C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gB etontechnologiecement 2006 52021FydvOoit was betonspecie maken eensimpel 1-2-3tje: ??n deel cementwerd gemengd met twee delenzand en drie delen grind. Watererbij en het resultaat was eensterk, eenvoudig en duurzaambouwmateriaal. Al heel snelkwamen hulpstoffen in beeld. InAmerika werd begin 1900 almelding gemaakt van calcium-chloride als verhardingsversnelleren in 1930 werd bij toeval deeerste luchtbelvormer ontdekt.H u l p s t o f f e n i n N e d e r l a n dRegelgeving op gebied van beton-samenstelling, milieuklasse enmaximale water-cementfactorleidde ertoe dat ook in Nederlandde hulpstof zijn intrede deed. Inde jaren `60 werd de eerste hulp-stof ge?ntroduceerd: lignosulfo-naat, een plastificeerder. Waterre-ductie werd nu mogelijk zonderdat daarbij de verwerkbaarheidwerd verminderd. Deze basis-grondstof wordt nog steedsgebruikt, maar de chemischesamenstelling is verfijnd. Dehuidige grondstoffen voor plasti-ficeerders worden gezuiverd enontsuikerd om ongewensteneveneffecten te vermijden.In de jaren '70 werden de super-plastificeerders ontwikkeld, samen-gesteld op basis van naftaleen- enmelaminesulfonaat. Hierdoor werdhet mogelijk betonspecie met eennog lagere water-cementfactor teproduceren. Deze basisgrondstof-fen hebben lang de samenstellingvan de hulpstoffen bepaald enwerden dan ook gemodificeerd omhet verharde beton speciale eigen-schappen te geven.Meer en meer kwam de nadruk teliggen op het vastleggen van eenmaximale water-cementfactor,waaraan de duurzaamheid isgekoppeld. Een voorbeeld hiervanwas hogesterktebeton, waarbij eenwater-cementfactor van 0,30 moge-lijk bleek, terwijl de betonspecietoch goed verwerkbaar bleef. Tochbleef de betonindustrie vragen naarnog specifiekere eigenschappen diedoor hulpstoffen aan het betonmoesten worden toegevoegd.In Japan werd vervolgens om-streeks 1980 een nieuwe soortsuperplastificeerder ontwikkeld,onder de verzamelnaam polycar-boxylaat-ether (PCE). Hulpstoffenop basis hiervan werden halver-wege de jaren `90 in Nederlandge?ntroduceerd. Het betrof hiersynthetische hulpstoffen die uit-zonderlijke eigenschappen aan debetonspecie gaven, waardoor zelf-verdichtend beton (ZVB) mogelijkwerd.E e r s t e o n t w i k k e l i n g e ni n Z V BDe eerste testen met ZVB werdenomstreeks 1996 gedaan en het werdal snel duidelijk dat het storten vanbetonspecie met zelfverdichtendeeigenschappen grote voordelenbood: geen verdichtingsenergie(trilmotoren of trilnaalden), mindergeluidsoverlast, minder onder-houd/slijtage aan mallen/bekistin-gen, verbeteren van de oppervlakte-structuur, constantere kwaliteit,hogere productie en betere arbeids-omstandigheden.De regelgeving was op dat momentnog niet aangepast aan een derge-lijke betonsoort. Vooruitlopenddaarop werd er, om enige duidelijk-heid te scheppen, gesproken overnieuwe consistentiegebieden: CG 5(supervloeibaar), CG 6 (verdich-tingsarm), CG 7 (verdichtingsvrij)en CG 8 (zelfnivellerend).Inmiddels is de regelgeving er, inde vorm van CUR-Aanbeveling 93,BRL 1801-aanvulling voor zelfver-dichtend beton voor de transportbe-tonindustrie en KIWA 73/04,bijlage 6 voor de prefab industrie,en zijn de consistentiegebieden ver-vangen door consistentieklassen.R e o l o g i s c h g e d r a gHet belangrijkste verschil tusseneen zelfverdichtende en een`normale' betonspecie betreft hetreologisch (stroom- en vervor-Van 1-2-3-beton tot betonop maatP. Michels en P. Groenendijk, BASF Construction Chemicals*)De laatste decennia zijn de idee?n op het gebied van betontoepassingeningrijpend veranderd. Veel is mede mogelijk geworden door de nieuwe tech-nologie?n op het gebied van hulpstoffen. In de laatste tien jaar zijn dezeopgeklommen van restproducten tot synthetische producten (foto 1). Hetwerkingsmechanisme van de nieuwste producten, op basis van polycarboxy-laat-ether, is significant afwijkend van dat van de eerdere producten op basisvan naftaleen-melaminesulfonaat. Onderzoek op nano-schaal maakt hetmogelijk hulpstoffen op wens te maken.*) v/h Degussa Construction ChemicalsNed. BV1 |Hulpstoffenindustrie isook op logistiek gebiedvolwassen geworden2 |Bingham-model: ver-schuiving van de boven-plaat brengt de vloeistofin beweging1: vloeistof; 2: plaat metoppervlak A; = F/A = dv/dy = C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gB etontechnologiecement 2006 5 21pl0afschuifsnelheid ( )afschuifweerstand()FgFgFg0gereduceerdeverwerkbaarheid,stabiele zonecellulose ethersglenium stream2006 SCCstandaard viscositeit voor poeder type SCCmengselsamenstelling niet goedstabiliteitzoneontmengingbleedingzoneafschuifsnelheid ( )schuifspanning()mings-)gedrag: een zelfverdich-tende betonspecie heeft namelijkeen zeer hoge vloei en een zeerhoge weerstand tegen ontmengingen waterafscheiding (bleeding).Wat is nu eigenlijk dit reologischegedrag en hoe wordt dit be?n-vloed?Elke vloeistof heeft bepaaldeeigenschappen met betrekking tothet stroomgedrag. Wanneer eenstilstaande vloeistof in bewegingwordt gebracht door het verschui-ven van een plaat op het opper-vlak, zal de vloeistof meebewegen.Tevens zal de vloeistof eenbepaalde weerstand bieden aan ditvloeigedrag (fig. 2).Het stroomgedrag van betonwordt gemodelleerd door hetBingham-model: = 0+ pl (fig. 3)waarin: is de afschuifweerstand;0is de zwichtspanning;plis de plastische viscositeit; is de afschuifsnelheid.De zwichtspanning geeft aan watde initi?le weerstand (drempel-waarde) is van de vloeistof om inbeweging te komen. De plastischeviscositeit is een indicatie voor deweerstand tegen toenemendeafschuifsnelheden.De enige kracht die op zelfverdich-tend beton inwerkt, is de zwaarte-kracht. Deze zorgt ervoor dat hetbeton gaat vloeien en verdichten.Tijdens het storten heeft het betoneen bepaalde hellingshoek (fig. 4).Alleen de tangenti?le componentvan de zwaartekracht (Fg) zorgtervoor dat het beton gaat vloeien.Hoe groter de hellingshoek, hoegroter deze tangenti?le componentzal zijn (fig. 5). Het beton zalstoppen met vloeien wanneer dezecomponent kleiner is dan dezwichtspanning. Er zijn dan geenzelfverdichtende eigenschappenmeer aanwezig.Een hoge zwichtspanning wilzeggen dat een grote hellingshoeknoodzakelijk is om het beton telaten vloeien. De zelfverdichtendeeigenschappen worden hierdoorniet optimaal benut. De plastischeviscositeit heeft invloed op de stabi-liteit van het mengsel. Een lageplastische viscositeit heeft tot gevolgdat het beton een te hoge schuif-snelheid heeft, waardoor het gevaarvan ontmenging optreedt, terwijl bijeen te hoge plastische viscositeit destroomsnelheid te laag is om dezelfverdichtende eigenschappenoptimaal te benutten.In het beton worden de zwicht-spanning en de plastische viscosi-teit door verschillende componen-ten be?nvloed: water,superplastificeerder, luchtgehalteen cementhoeveelheid. Het is danook belangrijk dat er een optimaleverdeling is, zodat de vloei-eigen-schappen van de zelfverdichtendebetonspecie optimaal wordenbenut zonder dat deze ontmen-ging of segregatie tot gevolg heeft.Door gebruik te maken van eensuperplastificeerder in combinatiemet een viscosity agent (stabilisa-tor) kan optimaal gebruik wordengemaakt van de zelfverdichtendeeigenschappen van het beton.Stabiliteit en stroomsnelheid zijnvan belang bij de uitvoering.S t a b i e l b e t o nFluctuaties in vochtgehaltes vanhet toeslagmateriaal en variaties insamenstelling van de toeslagmate-rialen maken het in een aantalgevallen lastig een controleerbaarZVB te maken. Om dit te verbete-ren moet de weerstand tegen ont-mengen worden verhoogd zonderverlies van verwerkbaarheid (stabi-liseren zonder te verdikken). Ookhier wordt gebruikgemaakt vanhet Bingham-model (fig. 6).De EFCA-EFNARC ZVB-richtlij-nen spreken over drie typen beton:Powder Type (Japanse methode),Combination Type en ViscosityType. Hierin zijn twee stabilisato-ren te onderscheiden: de conventi-onele benadering met ViscosityEnhanced Admixtures (VEA, bij-voorbeeld cellulose-ethers), of denieuwe benadering met ViscosityModifiing Admixtures (VMA, bij-voorbeeld Glenium Stream).VMA's hebben als voordeel dat zevloeibaar zijn en dus eenvoudigin het huidige productieprocestoepasbaar. De stabilisator veroor-zaakt slechts een licht verlies vanverwerkbaarheid over een tijdspe-riode en er is geen (of minimaal)extra dosering superplastificeer-der nodig. De ionen van de VMA-moleculen zijn flexibel enkunnen gedeeltelijk of compleetworden gebroken wanneer eenrelatief lage kracht wordt toege-voegd. De zwichtspanning (0)3 |Bingham-model grafischvoorgesteld4 |ZVB onder invloed vanzwaartekracht5 |Hoe groter de hellings-hoek, des te groter detangenti?le component6 |Balans tussen zwicht-spanning en plastischeviscositeit is de sleuteltot de juiste reologieC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gB etontechnologiecement 2006 522wordt door de stabilisator mini-maal verhoogd.Onder normale meng- en stortom-standigheden zorgt de werkingvan de stabilisator ervoor dat dehomogeniteit bewaard blijft. Deplastische viscositeit (pl) wordtverhoogd tot het niveau waaropontmenging niet plaatsheeftzonder veel te verdikken, zeker invergelijking tot cellulose-ether.Prefab industrieVMA's worden tevens gebruikt inhet Zero Energy System, dat speci-aal voor de prefab-betonindustrie isontwikkeld. In de fabriek moet hetbeton zo snel mogelijk zijn sterkteontwikkelen, zodat bijvoorbeeld nazestien tot achttien uur kan wordenontkist of, bij verwarming van hetbeton, zelfs na zes uur.Om hieraan tegemoet te komenzijn er speciale PCE-polymeren(Glenium ACE) ontwikkeld die decementhydratatie optimaal latenverlopen. Door gebruik te makenvan kortere polymeren en langerezijketens is het mogelijk het vrijeoppervlak van het cementmineraalzo groot mogelijk te laten, zonderdaarbij de verwerkbaarheid tekortte doen. De hydratatie kan bijnaongehinderd verlopen door hetgrote oppervlak dat voor het waterbeschikbaar is. Het cementkristalzal dan ook snel worden gevormd.De prefab-betonindustrie maaktinmiddels op grote schaal gebruikvan deze hulpstoftechnologie.H u l p s t o f f e n o p m a a tDe markt stelt steeds hogere eisenen vraagt naar oplossingen opmaat, die economisch zijn en toe-gesneden op de toepassing. Ditvereist naast kennis van de organi-sche en anorganische chemie vancement en beton, kennis vannieuwe inzichten in de wisselwer-king tussen hulpstof en cement envan de chemische structuur in deverschillende cementtypen. Nano-technologie heeft de noodzakelijkenieuwe inzichten in de hulpstof-technologie gebracht. Het is eenoverkoepelende term die veelonderzoeksafdelingen gebruikendie te maken hebben met objectengemeten in nanometers en huncommunicatie over en weer. Eennanometer (nm = 10-9m) is dedimensie van moleculen en poly-merische ketens.Polymeren beheersen de mate vandispersie van de cementkorrels ende hydratatie. Ze zijn gemaaktvoor sterke of zwakke adsorptie opcement (High Molecular Weightof Low Molecular Weight).Door onderzoek naar nanogedragis een technologie ontwikkeld diehet mogelijk maakt de waterbe-hoefte en het behoud van verwerk-W e r k i n g s m e c h a n i s m ep o l y c a r b o x y l a a t - e t h e rDe werking van een hulpstof is een complex geheel en wordt onder meerbepaald door de samenstelling van het cement en van het beton. Een hulpstofgebruikt met een bepaalde cementsoort kan een andere reactie vertonen danin combinatie met een andere cementsoort. Denk maar aan bindingvertra-gers, die met een CEM I een andere vertragingstijd geven dan met een CEMIII. Een gedegen onderzoek is dan ook nodig om de juiste hulpstof met dejuiste dosering bij de gebruikte betonsamenstelling te kiezen.De werkwijze van PCE's is afgeleid van de naftaleen- en melaminesulfona-ten. Naast de twee reacties `dispergeren' (fig. b) en `afstoten' (fig. c) is hierbijeen derde werking ingebouwd: `dimensionale afstoting'. PCE's bestaan uitpolymeren waarop dezelfde soort negatieve lading is aangebracht, met elektri-sche afstoting als gevolg. De dimensionale afstoting wordt gecre?erd door lange`zijtakken' die in het polymeer zijn opgenomen. De functionele groepen zijneen carboxylaat en een ethergroep. Beide groepen van verbindingen kunnenverschillend worden opgebouwd (fig. d).Via het polymerisatieproces worden de functionele groepen aan elkaar gekop-peld. Figuur e toont hiervan een schematische voorstelling. Aan deze struc-tuur is al te zien hoe de werking van de hulpstof is en wat er voor de dimensi-onale hindering zorgt.Bij invloed op de hydratatie spelen vier hoofdzaken een rol: verwerkbaarheid,water-cementfactor, begin- en eindsterkte. De keuze van de hulpstof moet dusworden afgestemd op de wijze waarop we de hoofdzaken willen be?nvloeden.Daarbij hebben twee aspecten een grote invloed op de werking van de hulp-stof: de temperatuur en de chemische samenstelling van het cement.a | Zwevende moleculenb | Dispersie, het aankoppelen van de moleculenc | Afstoting als gevolg van gelijke negatieve ladingd | Opbouw functionele groepen carboxylaat (links) en ethergroep (rechts)e | Functionele groepen aan elkaar gekoppeld door polymerisatieprocesa b cCOON? O ? CH2 CH2 CH2COONa?O?CH2CH2CH2COONa?O?CH2CH2CH2COONa?O?CH2CH2CH2COONa?O?CH2CH2CH2deC o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gB etontechnologiecement 2006 5 23baarheid van de betonspecie tebe?nvloeden. Chemisch en fysischgedrag van de polymeren en huninteractie met cement kan wordengecontroleerd door de lengte vande ketens en de zijketens, de elek-trostatische afstoting, de dichtheidvan de zijketens en vrije functio-nele groepen, te be?nvloeden.Deze nanotechnologie is de basisvoor het Total PerformanceControl systeem.Total Performance Control zorgtvoor het eerst dat transportbeton-producenten, aannemers en con-structeurs een beton krijgen dat dekwaliteit en eigenschappen heeftwaarvoor het ontworpen is (foto 7,8). `Total' staat voor de periodewaarin het beton wordt verwerkt,`Performance' betekent fysischeeigenschappen, kwaliteit en duur-zaamheid van het beton en `Control'de mogelijkheid om eenvoudig,veilig en gecontroleerd, beton te ver-werken. De huidige gecertificeerdepolycarboxylaten (Glenium SKY)zijn uitstekend geschikt om intransportbeton toe te passen. Omde voordelen maximaal te benuttenzijn keuze van het juiste type,geschiktheidsonderzoek en goedecontrole en begeleiding van essenti-eel belang. Omdat de interactie,zowel fysisch als chemisch, tussencementklinker en hulpstofpolyme-ren door onderzoek controleerbaaris, is een serie polycarboxylaat-ethers op maat ontwikkeld voor ver-schillende typen cement.Waarom `op maat'? De volgendeaspecten moet een producentoverzien bij het ontwerpen vaneen hulpstof:? verschillende typen cement meteen verschillende chemischecompositie;? verschillende cementhoeveelhe-den per mengselsamenstelling;? verschillende vulstoffen (vliegas,hoogovenslak, kalksteenmeel);? verschillende klimatologischeomstandigheden (temperatuur);? verschillende consistentieklas-sen;? verschillende mengmethoden(vrije val, dwangmenger, in demixer, trogmenger).De manier waarop deze typenhulpstoffen zich onderscheidenvan de traditionele, op naftaleengebaseerde producten, wordt ver-oorzaakt door de combinatie vanelektrostatische afstoting en steri-sche effecten. De basisstructuurvan het polymeer en de zijketenswordt gemodificeerd (nanotechno-logie), zodat de effectiviteit in com-binatie met de chemische gevoelig-heid van cement controleerbaar is.T e n s l o t t eHet gebruik van hulpstoffen inbeton is voor de eerste en tweedegeneratie hulpstoffen al lang dage-lijkse praktijk en we kennen demogelijkheden in hoge mate. DePCE's van de derde generatie zijnal tien jaar op de markt en er zijninmiddels vele typen verkrijgbaar.De juiste keuze voor een PCEwordt eenvoudiger wanneer dezewordt afgestemd op de prestatie-eisen, zoals beginsterkte, eind-sterkte, behoud van verwerkbaar-heid of juist niet. De verschillendegrondstoffen maken het verstan-dig vooraf te onderzoeken of devereiste prestatie-eisen bereiktkunnen worden, zodat ook beton-centrale, aannemer en construc-teur van de voordelen gebruikkunnen maken. nW o r k s h o pOp basis van de Japanse methode houdt Degussa Construction Chemicalsregelmatig een workshop, waarin aan de hand van een vijfstappenplan eenbetonspecie met zelfverdichtende eigenschappen wordt ontworpen:? in stap 1 worden de basisgegevens van de materialen verzameld, zoalsvolumieke massa zonder en met holle ruimte en waterabsorptie;? in stap 2 wordt de waterbehoefte van cement en vulstof bepaald(p-proeven);? in stap 3 wordt de invloed van water en hulpstof op de morteleigenschap-pen bepaald door middel van de p-proeven;? in stap 4 worden de resultaten verzameld in een mortelmatrix, waarin dedosering hulpstof en waterreductie met resultaat wordt beschreven;? in stap 5 wordt de mengselberekening gemaakt en de mortelmatrix aan-gepast naar betonmatrix aan de hand van praktijkproeven.Wanneer cement, vulstof, hulpstof en/of toeslagmateriaal worden gewijzigd,moeten de onderzoeken naar waterbehoefte en/of vloeimaten opnieuwworden uitgevoerd.Aanvullend worden ook de meetmethoden behandeld als pastaproeven,mortelproeven, V-trechter (klein en groot) en de Kajima-box.7 |Toepassing van ZVB bijkolommen voorRandstadRail in DenHaag(levering betonspecie:BetonmortelbedrijvenCementbouw)8 |Toepassing van ZVB voorkolommen Lounge teSchiphol(levering betonspecie:BetonmortelbedrijvenCementbouw)