18 Mechanische eigenschappen geopolymeerbeton Intro Onderzoek naar ontwikkeling van materiaal eigenschappen en buiggedrag van gewapende balken in de tijd Afstudeerstudie Dit artikel is gebaseerd op de afstudeerstudie 'Alkali- activated concrete: development of material proper - ties (strength and stiffness) and flexural behaviour of reinforced beams over time' dat Silke Prinsse heeft uitgevoerd aan de TU Delft. Bij dit artikel op www. cementonline.nl staat een link naar de thesis. Afstu - deerhoogleraar was prof.dr.ir. D.A. Hordijk. In haar afstudeercommissie hadden verder zitting: dr.ir. M. Lukovi?, dr.ir. G. Ye en ir. P. Lagendijk (allen TU Delft). Silke is nu werkzaam bij IMd Raadgevende Ingenieurs. Mechanische eigenschappen geopolymeerbeton 3 2018 19 1 Conventioneel beton versus geopolymeerbeton Van oudsher wordt beton geproduceerd met cement als bindmiddel. De productie van cement heeft veel milieu-impact, de wereldwijde productie resulteert in circa 5% van de door de mens veroorzaakte CO 2-emissies. Om de betonketen te verduurzamen, wordt daarom gestudeerd op de potentie van zoge - noemde 'groene' bindmiddelen. Een mogelijk alter - natief voor cementbeton is geopolymeerbeton, waarbij in plaats van cement industriële bijproduc - ten als bindmiddel worden (her)gebruikt. In een afstudeerstudie aan de TU Delft is onderzoek gedaan naar dit materiaal om meer inzicht te verkrijgen in het constructieve gedrag, met name in de tijd, en de potentiële toepasbaarheid. Bij conventioneel beton bestaat het bindmiddel uit water en cement. Bij geopolymeerbeton bestaat het bindmiddel uit geopolymeerbeton is nog onvoldoende bekend hoe de verschil - lende eigenschappen zich tot elkaar verhouden. Dit komt onder andere door het feit dat er een enorme spreiding aan onder - zoeksresultaten voor mechanische eigenschappen van geopoly - meerbeton is gepubliceerd. Eigenschappen zijn waarschijnlijk ook afhankelijk van de samenstelling van het mengsel, deze samenstelling kan bij geopolymeerbeton zeer sterk variëren. Zo kunnen vele verschillende stoffen en alkalische activators als bindmiddel worden gecombineerd. Geopolymeerbeton met slakken heeft andere eigenschappen dan geopolymeerbeton met bijvoorbeeld vliegas. Een combinatie van beide stoffen, of de keuze voor een andere alkalische activator, resulteert in weer andere eigenschappen. Ook de nabehandeling (luchtvochtig - heid, temperatuur) heeft veel invloed op de eigenschappen van geopolymeerbeton [4]. Verder is er nog relatief weinig bekend over hoe het materiaal zich op de lange termijn gedraagt. In de meeste studies worden alleen de mechanische eigenschappen op 28 dagen gerappor - teerd. In een aantal onderzoeken waar wel de langere termijn is beschouwd, is door onderzoekers soms een afname van sterkte en stijfheid in de tijd gerapporteerd [1, 2 en 3]. Dat betrof onderzoeken met geopolymeerbeton waarin hoogovenslak aanwezig was (dus niet bij mengsels met alleen vliegas als vulstof in het bindmiddel). Het is onbekend of dit fenomeen een rol speelt bij alle geopolymeerbetonmengsels en er is, voor ir. Silke Prinsse vulstoffen, bijvoorbeeld slak of vliegas (bijproducten van aller - lei industrieën), en een zogenoemde alkalische activator, bijvoorbeeld waterglas of natriumhydroxide (fig.1). In andere landen wordt geopolymeerbeton al veel langer toege - past. In Australië zijn met dit materiaal bijvoorbeeld prefab vloerelementen en een dek voor een fietsbrug gemaakt. Al is geopolymeerbeton dan misschien veelbelovend op het gebied van milieu, het materiaal wordt in Nederland nog niet vaak (constructief ) toegepast. Redenen hiervoor zijn dat er geen normen en regelgeving beschikbaar zijn, het materiaal relatief nieuw is en het aantal onderzoeken naar constructief gedrag van geopolymeerbeton nog beperkt is.    (On)bekendheid eigenschappen Of bestaande regelgeving voor conventioneel, cementgebonden beton ook direct van toepassing is voor geopolymeerbeton, is nog onvoldoende onderzocht. Bij cementgebonden beton wordt uitgegaan van de druksterkte, waaraan bijna alle eigen - schappen worden ontleend. Als de druksterkte bekend is, kan een goede inschatting worden gemaakt van de andere eigen - schappen, zoals treksterkte en elasticiteitsmodulus. Voor Benaming geopolymeerbeton In geopolymeerbeton bevat het bindmiddel in plaats van cement reactieve aluminium- en siliciumhoudende vulstoffen en een in water opgeloste alkalische activator (fig. 1). Vandaar dat ook de naam alkalisch-geactiveerd beton wordt gebuikt. Geopo - lymeerbeton is echter een meer populaire naam. Strikt genomen is die naam echter niet juist. De naam geopolymeerbeton heeft betrekking op de polymeerstructuur die wordt gevormd als een calciumarme vulstof (bijv. vliegas) alkalisch-geactiveerd is. Met een calciumrijke stof (bijv. slak) is er echter sprake van een ander type microstructuur. Toch wordt de term geopolymeerbeton in dit artikel gebruikt, omdat dit de gangbare naam is waaronder het materiaal bekend is. 1 Mechanische eigenschappen geopolymeerbeton 3 2018 20 Onderzoeksopzet en uitvoering Om inzicht te kunnen krijgen in een eventuele afname van sterkte en stijfheid in de tijd, zijn in het onderzoek druksterkte, elasticiteitsmodulus en splijttreksterkte op diverse momenten in de tijd bepaald, vanaf 28 dagen tot circa een halfjaar na het storten. Daarnaast was het de opzet niet alleen met kleine proefstukken (kubussen) bepaalde materiaaleigenschappen te onderzoeken, maar tevens echte constructieve elementen te beschouwen. Daarom is ook een aantal balken met wapening gemaakt en beproefd in een vierpuntsbuigproef. Naar aanleiding van gerapporteerde resultaten in de literatuur [3] was de hypothese dat de hoeveelheid hoogovenslak in het bindmiddel wellicht een rol zou kunnen spelen bij de gerappor - teerde afname van materiaaleigenschappen. Daarom zijn in dit onderzoek twee verschillende mengsels gebruikt, waarbij de verhouding hoogovenslak/vliegas in het bindmiddel verschilde: S50 en S100. De mengsels zijn in het kader van een ander promotieonderzoek ontwikkeld in het 'Microlab' van de TU Delft [6].   Mengselsamenstelling Het ene mengsel (S100) bevat alleen alkalisch-geactiveerde hoogovenslak als 'precursor' (vulstof ) in het bindmiddel. Het andere mengsel (S50) bevat bindmiddel met een samenstelling van 50% vliegas en 50% slakken als precursor. De gebruikte alkalische activator is een oplossing van natriumsilicaat (water - glas) en natriumhydroxide. Beide geopolymeerbetonmengsels, S100 en S50, worden gekenmerkt door een zogeheten solution- zover bekend, nog geen duidelijke verklaring voor de waarge - nomen reductie van sterkte en stijfheid in de tijd.  Een mogelijke afname van materiaaleigenschappen in de tijd is niet wenselijk. De oorzaak, omvang en impact van een moge - lijke reductie in eigenschappen zal tot op zekere hoogte moeten worden begrepen, alvorens het materiaal op grote schaal toe te passen.   In de afstudeerstudie is daarom onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van materiaaleigenschappen in de tijd en of deze ontwikkeling invloed heeft op het constructieve gedrag en praktische toepasbaarheid van geopolymeerbeton. De aandacht is daarbij uitgegaan naar meetwaarden van bepaalde eigen - schappen als functie van tijd, omdat onder meer in een CUR- publicatie [2] een afname van treksterkte is gerapporteerd voor een ouderdom tussen 28 en 250 dagen. CUR-aanbeveling Over geopolymeren als bindmiddel in betonwa - ren, zoals straatstenen, trottoirbanden en (gras) tegels, is recent CUR-Aanbeveling 123 'Geopoly - meren' afgerond. Daarin wordt onder meer inge - gaan op de langetermijnprestaties. Deze CUR- Aanbeveling komt binnenkort beschikbaar. 2 Mechanische eigenschappen geopolymeerbeton 3 2018 21 93,596 ,0 98,0 92,7 75 ,3 71,5 72 ,8 71,8 74,2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 12 0 0 50 100 150 200 250 d ag en d ruk ste rk te S 1 00 S5 0 druksterkte [MPa] 33, 0 31,9 28,6 26,2 26,4 21,4 18,4 17,4 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 0 50 100 150 200 250 d ag en elas tici te itsmod ulus [GPa] S1 00 S5 0 5,4 5,4 5,4 4,8 5,0 4,7 4,0 4,0 3,6 3,7 0 1 2 3 4 5 6 7 050100 150 200 250 d ag en splijt trekste rk te S 1 00 S5 0 sp lijt trekste rk te [MPa] 2 Gewapende balk in een vierpuntsbuigproef3 Ontwikkeling van materiaaleigenschappen in de tijd: (a) druksterkte, (b) elasticiteitsmodulus en (c) splijt - treksterkte binderverhouding van 0,53. Er zijn geen hulpstoffen (zoals vertragers) toegepast, omdat deze stoffen ook weer invloed kunnen hebben op de ontwikkeling van materiaaleigenschap - pen in de tijd.   Productie en nabehandeling Dat er geen vertragers zijn toegepast, betekent dat er snel gestort moest worden, omdat de verwerkingstijd van de meng - sels korter was dan een halfuur. De verwerkbaarheid kan door mengselsamenstelling worden gestuurd. Daarnaast kunnen in de praktijk wel vertragers worden toegepast. Overigens kan een snelle verharding voor de prefab-betonindustrie ook juist een voordeel zijn. Er kan zeer snel worden ontkist.   De proefstukken zijn één dag na het storten ontkist, en vervol - gens in een natte ruimte geplaatst (20 °C en 95% relatieve luchtvochtigheid). Na 28 dagen nabehandeling vond de eerste testserie plaats, en zijn de overige proefstukken in het laborato - rium (20 °C en 55% relatieve luchtvochtigheid) geplaatst, tot het moment van testen. Beproeving De mechanische eigenschappen zijn bepaald met behulp van balkvormige proefstukken (elasticiteitsmodulus) en kubussen (druk- en splijttreksterkte). Voor beide mengsels zijn per test - moment ten minste drie proefstukken beproefd, voor zowel elasticiteitsmodulus, druk- en splijttreksterkte.   De gewapende balken zijn beproefd in een vierpuntsbuigproef. In figuur 2 is de opstelling weergegeven. De balken werden scharnierend ondersteund met een overspanning van 1,5 m en onderworpen aan twee symmetrisch geplaatste puntlasten      Resultaten Mechanische eigenschappen In figuur 3 is de ontwikkeling van een aantal geteste materiaal - eigenschappen weergegeven. Na 28 dagen heeft de druksterkte al een zeer hoge waarde, respectievelijk 93 MPa en 75 MPa voor het S100- en S50-mengsel. De druksterkte blijft vanaf de eerste meting, 28 dagen na het storten, voor beide geopoly - meerbetonmengsels nagenoeg constant in de tijd.   Voor de elasticiteitsmodulus en splijttreksterkte is een afname over de tijd gemeten, voor zowel het S100- als S50-mengsel. De gemeten reductie is beduidend hoger voor het S50-mengsel (hoogovenslak en vliegas) dan voor het S100-mengsel (alleen hoogovenslak). Vooral bij de elasticiteitsmodulus gaat het met een afname van circa 35% tussen 28 en 193 dagen ouderdom om een significante reductie. De snelheid waarmee de afname 3a 3b 3c Mechanische eigenschappen geopolymeerbeton 3 2018 22 0 10 2 0 30 40 50 60 70 80 0 10 2030 4050 kracht [kN ] S50 ve rp laats in g [mm ] Beto n - 3 3d; f c m = 4 5 M Pa S5 0 - 33 d; f cm = 75 MPa S5 0 - 69 d; f cm = 77 MPa S5 0 - 152 d ; f c m = 7 9 M Pa 0 1 0 20 30 4 0 50 60 7 0 80 0 10 20 30 40 50 kra ch t [k N] S100 Beto n - 3 3d; f c m = 4 5 M Pa S1 00 - 3 4 d ; f c m = 8 7 M Pa S1 00 - 7 0 d ; f c m = 8 5 M Pa ve rp laatsin g [m m] optreedt, neemt af in de tijd. Ongeveer 85% van de afname vond plaats tot en met 90 dagen na het storten. Bij het S100-mengsel is de gemeten afname van de elasticiteitsmodu - lus ongeveer 20% tussen 28 en 193 dagen. Voor de splijttreks - terkte is de waargenomen afname respectievelijk 7% en 22% voor S100 en S50 tussen 28 en 193 dagen.   De verhouding tussen splijttreksterkte en druksterkte na 28 dagen is vergelijkbaar met de theoretische waarden van cementgebonden beton, voor zowel S50 en S100. Maar de gemeten elasticiteitsmodulus na 28 dagen is respectievelijk 20% en 30% lager voor de S100- en S50-mengsels, in vergelij - king met conventioneel cementgebonden beton met eenzelfde druksterkte. Hierbij moet echter wel worden opgemerkt dat ook bij traditioneel cementbeton sprake is van een relatief grote spreiding.   Gewapende balken ? vierpuntsbuigproeven Alle gewapende balken bezweken conform het ontwerp op buiging, na het vloeien van de wapening. Figuur 4 toont de resul - taten van de vierpuntsbuigproeven. In de grafieken zijn ook de resultaten van een vierpuntsbuigproef op een gewapende balk van conventioneel beton geplot. Dit betrof een experiment in het kader van het afstudeerwerk van Huang [5]. De afmetingen en het wapeningspercentage van deze balk zijn identiek aan de beproefde geopolymeerbetonbalken. De druksterkte van deze balk (45 MPa) is lager dan de druksterkte van het geopolymeer - beton (94 en 75 MPa voor respectievelijk S100 en S50). De elasti - citeitsmodulus van het gebruikte cementgebonden beton is echter vergelijkbaar met die van het mengsel S100.   De testresultaten tonen aan dat het buiggedrag van de gewa - pende geopolymeerbetonbalken zeer vergelijkbaar is met conventioneel beton. Bij gewapend geopolymeerbeton treden 4a 4b 5 Mechanische eigenschappen geopolymeerbeton 3 2018 23 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 0 50 100 150 200 250 d ag en e las ticiteitsmo dulus S100 (91 d nat b ew aard ) S100 (28 d nat b ew aard ) S50 (91 d nat bew aar d) S50 (28 d nat b ew aard ) elasticiteitsmodulus [GPa] Het is niet erg waarschijnlijk dat de gemeten afname gerela - teerd is aan de hoeveelheid hoogovenslak in het bindmiddel, zoals de initiële hypothese was. Het geopolymeerbeton met een lager percentage hoogovenslak (S50) heeft in deze experimen - ten namelijk een sterkere afname laten zien dan het mengsel dat alleen alkalisch-geactiveerde hoogovenslak als precursor in het bindmiddel bevat (S100). De mate van reductie lijkt af te zwakken gedurende de tijd en lijkt uiteindelijk te stabiliseren. Van beide mengsels zijn twee extra proefstukken in de natte ruimte bewaard tot een ouder - dom van 91 dagen in plaats van 28 dagen. Na de langere periode van nabehandeling is van deze proefstukken de elasti - citeitsmodulus en splijttreksterkte bepaald. Dit gaf een interes - sant resultaat. De waarde van beide eigenschappen was in grootte toegenomen ten opzichte van de waarde op 28 dagen (zie fig. 6 voor de resultaten van de elasticiteitsmodulus). Ook bij deze proefstukken neemt vanaf het moment dat de proef - stukken uit de vochtkamer zijn gehaald en in laboratoriumom - standigheden worden bewaard de gemeten waarde voor de elasticiteitsmodulus weer af in de tijd. Kortom, in de natte ruimte nemen de sterkte en stijfheid van het materiaal in de tijd toe, zoals ook zou worden verwacht. Wanneer de proef - stukken worden blootgesteld aan een lagere relatieve vochtig - heid en dus uitdrogen, wordt in de proeven een lagere waarde waargenomen. Om te onderzoeken of er wellicht (micro)scheurvorming optreedt tijdens het uitdrogen, is de microstructuur van het materiaal bestudeerd. Zowel de proefstukken die 28 dagen als 91 dagen zijn nabehandeld, zijn hierbij in een ESEM (environ - mental scanning electron microscope) onderzocht. Er zijn daarbij geen duidelijke verschillen in microstructuur of scheurvorming waargenomen tussen enerzijds de proefstuk - ken die bij 91 dagen ouderdom direct uit de vochtkamer kwamen en anderzijds de proefstukken die tussen 28 en 91 dagen konden uitdrogen. dezelfde fasen als bij gewapend cementgebonden beton op: een lineair-elastische fase, het scheurmoment, vloeien van het wapeningsstaal, betonstuik of bezwijken van het wapenings - staal, gevolgd door het bezwijken van de balk.  Na het vloeien van de wapening bezweek de cementgebonden balk op betonstuik in de drukzone. Wegens de hogere druk - sterkte van het geopolymeerbeton was de capaciteit van de gewapende geopolymeerbetonbalken hoger in vergelijking met het cementbeton. Uiteindelijk bezweken de gewapende geopo - lymeerbetonbalken onder hoge vervorming, voornamelijk op het bezwijken van het wapeningsstaal, anders dan bij de cementgebonden betonbalk. In de gescheurde fase blijkt de stijfheid van de balk af te nemen bij een hogere ouderdom van het beton, hetgeen overeenkomt met wat is gevonden voor de elasticiteitsmodulus (fig.3B). Voor zowel de gewapende S50- als S100-balken was de stijfheid bij het beproeven na circa 70 dagen lager dan de stijfheid na onge - veer een maand. De stijfheid van de S50-balk die na 152 dagen is getest, had echter een hogere stijfheid vergeleken met de balk die op 70 dagen ouderdom werd beproefd, wat aan zou kunnen geven dat de afname van stijfheid slechts tijdelijk is. Figuur 5 geeft de scheurpatronen van de gewapende balken weer. Zowel de scheurafstand als de scheurwijdte (bij een gelijk buigend moment) zijn vergelijkbaar met het scheurgedrag van de reguliere gewapende betonbalk.      Gemeten reductie sterkte en stijfheid De experimenten hebben voor de toegepaste geopolymeerbe - tonmengsels na 28 dagen ouderdom een afname van de splijt - treksterke en elasticiteitsmodulus in de tijd laten zien. Dit resultaat komt overeen met hetgeen in een aantal publicaties over de ontwikkeling van sterkte en stijfheid in de tijd voor geopolymeerbeton is gerapporteerd. 4 Kracht-verplaatsingsdiagrammen van vierpuntsbuigproeven op gewapende balken voor (a) S50 en (b) S1005 Scheurpatronen tijdens en na de vierpuntsbuigproeven van de twee mengsels en cementgebon - den beton op verschillende tijd - stippen6 Invloed van nabehandeling op ontwikkeling elasticiteitsmodulus 6 Mechanische eigenschappen geopolymeerbeton 3 2018 24 geopolymeerbetonbalken vergelijkbaar zijn met het gedrag van een gewapende cementgebonden balk. Het is zeer goed moge - lijk dat de reductie van eigenschappen alleen een rol speelt voor kleine proefstukken en dat het effect verwaarloosbaar is bij grotere, gewapende elementen.   Door het onderzoek is duidelijk geworden dat er bij geopoly - meerbetonsoorten inderdaad in de tijd een afname van bepaalde mechanische eigenschappen kan worden waargeno - men. Waarschijnlijk heeft dit met het uitdrogen van de proef - stukken te maken en lijkt het geen consequenties te hebben voor constructieve toepassingen met geopolymeerbeton. Tot slot kan nog worden opgemerkt dat de mechanische en chemi - sche eigenschappen van geopolymeerbeton significant kunnen variëren, afhankelijk van de mengselsamenstelling. ?      ? LITERATUUR 1 Collins, F.G. & Sanjayan, J.G. Microcracking and strength development of alkali activated slag concrete. Cement and Concrete Composites, 23(4?5), 345-352, 2001. 2 Kennispaper: geopolymeerbeton. Delft: SBRCURnet, 2016. 3 Wardhono, A., Gunasekara, C., Law, D.W. & Setunge, S. (2017). Comparison of long term performance between alkali acti - vated slag and fly ash geopolymer concretes. Construction and Building Materials, 143, 272-279. 4 F. Pacheco-Torgal, F., Labrincha, J., Leonelli, C., Palomo, A. & Chindaprasit, P. Handbook of Alkali-Activated Cements, Mortars and Concretes. Oxford: Woodhead Publishing, 2015. 5 Huang, Z. Flexural behaviour of reinforced concrete beams with a layer of SHCC in the tension zone ? Experimental Study (Masterscriptie), Delft University Of Technology, Delft (2017). 6 Nedeljkovi?, M. Long-term performance of geopolymer concrete systems for production of environment friendly building materials. Lopend Ph.D. proefschrift (Delft Univer - sity of Technology, The Netherlands, 2014-2018). Dit Ph.D.-onderzoek wordt uitgevoerd onder project S81.1.13498 in het kader van het Partnership Programme van het Materials innovation institute M2i ( www.m2i.nl ) en de Technologiestichting STW ( www.stw.nl ), onderdeel van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onder - zoek ( www.nwo.nl ). Als de reductie in eigenschappen niet wordt veroorzaakt door scheuren in de (micro)structuur van het materiaal, is het zeer goed mogelijk dat (een deel van) de gemeten afname van tijdelijke aard is. De reductie is dan slechts het gevolg van een vochtgradiënt (eigenspanningen) in de proefstukken die gebruikt zijn om de eigenschappen te bepalen. Met aanvul - lend onderzoek kan worden nagegaan in welke mate de gemeten afname zich verder zal voortzetten.      Conclusies en aanbevelingen De in de literatuur gerapporteerde afnamen in de tijd voor (splijt- en buig-)treksterkte en elasticiteitsmodulus van geopo - lymeerbetonsoorten waren aanleiding voor het afstudeeron - derzoek. Voor constructieve toepassing met geopolymeerbeton wordt het wenselijk geacht dit gedrag te begrijpen. De resultaten hebben ook een afname van de mechanische eigenschappen (elasticiteitsmodulus, splijttreksterkte) voor het onderzochte geopolymeerbeton met vliegas en hoogovenslak laten zien. De gemeten afname is percentagewijs het grootst voor de elasticiteitsmodulus. De bevindingen in het onderzoek wijzen erop dat de waarge - nomen afname van de mechanische eigenschappen in de tijd is gerelateerd aan het uitdrogen (vochtverlies) van de proefstuk - ken. Als de gemeten lagere waarden voor de eigenschappen het gevolg zijn van eigenspanningen, waarbij er geen of slechts beperkt sprake is van (micro)scheurvorming, hoeft dit geen consequenties te hebben voor de eigenschappen van construc - ties gemaakt met geopolymeerbeton. Daarom wordt aanbevo - len nader onderzoek naar de besproken fenomenen uit te voeren. Daarbij kan dan ook worden gevarieerd in wijzen van nabehandeling.   De waargenomen reductie lijkt geen significant effect te hebben op buiggedrag van gewapende balken. Vierpuntsbuig - proeven hebben aangetoond dat constructief gedrag en scheu - rontwikkeling (wijdte en afstand) van gewapende Microlab TU Delft Het onderzoek is uitgevoerd bij de groep Betoncon - structies van CiTG aan de TU Delft. Voor de materiaal - kundige aspecten van het geopolymeerbeton en het maken van de mengsels is er veel ondersteuning geweest van Microlab TU Delft en in het bijzonder promovendus ir. M. Nedeljkovi?, hetgeen zeer waarde - vol was voor het onderzoek. Mechanische eigenschappen geopolymeerbeton 3 2018