56 thema Interactie beton en reparatiemiddel (1) 1 Onderzoek naar de invloed van de vochtuitwisseling in het reparatiesysteem Bij toepassing van een reparatiemiddel moet aandacht worden besteed aan de vochtigheid van het bestaande beton. Er kan immers vochttransport optreden vanuit het reparatiemiddel naar het beton en vice versa. Aan dat fenomeen is aandacht besteed in een promotieonderzoek aan de TU Delft [1]. Ongeveer 50% van het Europese bouwbudget wordt besteed aan onderhoud, herstel en reparatie. Reparaties van beton zijn hierin een belangrijk onderdeel. De huidige reparaties aan betonconstructies blijken echter veelal problemen te vertonen. Uit onderzoek blijkt dat in Europa 20% van reparaties binnen 5 jaar, 55% binnen 10 jaar en 90% binnen 25 jaar falen [2]. In Nederland wordt een vergelijkbaar gedrag van reparaties waar- genomen [3]. Ondanks de voortdurende ontwikkelingen en verbeteringen op het gebied van reparatiematerialen en technieken, blijft de prestatie van reparaties in de praktijk thema Interactie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 57 beperkt. De vraag is wat we moeten doen om dit te verbeteren. Om deze vraag te kunnen beantwoorden, moeten we naar het reparatiesysteem in zijn geheel kijken. Dat bestaat uit zowel het reparatiemateriaal als de ondergrond (het beton). De aandacht is tot nu toe erg gericht geweest op de ontwikkeling en toepas- sing van een 'perfect' reparatiemateriaal. Maar ondertussen begrijpen we nog maar nauwelijks de interactie tussen het oude, bestaande beton en de nieuwe reparatiematerialen. Het gaat daarbij om twee belangrijke aspecten. Als eerste de vochtuitwisseling in het reparatiesysteem. Die bepaalt hoe het reparatiemateriaal en de interface verharden. En als tweede het aspect van de samenwerking tussen verhardend reparatiemate- riaal en het beton onder belasting. In dit artikel wordt ingegaan op het eerste aspect. In een volgend artikel zal aandacht worden geschonken aan het tweede aspect. Vochtuitwisseling in het reparatiesysteem Beton heeft water nodig om te verharden. De beschikbaarheid van water en de verdeling daarvan bepaalt de ontwikkeling van de eigenschappen van het materiaal (sterkte, elasticiteitsmodulus, doorlaatbaarheid). Na het aanbrengen van het reparatiemateriaal begint de uitwisseling van water tussen het reparatiemateriaal en het beton. In het begin zal het droge beton water absorberen van het pas aangebrachte reparatiemateriaal. Dit heeft zeker voordelen ? het verbetert de 'chemische' hechting tussen de twee materialen. In geval van een met water verzadigde onder- grond gebeurt het vaak dat het oppervlak van het beton niet voldoende wordt drooggemaakt, wat leidt tot het ontstaan van een waterlaagje dat de hechting vermindert. Is de ondergrond te droog, dan wordt er te veel water aan het reparatiemateriaal onttrokken en blijft er te weinig water over voor het verharden van het reparatiemateriaal. Vochtuitwisseling kan het succes van een betonreparatie behoorlijk beïnvloeden maar de invloed daarvan is nog steeds niet duidelijk en vraagt om meer inzicht in wat er echt gebeurt. De belangrijkste parameters die invloed hebben op vochtuit- wisseling in het reparatiesysteem zijn: de poreusheid, initiële vochtigheid van het bestaande beton, de water-cementfactor (wcf ) van het reparatiemateriaal en de expositieomstandigheden van het reparatiesysteem (bijv. de duur en soort van nabehande- ling, vochtigheid van de omgeving en temperatuur). Dit artikel geeft een antwoord op de vraag hoe beton moeten worden voorbehandeld voor het aanbrengen van het reparatiemateriaal. dr.ir. Mladena Lukovic, dr.ir. Guang Ye, prof.dr.ir. Erik Schlangen, prof.dr.ir. Klaas van Breugel TU Delft, fac. CiTG 1 Oud beton nat gemaakt (ter plaatse van de Maastunnel) 2 Een doorsnede over een reparatiesysteem met verschillende onderdelen: toeslag, oud en nieuw materiaal, interface en luchtbellen 3 Testopstelling in röntgenmachine (S1 en S2 zijn twee identieke proefstukken) Onderzoek naar de invloed van de vochtuitwisseling in het reparatiesysteem Artikelen In twee Cement-artikelen wordt aandacht besteed aan de inter - actie tussen het beton en het reparatiemiddel. In dit eerste artikel gaat het om de invloed van de vochtuitwisseling in het gehele reparatiesysteem. In het tweede artikel gaat het om de invloed van belastingen en andere blootstellingen. 2 3a 3b nieuw materiaal interface luchtbel aggregaten oud materiaal proefstukken vocht- en temperatuur - metingen X-raybron detector S1 S2 Interactie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 58 4 Kwalitatieve voorstelling van de waterabsorptie van het twee jaar oude mortel als functie van tijd 5 Het natuurkundige principe dat gebruikt kan worden om het vocht - gehalte in het materiaal te bepalen resolutie met de röntgenabsorptietechniek. Wel heeft een mortel meer "grenslaag matrix", meestal iets poreuzer dan balk matrix, maar dat heeft geen invloed op de onderzoekresultaten. Zwaartekracht De snelheid van waterabsorptie wordt beïnvloed door de zwaartekracht en is experimenteel onderzocht (fig. 6). Eerst is een proefstuk blootgesteld aan vochtabsorptie vanaf de onder - zijde (fig. 6a en 6b) en daarna vanaf de bovenzijde (fig. 6c en 6d). Daaruit bleek dat de zwaartekracht geen belangrijke Eerst volgt een korte introductie op de meetmethode betref- fende de vochthuishouding. Meetmethode Vochtuitwisseling in het reparatiesysteem kan worden gemeten door middel van de röntgenabsorptietechniek. Het is dezelfde techniek die in ziekenhuizen wordt gebruikt om botten en organen te scannen, of op vliegvelden bagage te controleren. De techniek maakt gebruik van röntgenstralen die worden afgeremd (verspreid en geabsorbeerd) door materialen. De intensiteit van de doorgelaten straling wordt zichtbaar gemaakt door een detector. Dichtere materialen remmen de straling meer. Als resultaat kan in het reparatie- systeem worden 'gekeken' en kunnen toeslagmateriaal, reparatiemateriaal, vezels, en luchtbellen worden onderschei - den (fig. 2). Het is ook mogelijk te zien hoe water het materiaal binnen- dringt. Tijdens het onderzoek zijn twee proefstukken (S1 en S2), gebruikt van twee jaar oude mortel, in een plastic vat geplaatst en vervolgens in een röntgenmachine (foto 3). De mortels zijn blootgesteld aan waterabsorptie vanaf de bodem. In de loop van de tijd stijgt het water en kleurt het proefstuk donker. Op deze manier kan worden gevolgd hoe de mortel het water absorbeert (fig. 4). Aan de hand hiervan kunnen vochtprofielen als functie van tijd worden opgesteld (fig. 6b). Integratie van deze vochtprofielen over de hoogte van de mortel geeft de hoeveelheid geabsorbeerd water(fig. 7). De procedure is in het onderhavige onderzoek gecontroleerd door de uitkomsten te vergelijken met eenvoudige gravimetrische proeven waarmee de verandering in het gewicht van proef- stukken door absorptie in de loop van de tijd is gemeten. Overigens is in het onderzoek mortel (mengsel van cement, zand en water, dus zonder grind) toegepast in plaats van beton, omdat hiermee kleinere proefstukken kunnen worden gemaakt. Dit heeft een belangrijk voordeel: het leidt tot hogere Meten vochtgehalte In droog beton worden röntgenstralen door het droge materiaal afgeremd (fig. 5, links). In nat beton worden de stralen afgeremd door én het droge materiaal én de hoeveelheid water in het materiaal (fig.5, midden). Als enerzijds het verschil tussen de afgeremde intensiteit in een nat en droog monster en anderzijds de verzwakkingscoëfficiënt van water bekend zijn, kan de hoeveelheid water in het materiaal worden bepaald (fig. 5, rechts). röntgen bron röntgenbron röntgenbron röntgendetector röntgendetector röntgendetector röntgenstraal doorgaan intensiteit (na droog materiaal) doorgaan intensiteit (na vochtig materiaal)doorgaan intensiteit (na droog materiaal + water) water- hoeveelheid gestraalde intensiteit gestraalde intensiteitgestraalde intensiteit 4a 5 4a t=10 min, 4b t= 71 min, 4c t = 120 min 4d t = 210 min 4b 4c 4d thema Interactie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 59 verandering in vochtgehalte [g/cm 3] 00,05 0,10,15 hoogte [mm] 0 5 10 15 20 25 30 35 water geabsorbeerd van bodem in S2 ABS - bodem -S 2 t = 542mint = 483mint = 420mint = 362mint = 300mint = 240mint = 180mint = 120mint = 71mint = 30mint = 10min verandering in vochtgehalte [g/cm 3] 00,05 0,10,15 hoogte [mm] 0 5 10 15 20 25 30 35 40 water geabsorbeerd van top in S2 ABS - top - S2 t = 7mint = 30mint = 60mint = 116mint = 187mint = 240mint = 300mint = 360mint = 426mint = 487mint = 552mint = 601min tijd [h 0,5] 0 2 4 \ 6 8 cumulatieve vocht absorptie [g/cm 2] 0 0,1 0,2 0,3 0,4 ABS - bovenkant - S1ABS - bovenkant - S2ABS - onderkant - S1ABS - onderkant - S2ABS - w/c=0.3ABS - w/c=0.4 absorptie door het mortel wanneer het water is geabsorbeerd absorptie door de ondergrond in het reparatiesysteem vocht uit het reparatiemateriaal in de eerste 5 uur met dezelfde snelheid werd geabsorbeerd als wanneer puur water op het beton is aangebracht. Dit is vergelijkbaar met wat eerder is waargenomen voor de snelheid waarmee steen water absor - beert in mortel-steencomposiet[4]. Omdat de snelheid waarmee water van het reparatiemateriaal wordt geabsorbeerd heel hoog is, blijft er minder water over in het reparatiemateriaal. Hierdoor wordt de hydratatie gehinderd. Waterverlies kan tot ongeveer 40% van de initiële vochtgehalte van het reparatiemateriaal bedragen. Als gevolg daarvan kan de effectieve wcf van het reparatiemateriaal aanzienlijk lager worden (tabel 1). Deze invloed is relatief groter bij dunnere overlagingen of een meer poreuze of gescheurde ondergrond. invloed heeft op de waterabsorptie. Dit komt doordat de poriënstructuur van de cementsteen, de mortel en het beton zodanig is, dat capillaire krachten heel sterk en overheersend zijn en de zwaartekracht kan worden verwaarloosd. Dit bete- kent dat het water van het reparatiemateriaal dat op een vloer, een plafond of een muur wordt aangebracht in alle gevallen vrijwel even snel wordt geabsorbeerd. Invloed water-cementfactor reparatiemateriaal Vervolgens is vochtuitwisseling tussen reparatiemateriaal en ondergrond in een pas gestort reparatiesysteem onderzocht. Hiervoor zijn mengsels op basis van portlandcement met verschillende wcf en zonder hulpstoffen op het beton aange- bracht. Ter vereenvoudiging is cementpasta gebruikt. Het toeslagmateriaal, dat meestal impermeabel is, is weggelaten. De gebruikte ondergrond was droog voordat het reparatiema- teriaal werd aangebracht. Voor het reparatiemateriaal zijn mengsels met respectievelijk een wcf van 0,3 en 0,4 gebruikt. De reparatiesystemen werden onmiddellijk geseald en in het röntgenapparaat geplaatst. De vochtuitwisseling is gemeten als functie van tijd. De cumulatieve vochtabsorptie door het beton van de onder - grond als functie van tijd is in figuur 7 weergegeven. In de eerste 5 uur na het aanbrengen van het reparatiemateriaal absorbeerde de ondergrond bij beide cementmortels dezelfde hoeveelheid water. De snelheid waarmee het droge beton het vocht van het reparatiemateriaal absorbeert, is dus onafhankelijk van de wcf van het reparatiemateriaal, althans in de onderzochte range van wcf van 0,3, 0,4 en ook 0,5. Verder is gevonden dat 6 Invloed van zwaartekracht op waterabsorptie 6a Beeld op t = 240 min met water dat vanaf de bodem is geabsorbeerd (bovenste afbeelding is origineel en onderste is gefiltreerd beeld) 6b Vochtprofielen in proefstuk S2 (aangeduid als ABS- bodem-S2) als functie van tijd 6c Beeld op t = 240 min met water dat vanaf de top is geabsorbeerd (bovenste afbeelding is origineel en onderste is gefiltreerd beeld) 6d Vochtprofielen in proefstuk S2 (aangeduid als ABS- top-S2) als functie van tijd 7 Cumulatieve vochtab - sorptie door de droge ondergrond waarop repa- ratiemateriaal met wcf van 0,3 en 0,4 is aange - bracht, in vergelijking met vochtabsorptie in geval van puur water 7 6a 6b 6c 6d Interactie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 60 8 Proefstukken in het laboratorium twee oorzaken zijn van waterverlies uit het reparatiemateriaal: water dat wordt geabsorbeerd door de onverzadigde betonnen ondergrond en water dat wordt gebruikt voor hydratatie in het reparatiemateriaal. Water dat gebruikt wordt voor hydratatie kan niet worden waargenomen door de röntgentechniek omdat er geen veran- dering is in de algehele dichtheid van het materiaal. Wel kan het gevolg van de hydratatie worden gedetecteerd. Het hydratatie van het reparatiemateriaal zorgt er namelijk voor dat het repa- ratiemateriaal uitdroogt. Als gevolg daarvan zal er weer water uit de betonnen ondergrond worden opgenomen door het reparatiemateriaal. In het reparatiesysteem met het van tevoren (water)verzadigde beton is dat duidelijk te zien (fig. 10c). Het beton verliest water aan de bovenzijde, terwijl het vochtprofiel in het reparatiemateriaal duidt op wateropname vlak bij de interface. Dat betekent dat de betonnen ondergrond als een reservoir werkt, zodat water voor remigratie naar het reparatie- materiaal beschikbaar is. Na drie dagen zijn de reparatiematerialen gescheiden van de ondergrond en is het niveau van hydratatie in het reparatiemate- riaal gemeten. In het systeem met droge ondergrond is het hydratatieproces van het reparatiemateriaal vertraagd in vergelijking met dat in een systeem met vochtig beton als onder - grond. Dit komt door de afname van de effectieve wcf, die wordt veroorzaakt door het vochtverlies van het reparatiemateriaal. Invloed initiële vochtigheid bestaande ondergrond op vochtuitwisseling in reparatiesysteem Om de invloed van de initiële vochtigheid van het bestaande beton op vochtuitwisseling in een reparatiesysteem te onder - zoeken, is reparatiemateriaal met wcf = 0,3 aangebracht op respectievelijk droog en vochtig beton (fig. 9). Na drie dagen bleek de droge betonondergrond water geabsorbeerd te hebben (fig. 9b, links, waterfront gemarkeerd met rode pijl). Hetzelfde is waar te nemen in de vochtprofielen (fig. 10). De droge ondergrond absorbeert water als functie van tijd, terwijl het reparatiemateriaal water verliest (fig. 10a). Daarentegen absorbeert het van tevoren verzadigde beton geen water uit het reparatie- materiaal (fig. 10b). Blijft de vraag of het water terug kan migreren vanuit de betonnen ondergrond naar het reparatiemiddel. Als het reparatiesysteem is geseald, kan er geen verdamping optreden van water naar de omgeving en kunnen er slechts Tabel 1 Percentage waterverlies en effectieve wcf in geteste reparatiesystemen op een droge ondergrond initiële wcf initieel vocht- gehalte [g/cm 2] waterverlies [g/cm 2] effectieve wcf totaal water - verlies [%] 0,3 0,73 0,2750,1938 0,4 0,84 0,3250,2439 0,5 0,92 0,3250,3235 8 thema Interactie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 61 9 Röntgenopnamen van reparatiesystemen op beton dat van tevoren is gedroogd en dat met water is verzadigd: 9a onmiddellijk en 9b drie dagen na het aanbrengen (gesealde nabehandeling) 10 Veranderingen in watergehalten in reparatiesystemen als functie van tijd (tijd na het aanbrengen van het reparatiemateriaal) luchtbellen kleiner zijn dan 2 mm en dat ze in een zone van ongeveer 2 mm in het reparatiemateriaal vlak bij de interface zijn gelokaliseerd. Aanbevelingen Een aanbeveling voor nader onderzoek is na te gaan wat de optimale mate van verzadiging van de betonnen ondergrond is. Tot hoe diep moet het oude beton worden verzadigd en hebben verschillende verzadigingsmethoden (bijv. combinatie van bevochtiging en droging, impregnatie) invloed op de vochtuit- wisseling, de hoeveelheid luchtbellen en het gedrag van het reparatiesysteem? Tot slot Het uitgevoerde onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat beton moet worden verzadigd voordat reparatiemateriaal wordt aangebracht (foto 1). Wel moet het oppervlak van de ondergrond weer droog worden gemaakt om te voorkomen dat een water - laagje de binding benadeelt. Als het beton niet is verzadigd, zal De duur van de nabehandeling is ook onderzocht. De repara- tiesystemen zijn gedurende een, drie of vijf dagen verzegeld en daarna gedroogd. Het waterverlies in het reparatiemateriaal is berekend uit de gemeten vochtprofielen. Bij de vochtige ondergrond had de verlenging van de duur van nabehandeling (afsluiting van de omgeving) altijd gunstige gevolgen voor de hydratatie van het reparatiemateriaal. Bij de droge ondergrond was dit niet het geval. Dit toont aan dat de duur van de nabe- handeling van het reparatiesysteem gevolgen heeft voor de ontwikkeling van de eigenschappen van het reparatiemateriaal en de interface, en dat de gevolgen afhankelijk zijn van de initiële waterverzadiging van het beton waarop het reparatiemateriaal wordt aangebracht. Dit geldt voor de onderzochte dikte van het reparatiemateriaal van 15 mm. Gevolgen vochtuitwisseling op structuur reparatiesysteem Vochtuitwisseling beïnvloedt niet alleen de mate van hydratatie en de grootte van de effectieve wcf, maar ook de structuur van het reparatiemateriaal ter plaatse van de grenslaag tussen oud en nieuw materiaal. Na metingen van de vochtuitwisseling zijn monsters gescand in een CT-scanner om de effecten van vocht- uitwisseling op de microstructuur ter plaatse van de grenslaag te onderzoeken. Twee dwarsdoorsneden zijn weergegeven in figuur 11. Doorsnede I-I bevindt zich direct boven de interface in de beide monsters. Er is duidelijk verschil te zien in het luchtgehalte van de twee monsters. Het vooraf gedroogde beton bevat significant meer luchtbellen bij de interface. Dat er meer luchtbellen in het geval van droog beton zijn waar - genomen, is te verklaren uit het feit dat wanneer water wordt geabsorbeerd door het droge beton, er lucht vrijkomt uit het beton. Deze lucht blijft gevangen in de interface, hetgeen resulteert in een groot aantal luchtbellen. Deze luchtbellen blijven achter in het reparatiemateriaal, waardoor een intrinsiek zwakker gebied ontstaat (fig. 12a en 12b). Een vergelijking in hoeveel- heid luchtbellen is in figuur 13 gegeven. Daar is te zien dat de 11 CT-scans van monsters wcf = 0,3, op de droge ondergrond en wcf = 0,3, op de vochtige ondergrond gemaakt na drie dagen 11a doorsnede II-II, vooraanzicht; 11b doorsnede I-I, bovenaanzicht 9a 10a 10b droog beton vochtig beton na 3 dagen 9b 11 interface boven het droge substraat interface boven het vochtige substraat reparatie - materiaal vochtig substraat droog substraat I II I II interface ondergrond ondergrond interface bove nzijde van reparatiemateriaal bove nzijde van reparatiemateriaal waterverliesinterface water - opname hoogte [mm] hoogte [mm] hoogte [mm] veranderingen in vochtgehalte [g/cm 3] veranderingen in vochtgehalte [g/cm 3] veranderingen in vochtgehalte [g/cm 3] 60 50 40 30 20 10 0 60 50 40 30 20 10 0 50 45 40 35 30 -0,1 0,1 0 -0,10,1 0 -0,10,1 0 t = 150 min t = 180 min t = 240 min t = 359 min t = 661 min t = 4462 min 10c Interactie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 62 0510 15 afstand van de interface [mm]0 1 2 3hoeveelheid luchtbellen [%] droge ondergrond vochtige ondergrond reparatiemateriaal ondergrond 12 Luchtgehalte in het reparatiesysteem vlak bij de interface: 12a en 12b droog en 12c en 12d vochtig beton; bij 12c en 12d alleen luchtbellen zichtbaar 13 Hoeveelheid van luchtbellen in het reparatiemateriaal vlak bij de interface er water uit het reparatiemateriaal worden geabsorbeerd. Bij mengsels met wcf = 0,3 ? 0,5 gebeurt dit onafhankelijk van de wcf van het reparatiemateriaal met dezelfde snelheid als bij 'vrij' water op het beton. Bij dunne lagen reparatiemateriaal, hoge porositeit van het beton en/of beton dat (micro)scheurtjes bevat, is dit effect nog sterker. Uiteindelijk wordt de effectieve wcf van het reparatiemateriaal duidelijk verminderd (tot 40% in dit onderzoek). Dat zal de mate van uitharding van het repa- ratiemateriaal en de eigenschappen van de interface (hechting) beïnvloeden. Gunstig is dat water terug kan migreren van het beton naar het reparatiemateriaal en interface. Vochtuitwisseling heeft niet alleen gevolgen voor de vochtver - deling en verharding, maar ook voor de materiaalstructuur dicht bij de interface in het reparatiemateriaal. Bij een hogere vochtabsorptie door het beton ontstaan aanzienlijk meer lucht- bellen. Het droge beton absorbeert water uit het reparatiemateriaal waardoor lucht wordt verdrongen en wordt ingesloten dicht bij de interface en in het reparatiemateriaal. Aanbrengen van repa- ratiemateriaal op van tevoren verzadigd beton resulteert daardoor in een meer uniform en beter beheersbaar reparatiesysteem. ? ? LITERATUUR 1 Lukovic. M., Influence of interface and strain hardening cementitious composite (SHCC) properties on the performance of concrete repairs. PhD Dissertation, TU Delft, Delft University of Technology, 2016. 2 Tilly, G. P.,Jacobs. J., Concrete repairs: Observations on performance in service and current practice, CONREPNET Project Report, IHS BRE Press, Watford, UK.,2007. 3 Visser. J. H. M., Zon. van Q. F, Performance and service life of repairs of concrete structures in Netherlands. Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting III, Taylor & Francis Group, London., 2012. 4 Groot. C, Larbi. I., Bond strength development in young, HERON 44(0): 2.,1999. luchtbel luchtbel reparatiemateriaal beton reparatiemateriaal beton 13 12 3 mm 18 mm thema Interactie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016