RAPPORT COMMISSIE VOOR UITVOERING VAN RESEARCH INGESTELD DOOR DE RETONVERENIGING TOEVOEGINGEN AAN BETONSPECIE
TOEVOEGINGEN AAN BETONSPECIE 2c druk Onderzoek uitgevoerd door het Instituut TNO voor Bouwmaterialen en Bouwconstructies
TOELICHTING Op initiatief van de Betonvereniging is het Fonds voor Experimenteel Belon-Onderzoek (F.E.B.O.) ingesteld met het doel hiermede de kennis van het gewapend beton door middel van speurwerk te vermeerderen. De instelling van het F.E.B.O. is financieel mogelijk gemaakt door belangrijke bijdragen van de Stichting Cement Centrale voor Nederland (C.C.N.) - dit is de organisatie op de Nederlandse markt van binnenen buitenlandse ccmentindustrieén - en van de Bond van Aannemers in de Bouwnijverheid gespecialiseerd in utiliteits-, beton- en waterbouwkundige werken (B.A.B.) en N.V. Koninklijke Demka Staalfabrieken. De C.C.N. zal er naar streven, door haarfinanciële steun de continuïteit in het onderzoek te waarborgen. De uitvoering is door de Betonvereniging in handen gelegd van de Commissie voor Uitvoering van Research, die daartoe voor elk onderwerp een kleine werkcommissie samenstelt, belast met de directe leiding van het betreffende onderzoek. De onderwerpen zijn ingedeeld in vijf groepen: A. Onderzoekingen ten aanzien van de theoretische grondslagen (publikaties met oranje omslag). B. Onderzoekingen ten aanzien van de samenstellende materialen (blauw omslag). C. Onderzoekingen ten aanzien van de constructieve toepassingen (geel omslag). D. Onderzoekingen aan het bouwwerk zelf (groen omslag). E. Onderzoekingen naar de arbeidseconomie bij betonconstructies (grijs omslag). Een lijst van de onderwerpen, die bij het verschijnen van dit rapport in onderzoek zijn, is vermeld op de binnenzijde van het omslag, terwijl aan de achterzijde de reeds verschenen publikaties zijn opgesomd.
VOORWOORD Reeds sedert tal van jaren worden stoffen op de markt gebracht, die - in kleine hoeveelheden aan de betonspecie toegevoegd - de eigenschappen van het beton aanmerkelijk zouden verbeteren. De laatste 10 jaar is het aantal van deze..hulpstoffen" uitgegroeid tot een ware stroom, waardoor het voor de man van de praktijk steeds moeilijker wordt een juiste keuze te maken. Om hierin te-voorzien werd op 13 juni 1960 de Commissie B 9 opgericht - genaamd Commissie Onderzoek toevoegingen aan betonmortel - met als taak in deze chaos orde te scheppen. De samenstelling van deze Commissie was als volgt: Prof. Drs. E. M. THEISSING Ir. H. P. VAN TONGEREN Ir. P. C. KREYGER Ir. R. POELS. Aan de hand van een uitgebreide literatuurstudie is de Commissie er in geslaagd een duidelijk en overzichtelijk beeld te geven van de toevoegmiddelen en derzelvcr eigenschappen. Wij zijn de Commissie dankbaar voor de uitgebreide studie, die aan het schrijven van dit rapport vooraf moet zijn gegaan en hopen, dat het thans door de Commissie aangevangen onderzoekingsprogramma de mogelijkheid zal bieden binnenkort richtlijnen op te stellen voor de keuring van toevoegmiddelen aan betonspecie. ()k I OBER 1470. DE COMMISSIE VOOR UITVOERING VAN RESEARCH
INLEIDING Het gebruik van chemicaliën als toevoeging aan betonspecie teneinde de eigenschappen van de mortel te veranderen is zo oud als het gebruik van cement zelf. Reeds de Romeinen gebruikten bloed, varkensvet en melk als toevoegingen aan hun puzzolaanbeton. wellicht om de verwerkbaarheid van de specie te vergroten. Ofschoon de Romeinen dit waarschijnlijk niet wisten is bloed een luchtbelvormer en het heeft ongetwijfeld op grond hiervan de duurzaamheid van het Romeinse beton helpen verbeteren. Na de hernieuwde uitvinding van het cement en beton werden in eerste instantie de toevoegingen met achterdocht beschouwd, waarschijnlijk door ongelukkige ervaringen, opgedaan met toevoegingen die niet zorgvuldig op hun merites waren getoetst, waarbij onjuiste doseringen eveneens een rol speelden. Het keerpunt kwam toen ca. 20 jaren geleden afdoende werd aangetoond dat toevoegingen welke lucht in het beton brachten, tot verhoogde vorstbestendigheid van beton aanleiding gaven. In deze gevallen werd de lucht als wezenlijk bestanddeel van het beton aanvaard. Sindsdien is het gebruik van toevoegingen aan betonspecie voor allerlei doeleinden sterk gestegen, wat anderzijds de chemische industrie aanleiding gaf te onderkennen dat de bouwmaterialenmarkt een nieuw afzetgebied vormde dat met de tijd aan belangrijkheid wint. Deze wisselwerking komt ongetwijfeld ten goede aan de verdere ontwikkeling van toevoegingen aan betonspecie en beton. Men dient zich echter goed bewust te zijn dat een toevoeging slechts gebruikt dient te worden met een bepaald doel voor ogen. Dit impliceert dus een goede kennis van de betontechnologie daar eventuele neveneffecten van de toevoeging vooraf onderkend en overwogen moeten zijn. Bovendien eist het gebruiken van een toevoeging aan betonspecie dat de gehele wijze van beton fabriceren op betere wijze gebeurt dan volgens de nog veelal gebruikelijke ambachtelijke instelling. Vooral geldt dit de menging van de specie, het doseren van de toevoeging en de controle van de gerede specie. Ten aanzien van een overdoseren van de toevoeging bijv. dient men maatregelen te treffen; bij het gebruiken van een luchtbelvormer moet dus regelmatig het luchtgehalte of het volumegewicht van de specie worden gecontroleerd. Daar van elke soort toevoeging een groot aantal handelsmerken op de markt zijn dient men te beschikken over goede technische informatie. Deze kan in het algemeen gesproken slechts door de betreffende fabrikant of verkoper worden gegeven. Men dient dus de voorkeui te geven aan die producten welke worden ondersteund door een goede technische service. De voorschriften betreffende het gebruik van de
toevoeging dienen, in eerste instantie althans, nauwlettend te worden opgevolgd. Het is het doel van de Commissie in dit rapport de toevoegingen te behandelen t.a.v. gewenste effecten waarbij steeds op de mogelijke neveneffecten wordt gewezen en op de consequenties t.a.v. de wijze van fabriceren van het beton. Met nadruk wordt dus steeds zowel op de voordelen als de nadelen van een bepaalde soort toevoeging gewezen. De Commissie heeft de toevoegingen ingedeeld in dezelfde volgorde als waarin ze bij de betonvervaardiging worden gebruikt en naar de funktie die in elk van deze stadia van hen gewenst wordt. Zij beseft dat hierdoor sommige toevoegingen, die meerdere effecten teweeg kunnen brengen, op meerdere plaatsen behandeld moeten worden. Het blijkt voorts dat men in de betontechniek niet alleen te maken heeft met toevoegingen, die rechtstreeks in het mengsel in de molen worden gebracht. Er zijn ook toevoegingen die de betonkwaliteit beïnvloeden via het oppervlak van de betonconstructie of -elementen. De volgende groepen worden daarom onderscheiden. 1. Ontkistingsmiddelen Deze vallen in twee groepen uiteen n.1. 1. Middelen welke als doel hebben het verminderen van de hechting tussen betonspecie en bekisting en het verkrijgen van een zo zuiver mogelijke afdruk van het bekistingsmateriaal zonder luchtblazen en van egale kleur. Deze middelen kunnen er tevens op gericht zijn het bekistingsmateriaal grotere duurzaamheid te verlenen (bijv. middelen welke tevens de waterdichtheid van hout bevorderen). 2. Middelen die op de bekisting worden aangebracht met het doel de verharding van het contact-beton zodanig te vertragen dat na een bepaalde verhardingstijd door middel van eenvoudige oppervlaktebewcrkingen de toeslag kan worden blootgelegd (exposed aggregate). 2. Toevoegingen aan betonspecie Deze zijn functioneel in zes groepen in te delen: 1. Toevoegingen ter verandering van de bindtijd en/of eerste verharding van cement in betonspecie (versnellers, vertragers). 2. Toevoegingen ter verandering van de verwerkbaarheid van betonspecie (toevoegingen met dispergerende en met coagulerende werking waarbij in meer of mindere mate lucht kan worden ingevoerd). 3. Toevoegingen ter verhoging van het luchtgehalte van beton (toevoegingen ter verkrijging van gasbeton en van schuimbeton). 4. Toevoegingen ter vermindering van de waterdoor lat endheid van beton (actieve, inerte en waterafstotende toevoegingen).
5. Toevoegingen ter verhoging van de duurzaamheid van beton. 5.1. Toevoegingen ter verhoging van de weerstand tegen mechanische aantasting {weerstand tegen afslijten). 5.2. Toevoegingen ter verhoging van de weerstand tegen fysische aantasting. 5.2.1. Toevoegingen ter vermindering van temperatuurspanningen t.g.v. hydratatiewarmteontwikkeling (bijv. puzzolanen). 5.2.2. Toevoegingen ter verhoging van de vorstbestendigheid van betonspecie en/of beton (toevoeging van luchtbelvormers). 5.2.3. Toevoegingen tegen het bevriezen van water in betonspecie of mortel bijv. injectiemortel (middelen met vriespuntverlagende werking). 5.2.4. Toevoegingen ter beperking van de krimp van betonspecie en beton. 5.3. Toevoegingen ter verhoging van de weerstand tegen chemische aantasting (toevoegingen ter vermindering van sulfaataantasting, alkali-toeslag reaktie, corrosie van de wapening en aantasting van bacteriën en/of schimmels in beton). 6. Toevoegingen ter verandering van de kleur van beton. 3. Middelen die op het oppervlak van betonspecie of beton worden aangebracht Deze zijn onder te brengen in 1. Filmvormende stoffen (uitgezonderd de verven) ter vermindering van de uitdroging in het eerste stadium van de verharding (bijv. curing compounds). 2. Stoffen waarmee het oppervlak wordt geïmpregneerd (vloeibaar, gasvormig) ter verbetering van de waterdichtheid of de duurzaamheid van beton.
HOOFDSTUK 1 ONTKISTINGSMIDDELEN Voor de gebruiker is het doel waarvoor het middel toegepast wordt, het belangrijkst. Hiernaar ingedeeld, kan men dan de volgende groepen onderscheiden: A-l. Middelen welke als doel hebben het verminderen van de hechting tussen betonspecie en bekisting, het vei beteren van het betonoppervlak en het duurzamer maken van het bekistingsmateriaal. A-2. Middelen die op de bekisting worden aangebracht met het doel de verharding van het contact-beton zodanig te vertragen dat na een bepaalde verhardingstijd door middel van eenvoudige oppervlaktebewerkingen de toeslag kan worden blootgelegd (exposed aggregate). De taak van een ontkistingsmiddel genoemd onder A-1 is dus er mede voor te zorgen dat: 1. geen hechting optreedt tussen beton en bekistingsmateriaal. 2. geen luchtblazen of -bellen aanwezig zijn t.p.v. het betonoppervlak na ontkisten. 3. een egale kleur t.p.v. het ontkiste betonoppervlak aanwezig is. 4. het bekistingsmateriaal zo goed mogelijk blijft. Wat het eerstgenoemde punt betreft, de hechting wordt veroorzaakt door het vullen van micro- en macroporiën of micro- en macro-oneffenheden in het bekistingsmateriaal met cementsteen dat op deze plaatsen is gebracht door water met hierin gesuspendeerde cementdeeltjes (orde van grootte I tot 100 //). Des te vlakker en dichter het oppervlak van de bekisting dus is, des te minder hechting optreedt. Hechting kan practisch echter slechts worden voorkomen door het vormen van een waterafstotend laagje op de bekisting zodat het water en daarmede het cement niet in directe aanraking met de bekisting kan komen. Het aanwezig zijn van luchtblazen of -bellen t.p.v. het ontkiste betonoppervlak is het gevolg van het feit dat de lucht niet kon ontwijken hetzij in het (dus absorberende) bekistingsmateriaal. hetzij er langs. Naast het effect van mallen en bekistingsoliën op de aanwezigheid van luchtblazen spelen echter ook een rol de effecten t.g.v. de betonsamenstelling en de vakbekwaamheid die nodig is bij de vervaardiging van het beton tot en met het stadium van de nabehandeling. Een niet-egale kleur hangt gedeeltelijk samen met de hechting: voor een vurenhouten bekisting [1]* geldt bijv. dat waar geen adhesie tussen beton en bekisting was, een *) Zie literatuur-opgaven aan het einde van dit rapport.
relatief licht gekleurd cementrijk en vrij dicht betonoppervlak wordt aangetroffen; waar wel adhesie was wordt na het ontkisten een relatief donker gekleurd poreus betonoppervlak aangetroffen, dat veel minder cementrijk is (de cementrijke heuveltjes" zijn afgerukt). Op deze wijze ontstaan donkere en lichtere vlekken of banden op het ontkiste betonoppervlak. De aanwezigheid van ontkistingsmiddelen kan dit patroon verergeren, verminderen of geheel doen omdraaien al naar het type ontkistingsmiddel en het soort bekistingsmateriaal [2, 3]. Bovendien worden klcurvariaties van betonoppervlakken in de practijk veroorzaakt door variaties in de kleur van het cement en van de toeslag, en door variaties in het cementgehalte en de w/c-factor van de betonspecie. Het onder 4 genoemde punt spreekt voor zichzelf, men zal er naar streven een ontkistingsmiddel te gebruiken dat tevens het bekistingsmateriaal zo duurzaam mogelijk maakt, opdat een zo groot mogelijk aantal repetities mogelijk is. Afhankelijk van het te gebruiken bekistingsmateriaal, de betonsamenstelling, de wijze van verdichten van het beton en de snelheid van ontkisten zal een keuze moeten worden gemaakt uit de beschikbare typen ontkistingsmiddel. Het type bekistingsmateriaal dat zal worden gebruikt is hierbij de belangrijkste factor. 1.1. Indeling ontkistingsmiddelen naar de aard van het materiaal De ontkistingsmiddelen kunnen worden onderscheiden [4] in 1. basisolie of mengsel van oliesoorten zonder emulgator, ev. ook op kunstharsbasis; 2. basisolie of mengsel van oliesoorten, ev. ook op kunstharsbasis waaraan een emulgator is toegevoegd, echter geen water. 3. water in olie-emulsies, water in kunstharsemulsies; 4. olie in water-emulsies, kunsthars in water-emulsies (ev. met water te verdunnen); 5. wassoorten, verven en/of lakken (op basis van olie of kunsthars). Tabel 1 geeft de algemene effecten [4] van deze 5 typen ontkistingsmiddel t.a.v. de factoren hechting, luchtblaasvorming, gelijkheid van kleur en duurzaamheid van de bekisting. Bovengenoemde tabel 1 geldt t.a.v. de ontkistingsmiddelen type 2, 3 en 4 voorzover het percentage emulgator niet groter dan ca. 2% is. Hierdoor wordt nl. de vorming van luchtblazen sterk verminderd. Hogere percentages emulgator leiden daarbij tot beïnvloeding van de hydratatie van het cementhuidje dat aan de bekisting grenst, waardoor onder meer kleurverschillen kunnen ontstaan. Een verdere voorwaarde t.a.v. emulsies is dat deze tot het ogenblik van verwerking stabiel blijven. Het verdunnen van emulsies leidt tot ongelijke verdeling van de emulgator en geeft daardoor kleurverschillen. De best bruikbare emulsies [4] zijn die welke nog juist stabiel zijn met een minimum aan emulgator en die voor het gebruik gereed zijn in een verdunning niet groter dan 1:1.
Tabel 1. Algemene effecten van ontkistingsmiddelen t.a.v. de bruikbaarheid hiervan versterkt ( + ) resp. vermindert ( ) de type hechting vorming van vorming van duurzaamheid luchtblazen kleurverschillen bekisting 1 + + (hout, staal) 2') - - + (hout, staal) 3') + (hout) 4') - + (hout) 3 + (hout) ') percentage emulgator bij voorkeur niet groter dan 2 % + Voor de olie in wateremulsies (type 4) geldt dat ze bij toevoegen van (alkalisch) cementwater onstabiel moeten worden zodat de mogelijkheid tot verdunnen door de alkalische oplossing wordt verstoord en de olie in grove deeltjes uitvlokt tegen de bekisting. Adsorptie aan het beton zelf en de daardoor mogelijke beïnvloeding van de verharding is dan onmogelijk t.g.v. het waterafstotende karakter van de uitgevlokte ontkistingsolie. De wassoorten (type 5) worden gebruikt om het bekistingsoppervlak af te sluiten of dit te impregneren. Hierdoor wordt wel een egale kleur verkregen doch het optreden van luchtblazen wordt in de hand gewerkt. Er zijn typen die slechte hechting vertonen aan vochtig bekistingsmateriaal [4] en dan de vorming van loszittende oppervlaktelaagjes veroorzaken die later afzanden. In het algemeen gesproken geeft dus type 3 (water in olie-emulsie) de beste resultaten. Voor staal als bekistingsmateriaal echter, kan het beste gebruik gemaakt worden van type 2, een basisolie met max. 2% emulgator. Daar deze basisolie geen water bevat geeft dit type de beste bescherming tegen corrosie van het staal. De middelen genoemd onder A-2 zijn vertragers welke op de bekisting worden aangebracht en dus in de plaats komen van het ontkistingsmiddel. Indien de ontkistingstijd 1 dag bedraagt kunnen de verschillende handelsmerken vertrager worden toegepast, voor zover ze enigszins thixotrope eigenschappen vertonen [5]. Vooral op verticale vlakken verdient een pastavorm de voorkeur. Is de ontkistingstijd langer dan dient of de concentratie van de actieve stof in het handelsmerk te worden verhoogd (indampen tot een pasta is gevormd) of gebruik te worden gemaakt van speciale voor dit doel vervaardigde vertragingsmiddelen (meestal in de vorm van thixotrope oplossingen of pasta's) die eveneens in de handel verkrijgbaar [5]. Deze middelen zijn veelal samengesteld op basis van zuren, nitraten of fosfaten. Na ontkisten wordt met de staalborstel de toeslag blootgelegd, waarna het oppervlak hiervan goed nagespoeld dient te worden. 1.2. Bekistingsmateriaal Waar de egale kleur het belangrijkst is en het vermijden van luchtblazen op de