maar als het steigerwerk eenmaal weg is wordt herstel van schade zo ingewikkeld en kostbaar dat dit al meteen een procedure wordt om dit hersteld te krijgen, waar bovendien niemand op zit te wachten Als er geen absolute datum voor begin van de winterstop is genoemd in het bestek en bovendien de bouwplanning een beetje is uitgelopen dan wordt het een ingewikkelde kwestie Waar de grenzen precies liggen daar bestaat binnen de restauratiesector geen eenduidige visie op Men komt al gauw met doe er maar zoveel mogelijk cement in dan heb je wat betreft het bouwvorstrisico de gunstigste situatie Opdrachtgevers zullen uitgaan van morteleigenschappen die voldoen aan de compatibiliteitseisen en voor de levensduur van het restauratiewerk het meest gunstig zijn Al zou dat wellicht met een wat korter metsel- en voegseizoen iets duurder zijn 57

58 De economische meerwaarde is evident en de winst uit een oogpunt van monumentenbehoud ook Bovendien is het maar de vraag of het aanhouden van een langere winterstop zoveel duurder zou moeten zijn Als een aannemer tevoren kan uitgaan van de in het bestek genoemde periode gebaseerd op landelijk aanvaarde algemene aanbevelingen voor de winterstop metsel- en voegwerk in de restauratiesector, kan hij met een goede planning tevoren zijn personeelsinzet zo plannen dat er tijdig op binnenwerk, of werk in de nieuwbouwsector kan worden overgeschakeld Bovendien kan het voeg-uithakwerk wèl - afhankelijk van omstandigheden die voor het personeel nog werkbaar zijn -, in de winterperiode geschieden Afdekken Bij kleinere projecten (tuinmuur, grondzeiler molen) kan afdekken van het verse werk gedurende de gehele winter soulaas bieden Bij hoge projecten, torens, hoge stellingmolens is de windsterkte boven beduidend hoger dan beneden en is het moeilijk, dus kostbaar, deze folie afdekkingen gegarandeerd de hele winter duurzaam stormvast te bevestigen Bovendien moet de steiger de gehele winterperiode blijven doorstaan De kans dat het los waait is groot Een ander aspect is dat bij een sterke bezonning onder de afdekking een broeikassituatie kan ontstaan die vochttransport in dampvorm tot gevolg heeft waarmee van binnen naar buiten nog niet gecarbonateerde kalk in oplossing - door zeer korte afbindtijd en lage temperaturen vrijwel zeker aanwezig - meeneemt, dat aan het buitenoppervlak neerslaat, waardoor kalkuitbloei ontstaat Naar een Landelijk aanvaarde richtlijn of aanbeveling winterstop metsel- en voegwerk in de restauratiesector Een en ander vraagt om een nadere en betere definiëring van het metsel- en voegseizoen in de restauratiesector en een keus voor absolute data / termijnen of voor temperatuurwaarden Een richtlijn of aanbeveling die gebaseerd is op een uitvoerig vooronderzoek waarin ook interviews met gebouwbeheerders, architecten, restauratie aannemers en metsel- en voegbedrijven en vastgesteld in een platform waarin alle spelers zitting hebben, voorgezeten door de RCE Dan kan ook die richtlijn of aanbeveling landelijk worden geïmplementeerd en evt ook gekoppeld worden aan een garantieregeling Een degelijke richtlijn of aanbeveling vraagt om een verdergaande onderbouwing en een bredere discussie dan hier in het kader van dit onderzoek mogelijk is Volstaan wordt met een paar voorlopige vuistregels Deze zijn gebaseerd op een nog niet gepubliceerde verkenning mbt de winterstop, die in het kader van een ander onderzoeksproject werd uitgevoerd [Gunneweg J; Verkenning winterstop metsel- en voegwerk in de restauratie ter voorkoming van bouwvorstschade, 2011] Hierin werd een literatuurstudie verricht en werden de klimaatgegevens van het KNMI in de periode bestudeerd Referentie midden van het land De Bilt, met enige vergelijking met weerstations aan de kust, met name Hoek van Holland en Rotterdam Daarnaast zijn de resultaten verwerkt van een praktijkproef met metselproefstukken met 3 typen restauratiemortels, gemetseld november 2010, die de gehele winter buiten aan het klimaat waren blootgesteld 58

59 temperatuurloggers temperatuurmonitoring bij proef bepaling bouwvorstschade risico Voorlopige aanbevelingen Winterstop Metsel- en voegwerk restauratiemortels voorlopige aanbevelingen Voor traag uithardende restauratie metsel- en voegmortels (mortelhulpstoffenvrij), voor restauratiewerk in kalkmortels gemetselde massieve muren, moet vwb metsel/voeg seizoen onderscheid worden gemaakt in 2 categorieën: zonder en met versterking OPC / HOC / HSGM genoemd resp KS en MLS Nb: Bouwvorstschaderisico is eenmalig! Voor de mate van een evt cementversterking in de bepaling van de receptuur daarom altijd uitgaan van de te verwachten eindsterkte in relatie tot de (blijvende) compatibiliteitseis en het metsel/voegseizoen daar op afstemmen; niet andersom! de eenmalig te behalen winst in metselperiode kan gauw teniet worden gedaan door het verlies aan duurzaamheid in de periode daarna, die we bij verantwoorde keuzen op 40 jaar aanhouden restauratiemortel categorie LWS (Lange WinterStop): Zonder OPC / HOC / HSGM: niet cementversterkte kalkgebaseerde mortels (CL, NHL, Cl+tras): midden van het land : begin oktober half april (w 39 w 15) kustregio : medio oktober half april (w 42 w 15) restauratiemortel categorie MLWS (MiddelLange WinterStop): Met OPC/HOC/ HSGM: met cement- of hoogovenslakgranulaatmeel versterkte kalkgebaseerde mortels (minimaal 0,15 dl OPC/HOC op 1 dln CL, NHL, CL+tras [v/v] = minimaal ~30 % [m/m] OPC/HOC op 100% [m/m] CL, NHL, CL+tras: midden van het land : begin november eind maart (w 44 w 13) kustregio : half november begin april (w 46 w 14) 59

60 Literatuur - Groot, C, Gunneweg J; Onderzoek vochtproblematiek stenen molens TU Delft, september Gunneweg J Verkenning Winterstop metsel- en voegwerk in de restauratie ter voorkoming van bouwvorstschade ongepubliceerd onderzoeksverslag, Copuroglu, O ; Frost Scaling of Cement based Materials with a High Slag Content ; PhD thesis TU Delft, Hall, Christopher and Hoff, William D Water transport in brick, stone and concrete Spon Press London Stichting verletbestrijding bouwnijverheid ; Metselen bij lage temperaturen - een laboratoriumonderzoek bij weerfase 3 Rotterdam sept Van Balen, K et al Kalkboek; Rijksdienst voor de Monumentenzorg, FNV Bouw brochure Vorstelijk op de bouwplaats - vorst in 4 stappen 60

61 cumulatieve zeefdoorval [gew %] Totaalonderzoeksproject 2 Laboratoriumonderzoek en discussie resultaten 21 materiaalkeuzen en verwerkbaarheid 211 materiaalkeuzen Bindmiddelen (zoutresistentie!) Voor de bouwplaatsgemengde voegmortels zijn als basisbindmiddelen gekozen hydraulische kalk (NHL2 en NHL3,5 van St Astier, chloride-resistent); luchtkalken: Harlinger kalk (CL70), en Supercalco (Carmeuse, CL90); Rheinische tras, TUBAG; cementen: Hoogovencement (sulfaat-resistent), PC type Wittekind (mengsel van portlandcementklinker, gips en kalkmergel) Aangezien de hierboven genoemde hydraulische bindmiddelen (de hydraulische kalken en tras in combinatie met kalk) langzaam op sterkte komen en de luchtkalken langzaam carbonateren kan het nodig zijn (bij laat werken in het seizoen, of indien er ander gevaar is voor aantasting van de nog zwakke mortels) om een moderne cement toe te voegen om snel op genoeg sterkte te komen Dit (+ sulfaatresistentie) is de reden dat bij een aantal voegmortels hoogovencement is toegevoegd Zand Uit praktische overwegingen werd gekozen voor een standaard voegzand, dat in de bouwmaterialenhandel voorhanden is (type 156, grijs) Dit zand is rondkorrelig rivierzand (dus geen granulaat/gebroken zand) Bij twee mortels is in plaats van voegzand zilverzand gebruikt De korrelgrootteverdelingen +de korrelweergaven van beide zanden zijn weergegeven in figuur korrelgrootteverdeling voegzand en zilverzand voegzand zilverzand <0,063 0,063 0,125 0,25 0, korreldiameter [mm] 61

62 voegzand: verschillende korrelgrootten, afgeronde korrelvorm zilverzand: nagenoeg 1-korrelig Figuur 211 Korrelgrootteverdeling + korrelweergaven van de gebruikte zanden De fijnheidsmoludi van voegzand en zilverzand zijn resp 1,8 en 1,0 en het luchtgehalte (poriënvolume) resp 39 en 44 vol % De korrelgrootteverdeling heeft invloed op het luchtgehalte van het zand en daarmee, bij gelijke zand/bindmiddelverhouding, op de porositeit van de mortel Bindmiddel-zand verhouding In Figuur 212 is een overzicht gegeven van de samenstellingen van de bouwplaatsgemengde voegmortels en de 4 prefab voegmortels (anoniem weergegeven) Bij de meeste bouwplaatsgemengde voegmortels is een bindmiddel-zandverhouding van 1 op ~2,5 (iets sterker dan de gebruikelijke 1:3, om een goede verwerkbaarheid te realiseren; in deze mortels zijn geen verwerkbaarheidsverbeterende additieven zoals luchtbelvormers toegepast) met uitzondering van VB07 (met een bindmiddel-zand verhouding van 1:1,6) en VB08 (met een bindmiddel-zand verhouding van 1:4,5) Bij VB08 en VB09 is als zand zilverzand toegepast Bouwplaatsgemengde mortels Prefab mortels NHL3,5 HOC Zand NHL2 toeslag HOC Zand VB02 VB06 VP01 A NHL2 HOC Zand kalk Hrl tras HOC zand VB03 VB07 VP04 B ,3 0,4 0,25 3,2 NHL3,5 Zand PC (witk) (zz) zand VB04 VB08 VP05 C 1 2,5 1 4,5 kalk Harl HOC Zand supcalco HOC (zz) zand VB05 VB09 VP06 D 5 1, Figuur 212 Overzicht van de voegmortels (bouwplaats gemengd en prefab), welke in de proevenserie zijn opgenomen 62

63 212 Verwerkbaarheid voegmortels Daar de verwerkbaarheidheid in de praktijk een bepalende factor is voor goed voegwerk is de meestervoeger Ed Heijer (zie foto voorblad) uitgenodigd om een beoordeling van de voorgestelde voegmortels te geven Hiertoe beoordeelde hij de verwerkbaarheid van de mortels bij het aanbrengen van voegen in metselproefstukken De beoordeling betrof smeuïgheid/plasticiteit, werken vanuit de bal, zandgradering (dikte voeg), watervasthoudendheid, plakken, smetten, productie maken Naast de beoordeling van deze deelaspecten werd een overall oordeel gegeven in de vorm van een eindcijfer (van 1 tot 10) In figuur 213 zijn de voegmortelsamenstellingen en de eindbeoordelingen van de bouwplaatsgemengde en prefab mortels weergegeven Bouwplaatsgemengde mortels Prefab mortels NHL3,5 HOC Zand NHL2 toeslag HOC Zand VB02 VB06 VP01 A NHL2 HOC Zand kalk Hrl tras HOC zand VB03 VB07 VP04 B ,3 0,4 0,25 3,2 NHL3,5 Zand PC (witk) (zz) zand VB04 VB08 VP05 C 1 2,5 1 4,5 kalk Harl HOC Zand supcalco HOC (zz) zand VB05 VB09 VP06 D 5 1, Verwerkbaarheid eindoordeel VB02 7 VB03 6 VB04 8 VB05 5 VB06 8 VB07 9 VB08 6 VB09 6 VP01 7 VP04 5 VP05 4 VP06 4 Figuur 213 Samenstelling voegmortels (bouwplaatsgemengd en prefab) en eindoordeel verwerkbaarheid van deze voegmortels Over het geheel genomen presteren de bouwplaatsgemengde voegmortels wat verwerkbaarheid betreft duidelijk beter dan de prefab voegmortels Slechte verwerkbaarheid leidt vaak tot een slecht opvullen van de voeg, waardoor er risico s tav de duurzaamheid van de voeg worden geïntroduceerd 63

64 22 Mechanische eigenschappen voegmortels 221 Uithardingsprocedures In historisch metselwerk zijn bij de bouw over het algemeen zachte mortels toegepast Luchtkalk, hydraulische kalk of luchtkalk in combinatie met een puzzolaan materiaal zoals tras werden daarbij in het verleden meestal als bindmiddel gebruikt Deze bindmiddelen harden op een andere manier uit dan de nu gebruikelijke portland cementmortel Zo hardt luchtkalk (Ca(OH) 2 ) uit door binding van koolzuur (CO 2 ) uit de lucht (het snelst onder vochtige omgevingscondities) waardoor kalksteen (CaCO 3 ) ontstaat De beste uithardingscondities voor een snelle carbonatatie zijn afwisselend nat en droog Hydraulische kalk hardt daarentegen in belangrijke mate uit onder invloed van water (net zoals portlandcement), maar de reactie gaat veel langzamer dan bij portlandcement Dit is ook het geval bij tras (in combinatie met luchtkalk) De standaard uithardingscondities bij laboratoriumproeven voor mortels zijn geënt op het gebruik van snelle, hydraulische bindmiddelen zoals portland cement Voor de uithardingstijd wordt 4 weken genomen, waarbij het proefstuk gedurende de eerste week al het aanwezige vocht kan gebruiken voor de hydraulische reactie Dan wordt al ~70% van de eindwaarde van de druksterkte bereikt Na 4 weken (28 dagen) wordt nagenoeg de eindwaarde bereikt (~10% afwijking mogelijk) Dit is zeker niet het geval met traditionele bindmiddelen Eindwaarden worden soms na enige jaren pas bereikt Intussen dienen de uithardingscondities wel bij te dragen aan de voortgang van het uithardingsproces Daar in de proevenserie een aantal traditionele bindmiddelen zijn gebruikt (luchtkalk, hydraulische kalk, tras+luchtkalk) is een poging gedaan om een indruk te krijgen van het effect van verschillende uithardingscondities op de mechanische eigenschappen Het uitgangspunt hierbij was de standaard laboratorium uithardingsprocedure zoals in NEN-EN is voorgeschreven (procedure NEN) Deze is voor de uitharding van traditionele hydraulische bindmiddelen te karakteriseren als droog De reden is, dat de proefstukken in deze procedure na een week onder drogende condities komen te verkeren (van ~100% RV naar 65% RV), terwijl ze veel langer vocht nodig hebben tijdens het langzaam verlopende hydratatieproces Vanuit deze gedachte werd een procedure opgezet waarbij gedurende de tweede week het proefstuk ook uit kon harden onder 100% RV (procedure NUT) Aangezien de eindwaarden voor de druksterkten bij traditionele mortels niet na 28 dagen worden bereikt maar soms na enige jaren is een poging gedaan met een versnelde proef de eindwaarden na 2 weken te realiseren Hiertoe werd een proef uitgevoerd, zoals omschreven in Turk Standardi: TS 25 Aralik 2008 ICS Deze versnelde proef is in principe toepasbaar voor trage hydraulische mortels (procedure VUP) Procedures voor uitharding Standaard laboratorium-uithardingscondities voor mortels [NEN] (de proeven zijn uitgevoerd volgens NEN-EN ) 1 7 dagen in het (polystyreen) mal houden, afgedekt met folie 2 Prisma s uit het mal halen 3 Uitgepakte prisma s 3 weken in de klimaatkamer uitharden bij 20 C en 65 % RH 4 Bepaling druksterkte en dynamische E-modulus, 28 dagen na aanmaken mortel 64

65 Uitharding onder vochtige laboratorium-uithardingscondities [NUT] (zie onderstaande procedure) 1 7 dagen in het (polystyreen) mal houden, afgedekt met folie 2 Prisma s uit het mal halen 3 Uitgepakte prisma s 1 week in de klimaatkamer laten uitharden bij 20 C en 100% RH 4 En vervolgens 2 weken in de klimaatkamer op 20 C en 50% RH 5 Bepaling druksterkte en dynamische E-modulus, 28 dagen na aanmaken mortel Versnelde uithardingsproef [VUP] (de proeven zijn uitgevoerd volgens (Turk Standardi: TS 25 Aralik 2008 ICS )) 1 Vers aangemaakte mortel wordt geplaatst in de prismamal en gedurende de eerste 3 dagen afgedekt met folie gehouden 2 Vervolgens worden de prisma s uit de mal gehaald en stuk voor stuk luchtdicht ingepakt in folie met behulp van sterk plakband 3 Ingepakte prisma s worden 10 dagen lang in de oven gehouden op een temperatuur van 55ºC 4 Uigepakte prisma s worden teruggeplaatst in de oven en worden nog een dag gedroogd op een temperatuur van 55ºC 5 Op de daaropvolgende dag worden de mortels op druksterkte en dynamische E-modulus beproefd, 15 dagen na aanmaken mortel NEN-procedure NUT-procedure VUP-procedure Figuur 221 verschillen in carbonatatie (omzetting van Ca(OH) 2 [paars] naar CaCO 3 [grijs]) in de doorsnede van Natuurlijke Hydraulische Kalk - prisma s (VB04) als gevolg van verschillende uithardingscondities NEN: (te) droge uithardingscondities voor een NHL3,5; wel carbonatatie weinig hydratatie; druksterkte 0,8 MPa ; VUP:de meest vochtige uithardingscondities; nauwelijks carbonatatie wel hydratatie; druksterkte 2,05 MPa; NUT neemt een middenpositie in Minder carbonatatie meer hydratatie dan NEN mee carbonatatie en minder hydratatie dan VUP Geconcludeerd kan worden dat voor deze NHL vochtige uithardingscondities van groot belang zijn om tot een sterkte-ontwikkeling te komen 65

66 222 Drukproeven Mechanische eigenschappen: buig-, trek- en druksterkte werden bepaald met een Matest-machine aan de hand van prisma s van 40x40x160mm (zie figuur 222) Drukproeven: Snelheid 0,25 Mpa/s Beginbelasting 0,25 kn Einde proef bij 10% afwijking van de laatste gemeten waarde Figuur 222 Buigproef (links) en drukproef (rechts) op Matest-drukmachine 66

67 VB02 VB03 VB04 VB05 VB06 VB07 VB08 VB09 VP01 VP04 VP05 VP06 Druksterkte [N/mm 2 ] Totaalonderzoeksproject 222 Druksterkte Bouwplaatsgemengde mortels Prefab mortels NHL3,5 HOC Zand NHL2 toeslag HOC Zand VB02 VB06 VP01 A NHL2 HOC Zand kalk Hrl tras HOC zand VB03 VB07 VP04 B ,3 0,4 0,25 3,2 NHL3,5 Zand PC (witk) (zz) zand VB04 VB08 VP05 C 1 2,5 1 4,5 kalk Harl HOC Zand supcalco HOC (zz) zand VB05 VB09 VP06 D 5 1, Druksterkten voegmortels bij verschillende uithardingscondities NUT (28) NEN (28) VUP Mortelsamenstellingen Laboratorium uithardingscondities NEN "droge" uithardingscondities NUT "vochtige" uithardingscondities VUP versnelde uithardingsproef voor toelichting uithardingscondities zie hoofdstuk 221 Figuur 223 Druksterkten van een aantal bouwplaatsgemengde en prefab-voegmortels, uitgehard onder 3 verschillende uithardingscondities 67

68 Resultaten Verwacht werd dat de uitharding onder vochtige condities (NUT) tot hogere druksterkte-waarden zou leiden, in vergelijking tot de NEN-proef, bij de mortels met hydraulische componenten in het bindmiddel (zoals de natuurlijk hydraulische mortels (NHL 2 en NHL 3,5), de hoogovencement (HOC), de tras en misschien de Wittekind PC) Uit de proeven blijkt dat er een duidelijk effect merkbaar is bij de mortels VB06, VB07 en VB08 als deze onder vochtige condities uitgehard zijn: de druksterkten nemen aanzienlijk toe dit niet het geval is voor de mortels VB02, VB03, VB04 en VB08 De versnelde uithardingsproef (VUP) geeft over het algemeen hogere waarden dan de NEN proef, maar meestal geen significante verhoging Uitgaande van bestaande kennis over de eindsterktewaarden van bijvoorbeeld VB04 (deze natuurlijke hydraulische kalkmortel komt normaliter na 2 jaar op eindwaarden van ~6 N/mm 2 ) moet geconcludeerd worden dat deze versnelde proef voor deze mortel geen voorspellende waarde voor de eindsterkte geeft De pure natuurlijke hydraulische kalkmortel (VB04) komt, zoals uit de proeven, die na 28 dagen zijn uitgevoerd blijkt, zeer langzaam tot sterkte-ontwikkeling Dit houdt in dat deze mortel, laat in het seizoen toegepast, vorstgevoelig zal zijn in de winter Bescherming tegen vochtindringing (zonder vocht geen vorstschade) of toevoegen van cement aan de mortel (om voldoende beginsterkte te creëren) zijn dan de mogelijkheden om onbezorgd de eerste winter door te komen Opvallend is dat de druksterkten van de prefab voegmortels relatief hoge waarden vertonen in vergelijking tot de bouwplaatsgemengde mortels Dit geldt in het bijzonder voor de prefab mortel VP Dynamische E-modulus, vervormbaarheid De dynamische E-modulus is een maat voor de vervormbaarheid van een mortel Lage waarden duiden op een grote vervormbaarheid Vervormbaarheid is belangrijk in historisch metselwerk om bijvoorbeeld ongelijkmatige zettingen op te vangen (geen of weinig dilatatievoegen in historisch metselwerk) Bij voegwerk is een lage E-modulus van belang om piekspanningen tussen mortel en aanliggende baksteen te voorkomen De E-modulus is op een niet-destructieve manier bepaald met gebruikmaking van ultrageluidsgolven Figuur 224 Dynamische E-Modulus bepaald met Ultra sound (Pundit plus apparaat) 68

69 VB02 VB03 VB04 VB05 VB06 VB07 VB08 VB09 VP01 VP04 VP05 VP06 Dyn E-modulus [GN/m 2 ] Totaalonderzoeksproject Proefresultaten dynamische E-modulus Bouwplaatsgemengde mortels Prefab mortels VB02 VB03 VB04 VB05 NHL3,5 NHL2 NHL3,5 kalk Harl HOC HOC Zand HOC Zand Zand VB08 Zand VB06 VB07 PC (witk) VB09 NHL2 kalk Hrl (zz) zand supcalco toeslag tras HOC HOC HOC (zz) zand Zand zand ,5 1, ,3 4,5 4 0, , ,2 VP01 VP04 VP05 VP06 A B C D 14 Dynamische E-moduli (vervormbaarheid) voegmortels bij verschillende uithardingscondities 12 NUT (28) NEN (28) VUP Mortelsamenstellingen Laboratorium uithardingscondities NEN "droge" uithardingscondities NUT "vochtige" uithardingscondities VUP versnelde uithardingsproef Figuur 225 Dynamische E-moduli (lage waarde ~ hoge vervormbaarheid) van een aantal bouwplaatsgemengde en prefab voegmortels, uitgehard onder 3 verschillende uithardingscondities 69

70 Resultaten Het effect van de uithardingscondities op de stijfheid (de dynamische E-modulus) is groter dan op de druksterkten: vergelijk de figuur 223 met figuur 225 In een aantal gevallen (VB05, VP07 en VP04) is de E-mod (NUT) ruim 2 maal zo groot dan de E-mod (NEN) Een toename van de E-modulus onder vochtige uithardingscondities (NUT) is consistent met een toename bij de druksterkte voor de mortels VB06, VB07, VB08, VP01 Ook hier blijkt dat de E-modulus van de VB04 (de zuivere NHL3,5 mortel) zeer laag is in verhouding tot de andere mortels Te verwachten valt dat de E-modulus van VB04 na langere uitharding (1-2 jaar) onder invloed van vocht hogere waarden zal bereiken Over het geheel genomen kan vastgesteld worden dat de stijfheid van de bouwplaatsgemengde mortels lager ligt dan de stijfheid van de prefab-mortels (met uitzondering van de prefab-mortel VP04) NB E-mudulus waarden kunnen nogal verschillen afhankelijk van de wijze waarop ze bepaald zijn In deze studie zijn de dynamische E-moduli bepaald met een Pundit plus apparaat De dynamische E-modulus wordt hierbij bepaald met Ultra sound en daarmee op een niet-destructieve maar tevens indirecte wijze De bepaalde waarden moeten op vergelijkende wijze geïnterpreteerd worden (en niet als absolute waarden) 70

71 23 Hygrische eigenschappen 231 Vochtabsorptie en drooggedrag: inleiding Vochtabsorptie Bij het onderzoek naar het hygrische gedrag van metselwerk gaat het er om een beter inzicht te krijgen in het waarom van de opname, transport en droging van vocht (hier in het bijzonder van regenwater) Hiertoe wordt gewoonlijk gebruik gemaakt van proeven, die in zekere mate een afspiegeling zijn van de wijze waarop wateropname in de werkelijkheid plaatsvindt Specifiek voor veel proeven is dat vocht vanaf één zijde wordt geabsorbeerd en gekeken wordt hoeveel vocht gedurende een bepaalde tijd door een doorsnede stroomt Dit is vergelijkbaar met regen die op een oppervlak valt en vervolgens door dat oppervlak via absorptie het metselwerk intrekt, of optrekkend vocht dat door een muurdoorsnede van beneden naar boven migreert door capillaire krachten Bij proeven wordt deze wijze van vochtopname geïmiteerd door een steen, een mortel, een stuk metselwerk met de voet in water te zetten en op deze wijze vocht capillair op te laten nemen Regenzijde proefstuk metselwerk met de voet enige mm s in het water Vochtopname baksteen vanuit voet voor de bepaling van initiële wateropzuiging (IW) Figuur 231 Voorbeelden van vochtabsorptie vanaf één zijde; De gewichtstoename in vocht, de doorsnede waardoor het water optrekt en de tijd die voor de proef wordt genomen zijn dan de variabelen waarmee de vochtopname worden gekarakteriseerd Om resultaten vergelijkbaar te maken worden de gewichtstoename in [kg], de doorsnede in de eenheid van oppervlak [m2], en de duur van de proef in de eenheid van tijd [min] of [sec] weergegeven Vochtabsorptie in 1 minuut heeft een speciale karakteriseringsnaam gekregen: de initiële wateropzuiging (IW) en deze wordt uitgedrukt in kg/(m 2 min) In de praktijk spreekt men ook wel van het Hallergetal (uitgedrukt in gr/(dm 2 min)) Voor een zelfde steen is het Hallergetal 10x zo groot als de IW Bij de hygrische proeven hier uitgevoerd is niet naar vochtopname op een bepaald moment, zoals bij de IW (bij 1 minuut), gekeken, maar naar de vochtopname gedurende een periode (van 10 min tot 90 min, volgens de norm NEN-EN (en)) Daarna is het vochtopname gedrag uitgedrukt in de zgn water absorptie coëfficiënt (WAC) In Figuur 232 wordt aangegeven wat deze karakterisering inhoudt 71

72 Figuur 232 Capillaire vochtopname per oppervlakte eenheid (zie y-as) is recht evenredig met de wortel uit de tijd (zie x-as) De water absorptie coëfficiënt (WAC) is Y/X Droging Droging vindt plaats in 2 fasen (zie figuur 233) Gedurende fase 1 verplaatst het vocht zich in vloeibare vorm naar het verdampingsoppervlak (de buitenzijde) en verdampt vanaf dit oppervlak Het gewichtsverlies in deze fase is recht evenredig met de tijd Gedurende fase 2 vertraagt het gewichtsverlies meer en meer omdat het drogingsfront zich naar binnen beweegt door minder vochtaanvoer en de droging via damptransport vanuit het materiaal moet plaats vinden water waterdamp Figuur 233 Links: de 2 fasen in het vochttransport; Rechts: gedurende fase 1 (meer dan een dag) is het vochttransport lineair met de tijd (de rechte tak in de grafiek), daarna komt de vertraging in fase 2 ("Water vapour emission from solid mesoporous materials during the constant drying rate period" LNEC, Drying technology, in preparation) 72