Restauratie van betonoppervlakken : Het effect van bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton

Transcriptie

1 Vakgroep: Bouwkundige constructies Laboratorium Magnel voor Betononderzoek Directeur: prof. dr. ir. L. Taerwe Restauratie van betonoppervlakken : Het effect van bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton door: Dieter Debrouwer Promotor: prof. dr. ir. N. De Belie Scriptiebegeleider: ir. W. De Muynck Academiejaar Eindwerk ingediend tot het behalen van de academische graad van BURGERLIJK INGENIEUR BOUWKUNDE

2

3 Vakgroep: Bouwkundige constructies Laboratorium Magnel voor Betononderzoek Directeur: prof. dr. ir. L. Taerwe Restauratie van betonoppervlakken : Het effect van bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton door: Dieter Debrouwer Promotor: prof. dr. ir. N. De Belie Scriptiebegeleider: ir. W. De Muynck Academiejaar Eindwerk ingediend tot het behalen van de academische graad van BURGERLIJK INGENIEUR BOUWKUNDE

4 Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze eindverhandeling voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze eindverhandeling. Gent, juni 2006 Dieter Debrouwer

5 DANKWOORD Bij het begin van deze thesis wens ik graag mijn oprechte dank te betuigen aan alle personen die het mij mogelijk hebben gemaakt dit eindwerk te realiseren. Eerst en vooral dank ik mijn promotor, professor N. De Belie, voor de uitstekende mogelijkheden die mij werden geboden voor de realisatie van een onderzoek naar de specifieke toepassingsmogelijkheden van bacteriën in de bouwkunde. Verder hou ik eraan mijn begeleider, ir. W. De Muynck, te bedanken voor het enthousiasme waarmee hij mij ondersteunde bij de realisatie van dit eindwerk en tevens in contact bracht met de Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen. Tevens wil ik ook het personeel van Laboratorium Magnel bedanken voor hun ondersteuning en assistentie bij het uitvoeren van mijn experimenteel onderzoek. Graag zou ik daarbij S. De Buck en N. Coppieters in het bijzonder bedanken voor hun bereidwillige medewerking. Tenslotte, maar niet in het minst, wil ik mijn ouders en vrienden bedanken voor alle steun die ze mij tijdens mijn studies hebben gegeven.

6 Het effect van bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton door Dieter DEBROUWER Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk bouwkundig ingenieur Promotor: prof. dr. ir. N. De Belie Scriptiebegeleider: ir. W. De Muynck Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Academiejaar Vakgroep: Bouwkundige constructies Laboratorium Magnel voor Betononderzoek Voorzitter: prof. dr. ir. L. Taerwe Samenvatting Huidige bezorgdheden omtrent mogelijke degradatie van beton en de daarbij horende economische impact voor onderhoud en herstellingen hebben de aandacht gevestigd op enerzijds de schadeprocessen in beton en anderzijds de middelen om degradatie af te remmen of te stoppen. Voor het ogenblik zijn tal van organische en anorganische producten op de markt aanwezig om de aantasting te vermijden maar deze traditionele behandelingen brengen ook negatieve effecten met zich mee. Daarom wordt onderzoek verricht naar een biologisch middel dat de eigenheid en structuur van de matrix niet aantast en dus beter past in de huidig ecologisch verantwoorde ethiek. In dit werk is een mogelijk alternatief bestudeerd dat gebaseerd is op de bacteriële carbonaat precipitatie en geeft aanleiding tot een beschermende minerale oppervlaktelaag. Het eerste luik van dit werk omvat een uitgebreide bespreking van de verschillende transporten schademechanismen die optreden in betonstructuren. Daarnaast werden de werking en de invloed van de biodepositie en traditionele beschermingsproducten op de voormelde processen toegelicht. In het experimentele luik van dit werk werden de effecten van deze biodepositietechniek op de transportprocessen en schademechanismen onderzocht. Hierbij werd aandacht besteed aan de relatie tussen de doorlatendheidskenmerken en de duurzaamheid van beton. Aansluitend werd een vergelijkende studie uitgevoerd, waarbij de efficiëntie van deze innovatieve techniek werd vergeleken met verschillende traditionele beschermingsproducten. Uit dit onderzoek blijkt dat de aanwezigheid van bacterieel gevormd CaCO 3 in de oppervlaktelaag van mortelproefstukken resulteert in een daling van de permeabiliteit. Deze daling geeft aanleiding tot een verminderde penetratie van chloriden, een afname van de capillaire wateropname en een daling van de permeabiliteit t.o.v. gassen. Deze daling in permeabiliteit heeft niet alleen gevolgen voor de transportprocessen in de betonmatrix, maar resulteert ook in een verhoogde weerstand tegenover schademechanismen. De aanwezigheid van deze biodepositielaag resulteert in een daling van de carbonatatiesnelheid van de betonmatrix. Gezien het feit dat carbonatatie- en chloridegeïnitieerde corrosie instaan voor de grootste problemen betreffende de duurzaamheid van beton, biedt deze biodepositiebehandeling mooie perspectieven voor de bescherming van betonstructuren. Trefwoorden: biodepositie, CaCO 3 -precipitatie, duurzaamheid, oppervlaktebehandeling

7 The effects of bacterial calcium carbonate precipitation on the durability of concrete Dieter Debrouwer Supervisor(s): N. De Belie & W. De Muynck Abstract: Bacterially induced carbonate precipitation has been proposed as a novel and environmentally friendly strategy for the protection of concrete against the transport of detrimental materials. This paper describes the results of an innovative approach in which pure cultures of Bacillus sphaericus are applied for the improvement of the durability of concrete. The effect of the bacterial CaCO 3 precipitation on the porosity, the transport properties (water vapour diffusion, water absorption and gas permeability) and the durability (carbonation, chloridemigration) was determined. The most pronounced results were obtained for the treatments in the presence of biomass, urea and an external calcium source. Keywords: mortar, calcium carbonate precipitation, biodeposition, surface-treatment I. INTRODUCTION Current concern about possible degradation of concrete and the associated economic impact of the maintenance and repair of concrete structures have drawn the attention to processes of concrete deterioration and to the resources to slow down or even to eliminate degradation. Service environment, together with the permeation properties of concrete determine the risk of damage and the speed at which it can develop. Many of the physical and chemical deterioration mechanisms of concrete are related to aggressive substances in aqueous solution. An important measure to protect concrete against damage exists thus in diminishing the uptake of water. Surface treatments play an important role in limiting the infiltration of water - and consequently of detrimental components - into concrete. Nowadays a broad array of organic and inorganic products is available on the market for the protection of concrete surfaces, such as a variety of coatings, water repellents and pore blockers. These traditional means of protection show however beside their favourable influences also a number of disadvantageous aspects such as different thermal expansion coefficient of the treated layers, degradation over time and the need for constant maintenance. Furthermore the use of certain solvents contributes to pollution. [1] To partially overcome these disadvantages, more ecological methods have been suggested. Within this framework, bacterial induced carbonate mineralization has been proposed as a novel and environmentally friendly strategy for the protection and remediation of stone and mortar. We have investigated the influence of the bacterial carbonate precipitation on the durability of mortar. The effect of this innovative technique on the substrate characteristics was determined and compared against traditional products. II. MATERIALS AND METHODS A. Materials In order to investigate the effects of the bacterial treatment on the durability of low and high porosity specimens, mortar mixtures of varying porosity were prepared (w/c = 0.5, 0.6 and 0.7). The specimens were cured in water for 28 days and stored in laboratory conditions until treatment. The specimens for the biodeposition treatment were immersed in solutions of varying composition in order to investigate the effects of an external calcium source. The nutrient solution consisted out of urea, nutrient broth, sodium bicarbonate (1), and calcium chloride (2) or calcium acetate (3). The specimens for the traditional treatment were treated according the technical data instructions. B. Methods The durability of the mortar specimens was assessed by the measurement of the porosity and transport processes. Transport mechanisms, such as absorption and diffusion of gases, liquids and ions, are important physical properties in relation to concrete durability parameters such as chloride ingress and carbonation. [2] The influence of the bacterial CaCO 3 deposition on the porosity was investigated by means of mercury intrusion porosimetry. [3] The increase in resistance towards water penetration obtained by the deposition of the CaCO 3 layer was measured by a sorptivity test for 168 h. [4] For the determination of the gas permeability a pressure was applied over the specimens and the volume flow rate through the specimens was measured. [5] For the evaluation of the breathability of surface-treated mortar a water vapour diffusion test was carried out. A different relative humidity was applied over the element. The loss of mass over the element gives an indication of the diffusion. [6] Complementary tests (= carbonatation and chloride penetration) were performed in order to investigate the effect of the precipitation on the durability of mortar. In

8 the accelerated carbonatation test the specimen is exposed to an enriched carbon dioxide environment the carbonatation depth gives an indication of the effect of the treatment. [2] The resistance of the treated specimens to chloride penetration was evaluated with a chloride migration test. An external electrical potential was applied across the specimen and forced chloride ions outside to migrate into the specimen. The effect of the treatment is a function of the penetration depth. [7] III. RESULTS AND DISCUSSION The results of the mercury intrusion porosimetry indicate that the presence of bacteria reduces the porosity due to the physical obstruction of the pores. The addition of an external calcium source led to an extra reduction that was caused by calcium carbonate precipitation. The presence of this carbonate layer resulted in an improvement of the impermeability of the specimens as could be seen from the capillary water suction experiments. The most pronounced reduction compared to the untreated samples was reached for the most porous mortar (wcf = 0.7) and when an external calcium source was provided. This treatment resulted in a 10-fold decrease in the uptake of water and these results were comparable to the traditional water repellents. The improvement of the impermeability could also be seen from the water vapour diffusion test and the gas permeability test. The most pronounced reduction of the water vapour diffusion (25%) was obtained for the less porous mortar (wcf = 0.5) and when an external calcium source was provided. These results were comparable to the results obtained with the synthetic resin. The presence of a bacterial treatment in addition of an external calcium source had a pronounced reduction on the gas permeability (50%) of the more porous elements (wcf = 0.6 and 0.7). These results were comparable with those of the synthetic resin. The results of the carbonation test confirmed the expectation that a reduction of the transport processes caused by the bacteria leads to an improvement of the durability [8]. The most pronounced reduction (50%) of carbonatation compared to the untreated samples was reached when an external calcium source was provided regardless the porosity of the specimens. The carbonatation coefficient was more or less the same as the one from the synthetic resin. The corrosion due to chloride ingress progresses at much higher rate than due to carbonation [8]. Therefore the reduction of the penetration of chlorides is a very important durability issue. The presence of a bacterial treatment in addition of an external calcium source resulted in a reduction of the chloride migration coefficient (25%) regardless the presence of a external calcium source. These results were comparable to those of the synthetic resin. IV. CONCLUSION From the results of this research it appears that the biodeposition treatment has the ability to improve the durability of concrete structures. The most pronounced results were obtained from the mortar with the highest porosity in the presence of biomass, urea and an external calcium source. The positive results should however be nuanced because the behaviour of the carbonate layer under aggressive circumstances is unknown. This bacterial treatment is for the moment expensive in comparison with water repellants and synthetic resins but it is a very ecological treatment. Further investigations will focus on the behaviour of the carbonate layer in aggressive circumstances. In future research the composition of the medium will be optimized because of the fact that the availability of the nutrients could have an influence on the growth of other micro-organisms. V. ACKNOWLEDGEMENTS Tests were carried out within the framework of a master s thesis at the faculty of civil engineering of Ghent University. VI. REFERENCES [1] Pèrez, J.L., Villegas, R., Vale, J.F., Bello, M.A., Alcade, M. Effects of consolidant and water repellent treatments on the porosity and pore size distribution of limestones. Methods of Evaluating Products for Conservation of Porous Building Materials in Monuments, ICCROM, Rome, 1995, [2] Basheer, L., Kropp, J. & Cleland, D.J Assessment of conrete durability from its permeation properties: a review. Construction and Building Materials,15: [3] Diamond S., Mercury porosimetry: An appropriate method for the measurement of pore size distributions in cement-based materials, Pergamon, Cement and Concrete Research, 2000, [4] De Muynck W., De Graef B., De Belie N., Microbial ureolytic calciumcarbonate precipitation for remediation of concrete surfaces, Magnel Laboratory for Concrete Research, Dept. of Structural Engineering, 2004, pp [5] Carcassès M., Abbes A., Ollivier J.-P., Verdier J., An optimised preconditioning procedure for gas permeability measurement, Materials and Structures, vol. 35, January-February 2002, pp [6] Basheer P.A.M., Basheer L., Cleland D.J., Long A.E., Surface treatments for concrete: assessment methods and reported performance, Elsevier, Construction and Building Materials, vol. 11, nr. 7-8, July 1997, pp Basheer. [7] NORDTEST METHOD NT BUILD 492, Concrete, mortar and cement-based repair materials: chloride migration coefficient from non-steady state migration experiments, 1999, pp. 1-8.

9 INHOUDSTAFEL Deel 1: Literatuurstudie HOOFDSTUK 1: DUURZAAMHEID VAN BETON...1 HOOFDSTUK 2: TRANSPORTMECHANISMEN Inleiding Transportprocessen Diffusie Capillaire wateropname Permeabiliteit Elektromigratie Thermische migratie Osmose...14 HOOFDSTUK 3: SCHADEMECHANISMEN Inleiding Indirecte aantasting Algemeen Roestvorming Beschermende werking van de betondekking Carbonatatiegeïnitieerde corrosie Chloridegeïnitieerde corrosie Directe aantasting Aantasting door vorst Aantasting door vorst in combinatie met dooizouten Aantasting door nat-droogwisselingen Aantasting door indringen van sulfaten Aantasting door indringen van zuren Alkali-silicareactie...25 I

10 HOOFDSTUK 4: BESCHERMINGSSYSTEMEN Inleiding Traditionele behandelingen Inleiding Impregneermiddelen: hydrofobering Impregneermiddelen: poriëndichter Coatings Combinatiesystemen Biodepositiebehandelingen Inleiding Principe Toepassingen Effect van de oppervlaktebehandelingen op de duurzaamheid van beton Resultaten met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen Resultaten met betrekking tot de beschermende werking...40 HOOFDSTUK 5: DOELSTELLING...42 Deel 2: Materialen en methodes HOOFDSTUK 1: MATERIALEN Proefstukken Beschermingsbehandelingen Traditionele behandelingen Biodepositiebehandelingen...45 HOOFDSTUK 2: METHODES Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen Kwik intrusie porosimetrie Waterdampdiffusie Capillaire wateropname Gaspermeabiliteit Proeven met betrekking tot de beschermende werking Carbonatatie Penetratie van chloriden...69 II

11 2.3 Vorst-dooicycli Vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten Statistische resultaatverwerking...80 Deel 3: Resultaten en discussie HOOFDSTUK 1: RESULTATEN Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen Kwik intrusie porosimetrie Waterdampdiffusie Capillaire wateropname Gaspermeabiliteit Proeven met betrekking tot de beschermende werking Carbonatatie Penetratie van chloriden Vorst-dooicycli Vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten HOOFDSTUK 2: DISCUSSIE Inleiding Verband w/c-factor porositeit transportmechanismen Biodepositiebehandelingen Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen Proeven met betrekking tot de beschermende werking Traditionele behandelingen Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen Proeven met betrekking tot de beschermende werking Technisch overzicht Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen Proeven met betrekking tot de beschermende werking Overzicht kostprijs behandelingsproducten Vergelijkende studie III

12 Deel 4: Besluiten en verder onderzoek HOOFDSTUK 1: BESLUITEN HOOFDSTUK 2: VERDER ONDERZOEK Deel 5: Literatuurlijst Bijlage 1: Voorschriften traditionele behandelingen IV

13 AFKORTINGEN EN SYMBOLEN AFKORTING - BETEKENIS EENHEID SYMBOOL α Significantieniveau - A Waterabsorptiecoëfficiënt kg/(m². s) A.S.R. Alkali-silicareactie - C Carbonatatiecoëfficiënt mm/ dag D Waterdampdiffusiecoëfficiënt m²/s D nssm Chloridemigratiecoëfficiënt m/s² ε Porositeit - f cspl Splijttreksterkte N/mm² i.a.v. In aanwezigheid van - I Ca Absolute capillariteitsindex - I Cr Relatieve capillariteitsindex - J Waterdampstroming kg/(m².s) K oxygen Gaspermeabiliteitscoëfficiënt m² M Hoeveelheid afgeschilferd materiaal g M t Hoeveelheid geabsorbeerd water na een periode t kg NVT Niet van toepassing - Q Hoeveelheid geabsorbeerd water per oppervlakte-eenheid kg/m² RAG Relatieve absorptiegraad % RV Relatieve vochtigheid % SNK Student Newman Keuls - T Temperatuur C of K U Spanning V v Voortplantingssnelheid m/s wcf Water/cement-factor - w/c-factor Water/cement-factor -

14 Deel 1: Literatuurstudie

15 Deel 1 Literatuurstudie HOOFDSTUK 1: DUURZAAMHEID VAN BETON Beton is een belangrijk bouwmateriaal in de wereld en tevens één van de meest populaire. Het is goedkoop, wereldwijd beschikbaar en relatief éénvoudig in gebruik. Op de bouwplaats kan beton vele vormen en groottes aannemen en deze flexibiliteit heeft bijgedragen tot de ontwikkeling van beton als constructiemateriaal. [1] Bij combinatie van beton en staal wordt geprofiteerd van hun complementair gedrag waarbij het basische milieu van het beton zorgt voor de passivatie van de wapening waardoor roesten wordt voorkomen en het staal zorgt voor het opnemen van de trekkrachten daar het beton geen noemenswaardige bijdrage kan leveren tot het opnemen van deze krachten. Bovendien hebben beide een vergelijkbare uitzettingscoëfficiënt en hecht het beton goed aan het staal [2]. Algemeen wordt gesproken van een materiaal met zeer goede mechanische en fysische eigenschappen. Beton is inherent duurzaam en vergt weinig onderhoud. De basisbestanddelen, namelijk Si-, Al- en Fe-oxides, zijn dezelfde als deze afkomstig van duurzame natuurlijke rotsgesteentes. Wel dient opgemerkt te worden dat een aantal omgevingseffecten snel een goed beton kunnen degraderen. De karakteristieken van kwaliteitsvol beton zijn niet éénvoudig te definiëren en daarbij dient opgemerkt te worden dat doorheen de levensduur van de betonconstructie niet duurzaam beton visueel hetzelfde gedrag kan hebben als duurzaam beton. [1] De belangrijkste oorzaken betreffende duurzaamheidsproblemen in betonconstructies zijn weergegeven in Figuur 1-1. Ontwerp- en constructiefouten zijn eerder dan de materialen op zich verantwoordelijk voor de aantasting van de duurzaamheid van het beton. Beton wordt toegepast in verschillende omgevingen die elk een specifieke impact hebben op het beton en/of het wapeningsstaal [1]. De kans op aantasting is relatief groot en de duurzaamheid van het beton wordt in belangrijke mate bepaald door de snelheid waarmee de structuur van dat materiaal verandert [3]. Ontwerp Constructie & onderhoud Materialen 10% 50% 40% Figuur 1-1: Oorzaken duurzaamheidproblemen bij betonconstructies [1] 1

16 Deel 1 Literatuurstudie De aantasting vindt plaats ten gevolge van fysische 1, fysisch-chemische 2, chemische 3 of biologische 4 processen. Bij veel processen wordt materie van de ene naar de andere plaats getransporteerd, al dan niet na chemische omzetting. De snelheid waarmee het transport plaatsheeft, hangt enerzijds af van de aard en de hoeveelheid van de aantastende stoffen (het milieu) en anderzijds van de samenstelling en de structuur van het materiaal (de kwaliteit van het beton). [3] Dit impliceert dat wanneer een schatting van de mogelijke duurzaamheid van het beton dient gemaakt te worden, een voldoende kennis van enerzijds de betonkarakteristieken en anderzijds het milieu waarin het beton wordt toegepast, vereist is. De factoren die de duurzaamheid beïnvloeden zijn weergegeven in Figuur 1-2. Figuur 1-2: Invloedsfactoren duurzaamheid [1] 1 Fysische verwering: De wijze waarop poreuze materialen onder invloed van weer en wind of het milieu in de loop van de tijd zijn samenhang verliezen, waarbij er geen veranderingen optreden in chemische en mineralogische samenstelling. 2 Fysisch-chemische verwering: De wijze waarop gesteenten onder invloed van het milieu in de loop van de tijd hun samenhang verliezen, waarbij chemische reacties plaatsvinden zonder dat de chemische samenstelling van het beton wijzigt. 3 Chemische verwering: De wijze waarop gesteenten onder invloed van het milieu in de loop van de tijd hun samenhang verliezen, waarbij chemische reacties plaatsgrijpen. 4 Biologische verwering: Verwering ten gevolge van levende organismen 2

17 Deel 1 Literatuurstudie Deze factoren zijn divers en kunnen al dan niet samen optreden. Algemeen kunnen de factoren in vier categorieën worden ingedeeld: 1) Falen van het interne materiaal, bijvoorbeeld Alkali-silicareactie (A.S.R.); De problemen veroorzaakt door deze categorie kunnen éénvoudig worden opgelost door de samenstelling van de basisbestanddelen te wijzigen. 2) Indringing van fluïdum en/of ionen uit de omgeving die het beton en/of wapeningsstaal kunnen aantasten, bijvoorbeeld penetratie van chloriden en zwavelzuuraantasting; Deze categorie is veruit de grootste oorzaak van de duurzaamheidsproblematiek. De indringing van vocht die opgeloste ionen bevat, in het bijzonder chloriden of koolstofdioxide, kan leiden tot wapeningscorrosie. Het probleem is dat er geen éénvoudige manier bestaat om de weerstand van het beton tegen indringing van dergelijke stoffen te beoordelen. 3) Directe verwering; Deze categorie wordt in verband gebracht met verkeersbelasting zoals bij autosnelwegen. De snelheid van verwering is functie van de karakteristieken van zowel mortel als van de granulaten. 4) Mechanische verstoring ten gevolge van overdreven rekken, bijvoorbeeld thermische belasting, vochtvariatie, vorst- en dooicycli. Deze categorie kan worden onderverdeeld in twee groepen. Enerzijds de factoren die direct de macrostructuur van het beton aantasten zoals vorst- en dooicycli. Anderzijds de factoren die het beton aantasten als deel van de structuur zoals bijvoorbeeld thermische spanningen. [1] Na het storten van het beton bestaat de huid ervan voornamelijk uit gehydrateerd cement. In Figuur 1-3 wordt een snede van een gewapend betonelement voorgesteld en deze specie bevat in de randzone minder grove granulaten, maar meer fijn zand, meer cementkorrels en meer water dan in de kern. De kwaliteit van deze randzone, waarvan Figuur 1-3: Doorsnede gewapend betonelement [4] 3

18 Deel 1 Literatuurstudie de dikte ongeveer gelijk is aan de helft van de grootste doormeter van de granulaten, bepaalt in grote mate de duurzaamheid van het beton. Uit onderzoek is gebleken dat de grootste problemen betreffende de duurzaamheid worden veroorzaakt door corrosieverschijnselen en niet door aantasting van het beton zelf. Het beton van de randzone moet dus een barrière vormen voor schadelijke stoffen en het is dus belangrijk om de kwaliteit van de randzone zo hoog mogelijk te houden. [1] [4] De economische impact van de duurzaamheidsproblemen heeft de laatste decennia geleid tot uitgebreid onderzoek en dit heeft zijn bijdrage geleverd tot de aanmaak van beter en duurzamer beton of gewapende betonconstructies. Daarnaast heeft het onderzoek ook geleid naar oppervlaktebehandelingen om de verwering van de betonmatrix te reduceren of in het beste geval te stoppen. Veel testmethodes en technieken die de laatste jaren zijn ontwikkeld, kunnen worden gebruikt om de penetratie van schadelijke stoffen in het beton in beeld te brengen. [5] 4

19 Deel 1 Literatuurstudie HOOFDSTUK 2: TRANSPORTMECHANISMEN 1. Inleiding Beton is een poreus materiaal dat opgebouwd is uit een aantal basisbestanddelen. Deze zijn cement, water, zand en granulaten (Figuur 2-1). Voor de aanmaak van het beton is een minimaal cementgehalte nodig en de w/c-factor moet beperkt worden tot een bepaalde waarde. De w/c-factor is een controleparameter die een grote impact heeft op de afmetingen Figuur 2-1: Basisbestanddelen beton [4] van de poriën en op het aantal ervan. Het volume aan poriën in het beton wordt uitgedrukt door de porositeit (ε) en is gerelateerd aan de bulkdensiteit van het beton (ρ b ) en aan de densiteit van de betonmatrix (ρ m ) en wordt met Formule 2-1 berekend: ρb ε =1 (2-1) ρ m met ε = de porositeit [%] ρ b ρ m = de bulkdensiteit [kg/m³] = de densiteit van de betonmatrix [kg/m³] De aanwezigheid van poriën is een noodzakelijke maar niet voldoende voorwaarde voor het transport van een fluïdum (= gas of vloeistof) omdat voor het transport de poriën een aaneengesloten netwerk doorheen het poreuze materiaal moeten vormen. [6] [7] Naast de w/c-factor heeft het cementtype, het granulaattype en de nabehandeling impact op de eigenschappen van de matrix. Zoals in Figuur 2-2 is te zien, hebben deze hun invloed op de transportmechanismen. 5

20 Deel 1 Literatuurstudie Figuur 2-2: Overzicht controleparameters - transportmechanismen [1] Het water in de cementmatrix is samengesteld uit verdampbaar en nietverdampbaar water. Het nietverdampbaar water wordt gebruikt voor de hydratatiereactie en verdampbaar water wordt gedefinieerd als het water dat wordt vastgehouden in het capillaire systeem. In Figuur 2-3 zijn de verschillende types water Figuur 2-3: Aanwezigheid van water in beton [4] aangeduid die kunnen verdampen. Het water dat zich in de capillaire poriën (diameter tussen 0,003 µm en 10 µm) bevindt, kan nog worden opgesplitst in twee categorieën. Enerzijds wordt van capillair gebonden water gesproken en anderzijds van vrij water. Dit laatste is het water dat in de wijdere capillairen en grotere holten aanwezig is. Wel dient opgemerkt te worden dat het water dat zich in de gelporiën (diameter < 0,003 µm) en 6

21 Deel 1 Literatuurstudie tussen de hydraatlaagjes (interstitieel water of interlayer water) bevindt, pas bij hoge temperaturen wordt verdreven. [3] [4] [8] Het transport van een fluïdum doorheen dit netwerk is belemmerd door het poreuze materiaal omdat deze een weerstandbiedend effect uitoefent op het fluïdum. De grootte van de weerstand is afhankelijk van het specifiek oppervlak van de cementmatrix en is evenredig met de verhouding van de porositeit tot de poriëngrootte. [7] De doorlatendheid van een poreus materiaal wordt gekarakteriseerd door drie parameters: de grootte van de capillairen, het aantal capillairen en de interconnectie tussen de capillairen. De permeabiliteit van de betonmatrix heeft zijn invloed op de beweging van gassen, vloeistoffen en ionen en is zeer belangrijk omdat deze stoffen in interactie gaan met betonbestanddelen of met het poriënwater. Dit kan leiden tot directe of indirecte aantasting van de constructie. [5] [7] 2. Transportprocessen Afhankelijk van de drijvende kracht van het proces en het getransporteerde materiaal worden verschillende transportmechanismen voor de schadelijke stoffen gedefinieerd [5]. 2.1 Diffusie Diffusie is het proces waarbij waterdamp, gas of ionen doorheen het beton kunnen bewegen als gevolg van een concentratiegradiënt. De beweging is het resultaat van kleine willekeurige moleculaire bewegingen die over kleine afstanden optreden. [1] [5] De stroming van damp, gas of ionen onder steady-state condities wordt beschreven door de eerste wet van Fick (Formule 2-2): C J = D. (2-2) x met J = de flux [kg/(m².s)] D = de diffusiecoëfficiënt [m²/s] c = de concentratie [kg/m³] x = de lengte volgens de diffusie-as [m] 7

22 Deel 1 Literatuurstudie De diffusiviteit definieert de snelheid waarmee de beweging van de vermelde stoffen optreedt en deze is een functie van volgende parameters: - de concentratiegradiënt; - hoeveel stoffen reageren met de gevormde hydraatstructuur (afhankelijk van het cementtype); - de afmetingen van de capillairen; - onderlinge connectie van de capillairen. Uit onderzoek door Basheer et al. is gebleken dat bij diffusie van ionen (bijvoorbeeld chloriden) rekening dient te worden gehouden met het feit dat vrije chloride-ionen kunnen reageren met de hydratatieproducten in de betonmatrix waarbij gebonden chloride (Friedlzout) het reactieproduct is. Deze reactie impliceert een afname van beweegbare chlorideionen waardoor de diffusiviteit afneemt. De diffusiecoëfficiënt waar de binding van de chloriden wel respectievelijk niet wordt ingerekend, wordt de effectieve respectievelijk intrinsieke diffusiecoëfficiënt genoemd. De chlorideconcentratie in functie van de diepte wordt voorgesteld in Figuur 2-4 [5]: Figuur 2-4: Diffusie van chloride-ionen al dan niet met chemische reactie [5] Het diffunderen van ionen in verzadigd beton kan plaatsvinden zonder optreden van waterstroming. [9] De diffusie van een gas door beton is in praktijk veelal van belang in het geval van lucht met een verschillende relatieve vochtigheid aan beide zijden (binair mengsel van lucht en waterdamp waarbij voor deze laatste langs beide zijden een concentratiegradiënt over het betonelement bestaat). Het verschil in waterdampconcentratie zorgt voor de gradiënt die het water van de lucht met hoge relatieve vochtigheid naar lage relatieve vochtigheid brengt. [10] 8

23 Deel 1 Literatuurstudie 2.2 Capillaire wateropname Absorptie is het proces waarbij een poreus materiaal bij contact met een vloeistof een gedeelte ervan opzuigt. Het opzuigen gebeurt door middel van capillaire aantrekking die wordt veroorzaakt door oppervlaktespanningen in de capillairen. Naast deze drijvende kracht dient ook rekening te worden gehouden met een weerstandbiedende kracht, nl. de stromingsweerstand. Als horizontale oppervlakken onderworpen zijn aan een vloeistoflaag dient ook rekening te worden gehouden met de zwaartekracht en in het algemeen heeft wind ook een invloed op de waterabsorptie. Beton met fijne poriën vertoont veel grotere capillaire zuigkrachten en dus een grotere stijghoogte. De weerstandbiedende kracht neemt toe met afnemende breedte van de poriën maar dit wel in minder mate dan de drijvende kracht. In Figuur 2-5 is voorgesteld dat beton met grove capillairen een grotere stijgsnelheid en een groter debiet heeft maar wel een kleinere stijghoogte dan beton met kleine capillairen. De stijghoogte bij deze laatste kan meer dan 20 meter bedragen en bij aanwezigheid van oplosbare zouten neemt de stijghoogte nog toe. Hoe fijner de capillairen, hoe Figuur 2-5: Capillaire poriën in beton trager het materiaal vochtig wordt maar ook hoe [4] trager het droogt. Het geabsorbeerde water in de capillairen kan enkel door middel van verdamping ontsnappen. [4] [11] [12] De absorptie van water in droog beton wordt gekenmerkt door twee basisparameters: - De porositeit: deze wordt bepaald aan de hand van de massa aan water die nodig is om het beton te verzadigen. - De waterabsorptiecoëfficiënt: dit is de snelheid waarmee water in het beton wordt opgenomen. Deze is functie van de grootte van de capillairen, de connectie tussen de verschillende capillaire poriën en het vochtgehalte van het beton. [1] [5] [9] [13] 9

24 Deel 1 Literatuurstudie De capillaire wateropname wordt beschreven met Formule 2-3: Q = A A. t (2-3) 0 + met Q = de hoeveelheid geabsorbeerd water per oppervlakteeenheid [kg/m²] A = de waterabsorptiecoëfficiënt [kg/(m². s)] t = de contacttijd tussen beton en vloeistof [s] A 0 = een correctieterm om rekening te houden met de oppervlakte-effecten [13] Het fluïdum kan opgeloste zouten, zoals chloriden of sulfaten, en opgeloste gassen, zoals koolstofdioxide, bevatten en kan via absorptie van het fluïdum in de betonmatrix indringen. Het transport van ionen (bijvoorbeeld chloriden) kan daarentegen een combinatie zijn van absorptie en diffusie. Diffusie op zich is een zeer traag verlopend proces en wanneer het beton onverzadigd is, zal absorptie het dominante mechanisme zijn. De absorptiediepte bedraagt ongeveer 20 à 25 mm en daarna worden de ionen door middel van diffusie dieper in het beton getransporteerd. [1] Absorptie kan worden gecontroleerd door het reduceren van de diameter en de connectie tussen de capillaire poriën door het gebruik van een lage w/c-factor en een goede nabehandeling. [1] [9] In Figuur 2-6 wordt de beweging van een droogfront of vochtfront voorgesteld. Als het betonoppervlak wordt bevochtigd, zal water worden opgezogen onder invloed van capillaire krachten. Wanneer het beton vervolgens weer droogt, wordt het water onder de vorm van waterdamp terug aan de omgeving afgegeven. Deze overgang van vloeibare naar Figuur 2-6: Beweging droogfront of vochtfront dampvormige toestand gebeurt aan in beton [4] 10

25 Deel 1 Literatuurstudie het oppervlak ( droogvlak ) en later binnenin het materiaal: capillair transport gaat over in dampdiffusie. Het droogfront (of vochtfront ) dat de grenszone tussen capillairen met water en capillairen met waterdamp vormt is in functie van de temperatuur en de vochtigheid van de buitenomgeving. Beton dat niet wordt bevochtigd, kan ook water opnemen. Bij stijgende relatieve vochtigheid van de omgeving, dringt waterdamp in de capillairen door diffusie. Daar wordt het omgezet in water door adsorptie tegen de wanden van de capillairen en door condensatie tegen de reeds gevormde watereilandjes. Het vochtgehalte waarbij het capillair watertransport de overhand krijgt op dampdiffusie wordt het kritisch vochtgehalte genoemd. [4] De droging van materiaal gebeurt in twee duidelijk te onderscheiden fasen die zijn voorgesteld in Figuur 2-7: - Tijdens de eerste fase is de droogsnelheid of verdampingssnelheid hoog en constant en in grote mate afhankelijk van de externe omstandigheden. - De tweede fase wordt gekenmerkt door een sterke en continue daling van de droogsnelheid. Naast externe omstandigheden speelt, zoals eerder aangehaald, ook de poriënkarakteristiek mee, nl. hoe fijner de poriën, hoe trager het materiaal droogt. Figuur 2-7: Watergehalte versus tijd [12] 11

26 Deel 1 Literatuurstudie 2.3 Permeabiliteit Permeabiliteit is een maat voor de eenvoud waarmee een fluïdum door beton stroomt ten gevolge van een drukgradiënt die het gevolg kan zijn van een uitwendige waterdruk of van absorptieprocessen zoals capillaire zuiging en osmose (zie 2.6 Osmose ). Dit proces is in contrast met absorptie en diffusie die het gevolg zijn van een verschil in concentratie. De permeabiliteit is een functie van: - het drukverschil; - de grootte van de capillaire poriën; - de connectie tussen de capillairen. Permeabiliteit en absorptie zijn een functie van twee dezelfde parameters waardoor permeabiliteit op dezelfde manier als absorptie wordt gecontroleerd. [1] Aan de hand van de wet van Darcy kan permeabiliteit worden beschreven. Deze wet definieert een steady-state toestand en stelt voor dat de snelheid van stromen evenredig is met de hydraulische gradiënt. In Formule 2-4 is de wet van Darcy voorgesteld: Q dh v = = K. I = K. (2-4) A dl met v = de stroomsnelheid [m/s] Q = het debiet [m³/s] A = de oppervlakte waarlangs de stroming plaatsvindt [m²] K = de permeabiliteitscoëfficiënt [m/s] I = de hydraulische gradiënt [-] dh = het verval [m] dl = de lengte van de stroomlijn [m] 12

27 Deel 1 Literatuurstudie De wet van Darcy is op zijn beurt veralgemeend om toe te kunnen passen op vloeistoffen die in elke richting stromen door een poreus materiaal en dit zolang de stroming viskeus is. De wet kan worden uitgedrukt met Formule 2-5: Q dp v = = ( k.µ ). (2-5) A dl met v = de stroomsnelheid [m/s] Q = het debiet [m³/s] A = de oppervlakte waarover de stroming gebeurt [m²] k = de intrinsieke permeabiliteit µ = de viscositeit dp = het drukverschil over het element dl = de lengte van de stroomlijn De intrinsieke permeabiliteit is onafhankelijk van de vloeistofeigenschappen die door het medium stromen. De eigenschappen van de vloeistof worden ingerekend in de viscositeit (µ) en drukken de wrijvingsweerstand van de vloeistof uit.[5] [14] 2.4 Elektromigratie Elektromigratie treedt op wanneer een elektrisch veld aanwezig is dat veroorzaakt wordt door een uitwendige bron maar wordt vaak veroorzaakt door een elektrisch potentiaalverschil die het gevolg is van putcorrosie. [9] 2.5 Thermische migratie Bij thermische migratie beweegt water van warme zones naar koude zones in het poreuze materiaal. De snelheid waarmee dit optreedt, hangt af van de permeabiliteit van het betreffende materiaal. In verzadigd beton kunnen ionen, die zich in warmer poriënwater bevinden, zich naar kouder poriënwater verplaatsen. Dit laatste mechanisme is gebaseerd op het feit dat ionen of moleculen in warm water sneller bewegen en dan ook een grotere waarschijnlijkheid hebben om zich door het beton te bewegen. [9] 13

28 Deel 1 Literatuurstudie 2.6 Osmose Osmose treedt op bij aanwezigheid van een semi-permeabel membraan waarbij deze laatste een barrière vormt waar water door kan stromen maar de opgeloste stoffen in het water kunnen er niet éénvoudig door. Osmose veroorzaakt een stroom van water van een zwakke, weinig geconcentreerde oplossing naar een sterke, hoog geconcentreerde oplossing. Water dat zich aan de buitenkant van het beton bevindt is een pure of zwakke oplossing en kan in het beton trekken omdat intern een sterke oplossing aanwezig is. [9] 14

29 Deel 1 Literatuurstudie HOOFDSTUK 3: SCHADEMECHANISMEN 1. Inleiding Het indringen van een fluïdum ten gevolge van transportmechanismen in een gewapende betonconstructie heeft een grote impact op het al of niet kunnen optreden van schademechanismen. Een voorbeeld van de relatie tussen de aanwezigheid van fluïdum en schademechanismen is in Figuur 3-1 geïllustreerd. De aantasting kan in volgende klassen worden ingedeeld: - De indirecte aantasting van beton door aantasting van het Figuur 3-1: Relatieve vochtigheid wapeningsstaal; versus corrosie [15] - De directe aantasting van het beton door inwendige of uitwendige oorzaak. Bepaalde stoffen zijn niet schadelijk voor het beton op zich maar deze stoffen hebben wel een impact op de wapening. Zolang deze schadelijke stoffen de wapening niet kunnen bereiken, zal het beton ook niet worden aangetast door deze stoffen. [3] 2. Indirecte aantasting 2.1 Algemeen Het gebruik van staal in gewapende betonconstructies zal onder invloed van klimatologische omstandigheden worden aangetast. Het gevolg is dat het staal corrodeert door de reactie van het ijzer, de hoofdcomponent van staal, met zuurstof en water. De treksterkte wordt onvermijdelijk gereduceerd en hierdoor kan het staal zijn functie niet meer volledig vervullen. Het corrosieproces treedt op met een specifieke snelheid die beïnvloed wordt door de tijd dat het staal vochtig is, de aanwezigheid van zuurstof, de temperatuur en de afzetting van beschermende stoffen op het staaloppervlak. Op het staaloppervlak bevindt zich een passiveringslaag die zorgt voor de bescherming van het staal en deze laag is gebaseerd op de 15

30 Deel 1 Literatuurstudie alkaliteit van het poriënwater van beton. Bij een hoge ph-waarde vormt zich een dunne oxidehuid (Fe 2 O 3 en Fe 3 O 4 ) op het staaloppervlak en remt zo het in oplossing gaan van ijzerionen sterk af waardoor het corrosieproces tot stilstand komt. De mogelijkheid bestaat echter dat de passiveringslaag verloren gaat waardoor corrosie kan ontstaan. [16] 2.2 Roestvorming Roesten van het staal is een elektrochemisch proces dat optreedt als de wapening zich in een waterige oplossing bevindt. Ter hoogte van de anode gaat een hoeveelheid ijzer-atomen (Fe) als ijzer-ionen (Fe 2+ ) in oplossing en dit proces wordt de anodereactie genoemd die door reactie 3-1 wordt voorgesteld: Fe Fe 2e (3-1) Door de anodereactie komen een aantal elektronen vrij in het staal en deze gaan naar de kathode van het staal waar ze reageren met O 2 en H 2 O-moleculen. Deze laatste twee vormen hydroxide-ionen die samen met de ijzer-ionen reageren tot verschillende roestproducten, afhankelijk van het aanbod van water en zuurstof (vergelijkingen 3-2 t.e.m. 3-4): - Ijzer II-hydroxide + OH Fe( OH ) 2+ Fe (3-2) - Ijzer III-hydroxide 4 ( OH ) 2H O + O Fe( OH ) Fe (3-3) - Ijzer III-oxide 2 ( OH ) 3O 3Fe O + H O Fe (3-4) 3 3 De stroomkring van het corrosieproces is voorgesteld in Figuur 3-2. Figuur 3-2: Stroomkring corrosieproces [16] 16

31 Deel 1 Literatuurstudie Corrosie treedt echter maar op als aan volgende voorwaarden wordt voldaan: 1) De aanwezigheid van potentiaalverschillen waardoor een stroomkring kan ontstaan; 2) De anode en kathode moeten zowel via het staal als elektrochemisch met elkaar zijn verbonden; 3) Het in oplossing gaan van het ijzer moet door de depassivering mogelijk zijn; 4) Bij de kathode moet voldoende zuurstof beschikbaar zijn. 2.3 Beschermende werking van de betondekking De wapening in het beton komt zowel met zuurstof als met water in aanraking. Als de vloeistof een hoge zuurtegraad heeft, zijn veel hydroxyl-ionen in de vloeistof aanwezig. Hierdoor zal een neerslag op het staal worden gevormd waardoor het in oplossing gaan van nog meer ijzer bemoeilijkt wordt of in het ideale geval wordt belemmerd. Dit proces wordt het depassiveren genoemd. Bij een lagere ph-waarde blijft de neerslag poreus en permeabel en wordt het corrosieproces niet gestopt. De oorzaak dat het beton toch corrodeert, is te wijten aan het feit dat door externe oorzaken de samenstelling van het poriënwater ter plaatse van de wapening kan worden gewijzigd waardoor de passiveringslaag wordt aangetast. Deze laag kan worden aangetast door het binnendringen van koolstofdioxide (CO 2 ) of chloride-ionen. [3] 2.4 Carbonatatiegeïnitieerde corrosie Vóór er zich calciumcarbonaat kan vormen, moet er eerst diffusie van CO 2 door de capillaire poriën optreden. Dit CO 2 zal oplossen in de waterfilm op de poriënwand en wordt door reactie 3-5 voorgesteld: CO + (3-5) 2 H 2O H 2CO3 Daarna wordt het calciumhydroxide (CaOH 2 ), dat zich in het poriënwater bevindt, geneutraliseerd door diwaterstofcarbonaat (H 2 CO 3 ) waardoor, zoals in Figuur 3-3 is Figuur 3-3: Vorming calciumcarbonaat (CaCO 3 ) [4] 17

32 Deel 1 Literatuurstudie weergegeven, calciumcarbonaat (CaCO 3 ) wordt gevormd. Het gevolg is dus dat de ph-waarde wordt verlaagd en dit resulteert in een afname van de hydroxyl-ionen en een toename van de waterstof-ionen. Wanneer de kritische zuurtegraad (ph = ±8) is bereikt, wordt de passiveringslaag aangetast met als gevolg dat de wapening gaat roesten. Bij het optreden van corrosie, ten gevolge van het binnendringen van CO 2, wordt gesproken van carbonatatiegeïnitieerde corrosie en de vorming ervan is verdeeld over het gecorrodeerde staaloppervlak. Het volume van de roestproducten is 2,5 tot 6 maal zo groot als van het oorspronkelijke staalvolume met als gevolg dat trekspanningen in het beton worden gecreëerd (Figuur 3-4). [4] Figuur 3-4: Carbonatatiegeïnitieerde corrosie [4] De carbonatatiediepte (x) in functie van de vierkantswortel van de tijd ( t) wordt weergegeven door Formule 3-5: x = C. t (3-5) met x = de carbonatatiediepte [mm] C = de carbonatatiecoëfficiënt [mm/ dag] t = de tijd [dag] [17] De carbonatatiecoëfficiënt is in functie van: - de porositeit van het beton; Een poreuzer beton biedt minder weerstand aan de diffusie van CO 2. Vooral een open poriënstructuur is gunstig voor diffusie. - de w/c-factor; Bij toename van de w/c-factor is het beton meer permeabel en de mate van CO 2 -indringing wordt groter (Figuur 3-5). 18

33 Deel 1 Literatuurstudie - de chemische samenstelling van het cement; - de atmosfeer. De diffusieweerstand van CO 2 is veel hoger in water dan in lucht (verhouding 10 4 ). [32] Uit onderzoek wordt aangetoond dat de atmosfeer een grote invloed heeft op de carbonatatiediepte waarbij volgende drie mogelijkheden onderscheiden kunnen worden: labo, buitenklimaat onbeschut, buitenklimaat beschut tegen regen (Figuur 3-5): Figuur 3-5: Tijd versus carbonatatiediepte [16] - In een labo droogt het beton snel uit waardoor het carbonatatiefront zich snel naar binnen zal bewegen. De carbonatatiediepte is evenredig met de wortel van de expositietijd en in deze situatie is weinig gevaar voor corrosie omdat onvoldoende water aanwezig is. - Bij een buitenklimaat dat onbeschut is, zullen er periodes van droogte zijn waarbij het water uit de poriën verdampt en er dus carbonatatie kan optreden. De carbonatatie verloopt meestal trager dan in het eerste geval omdat de relatieve vochtigheid in het buitenklimaat meestal hoger is dan in het binnenklimaat. De droge perioden worden afgewisseld met neerslag en in tegenstelling tot het langzaam uitdrogen, nemen de capillaire poriën in deze fase water op. De carbonatatie stopt dan abrupt en kan pas weer doorgaan wanneer in de volgende droge periode het uitdrogingsfront de tot dan toe bereikte carbonatatiegrens passeert. Voor het ontstaan van ernstige corrosieschade is het nodig dat het uitdrogingsfront vele malen de wapening 19

34 Deel 1 Literatuurstudie passeert. Uit onderzoek is vastgesteld dat de vochtfluctuaties in de dekkingslaag zich beperken tot de buitenste 15 tot 20 mm. Het op grotere afstand van het betonoppervlak gelegen beton droogt langzaam uit en door een gebrek aan water zal de mogelijkheid van corrosie in dat gebied steeds geringer worden. - Bij een buitenklimaat dat beschut is tegen regen zal het poriënsysteem langzaam uitdrogen, zeker in een periode met lage relatieve vochtigheid van de lucht. In een periode met hoge relatieve vochtigheid zal het watergehalte in de poriën toenemen omdat de luchtvochtigheid buiten groter is dan in de poriën. De waterdamp dringt dan naar binnen en condenseert in de poriën. De opname van water door condensatie heeft slechts af en toe plaats en verloopt veel langzamer dan bij direct contact met water. Tevens is de carbonatatiesnelheid kleiner naarmate het front verder naar binnen trekt. Het resultaat is dat het uitdrogingsfront na enige tijd gaat schommelen, waarbij de effectieve vooruitgang van het carbonatatiefront zeer langzaam plaatsvindt. In de betreffende zone is bijna voortdurend de combinatie van lage ph-waarde, zuurstof en water aanwezig. Wanneer de wapening zich in deze zone bevindt, moet voor ernstige corrosie worden gevreesd. [4] [16] 2.5 Chloridegeïnitieerde corrosie Vrije chloride-ionen zijn in het beton in staat de ijzer-ionen uit de passiveringslaag vrij te maken. In een vervolgreactie ontstaat zoutzuur (HCl), waardoor de ph-waarde van het poriënwater wordt gereduceerd. Deze afname zorgt voor het versneld in oplossing gaan van ijzer-ionen waarbij nog een lagere ph-waarde ontstaat. Dit gaat gepaard met een zeer lokale aantasting van de wapening waarbij putjes ontstaan, de zogenaamde putcorrosie (Figuur 3-6). Figuur 3-6: Chloridegeïnitieerde corrosie [4] 20

35 Deel 1 Literatuurstudie Het effect van de vrije chloriden wordt door vergelijking 3-7 t.e.m. 3-9 voorgesteld: 2+ - Fe + 2Cl FeCl2 (3-7) Cl (3-8) - FeCl ( OH ) Fe( OH ) 2 FeCl hydrolyse (3-9) - H O Fe( OH ) 2HCl ( ) Chloriden in het beton kunnen afkomstig zijn van grondstoffen of vanuit de omgeving zijn ingedrongen. De belangrijkste bronnen zijn: - grondstoffen; - zeewater en wind; constructies nabij of aan de kust; constructies permanent onder water, in getijdezone boven water. - niet maritieme bronnen. constructies blootgesteld aan chloriden in de lucht; horizontale oppervlakken blootgesteld aan dooizouten. De snelheid en de mate waarin de chloride-ionen door de betondekking binnendringen en de wapening bereiken, is primair afhankelijk van: - het cementtype; - het cementgehalte; - de w/c-factor; - de nabehandeling. [2] [4] 3. Directe aantasting 3.1 Aantasting door vorst Tijdens een vorstperiode zal het water in het beton van buiten naar binnen bevriezen en wordt het nog niet bevroren water in de betonmatrix van de omgeving afgesloten. Bij het bevriezen zet het water ongeveer met 9% uit waardoor een deel van het nog niet bevroren water onder druk komt te staan. Deze drukken zijn zo hoog dat ze het beton inwendig kapot kunnen drukken. Ook al is het beton niet volledig verzadigd met water toch bestaat de kans op schade nog altijd. De schade begint op te treden als de kritische waterverzadigingsgraad is overschreden en dit is de verhouding tussen de werkelijke aanwezige hoeveelheid vrij water 21

36 Deel 1 Literatuurstudie in de poriën en de hoeveelheid vrij water dat maximaal in het beton aanwezig kan zijn. De verzadigingsgraad wordt als kritisch aanzien wanneer onvoldoende lucht aanwezig is voor de expansie van het bevriezende water. Normaal ligt deze waarde rond de 0,9. In Figuur 3-7 is het verband tussen verzadigingsgraad en de mate van vorstbestendigheid weergegeven. [3] [4] [18] Figuur 3-7: Mate van verzadigingsgraad versus vorstbestendigheid [11] Meestal treedt vorst voldoende traag op en heeft de lucht de mogelijkheid om uit te drogen, zodat het meeste water aan het oppervlak verdampt. Bovendien daalt het vriespunt van water als gevolg van de capillaire adhesiekrachten waarbij dus het water in de fijnste poriën bevriest bij een temperatuur ver onder nul. [4] Toch kan in deze nauwe capillairen het water bijdragen tot schade doordat het aanwezige water een grotere waterdampspanning heeft dan het ijs in de wijdere capillairen. In dit geval wordt het water verdampt, diffundeert het als waterdamp naar het ijs en wordt daar gecondenseerd. [3] Verhard beton wordt enkel beschadigd indien aan twee voorwaarden wordt voldaan: - brede met water verzadigde capillairen; - plots intredende vorst. [4] Een te kleine vorstsnelheid is echter ook nadelig omdat dan grote ijslenzen gevormd worden die een te grote druk leveren. [11] Om een vorstwerend beton te vervaardigen is een goede nabehandeling vereist. Voor een goede bescherming tegen vorst dient de hoeveelheid vrij water zo gering mogelijk te zijn. Dit kan worden gerealiseerd door een lage w/c-factor te gebruiken die zorgt voor beton met fijne poriën. 22

37 Deel 1 Literatuurstudie Het gebruik van een waterdichte bekleding zal tevens een grote invloed hebben op het vorstwerende gedrag van beton. [3] [11] 3.2 Aantasting door vorst in combinatie met dooizouten Het gebruik van dooizouten in combinatie met vorst-dooicycli leidt tot een intensievere vorstbelasting. [18] De invloed van de dooizouten op de aantasting van beton wordt voorgesteld in Figuur 3-8. Bij het smelten van het ijs door het zout wordt warmte onttrokken aan de oppervlaktelaag, die hierdoor plots afkoelt. Dit heeft als gevolg dat een versterking optreedt van de invloed van de vorst op het vrije water in de capillairen en tevens veroorzaakt het temperatuurverschil tussen het oppervlak en het inwendige van het beton schuif- en trekspanningen met mogelijke scheurvorming tot gevolg. [6] [18] Nadat het ijs gesmolten is, verspreidt de oplossing zich in de oppervlaktelaag. Aan het betonoppervlak zal de concentratie groter zijn dan in het inwendige van het beton. De dooizouten werken vriespuntverlagend en deze vriespuntverlaging neemt toe met de concentratie aan dooizouten waardoor aan het betonoppervlak de vriespuntdaling het hoogst zal zijn. [3] [4] Figuur 3-8: Concentratiegradiënt van het chloridengehalte leidt tot verschillende vriespuntdalingen van het poriënwater [3] Het concentratiegradiënt in het beton heeft tot gevolg dat het inwendige van het beton en de oppervlaktelaag eerder kunnen bevriezen dan de tussenliggende laag. Bij het nog verder afkoelen van het beton, bevriest ook de tussenliggende laag zoals op Figuur 3-8 is te zien. De reeds bevroren toplaag wordt dan afgedrukt, omdat het onder druk staande water niet naar het inwendige van het beton kan worden afgevoerd. Het afschilferen van het beton kan, naargelang het type van granulaat, verschillend zijn. Enerzijds kan scaling optreden waarbij het granulaat een begrenzing vormt voor het scheurvlak of anderzijds pop-out waarbij de poreuze granulaten breken door overdrukken. 23

38 Deel 1 Literatuurstudie Alleen beton van hoogwaardige kwaliteit of anders gezegd, zeer lage porositeit, kan weerstaan aan de invloed van de dooizouten evenals beton waaraan een luchtbelvormer werd toegevoegd. Doordat vorst-dooischade meestal leidt tot oppervlakkige afschilfering dient aandacht worden geschonken aan de kwaliteit van de toplaag. Deze is meestal van mindere kwaliteit dan het inwendige beton door ontmenging. [3] [6] 3.3 Aantasting door nat-droogwisselingen De schade door zouten kan veroorzaakt worden door het optreden van een hydratatiedruk die ontstaat nadat zouten water hebben opgenomen in hun moleculaire structuur. Deze opname gebeurt bij een welbepaalde temperatuur die afhankelijk is van het zout. Ligt de omzettingstemperatuur in de buurt van de omgevingstemperatuur dan ontstaat een gevaarlijke dynamische belasting. [11] 3.4 Aantasting door indringen van sulfaten Het permeabel gedrag van beton maakt het mogelijk dat sulfaten in het beton kunnen binnendringen. Bij aanwezigheid van water kunnen schadelijke reacties tot stand komen die enkel mogelijk zijn als de sulfaten reageren met de aluminaten in het cement. Als geen aluminaten in het beton aanwezig zijn, kan het reactieproduct (ettringiet) ook niet worden gevormd. Indien ettringiet wel kan worden gevormd, treedt, zoals in Figuur 3-9 is voorgesteld, expansie op en kan scheurvorming optreden. Voor de reactie is eveneens water nodig en bij onvoldoende aanwezigheid ervan treedt expansie door ettringietvorming, ook wel sulfaatexpansie genoemd, niet op. [3] Figuur 3-9: Aantasting door sulfaten [4] 24

39 Deel 1 Literatuurstudie Om aantasting te beperken moet het beton zo compact mogelijk zijn en een dichte oppervlaktestructuur hebben. Dit is mogelijk door de w/c-factor tot 0,55 te beperken en een cementgehalte van 300 kg/m³ te voorzien. [4] 3.5 Aantasting door indringen van zuren Beton is niet bestand tegen zuren omdat veel zuren sterker zijn dan het kiezelzuur, wat impliceert dat deze zuren in staat zijn de cementgel, die voor een groot deel is opgebouwd uit calciumsilicaathydraat, om te zetten in het calciumzout van het sterkere zuur en kiezelzuur. Het gevolg van deze reactie is dat de cementgel wordt omgezet in verbindingen die minder samenhang vertonen. De snelheid waarmee de aantasting plaats heeft, evenals de snelheid waarmee de zure oplossing wordt aangevoerd en de reactieproducten worden afgevoerd, is in sterke mate afhankelijk van de concentratie van het zuur. De dichtheid van het beton zal een effect hebben op de snelheid waarmee het oppervlak wordt afgebroken omdat een soort van passiveringslaag wordt gevormd. Zoals op Figuur 3-10 is weergegeven, kan het slecht oplosbare kiezelzuur passiverend werken doordat het de op te lossen gel onbereikbaar maakt voor het zuur. Bij aanwezigheid van stromend water en water onder druk kan een snellere aantasting optreden. Om aantasting te beperken moet het beton zo compact mogelijk zijn en een dichte oppervlaktestructuur hebben. [3] [4] Figuur 3-10: Aantasting door zuren [4] 3.6 Alkali-silicareactie Het gaat om reacties tussen de granulaten en de alkaliën (Na 2 O en K 2 O) die in het beton aanwezig zijn of die door uitwendige agentia worden aangebracht. Deze reacties zijn traag en worden gekenmerkt door een zwelling van het beton, die na een tijdsverloop van één of meerdere jaren het optreden van scheuren veroorzaakt in alle richtingen onder de vorm van 25

40 Deel 1 Literatuurstudie een macro-netscheurvorming. Soms verschijnt een alkalische gel in de scheuren die aan deze laatsten een bruinachtige tint verleent aan de oppervlakte van het beton. [4] [6] Figuur 3-11: Aantasting door A.S.R. [4] Zoals in Figuur 3-11 is weergegeven, is het nodig dat drie basisbestanddelen gelijktijdig optreden opdat alkali-granulaatreacties zich zouden kunnen vormen. Het volstaat dat één van hen ontbreekt om dit schademechanisme te verhinderen. De mobiliteit van de alkali-ionen in het beton kan het optreden ook in de hand werken. Een lage permeabiliteit of anders uitgedrukt een hoge diffusieweerstand voor alkali-ionen zal A.S.R. beperken of zelfs voorkomen. [4] [6] 26

41 Deel 1 Literatuurstudie HOOFDSTUK 4: BESCHERMINGSSYSTEMEN 1. Inleiding De verwering van het beton als gevolg van de schademechanismen leidt tot een verhoogde porositeit, structurele degradatie van de oppervlaktelagen en een onaantrekkelijk uiterlijke verschijning. Deze verhoogde porositeit zorgt dat schadelijke stoffen minder weerstand ondervinden om in de betonmatrix te penetreren en daarom is het zeker gewenst om het beton te beschermen. [19] Voor het ogenblik zijn tal van traditionele beschermingsproducten op de markt beschikbaar die enerzijds gebruikt kunnen worden voor het herstel van verweerde structuren of anderzijds als preventieve maatregel om het binnendringen van agressieve stoffen te reduceren of in het beste geval te stoppen. [20] Sinds het einde van de vorige eeuw zijn ook producten op de markt die gebaseerd zijn op natuurlijke beschermingsmaterialen. Deze laatste werden ontwikkeld omdat de traditionele behandelingen naast een reeks gunstige resultaten ook een aantal nadelige gevolgen hadden. [21] 2. Traditionele behandelingen 2.1 Inleiding Traditionele beschermingsproducten worden naargelang hun samenstelling en werking onderverdeeld in enerzijds waterwerende impregnatiemiddelen en anderzijds poriëndichtende en filmvormende producten. Terwijl de eerste klasse producten de diffusie van gas en waterdamp toelaat, zal de aanwezigheid van een poriëndichtend of een filmvormend product de gasdiffusie reduceren. [12] Figuur 4-1: Waterwerende impregnatieproduct versus poriëndichtend/ filmvormend product [12] 27

42 Deel 1 Literatuurstudie 2.2 Impregneermiddelen: hydrofobering Inleiding Hydrofobeermiddelen, ook wel waterwerende middelen of vochtwerende middelen genoemd, zijn laag viskeuze kleurloze producten die bij de behandeling van poreuze materialen in de poriën dringen en zich op de wanden ervan vestigen. Deze hydrofobe systemen zorgen dus dat water en met chloriden gecontamineerd water moeilijk in de betonmatrix dringen. Hierdoor bieden deze producten een bescherming tegen vorst. Doordat deze producten de poriën niet blokkeren, worden de waterdampkarakteristieken bijna niet gewijzigd. Daarnaast hebben deze producten een hoge bestendigheid tegen oxidatie, een bestandheid tegen chemische agentia en UV-straling, een zeer kleine volumeverandering bij temperatuursschommelingen en een niet klevend opdrogen.[20] Onrechtstreeks beschermen ze het oppervlak tegen te snelle vervuiling en vergemakkelijken ze het latere onderhoud [21]. Algemeen kan dus worden gezegd dat deze middelen de capaciteit hebben om de globale duurzaamheid van het poreuze materiaal te verbeteren Werkingsprincipe Hydrofobeermiddelen bevatten enerzijds een actief bestanddeel en anderzijds een katalysator om het actieve bestanddeel te laten polymeriseren in de poriën van het materiaal. Daarnaast bevatten ze ook een drager (water of solvent) waarin de actieve bestanddelen zijn opgelost en die enkel als functie heeft de bestanddelen tot in de poriën van het materiaal te brengen. Het waterafstotend gedrag heeft als gevolg dat capillaire zuiging van het water niet kan optreden. Dit is mogelijk door de oppervlaktespanning van de steenachtige materialen te reduceren en is het gevolg van de afzetting van een heel dun laagje dat hydrofobe eigenschappen vertoont en de vrije poriën amper wijzigt. De hoge oppervlaktespanning van steenachtige materialen (±80 mn/m) bevordert de aantrekking van water omdat water een lagere oppervlaktespanning heeft (±73 mn/m). De aanwezigheid van hydrofobeermiddelen in de capillairen zorgt ervoor dat de oppervlaktespanning verlaagd wordt tot waarden tussen 14 tot 24 mn/m. De onderlinge aantrekking van waterdeeltjes zal dus groter zijn dan de aantrekking van waterdeeltjes door de ondergrond. [12] 28

43 Deel 1 Literatuurstudie De waterafstotende eigenschap kan maar tot uiting komen wanneer de producten in staat zijn binnen te dringen in de betonmatrix en waarbij ze tevens moeten weerstaan aan de hoge alkaliteit van beton. [19] Types De meeste hydrofobeermiddelen zijn op basis van organische siliciumverbindingen zoals siliconaten en siliconen (silanen, siloxanen en siliconenharsen): - Siliconaten: Anno 2006 worden siliconaten niet veel meer gebruikt voor de behandeling van aan regen onderworpen gevels doordat het product kan uitspoelen bij contact met regen. Tevens wordt vaak een witachtige waas gevormd. [12] - Silanen of monomere siliconen: Silanen zijn organische monomeer Si-samenstellingen die zeer kleine afmetingen (10-3 µm) hebben waardoor ze in de poriën van het beton kunnen dringen. Deze producten zijn opgelost in koolwaterstof waarbij het silaangehalte meestal tussen de 40% en 100% bedraagt. De silanen hydroliseren en polymeriseren na het aanbrengen tot een silicoonpolymeer. Silanen zijn reactief in aanwezigheid van vocht en een katalysator waarbij deze laatste door het alkalische milieu van het beton wordt gevormd. Een belangrijk nadeel is dat de omstandigheden bij aanbrengen goed moeten zijn. Dit komt enerzijds neer op de aanwezigheid van specifieke katalysatoren die aangepast zijn aan de ondergrond en anderzijds kan 60% tot 80% van de actieve stof verloren gaan tijdens de reactie omdat het product zo vluchtig is. Deze behandeling heeft het voordeel dat ze kan worden toegepast op zeer vochtige ondergrond. [20] - Siloxanen of oligomere siliconen: Om de voordelen van de silanen te behouden en de nadelen ervan te elimineren werden zwak gepolymeriseerde moleculen ontwikkeld. Deze reageren met de ondergrond en vormen een siliconenhars. Door de aanwezigheid van zwak gepolymeriseerde moleculen treedt minder verlies op 29

44 Deel 1 Literatuurstudie van actieve stof (20 tot 30 %) maar blijven de moleculaire afmetingen klein genoeg om in de capillairen van het beton te dringen. Anno 2006 wordt veel gebruik gemaakt van dit type. [11] Uit onderzoek door Humpage et al. bleek dat de indringingsdiepte van silanen en siloxanen geen significant verschil vertoont. Enkel indien het beton volledig droog is, dringen de silanen dieper in de poriën. De polymerisatie is minder delicaat waardoor de invloed van de aard van de ondergrond geringer is. [20] - Siliconenharsen of polymere siliconen. Deze producten hebben een groter moleculair gewicht dan silanen of siloxanen en kunnen dus moeilijk in het beton penetreren. Een indringing van meer dan 0,1 mm treedt niet op. Deze producten worden in volledig gepolymeriseerde vorm aangebracht waardoor geen reactie (polymerisatie) optreedt na verwerken. Na verdamping van het oplosmiddel wordt de waterwerende werking verkregen door de afzetting van moleculen met hydrofobe organische groepen. Siliconenharsen worden nog nauwelijks gebruikt omdat deze onvoldoende kunnen binnendringen in poreuze materialen met fijne poriën. [20] 2.3 Impregneermiddelen: poriëndichter Inleiding Bij deze behandeling worden de poriën al dan niet volledig gedicht. Het dichten zorgt er enerzijds voor dat water moeilijk in de poriën kan dringen en anderzijds voor het terug op peil brengen van de cohesie van het eventueel aangetaste oppervlak. Deze producten zijn viskeuzer dan hydrofobeermiddelen. In functie van het al dan niet met kalk reageren van het impregneermiddel worden twee subgroepen gevormd. Enerzijds de middelen die na indringing in het beton het kalk omzetten tot slecht oplosbare zouten met als voordeel de toenemende resistentie tegen zout- en zuuraantasting. Anderzijds de producten die niet met kalk reageren maar die na indringing in het beton een vaste vorm aannemen en zo de poriën opvullen. [22] 30

45 Deel 1 Literatuurstudie Middelen die met kalk reageren Eén van de types die tot deze categorie behoort, is waterglas en is opgebouwd uit anorganische siliciumsamenstellingen (natriumsilicaatoplossing in water). Verdunde oplosbare silicaten, zoals natriumsilicaten, impregneren het oppervlaktebeton en reageren met het calcium in de betonmatrix tot calciumsilicaten. [23] De impregnering van waterglas is door de hoge viscositeit van water moeilijk. [22] Middelen die niet met kalk reageren Tot deze categorie behoren de kiezelzuuresters of silicaten waarbij meestal gebruik wordt gemaakt van ethylkiezelzuuresters. Door de reactie met vocht ontstaat een kiezelzuurgel (SiO 2 ) waardoor een driedimensioneel netwerk in de capillairen wordt gevormd. De gebruikte silicaten hebben in de meeste gevallen eveneens een waterafstotend gedrag. Het nadeel van het gebruik van silicaten is dat de behandeling een aantal maal moet worden herhaald. De voordelen van dit systeem zijn enerzijds dat de silicaten tijdens hun reactie aanwezig vocht in het beton reduceren en anderzijds kunnen ze éénvoudig worden geïmpregneerd door de lage viscositeit. [20] [22] 2.4 Coatings Inleiding Coatings zijn van nature viskeuzer dan de eerder beschreven beschermingsproducten. De bescherming wordt verkregen door het vormen van een relatief dikke film op het oppervlak (tot 1mm). Het bindmiddel bepaalt in grote mate de eigenschappen van het systeem. De coating moet een zekere flexibiliteit hebben om zo eventuele scheuren in het beton toch te blijven bedekken. Indien de coating zou scheuren, gaat het effect van de behandeling verloren doordat de carbonatatieweerstand wordt gereduceerd. [20] Binding door polymerisatie - Epoxyharsen: Deze producten bestaan in de vorm van een emulsie in oplossing of een oplosmiddelvrije emulsie en reageren snel waardoor ze bovendien zichzelf 31

46 Deel 1 Literatuurstudie kunnen blokkeren. Over het algemeen hechten ze goed aan het beton, vertonen ze weinig krimp, zijn ze bestand tegen lichte chemische aantastingen en vergelen ze bijna niet. Hun positief effect zit voornamelijk in de goede anticarbonatatie eigenschappen. Het grootste nadeel van deze systemen is dat ze een beperkt ademend vermogen hebben en niet zo flexibel zijn als polyurethaan waardoor gevaar voor scheuren kan optreden. [20] - Polyurethaanharsen (PUR): Deze producten vertonen een goede hechting op een droge ondergrond, zijn nagenoeg krimpvrij en zijn bestand tegen lichte chemische aantasting. Tevens zijn ze flexibel en gedragen ze zich als een anti-carbonatatie coating met uitstekende UV-weerstand. De belangrijkste nadelen zijn dat ze niet bestand zijn tegen een hoog alkalisch milieu en hun beperkt ademend gedrag waardoor ze gevoelig kunnen zijn voor vorst- en dooischade. Eventuele vergeling van het oppervlak kan ook optreden. [20] - Teer-epoxy en teer PUR-harsen: Deze behandeling vertoont een betere alkalibestandheid in vergelijking met PUR en een hogere flexibiliteit ten opzichte van epoxyharsen. Eén van de nadelen is de minder goede UV- en oxidatiebestandheid van het product. [20] - Polymethylmethacrylaat: Deze behandeling vertoont een goede hechting met de ondergrond en de hoge mechanische sterkte. Het nadeel is echter dat een vrij grote krimp kan optreden. [20] Binding door droging - Acrylaten: Acrylharsen zijn licht van kleur en hierdoor is het mogelijk om niet gepigmenteerde systemen te produceren. Deze lichte acrylaten kunnen echter het substraat verdonkeren en door hun kleine dikte geven ze aanleiding tot een minder goede carbonatatieweerstand als conventioneel gepigmenteerde systemen. 32

47 Deel 1 Literatuurstudie Het grootste nadeel van dit systeem is het gebrek aan flexibiliteit van de film. Als het beton begint te scheuren, is de bescherming niet in staat om deze scheuren te overbruggen. Hierdoor bestaat het gevaar dat corrosieve elementen aan atmosferische omstandigheden worden blootgesteld. Dit nadeel kan echter worden weggewerkt door toevoeging van een externe plastificeerder. Flexibele acrylaten die intern geplastificeerd zijn, hebben alle eigenschappen van conventionele acrylaten, nl. de goede carbonatatieweerstand, de mogelijkheid om te ademen, de UV-stabiliteit en de scheuroverbrugging. [20] - Chloorrubber: Deze behandeling levert een goede vocht-, alkali- en carbonatatieweerstand en bovendien een zekere graad van flexibiliteit. Het nadeel van dit type is de slechte UV-bestendigheid en de mogelijkheid tot vergelen van het product. [20] 2.5 Combinatiesystemen Deze systemen combineren een impregneermiddel als primer en een coating als toplaag. Combinatiesystemen leveren een uitstekende chlorideweerstand met voortreffelijke anticarbonatatie eigenschappen. Eén van de beste combinaties bestaat uit een silaan/siloxaanmengsel met acrylaat gemengde primer die afgewerkt is met een gepigmenteerde acrylaat topcoating. Bij deze behandeling dringt de laag viskeuze en weinig vluchtige primer met een gehalte aan silaan/siloxaan in de betonmatrix en geeft het systeem een weerstand tegen met chloriden gecontamineerd water. De toplaag is een gepigmenteerde acrylaatfilm die zorgt dat zich een film vormt op het betonoppervlak en zo een uitstekende carbonatatieweerstand levert. De waterdampdiffusie wordt slechts in beperkte mate beïnvloed. [20] Humpage et al. hebben onderzoek gedaan naar het effect van een combinatiesysteem op de chloride- en carbonatatieweerstand. Als beschermingsproduct gebruikten deze onderzoekers een coatingsysteem op basis van siloxanen en een flexibele acrylaat topcoating. Humpage et al. constateerden dat een coating van 1 mm dikte dezelfde chlorideweerstand geeft als 1 m beton. Voor de carbonatatieweerstand stelden deze onderzoekers vast dat de coating hetzelfde gedrag vertoonde als 300 mm beton. Daarnaast hebben ze de behandelde elementen 33

48 Deel 1 Literatuurstudie onderworpen aan een reeks van vorst- en dooicycli. Na 50 cycli was het onbehandeld beton volledig aangetast terwijl het behandeld element nog geen schade vertoonde. [20] Voor een volledig overzicht van de optredende reacties van de traditionele beschermingsmaterialen wordt verwezen naar de thesis van Cox K.: Karakterisatie van traditionele en biominerale beschermingsmethodes. [19] 3. Biodepositiebehandelingen 3.1 Inleiding Tal van microbiële species van verschillende omgevingen werden reeds geassocieerd met de precipitatie van CaCO 3 met als gevolg veel controverse rond de eigenlijke rol die microorganismen uitoefenen op dit proces. Uiteindelijk herleidt de basischemie van deze precipitatie zich tot vier sleutelelementen: - de concentratie aan Ca 2+ -ionen; - de concentratie opgeloste anorganische koolstof; - de zuurtegraad of ph-waarde; - de ontwikkeling van kristalnucleatiekernen. Terwijl de fysische en chemische karakteristieken van hun celwand hen tot de ideale nucleatiekernen maakt, zullen tal van metabolische processen de eerste factoren beïnvloeden. [24] 3.2 Principe In het kader van dit eindwerk wordt gebruik gemaakt van ureolytisch aangedreven carbonaat precipitatie. De gebruikte bacteriën behoren tot de Bacillus sphaericus stammen en dit zijn heterotrofe organismen die in staat zijn om ureum te hydroliseren door de aanwezigheid van het enzym urease. De bacteriën krijgen hierdoor de nodige energie om te overleven. Het ureum [CO(NH 2 ) 2 ] wordt afgebroken tot CO 2 en NH 3 en deze komen vrij in het milieu waarin de bacteriën zich bevinden. Het CO 2 reageert met de OH - -ionen en dit resulteert in de vorming van carbonaat- en bicarbonaationen. Het NH 3 reageert op zijn beurt met water en hierdoor wordt ammonium gevormd dat een alkalisch micro-milieu rond de cel kan creëren. Dit is voorgesteld in vergelijkingen 4-1 t.e.m [21] 34

49 Deel 1 Literatuurstudie ( NH ) H O NH H NCOOH CO (4-1) 2 H + + (4-2) 2 NCOOH H 2O NH 3 H 2CO H 2O 2 NH 4 NH 3 + 2OH (4-3) 2 2 OH + H 2CO3 CO3 + 2H 2O (4-4) Wanneer reactievergelijkingen 4-1 t.e.m. 4-4 worden gecombineerd, wordt vergelijking 4-5 bekomen. [21] ( ) + 2 NH + H O NH + CO (4-5) CO3 Bij gebruik van een ureum-cacl 2 medium kunnen biochemische reacties volgens vergelijkingen 4-6 t.e.m. 4-8 optreden waarbij CaCO 3 neerslaat aan het celoppervlak: Ca + Cel Cel Ca (4-6) Cl + HCO3 + NH 3 NH 4Cl + CO (4-7) Cel Ca + CO Cel CaCO (4-8) Het carbonaat-ion wordt geproduceerd in water door evenwichtsvergelijkingen 4-9 en 4-10: HCO3 CO + H (4-9) 2 HCO3 + OH CO3 + H 2O (4-10) De bijkomende hoeveelheid CO 2, geproduceerd door de hydrolyse van ureum en door de respiratie van de micro-organismen, slaat niet enkel neer als onderdeel van het CaCO 3 maar functioneert eveneens als een buffer die de ph toename door NH 4 + -productie dempt. [25] Het nadeel van een ureum-cacl 2 medium is de aanwezigheid van chloride-ionen omdat deze tot corrosie van de wapening kunnen leiden. Om deze reden is gezocht naar een alternatieve calciumbron. Het verbruik van organische zuren leidt tot een toename van zowel ph-waarde als van opgeloste anorganische koolstof. Bij aanwezigheid van Ca 2+ -ionen kan dit tot 35

50 Deel 1 Literatuurstudie precipitatie leiden. Een voorbeeld van een organisch zuur is acetaat en het reactieschema is in vergelijkingen 4-11 t.e.m voorgesteld: [24] CH 3COO + 2 O2 CO2 + H 2O + OH (4-11) 2 + OH CO CO HCO (4-12) 2+ 2 HCO3 + Ca CaCO3 + CO2 + H 2O (4-13) Micro-organismen kunnen als kristalnucleatiekernen fungeren. die in staat zijn de nodige energie voor nucleusvorming te verlagen. De celwand van de bacteriën is negatief geladen waardoor deze bijgevolg positieve ionen (Ca 2+ ) kan aantrekken. [26] Naast de karakteristiek van het celoppervlak wordt de kristalnucleatie ook beïnvloed door de micro-omgeving van de cel. De bacteriën zijn omgeven door een dun waterig laagje (als gevolg van een laag Reynolds getal) dat fysisch een micro-omgeving creëert en waarbij het waterlaagje een interface vormt tussen de bacteriële cel en het omgevende milieu. De concentratie aan protonen (ph), opgeloste anorganische koolstof en Ca 2+ -ionen kan verschillend zijn in de cel en in het milieu. Samen met de negatieve celwand is er een uniek precipitatie-milieu op microschaal. [27] Van de vier sleutelfactoren die bij de precipitatie van belang zijn, is de rol van het bacteriële calcium-metabolisme, calcium-interactie met, en regulatie in de bacteriën, het minst erkend. Calcium-regulatie in bacteriële cellen omvat in- en uitstromingen afhankelijk van actieve en passieve transportmechanismen en waarbij de aanwezigheid van een elektrochemisch gradiënt is vereist. Doordat normale intracellulaire calciumconcentraties gewoonlijk 1000 keer lager zijn dan de extracellulaire concentraties, zorgt passief transport voor een calcium influx en wordt H + uitgesloten. Deze toestand is schadelijk voor de cel en indien de cel wil overleven moet actief transport optreden van intracellulair calcium via calciumpompen. Dit alles zorgt ervoor dat in een typische carbonaatprecipitatie-omgeving buiten de cel lage proton- en hoge calciumconcentraties worden vastgesteld waardoor een ideale micro-omgeving voor precipitatie wordt gecreëerd. [27] Het overleven van de cel is sterk afhankelijk van het actieve calciummetabolisme. De benodigde energie hiervoor is afkomstig van het metabolisme waarbij CO 2 het natuurlijk nevenproduct is. Carbonaatprecipitatie zal dan de extracellulaire omgeving wijzigen (afname van oplosbaar Ca 2+ en toename zuurtegraad) zodat het gunstiger wordt voor een snelle bacteriële groei. [27] 36

51 Deel 1 Literatuurstudie 3.3 Toepassingen De technologie van biodepositie wordt reeds toegepast voor het verdichten van zandkolommen en graniet a.d.h.v. Bacillus pasteurii, voor bescherming en regeneratie van kalksteen in monumenten a.d.h.v. Bacillus pasteurii en in biologische mortels. Op basis van dit principe ontwikkelden onderzoekers een eenvoudige procedure voor het herstel van kalksteen waarbij een effen kalkhoudende biocalcin laag van enkele micrometers bekomen wordt die voornamelijk samengesteld is uit bacteriën (Bacillus cereus) bedekt met carbonaatprecipitatie. [26] Het ontstaan van scheuren en barsten in beton is een onontkoombaar gegeven tijdens het rijpingsproces van betonstructuren die blootgesteld worden aan wisselende weersomstandigheden. Indien niet tijdig ingegrepen wordt, kunnen deze barsten uitbreiden en uiteindelijk dure reparatiekosten met zich meebrengen. Er bestaan reeds technieken en producten voor de remediëring en de preventie van beton: epoxyharsen, toevoeging van staalvezels, Hoewel het met deze producten mogelijk is de effecten van het scheuren te verminderen, wordt nog steeds onderzoek gedaan naar mogelijke alternatieven. [28] Niettegenstaande het verdichten van scheuren in graniet effectief was, bleek dit minder het geval in beton. Dit was voornamelijk te wijten aan de extreem hoge ph-waarde van het beton (12,5) die de groei van bacteriën (Bacillus pasteurii) inhibiteerde. Dit probleem kan verholpen worden door de bacteriën te immobiliseren in een polyurethaan (PU) matrix. [28] 4. Effect van de oppervlaktebehandelingen op de duurzaamheid van beton In onderstaande wordt een overzicht gegeven van onderzoeksresultaten die betrekking hebben op het effect van oppervlaktebehandelingen op de duurzaamheid van beton. Wanneer gesproken wordt over een verdunde silaanoplossing (40% silaan) wordt bedoeld dat 40% actieve stof aanwezig is. 4.1 Resultaten met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen Waterdampdiffusie Onderzoek van Basheer et al. gaf aan dat beton behandeld op basis van siliconen (silaan of siloxaan) geen afname in waterdampdiffusie opleverde [29]. Thompson et al. daarentegen 37

52 Deel 1 Literatuurstudie merkten op dat hydrofoberende behandelingen op basis van siliconen resulteerden in een afname van de waterdampdiffusie tussen de 50% en de 100% ten opzichte van het onbehandeld proefstuk [30]. Bij het gebruik van filmvormende oppervlaktebehandelingen merkten Thompson et al. op dat de diffusie met meer dan 50% en in sommige gevallen met 100% daalde [30]. Testen uitgevoerd door Pfeifer et al. toonden aan dat epoxyharsen, die in meerdere lagen werden aangebracht, de permeabiliteit sterk reduceerden [31]. Enlgefired et al. rapporteerden dat materialen op basis van acryl aanleiding gaven tot een grotere afname van de waterdamppermeabiliteit dan silanen en siloxanen [32]. Kagi et al. stelden vast dat natriumsilicaten in combinatie met gedistilleerd water geen impact hadden op de waterdamppermeabiliteit. Ook natriumsilicaten/gedistilleerd water in combinatie met ammoniumzouten leverde geen merkbare daling op. [23] Volgens de resultaten van Basheer et al werd de diffusie niet veel gereduceerd bij de combinatie van siloxanen met een overcoat van acrylaat. [29] Capillaire wateropname Basheer et al. stelden vast dat een behandeling op basis van onverdunde silanen een grotere afname in waterabsorptie vertoonde dan een behandeling op basis van verdunde silanen. Silanen vertoonden een kleinere wateropname dan een silaan/siloxaan-behandeling maar dit laatste werd niet vastgesteld bij het onderzoek van Cox K. [19] [33]. Daarnaast bleek uit het onderzoek van Cox K. dat siloxanen en vooral siliconen een kleinere afname in waterabsorptie hadden dan silanen [19]. Het positieve gedrag van een silaanbehandeling werd eveneens bevestigd door Nolan et al. die een afname in waterabsorptie van 90% opmerkten [34]. Uit onderzoek van Basheer et al. bleek dat het gebruik van twee lagen coating een kleinere waterabsorptie gaf dan een behandeling met één enkele laag [33]. Almusallam et al. deden onderzoek met verschillende types van coatings: epoxyharsen, polyurethaanharsen, acrylaten en chloorrubber. Deze onderzoekers constateerden dat epoxy en PUR een zeer grote afname in waterabsorptie opleverden, acrylaten en chloorrubber leverden een iets mindere afname op [35]. De grote afname van de polyurethaancoating en het mindere effect van een acrylcoating werd bevestigd door Cox K [19]. Aansluitend constateerden Nolan et al. dat het effect van een oppervlaktebehandeling een grotere afname in waterabsorptie opleverde bij beton van slechte kwaliteit dan bij een beton van goede kwaliteit [34]. 38

53 Deel 1 Literatuurstudie Basheer et al. merkten op dat het gebruik van een onderlaag van silanen en een toplaag op basis van acrylcoating een grote afname opleverde [36]. De resultaten van Cox K. toonden aan dat combinatiesystemen aangebracht op elementen met een w/c-factor van 0,5 in het algemeen de waterabsorptie in grote mate kunnen verminderen [19]. Kagi et al. maakten in hun onderzoek gebruik van natriumsilicaten. Daarin behandelden deze onderzoekers hun monsters enerzijds met natriumsilicaten en gedistilleerd water (1/1) of anderzijds met natriumsilicaten en gedistilleerd water in combinatie met ammoniumzouten. Het oppervlak dat enkel met natriumsilicaten was behandeld, leverde geen afname van de waterabsorptiecoëfficiënt op. Het combinatiesysteem had echter een zeer grote impact door de vorming van organische silicaten. [23] Bij preliminair onderzoek op basis van de biodepositiebehandeling (Bacillus sphaericus in aanwezigheid van CaCl 2 of Ca(CH 3 COO) 2 ) werd een gelijkaardig resultaat vastgesteld als bij een behandeling op basis van hydrofobeermiddelen. [19] Gaspermeabiliteit Basheer et al. constateerden dat minder poreuze elementen een lagere gaspermeabiliteit vertoonden en dat de behandelingen op meer poreuze elementen een grotere afname in gaspermeabiliteit opleverden. Daarnaast merkten deze onderzoekers op dat een silaanbehandeling geen effect had op de gaspermeabiliteit. De combinatie van silanen en siloxanen in de behandeling leverde bij een w/c-factor van 0,55 geen afname in gaspermeabiliteit op. Bij de w/c-factor van 0,7 constateerden deze onderzoekers een afname van 50%. [37] Uit onderzoek door Cox K. bleek dat silaan/siloxaan-mengsels op elementen met een w/c-factor van 0,5 aanleiding gaven tot een afname van de gaspermeabiliteitscoëfficiënt van ongeveer 30% [19]. Basheer et al. stelden vast dat producten die acrylaten bevatten, een afname van de gaspermeabiliteit van ongeveer 50% hadden bij een w/c-factor van 0,55 en een afname van 76% bij een w/c-factor van 0,7 [37]. Het effect van watergedragen acrylaatdispersies op elementen met een w/c-factor van 0,5 werd door Cox K. bevestigd. Combinatiesystemen en polyurethaancoatings leverden een afname van 60% op. [19] 39

54 Deel 1 Literatuurstudie 4.2 Resultaten met betrekking tot de beschermende werking Carbonatatie Bij het onderzoek door Roy et al. werd vastgesteld dat minder poreuze elementen een lagere carbonatatiecoëfficiënt vertoonden. [17] Taywood Engineering en Robinson et al. stelden vast dat respectievelijk silanen en siloxanen geen enkele afname in carbonatatiediepte gaven [38] [39]. Basheer et al. rapporteerden uit hun onderzoek dat silanen en silaan/siloxaan geen effect hadden op de carbonatatiediepte maar dat siloxanen met een grote alkyl-groep de CO 2 -diffusie in beperkte mate reduceerden [29]. Basheer et al. rapporteerden dat coatings op basis van organische polymeren, epoxyharsen en acrylcoatings de carbonatatie in grote mate konden verminderen. Twee lagen coating resulteerden in een kleinere indringing ten opzichte van elementen die met één enkele laag werden behandeld [29]. Garcia et al. hadden ook verschillende coatings onderzocht en rangschikten deze in volgorde van afnemende bescherming: epoxyharsen, methylmethacrylaatharsen en acrylaatharsen [40]. McCurrich et al. merkten op dat een coating op basis van een silaanprimer en een acrylcoating als deklaag geen enkele indringing liet optekenen. [41] Penetratie van chloriden Robinson et al. stelden vast dat silanen een afname in chloridendiffusiecoëfficiënt opleverden van 70% en Rollings et al. constateerden dat een silaan/siloxaan-behandeling een afname van 80% opleverde. [39] [42] Basheer et al. constateerden dat een behandeling met silanen als primer en een acrylmateriaal als toplaag zeer goede resultaten opleverde. [29] Vorst-dooicycli Basheer et al. 1 merkten op dat de vorstbestendigheid afnam bij meer poreuze elementen en dat behandelingen een toename van de vorst-dooiweerstand opleverden. Het was vooral bij de elementen met hoge w/c-factor dat snel aantasting was op te merken. Bij een w/c-factor van 1 Deze onderzoekers maakten gebruik van de ASTM standard test met een vorstcyclus van 5 uur. 40

55 Deel 1 Literatuurstudie 0,55 vertoonden de referentie-elementen na 42 cycli al meer dan vijf uiterlijk zichtbare aantastingen. Bij de silaanbehandeling was dit pas na 63 cycli op te merken en bij de silaan/siloxaan-behandeling pas na 105 cycli. Bij de w/c-factor van 0,65 was de impact van beide behandelingen gelijkaardig. Na 42 cycli was aan het onbehandelde element al op een vijftal plaatsen een uitwendige aantasting te zien. Bij de behandelde elementen was dat pas na 84 cycli. [43] Vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten Basheer et al. 1 stelden vast dat de weerstand tegen vorst en dooi in combinatie met dooizouten afnam met toenemende w/c-factor. De behandelde elementen met een w/c-factor van 0,55 vertoonden na 1/3 van de cycli een toename in weerstand t.o.v. het referentie-element van respectievelijk 99% voor de behandeling met silanen en 97% voor deze met silaan/siloxaan. Na het volledig doorlopen van de cycli bedroeg de toename in weerstand bij de silaanbehandeling 77% en bij de silaan/siloxaan-behandeling 55%. Bij de elementen met w/cfactor van 0,65 merkten deze onderzoekers op dat na 1/3 van het totale aantal cycli er bij de silaanbehandeling een weerstandstoename van 95% optrad terwijl dit bij de silaan/siloxaanbehandeling 91% was. Nadat alle cycli werden doorlopen, kwamen Basheer et al. tot de opmerkelijke vaststelling dat de weerstand afnam met meer dan 100%. [43] 1 Deze onderzoekers maakten gebruik van de RILEM test. 41

56 Deel 1 Literatuurstudie HOOFDSTUK 5: DOELSTELLING Anno 2006 zijn tal van traditionele beschermingsproducten op de markt aanwezig. Om de invloed van deze behandelingen op de duurzaamheid van beton te onderzoeken, werden reeds tal van proeven uitgevoerd. Naast een reeks van positieve effecten zijn echter al een aantal negatieve effecten naar voor gekomen. Momenteel wordt nog verder onderzoek verricht naar de invloed van deze traditionele beschermingsproducten op de duurzaamheid van beton. Ondertussen wordt echter ook gezocht naar alternatieve beschermingsproducten zoals de biodepositiebehandeling. Het doel van dit onderzoek was dan ook het effect van de bacteriële carbonaat precipitatie op de duurzaamheid van beton te onderzoeken. In het eerste deel van dit eindwerk werd onderzoek verricht omtrent de invloed van de porositeit van de mortelmatrix op het transport van vloeistoffen en gassen. Om de duurzaamheid van de mortelmatrix te verhogen, kan een wijziging van de porositeit positieve effecten hebben. Uit preliminair onderzoek naar de invloed van de biodepositiebehandeling op de porositeit van de mortelmatrix, bleek dat bacteriën in staat zijn om de porositeit van de oppervlaktelaag te reduceren. Dit positieve resultaat werd bekomen met een behandeling die calciumchloride als calciumbron bevatte. Het gebruik van CaCl 2 kan echter door de aanwezigheid van chloride-ionen een nadelige invloed hebben op de betonwapening en daarom werd het gebruik van calciumacetaat als alternatieve calciumbron onderzocht. Om het effect van de biodepositiebehandeling op schademechanismen te kennen, zijn in het tweede deel van dit onderzoek proeven uitgevoerd om de carbonatatie en de vorstweerstand van de behandelde elementen te onderzoeken. In een derde deel werd aan de hand van de resultaten uit beide onderzoeken een verband gezocht tussen de wijziging in porositeit en het beschermende effect van de behandelingen. Tot slot werd een studie uitgevoerd om de invloed op de duurzaamheid van traditionele behandelingen en biodepositiebehandelingen te vergelijken. 42

57 Deel 2: Materialen en methodes

58 Deel 2 Materialen en methodes HOOFDSTUK 1: MATERIALEN 1. Proefstukken In het kader van dit eindwerk werd geopteerd om mortelproefstukken met drie verschillende w/c-factoren te gebruiken, namelijk 0,5; 0,6 en 0,7. Deze factor heeft een grote invloed op de porositeit en dus ook op de duurzaamheid van de mortelmatrix [44]. Elementen met een w/cfactor van 0,5 sluiten nauw aan bij samenstellingen die anno 2006 bij nieuwe realisaties worden gebruikt. Elementen met een w/c-factor van 0,7 werden gebruikt om een mortel te simuleren die verweerd is omdat verweerde elementen een grotere porositeit van de matrix vertonen [45]. Door een w/c-factor van 0,6 te gebruiken, was het mogelijk om te kijken of het resultaat bij deze w/c-factor zich situeerde tussen de trends die vastgesteld werden bij de elementen met een w/c-factor van 0,5 en 0,7. De verhoudingen van de basisbestanddelen van de mortelelementen zijn in Tabel 1-1 voorgesteld. De gemiddelde druksterkte per w/c-factor na 28 dagen is bepaald conform aan de norm NBN B (1990). De druksterktes met bijhorende standaardafwijkingen zijn in Tabel 1-1 vermeld. Tabel 1-1: Overzicht samenstelling en druksterkte mortelelementen w/c-factor Bestanddelen [kg/m³ ] Druksterkte na 28 dagen Water Cement Zand [N/mm²] 0, ,3±3,96 0, ,5±3,40 0, ,6±3,91 De gebruikte cementsoort is conform aan de norm NBN B (1993) en is een portlandcement (CEM I 52,5 N) die is samengesteld uit enerzijds 95 % % klinker en anderzijds 0 % - 5 % bijkomende bestanddelen die door de fabrikant zijn gekozen. De aanmaak van de mortel gebeurde in een tegenstroommenger van 50 l door eerst het zand en het cement gedurende 1 minuut te mengen. Daarna werd water toegevoegd en het geheel werd gedurende 3 minuten gemengd. De mortel werd in de bekistingen aangebracht en deze werden op de triltafel geplaatst voor een periode van 2 minuten. Vervolgens werden de 43

59 Deel 2 Materialen en methodes elementen in een geklimatiseerde ruimte (RV = 90±10 % en T = 20±2 C) geplaatst voor 24±1 uur. Na ontkisten van de elementen werden deze onder water bewaard voor een periode van 27 dagen. Vóór het aanbrengen van de beschermingsproducten werden de elementen nog 2 weken bewaard in een geklimatiseerde ruimte (RV = 60±10 % en T = 20±2 C). 2. Beschermingsbehandelingen Om het effect van bacteriële behandelingen op de duurzaamheid van mortel te kunnen beoordelen, werd een vergelijkende studie uitgevoerd waarbij naast de biodepositiebehandelingen ook traditionele beschermingsproducten werden gebruikt. Om statistisch aanvaardbare resultaten te hebben, was het nodig om per w/c-factor en per behandeling drie proefstukken te testen. 2.1 Traditionele behandelingen De proefstukken werden behandeld conform aan de technische fiche van het desbetreffende product. De voorbereiding van de proefstukken was voor alle behandelingsmaterialen analoog. De ondergrond werd zuiver, stofvrij en voldoende droog gemaakt met behulp van een zachte borstel en het beschermingsproduct werd aangebracht met een verfborstel. In deze fase was het belangrijk om de laagopbouw en de droogtijd te respecteren. In bijlage 1 is een overzicht te vinden van de behandelingsdetails en in Tabel 1-2 wordt een overzicht gegeven van de gebruikte behandelingsproducten. 44

60 Deel 2 Materialen en methodes Tabel 1-2: Overzicht traditionele behandelingsproducten Behandelingsproduct Type Samenstelling 1 Rodoproof Mur Coating Watergedragen, ééncomponentig waterdichtingsproduct op basis van acrylaatdispersies 2 Masterseal F1131 Coating Watergedragen coating op basis van acrylaatdispersies 3 Rewah Silagel Impregneermiddel: Watergedragen, gelachtig preparaat op basis van hydrofobering silanen 4 Sikagard-703 W Impregneermiddel: Hydrofobeermiddel op basis van siloxaan/ hydrofobering alkylalkoxysilaan mengsel 5 Conservado Impregneermiddel: Transparante impregnering op basis van siliconen hydrofobering 6 Natriumsilicaat/ Impregneermiddel: Gedistilleerd water poriëndichter (1/3) Impregnering op basis van een natriumsilicaatoplossing in water 2.2 Biodepositiebehandelingen De cultuurcollectie van het Laboratorium voor Microbiële Ecologie en Technologie (LabMet) van de Universiteit Gent beschikt over een aantal Bacillus sphaericus stammen. Deze stammen werden geïsoleerd uit bodemstalen (tuin en stortplaats in de omgeving van Gent) en uit slib afkomstig van een ureolytische calcificatie reactor. Op basis van hun morfologie werden 6 unieke stammen onderscheiden. De gezuiverde isolaten werden opgenomen in het BCCM in Gent, met volgnummer LMG tot en met LMG Aan de hand van een aantal parameters (snelheid van ureumafbraak, EPS productie, ) werd stam LMG geselecteerd voor de behandeling van de proefstukken. [19] De manier waarop de biodepositiebehandeling werd aangebracht was niet voor elk experiment gelijk omdat de afmetingen van de mortelelementen en de proefvoorwaarden niet identiek waren. In onderstaande is een overzicht gegeven van de gevolgde stappen per proef: 45

61 Deel 2 Materialen en methodes 1) Waterdampdiffusie, Capillaire wateropname, Gaspermeabiliteit en Carbonatatie; Deze elementen werden in eerste instantie gedurende 1 dag met het bekistingsvlak ondergedompeld in een cultuur van Bacillus sphaericus. Na inoculatie van de blokjes met bacteriën werden ze gedurende een 3-tal dagen in een nutriëntenoplossing geplaatst die, naargelang de behandeling, van samenstelling was gewijzigd. Voordat de elementen in de nutriëntenoplossing werden geplaatst, werden de oppervlakken volledig afgedroogd met papier zodat de ureolytische activiteit afkomstig was van bacteriën aanwezig in het inwendige van de blokjes. 2) Kwik intrusie porosimetrie, Penetratie van chloriden, Vorstdooicycli; Deze elementen werden eveneens in de eerste fase volledig ondergedompeld in een cultuur van Bacillus sphaericus gedurende 1 dag. In de tweede fase werden ze volledig ondergedompeld in de voedingsoplossing voor een 3-tal dagen. 3) Vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten. Op het ogenblik dat de elementen werden behandeld, waren deze reeds in de PVC-buis ingekleefd. Tijdens de eerste dag werd de cultuur van Bacillus sphaericus boven de elementen aangebracht. Daarna werd boven het bekistingsvlak een voedingsoplossing voorzien gedurende een 3-tal dagen. In Tabel 1-3 wordt een overzicht gegeven van de samenstelling van biodepositiebehandeling. Tabel 1-3: Overzicht samenstelling biodepositiebehandeling Voedingsbodem [g/l] Medium CaCl 2.2H 2 O Ca(CH 3 COO)

62 Deel 2 Materialen en methodes De voedingsbodem voor de drie verschillende media had dezelfde basissamenstelling, nl. 10g/L ureum, 2,12 g/l natriumbicarbonaat en 10 g/l ammoniumchloride. In de voedingsbodem van de eerste bacteriële behandeling werd geen calciumbron voorzien, dit in tegenstelling met de twee overige behandelingen. Bij de tweede behandeling werd CaCl 2.2H 2 O als calciumbron gebruikt met als nadeel de aanwezigheid van Cl - -ionen die het wapeningsstaal kunnen aantasten. Daarom werd bij de derde behandeling gekozen om calciumacetaat als calciumbron te gebruiken omdat zowel het calcium als het acetaat, zoals in de literatuurstudie is aangehaald, mogelijks een positief effect hebben op de precipitatie van CaCO 3. 47

63 Deel 2 Materialen en methodes HOOFDSTUK 2: METHODES In onderstaand hoofdstuk wordt gesproken over volledig droge proefstukken. Het drogen gebeurde in de oven bij een specifieke temperatuur tot het massaverschil gedurende 24±1 uur minder dan 0,1 % bedroeg. Alle proeven werden uitgevoerd op (on-)behandelde elementen bij drie verschillende w/cfactoren met uitzondering van de kwik intrusie porosimetrie, de waterdampdiffusie en de carbonatatieproef. De w/c-factor van de geteste elementen en de gebruikte behandelingen bij deze drie laatste proeven zijn bij de bespreking van de methode aangehaald. 1. Proeven met betrekking tot de porositeit en de transportmechanismen 1.1 Kwik intrusie porosimetrie Inleiding In het kader van dit eindwerk werd de porositeit bepaald met behulp van kwik intrusie porosimetrie. Aan de hand van de wijziging van de effectieve porositeit werd het effect van de behandeling voorgesteld. [46] [47] Principe Een droog' element wordt in contact gebracht met kwik onder druk. De drukopbouw gebeurt in stappen en is gerelateerd aan een bepaalde poriëndiameter waarlangs het kwik verder in het element penetreert. Als de poriënstructuur continu is, bestaat een druk waarvoor de kleinste poriën en dus het volledige materiaal met kwik gevuld is. De druk en het ingedrongen kwikvolume bepalen de effectieve porositeit (ε eff ) van het monster. [46] [47] 48

64 Deel 2 Materialen en methodes Opstelling De metingen worden uitgevoerd met de Mercury Intrusion Porosimetry 30K (PMI Europe, Wetteren, België) waarbij de maximale druk 420 MPa bedraagt (Figuur 2-1). [48] Figuur 2-1: Opstelling kwik intrusie porosimetrie Proefstukken Voor deze proef werden mortelcilinders met een diameter van 8 mm en een hoogte van 20 mm uit een mortelplaat geboord en daarna werd de hoogte tot 15 mm gereduceerd. De proef werd uitgevoerd op elementen met een w/c-factor van 0,5 of 0,7 en werden onderworpen aan een biodepositie- en een natriumsilicaatbehandeling omdat het beschermende effect van deze producten gebaseerd is op een afname van de porositeit van de oppervlaktelaag Voorbereiding Na het drogen op 60±5 C werd het gewicht van de monsters bepaald met behulp van een elektronische weegschaal die een nauwkeurigheid van 0,01 gram had. De diameter en hoogte van de cilinder werden met een elektronische schuifmaat tot 0,01 mm nauwkeurig bepaald Testverloop Het proefmonster werd in een stalen cilinder gebracht die vacuüm werd gezogen zodat de ingesloten lucht de meting niet negatief kon beïnvloeden. Daarna werd het monster omgeven met kwik onder druk die geleidelijk werd opgedreven en zo in het monster kon dringen. Deze intrusieprocedure werd gevolgd door een extrusieperiode waarbij de bereikte druk geleidelijk 49

65 Deel 2 Materialen en methodes werd afgebouwd waardoor het kwik uit het proefstuk werd gezogen. [48] Het gedrag van het kwik tijdens beide procedures is in de Figuur 2-2 voorgesteld. a Figuur 2-2: Schematische voorstelling van intrusie (a) en extrusie (b) van het kwik [49] b Resultaat De relatie tussen de opgelegde druk (p) en de poriëndiameter (D) wordt beschreven door de Washburn-vergelijking. Formule 2-1 steunt op een geïdealiseerd model dat gebaseerd is op cilindervormige poriën (Figuur 2-3). 4. σ. cosθ D = (2-1) p met D = de poriëndiameter [µm] p = de opgelegde druk [MPa] σ = de oppervlaktespanning van het kwik [N/m] = N/m θ = de contacthoek tussen het kwik en het proefmonster [ ] = 140 Doordat de maximale druk die het toestel kan genereren 420 MPa bedraagt, is de minimaal meetbare poriëndiameter gelijk aan 0,0035 µm. Figuur 2-3: Kwik in contact met een poreus materiaal [49] 50

66 Deel 2 Materialen en methodes De resultaten werden berekend aan de hand van de intrusie- en extrusiekromme die het cumulatief ingedrongen volume kwik weergeven in functie van de poriëndiameter (Figuur 2-4). [49] Cumulatief volume [ml/g] extrusiekromme effectieve porositeit 0.04 totale porositeit 0.03 intrusiekromme inktpatroon porositeit 0 Poriëndiameter [µm] Figuur 2-4: Intrusie- en extrusiekromme Het verschil van de intrusie- en de extrusiekromme is een belangrijke parameter met het oog op transportverschijnselen en wordt de effectieve porositeit genoemd (Figuur 2-4). Deze houdt enkel rekening met het werkzame deel van de porositeit en laat het inktpatrooneffect buiten beschouwing. Dit laatste effect kan op volgende manier worden verklaard: Het kwik moet tijdens de intrusieperiode de smalste poriën passeren, wil het de eventueel grotere poriën erachter eveneens vullen. Aan de hand van Figuur 2-5 wordt onmiddellijk duidelijk dat de wijdere poriën enkel gevuld zullen worden bij een druk die gelijk is aan de druk om de smalste poriën te vullen. Dit leidt tot een overschatting van het volume van de kleinste poriën en een onderschatting van het volume van de grote poriën. Figuur 2-5: Inktpatrooneffect [49] 51

67 Deel 2 Materialen en methodes 1.2 Waterdampdiffusie Inleiding In het kader van dit eindwerk werd de waterdamppermeabiliteit van het behandelde mortelelement onderzocht aan de hand van de voorschriften van RILEM 25 PEM en van de Duitse norm DIN [50] [51] Deze methode levert een maat voor het effect van de behandeling op de waterdampdiffusie Principe De proef bestaat erin het behandelde proefstuk te onderwerpen aan een binair mengsel van lucht en waterdamp met een verschillende waterdampconcentratie. Als gevolg van de gradiënt zullen moleculen zich door het materiaal bewegen om een evenwicht te vormen. De afname van de massa van de opstelling in functie van de tijd maakt het mogelijk om de waterdampdiffusiecoëfficiënt (D) te berekenen. [10] [50] Proefopstelling De opstelling, zoals in Figuur 2-6 voorgesteld, bestaat uit een houder waarin een oplossing van ammoniumwaterstoffosfaat (NH 4 H 2 PO 4 ) wordt gebracht. Deze oplossing is een hygroscopisch zout dat zorgt dat de relatieve vochtigheid een constante waarde van 93 % bereikt. Aan de bovenzijde van de houder wordt een PVC-ring geklemd waarin het proefstuk is aangebracht. Het geheel wordt in een geklimatiseerde ruimte (RV = 60±10 % en T = 20±2 C) geplaatst. [10] Figuur 2-6: Opstelling waterdampdiffusie Proefstukken Voor deze proef werden mortelplaten met afmetingen 900 mm x 395 mm x 25 mm gemaakt waaruit cilinders met een diameter van 80 mm werden geboord. De proefstukken die een w/c-factor van 0,5; 0,6 of 0,7 hadden, werden ofwel met bacteriën ofwel met een coating op basis van acrylaatdispersies behandeld. Deze laatste behandeling werd echter niet aangebracht op elementen met een w/c-factor van 0,6. 52

68 Deel 2 Materialen en methodes Voorbereiding De geboorde elementen werden in een PVC-ring gekleefd d.m.v. epoxyhars. Om te voorkomen dat geen epoxy op het boven- en ondervlak van de elementen of op de PVC-ring terecht kwam, werden beide met plakband beschermd. Nadat de epoxy was verhard, werd deze plakband verwijderd. Eventuele oneffenheden op de PVC-ring zouden er kunnen voor zorgen dat de aansluiting met de houder niet perfect zou zijn met als gevolg dat niet enkel door het monster een waterdampstroming zou ontstaan. Daarna werden de elementen in een geklimatiseerde ruimte (RV = 90±10 % en T = 20±2 C) geplaatst en bleven daar aanwezig tot tussen twee opeenvolgende metingen, uitgevoerd met een tussentijd van 24±1 uur, een massaverschil kleiner dan 0,1 % werd opgemeten. Een verzadigde oplossing van NH 4 H 2 PO 4 (110 g NH 4 H 2 PO 4 en 277,2 ml water) werd in de houder gebracht. Deze oplossing zorgde dat tussen de onderzijde van het proefstuk en de oplossing een luchtspleet van 10 mm was. Een belangrijk aspect is de positie van de behandelde zijde t.o.v. de omgeving met de kleinste relatieve vochtigheid. Waterdamp die binnenin een gebouw wordt gevormd, moet naar buiten kunnen migreren. Daarom wordt de behandelde zijde van het proefstuk tijdens de proef langs de droge kant geplaatst (kant geklimatiseerde ruimte) om vervolgens de PVC-ring d.m.v. een PVC-plaat tegen de houder te klemmen (Figuur 2-6). [10] [50] Testverloop Op regelmatige tijdstippen werd de massa van het proefstuk en de houder bepaald om zo een nauwkeurig verloop van het massaverlies in functie van de tijd te bekomen Resultaat De waterdampstroming of flux wordt door Formule 2-2 beschreven: C J = D. (2-2) x met J = de flux [kg/(m².s)] D = de waterdampdiffusiecoëfficiënt [m²/s] C = de concentratie van waterdamp in het gas [kg/m³] x = de dikte van het proefstuk volgens de diffusie-as [m] 53

69 Deel 2 Materialen en methodes Voor J geldt Formule 2-3: I J = (2-3) A met I = het massaverlies per tijdseenheid van het proefstuk en het recipiënt [g/s] A = de oppervlakte van het proefstuk [m²] Per proefstuk werd, nadat het massaverlies per tijdseenheid constant was, aan de hand van Formule 2-4 de waterdampdiffusiecoëfficiënt berekend: R. T L D = J.. (2-4) M p p w 1 2 met D = de waterdampdiffusiecoëfficiënt [m²/s] R = de universele gasconstante [= 8,3145 J/(mol.K)] T = de temperatuur [K] M w = de molaire massa van het water [g/mol] = g/mol p 1, p 2 = de partieeldrukken van de waterdamp aan de zijde met hoge respectievelijk lage relatieve vochtigheid [N/m²] De partieeldrukken werden aan de hand van Formule 2-5 berekend: p = RV. (2-5) i p s met RV = relatieve vochtigheid [%] p s = de verzadigingsdampdruk bij een bepaalde temperatuur [Pa] = 2340 Pa bij 20 C [10] Voor elke behandeling werd aan de hand van de drie individuele waterdampdiffusiecoëfficiënten een gemiddelde waterdampdiffusiecoëfficiënt berekend. 54

70 Deel 2 Materialen en methodes 1.3 Capillaire wateropname Inleiding In het kader van dit eindwerk werd de capillaire wateropname in mortel onderzocht met behulp van de voorschriften van RILEM 25 PEM (II-6). Deze methode levert een maat voor de invloed van de behandeling op de capillaire wateropname. [52] Principe Een initieel droog oppervlak wordt in contact gebracht met een vrij wateroppervlak. De geabsorbeerde hoeveelheid water in een bepaalde periode wordt opgemeten en aan de hand daarvan kan het succes van de behandeling worden nagegaan. [50] [52] Proefopstelling De opstelling bestaat uit een gedeeltelijk met water gevuld reservoir waar zich op de bodem metalen strippen bevinden. Aanvullend wordt ook gebruik gemaakt van een weegschaal die tot op 0,01 g nauwkeurig kan wegen Proefstukken Voor deze proef werden mortelplaten met afmetingen 900 mm x 600 mm x 40 mm gemaakt waaruit kubussen met zijde van 40 mm werden gezaagd Voorbereiding Om randeffecten tijdens de capillaire waterabsorptie te vermijden, werden de 4 zijvlakken van de proefstukken, grenzend aan het beschermende oppervlak, zorgvuldig behandeld. Om dit te realiseren werd gebruik gemaakt van een silaan/siloxaan-primer gevolgd door 2 lagen Dekguard elastic coating. Na het aanbrengen van deze coating werden de mortelblokjes gedroogd op 45±3 C. [50] 55

71 Deel 2 Materialen en methodes Testverloop Eénmaal de constante massa bereikt, werden alle elementen gewogen en met de behandelde zijde op de metalen strips geplaatst. Het reservoir werd gevuld tot de mortelblokjes 2 mm waren ondergedompeld (Figuur 2-7) en om een constant niveau in het reservoir te behouden, werd evaporatie vermeden door het reservoir af te dekken. Na 15 min, 30 min, 1 h, 1 h 30, 3 h, 5 h, 8 h, 24 h, 48 h, 72 h, 96 h, 120 h, 144 h en 168 h werden de blokjes gewogen en terug in het water geplaatst. Het resultaat van deze proef is het verloop van de massa van het proefstuk in functie van de tijd. [50] [53] Figuur 2-7: Opstelling capillaire wateropname Na het uitvoeren van de capillariteitsmetingen werd tevens de maximale absorptie van de behandelde mortelblokjes bepaald door middel van vacuümverzadiging conform aan de norm NBN B (1976). In deze tank werd een druk van 4 kpa opgebouwd. Terwijl de druk constant bleef, werd water aan de tank toegevoegd met een debiet zodanig dat het waterpeil op een regelmatige wijze a rato 5±1 cm per uur steeg totdat de proefstukken volledig waren ondergedompeld. Daarna werd de atmosfeerdruk hersteld, bleven de blokjes nog 24±2 uur onder water en werden ze vervolgens gewogen. [19] [54] 56

72 Deel 2 Materialen en methodes Resultaat De opgemeten waarden werden op volgende manieren voorgesteld: 1) Waterabsorptiecoëfficiënt (A) De hoeveelheid water die door de proefstukken werd geabsorbeerd, kan worden afgeleid uit Formule 2-6: Q = A. t (2-6) met Q = de hoeveelheid geabsorbeerd water per oppervlakteeenheid [kg/m²] A = waterabsorptiecoëfficiënt [kg/(m². s)] t = tijd [s] De hoeveelheid geabsorbeerd water (M t ) na een periode t kan aan de hand van Formule 2-7 worden berekend: M t = M (2-7) M 0 met M t = de hoeveelheid geabsorbeerd water na een periode t [kg] M = de massa van het proefstuk na periode t [kg] M 0 = de massa van het initiële proefstuk [kg] De massa van het geabsorbeerde water per oppervlakte-eenheid (Q) werd in grafiek uitgezet in functie van de vierkantswortel van de tijd [ s]. Het eerste deel van de grafiek is een rechte door de oorsprong. De helling van deze rechte correspondeert met de waterabsorptiecoëfficiënt. Voor de drie elementen per behandeling werd een individuele absorptiecoëfficiënt bepaald aan de hand van lineaire regressie. Daarna werd het gemiddelde van de drie individuele waarden berekend en dit gemiddelde was dan de waterabsorptiecoëfficiënt per behandeling. [52] [53] [55] [56] 57

73 Deel 2 Materialen en methodes 2) Absolute capillariteitsindex (I Ca ) Deze index is, naast de relatieve capillariteitsindex, een door de UNI-commisie voorgestelde index om verschillende behandelingsproducten onderling te vergelijken [52] [55]. De absolute capillariteitsindex refereert naar de maximaal theoretische absorptie en wordt door Formule 2-8 gedefinieerd: I Ca t t f f ( Q). 0 = (2-8) Q. t tf f dt met I Ca = de absolute capillariteitsindex [-] t f t 0 f ( Q). dt = de hoeveelheid geabsorbeerd water tijdens de Q tf t 0 t f test per oppervlakte-eenheid [(mg/cm²). s] = de totale hoeveelheid geabsorbeerd water per oppervlakte-eenheid [mg/cm²] = de starttijd [ s] = de eindtijd [ s] De absolute capillariteitsindex drukt de waterabsorptiecapaciteit van een materiaal uit in functie van de tijd door het vergelijken van de waterabsorptie gedurende de test met de theoretisch grootst mogelijke absorptie van het materiaal. Deze laatste wordt gedefinieerd door het product van Q tf. t f (Figuur 2-8). Deze parameter neemt een waarde aan tussen 0 (geen absorptie) en 1 (maximale hoeveelheid geabsorbeerd water). 58

74 Deel 2 Materialen en methodes Hoeveelheid geabsorbeerd water [mg/cm²] Tijd [ s] Figuur 2-8: Waterabsorptie door capillariteit: Typische curve bekomen met een onbehandeld mortelblokje. De theoretische absorptie van een materiaal is het rechthoekig oppervlak gedefinieerd door Q tf en t f. In Figuur 2-9 wordt de oppervlakte onder de kromme, die weergegeven wordt door de integraal van de absorptiefunctie, berekend door deze te verdelen in één driehoek en trapezia waarvoor Formule 2-9 kan worden gebruikt. Hoeveelheid geabsorbeerd water [mg/cm²] Tijd [ s] Figuur 2-9: Capillaire waterabsorptie: driehoek en trapezia bekomen door experimentele data welke de totale oppervlakte onder de absorptiecurve benadert. t t f 0 f ( Q). t1. Q dt = ( Q + Q )(. t t ) i i 1 2 i i 1 (2-9) Voor de drie elementen per behandeling werd een individuele absolute capillariteitsindex berekend en het gemiddelde ervan werd de absolute capillariteitsindex genoemd. [52][55] 59

75 Deel 2 Materialen en methodes 3) Relatieve capillariteitsindex (I Cr ) De relatieve capillariteitsindex verwijst naar de absorptie van de onbehandelde proefstukken. Deze wordt gegeven door Formule 2-10: I Cr = t t t f f t 0 0 f f ( Q ). e ( Q ). R dt dt (2-10) met I Cr = de relatieve capillariteitsindex [-] t f t 0 t f t 0 ( ) f Q e. dt = de hoeveelheid geabsorbeerd water tijdens de ( ) test door het behandelde proefstuk per oppervlakte-eenheid [(mg/cm²). s] f Q R. dt = de hoeveelheid geabsorbeerd water tijdens de test door het referentie-proefstuk per oppervlakteeenheid [(mg/cm²). s] Deze index geeft een indicatie van de absorptiecapaciteit van een proefstuk t.o.v. het referentie-proefstuk. Afhankelijk van de waarde van I Cr levert de behandeling een toe- of afname van de waterabsorptie met het volgende als resultaat: 60

76 Deel 2 Materialen en methodes 1) I cr < 1: relatieve afname van de waterabsorptie (Figuur 2-10) Hoeveelheid geabsorbeerd water [mg/cm²] Figuur 2-10: Relatieve capillariteitsindex < 1 Tijd [ s] 2) I cr > 1: relatieve toename van de waterabsorptie (Figuur 2-11) Hoeveelheid geabsorbeerd water [mg/cm²] Figuur 2-11: Relatieve capillariteitsindex > 1 Tijd [ s] De integralen werden op dezelfde manier als onder punt 2) Absolute capillariteitsindex (I Ca ) berekend. Voor de drie elementen per behandeling werd een individuele relatieve capillariteitsindex berekend en het gemiddelde ervan werd de relatieve capillariteitsindex genoemd. [52] [55] 61

77 Deel 2 Materialen en methodes 4) Relatieve absorptiegraad (RAG) De relatieve absorptiegraad is de verhouding van de hoeveelheid geabsorbeerd water per oppervlakte-eenheid na afloop van de 168 uur durende absorptieproef tot de hoeveelheid geabsorbeerd water per oppervlakte-eenheid na vacuümverzadiging en wordt met Formule 2-11 berekend: RAG t f f ( Q ) e. t = 0 Q v dt (2-11) met RAG = de relatieve absorptiegraad [%] Q v = de hoeveelheid geabsorbeerd water door het proefstuk na vacuümverzadiging per oppervlakteeenheid [(mg/cm²). s] t f t O ( ) f Q e. dt = de hoeveelheid geabsorbeerd water tijdens de test door het behandelde proefstuk per oppervlakte-eenheid [(mg/cm²). s] Voor de drie elementen per behandeling werd een individuele relatieve absorptiegraad afgeleid. Aan de hand van deze waarden werd een gemiddelde berekend dat de relatieve absorptiegraad werd genoemd. [19] 1.4 Gaspermeabiliteit Inleiding In het kader van dit eindwerk werd de gaspermeabiliteit onderzocht met behulp van de RILEM-CEMBUREAU-methode. Deze methode levert een maat voor de weerstand van het behandelde proefstuk tegen de penetratie van gassen. [57] [58] [59] 62

78 Deel 2 Materialen en methodes Principe Het meten van de gaspermeabiliteit komt neer op het bepalen van de stroming van een gas doorheen een poreus materiaal als gevolg van een aangelegd drukverschil. De drukopbouw gebeurt in verschillende stappen en aan de hand van de druk wordt een gaspermeabiliteitscoëfficiënt K oxygen bepaald. [59] Proefopstelling Voor het bepalen van de gaspermeabiliteit werd gebruik gemaakt van het proefapparaat Martin Sommer, Germany. De opstelling bevat volgende onderdelen (Figuur 2-12): Figuur 2-12: Opstelling gaspermeabiliteit (Martin Sommer, Germany) 1) Een zuurstoffles met een drukregelende kraan 2) Een drukregulator (1 tot 6 bar) 3) Stromingsmeter van het zeepbeltype 4) Chronometer 5) Permeabiliteitscellen (Figuur 2-13): Een ring uit PVC die goed aansluit tegen het zijdelings oppervlak van het proefstuk. Een klem die de PVC-ring goed aandrukt tegen het proefstuk. Deze bevindt zich in de nauwe ruimte rond de ring. Bouten om het geheel af te sluiten. Drukpijpen en toebehoren om de druk over te brengen. 63

79 Deel 2 Materialen en methodes Figuur 2-13: Dwarsdoorsnede permeabiliteitscel [59] Proefstukken Voor deze proef werden mortelplaten met afmetingen 1200 mm x 700 mm x 50 mm gemaakt waaruit cilinders met diameter van 150 mm werden geboord Voorbereiding De permeabiliteitscoëfficiënt wordt beïnvloed door de vochtigheidsgraad van het proefstuk en een voorbereidende procedure was nodig om de proefstukken op éénzelfde graad van verzadiging te brengen. De monsters werden gedroogd op 60±5 C, daarna werden ze in aluminium gewikkeld en voor 24 uur in een geklimatiseerde ruimte (RV = 60±10 % en T = 20±2 C) gelegd Testverloop Na het opmeten van de diameter en de hoogte van de elementen, met een precisie van 0,1 mm, werden deze in de cel geplaatst met de behandelde zijde naar beneden. Vervolgens werd in de rubberen band een minimale laterale druk van ±7 bar opgebouwd en werden de permeabiliteitscellen verbonden met de overige delen van de opstelling. Na selectie van 3 drukfasen, in casu 2, 3 en 4 bar, werd een druk van 2 bar ingesteld. Na ongeveer 30 minuten stabiliseerde de stroomsnelheid zich en werd het debiet voor die drukfase gemeten. Hiervoor moest een gepast meetvolume geselecteerd worden door het kiezen van de geschikte meter. Een zeepbel werd gecreëerd en de tijdsmeting startte wanneer deze het onderste markeerpunt passeerde. Het debiet kon worden bepaald door het doorlopen volume te delen door het 64

80 Deel 2 Materialen en methodes gemeten tijdsinterval. De druk werd daarna verhoogd van 2 bar naar 3 bar en vervolgens naar 4 bar waarbij hetzelfde principe werd gevolgd als bij een aangelegde druk van 2 bar. [58] Resultaat De gaspermeabiliteitscoëfficiënt wordt berekend op basis van de formule van Hagen- Poisseuille voor laminaire stroming van een samendrukbare vloeistof onder stationair regime en dit doorheen een poreuze massa met kleine capillairen. Deze coëfficiënt kan door Formule 2-12 worden gedimensioneerd: K 2. Q. p = A.. L. µ ( p ) p a (2-12) met K = de gaspermeabiliteitscoëfficiënt [m²] Q = het debiet gemeten tijdens de test met de zeepbel-stromingsmeter [m³/s] p 0 L = de atmosfeerdruk [N/m²] = de hoogte van het proefstuk in de richting van de stroom [m] µ = de dynamische viscositeit van het fluïdum bij de testtemperatuur [N.s/m²] A = de dwarssectie van het proefstuk [m²] p = de aangebrachte absolute druk of de opwaartse druk [N/m²] p a = de atmosferische druk of neerwaartse druk [N/m²] Formule 2-12 kan worden herleid, met µ zuurstof = 2, N.s/m² bij 20 C, tot Formule 2-13: K oxygen 4,04. p = A.. Q. L ( p p ) (2-13) 65

81 Deel 2 Materialen en methodes met p 2 = de atmosferische druk [bar] Q = het gemeten debiet [ml/s] L = de dikte van het proefstuk in de richting van de stroom [m] A = de dwarssectie van het proefstuk [m²] p 1 = de aangebrachte druk [bar] Voor de drie elementen per behandeling werd één permeabiliteitscoëfficiënt berekend. In Tabel 2-1 is een overzicht gegeven van de constante factoren die in de berekening werden gebruikt. Tabel 2-1: Overzicht van de constante factoren voor de berekening van K oxygen Parameters Eenheid p a = p 2 1,013 bar Μ 2, N.s/m² p = p 1 2; 3 en 4 bar 2. Proeven met betrekking tot de beschermende werking 2.1 Carbonatatie Inleiding In het kader van dit eindwerk werd het effect van de behandeling op de carbonatieweerstand onderzocht door middel van een versnelde carbonatatieproef in de CO 2 -kast. [26] Principe De proef bestaat erin de elementen in een carbonatatiekast te plaatsen gedurende een aantal weken. Op geregelde tijdstippen (2, 4 en 6 weken) wordt een plaatje van het monster afgezaagd en besprenkeld met fenolftaleïne. Aan de hand van de verkleuring van het plaatje wordt de opgemeten carbonatatiediepte gebruikt om de carbonatatiecoëfficiënt te berekenen. 66

82 Deel 2 Materialen en methodes Het principe van de fenolftaleïnekleuring en de carbonatatiediepte is in Figuur 2-14 voorgesteld. Figuur 2-14: Verkleuring mortelplaatje na behandeling met fenolftaleïne Proefopstelling De elementen werden, zoals op Figuur 2-15 voorgesteld, in een kast geplaatst waarin de CO 2 -concentratie (10 %) beduidend hoger was dan het gehalte in normale omstandigheden. In de buitenlucht varieert deze van 0,03 % tot 0,10 % [16]. Deze lage concentratie is één van de hoofdoorzaken voor het trage verloop van carbonatatie. Door de verhoogde concentratie wordt een versnelde carbonatatie gesimuleerd. De relatieve vochtigheid bedraagt 70±10 % en de temperatuur 20±3 C. Figuur 2-15: Opstelling carbonatatie Proefstukken De gebruikte elementen hadden een zijde van 100 mm en werden in een kubusvormige bekisting gestort. De proef werd op de drie w/c-factoren uitgevoerd en alle beschermingsproducten werden onderzocht met uitzondering van volgende behandelingen: watergedragen acrylaatcoating (Masterseal F1131), siliconen (Conservado) en natriumsilicaten Voorbereiding Nadat de elementen werden gedroogd op 60±5 C, werden alle vlakken met uitzondering van het bekistingsvlak behandeld om de diffusie van CO 2 langs deze zijden te vermijden Deze behandeling bestond uit een laag silaan/siloxaan-primer en werd gevolgd door twee lagen Dekguard elastic coating. Daarna werden de elementen behandeld met het 67

83 Deel 2 Materialen en methodes beschermingsproduct en gedurende 168 uur in de geklimatiseerde kamer (RV = 60±10 % en T = 20±2 C) geplaatst Testverloop De elementen werden, twee weken na het opstarten, verwijderd uit de kast en aansluitend werd een plaatje met een dikte van 10 mm afgezaagd loodrecht op het behandelde oppervlak. Daarna werd het schijfje met fenolftaleïne behandeld. Tijdens carbonatatie worden de alkalische bestanddelen in de mortelmatrix omgevormd tot carbonaten met een ph-daling als gevolg. Het aanbrengen van fenolftaleïne maakt de zones zichtbaar waar de ph-waarde boven de ±8 is en zo wordt de carbonatatiediepte zichtbaar. Als laatste stap werd de indringingsdiepte op 7 verschillende plaatsen gemeten waarbij de eerste meting gebeurde in het midden van het plaatje en de zes overige gebeurden symmetrisch t.o.v. het midden met intervallen van 10 mm. De zijde waar het plaatje werd afgezaagd, werd opnieuw behandeld met een silaan/siloxaanprimer en 2 lagen Dekguard elastic coating. De elementen werden daarna voor een periode van 2 weken terug in de kast geplaatst om daarna terug hetzelfde principe toe te passen Resultaat Na het opmeten van de individuele indringingsdieptes per element werd de gemiddelde indringingsdiepte bepaald om de carbonatatiecoëfficiënt per element te bepalen. Aan de hand van de drie carbonatatiecoëfficiënten per behandeling werd een gemiddelde carbonatatiecoëfficiënt berekend aan de hand van Formule 2-14 gebruikt [17]: x = C. t (2-14) met x = de gemiddelde indringingsdiepte [mm] C = de carbonatatiecoëfficiënt [mm/ dag] t = de tijd [dag] 68

84 Deel 2 Materialen en methodes 2.2 Penetratie van chloriden Inleiding In het kader van dit eindwerk werd de indringing van chloriden in mortel onderzocht met behulp van de CTH Rapid Test. Deze methode levert een maat voor de weerstand van het behandelde proefstuk tegen de indringing van chloriden. [2] Principe Langs de behandelde zijde van het proefstuk wordt een chloride-oplossing voorzien waarna een elektrisch potentiaalverschil wordt aangelegd over het monster waardoor de chlorideionen in de mortelmatrix migreren. Na een bepaalde periode wordt het monster gespleten en besprenkeld met een zilvernitraat-oplossing. Aanwezige chloriden worden zichtbaar door de vorming van een witte zilverchloride-neerslag. Aan de hand van deze indringing wordt de chloridemigratiecoëfficiënt (D nssm ) berekend en kan een beoordeling worden gemaakt over het effect van de behandeling. [60] Proefopstelling Het uitvoeren van deze proef vereist het gebruik van twee opstellingen: 1) De vacuümklok (Figuur 2-16) is een glazen container die aangesloten is op een vacuümpomp die in staat is om een druk van ten minste 5 kpa in de container te onderhouden. Figuur 2-16: Vacuümklok 69

85 Deel 2 Materialen en methodes 2) De effectieve set-up voor de migratie (Figuur 2-17) omvat drie delen. Eerst en vooral is er de recipiënt en de ondersteuning voor het monster. Ten tweede wordt het monster in een rubberen omhulling geplaatst. Enerzijds langs de onderzijde en anderzijds langs de bovenzijde van het monster wordt een kathode respectievelijk een anode voorzien die beiden worden verbonden met de voedingsbron. Als laatste wordt er boven en onder het element een respectievelijk anolytische en katholitische oplossing voorzien. a: rubberen omhulling e: katholyt (NaCl) b: anolyt (NaOH) f: kathode c: anode g: ondersteuning monsters d: proefmonster h: recipiënt Figuur 2-17: Dwarsdoorsnede opstelling chloridemigratie [60] Proefstukken Voor deze proef werden mortelplaten met afmetingen 1200 mm x 700 mm x 50 mm gemaakt waaruit cilinders met diameter van 100 mm werden geboord Voorbereiding Na behandeling en het oppervlaktedroog zijn van de proefstukken, werden deze in de vacuümcontainer geplaatst voor een vacuümbehandeling. De absolute druk in de vacuümklok werd gereduceerd tot een druk tussen mbar (= 1-5 kpa) die gedurende drie uur werd behouden. Vervolgens werd de container met een Ca(OH) 2 -oplossing gevuld en na een uur werd de atmosfeerdruk terug hersteld. De monsters bleven daarna nog gedurende 18±2 uur in de oplossing liggen. 70

86 Deel 2 Materialen en methodes Testverloop In de recipiënt werd een katholytische oplossing voorzien die bestond uit 100 g NaCl op 900 ml leidingwater. Het katholytisch reservoir werd in het totaal gevuld met 12 liter NaCloplossing en daarna werden de elementen in de rubberen omhulling vastgeklemd en op de ondersteuning geplaatst. Boven de elementen werd een anolytische oplossing voorzien die bestond uit 12 g NaOH (0,3 N) opgelost in een liter gedistilleerd water. Deze oplossing werd gelijkmatig over de drie omhullingen verdeeld en daarna werd de anode in de anolytische oplossing gebracht. Nadat de kathode/anode met de negatieve/positieve pool van de voedingsbron werd verbonden, kon deze bron worden ingeschakeld en aan de hand van de initiële stroomsterkte werd een spanning over de elementen gecreëerd. Deze spanning bepaalde hoe lang de elementen onderworpen werden aan het potentiaalverschil. Na het respecteren van de tijdsspanne werden de elementen uit hun omhulling gehaald. Eenmaal de monsters oppervlaktedroog waren, werden deze in lengterichting gespleten en besprenkeld met een 0,1 M zilvernitraat-oplossing. Na 15 minuten was een witte zilverchloride-neerslag op de elementen zichtbaar en kon de indringingsdiepte enerzijds in het centrum en anderzijds symmetrisch ten opzichte van het centrum, met intervallen van 10 mm, worden gemeten Resultaat Aan de hand van de indringingsdiepte, de omgevingstemperatuur, de proeftijd en de aangelegde spanning kon de chloridemigratiecoëfficiënt per proefstuk worden berekend. Deze coëfficiënt wordt aan de hand van Formule 2-15 berekend: ( T ). ( U 2). T ( T ). 0,0239. L L. x d D =. 0,0238 nssm x d (2-15) U 2 met D nssm = non-steady-state migratiecoëfficiënt [m²/s] U = aangelegde spanning [V] T = gemiddelde van de initiële temperatuur en de eindtemperatuur van de anolytische oplossing [K] L = dikte van het monster [m] x d = gemiddelde waarde van de penetratiediepte [m] 71

87 Deel 2 Materialen en methodes Aan de hand van de drie individuele coëfficiënten per behandeling werd een gemiddelde chloridemigratiecoëfficiënt berekend.[60] 2.3 Vorst-dooicycli Inleiding In het kader van dit eindwerk werd aan de hand van norm NBN B (1987) een beoordeling gemaakt van de invloed van de oppervlaktebehandeling op de vorstbestandheid van mortelmatrix. Deze norm maakt gebruik van een vries-, een geluids- en splijttreksterkteproef. [61] [62] [63] [64] [65] Principe De proefstukken worden onderworpen aan 21 opeenvolgende vorst-dooicycli. De impact hiervan wordt beoordeeld door gebruik te maken van onderstaande methoden: 1) Niet-destructief onderzoek: Visuele inspectie van de elementen vóór, gedurende en na de 21 cycli. Meting van de geluidssnelheid vóór, gedurende en na de 21 cycli. Dit wordt gedaan aan de hand van norm NBN (1991). In deze norm wordt de voortplantingssnelheid van het geluid doorheen het beton opgemeten en aan de hand van de opgemeten tijd kunnen interne scheuren in het beton worden vastgesteld. [62] 2) Destructief onderzoek: Aan de hand van norm NBN B (1986) wordt de splijttreksterkte van de proefstukken bepaald. [65] Proefopstelling 1) Visuele inspectie De elementen werden in een geventileerde koelruimte geplaatst waar de temperatuur tussen de 0 C en -15 C werd geregeld (Figuur 2-18). Daarnaast 72

88 Deel 2 Materialen en methodes werd een wateraanvoer en -afvoer voorzien om de proefstukken te ontdooien (Figuur 2-19). [63] Figuur 2-18: Koelruimte vorstproef Figuur 2-19: Waterbak vorstproef 2) Geluidsmeting De apparatuur is hoofdzakelijk opgebouwd uit een generator van impulsen, twee transducenten en een chronometer. Deze laatste laat toe om de tijd te meten tussen de detectie van de geluidsimpuls door de zendende transducent en de detectie Figuur 2-20: Opstelling geluids- ervan meting door de ontvangende transducent (Figuur 2-20). [62] 3) Splijttreksterkte De massa van de kubussen werd bepaald door gebruik te maken van een weegschaal die toeliet om met een relatieve nauwkeurigheid, die kleiner was dan of gelijk was aan 0,2 % van de bepaalde massa, te wegen. Daarnaast werden ook de afmetingen (breedte, Figuur 2-21: Opstelling splijttrek- hoogte en dikte) met een schuifmaat tot sterkte op 1 mm bepaald. De beproevingsmachine (Figuur 2-21) is uitgerust met een belastingsinrichting die voldoende kracht en koers kan leveren om de proef in één keer uit te 73

89 Deel 2 Materialen en methodes voeren. Om ervoor te zorgen dat de belasting lineair aangreep op de vlakken van het proefstuk worden stalen tussenstukken gebruikt en tussen het proefstuk en de tussenstukken wordt een belastingsstrook voorzien. [65] Proefstukken De elementen, die werden gebruikt, zijn kubussen met een zijde van 100 mm die in een kubusvormige bekisting zijn gestort Voorbereiding Nadat alle zijden van de elementen werden behandeld, werden deze gedurende 168 uur op steunen in een bak geplaatst en onder water gedompeld om ze volledig te verzadigen. Dit kwam erop neer dat de elementen na een weging uitgevoerd met een tussentijd van 24 h een massaverschil aantoonden kleiner dan 0,1 % van de massa van het proefstuk bepaald bij de laatste weging. Het wegen zelf gebeurde door het proefstuk uit het water te nemen en te plaatsen op een niet opslorpend werkvlak. Het oppervlaktewater werd met behulp van een natte zeemlap verwijderd en na 60 seconden werd de massa met een nauwkeurigheid van 0,1 g bepaald. [51] Testverloop 1) Visuele inspectie De proefstukken werden in de koelruimte geplaatst en onderworpen aan 21 vorst-dooicycli van elk 24 h zoals voorgesteld in Figuur Figuur 2-22: Vorst-dooicyclus [63] 74

90 Deel 2 Materialen en methodes a) Afkoeling van de omgeving tot 0 C in 1 tot 2 h; b) Progressieve bevriezing van 0 tot -15 C in ongeveer 5 h; c) Handhaving van de temperatuur van de omgeving op -15±2 C gedurende 10 tot 11 h; d) Ontdooien door wateraanvoer; e) Handhaven van de proefstukken in het water tot het einde van de periode van 24 h. De proefstukken werden vóór, tijdens en na de vorstcycli visueel onderzocht. Er werd nagegaan of zich scheurvorming, afbrokkeling, afschilfering, barstvorming of andere veranderingen hebben voorgedaan.[63] 2) Geluidsmeting Deze proef werd verricht vóór, tijdens en na de 21 vorstcycli op de verzadigde en ontdooide proefstukken. De afstand (a) tussen het zendpunt en het ontvangstpunt werd op 1 mm nauwkeurig gemeten (Figuur 2-23). De zender werd op het zendpunt geplaatst en de ontvanger op het Figuur 2-23: Geluidsmeting ontvangstpunt. De zender genereerde daarna [62] een impuls in de mortel en met behulp van de tijdsmeter, werd de voortplantingstijd (t) van de impuls tussen het zendpunt en het ontvangstpunt gemeten. [62] 3) Splijttreksterkte De proefstukken en de stalen tussenstukken werden geplaatst zodanig dat het belastingsvlak zich loodrecht op het afstrijkvlak bevond. De belasting werd continu en zonder stoten opgebouwd zodanig dat een gelijkmatige spanningsverhoging werd veroorzaakt. De proef moest ten minste 30 seconden duren en na breuk werd de maximale belasting als breuklast genoteerd. [65] 75

91 Deel 2 Materialen en methodes Resultaat De weerstand van een element tegen vorst-dooicycli wordt op volgende manier weergegeven. 1) Visuele inspectie Het uitzicht van de verschillende monsters werd vergeleken met dit van de proefstukken vóór de eerste cyclus. [61] 2) Geluidsmeting De voortplantingssnelheid van de golven in het beschouwde monster wordt gegeven door de Formule 2-16: a v = (2-16) t met v = de voortplantingssnelheid [m/s] a = afstand tussen zendpunt en ontvangstpunt [m] t = doorlooptijd van de impuls [s] [62] De gegenereerde impuls die zich doorheen het verzadigde beton beweegt, verplaatst zich het snelst doorheen de mortel (v = 4300 m/s). In water en lucht bedraagt de geluidssnelheid respectievelijk 1403 m/s en 332m/s. Mortelelementen met toenemende w/c-factor hebben een grotere porositeit en dit impliceert dus dat in verhouding meer water en lucht in de mortelkubussen aanwezig is. De snelheid van de geluidsimpuls is dus omgekeerd evenredig met de porositeit van het element. Geregeld werd per element de geluidsnelheid opgemeten en dit tweemaal volgens de vlakken die loodrecht op het afstrijkvlak stonden. Aan de hand van deze twee snelheden werd een gemiddelde snelheid per element berekend. Bij iedere behandeling hoorden drie gemiddelde snelheden en deze werden gebruikt om een gemiddelde snelheid per behandeling mee te berekenen. 76

92 Deel 2 Materialen en methodes 3) Splijttreksterkte De splijttreksterkte (f cspl ) van de elementen wordt door Formule 2-17 met een nauwkeurigheid van 0,05 N/mm² uitgedrukt. f 2. F = cspl π. l. (2-17) d met f cspl = de splijttreksterkte [N/mm²] F = de maximale breukbelasting [N] l = de lengte van het proefstuk [mm] d = de hoogte van het proefstuk [mm] 2.4 Vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten Inleiding Een lage w/c-factor en een goede nabehandeling zijn in normale omstandigheden voldoende parameters om een duurzaam beton te bekomen. In een agressieve omgeving, zoals autosnelwegen, zijn deze parameters echter onvoldoende om de duurzaamheid van het beton te garanderen. Dit kan veroorzaakt worden door vorst-dooi in combinatie met dooizouten. Daarom werd in het kader van dit eindwerk een aanvullende proef uitgevoerd naast deze onder 2.3 Vorst-dooicycli beschreven. Deze proef werd aan de hand van norm NTN 018 (1999) uitgevoerd en levert een beoordeling van de weerstand van het behandelde proefstuk tegen vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten. [43] [66] Principe De proef bestaat erin het voorbereide proefstuk te onderwerpen aan 28 vorst-dooicycli waarbij het oppervlak van het proefstuk bedekt wordt met een oplossing van 3 % NaCl. Het afgeschilferd materiaal wordt verzameld, gedroogd en gewogen. 77

93 Deel 2 Materialen en methodes Proefopstelling De vorst-dooicycli werden in een klimaatkast gesimuleerd (Figuur 2-24). Deze bevat een systeem om de temperatuursafname en toename in de tijd te regelen. Om het temperatuursverloop van de zoutoplossing te meten, werd een thermokoppel op het controleproefstuk geplaatst. [66] Figuur 2-24: Klimaatkast dooizoutproef Proefstukken Voor deze proef werden mortelplaten met afmetingen 1200 mm x 700 mm x 50 mm gemaakt waaruit cilinders met diameter van 100 mm werden geboord. [66] Voorbereiding Nadat eventuele splinters en losgekomen materiaal van de proefstukken werden verwijderd, werden de monsters gedurende 168±5 uur in de geklimatiseerde ruimte (RV = 60±10 % en T = 20±2 C) geplaatst. De proefstukken werden in een PVC-buis geplaatst waarin de bodem uit epoxyhars bestond. Daarna werd de ruimte tussen de elementen en de buis eveneens opgevuld met het hars. Na verharding werden de PVC-buizen gezaagd zodat de bovenrand ervan zich 20±2 mm hoger bevond dan het morteloppervlak. Om de doeltreffendheid van de dichting te controleren, werd een hoeveelheid leidingwater op het proefoppervlak voorzien gedurende 72±2 uur. Voordat de elementen horizontaal in de kast werden geplaatst, werden deze, met uitzondering van het behandelde oppervlak, thermisch geïsoleerd. Daarna werd het water dat zich op het proefoppervlak bevond, vervangen door een laag van 5±2 mm van een 3 %-ige NaCloplossing. Een PVC-plaatje werd op het bovenvlak voorzien om verdamping te voorkomen. In Figuur 2-25 is een dwarsdoorsnede voorgesteld van het controleproefstuk dat eveneens werd onderworpen aan de vorst-dooicycli maar werd in vergelijking met de overige elementen voorzien van een thermokoppel.[66] 78

94 Deel 2 Materialen en methodes A: proefoppervlak E: bodem uit epoxyhars B: PVC-plaatje F: thermische isolatie C: vriesoplossing (3 % NaCl-opl.) G: thermokoppel D: proefstuk H: dichtingsmiddel Figuur 2-25: Dwarsdoorsnede controleproefstuk voor de dooizoutproef [66] Testverloop De proefstukken werden onderworpen aan herhaalde vorst-dooicycli. Tijdens de proef diende de tijd-temperatuurcyclus in de zoutoplossing van het controleproefstuk zich binnen de lijnen van Figuur 2-26 te bevinden. Temperatuur [ C] Tijd [uur] Figuur 2-26: Tijd-temperatuurcyclus [66] 79