ir.J.G.Wiebengahoofd van de groep 'Bouwmaterialen',TNO-IBBC, DelftVorstschade aanbetonoppervlakkenU.D.C. 69.059.22:531.724Vorstschade aan betonoppervlakken1Afmetingen van de betonplaatjes en deaanduiding van de proefstukken1. InleidingHoewel beton in het Nederlandse winterklimaat over het algemeen goed vorstbestendig is,worden in de praktijk toch meermalen schadegevallen gesignaleerd aan betonconstructies of-Produkten. In de meeste gevallen blijkt dan van oppervlakteschade sprake te zijn, waarbij decementhuid of de buitenste mortellaag tot enkele millimeters diep van het beton loskomt.Het aantal schadegevallen dat bij het IBBC-TNO voor onderzoek bekend wordt, varieert sterkvan jaar tot jaar. Vooral de afgelopen winterperiode (1969-1970) vertoonde een opleving indergelijke schaden, evenals dat h?t geval was in de winter 1962-1963. De indruk bestaat, datjuist in de laatste jaren deze vorm van schade meer voorkomt dan vroeger. Men kan zichafvragen wat hiervan de oorzaak is.Om meer inzicht te verkrijgen in de mogelijkheid van vorstschade bij verschillende beton-kwaliteiten, is bij het IBBC een proevenserie uitgevoerd. Bij dit onderzoek is getracht eencorrelatie te vinden tussen de gevoeligheid voor vorstinwerking en diverse kwaliteitsmaat-staven van het beton.Het hier weergegeven onderzoek moet als een eerste ori?ntatie worden gezien. Het is debedoeling te zijner tijd meer gegevens te verzamelen. Gemeend werd, dat de tot dusver ver-kregen resultaten voor de praktijk reeds zeer belangrijk zijn.2. Opzet van het onderzoek2.1. AlgemeenE?n van de uitgangspunten bij het kiezen van parameters in het onderzoek was, dat bij inten-sief trillen van beton veel fijn materiaal naar de betonoppervlakken wordt gedreven, waar-door wellicht een relatief zwak betonoppervlak wordt verkregen ten opzichte van beton datminder intensief, bij voorbeeld door stampen, is verdicht. Daarom werd een deel van hetaantal te maken proefstukken verdicht door (intensief) trillen en een deel door stampen(indien mogelijk in verband met de consistentie). Tevens werd een korrelgradering met rela-tief veel fijn materiaal gekozen.De tweede parameter was de cementsoort. Gebruikt werden portlandcement klasse A enhoogovencement klasse A.Voorts werden drie consistentiematen gekozen, te weten zetmaten van ca. 2 cm, ca. 8 cm enca. 14 cm.Als nabehandeling werden bij dit onderzoek alle proefstukken vanaf het ontkisten op 1 dagouderdom, tot 3 dagen ouderdom bij 20 ?C en 98% relatieve vochtigheid geplaatst, en daarnatot 28 dagen ouderdom bij 20 ? en 65% relatieve vochtigheid. Vanaf 28 dagen ouderdomwerden diverse eigenschappen van verharde betonproefstukken bepaald.2.2. Proefstukken en betonsamenstellingenEr werden tien betonplaatjes vervaardigd, met afmetingen van 40 cm (breed), 10 cm (dik) en60 cm (hoog) (zie fig. 1).in tabel 1 zijn enkele gegevens verzameld betreffende de samenstellingen, de wijze van ver-dichten en eigenschappen van de betonspecie. De proefstukken 1 en 2, met een zetmaat van2 cm, werden verdicht door intensief trillen. De proefstukken 3 t/m 6, met een zetmaat vanca. 8 cm, werden hetzij door trillen, hetzij door stampen verdicht. Hetzelfde geldt voor de -proefstukken 7 t/m 10, die een zetmaat van ca. 14 cm hadden.De bereikte betere verdichting bij intensief trillen ten opzichte van stampert blijkt uit de ver-kregen lagere luchtgehalten (z/e tabel /). Bij elk van de samenstellingen werd 325 kg cementper m3beton gebruikt. Bij de helft van het aantal proefstukken was dit portlandcement klasseA, en bij de overige hoogovencement klasse A.De korrelgradering van het toeslagmateriaal wordt grafisch weergegeven in figuur 2; defijnheidsmodulus bedroeg 5,11. Bij het vaststellen van de korrelgradering werd uitgegaan vanzand en grind dat voldeed aan de eisen van de GBV 1962. Voor het zand werd de maximaaltoegelaten hoeveelheid fijn materiaal < 0,150 mm, te weten 5%, en < 0,300 mm, te weten22,5% gekozen. De fijnheidsmodulus van het zand bedroeg 2,60.De fijnheidsmodulus van het grind was 6,51. Door mengen van 36% zand met 64% grindCement XXIII (1971) nr. 1 32Tabel 1Gegevens betreffende betonsamenstellingen,wijze van verdichten en eigenschappen vande verse betonspecie, alsmede sterkte vanhet verharde beton na 28 dagentoeslag/cement in droge gewichtsdelen 5,88; 325 kg cement per m3betonbetonplaat nr. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10cementsoort1) HO HO HO HO HOwater-cementfactor 0,47 0,46 0,50 0,50 0,51 0,51 0,5350,5350,52 0,52zetmaat (cm) 2 2 . 8 7 7,5 8 14 14 14,5 14,5schudmaat (cm) 34 32 40 38 41 41 56 56 52 50verdichting door2) s ? S S Suchtgehalte (%) 1,2 1,2 0,7 2,0 0,8 2,1 1,0 1,8 0,8 1,5volumegewJcht (kg/dm3) 2,40 2,38 2,38 2,36 2,39 2,35 2,37 2,34 2,36 2,34sterkte na 28 dagen verhardenDuigtreksterkte3) (kgf/cm2} 51,5 47,4 34,1 45,9 47,0 54,6 35,0 38,6 42,5 52,4druksterkte4) (kgf/cm2) 442 473 445 420 395 391 304 291 340 356volumegewicht (kg/dm3) 2,39 2,41 2,39 2,37 2,40 2,38 2,37 2,35 2,37 2,38 = portlandcement klasse AHO = hoogovencement klasse A2) = intensief trillenS = stampen3)buigtreksterkte uit een drielijnsbuigproef, opleglengte 20 cm; belastingssnelheid 40 kgf/s4)druksterkte op beide helften na het breken, via stalen drukplaten van 10 X 10 cm2;belastingssnelheid 2 ? 3 kgf/cm2/swerd de korrelgradering volgens figuur 2 verkregen. Bij het samenstellen van de beton-mengsels werd overigens het toeslagmateriaal droog en per fractie afzonderlijk, afgewogen.Op 25 en 26 dagen ouderdom werden de betonplaatjes verzaagd tot proefstukken, zoals infiguur 1 is aangeduid.Uit deel A werd een prisma van 10 ? 10 ? 30 cm verkregen voor het bepalen van de buig-treksterkte en de druksterkte.Uit deel werden drie blokjes van 8 ? 8 ? 10 cm gezaagd, waarop zandblaasproeven wer-den uitgevoerd volgens N 502.Uit deel werd een prisma van 10 ? 10 ? 30 cm gezaagd waarop vriesproeven in zeewaterwerden uitgevoerd.De genoemde proeven werden op of vanaf 28 dagen ouderdom verricht.3. Onderzoek en resultaten3.1. Buigtrek- en druksterkteEen overzicht van de buigtrek- en druksterkte wordt in tabel 1 (onderaan) gegeven. Het isopvallend dat de proefstukken die werden getrild, een lagere buigtreksterkte hadden dan deproefstukken van gelijke samenstelling die werden gestampt. Gemiddeld werd bij de getrildeproefstukken 83% van de buigtreksterkte van de gestampte proefstukken verkregen. Eendergelijk verschil was niet aanwezig bij de druksterkte.2Korrelverdeling van het toeslagmateriaalCement XXIII (1971) nr.1333Gewichtsverlies bij de zandblaasproef alsfunctie van de hoeveelheid opgeblazen zand4Gewichtsverlies bij de zandblaasproef met100 g zand als functie van dewater-cementfactor*Zie bijv. 'Freezing and thawing of concrete-mechanisms and control', door William A.Cordon, gepubliceerd door American Con-crete Institute en Iowa State University Press.3.2. ZandblaasproevenDe zandblaasproeven werden zowel op de bekistingsvlakken als op de zaagvlakken uitge-voerd. Bovendien werd het gewichtsverlies bepaald als functie van de hoeveelheid opgebla-zen zand, door tot 1000 g zand in fasen van 100 g te blazen, en daarna in fasen van 500 g totde totale hoeveelheid van 3500 g.In figuur 3 worden de uitkomsten voor de bekistingsvlakken, per betonsamenstelling gemid-deld voor de drie proefstukken, grafisch weergegeven. In het algemeen bleek voor de lagerezetmaten een geringer gewichtsverlies aanwezig te zijn dan voor de hogere zetmaten, voorzover meer dan circa 1000 g zand werd geblazen.De uitkomsten verkregen na het blazen met 100 g zand werden afzonderlijk ten opzichte vande water-cementfactor grafisch weergegeven in figuur 4, zowel voor bekistingsvlakken alsvoor zaagvlakken. Hieruit blijkt in de eerste plaats dat bij bekistingsvlakken het gewichts-verlies groter was dan bij zaagvlakken. Bovendien blijkt dat bij de bekistingsvlakken van deproefstukken met hoogovencement, het gewichtsverlies groter was dan van die met portland-cement. Dit verschil tussen het gedrag met hoogovencement en met portlandcement was nietaanwezig bij de zaagvlakken. Er was slechts weinig of geen systematisch verschil in hetgewichtsverlies bij de getrilde proefstukken ten opzichte van de gestampte.3.3. VrlesproevenDe vriesproeven werden uitgevoerd in zeewater. Gebleken is namelijk, dat bij vriezen in zee-water, veel sneller schade kan ontstaan dan bij vriezen in zoet water. Dit kan waarschijnlijkin hoofdzaak worden verklaard door de osmotische drukken, die ten gevolge van zoutconcen-tratieverschillen in het pori?nwater tijdens het bevriezen optreden.* Dit is dus een andereffect dan bij het opbrengen van dooizouten optreedt, waarbij in de toplaag een steile tempe-ratuurgradi?nt wordt opgewekt. ?In de praktijk zijn vorstschadegevallen bekend geworden, zowel door inwerking van zoutwater verkregen door dooizouten, als door-Inwerking van zeewater.Eerst werden de proefstukken gedurende vier etmalen in zeewater geplaatst. Daarna werdende prisma's rechtopstaand, tot ongeveer eenderde van de hoogte, dus ca. 10 cm, in een bakzand geplaatst. Het vriezen had plaats in circulerende lucht van ongeveer --18 ?C tot detemperatuur in het zand --10 ?C was. Het dooien geschiedde door dompelen in zeewatervan 20 ?C. Er werden aldus totaal 25 cyclussen uitgevoerd.Controle op het optreden van schade had in eerste instantie plaats door wegen, door hetmeten van de longitudinale resonantiefrequentie en visueel, gesteund door fotografischeopnamen.De wegingen gaven geen goede indicatie van de schade, aangezien te weinig materiaal waslosgeraakt.Cement XXIII (1971) nr. 1 34Cement XXIII (1971) nr. 1 356Vorstschade bepaald met de plamuurproefals functie van de water-cementfactor7Vorstschade volgens visuele beoordelingals functie van de water-cementfactorUit de resonantiemetingen blijkt, dat de dynamische elasticiteitsmodulus voor alle proefstuk-ken, met uitzondering van proefstuk 7, na 25 vriescyclussen vari?rend van 99% tot 106%bedroeg ten opzichte van de toestand voor het vriezen. Voor proefstuk 7 was deze relatieveelasticiteitsmodulus na 25 cyclussen 76%.Fig. 5 (blz. 35) toont een serie foto's van de proefstukken na 25 cyclussen. Van elk proefstukzijn de vier lange zijden op deze foto's zichtbaar, dat wil zeggen drie bekistingsvlakken en??n zaagvlak. Op deze figuur werd een (subjectieve) cijferwaardering voor het uiterlijk vande proefstukken gegeven. Daarbij werd een 10 aan een onbeschadigd proefstuk en een 1aan een zeer zwaar beschadigd proefstuk toegekend.Volgens de visuele beoordeling was er een veel genuanceerder schadebeeld aanwezig danvolgde uit de resonantiemetingen. Klaarblijkelijk was er dus inderdaad sprake van een opper-vlakteschade (behalve bij proefstuk 7), die niet uit de resonantiemetingen blijkt.Vervolgens werd getracht de oppervlakteschade objectiever in een getalwaarde vast te leg-gen. Daartoe werd op ??n van de beschadigde bekistingsvlakken van elk proefstuk, op eenstrook van ongeveer 5 ? 7 cm plamuur aangebracht, tot de oorspronkelijke buitengrens vanhet beton was bereikt. Hoe meer plamuur per oppervlakte-eenheid nodig was, hoe dieper debeschadiging was. Door weging werd de hoeveelheid opgebrachte plamuur vastgesteld. Dealdus verkregen resultaten werden eveneens in figuur 5 aangetekend (in g/cm2).Vergelijking met de visuele beoordeling toont dat de rangorde van de schade in hoofdlijnenhetzelfde was. Enkele relatief grote verschillen in de beoordeling kunnen worden verklaarddoordat bij de visuele beoordeling het afbrokkelen van de ribben ook in de beschouwingwerd betrokken, wat bij de plamuurproef niet het geval was.In figuur 6 is de vorstschade, bepaald met de plamuurproef, als functie van de water-cement-factor grafisch weergegeven. Figuur 7 toont een analoog beeld, waarbij echter de visuelebeoordeling voor de schade werd gebruikt.Uit beide- figuren blijkt duidelijk dat de proefstukken met hoogovencement, ongeacht dewater-cementfactor, meer schade vertoonden dan die met portlandcement. Het sterk afwij-kende gedrag ten opzichte van alle andere proefstukken van proefstuk 7, dat door het vriezenover de gehele doorsnede kapot ging, kan niet verklaard worden.Wel kan hierbij nog worden opgemerkt, dat de oppervlakteschade zoals deze uit figuur 5blijkt na 25 cyclussen, reeds vanaf ca. zes cyclussen in dezelfde rangorde per proefstuk -wezig was, met uitzondering van proefstuk 7. Dit proefstuk vertoonde toen een oppervlakte-schade, nagenoeg gelijk aan die van proefstuk 5.Uit de figuren 6 en 7 blijkt verder de tendens, dat de getrilde proefstukken meer schadehadden dan de gestampte, terwijl ook een hogere water-cementfactof gunstiger was daneen lagere.3.4. Relatie tussen de vorstgevoeligheid van de betonoppervlakken en andeo eigenschappenvan het betonHet is interessant om na te gaan in hoeverre men de vorstgevoeligheid van de betonopper-vlakken kan aantonen door middel van bepaalde eigenschappen van het beton. In de eersteplaats werd daartoe de vorstschade, bepaald met de plamuurproef, in figuur 8 uitgezet alsfunctie van de buigtreksterkte en in figuur 9 als functie van de druksterkte. Uit beide figurenblijkt dat er geen verband was tussen de vorstschade aan het oppervlak en de sterkte vanhet beton.Vervolgens werd de vorstschade ten opzichte van het gewichtsvei ?ios bij de zandblaasproefbeschouwd. Hiertussen bleek ook geen verband aanwezig te zijn, indien het gewichtsverliesbehorende bij 3500 g opgeblazen zand werd beschouwd. Het gewichtsverlies ten gevolge van100 g zand bleek wel verband met de vorstschade aan het opperv!ak te geven. De hiervoor8Vorstschade bepaald met de plamuurproefals functie van de buigtreksterkte9Vorstschade bepaald met de plamuurproefals functie van de druksterkte10Vorstschade volgens de plamuurproefals functie van het gewichtsverlies bij dezandblaasproef met 100 g zandCement XXIII (1971) nr. 1 36berekende correlatieco?ffici?nt was 0,70 (met = 10 puntenparen), wat duidt op een signifi-cantieniveau (tweezijdig) van ca. 98%. Figuur 10 geeft dit verband grafisch weer.De spreiding bij deze correlatie was echter zeer groot: de variatieco?ffici?nt bedroeg tenopzichte van de gemiddelde waarde 68%, zodat geen praktische waarde aan deze correlatiekan worden gehecht.Men moet uit het bovenstaande dus de conclusie trekken, dat een voorspelling van de vorst-gevoeligheid van het betonoppervlak aan de hand van andere dan vriesproeven (nog) nietmogelijk is, maar dat kennis van de samenstelling van het beton voorlopig de beste indicatievormt.4. ConclusiesVoor proefstukken, samengesteld volgens de onderstaande gegevens, met:? 325 kg hoogovencement klasse A per m3, respectievelijk 325 kg portlandcement klasse Aper m3;? zetmaten van respectievelijk 2, 8 en 14 cm;? water-cementfactoren vari?rend van 0,46 tot 0,54;? nabehandeling na 1 dag in de mal, tot 3 dagen ouderdom bij 20 ?C en 98% relatieve vochtig-heid en vervolgens tot 28 dagen ouderdom bij 20 ?C en 65% relatieve vochtigheid;werden de volgende conclusies verkregen:a. Bij gebruik van hoogovencement klasse A werd bij vriesproeven in zeewater sterke opper-vlakteschade waargenomen, terwijl bij gebruik van portlandcement klasse A slechts geringeof nagenoeg g??n schade bij deze vriesproeven werd waargenomen.b. Er was een geringe aanwijzing dat intensief trillen van het beton tot een zwakker oppervlaken meer vorstschade leidde, dan stampen van het beton.c Een lagere water-cementfactor resulteerde, vooral bij de proefstukken met hoogovencement,in geringere vorstschade dan een hogere water-cementfactor.d. De buigtreksterkte van het intensief getrilde beton bedroeg gemiddeld 83% van die van hetgestampte beton, dat overigens dezelfde betonsamenstellingen omvatte.5. SlotbeschouwingHoewel in het voorgaande werd geconstateerd dat bij een vriesproef in zeewater proefstuk-ken gemaakt met hoogovencement klasse A veel sterkere oppervlakteschade vertoonden danovereenkomstige proefstukken gemaakt met portlandcement klasse A, mag men daaruit nietconcluderen dat bij voorbeeld bij omstandigheden nabij de zee ? priori de voorkeur gegevenzou moeten worden aan het gebruik van portlandcement.Beton met hoogovencement heeft onder meer (vooral bij onvoldoende dichtheid) het voordeelveel beter bestand te zijn tegen de agressieve werking van sulfaten en zeewater, dan betonmet portlandcement, omdat het hoogovencement door de samenstelling ervan slechts weinigmet sulfaten kan reageren. Verder geeft hoogovencement tijdens de verharding een geringerewarmte-ontwikkeling, wat bij massabeton een belangrijk voordeel kan betekenen met het oogop het risico van scheuren door temperatuurspanningen.Een tweede factor die een rol speelt bij het beoordelen van de proef resultaten is dat er geencorrelatie bekend is tussen het effect van de vriesproeven en het effect dat in de praktijk kanworden verwacht. Een grote moeilijkheid hierbij is, dat de 'praktijk' in feite een oneindigaantal variaties kan omvatten, zowel wat betreft klimatologische omstandigheden, tezamenmet de factor tijd, als wat betreft de soort constructie en de plaats in de constructie.Het zou, gezien het bovenstaande, bij de keuze van de cementsoort al te lichtvaardig gedachtzijn om zonder meer af te zien van onder andere een betere sulfaatbestendigheid (die hethoogovencement biedt), ten einde een mogelijk hoger risico van vorstschade aan het opper-vlak te willen ontlopen.Met betrekking tot het hier beschreven onderzoek komt voorts het belang naar voren ommeer kennis te verzamelen over de eigenschappen van de buitenhuid van beton, waarbijwordt gedacht aan een schil tot circa 1 cm dikte. De betonschil speelt onder andere ook eenbelangrijke rol met betrekking tot het gedrag van verf op beton, de hechting van mortel- enstuclagen, de kans op corrosie van wapeningsstaal, en 'last but not least' het uiterlijk van hetbeton. De ontwikkeling van methodieken waarmee de kwaliteit van de betonschil kan wordengekarakteriseerd, verdient derhalve aandacht.Ten slotte kan worden opgemerkt dat het risico van vorstschade, naar verwachting ook watbetreft het betonoppervlak, enerzijds zoveel mogelijk kan worden verminderd door het toe-passen van een lage water-cementfactor (waarbij een hoger cementgehalte nodig kanblijken). Daardoor wordt het pori?ngehalte zoveel mogelijk verminderd en wordt een door-gaande pori?nstructuur zoveel mogelijk belemmerd.Anderzijds, in het gebied van de hogere water-cementfactoren (hoger dan ca. 0,45), kan hetgebruik van een luchtbelvormer gunstig werken. Een luchtbelvormer zorgt ervoor dat depori?nkanaaltjes onderbroken worden door luchtbelletjes. Indien de onderlinge afstand en degrootte van de belletjes gunstig zijn, dan verkrijgt men voldoende uitwijkmogelijkheden voorbevriezend water in de pori?n, zodat schade wordt voorkomen. Ten slotte kunnen ook midde-len die de waterdichtheid van het beton verbeteren, een gunstige werking hebben met betrek-king tot de vorstbestendigheid.Het ligt in de bedoeling de kwantitatieve effecten van deze factoren nog nader te onder-zoeken.Cement XXIII (1971) nr.1 37