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.
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
Reacties