O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaam heidcement 2005 7 75ir. V. Boel, ir. K. Audenaert, prof.dr.ir. G. De Schutter,Laboratorium Magnel voor Betononderzoek, UniversiteitGentZelfverdichtend beton (ZVB) is een materiaal met eenfundamenteel andere grondslag dan traditioneel beton(TB). Traditionele modellen betreffende transporteigen-schappen en duurzaamheid mogen dan ook niet zondermeer naar ZVB worden ge?xtrapoleerd. In hoeverre teverwachten verschillen belangrijk zijn voor de bouw-praktijk, moet nog worden onderzocht.De transporteigenschappen en het duurzaamheids-gedrag van zestien mengsels ZVB en vier mengsels TBworden onderzocht. Aantastingsmechanismen wordenin grote mate be?nvloed door de permeabiliteit van hetcementgebonden materiaal. Daarom is in het tweedeartikel van deze reeks [1] de experimenteel bepaaldepenetratie van vloeistoffen en gassen in ZVB besproken.Nu worden de resultaten van duurzaamheidsproevengetoond en worden de eerste conclusies aangaande deduurzaamheid van ZVB gepresenteerd.De mengselsamenstellingen zijn weergegeven inde tabellen 1 en 2 in [1]. Daar zijn ook de slump-flow en de druksterkte vermeld. Voor meer infor-matie wordt verwezen naar [1].Onderzocht worden de carbonatatiediepte, chlori-denpenetratie en aantasting door fysische (vorst-dooi in combinatie met dooizouten) en chemischeeffecten (zuuraantasting).C a r b o n a t a t i eDoor de vorming van calcium-, natrium- en kali-umhydroxide tijdens de verharding heerst in betoneen alkalisch milieu (pH: 12,6 ? 13,5) waardooreen beschermende passiveringslaag Fe2O3op hetwapeningsstaal stabiel is en geen corrosie optreedt.Bij carbonatatie reageert het koolstofdioxide uit deatmosfeer met deze hydroxiden, waardoor de pHdaalt. Zodra een kritieke grens (ongeveer pH 9)is bereikt, wordt de passiveringslaag aangetast enkan de wapening gaan roesten. Carbonatatie wordtonderzocht door de carbonatatiediepte als functievan de tijd te bepalen.Kubussen (riblengte 100 mm) worden tot eenouderdom van 28 dagen bij 20 ? 2 ?C en meer dan90% R.V. bewaard. Daarna worden op vijf van de zeszijden twee lagen epoxycoating aangebracht. Alduswordt bij opslag bij 20 ?C, 60% R.V. en 10 vol.% CO2slechts ??n zijde aan CO2blootgesteld. Regelmatig(na 8, 12, 16, 20 en 24 weken expositie) wordt tel-kens een schijfje met dikte 10 mm van de kubussenafgezaagd en met fenolftale?ne besprenkeld. Dezeindicator slaat om van kleurloos naar paars als depH van 8,3 naar 10 stijgt. De carbonatatiezone is dezone waar geen kleuromslag wordt vastgesteld. Degemiddelde carbonatatiediepte is het gemiddeldevan tien metingen per schijfje. Na het aanbrengenvan een nieuwe laag epoxy worden de proefstukkenopnieuw in de carbonatatiekast geplaatst.De carbonatatiediepte x volgt uit de wet van Fickomdat het een door diffusie bepaald fenomeen is:x = A_t (mm) (1)waarin:t is expositieduur (jaar);A is constante afhankelijk van de diffusieweer-stand van het materiaal (mm/___jaar).Figuur 1 geeft de voor A berekende waarden.C h l o r i d e n p e n e t r a t i eChloride-ionen in het pori?nwater kunnen de pas-siveringslaag oplossen, waardoor de wapening kangaan corroderen. De indringing van deze ionen isonderzocht in twee verschillende proefopstellin-gen, CTH en Cyclische onderdompeling.Resultaten duurzaamheidsproevenDuurzaamheid vanZelfverdichtend Beton (3)W e t e n s c h a p05101520253035ZVB1ZVB2ZVB3ZVB4ZVB5ZVB6ZVB7ZVB8ZVB9ZVB10ZVB11ZVB12ZVB13ZVB14ZVB15ZVB16TB1TB2TB3TB4A(mm/jaar)1 |Carbonatatieconstante AO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2005 776CTHKubussen (riblengte 150 mm) worden in een kli-maatkamer (20 ?C; > 90% R.V.) opgeslagen. Bij 21dagen ouderdom wordt uit elke kubus een kern(?100 mm; h = 50 mm) geboord die tot de beproe-vingsdatum (28, 60, 90 dagen, 1 of 2 jaar ouder-dom) in de klimaatkamer wordt teruggeplaatst. Dekernen worden onderworpen aan de `non steadystate' migratietest volgens de methode van Tang etal. (1992) [2]. Hiertoe worden ze met een Ca(OH)2-oplossing vacu?m verzadigd. Daarna wordt gedu-rende 24 uur over de proefstukken een spanningaangelegd (tussen 25 en 40 V) die de chloride-ionendwingt om zich door het proefstuk te verplaatsen.Na afloop wordt een kern axiaal gespleten en wordtop beide splijtoppervlakken een zilvernitraatoplos-sing gespoten. De chloride-indringdiepte wordtdaarna gemeten. Uit de indringdieptes kan de chlo-ride-migratieco?ffici?nt worden berekend.D =RT___zFEx - __x______t(m2/s) (2)waarin:EU 2?L= 2RTzFEerf-1=Cx C0 1 erfx ? =en 12cdc0? -1waarin:D is non steady state migratieco?ffici?nt (m2/s);z is absolute valentiewaarde van chloride, z = 1;F is de Faraday constante = 9,648.104J/(V.mol);U is de absolute waarde van de aangelegde span-ning (V);R is de gasconstante = 8,314 J/(K.mol);T is de gemiddelde waarde van de begin- en eind-temperatuur van de anodische oplossing (K);L is de dikte van het proefstuk (m);x is de gemiddelde indringdiepte (m);t is de testduur (s);erf -1is de inverse van de errorfunctie;cdis de chlorideconcentratie waarbij er kleur-omschakeling is, cd= 0,07 N voor beton metportlandcement;c0is de chlorideconcentratie van de kathodischeoplossing, c0= 2 N.Figuur 2 toont de berekende regressiewaarden vanD.Cyclische onderdompelingDeze opstelling is ontwikkeld door De Belie et al.[3] voor het testen van chemische aantasting vanbeton (fig. 3). Aan horizontaal roterende assenworden proefstukken (?230 mm; d = 70 mm)bevestigd en periodiek over een diepte van 50 mmin een 3,5% NaCl-oplossing ondergedompeld engeheel aan de lucht blootgesteld, aldus cyclischbevochtigen en drogen simulerend. Elke cyclusduurt 1 uur. Na ontkisten worden de proefstukken(zes per mengsel) bij 20 ?C en meer dan 90% R.V.bewaard en bij een ouderdom van 28 dagen opde assen gemonteerd. Na 6, 12, 18, 24, 30 en 36weken expositie wordt steeds een proefstuk vande as gehaald en in drie stukken gebroken. Meteen zilvernitraatoplossing wordt de indringdieptezichtbaar gemaakt en gemeten. De binnendrin-ging van de chlorides gebeurt door diffusie encapillaire opzuiging. De chloridediffusie verlooptvolgens de wet van Fick:(3)EU 2?L= 2RTzFEerf-1=Cx C0 1 erfx2 Dt ? =xchl 2 D erf 1CxC0? t A t= =en 12cdc0? -1-1waarin:Cxis de chloride-concentratie in het beton op eenafstand x (m) van het oppervlak;C0is de chloride-concentratie aan het oppervlak;D is de diffusieco?ffici?nt (m2/s) (hier constantverondersteld);t is de tijd (s).De uitdrukking kan worden geschreven als:(m) (4)EU 2?L= 2RTzFEerf-1=Cx C0 1 erfx2 Dt ? =xchl 2 D erf 1CxC0? t A t= =en 12cdc0? -1-1Als de penetratiediepte xchlmet behulp van eenzilvernitraatoplossing wordt bepaald, is Cxeen con-stante en bijgevolg is A ook een constante.Capillaire opzuiging, de indringdiepte xcap, kan bijkorte periodes van onderdompeling eveneens metde t-wet worden beschreven. De combinatie vandiffusie en capillaire absorptie in de gegeven proef-omstandigheden kan dus worden beschreven doorde totale chloride-indringing xtotweer te geven als:xtot= H_t (mm) (5)0510152025 ZVB1ZVB2ZVB3ZVB4ZVB5ZVB6ZVB7ZVB8ZVB9ZVB10ZVB11ZVB12ZVB13ZVB14ZVB15ZVB16TB1TB2TB3TB4D(10-12m2/s)28d 60d 90d 1j 2j2 |Chloride-migratieco?f-fici?nt DO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaam heidcement 2005 7 77De voor H (mm/___jaar) afgeleide regressiewaardenzijn in figuur 4 weergegeven.V o r s t e n d o o i z o u t e nVries-dooiaantasting kan worden beschouwd alseen fysisch fenomeen waar bevriezing van waterin het beton hoge interne drukken veroorzaakten tot zowel interne schade als oppervlakteschadeleidt [3]. De vorstschade wordt versterkt bij aan-wezigheid van dooizouten. Terwijl bij vorstschadehet beton volledig uiteengedrukt wordt, heeft bijvorst-dooizoutschade ook een (meestal oppervlak-kige) afschilfering van de oppervlaktelaag plaats.Het massaverlies na een aantal vorst-dooicycli iseen maat voor de vorst-dooibestandheid. De experi-menten worden uitgevoerd conform het Belgischedocument NTN 018.Kubussen (riblengte 150 mm) worden ??n dag nastorten ontkist en tot een ouderdom van 21 ? 28dagen bij 20 ?C en > 90% R.V. bewaard. Vanuit hetafwerkvlak wordt uit een kubus ??n kern (?100mm) geboord waaruit, met behoud van het afwerk-vlak, een cilinder met een hoogte van 100 mm wordtgehaald. Deze wordt zeven dagen bij 20 ?C en R.V.= 60% bewaard, waarna een laag van 5 mm leiding-water op het afwerkvlak wordt gegoten. Deze blijftdrie dagen aanwezig. Het onder- en zijvlak wordendaarna thermisch ge?soleerd (20 mm isolatie) en dewaterlaag wordt vervangen door een laag van 5 ?0,5 mm van een 3% NaCl-oplossing. In een klimaat-kamer ondergaan de cilinders vervolgens vries-dooi-cycli. Elke cyclus duurt 24 uur en de temperatuurvarieert tussen 20 ? 2 ?C en -18 ? 2 ?C. Na 7, 14, 21en 28 dagen worden de vries-dooicycli onderbrokenen wordt de NaCl-oplossing samen met het afge-schilferde materiaal in een filter opgevangen. Ookwordt het proefoppervlak afgespoten om alle losge-komen materiaal in de filter op te vangen. Daarnawordt een nieuwe laag NaCl-oplossing aangebrachten worden de vries-dooicycli voortgezet. De filtersmet het opgevangen materiaal worden bij 105 ?Cgedurende 24 uur gedroogd en gewogen. De massavan de filters zelf wordt op dezelfde wijze bepaald.Uit het massaverschil wordt het massaverlies peroppervlakte-eenheid berekend. Tabel 3 bevat deresultaten na de verschillende cycli.C h e m i s c h e a a n t a s t i n gIn een zure omgeving kan de cementmatrix wor-den ontbonden. De bestandheid van beton isafhankelijk van de vorming van de hydratatiepro-ducten calciumsilicaathydraten (CSH) en calcium-hydroxide (CH). Sommige zuren reageren goedmet CH en vormen goed oplosbare calciumzoutendie door uitloging kunnen worden verwijderd. Dedesintegratie van de cementmatrix leidt tot desin-tegratie van het beton. De verandering in massadoor onderdompeling in agressieve oplossingengeeft een indicatie van de aantastingsgraad vanbeton [6].Prisma's (400 x 400 x 100 mm2) worden ??n dagna storten ontkist en worden bij 20 ?C en > 90%R.V. bewaard. Op een ouderdom van tien maan-den worden per prisma drie kernen (?80 mm)geboord. Uit het midden van deze kernen wordencilinders met een hoogte van 71 mm genomen engedurende zes weken ondergedompeld in water ofeen zuuroplossing, zijnde een zwavelzuuroplossing(0,5%, pH = 1) of een oplossing met zowel azijnzuur(CH3COOH; 99-100%) als melkzuur (C3H6O3; 88%)(30 g azijnzuur en 30 g melkzuur voor 1 l water, pH= 2,5). Elke week worden de kernen uit de vloeistofgehaald en een uur op een rooster geplaatst omTabel 1 | Massaverlies bij vorst in combinatie met dooizouten na 7, 14, 21 en 28 cyclimassaverlies (kg/m2)7d 14d 21d 28dSCC1 ZVB1 0,15 1,54 3,50 5,01SCC2 ZVB2 0,15 0,62 0,92 1,20SCC3 ZVB3 1,00 1,57 2,19 3,06SCC4 ZVB4 0,31 0,42 0,87 2,46SCC8 ZVB5 0,69 3,22 5,37 7,35SCC9 ZVB6 - 0,17 0,34 0,70SCC5 ZVB7 0,80 3,66 5,77 7,88SCC6 ZVB8 0,16 1,68 3,61 5,32SCC7 ZVB9 0,33 0,42 0,47 0,55SCC11 ZVB10 0,11 2,55 4,26 5,09SCC12 ZVB11 0,14 0,98 2,29 3,65SCC13 ZVB12 0,72 2,21 3,54 5,06SCC14 ZVB13 0,04 - 0,27 0,44SCC15 ZVB14 0,75 4,57 7,03 9,21SCC17 ZVB15 2,23 6,12 8,83 11,89SCC16 ZVB16 0,02 0,18 1,04 2,79TC1 TB1 1,91 3,43 4,34 5,04TC4 TB2 1,49 2,20 2,98 3,70TC2 TB3 0,84 1,82 3,13 4,11TC3 TB4 0,26 1,04 2,28 3,753 |Proefopstelling van decyclische onderdompe-lingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaamheidcement 2005 778het vrije water aan de buitenkant van de proefstuk-ken te laten afdruppen. Na deze aantastingsproefworden de kernen uit de vloeistof gehaald en bij20 ?C en > 90% R.V. opgeslagen, waarna in de acht-ste week na het opstarten van de testen een druk-proef plaatsheeft. De mengels worden vergelekenaan de hand van het massaverlies in de tijd en deresterende druksterkte (als percentage van de sterktevan de kernen ondergedompeld in water). Figuren5 en 6 tonen het massaverlies voor mengsels ZVB1, ZVB7, ZVB8 en ZVB9. Figuur 7 geeft voor allemengsels de resterende relatieve druksterkte.R e s u l t a t e n i n h o o f d l i j n e nDe resultaten betreffende de duurzaamheidsproe-ven leiden tot de volgende conclusies. MengselsZVB1 zijn daarbij steeds de referentie.Variatie van cementtypePortlandcement van een hogere sterkteklasse (CEMI 52,5; ZVB2) heeft een hogere fijnheid (hoger spe-cifiek oppervlak) dan CEM I 42,5 R. Hierdoor is detotale hoeveelheid gehydrateerd cement iets hoger,waardoor de pori?nstructuur dichter is en meer CHen CSH aanwezig zijn om het ingedrongen CO2tebinden. De carbonatatiesnelheid is lager. Ook dechloridenpenetratie door cyclische onderdompe-ling en het massaverlies bij vorst-dooiaantasting incombinatie met dooizouten zijn geringer.Het toepassen van hoogovencement (CEM III A42,5 LA; ZVB3) geeft, indien het beton daarvoorvoldoende tijd krijgt, een dichtere pori?nstructuur.Echter, wel wordt een deel van de CH voor de hoog-ovenslakreacties verbruikt. Er is dan minder CHover om het ingedrongen CO2te binden, hetgeeneen vergroting van de carbonatatiediepte geeft. Dechloride-migratieco?ffici?nt en chloridenpenetratiedoor cyclische onderdompeling zijn echter lager.Cement met een hoge sulfaatweerstand (CEM I 52,5HSR; ZVB4) geeft met betrekking tot de hydratatieen de pori?nstructuur weinig verschil ten opzichtevan CEM I 42,5 R. Ook de hoeveelheden CH enCSH zijn nagenoeg gelijk. De carbonatatiesnelheidis dan ook ongeveer even groot. Wel leidt de vervan-ging van CEM I 42,5 R door CEM I 52,5 HSR toteen lager massaverlies bij vorst-dooiaantasting incombinatie met dooizouten, tot een lagere chloride-migratieco?ffici?nt en tot een lagere chloridenpene-tratie door cyclische onderdompeling.ZVB4 (CEM I 52,5 HSR) vergelijken met ZVB2(CEM I 52,5) wijst op een hogere chloridenpene-tratie: ZVB4 heeft een lager C3A-gehalte (C3A bindtchloride-ionen door de vorming van calciumchlo-roaluminaat).Variatie van het type vulstofKalksteenvulstof met een fijnere structuur (ZVB5)toepassen heeft geen invloed op de uiteindelijke0510152025303540 ZVB1ZVB2ZVB3ZVB4ZVB5ZVB6ZVB7ZVB8ZVB9ZVB10ZVB11ZVB12ZVB13ZVB14ZVB15ZVB16TB1TB2TB3TB4H(mm/jaar)4 |Difffusieco?ffici?nt H bij cyclische onderdompeling5 |Massavariatie in functie van de tijd bij onderdompeling in eenoplossing van melkzuur en azijnzuur6 |Massavariatie in functie van de tijd bij onderdompeling in eenoplossing van zwavelzuur-14-12-10-8-6-4-200 5 10 15 20 25 30 35 40 45duur van de onderdompeling (dagen)massavariatie(%)ZVB7ZVB1ZVB8ZVB9-14-12-10-8-6-4-20240 5 10 15 20 25 30 35 40 45ZVB7ZVB1ZVB8ZVB9duur van de onderdompeling (dagen)massavariatie(%)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eD uur zaam heidcement 2005 7 79hoeveelheid CH en CSH. Eventueel kan door eenbetere hydratatie een iets fijnere pori?nstructuurontstaan. Er is geen verschil in de carbonatatie-constante waargenomen. Wel zijn de chloriden-penetratie door cyclische onderdompeling en dechloride-migratieco?ffici?nt iets lager. Bij vorst-dooiaantasting in combinatie met dooizouten leidthet tot een groter massaverlies.Vliegas (ZVB6) verbruikt een deel van het CH,waardoor er minder overblijft om ingedrongenCO2te binden. Echter, het leidt ook tot een fijnerepori?nstructuur, waardoor de indringing van CO2trager verloopt. De carbonatatiesnelheden zijn ver-gelijkbaar waaruit blijkt dat beide effecten elkaarhier compenseren.Vervanging van kalksteenvulstof door vliegas ver-laagt aanzienlijk het massaverlies bij onderdom-peling in melk- en azijnzuur; bij blootstelling aanzwavelzuur is juist sprake van een toename.Variatie van de onderlinge hoeveelheid cement?poederen de hoeveelheid waterEen variatie in de verhoudingen van het cement enhet poeder (cpf) bij dezelfde hoeveelheden water enpoeder (dus constante wpf) toont bij een afnamevan de cpf (dus een hogere wcf) een toenamevan de carbonatatiesnelheid (ZVB7, ZVB1, ZVB8,ZVB9), de chloridenpenetratie en het massaverliesbij vorst-dooiaantasting met dooizout.Dit wordt ook waargenomen als de hoeveelheidwater wordt verhoogd bij gelijkblijvende hoeveel-heden cement en poeder (toename van de wcf enwpf).Variatie van toeslagmateriaalDoor het gebruik van kalksteenslag (ZVB16) inplaats van rolgrind, zou de hechting tussen decementmatrix en de granulaten beter zijn. Decarbonatatiesnelheid neemt af en de chloridenpe-netratie is iets lager. Tevens neemt het massaverliesbij vorst-dooiaantasting met dooizout af. Een aan-zienlijk massa- en druksterkteverlies wordt waar-genomen bij onderdompeling in een oplossingmet melkzuur en azijnzuur. Dit is te wijten aan debelangrijke aantasting van het kalksteenslag zelf.Vergelijking tussen ZVB en TBDe overeenkomstige mengsels van TB en ZVBhebben steeds dezelfde waarde voor de wcf, dit integenstelling tot de waarde van de wpf. De men-gelingen TB1, TB2, TB3 en TB4 kunnen wordenvergeleken met respectievelijk ZVB1, ZVB3, ZVB4en ZVB8.Bij het toepassen van CEM I 42,5 R (ZVB1 & TB1)en CEM III A 42,5 LA (ZVB3 & TB2) toont ZVB eenkleinere carbonatatiediepte dan TB. Voor CEM I52,5 HSR (ZVB4 & TB3) is het echter omgekeerd.De chloridenpenetratie door cyclische onderdom-peling en het massaverlies bij vorst-dooiaantastingmet dooizouten zijn in het algemeen voor TB hogerdan voor ZVB.ZVB toont een lager massaverlies bij onderdompe-ling in een oplossing van melkzuur en azijnzuurdan TB. Desondanks wordt voor ZVB toch een watlagere resterende druksterkte gevonden. Bij onder-dompeling in een oplossing met zwavelzuur blijktechter dat ZVB3 het hoogste massaverlies heeft,terwijl TB2 de grootste massatoename toont. Inbeide is CEM III A 42,5 LA gebruikt. Bij gebruikvan CEM I 52,5 HSR is er nauwelijks onderscheidtussen ZVB en TB. Momenteel worden bijkomendetesten uitgevoerd om dit probleem verder te onder-zoeken. L i t e r a t u u r1. Audenaert, K., G. De Schutter & V. Boel, Trans-portmechanismen in zelfverdichtend beton (2).Cement 2005 nr. 6.2. Tang, L. & L. Nilsson, Rapid determination ofchloride diffusivity of concrete by applying anelectric field. ACI Materials Journal, Vol. 89,January 1992.3. De Belie, N., J. Monteny & L. Taerwe, Apparatusfor accelerated degradation testing of concretespecimens. Materials and Structures, Vol. 35,August 2002.4. Peterson, K., Air void analysis of hardened con-crete via flatbed scanner. Thesis master of sci-ence in civil engineering, Michigan TechnologyUniversity.5. Liu, J. & C. Vipulanandan, Modeling water andsulfuric acid transport through coated cementconcrete. Journal of engineering mechanics, ASCE /April 2003.020406080100120ZVB1ZVB2ZVB3ZVB4ZVB5ZVB6ZVB7ZVB8ZVB9ZVB10ZVB11ZVB12ZVB13ZVB14ZVB15ZVB16TB1TB2TB3TB4resterendedruksterkte(%)zwavelzuur melkzuur en azijnzuur7 |Resterende druksterktena onderdompelingin respectievelijk eenoplossing van zwavel-zuur en een oplossingvan melkzuur en azijn-zuur