-
Katholieke Universiteit Leuven Faculteit Toegepaste
Wetenschappen Departement Burgerlijke Bouwkunde
ULTRA-SNELHARDEND BETON Promotor: Prof. Dr. Ir. L. Vandewalle
Assessoren: Dr. Ir. A. Beeldens (OCW) Ir. D. Dupont
Verhandeling tot het verkrijgen van de graad van Burgerlijk
Bouwkundig Ingenieur, voorgedragen door:
Jan Folens
Kristof Vanfleteren
E2003
-
Abstract Door de steeds toenemende belasting van het wegennet
worden het onderhoud en de herstelling van de wegen, in het
bijzonder van betonwegen, steeds moeilijker. Het afsluiten van
wegen voor het verkeer over een langere periode brengt zowel
economisch als sociaal hoge kosten met zich mee. Lange files, lange
wachttijden maken het noodzakelijk de tijd van afsluiting van de
wegen zo kort mogelijk te houden. Momenteel worden herstellingen
reeds na 3 dagen opengesteld voor het verkeer, maar dit zou moeten
verlaagd worden tot de helft. In het kader van dit eindwerk werd
een onderzoek ondernomen om te komen tot een betonsamenstelling,
gebaseerd op courant beschikbare cementsoorten en granulaten,
waarbij een sterkte van 40 MPa (op cilinders) reeds na 36 uur wordt
bereikt. Ook de verwerkbaarheid en de duurzaamheid dienden aan
bepaalde eisen te voldoen. De samenstellende componenten van het
beton, de hydratatie van het cement, de factoren die een invloed
hebben op de snelheid van de sterkteontwikkeling, de aanwending van
plastificeerders en de duurzaamheid van het snelhardend beton
worden grondig bestudeerd in het eerste deel van dit eindwerk. In
een tweede deel volgt de bespreking van de toepassing van het
ontworpen mengsel op een project te Galmaarden. Tot slot worden ook
de resultaten van een laboratoriumonderzoek aan het Departement
Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven
geanalyseerd. Het laboratoriumonderzoek heeft tot doel om de
verschillende eigenschappen van het desbetreffende betonmengsel te
onderzoeken. Toelating tot bruikleen. De auteurs geven de toelating
deze eindverhandeling voor consultatie beschikbaar te stellen en
delen ervan te kopiëren voor eigen gebruik. Elk ander gebruik valt
onder de strikte beperkingen van het auteursrecht; in het bijzonder
wordt er gewezen op de verplichting de bron uitdrukkelijk te
vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze
eindverhandeling.
De auteurs
Leuven, mei 2003
-
Naar de bron van de rivier
Op de weg die ik mij koos, loop ik, plotsklaps sprakeloos, als
ik zie wat ik heb ondernomen, waarvan ik kwam, waar ik ben gekomen.
Ik dacht: dit is niet het juiste pad. Niet wat ik voor ogen had.
Niet de reis die mij was beloofd. Het lot heeft mij een kool
gestoofd. Straks kies ik een andere laan, bij het kruispunt, een
halfuur gaans. Ik alleen bepaal mijn baan. Ik alleen bepaal waar ik
zal gaan. Op de weg die ik mij koos, loop ik, plotsklaps
sprakeloos. Ik loop, plotsklaps sprakeloos, op de weg die ik mij
koos. The Book of Counted Sorrows
-
DANKWOORD Bij het ter perse gaan van deze thesis houden wij
eraan alle mensen te danken die direct of indirect hebben
bijgedragen tot de realisatie ervan. Onze welgemeende dank gaat uit
naar Professor Dr. Ir. Vandewalle L., Ir. Dupont D. en Dr. Ir.
Beeldens A., die ons gedurende het voorbije academiejaar met raad
en daad hebben bijgestaan. Dank zij hun enthousiaste aandacht en de
vele nuttige suggesties werd onze thesis in goede banen geleid. Een
woord van dank zijn wij ook verschuldigd aan ing. Van Audenhove P.
van het OCCN (Opzoekingscentrum voor de Cementnijverheid). Hij
maakte veel van zijn tijd vrij om ons te begeleiden bij het
proefprogramma in het kader van dit eindwerk. Voor praktische
informatie konden we steeds bij hem terecht. Verder willen we ook
nog volgende mensen bedanken: De Heer Lonneux T., ir. van de
Administratie Wegen en Verkeer van de Vlaamse Overheid, voor de
informatie aangaande het proefproject te Galmaarden. De Heer
Vermeulen G., ing. bij de firma Interbeton N.V., voor het leveren
van de materialen voor het proefprogramma in het laboratorium van
het Departement Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke
Universiteit Leuven en voor zijn deskundig advies. De Heer Rens L.,
ir. bij Febelcem (Federatie van de Belgische Cementnijverheid),
voor het kritisch nalezen van het praktisch gedeelte van dit
eindwerk. Het personeel van het laboratorium van het Departement
Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven, voor
de hulp die we kregen tijdens het uitvoeren van de proeven.
-
Het schrijven van een eindwerk ervaar ik als het kroonstuk van
een heerlijke vijfjarige studententijd. Maar studeren doe je niet
alleen. Een heleboel mensen leeft met je mee. En de realisatie van
deze thesis is de ideale gelegenheid om hen eens in de bloemen te
zetten. In de eerste plaats wil ik mijn ouders danken die voor mij
een zorgeloze leefwereld creëerden waarin de studie centraal stond.
Ook mijn vriendin Sofie verdient een pluim. Ze was de klaagmuur als
het wat minder ging en kon me steeds motiveren om verder te gaan.
En natuurlijk zijn er nog de vrienden (in het bijzonder de
kotgenoten Kristof, Alexander en Benoit) met wie ik in Leuven
onvergetelijke momenten heb beleefd.
Kristof Op het einde van deze vijfjarige studie kan ik
terugkijken op een schitterende studententijd. Vele mensen hebben
hieraan bijgedragen en zij verdienen dan ook een extra woordje van
dank. In de eerste plaats wil ik mijn ouders bedanken. Zij maakten
dit alles voor mij mogelijk en steunden me op elk moment. Daarnaast
zijn er de vrienden door wie ik hier in Leuven van een prachtige
tijd kon genieten. Ook mijn vriendin Marthe wil ik extra bedanken.
Zij steunde me als geen ander en motiveerde me om tot het uiterste
te gaan.
Jan
-
Inhoudsopgave
i
INHOUDSOPGAVE DEEL I: Theoretisch gedeelte Inleiding
........................................................................................................................1
Hoofdstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
.................................................................3
1.1 De componenten van beton
........................................................................................4
1.1.1 De basiscomponenten
.........................................................................................4
1.1.1.1
Cement.............................................................................................................4
1.1.1.2 Granulaten en zand
..........................................................................................6
1.1.1.3
Water................................................................................................................8
1.1.2 Hulpstoffen en toevoegsels
.................................................................................9
1.1.2.1 Hulpstoffen
......................................................................................................9
1.1.2.2 Toevoegsels
...................................................................................................
11
1.1.3 Alkali-silica reacties
.........................................................................................
12 1.2 Mechanische eigenschappen van het
beton..............................................................
14
1.2.1 Ontwikkeling van de druksterkte
......................................................................
14 1.2.2 Spanning-rek
gedrag.........................................................................................
14 1.2.3
Elasticiteitsmodulus..........................................................................................
15
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement
..............................................................................
17
2.1 Chemisch bekeken
....................................................................................................
17 2.1.1 Hydratatiemechanismen
...................................................................................
17 2.1.2 Klinkerhydratatie versus hydratatie van de samenstellende
componenten. ..... 18 2.1.3 Hydratatiecomponenten afzonderlijk
bekeken................................................. 18
2.1.3.1
C3S.................................................................................................................
19 2.1.3.2
C2S.................................................................................................................
23 2.1.3.3 C3A
................................................................................................................
24 2.1.3.4
C4AF..............................................................................................................
25
2.1.4 Hydratatie van portlandcement
.........................................................................
26 2.1.4.1 Hydratatiemechanismen
................................................................................
26 2.1.4.2
Kinetica..........................................................................................................
28 2.1.4.3 Hydratatiewarmte
..........................................................................................
31
2.2 Fysisch
bekeken........................................................................................................
32 2.2.1 Verschillende aspecten van de
structuurvorming.............................................
32
2.2.1.1 Geometrische en morfologische
aspecten..................................................... 32
2.2.1.2 Fysico-chemsiche
aspecten............................................................................
33 2.2.1.3 Stereologische
aspecten.................................................................................
33
2.2.2 Ontwikkeling van de microstructuur volgens Scrivener
.................................. 34 2.2.2.1 De vroege periode van
de hydratatie
............................................................. 35
2.2.2.2 De middelste periode van de hydratatie
......................................................... 35
2.2.2.3 De late hydratatieperiode
...............................................................................
36
2.2.3 Pastasterkte en factoren die de sterkte
beïnvloeden......................................... 36 2.2.3.1
Sterkte van de individuele klinkermineralen en het effect van
de
cementsamenstelling op de sterkte
................................................................ 37
2.2.3.2 Effect van de fijnheid van het cement
........................................................... 38
2.2.3.3 Effect van de deeltjesgrootte verdeling
......................................................... 38
-
Inhoudsopgave
ii
2.2.3.4 Effect van het
sulfaatgehalte..........................................................................
39 2.2.3.5 Effect van alkali-, calcium- en magnesiumoxiden
........................................ 39 2.2.3.6 Effect van de
temperatuur..............................................................................
40 2.2.3.7 Effect van de
porositeit..................................................................................
40 2.2.3.8 Effect van de W/C-factor
...............................................................................
40 2.2.3.9 Effect van de hydratatiegraad
........................................................................
41 2.2.3.10 Effect van vochtgehalte (relatieve vochtigheid)
............................................ 41
2.2.4 Pastasterkte versus betonsterkte: de
interface-zone.......................................... 41
Hoofdstuk 3: Invloed van de temperatuur
.....................................................................
44
3.1 Bepaling van de
warmtebronnen..............................................................................
44 3.1.1 De eigenwarmte van de samenstellende
bestanddelen..................................... 44 3.1.2 De
ontwikkelde hydratatiewarmte
....................................................................
44 3.1.3 De omgevingstemperatuur
................................................................................
46
3.2 Invloed van de temperatuur op de sterkteontwikkeling
............................................ 46 3.3 Rijpheid van
het
beton..............................................................................................
48 3.4 Invloed van de temperatuur op de krimp van snelhardend beton
op jonge leeftijd.. 51 3.5 Invloed van de temperatuur op de
poriënstructuur ...................................................
52
Hoofdstuk 4: Plastificeerders en superplastificeerders
................................................. 54
4.1 Reologische eigenschappen van beton
.....................................................................
55 4.2 Waarom werken superplastificeerders?
....................................................................
56
4.2.1 Werking superplastificeerders
..........................................................................
56 4.2.2 Eigenschappen van een superplastificeerder
.................................................... 57 4.2.3
Effectiviteit van een superplastificeerder
......................................................... 58 4.2.4
Dosering
............................................................................................................
61 4.2.5 Vier vormen van reologisch
gedrag..................................................................
61
4.3 Mogelijke problemen en hun oplossing
....................................................................
62 Hoofdstuk 5: Duurzaamheid van ultra-snelhardend wegenbeton
............................... 65
5.1 Het begrip
duurzaamheid..........................................................................................
65 5.2 Aantasting als gevolg van vorst-dooi cycli en hun combinatie
met dooizouten...... 66
5.2.1 Vloeistoftransport doorheen beton
...................................................................
66 5.2.2 Aantasting door vorst-dooi cycli
......................................................................
66 5.2.3 Vorst-dooi cycli in combinatie met
dooizouten................................................ 68
5.3 Waterabsorptie
..........................................................................................................
70 5.4 Krimpen van
betonwegen.........................................................................................
71
5.4.1 Plastische
krimp................................................................................................
71 5.4.2
Verhardingskrimp.............................................................................................
71 5.4.3
Uitdrogingskrimp..............................................................................................
72 5.4.4 Krimp bij snelhardend beton
............................................................................
72 5.4.5 Vervormingen bij temperatuursveranderingen en krimp in de
wegbetonplaat 73
Hoofdstuk 6: Speciale procédés
.......................................................................................
74
6.1 Gebruik van isolatie als
afdekkingsmateriaal...........................................................
74 6.2 Het gebruik van microgolven
...................................................................................
75 6.3 Het gebruik van cellulose-vezels
..............................................................................
76
-
Inhoudsopgave
iii
Hoofdstuk 7: Economische analyse en
contractvormen................................................ 78
7.1 Ultra-snelhardend beton: financieel voordelig?
........................................................ 78
7.1.1 Meerkost door het gebruik van ultra-snelhardend
beton.................................. 78 7.1.2 Financieel
voordeel door het gebruik van ultra-snelhardend
beton.................. 79
7.1.2.1 Formules
........................................................................................................
81 7.1.2.2 Simulatie
........................................................................................................
82
7.2 Contractvormen
........................................................................................................
83 7.2.1 Lane Rental System
..........................................................................................
83 7.2.2 Cost-Plus -T ime (A+B) system
.........................................................................
83 7.2.3 Incentives and Disincentives (I/D)
...................................................................
83
Hoofdstuk 8: State of the art
............................................................................................
84
8.1 Het prille begin
.........................................................................................................
84 8.2 België
........................................................................................................................
85 8.3
Buitenland.................................................................................................................
86
DEEL II: Praktisch gedeelte Hoofdstuk 9: Proefvak te
Galmaarden...........................................................................
89
9.1 Laboratoriumproeven UFT
.......................................................................................
89 9.2 Extra proeven bij InterBeton
....................................................................................
90 9.3 Aanleg van het proefvak te
Galmaarden..................................................................
93
9.3.1 Proefprogramma proefvak Galmaarden
........................................................... 94
9.3.2 Resultaten proefprogramma proefvak
Galmaarden.......................................... 95
9.3.2.1
Drukproeven..................................................................................................
95 9.3.2.2 Weerstand tegen chemische
smeltmiddelen.................................................. 97
9.3.2.3 Proeven op vers
beton....................................................................................
99
9.3.3 Conclusies project te Galmaarden
....................................................................
99 Hoofdstuk 10: Proefprogramma aan de
K.U.Leuven....................................................101
10.1 Betonsamenstelling
..................................................................................................101
10.2 Karakteristieken van het
materiaal..........................................................................102
10.2.1 Korrelverdeling van de granulaten en het zand
...............................................102 10.2.2
Mineralogische en scheikundige samenstelling van het cement
.....................105 10.2.3 Maalfijnheid van het cement
...........................................................................105
10.2.4 Sterkteklasse van het cement
...........................................................................106
10.3 Aanmaak van het beton
...........................................................................................106
10.4 Druksterkte
..............................................................................................................109
10.4.1 Resultaten van de
drukproeven........................................................................110
10.4.2 Gebruik van een rijpheidsfunctie
.....................................................................111
10.4.3 Vergelijking van klassiek wegenbeton en snelhardend
wegenbeton...............113
10.5
Elasticiteitsmodulus.................................................................................................115
10.6
Krimp.......................................................................................................................117
10.7 Vorst-dooi proeven in combinatie met
dooizouten.................................................121 10.8
Waterabsorptie
.........................................................................................................123
Besluit
...................................................................................................................125
-
Inhoudsopgave
iv
BIJLAGE A
...................................................................................................................
A-1 A.1 Details uitvoering proeven te InterBeton
.....................................................................A-1
A.2 Resultaten proeven
InterBeton.....................................................................................A-2
BIJLAGE B
...................................................................................................................
B -1
B.1 Foto’s werken Galmaarden
..........................................................................................B-1
B.2 Temperatuurverloop proefvak Galmaarden
.................................................................B-2
B.3 Weerstand tegen chemische smeltmiddelen (CaCl2)
...................................................B-3
BIJLAGE C
...................................................................................................................
C-1 BIJLAGE D
...................................................................................................................
D-1
D.1 Resultaten
drukproeven...............................................................................................D-1
D.2
Temperatuurverloop.....................................................................................................D-1
D.3 Samenstelling beton Zaventem en
Ternat....................................................................D-2
BIJLAGE E
....................................................................................................................E-1
BIJLAGE F
....................................................................................................................F-1
BIJLAGE G
...................................................................................................................
G-1
G.1 Samenstelling en eigenschappen betonmengsel
Japan................................................G-1 G.2
Samenstelling betonmengsel
Madrid...........................................................................G-2
G.3 Samenstelling betonmengsel Engeland
.......................................................................G-3
BIJLAGE H
...................................................................................................................H-1
H.1 Technische fiche superplastificeerder TIXO
..............................................................H-1
H.2 Technische fiche plastificeerder POZZOLITH 200 N
................................................H-4 H.3 Technische
fiche superplastificeerder GLENIUM 27 20%
.........................................H-7
BIJLAGE I
.....................................................................................................................
I-1 BIBLIOGRAFIE
-
Figurenlijst
v
FIGURENLIJST Figuur 1: Vergelijking van een conventioneel beton
met HEC [28] ..........................................3 Figuur 2:
Vergelijking van sterkteontwikkeling bij HEC en HSC-beton [29]
...........................4 Figuur 3: Invloed van de aard van de
aggregaten op de druksterkte [30]
..................................8 Figuur 4: Invloed van de
vervanging van cement door silica fume en vliegas op de
druksterkte van het beton [32]
...................................................................................
11 Figuur 5: Spanning-rek curven voor een cementpasta, aggregaten
en beton onder druk:........ 15 Figuur 6: Hydratatiemechanismen [1]
......................................................................................
17 Figuur 7: Mogelijk hydratatiegedrag van de samenstellende
componenten van het cement
[1]...............................................................................................................................
18 Figuur 8: Fractie C3S gehydrateerd in functie van de tijd [3]
................................................... 19 Figuur 9:
Microstructuur van een gebroken oppervlak van C3S pasta op
verschillende
vergrotingen (W/C = 1.00 en 20°C) [5]
.....................................................................
22 Figuur 10: Hydratatiegraad i.f.v. de tijd van de afzonderlijke
componenten van cement [5] .. 23 Figuur 11: Hydratatiegraad van de
componenten in de hoedanigheid van cement [5] ............ 28
Figuur 12: Vorming van de hydraatproducten i.f.v. de tijd [5]
................................................ 29 Figuur 13:
Invloed van W/C-factor op de hydratatiesnelheid [2]
............................................. 30 Figuur
14:Hydratatiewarmte i.f.v. de tijd [5]
...........................................................................
31 Figuur 15: Vorming van de reactieproducten en opbouw van
structuur [1] ............................. 32 Figuur 16:
Verandering van de breukmode van interparticulair naar
transparticulair [1] ........ 34 Figuur 17: Ontwikkeling van
microstructuur gedurende de hydratatie [3]
.............................. 35 Figuur 18: Evolutie van de
druksterkte van C3S, C2S, C3A en C4AF – pasta’s, 20°C; (a)
W/S=0.4, 3000 cm²/g; (b) W/S=0.45, 3000 cm²/g [5]
.......................................... 37 Figuur 19: De drie
delen van de interface – zone [1]
............................................................... 42
Figuur 20: Microstructuur van de transitiezone na 1 (l) en 28 (r)
dagen hydratatie [11] ......... 43 Figuur 21: Druksterkteverloop
i.f.v. de tijd [14]
......................................................................
46 Figuur 22: Druksterkte en E-modulus i.f.v. tijd en temperatuur
[16] ....................................... 47 Figuur 23: Twee
uithardingsverlopen met gelijke rijpheid volgens Saul [17]
......................... 49 Figuur 24: Druksterkte verus rijpheid
volgens Saul [17]
......................................................... 49 Figuur
25: Ijklijn [17]
...............................................................................................................
51 Figuur 27: Poriënvolume in functie van de temperatuur [20]
.................................................. 52 Figuur 28:
Backscattered electron beelden. (boven op 5°C, onder op 50°C) [20]
................... 53 Figuur 29: Invloed SP op verwerkbaarheid
[24]
......................................................................
54 Figuur 30: Dispergerende eigenschap van een SP [23]
............................................................ 56
Figuur 31: Werking van een SP [21]
........................................................................................
57 Figuur 32: Moleculair gewicht
[23]..........................................................................................
58 Figuur 33: Invloed gescheiden toevoeging van de SP (
η=viscositeitscoëfficiënt, RPM =
Rates Per Minute) [25]
............................................................................................
59 Figuur 34: Toevoegen van SP aan een mengsel met W/C = 0.3 [25]
....................................... 60 Figuur 35: Toevoegen van
SP aan een mengsel met W/C = 0.35 [25]
..................................... 60 Figuur 36:
Verzadigingspunt bij een bepaalde dosis SP [23]
................................................... 61 Figuur 37:
Vier verschillende vormen van reologisch gedrag [23]
.......................................... 62 Figuur 38: Ligging
vriespunt [24]
............................................................................................
69 Figuur 39:Vergelijking tussen beton behandeld met
microgolfenergie en een
portlandcementbeton [38]
.......................................................................................
75 Figuur 40: Vergelijking tussen beton behandeld met
microgolfenergie en een
portlandcementbeton [38]
.......................................................................................
76 Figuur 41: Vergelijking van de invloed van de toevoeging van
vezels op de druksterkte
[39]..........................................................................................................................
77
-
Figurenlijst
vi
Figuur 42: Vraag en aanbod in de transportsector
....................................................................
80 Figuur 43: Vraag en aanbod voor autosnelweg
........................................................................
81 Figuur 44: Druksterkte in functie van de tijd; 5 samenstellingen
(Japan) [55] ........................ 86 Figuur 45: Druksterktes
betonsamenstelling luchthaven Leipzig [58]
..................................... 87 Figuur 46: Zeefkromme
rivierzand
0/4....................................................................................103
Figuur 47: Zeefkromme porfier
2/7.........................................................................................103
Figuur 48: Zeefkromme porfier 7/20
.......................................................................................104
Figuur 49: Zeefkromme inert skelet
........................................................................................104
Figuur 50: Druksterktes van de kernen bovenaan
...................................................................110
Figuur 51: Druksterktes van de kernen
onderaan....................................................................110
Figuur 52: Dynamische E-modulus
.........................................................................................116
Figuur 53: Krimp van snelhardend beton (mengsel A)
...........................................................117
-
Tabellenlijst
vii
TABELLENLIJST Tabel 1: Scheikundige samenstelling van
portlandklinker [10]
.................................................5 Tabel 2:
Mineralogische samenstelling van portlandklinker [10]
..............................................5 Tabel 3: Effect van
de specifieke oppervlakte van het cement op de sterkte [5]
..................... 38 Tabel 4: Eigenwarmte van de voornaamste
bestanddelen van beton [2].................................. 44
Tabel 5: Hydratatiewarmte van de samenstellende componenten [2]
...................................... 45 Tabel 6: De vier
belangrijkste werkzame stoffen voor plastificeerders en
superplastificeerders [21]
...........................................................................................
55 Tabel 7: Invloed chemische en fysische eigenschappen op
effectiviteit SP [21] ..................... 58 Tabel 8: Parameters
die adsorptie beïnvloeden en hun relatie tot de effectiviteit van
de SP
[21]
.............................................................................................................................
59 Tabel 9: Mengselsamenstellingen [40]
.....................................................................................
67 Tabel 10 : Resultaten Trekproef en E-modulus proef [40]
...................................................... 68 Tabel 11:
Resultaten vorst -dooi proef met dooizouten [40]
..................................................... 70 Tabel 12:
Absorptiecoëfficiënten [40]
.....................................................................................
70 Tabel 13: Karakteristieken van hoog performant beton voor
wegherstellingen [44] ............... 72 Tabel 14: Value of time
[51]
....................................................................................................
82 Tabel 15: Samenstellingen mengsels te Iowa [53]
...................................................................
84 Tabel 16: Druksterktes werken luchthaven Engeland [57]
....................................................... 87 Tabel
17: Betonsamenstellingen laboratoriumproeven UFT [1]
.............................................. 89 Tabel 18:
Druksterkte (MPa) gemeten op kernen (∅113mm, h:100mm) [59]
........................ 90 Tabel 19: Samenstelling beton voor
proef
InterBeton..............................................................
90 Tabel 20: Druksterktes (MPa) proeven InterBeton 11/10/2002
............................................... 91 Tabel 21:
Samenstelling tweede mengsel proef
InterBeton..................................................... 91
Tabel 22: Druksterktes (MPa) proeven InterBeton 26/10/2002
............................................... 91 Tabel 23:
Samenstelling tweede mengsel proef
InterBeton..................................................... 92
Tabel 24: : Druksterktes (MPa) proeven InterBeton 7/11/2002
............................................... 92 Tabel 25:
Schijnbare vochtige volumieke massa (kg/m³) – Druksterkte (MPa)
...................... 96 Tabel 26: Proeven op vers beton
..............................................................................................
99 Tabel 27: Mengselsamenstellingen voor proefprogramma (P =
plastificeerder, SP =
superplastificeerder)
..............................................................................................102
Tabel 28: Mineralogische en scheikundige samenstelling van het
cement .............................105 Tabel 29: Buigtreksterkte
en Druksterkte van de mortelbalkjes in functie van de tijd.
..........106 Tabel 30: Normen voor proeven op verse
mengsel.................................................................107
Tabel 31: Resultaten proeven op het verse
mengsel................................................................107
Tabel 32: Gemiddelde temperaturen met bijhorende rijpheid
.................................................112 Tabel 33:
Vergelijking druksterktes UFT, Zaventem e n Ternat, MPa [13] en
[60] ................113 Tabel 34: Krimpberekening snelhardend
beton.......................................................................119
Tabel 35: Krimpberekening conventioneel
wegenbeton.........................................................120
Tabel 36: Resultaten vorst -dooi
proeven.................................................................................121
Tabel 37: Resultaten vorst -dooi proeven beton Ternat [61]
....................................................122 Tabel 38:
Waterabsorptiecoëfficiënten....................................................................................123
Tabel 39: Waterabsorptiecoëfficiënten Ternat
[61].................................................................124
-
Inleiding
1
Inleiding Beton is een materiaal dat bestaat uit granulaten,
zand en cement. Wordt aan het cement water toegevoegd, dan treden
er hydratatiereacties op die leiden tot de vorming van een
kunstmatig mineraal, de cementsteen. Aan deze componenten kunnen
verder nog hulpstoffen worden toegevoegd met als doel specifieke
eigenschappen van het beton te wijzigen. Rekening houdend met het
feit dat deze verschillende componenten nog in verschillende
hoeveelheden kunnen worden aangewend, wordt het duidelijk dat er
enorm veel samenstellingen bestaan die elk hun eigen
karakteristieken hebben. Ook vandaag wordt nog steeds gesleuteld
aan de reeds jarenlang gekende samenstelling van cement, water,
zand en granulaten om te komen tot een goed compromis tussen de
verschillende gewenste eigenschappen. Dit eindwerk heeft tot doel
om te komen tot een betonmengsel voor toepassingen in de wegenbouw
dat, op basis van courant beschikbare materialen, reeds na 36u
druksterktes op cilinders behaalt van 40 MPa. Anderzijds moet het
mengsel gedurende voldoende tijd verwerkbaar blijven en dient het
beton voldoende duurzaam te zijn. De eis dat het wegenbeton op
jonge leeftijd zo’n hoge druksterkte dient te behalen, is een
gevolg van het feit dat het uitvoeren van herstellingen van
betonwegen steeds moeilijker wordt als gevolg van de steeds
toenemende belasting van het wegennet. Het afsluiten van wegen voor
het verkeer over een lange periode brengt hoge kosten met zich mee.
Standaard betonverhardingen kunnen 5 tot 14 dagen na het storten
aan het verkeer worden blootgesteld. Momenteel wordt echter al
courant gebruik gemaakt van de ‘fast track’ technologie die het
mogelijk maakt de weg reeds na 3 dagen open te stellen. Toch
volstaat dit nog niet en wordt gezocht naar mogelijkheden om de weg
reeds na 36 u open te stellen voor het verkeer. Men spreekt over de
‘ultra fast track’ techniek. Om beter te begrijpen hoe deze snelle
sterkteontwikkeling kan worden gerealiseerd, wordt het
hydratatieproces grondig bestudeerd. De verschillende chemische
reacties worden onderzocht, er wordt nagegaan hoe de structuur
wordt gevormd en de verschillende factoren die een invloed hebben
op de evolutie van de sterkteontwikkeling komen aan bod. De
sterkte-evolutie is echter niet het enige criterium in de zoektocht
naar een geschikt mengsel. Voor de realisatie van de sterkte-eis
zal het belangrijk blijken te zijn om een hoog cementgehalte toe te
passen. Dit brengt echter de verwerkbaarheid in het gedrang. Het
mengsel moet immers vervoerd worden van de betoncentrale naar de
werf en daar nog voldoende verwerkbaar zijn om door een slipform
paver aangebracht te worden. Het gebruik van superplastificeerders
is een noodzaak. In dit eindwerk wordt dan ook uitgebreid ingegaan
op hun eigenschappen en hun werkingsmechanisme. Tot slot is er nog
een eis omtrent duurzaamheid. Om de hinder veroorzaakt door
wegenwerken te beperken is het niet alleen nodig te zorgen voor een
snelle sterkteontwikkeling, maar is het ook belangrijk dat
veelvuldige herstellingen worden voorkomen. Het beton moet
voldoende duurzaam zijn. Voor wegenbeton is de weerstand tegen
vorst-dooi cycli in combinatie met dooizouten van primordiaal
belang.
-
Inleiding
2
Na uitgebreide laboratoriumonderzoeken, uitgevoerd aan het
Departement Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit
Leuven en in de firma InterBeton N.V., werd een betonmengsel
bekomen dat aan de drie eisen voldoet. Dit mengsel werd in november
2003 toegepast op een proefproject van de Vlaamse Overheid te
Galmaarden. Resultaten van zowel het laboratoriumonderzoek en het
proefproject zijn opgenomen en besproken in dit eindwerk. Dit
eindwerk is opgebouwd uit twee grote luiken. Het eerste luik is een
literatuurstudie die in een achttal hoofdstukken de meest relevante
zaken met betrekking tot het ultra-snelhardend beton verduidelijkt.
Het tweede luik is een praktisch gedeelte dat in twee hoofdstukken
de resultaten van het laboratoriumonderzoek en het proefproject
behandelt. In hoofdstuk 1 wordt het begrip ultra-snelhardend beton
gedefinieerd en worden de verschillende samenstellende componenten
van het beton besproken. Er wordt ook aandacht gewijd aan de
voornaamste mechanische eigenschappen: druksterkte en E-modulus. In
hoofdstuk 2 wordt het hydratatieproces bekeken vanuit twee
standpunten: chemisch en fysisch. In het eerste deel wordt nagegaan
hoe het cement en de verschillende scheikundige bestanddelen
reageren en welke factoren de reactiesnelheid beïnvloeden. In het
tweede deel gaat men dieper in op de ontwikkeling van de
microstructuur en wordt een overzicht gegeven van de belangrijkste
invloedsfactoren op de sterkte van de pasta. Hoofdstuk 3 behandelt
meer specifiek de invloed van de temperatuur op de
sterkteontwikkeling. Zoals gesteld is niet alleen de
sterkteontwikkeling belangrijk, maar moet ook de nodige aandacht
uitgaan naar de verwerkbaarheid en de duurzaamheid van het beton.
De werking van plastificeerders en superplastificeerders en de
problemen die kunnen gepaard gaan met hun gebruik, worden
bestudeerd in hoofdstuk 4. Hoofdstuk 5 behandelt de duurzaamheid
van ultra-snelhardend wegenbeton. Meer bepaald de aantasting als
gevolg van vorst-dooi cycli in combinatie met dooizouten en het
krimpgedrag komen een bod. Tot slot van de literatuurstudie volgen
nog drie afsluitende hoofdstukken. In hoofdstuk 6 worden enkele
speciale procédés vermeld die het eveneens mogelijk maken om hoge
druksterktes te bekomen op jonge leeftijd. Ze zijn echter voor de
praktijk niet of weinig van toepassing gezien de hogere kostprijs.
In hoofdstuk 7 wordt nagegaan of de aanwending van dit beton
financieel voordelig is. De verminderde maatschappelijke kost als
gevolg van een versnelde openstelling van de weg voor het verkeer
wordt afgewogen tegenover de verhoogde materiaalkost. Hoofdstuk 8
tenslotte is een ‘state of the art’ rapport waarin getracht wordt
een overzicht te geven van de ontwikkelingen die er reeds zijn
geweest in verband met de toepassing van snelhardend en
ultra-snelhardend beton. Het praktisch gedeelte begint met een
bespreking van het proefproject te Galmaarden in hoofdstuk 9. De
werfsituatie wordt besproken evenals de resultaten van de proeven
die voor en tijdens het project werden uitgevoerd. Eens het
proefproject te Galmaarden afgewerkt was, werd nog een bijkomend
proefprogramma opgemaakt in het laboratorium van het Departement
Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven. Dit
gebeurde ondermeer omwille van volgende twee redenen: Eerst en
vooral is het de bedoeling om het beton dat gebruikt werd op de
werf volledig in kaart te brengen. Naast het verloop van de
druksterkte die reeds eerder werd onderzocht, is men immers ook
geïnteresseerd in andere eigenschappen zoals de E-modulus en de
optredende krimp. Een tweede reden is het feit dat het interessant
is om de eigenschappen van dit snelhardend beton te vergelijken met
de eigenschappen van een klassiek wegenbeton dat gemaakt wordt met
hoogovencement. De resultaten van deze proeven worden tot slot
besproken in hoofdstuk 10.
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
3
Hoofdstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton? Het begrip
ultra-snelhardend beton kan het best worden verklaard door te
wijzen op het verschil tussen de volgende, vaak door elkaar
gebruikte, begrippen: hoog performant beton (High Performance
Concrete – HPC), hoge sterkte beton (High Strength Concrete – HSC),
en snelhardend beton (High Early Strength Concrete – HEC). Elk
beton dat voldoet aan de criteria om één of meerdere beperkingen
van een conventioneel beton op te vangen, wordt een hoog performant
beton genoemd. Het kan een beton zijn dat gekenmerkt wordt door een
verhoogde weerstand tegen omgevingsinvloeden; het kan een beton
zijn dat een verhoogde druksterkte heeft; maar het kan eveneens een
beton zijn dat het mogelijk maakt de constructietijd te beperken en
aldus toelaat de wegen sneller open te stellen voor het verkeer
zonder dat de duurzaamheid er op latere leeftijd onder lijdt.
Bijgevolg is het niet mogelijk een unieke, sluitende definitie van
hoog performant beton te geven zonder te kijken naar de vereisten
die worden gesteld voor de specifieke toepassing van dat beton.
Hoge sterkte beton heeft zijn naam te danken aan die
betoneigenschap die het sterkst in het oog springt: de hoge
eindsterkte. Het is de dag van vandaag mogelijk om een beton te
maken dat druksterktes behaalt van 70 tot 300 MPa (vb. Reactive
Powder Concrete). Deze hoge waarden kunnen verkregen worden door
het realiseren van een zeer dense structuur. Hiervoor zijn er naast
een lage W/C-factor en een uitgelezen korrelverdeling ook zeer
fijne deeltjes nodig die de holtes tussen de cement- en
aggregaatpartikels verder opvullen: silica fume. (Ultra-)
snelhardend beton onderscheidt zich van het hoge sterkte beton in
de reden waarvoor het beton gebruikt wordt. Bij een snelhardend
beton is het de bedoeling om reeds op jonge leeftijd aanzienlijke
sterktes te behalen. Als gevolg hiervan zal echter ook de
eindsterkte groot zijn. De termen snelhardend beton en hoge sterkte
beton liggen dus zeer dicht bij elkaar, maar mogen geenszins
verward worden. In dit eindwerk verstaan we onder
‘ultra-snelhardend’ een beton dat reeds na 36 uur een druksterkte
op cilinders behaalt van minstens 40 MPa. Dit is bijna zoveel als
de sterkte die een conventioneel beton behaalt na 28 dagen. In
Figuur 1 en Figuur 2 wordt enerzijds het verschil tussen een
conventioneel en een snelhardend beton verduidelijkt en anderzijds
krijgt men een beeld van het onderscheid tussen een snelhardend
beton en een hoge sterkte beton.
Figuur 1: Vergelijking van een conventioneel beton met HEC
[28]
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
4
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 5 10 15 20 25 30
tijd (dagen)
Ver
ho
ud
ing
van
de
dru
kste
rkte
to
t d
e st
erkt
e o
p 2
8d (
cilin
der
s)
ACI
HEC
HSC
Figuur 2: Vergelijking van sterkteontwikkeling bij HEC en
HSC-beton [29]
1.1 De componenten van beton Het probleem dat moet worden
opgelost bij het vervaardigen van beton is het formuleren van een
antwoord op de vraag hoe men op de meest economische en technisch
beste wijze de grondstoffen waarover men beschikt kan, verwerken
tot een kunstmatig steenmateriaal dat aan de gestelde eisen
voldoet. Snelhardende betonmengsels vereisen geen speciale
materialen of technieken, maar zijn net zoals conventionele
betonmengsels opgebouwd uit 4 basiscomponenten: cement, granulaten,
zand en water. Hieraan zullen nog hulpstoffen worden toegevoegd om
bepaalde eigenschappen van de specie te wijzigen of te verbeteren.
Toch zal, hoewel er gebruik kan gemaakt worden van de klassieke in
de omgeving aanwezige materialen, de nodige aandacht moeten worden
besteed aan de materiaalselectie. Zo is het aangewezen dat
vooraleer een bepaald mengsel wordt gebruikt, het onderworpen wordt
aan een grondige laboratoriumanalyse om de juiste eigenschappen van
het beton te kunnen onderzoeken. Vooraleer dieper in te gaan op de
vraag waar een beton zijn sterkte vandaan haalt, worden eerst de
samenstellende bestanddelen die relevant zijn voor snelhardend
beton besproken.
1.1.1 De basiscomponenten
1.1.1.1 Cement Cement is een hydraulisch bindmiddel dat zich
voordoet als een zeer fijn mineraal poeder. Door een hydraulisch
effect verhardt het in contact met het aanmaakwater (hydratatie).
Als bindmiddel kit het de verwerkte inerte materialen van het
mengsel samen. De relatief snelle verharding bij normale
temperatuur gebeurt zowel onder water als aan de lucht en
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
5
resulteert in de vorming van een kunstmatig mineraal dat
cementsteen wordt genoemd [27, p. 13]. Het cement wordt bekomen
door het fijnmalen en innig vermengen in wisselende verhoudingen
van de volgende hoofdbestanddelen: klinker, hoogovenslak, vliegas
en calciumsulfaat. Enkel de klinker en het calciumsulfaat, dat in
het proces enkel optreedt als bindingsregelaar, zijn altijd in het
cement aanwezig. In de wegenbouw maakt men gebruik van twee types
cement, zijnde respectievelijk portlandcement en hoogovencement.
Het portlandcement wordt verkregen door het mengen en malen van
portlandklinker en calciumsulfaat. Bij het hoogovencement wordt ook
nog hoogovenslak toegevoegd. Portlandklinker is een product dat
grotendeels uit calciumsilicaten bestaat en dat wordt bekomen door
een behandeling op hoge temperatuur (sinterproces) van een
welbepaald en gehomogeniseerd mengsel van stoffen die voornamelijk
kalk (CaO), silica (SiO2) en, in geringere mate, aluminiumoxide
(Al2O3) en ijzeroxide (Fe2O3) bevatten. Deze thermische behandeling
wijzigt volledig de eigenschappen van de oxiden, die zich
hergroeperen in hydraulische componenten [10, p.6.6]. Deze
hydraulische componenten zijn C3S, C2S, C3A, C 4AF, M en C. In
Tabel 1 en Tabel 2 worden de mineralogische en scheikundige
samenstelling van portlandklinker weergegeven.
Tabel 1: Scheikundige samenstelling van portlandklinker [10]
Hydraulische componenten
Volledige formule Korte formule
Gewone benaming Gewichtsverhouding
in %
3CaOSiO2 C3S Calciumsilicaat
Aliet 40 tot 65
2CaOSiO2 C2S Calciumsilicaat
Beliet 10 tot 35
3CaOAl2O3 C3A Calciumaluminaat
Celiet 0 tot 15
4CaOAl2O3 Fe2O3
C4AF Calciumaluminoferriet 1 tot 20
MgO M Magnesiumoxide < 5 CaO C Calciumoxide < 3
Tabel 2: Mineralogische samenstelling van portlandklinker
[10]
Oxiden Gewichtsverhouding in % Volledige formule
Korte formule Gewone benaming Grenswaarden Richtgemiddelde
CaO C Kalk 62 tot 68 65 SiO2 S Kiezelzuur 19 tot 25 22
Al2O3 A Aluminiumoxide 2 tot 9 5 Fe2O3 F ijzeroxide 1 tot 5 3
MgO M Magnesiumoxide 0 tot 2 1
K2O + Na2O K + N Alkalioxiden 0,5 tot 1,5 1
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
6
Hoogovenslak is een gegranuleerd product dat wordt bekomen door
het plots afkoelen van smeltend hanggesteente. Door dit afschrikken
heeft de slak een glasachtige structuur die drager is van
hydraulische eigenschappen. Deze hydraulische eigenschappen zijn
echter latent aanwezig en moeten worden opgewekt door activerende
stoffen zoals klinker en calciumsulfaat. Slak gemalen zonder deze
stoffen is dus geen bruikbaar cement. Een zeer belangrijk verschil
tussen slak en portlandklinker is het feit dat slak slechts 40 tot
45% kalk bezit, en dit in tegenstelling met de 65% aanwezig in de
klinker. Dit maakt ook dat het gehalte aan C3S en C2S in slak veel
lager is. Vermits nu vooral het C3S bijdraagt tot hoge sterktes op
jonge leeftijd, is voor deze studie waarbij gezocht wordt naar
betonsamenstellingen die geschikt zijn voor het snel saneren van
betonwegen, geopteerd voor portlandcement. Factoren die een
belangrijke invloed zullen hebben op de snelheid van de
sterkteontwikkeling zijn de mineralogische samenstelling en de
maalfijnheid.
1.1.1.2 Granulaten en zand Granulaten In beton zijn de
granulaten, de discontinue fase, ingebed in de continue
matrixstructuur, de mortel. In het algemeen zijn de granulaten
sterker dan de cementsteen waardoor bij een belasting van 70 tot
90% van de totale druksterkte, eerst mortelscheuren of
onthechtingen tussen granulaat en mortel optreden. Bij een beton
met hoge eindsterkte heeft men te maken met een grotere
cementsteensterkte. Deze sterkte wordt zelfs zo groot dat de
limiterende factor het toeslagmateriaal wordt. Het is belangrijk de
korrelgrootte, korrelvorm, korrelverdeling en de aard van de
korrels goed in het oog te houden. Deze zullen immers samen
bijdragen tot een betere verdichting en een betere hechting.
Korrelgrootte Een kleine korrelgrootte is te prefereren. De
specifieke oppervlakte van het toeslagmateriaal en daarmee het
hechtvlak met de cementsteen is dan groter, waardoor de gemiddelde
hechtspanning kleiner is terwijl verstorende spanningsconcentraties
minder zullen optreden. Deze spanningsconcentraties ter plaatse van
vooral de grotere toeslagkorrels ontstaan doordat de
elasticiteitsmodulus van het toeslagmateriaal doorgaans aanzienlijk
hoger is dan die van de cementsteen [28, p. 20]. Bovendien zal voor
een gegeven volume beton het gebruik van grotere aggregaten
resulteren in kleinere pastavolumes. Dit zorgt dan ook voor een
grotere hinder tegen volumeveranderingen van de pasta, wat op zijn
beurt resulteert in bijkomende spanningen en microscheurtjes [29] .
Kleinere steentjes zijn bovendien ook sterker vermits het
breekproces vaak de interne defecten in het mineraal wegwerkt [11,
p. 10]. Anderzijds mag de maximale korreldiameter ook niet te klein
worden gekozen omdat dit de waterbehoefte ongunstig beïnvloedt. De
ervaring leert dat het moeilijk wordt beton te maken met een hoge
eindsterkte als de maximale korreldiameter groter is dan 25mm.
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
7
Korrelvorm Een hoge eindsterkte bereikt men pas als er een goede
hechting is tussen de cementsteen en de toeslagmaterialen.
Cementsteen heeft minder grip op gladde, ronde vormen. Daardoor
prefereert men in de praktijk een toeslagmateriaal met een ruw
oppervlak dat voor 100% gebroken is [30, p. 9]. Toch mag het
granulaat niet al te hoekig zijn vermits dit de verwerkbaarheid
verlaagt en de vraag naar water verhoogt. Het ideale aggregaat is
kubisch, hoekig, gebroken en heeft een beperkt gehalte aan platte,
lange deeltjes. Korrelverdeling De korrelverdeling geeft de
verdeling van de korrels tussen de minimale en de maximale
korreldiameter weer. Hoe beter deze korrelverdeling, hoe minder
holtes er overblijven. Bij het aanmaken van een hoogwaardig beton,
zoals bijvoorbeeld snelhardend wegenbeton, speelt deze
korrelverdeling een belangrijke rol vermits op jonge leeftijd het
korrelskelet een groot deel van de krachten opneemt [31, p. 13].
Een uniforme verdeling resulteert bovendien in een betere
verwerkbaarheid waardoor de W/C-factor kan verkleind worden. De
fijnere granulaten vullen de holtes op tussen de grotere, waardoor
men een hogere betondensiteit bekomt, wat op zijn beurt resulteert
in:
§ Een vermindering van de waterhoeveelheid en dus een hogere
sterkte. § Een verhoogde duurzaamheid, dit door een herleiding van
de toegangen
voor waterpenetratie in het verharde betonmengsel. Een goede
verdeling verbetert tevens de zetmaat of slump [12, p. 5]. Aard en
sterkte van de korrels Figuur 3 [30, p.28] toont aan dat een beton
met gebroken kalksteengranulaten een hogere druksterkte op
cilinders behaalt dan een beton dat gemaakt is met gerolde
grindgranulaten. De cementpasta heeft immers een betere grip op de
kalksteen. Daardoor scheurt het beton zowel in de cementsteen als
in de kalksteen. Bij het grind is dit niet het geval. De
cementsteen heeft minder grip op de ronde korrel. Het beton scheurt
dus daar waar de hechting is tussen grind- en cementsteen. [30,
p.27]. Bij hoger wordende sterkteniveaus zal het steeds
belangrijker worden om de eigenschappen van de cementsteen en het
toeslagmateriaal goed op elkaar af te stemmen. Het gladde
breukvlak, dwars door de korrels heen, wijst erop dat de granulaten
te zwak zijn. Een hogere eindsterkte kan aldus worden bereikt door
het kiezen van een sterker granulaat. Bovendien moeten de
granulaten, die worden gebruikt voor de aanmaak van het beton,
zuiver zijn. Zo moet het overgrote gedeelte van de filler of
steenstof verwijderd worden. Deze zeer fijne deeltjes slorpen
immers een deel van het water op dat nodig is voor de hydratatie.
Kleine deeltjes die aan de granulaten blijven kleven, zijn ronduit
nefast voor het aangemaakte beton [31, p. 13].
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
8
Figuur 3: Invloed van de aard van de aggregaten op de
druksterkte [30]
Zand Het fijne granulaat, nl. het zand, dient zo goed mogelijk
de ruimte tussen de grove granulaten op te vullen. Om een voldoende
dichte structuur en een goede verwerkbaarheid te bekomen, dient men
dus een voldoende hoeveelheid fijn materiaal te voorzien.
1.1.1.3 Water Zonder water heeft men geen beton. De functie van
het water in het mengsel is drieërlei. Eerst en vooral neemt het
water deel aan de hydratatie van het cement. Strikt genomen is voor
deze hydratatiereactie slechts een hoeveelheid water nodig die
ongeveer gelijk is aan 24% van het gewicht van het cement. Ten
tweede is het water nodig voor het bevochtigen van de inerte
materialen. Alle inerte materialen moeten immers omhuld worden met
een dunne waterfilm zodat de cementpasta zich gemakkelijk aan de
korrels kan hechten. De soortelijke oppervlakte van de korrels is
hierbij bepalend: hoe fijner de korrels, hoe groter het te
bevochtigen oppervlak. Tenslotte is het water nog van belang voor
het regelen van de verwerkbaarheid. Deze verwerkbaarheid wordt
slechts ten dele door het watergehalte bepaald, vermits er ook
hulpstoffen zijn om de verwerkbaarheid te regelen. Te grote volumes
water geven aanleiding tot gevaar voor segregatie, uitzweten,
uitdrogingskrimp en een teveel aan poriën in de betonmassa. Het
totale watergehalte moet steeds in combinatie met het cementgehalte
worden gezie n. De W/C-factor mag immers niet te hoog liggen. Het
is belangrijk hierbij op te merken dat als water in het beton moet
worden beschouwd: de som van het aanmaakwater, het in de
hulpstoffen aanwezige water en het vocht in de granulaten. Bij het
aanmaken van het beton is het bovendien zeer belangrijk te kijken
naar de kwaliteit van het gebruikte water. Dit moet zo zuiver
mogelijk zijn. Een overmaat aan suiker, zout, alkali’s, zuren,
vetten of organische stoffen kan bijzonder schadelijk zijn: suikers
vertragen of verhinderen de uitharding, zouten daarentegen werken
bindingsversnellend en verhogen de bindingssterkte. Ze vergroten
wel de kans op corrosie in het geval van gewapende structuren.
Meestal geldt als algemene regel dat het aanmaakwater drinkbaar
moet zijn.
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
9
Gezien er in een snelhardend betonmengsel slechts een beperkte
hoeveelheid water aanwezig is, is het van zeer groot belang dat dit
vocht niet dadelijk verdampt maar in het beton blijft. Het vocht
beïnvloedt immers rechtstreeks de betoneigenschappen zowel op korte
als op lange termijn. Curing is essentieel bij fast track mengsels
om het vocht, dat noodzakelijk is voor de hydratatie tijdens de
vroege periode van sterkteontwikkeling, niet te laten verdampen.
Bij een traditioneel wegenbeton gebruikt men ongeveer 1 liter
curing compound per 5m². Bij snelhardende betonmengsels wordt het
hydratatiewater snel verbruikt, wat de kans op plastische
krimpscheuren vergroot. Daarom is het aangewezen het gebruik van de
curing compound op te drijven tot ongeveer 1 liter per 3,5 m² [33,
p.34].
1.1.2 Hulpstoffen en toevoegsels
1.1.2.1 Hulpstoffen Hulpstoffen zijn organische of anorganische
materialen in vaste of vloeibare toestand, toegevoegd aan de
normale componenten van een mengsel. De maximale hoeveelheid is in
de meeste gevallen beperkt tot 5% van het cementgewicht [27, p.20].
Deze stoffen reageren met het hydraterende cementsysteem door
fysische en/of chemische reacties en hebben tot doel om sommige
karakteristieken van het beton te wijzigen, hetzij in verse
toestand, hetzij tijdens de binding en de verharding, hetzij in
vaste toestand. Elke hulpstof heeft één of meerdere omschreven
hoofdwerkingen en kan tegelijk secundaire werkingen vertonen. Het
zijn echter geen wondermiddelen voor het verbeteren van fouten in
de samenstelling en men dient er rekening mee te houden dat het
gebruik van een hulpstof dikwijls aanleiding geeft tot een tegen
elkaar afwegen van de wijzigingen van diverse eigenschappen: vaak
veroorzaakt het versterken van de ene eigenschap het verminderen
van een andere. Hulpstoffen spelen een belangrijke rol in de
moderne betontechnologie bij het vervaardigen van hoogwaardige
betonsoorten. De indeling van de hulpstoffen steunt voornamelijk op
het doel waarvoor de hulpstof wordt aangewend. In wat volgt
bespreken we enkel die hulpstoffen die relevant zijn in het kader
van dit eindwerk. (Sterk) waterreducerende middelen
Waterreducerende en de veel effectievere sterk waterreducerende
middelen zijn hulpstoffen die de karakteristieken van het beton in
verse toestand wijzigen. De producten laten toe voor eenzelfde
verwerkbaarheid het watergehalte van de mortel te verminderen. Of
nog, ze maken het mogelijk dat bij eenzelfde watergehalte de
verwerkbaarheid verhoogt. Luchtbelvormers Luchtbelvormers zijn
producten die een groot aantal kleine en afzonderlijke luchtbellen,
die gelijkmatig in de massa zijn verdeeld, meevoeren en
stabiliseren. De luchtbelvorming kan de verwerkbaarheid en de
cohesie van het verse mengsel verbeteren en verhoogt de
vorstbestendigheid van de verharde mortel en van het verharde
beton. De vorstbestendigheid wordt gerealiseerd door expansievaten
voor het water te voorzien en
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
10
door de continuïteit van het capillair netwerk te verbreken. De
luchtbellen zorgen ook voor dooizoutbestandheid door als
schokdemper op te treden voor de thermische krimp. Deze laatste is
het gevolg van het smelten, wat wordt mogelijk gemaakt door het
onttrekken van warmte aan de bovenste laag beton van de weg. Door
in beton lucht te stabiliseren, vermindert, vooral wanneer niet
tegelijkertijd de hoeveelheid aanmaakwater kan worden verkleind,
zijn uiteindelijke sterkte. Er wordt aangenomen dat voor elke
procent ingesloten lucht meer in het verharde beton, het verlies
aan sterkte kan oplopen tot 5% [10, p.20]. Versnellers en
vertragers Zoals reeds vermeld wordt calciumsulfaat aan het beton
toegevoegd om te verhinderen dat de bindingsreactie te snel zou
verlopen. Men kan echter ook stoffen toevoegen aan het beton die de
werking van die regelaar versnellen, vertragen of zelfs helemaal
verhinderen. Het blijft echter opletten, en proeven moeten steeds
het gebruik voorafgaan. Concentraties spelen hierbij een
belangrijke rol: een product kan in hoge concentratie vertragend
werken en in lage dosis versnellend. Het product kan bijvoorbeeld
de aanvang van de binding versnellen, maar het bindingseinde
vertragen. Versnellers Een bindingsversneller vermindert de tijd
die nodig is om van plastische toestand naar verharde toestand over
te gaan; een verhardingsversneller zorgt voor sneller toenemende
aanvangssterktes. Een aantal versnellers zijn gemaakt op basis van
chloriden. Hun gehalte wordt echter door de norm beperkt vermits ze
in gewapende constructies corrosie kunnen veroorzaken. Modernere
producten zijn chloorarm. Vertragers Deze hulpstoffen onderbreken
of vertragen het hydratatieproces. De overgangstijd van plastische
naar verharde toestand wordt verlengd zonder uiteindelijk
sterkteverlies. De vertragers worden ofwel toegevoegd aan de
specie, ofwel verstoven over het natte betonoppervlak. Vertragers
kunnen gemaakt worden op basis van enkele zuren, koolhydraten,
suikers of derivaten. Middelen om de waterpenetratie te vermijden
Vloeistofafstotende middelen verhogen de oppervlaktespanning van de
capillairen en verminderen het zuigeffect en bijgevolg de
absorptiecapaciteit. Sommige producten reageren met de door de
hydratatie vrijgegeven kalk tot onoplosbare calciumzouten. Hierdoor
verkleinen de poriën. Waterbeperkende stoffen zorgen voor een
grotere compactheid en een kleinere porositeit. Heel wat
waterreduceerders of luchtbelvormers streven dit na [27, p.25].
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
11
1.1.2.2 Toevoegsels Een toevoegsel wordt gedefinieerd als een
fijn verdeeld anorganisch materiaal dat toegevoegd kan worden aan
beton om bepaalde eigenschappen te verbeteren of om speciale
eigenschappen te bekomen. Er zijn twee soorten toevoegsels:
nagenoeg inerte toevoegsels en puzzolaan (latent-hydraulische)
toevoegsels. Twee voorbeelden van deze laatste groep worden nader
besproken: silica fume en vliegassen [18, p.2.32]. Silica fume
Silica fume is een industrieel bijproduct dat bij de fabricage van
silicium en ferrosilicium vrijkomt en voor 75-95% bestaat uit het
amorfe siliciumdioxide (SiO2). Deze microsilicadeeltjes zijn
ongeveer 100 keer kleiner dan een deeltje cement [9, p.15]. Ze zijn
dus als vulstof zeer geschikt. Door de toevoeging van silica fume
wordt de microstructuur van de cementmatrix sterk gewijzigd,
waardoor vooral de eigenschappen van de contactzone
toeslagmateriaal-matrix sterk worden verbeterd. Een rechtstreeks
gevolg van de verbetering van de eigenschappen van de cementmatrix
en de contactzone matrix-toeslagmateriaal is dat het
toeslagmateriaal maatgevend wordt voor de uiteindelijke sterkte. De
toevoeging van silica fume aan het beton zorgt bovendien voor een
grotere waterbehoefte (wat wijst op het belang van het gebruik van
een superplastificeerder), een verminderde neiging tot ontmenging
en waterafscheiding, een aanzienlijke plastische krimp, een
verhoogde druksterkte en een verlaagde permeabiliteit. Dit komt
door een duidelijke verlaging van het aantal grovere poriën in de
cementsteen, terwijl de totale porositeit ongeveer gelijk blijft.
Ook al geeft het gebruik van silica fume aanleiding tot grote
druksterktes op langere termijn, toch is de beoogde vroege sterkte
onvoldoende. Silica fume kan het beton wel verbeteren inzake
dichtheid, maar het hoog cementgehalte staat wel op zichzelf borg
voor de nodige dichtheid met traditionele materialen. Daarom vindt
silica fume geen toepassing in dit eindwerk. Deze conclusie wordt
ook gestaafd aan de hand van Figuur 4.
Figuur 4: Invloed van de vervanging van cement door silica fume
en vliegas op de druksterkte van het
beton [32]
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
12
Vliegas Vliegas, geproduceerd in thermische
elektriciteitscentrales, wordt meegevoerd door de rookgassen die
vrijkomen bij de verbranding van steenkool. Het wordt langs
elektrostatische weg uit de rookgassen gefilterd. Het vliegas komt
voor onder de vorm van fijn poeder dat voornamelijk is samengesteld
uit bolvormige deeltjes met een glasachtige structuur. Het vliegas
heeft als voornaamste interessante kenmerken dat het beschikt over
een plastificerend vermogen en dat het puzzolane eigenschappen
heeft. Vliegas kan op twee manieren worden toegepast in beton. Het
gedeeltelijk vervangen van cement door vliegas zal de
aanvangssterkte doen afnemen, maar de ultieme sterkte ligt
merkelijk hoger. Bij vliegastoevoeging zonder afname van het
cementgehalte wordt vliegas gebruikt als aanvulling bij de fijnste
fractie van het toeslagmateriaal. In het algemeen zal hier de
sterkte van het mengsel de sterkte van het mengsel zonder vliegas
overtreffen, maar dan op latere ouderdom. De voordelen van de
vliegastoevoeging komen pas op middellange en lange termijn tot
uiting: ze draagt bij tot de mechanische weerstand en verkleint de
waterdoorlatendheid. Voor een toepassing als snelle
sterkteontwikkeling komt ze dus niet in aanmerking. Aldus vindt
vliegas geen toepassing in dit eindwerk. Deze conclusie wordt ook
gestaafd aan de hand van Figuur 4 [32, p. 703].
1.1.3 Alkali-silica reacties Hoewel de meeste granulaten als
inert kunnen worden beschouwd, kunnen in bepaalde gevallen
scheikundige reacties optreden tussen de granulaten en alkaliën die
initieel in het beton aanwezig zijn of door uitwendige factoren
aangebracht worden. Het gaat hier om een reactie met silicieuze
granulaten die niet qua chemische formule (SiO2), maar qua
structuur van gewone kwartskorrels afwijken. Deze reactieve korrels
bestaan dus ook uit siliciumdioxide, maar zijn structureel anders
opgebouwd. Hun rooster is wanordelijker en in extreme gevallen
missen ze zelfs elke structuur. Globaal gezien kan men stellen dat
de reactiviteit afneemt naarmate de kristalliniteit toeneemt. Een
minder goed gestructureerd mineraal bevat meer onregelmatigheden
zodat de oppervlakte waarop de reactie zich kan voordoen groter is.
Bij de aantasting van de silicakorrel door de poriënoplossing van
het beton gaat het vooral om een reactie van het siliciumdioxide
met alkalihydroxiden. De korrel wordt langzaam afgebroken en
omgezet tot een alkali-silica gel. Deze gel kan door het opnemen
van water zwellen waardoor inwendige drukken ontstaan in het beton,
die na een tijdsverloop van één of meerdere jaren scheuren
veroorzaken. Deze reactie gaat meestal gepaard met verschijnselen
van vorstgevoeligheid.
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
13
Voor het kunnen optreden van dergelijke reacties moet er aan
drie voorwaarden gelijktijdig worden voldaan. Er is nood aan een
vochtige omgeving, aan de aanwezigheid van alkaligevoelige
granulaten in het beton en aan een hoog alkaligehalte in het beton.
De term alkaliën die hier gebruikt wordt, heeft betrekking op de
alkalische metalen natrium en kalium. Het gehalte van deze stoffen
in beton wordt meestal uitgedrukt aan de hand van hun
overeenstemmende oxiden. Internationaal worden de alkaliën bij
problemen van alkali-silica reacties aangeduid met het
‘natriumoxide equivalent’ dat wordt weergegeven aan de hand van de
volgende formule:
%Na2O-equivalent = %Na2O + 0,658 x %K2O Hierbij staat de factor
0,658 voor de moleculaire massaverhouding Na2O/K2O. Alkaliën in
beton zijn voornamelijk afkomstig van het cement, maar ze kunnen
ook aangebracht zijn via hulpstoffen, dooizouten, … . Zoals gesteld
moet er aan de 3 voorwaarden gelijktijdig voldaan zijn vooraleer
men kan spreken van alkali-silicareacties. Door er nu voor te
zorgen dat één van deze voorwaarden niet voldaan is, kan men
problemen vermijden. Zo kan men werken met cementen met een laag
alkaligehalte (LA-cementen), kan men gebruik maken van niet
reactieve granulaten,… .
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
14
1.2 Mechanische eigenschappen van het beton
1.2.1 Ontwikkeling van de druksterkte Zoals de naam het zelf
aangeeft, wordt een snelhardend betonmengsel gekarakteriseerd door
een snelle ontwikkeling van de druksterkte. Na één dag worden met
dergelijke mengsels sterktes behaald die met sommige conventionele
betonsoorten zelfs niet na 28 dagen worden behaald. Deze snelle
sterkteontwikkeling gaat ook gepaard met een hoge sterkte op latere
leeftijd. Dit karakteristieke druksterkteverloop wordt verkregen
dankzij de toepassing van veel cement en weinig water: de
W/C-factor schommelt typisch tussen 0.30 en 0.40. Hulpstoffen
worden dan toegevoegd om de verwerkbaarheid voldoende hoog te
houden. Figuur 1 en Figuur 2 tonen het typisch verloop van de
druksterkte met de tijd.
1.2.2 Spanning-rek gedrag Bij het vergelijken van het
spanning-rek verloop van een conventioneel beton met dat van een
beton met hoge eindsterkte, stelt men een aantal duidelijke
verschillen vast. Vooreerst is er bij deze laatste betonsoort een
meer lineair verloop van de s -e curve, en dit tot een hoger
percentage van de maximale spanning. Bij het bereiken van de
breukspanning vertoont een dergelijk beton bovendien een grotere
rek en merkt men een steiler verloop van het dalend stuk van de
curve op. Het beton vertoont een kleinere breukrek. Al deze
veranderingen zijn het gevolg van een betere hechting
aggregaat-pasta. De grotere lineariteit van het s -e gedrag
weerspiegelt de kleine hoeveelheid microscheurtjes die in het beton
met hoge sterkte aanwezig zijn bij lage belastingen [34, p.13]. De
vorm van het spanning-rek verloop is ook verbonden met de aard van
het betonmateriaal als composiet. Hoewel de cementpasta en de
granulaten op zich een uitgesproken bros karakter hebben, heeft
gewoon beton een meer ductiel karakter. Deze schijnbare paradox kan
verklaard worden door het verschil in stijfheid tussen de
cementpasta en de aggregaten. Dit zorgt voor spanningsconcentraties
in de contactzones. Vanaf een zeker spanningsniveau ontwikkelt zich
een patroon van microscheuren. Bij toename van de spanning wordt de
toegevoegde energie grotendeels verbruikt in de verdere uitbreiding
van dit scheurpatroon. Op die manier ontstaat een efficiënte
interne spanningsverdeling wat leidt tot een taaie breuk. Bij een
beton met hoge eindsterkte is het stijfheidsverschil tussen de
aggregaten en de pasta veel kleiner. Het minder ontwikkeld patroon
van microscheuren zorgt voor een explosieve en brosse breuk. Toch
is de bereikte sterkte hoger wegens de kleinere tendens tot
microscheurvorming vóór de breukspanning bereikt wordt [34, p.
14].
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
15
Figuur 5: Spanning-rek curven voor een cementpasta, aggregaten
en beton onder druk:
Links: significant verschil tussen pasta en aggregaat
Rechts: licht verschil tussen pasta en aggregaat [34]
1.2.3 Elasticiteitsmodulus De elasticiteitsmodulus is na de
druksterkte de belangrijkste eigenschap van het beton. Waar de
druksterkte van het beton heel snel en eenvoudig kan bepaald
worden, ligt dat voor de E-modulus anders. Om deze tijdrovende
bezigheid echter te kunnen omzeilen, is men altijd al op zoek
gegaan naar een eenvoudige relatie tussen de druksterkte en de
elasticiteitsmodulus. Deze manier van werken gaat goed op voor een
conventioneel beton. Bij stijgende waarden van de druksterkte van
het beton, neemt de elasticiteitsmodulus minder toe dan zou kunnen
verwacht worden. De empirische verbanden, die zijn opgesteld voor
conventioneel beton, blijken meestal niet meer op te gaan voor
beton met een hoge eindsterkte. Aïtcin, Mehta en Baalbaki [35, p.
517] geven hiervoor als mogelijke oorzaak dat de elastische
eigenschappen van hoge sterkte beton worden beïnvloed door de aard
van het aggregaat. De zeer dense cementfase en de sterke
aggregaat-pasta binding zorgen ervoor dat een dergelijk beton werkt
als een hecht composiet. Ze stellen dat de kenmerken van het
aggregaat een even belangrijke invloed hebben op de elastische
eigenschappen als de W/C-factor. Toch bleef men op zoek gaan om ook
voor hoge sterkte beton verbanden te kunnen leggen tussen de
druksterkte en de E-modulus. Aan het departement architectuur van
de Universiteit van Tokio heeft men een studie gemaakt om tot een
praktische en universele vergelijking te komen die toepasselijk is
voor hoge sterkte beton. Door een regressieanalyse te doen op meer
dan 3000 gegevens afkomstig van verschillende experimenten in Japan
is men gekomen tot het volgende verband:
1/324
1 2 3.35 10 2.4 60BE k k
σγ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ [MPa]
Hierin is s B (MPa) de druksterkte en ? (t/m³) het
eenheidsgewicht van het beton. Om nog rekening te houden met de
invloed van enerzijds de aard van de aggregaten en anderzijds de
aanwezigheid van minerale hulpstoffen worden twee correctiefactoren
k1 en k2
-
Hoofstuk 1: Wat is ultra-snelhardend beton?
16
toegevoegd. De vergelijking zou toepasbaar zijn op zowel normale
als hoge sterkte beton [36, p. 1247-1253]. Wanneer echter een
exacte kennis van de elasticiteitsmodulus nodig is, blijft het in
de praktijk raadzaam een monster te nemen en hiervan
proefondervindelijk de E-modulus te bepalen.
-
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement
17
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement In wat volgt gaan we dieper
in op de hydratatie van het portlandcement. Uit de literatuur is
het vrij duidelijk dat cementhydratatie en structuurvorming elkaar
wederzijds beïnvloeden. Het chemisch aspect van de hydratatie wordt
meestal behandeld onder de naam hydratatiemechanismen. Het fysisch
en stereologisch aspect wordt meestal beschouwd wanneer het gaat om
structuurvorming en sterkteontwikkeling. Vermits het chemisch,
fysisch en stereologisch aspect van de hydratatie interfereren
gedurende het ganse proces zou de hydratatie als één groot geheel
moeten bestudeerd worden. Omwille van de duidelijkheid wordt hier
een onderscheid gemaakt tussen enerzijds de chemische en anderzijds
de fysische kant van de zaak.
2.1 Chemisch bekeken De bespreking van de hydratatie van cement,
chemisch bekeken, is voornamelijk gebaseerd op het werk van
HEWLETT, P.C.met name Lea’s Chemistry of Cement and Concrete
[5].
2.1.1 Hydratatiemechanismen Hydratatie betreft een complexe
interactie tussen water enerzijds en de cementdeeltjes anderzijds.
Dit proces kan, volgens K. Van Breugel [1], op twee verschillende
manieren verlopen. Hij onderscheidt het “trough-solution” en het
“topochemisch” concept, beiden te zien in Figuur 6. Het
trough-solution proces verloopt als volgt. Na contact met water
lossen de anhydride korrels op en worden de hydratatieproducten in
de oplossing gevormd. Vervolgens slaan deze laatste neer op het
korreloppervlak. De kennis van het trough-solution concept dateert
van het begin van de 20ste eeuw en werd geformuleerd door Le
Chatelier [1, p.43]
Figuur 6: Hydratatiemechanismen [1]
De kennis van het topochemisch principe dateert van dezelfde
periode. Michaelis [1, p.42] stelt dat de calciumrijke
siliciumklinker bij contact met water Ca++-ionen in oplossing
stuurt. Het overblijvende calciumarme skelet reageert vervolgens
met deze calciumrijke oplossing. Dit geeft aanleiding tot
hydratatieproducten die een groter volume bezitten dan het
originele anhydride cement.
-
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement
18
2.1.2 Klinkerhydratatie versus hydratatie van de samenstellende
componenten.
Men kan verwachten dat de hydratatiesnelheid van het cement een
functie zal zijn van de snelheid waarmee zijn samenstellende
componenten hydrateren. De vraag stelt zich of de individuele
componenten aan een onafhankelijke snelheid hydrateren dan wel dat
er zich een uniforme, graduele reductie voordoet van de
deeltjesgrootte bij het voortschrijden van het proces, zie Figuur
7. In de literatuur wijzen verschillende auteurs erop dat noch de
ene stelling, noch de andere correct zou zijn. Zo stelt Bentur [1,
p.45] dat de hydratatie van C3S versneld wordt in aanwezigheid van
C2S. Ook Yamaguchi [1, p.45] toont aan dat de hydratatiesnelheid
van de individuele componenten verschilt in verschillende mengsels.
Deze resultaten duiden op een interactie tussen de hydraterende
bestanddelen.
Figuur 7: Mogelijk hydratatiegedrag van de samenstellende
componenten van het cement [1]
Volgens Lehmann [1, p.45] kan de onafhankelijke hydratatie van
componenten zich voordoen in het vroege stadium van het proces.
Later, als de laagdikte van de hydratatieproducten op de
cementkorrels stijgt, wordt de reactiesnelheid meer en meer bepaald
door de snelheid van de waterdiffusie [2, p.15] en verloopt de
hydratatie van de verschillende componenten met een meer
gelijklopende snelheid.
2.1.3 Hydratatiecomponenten afzonderlijk bekeken Een studie van
de hydratatie van de samenstellende componenten van cement is
aangewezen wegens de complexiteit van de hydratatiereacties van het
geheel.
-
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement
19
2.1.3.1 C3S Tricalciumsilicaat (C3S – 3CaOSiO2) is de
voornaamste en belangrijkste component van portlandcement die in
grote mate haar binding en verharding bepaalt. Er doen zich
verschillende vormen van C3S voor. Er kan een onderscheid worden
gemaakt tussen het zuivere C3S, gemaakt onder
laboratoriumcondities, en het C3S waarbij men in het kristalrooster
vreemde ionen aantreft. De reactiviteit van deze laatste wordt
bepaald door de hoeveelheid en de kwaliteit van die ionen. Het C3S
aanwezig in portlandklinker is ook een onzuiver materiaal,
gedopeerd met vreemde ionen die aanwezig zijn in de ruwe
grondstoffen waaruit de klinker wordt gesinterd. Dit C3S, bekend
onder de naam aliet, kan wat betreft samenstelling en reactiviteit
variëren van cement tot cement. De reactieproducten die bij
omgevingstemperatuur gevormd worden, zijn enerzijds de amorfe
calciumsilicaathydraatfase (C-S-H), en anderzijds het
calciumhydroxide (CH). De streepjes in de notatie van C-S-H duiden
op het feit dat de samenstelling van het calciumsilicaathydraat
niet vastligt. CSH zou de specifieke samenstelling weergeven van
CaO ⋅SiO2⋅H2O [3, p. 124].
( )232323 362 OHCaHSCOHSC +→+ [10]
2.1.3.1.1 Kinetica
Figuur 8: Fractie C3S gehydrateerd in functie van de tijd
[3]
Figuur 8 geeft de relatie weer tussen de gereageerde fractie C3S
en de verstreken tijd [4]. Dit voor een cement met een specifieke
oppervlakte van 300 à 500 m²/kg (Blaine) en gehydrateerd als pasta
met een W/S-factor (water/solid) van 0.5 à 0.7 op kamertemperatuur.
Onder deze condities kan men verschillende stadia
onderscheiden:
-
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement
20
§ Pre-inductie periode (A-B): onmiddellijk na contact met water
grijpt een intense, maar korte hydratatie van het C3S plaats.
Gedurende deze fase is er ook een intense warmteafgifte. Deze
periode duurt niet langer dan enkele minuten.
§ Inductie of slapende periode (B-C): de pre-inductie periode
wordt gevolgd door
een periode waarin de reactiesnelheid aanzienlijk daalt. Deze
periode houdt enkele uren aan.
§ Post-inductie periode (C-D): na enkele uren neemt de
hydratatiesnelheid plots
terug toe en bereikt een maximum na 5 tot 10 uren. In deze
periode bereikt het gehalte aan CH in de vloeibare fase een maximum
en begint af te nemen. Kristallijn CH slaat neer.
§ Late periode (D-E): hoewel de reactiesnelheid over haar
maximum heen is en
gradueel afneemt, zal de reactie nog maandenlang doorgaan en
slechts stoppen eens al het C3S is weggereageerd.
De hydratatiesnelheid van het C3S wordt bepaald door meerdere
factoren. Naast de invloed van de hoeveelheid en de kwaliteit van
de vreemde ionen in het rooster op de reactiviteit van het C3S, kan
deze laatste ook worden verhoogd door een snelle afkoeling bij de
productie waardoor er zich structurele defecten in het rooster
voordoen. Ook het oplossen van chemische componenten in het
aanmaakwater kan de kinetica beïnvloeden. Het proces wordt versneld
door de aanwezigheid van chloriden terwijl fosfaten, boraten,
zouten en ook organische componenten zoals verschillende sachariden
een vertraging teweeg brengen. De reactiesnelheid kan ook worden
beïnvloed door het toevoegen van vaste substanties aan het
water-C3S mengsel. Zo zal reeds gehydrateerd C3S de inductieperiode
verkorten en de toevoeging van kristallijn CH zal de
reactiesnelheid tijdens de post-inductie periode vergroten. Ook
door toevoeging van fijn verdeeld materiaal kan de hydratatie
versneld worden daar zij de kernvorming van het C-S-H
vergemakkelijken [3, p.163]. Ook de toevoeging van gips of
anhydriet doet de hydratatie versnellen [5, p.243-245]. De
hydratatiegraad van C3S neemt bovendien toe bij een hoger C3A
gehalte. C3A werkt als een katalysator omdat het zeer vlug warmte
ontwikkelt en dat versnelt de hydratatiereacties. Ook al is de
invloed van het C3A opmerkelijk, toch blijft deze beperkt tot de
beginfase [9, p. 14].
2.1.3.1.2 Samenstelling van de vloeibare fase Bij contact met
water gaan Ca- en Si-ionen snel in oplossing. Aanvankelijk is de
molaire verhouding Ca2+/SiO2 gelijk aan 3 wat wijst op een
congruente oplossing van het C3S. De aanvankelijk hoge silicaat
concentraties nemen heel snel af. De concentratie CH neemt
daarentegen voortdurend toe tot waarden groter dan de oplosbaarheid
in water. Na enkele uren begint de concentratie echter af te
nemen.
2.1.3.1.3 Hydratatiemechanisme Bij de oplossing van het
materiaal gaan de O2--ionen, die oorspronkelijk aanwezig waren in
het C3S kristalrooster, in de vloeibare fase als OH--ionen en de
SiO −44 als nauwelijks
-
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement
21
gedissocieerd H4SiO4. Initieel is de oplossingssnelheid van C3S
groter dan de diffusiesnelheid om de opgeloste ionen van de
nabijheid van het oppervlak te verdrijven. Dit heeft in de omgeving
van het korreloppervlak een concentratiegradiënt als gevolg. Op die
manier raakt de vloeibare fase op deze plaats snel verzadigd met
calciumsilicaathydraat en een laagje van C-S-H producten begint
neer te slaan op het C3S oppervlak. Een andere theorie stelt dat de
oplossing van C3S incongruent in plaats van congruent verloopt. Dit
houdt in dat C3S niet in een verhouding 3:1 oplost. Een SiO2-rijke
laag wordt op deze manier op het oppervlak gevormd en deze
absorbeert op zijn beurt de opgeloste Ca2+-ionen uit de vloeibare
fase. De reden voor het vertragen van het hydratatieproces reeds
binnen enkele minuten na het mengen met water enerzijds, en voor
het terug op gang komen van de reactie na de inductieperiode
anderzijds, is nog niet duidelijk. In wat volgt geven we een aantal
gangbare theorieën die dit fenomeen verklaren.
§ Een eerste theorie stelt dat de eerstgevormde
hydratatieproducten die neerslaan op het korreloppervlak als een
barrière werken. Deze verhindert de migratie van water naar het
ongehydrateerde korreloppervlak en/of deze van ionen naar de
waterige oplossing met een vertraging van het hydrateren tot
gevolg. De slapende periode zet zich in. Een verandering in de aard
van de gevormde C-S-H producten maakt hieraan een einde. Tengevolge
van deze verandering wordt de barrière doorlatend. De aard van deze
verandering is nog niet volledig begrepen. Het zou een
fasetransformatie betreffen die mogelijks vergezeld is met
veranderingen in samenstelling of morfologie. Het zou dus kunnen
worden omschreven als een veroudering van het materiaal [5, p.
246]. Men kan deze laag C-S-H producten anderzijds ook beschouwen
als een semi-permeabel membraan dat door de opbouw van osmotische
druk in de vloeistof tussen korrel en membraan uiteen barst
waardoor zo ook een einde wordt gesteld aan de slapende periode [3,
p. 162].
§ Een tweede theorie gaat ervan uit dat de siliciumrijke laag op
het oppervlak met
de eraan geadsorbeerde Ca2+-ionen een elektrische barrière vormt
die de doorgang van ionen verhindert.
§ Vermits de verhouding van het CaO en het SiO2 in de C-S-H fase
steeds kleiner
is dan 3 gaat de hydratatie van het C3S steeds gepaard met een
afgifte van CH. Het aldus gevormde CH lost op in water en dit tot
concentraties groter dan het oplosbaarheidsproduct. Dit kan
verklaard worden door het feit dat het oppervlak van de CH kernen
verontreinigd is met silicaat ionen. De capaciteit van de vloeistof
om verder CH in oplossing te nemen, neemt af en de slapende periode
gaat in. De concentratie aan CH woedt na verloop van tijd dermate
groot dat de verontreiniging wordt overwonnen. Het CH kan neerslaan
en de hydratatiesnelheid neemt terug toe. Dit introduceert de
post-inductie periode.
-
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement
22
§ Een laatste theorie stelt dat het einde van de inductieperiode
wordt bepaald door de vorming en groei van een ‘second-stage’ C-S-H
dat verschillend is van het ‘first-stage’ product. De vorming van
het eerste C-S-H wordt gecontroleerd door de CH concentratie van de
vloeibare fase en de snelheid ervan neemt af met toenemende
concentratie. Het tweede C-S-H begint zich te vormen nadat de
thermodynamische grens voor kernvorming bereikt is en stelt aldus
een einde aan de slapende periode. Volgens deze theorie vormt het
eerstgevormde C-S-H geen barrière en vertraagt de reactie hier dus
niet door. De slapende periode wordt dan ook opgeheven door de
vorming van een nieuw product (tweede C-S-H) en niet door het
doorbreken van een barrière waarop de eerste twee theorieën wel
berusten.
Eens de slapende periode beëindigd is, wordt de snelheid van de
hydratatie bepaald door de snelheid waarmee het ongehydrateerde C3S
in oplossing gaat. De ionen migreren weg van het oppervlak en slaan
neer in de oplossing. De vrije ruimte wordt steeds meer opgevuld en
deze neemt gradueel af. Op deze wijze wordt de hydratatie een meer
en meer diffusiegecontroleerd proces.
2.1.3.1.4 Microstructuur van gehydrateerd C3S De gehydrateerde
pasta is een poreus materiaal bestaande uit open poriën met
variabele grootte. Reeds enkele seconden na het contact met water
zijn de eerste hydratatieproducten waarneembaar. De eerstgevormde
producten hebben een vezel- of bladachtige structuur. Na verloop
van tijd zijn de gevormde producten echter dichter gepakt en
vormloos. De C-S-H fase in een uitgeharde pasta is niet gelijkmatig
verdeeld. Immers, het product dat wordt gevormd binnen de originele
korrelgrens, het inner-product, is dens en vertoont weinig
structuur. Het outer-product daarentegen, gevormd in de ruimte
aanvankelijk met water gevuld, heeft een vezelachtige structuur en
is veel minder dens. Dit alles is te zien in Figuur 9. Het CH slaat
neer onder de vorm van grote kristallijne deeltjes in de ruimte die
aanvankelijk met water was gevuld.
Figuur 9: Microstructuur van een gebroken oppervlak van C3S
-pasta op verschillende vergrotingen (W/C = 1.00 en 20°C) [5]
-
Hoofdstuk 2: Hydratatie van cement
23
2.1.3.2 C2S Dicalciumsilicaat (C2S – 2CaO ⋅SiO2) heeft
verschillende modificaties, waarvan het β-C2S de belangrijkste is.
Het β-C2S is een metastabiele modificatie op alle temperaturen. Het
kan echter op kamertemperatuur gestabiliseerd worden door vreemde
ionen in het kristalrooster te brengen. Een niet gedopeerde vorm
van β-C2S wordt gevormd door γ-C2S te verwarmen tot hoge
temperaturen en af te schrikken. Het γ-C2S is de enige modificatie
van C2S die stabiel is op kamertemperatuur.
2.1.3.2.1 Kinetica De