I IMATERIALEN IBETONTECHNOWGIESCHEURVORMING IN JONGBETONBEPERKING VAN SCHEURVORMING IN VERHARDEND BETONing.P.Boone, Bouwdienst Rijkswaterstaat, afdeling Projectuitvoering en Dienstening.J.A.Luitwieler, Eerste Nederlandse Cementindustrie (ENCl), Technische Voorlichtinging.J.de Vries, Bouwdienst Rijkswaterstaat, afdeling Bouwspeurwerkir.G.M.Wolsink, Bouwdienst Rijkswaterstaat, afdeling Droge InfrastructuurBij het storten van een wand op een reeds eerder gestorte vloer kan doorverhinderde temperatuurvervormingen doorgaande scheurvorming in de wandontstaan, waardoor de waterdichtheid van de constructie in gevaar komt.Onderzocht is in hoeverre, naast het koelen van beton, maatregelen mogelijk zijnter voorkoming van scheurvorming in jong beton.Bijhetverhardenvan dikwandigebetonconstrUcties op eerder ge-stortebetondelenbestaathetge-vaar van doorgaande scheurvorming,waardoor de waterdichtheid van deconstrUctie in gevaar komt.Speciaa:l in de tunnelbouw worden aande waterdichtheid zware eisen gesteld.Naar aanleiding van de bouw van deWillemsspoortunnel in Rotterdam ende daarbij door de aannemergeopperdemogelijkheid tot het toepassen van eenspeciale low-heat cement, is door eenwerkgroep van Rijkswaterstaat onder-zoek verricht naar de mogelijkhedenom scheurvorming zoveel mogelijk tevoorkomen.In eerste instantie is gezocht naar eenlow-heat cement, waarbij het kunstma-tig koelen van de tunnelwanden nietmeer nodig zou zijn.Gedurende het onderzoek is echter ge-bleken dat het achterwege laten van dekoeling bij tunnelwanden toch nietver~antwoord was. Het onderzoek heeftechter wel het inzicht in de achterlig-gende mechanismen en in de invloedVan diverse parameters op de kans opscheurvorming verdiept.Met behulp van de in dit artikel aange-geven maatregelen kan dan ook voorveel typen constructies, ook waarbijkoelen van het beton niet gebruikelijkis, de kans op het ontstaan van door-gaande scheuren worden verkleind.Hierdoor behoeven dan geen ofin iedergeval minder scheuren te worden ge?n-jecteerd.De werkgroep heeft [1] als basis geno-men voor haar werkzaamheden.ComputerberekeningenTeneinde te kunnen beoordelen welkeinvloed de parameters hebben en ofer,en zoja hoeveel, koeling nodig is, is eenrekenprogramma geschreven voor eenpc, SPATEMgeheten. Dit programmaisinstaatvaneenvloermeteendaarop ge-storte wand, bij vari?rende randvoor~waarden, al of niet met koelbuizen, detweedimensionale temperatuurontwik-keling als functie van de tijd te bereke-nen. Na deze bouwfysische berekeningkunnen dan de rekken en spanningenworden bepaald, waarbij rekeningwordt gehouden met het verschijnselrelaxatie. Als tweede spooris door de af-deling Bouwspeurwerk van de Bouw-dienst Rijkswaterstaat de berekeningvan de temperatuurontwikkeling ge-modelleerd met behulp het eindige-elementenpakket BFEP van de TUDelft. Dit pakket draait onder de naamCONTEM [2] bij Rijkswaterstaat opeen minicomputer. Met behulp van depre- en postprocessor SUPERTAB kanhet temperatuurverloop inde construc-tie zichtbaar worden gemaakt (geplot).Dit artikel is beperkt tot het op de pcdraaiende programma SPATEM.MechanismeTijdens het verhardingsproces Van ce-ment komtwarmte vrij. Bij dikwandigebetonconstructies wordt deze Warmtenietsnelafgevoerd,waardoorde tempe-ratuur stijgt; de wand in figuur 1 zetdaardoor uit. Ditwordt echterenigszinsverhinderd door de eerder gestortevloer, waardoor in de wand, wegens denog lage elasticiteitsmodulus, druk-spanningen van beperkte grootte ont-staan. Na het bereikenvan de maximaletemperatuur koelt de wand af. De wandwil daardoor verkorten, hetgeen op-nieuw wordt verhinderd door de vloer.Als gevolg daarvan en door de op dat1 Het ontstaan van doorgaandetrekscheuren als gevolg vanverhinderde vervortningena. uitzetting van de wand ten gevolgevan warmteontwikkeling doorhydratatie (onverhinderd)b. verkorting van de wand ten gevolgevan warmteverlies aan de omgeving(onverhinderd)c. doorgaande schettrvortning in dewand (verhinderd)Cement 1990 nr. 6 53~~~~~~~~~~_I_MA:~TE_~RIALE~N~~~~~~","IB_E_T_O_NTEC_HN~O_L_O_G_IE_'~~----,moment al vrij hoge elas- 60CA. 74 % SLAK60-ticite?tsmodulus kunnen?n dewand zo---I.---damge trekspanmngenontstaan, datde-55 (~LAK55,/ -..-- / -----ze door en doorscheurt. 50 50 --i // - /,De grootte van het temperatuurtraject45/C 10% LAK~ , 45~ --- ~waarover de wand afkoelt, bepaalt 40 -- 40hoofdzakelijk de grootte van de trek- i /i Ispanmngen. Maatregelen ter voorko-351/... 35,'/m?ng van scheurvorm?ng moeten dus130130ger?cht zijn op beperk?ng van de max?-25ti 25ijmaal optredende temperaturen ?n de IJwand. 20 20Het begrenzen van de temperatuur- 15 // 15ontw?kkel?ng mag echter met ten koste 1/gaan van: 10 100 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 10 100 120a ----..... TIJD I UREN I b ~ TIJD (IJlEN)kwaliteitsaspectenInvloed slakgehalte op het verloop Invloed type cem.ent op het- sterkteontw?kkel?ng, ontk?stingstij-2 3den en produktiesnelhe?d; van de adiabaat verloop van de adiabaat- lagepermeab?l?te?t (voldoende water-a. aanvangstem.peratuur circa 12 oe a. aanvangstem.peratuur circa 10 oed?cht, lage ?ndr?ng?ng van CO2 enb. aanvangstem.peratuur circa 20 oe b. aanvangstem.peratuur circa 20 oevorstbestand); 60 60U---- stab?l?te?t van de betonspec?e; 55 55/ ----//V" LEGENDA:verwerkbaarheid 50 50//-1-- goed te verpompen; n" -- "-TECA. 71,5 "- ...-_...,.~4S ~ 45- goed te verd?chten;I"V ~ I~l'lAS1I'ICIIII8/ 1//i" Vgevoeligheid voor nabehandelingI... 35/351I-11-- kwal?te?t van het oppervlak (geen /1SlNCImtM.Tt:.CA. ft %scheurtjes, zandstrepen, poreushe?d1:30 ..,. J5I7 cal'l1/ ) l'lASJImRDen andere onregelmatigheden); Z5- met te lange ontk?stingstijden.20Irl 20~'De problematiek ?s met beperkt tot de 15'j 15Vaanslu?ting van een wand op een eerder _::::'10 10gestorte vloer, maar kan worden gege- 0 10 40 60 80 100 110 0 10 40 60 80 100 120neral?seerd tot het meer algemene geval a- TIJD (IJlEN) b ---. TIJD (IJlEN)van het storten van n?euw beton op oudbeton. peratuur onder ad?abatische omstan- batische proef. Als van een bepaald ce-H?erbij zijn een aantal ?nvloedsfactoren d?gheden (geen warmte-u?tw?ssel?ng ment het ad?abatisch tempe-te onderkennen. naar de omgev?ng) te meten. De tempe- ratuurverloop bekend ?s, ?s bij benade-ratuurontw?kkel?ng ?n relatiefd?kwan- r?ng het ad?abatisch temperatuur-Cement d?ge constructies verloopt echter sem?- verloop van het betonmengsel u?t te re-De e?genschappen van cement hebben ad?abatisch; er ?saltijd wel emgwarmte- kenen.veel ?nvloed op het ontstaan van scheu- verl?es naar de omgev?ng. Rekenmodel-ren ?njong beton. len alsSPATEMhebbenals belangrijkste U?t ervar?ngen met metingen ?nhetver-?nvoergegeven de ad?abaat, dat ?s de leden ?s gebleken dat wegens de langeKarakterisering van de warmteontwikkeling kromme d?e het ad?abatische proces tijdsduur van het meetproces, het bepa-De soort en hoeveelhe?d cement, .als de weergeeft, van het betonmengsel nod?g, len van de ad?abaat op grote ge?soleerdeactieve component ?n het beton, bepa- ter karakter?sering van de warmte- betonkubussen (I m3) ?n een omgev?nglen de hoeveelhe?dwarmte d?e per tijds- ontw?kkel?ng. Deze ad?abaat wordt dan met constante temperatuur met vol-eenhe?d en ?n totaal vrijkomt. Hoog- door het programma 'verschaald' naar doende nauwkeurig ?s. De ad?abatischeovencement heeft als karakteristieke meermet de praktijk overeenkomende omstand?gheden kunnen hetbestewor-waarde voor de warmteontw?kkel?ng omstand?gheden (sem?-ad?abatisch ge- denverkregen door de temperatuur vancirca 3/4 maal d?e van portlandcement. drag). het med?um ~uchtofeen vloe?stofj bu?-Een grotere maalfynhe?d (Bla?ne-waar- ten de meetkubus actiefbij testuren, zo-de) maakt het cement in het algemeen Gebleken ?s dat de tot op heden gebru?- dat op elk tijdstip het tempera-reactiever; per tijdseenhe?d komt dan kelijke methode om dewarmteontw?k- tuurversch?l tussen de kubus en de om-meer warmte vrij. kel?ng van cement te meten onder ?so~ gev?ng zeer gering ?s. In het kader vantherme omstand?gheden, met voldoen- het onderzoek ?s op deze w?jze van eenDe warmteontw?kkel?ng wordt volgens de nauwkeurig?s omeencementgoed te vrij groot aantal betonmengsels de ad?a-NEN 3550 'Cement.Defin?ties, e?senen karakteriseren. Het ?s dan ookaan te be- baat bepaald [3]. Gevari?erd zijn de aan~keur?ng' onder ?sotherme omstand?g~ velen deze ?sotherme proeftevervangen vangstemperatuur (c?rca 10 en 20?C),heden (constante temperatuur) geme- door de nauwkeur?ger en ten behoeve wel of geen plastificeerder en versch?l-ten. Het ?s echter ook mogelijk de tem- van berekemngen meer bru?kbare ad?a- lende hoogovencementen.54 Cement 1990 nr. 6SlakgehalteVolgens NEN 3550 moet hetslakge-halte in hoogovencement kleiner zijndan 80%. Wil een hoogovencement als'low-heat' worden gekarakteriseerd,dan moet de warmteontwikkeling (iso-therm) na 7 dagen kleiner zijn dan 270Jlg. VerhogingVan het slakgehalte bete-kent dat per massa cement en per tijds-eenheid minder Warmte vrijkomt.Figuur 2 geeft een voorbeeld van de in-vloed van hetslakgehalte op het verloopvan de adiab?at van een betonmengselvan overigens gelijke samenstelling (4].Van het ene cement is het slakgehaltecirca 74%(referentiecement),hetanderecement is speciaal vervaardigd (labora~toriumcement) en heeft het maximaaltoegestane slakgehalte van circa 80%.De verhoging van het slakgehalte heefteen aanzienlijke reductie van de totaalgeproduceerde warmte tot gevolg, ter-w?jl de beginhelling van de adiabatennietveelverschilt. Dituitzichdanookinde gemeten ontwikkeling van de druk~sterkten. De 3- en 7-daagse sterktenzijnongeveer gelijk; de gemeten 14- en 28-daagse sterkten blijven enigszins achter.Reactiviteit van de slakNaast de totale hoeveelheid vrijko-mende warmte is het verloop Van deadiabatische temperatuurontwikkelingin de tijd van belang. Een meer geleide-lijk verloop (een flauwere helling) heefteen gunstige invloed op de bereiktemaximale temperatureninde construc-tie. Immers,des telangerhethydratatie-proces duurt, des te meer gelegenheid iser dat warmte door de bekisting weg-lekt.Figuur 3 geeft hetverloop van de adia-baten bij twee betonmengsels met ver-schillende cementen I en 11, doch meteen vergelijkbaar slakgehalte. Cement Iheeft ondanks fynere maling, minderwarmteontwikkeling dan cement 11,4 Invloed van verschil inaanvangstemperatuur van debetonspecie op het temperatuurverloopen de spanningen in de constructiea. temperatuurverloop in tunnelwandbij een aanvangstemperatuur van 10?C(A) en 25?C (B), als gemiddelde over dewanddikte halverwege de hoogte vande wandb. verdeling van de gemiddeldespanningen in hoogterichting van dewandhetgeen is toe te schrijven aan minderereactiviteit van de slak.Als proefzijnbij debouwvande tunnel-elementen een aantal tussenwanden,onder gelijke omstandigheden, met de-ze twee cementengestort. Hetgunstigerverloop van de adiabaten van cement Iten opzichte van die van cement 11kwam tot uiting in de scheurvorming.Demet cementIgestortewandenwarenvrijwel ongescheurd; de met cement 11gestorte wanden vertoonden. conse-quente scheurvorming. Een berekeningmet behulp van het programma SPA-TEM gafeenverschil in maximale trek-spanning van circa 0,5 N/mm2; dit isvoldoende om het geconstateerde ver-schil in scheurvorming te verklaren. Desterkteontwikkeling van het beton ge-maakt met de twee cementen was ge-lijkwaardig (karakteristieke 28-daagsedruksterkte ruim 40 N/mm2).Met een laboratoriummethode volgens[5] kan de scheurgevoeligheid van di-verse betonmengsels worden gekarak~teriseerd. Bij de proeven worden ge?so-leerde balkjes zodanig in een stijfframegeklemd, dat de vervorming volledigwordt verhinderd. Gemeten worden detemperaturen en de spanlllngen alsfunctie van de tijd. Op dezewijze kan opeen snelle en relatief eenvoudige w?jzevooraf een indruk worden verkregenomtrent het verschil in gedrag van ver-schillende betonmengsels.HulpstoffenPlastificeerderMeteen plastificerende hulpstofkan bijeen gelijke verwerkbaarheid wordenvolstaan met minder water. Als de wa-ter-cementfactor constant wordt ge-houden, betekent dit dat minder ce-ment kan worden toegepast, waardoorevenredigminderwarmtevrijkomt. Ui-teraard moet wel worden voldaan aanhet minimaal voorgeschreven cement-gehalte volgens de VET 1986.VertragerDe in de handel zijnde vertragers ver-schuivende aanvangvanhethydratatie-proces slechts naar een later tijdstip. Ditheeft uiteindelijk geen effect op dewarmteontwikkeling in de constructie.Veel plastificeerders hebben als bijeffectook een vertragende werking.Industri?le alcoholDe werkgroep heeft een ori?nterendonderzoek verricht naar de vertragendewerking van industri?le alcohol (Isop-ropanol) [6]. Geconcludeerd kan wor-den dat de alcohol niet alleen de aan~vang van het hydratatieproces in de tijdopschuift, maar ook het hydrata-tieproces in de tijd uitsmeert.Ditlaatsteeffect werd bij de in de handel zijndevertragers hoegenaamd niet gevonden.Doordat het hydratatieproces tragerverloopt, wordt de temperatuurpiek inde constructie verlaagd, hetgeen dusweer gunstig uitwerkt op de kans opscheurvorming.Gebruikvanalcohol heefteen negatieveinvloed op de ontwikkeling van dedruksterkte. Afwijkingen inde doseringleiden tot relatief grote variaties in dedruksterkte. Om deze reden en omdathet temperatuureffect niet zodanig isdat bij tunnels kan worden afgezien vankunstmatige koeling, heeft de werk-groep nietgetrachthetpercentage toe tevoegen alcohol teoptimaliseren.Boven-dien is geen onderzoek verricht naarmogelijke andere nadelige neven-effecten.VulstoffenDoor vervanging van een deel van hetcement door vliegas wordt de warmte-ontwikkelingevenredig minder. De'bindmiddelwaarde' van vliegas bij ge-bruik van hoogovencement IS laag,waardoor problemen kunnen ontstaanmet het gewenste verloop van de druk-sterkte in de tijd en met de nabehande-ling.Demogelijkhedenzijndus begrensd.~~E> 7~ \ 6~ 5i 4~:z: \I :e ~> .Cement 1990 nr. 6aw ~ ~ " ~ ~ ~ " " ~ mmm ~- - + TUD ( UREN) b- 1,0 0-- ? 1.0 .2.0SPAIMlGEN (N/....2)55l.-~~~ IMATERIALEN IBETONTECHNOLOGIE72 96 120.. TIJD IUREN)144__ AIl15"C_5"(ZonbestralingDe zon kan als infrarode warmtebronfungeren. Detemperaturenindebeton-constru"tie worden hierdoor hoger dande luchttemperatuur zou suggereren.Zonbestraling tijdens het verhardings-proces moet door middelvanhet afdek-ken van de constructie zoveel mogelijkworden voorkomen.BekistingIsolerende werking van de bekistingOm het oplopen van de temperatuur inhet hetonzoveel mogelijk tegen te gaan,moet de bekisting weinig isolerend ver-mogenbezitten.Eenstalenkistwordt intemperaturen verloopt het hydra-tatieproces ook langzamer in de tijd.Indien bij een afkoelende constructieeen plotselinge temperatuurval op~treedt, eventueelgecombineerdmeteenstevige wind, wordt de kans op scheur-vorming vergroot. Deze combinatie isbij tunnels in het verleden ook enkelemalen opgetreden. De wanden kun-nen,in tegenstelling tot de vloer, twee~zijdig afkoelen. Alleen als het beton detijd heeft gehad via relaxatie een grootdeel van de opgebouwde trekspannin-gen kwijt te raken, is de constructie be-stand tegen plaatselijke grote tempera~tuurdalingen. De constructie zal danook na de verhardingstijd nog enige tijdmoeten worden afgeschermd tegenplotselinge temperatuurdalingen.Figuur 5 geeft een voorbeeld van de be-rekende maximale trekspanning in eentunnelwand als functie van de tijd. Deeerste knik wordt veroorzaakt door hetontkisten, de tweede knik is het gevolgvan een plotselinge temperatuurdalingvan de omgeving.Deze temperatuurda~ling heeft in dit geval e~n zodanigespanningstoename in de tunnelwandtotgevolg, datdeze alsnog kan scheuren./48--245 Verloop van de l11aximaletrekspanningen in een tnnnelwandonderscheid worden gemaakt tussen deperiode dat het temperatuurverloop inde constructie nog stijgende is en de pe-riode dat het weer dalende is. Wat voorde eerste periode gunstig is, kan voor detweede periode ongunstig zijn.LuchttemperatuurHet warmteverlies naar de omgevingwordt .onder andere bepaald door hettemperatuurverschil tussen het betonende omgeving.Eenlage buitentempe~ratuur (winter) geeft veel warmteverliesen daardoor uiteindelijk lagere tempe~raturen in de constructie; dit is gunstigzolang het temperatuurverloop in deconstructie nog niet het max1mumheeft bereikt. Bij lagere buiten~WindsnelheidBij grote windsnelheden neemt dewarmteafgifte vanuit de constructienaar de lucht toe. Dit heeft twee effec-ten:- demaximale temperaturenblijventij-dens het hydratatieproces lager. Dit isin dit vroege stadium gunstig; de kansop doorgaande scheuren wordt daar-door kleiner. Als de constructie ineenlater stadium weer wat is afgekoeld,kan een plotseling opstekende windechter nadelig uitwerken (zie hiernabij luchttemperatuur);- de temperatuurverschillen over dedwarsdoorsnede van een wand wor-den groter. Hierdoor bestaat de kansop scheurvorming aan het oppervlak.Dit zijn dus geen doorgaande scheu-ren; zij be?nvloeden de waterdicht-heid niet direct. Vooral als hogewind-snelheid samenvalt met lage lucht-temperatuur (winter) en dat ook nogvlak na het ontkisten, is het gevaarvoor deze scheurvorming groot.Deze oppervlaktescheuren kunnendoorgaande hydratatiescheuren im~ti?ren.OmgevingBij de invloed van de omgeving moetCementVers cement kan een relatiefhoge tem-peratuur hebben, wat doorwerkt in deaanvangstemperatuur van de betonspe-Cie.Elke 8,SoCverlagingvande cementtem-peratuur geeft een verlaging van de be~tonspecietemperatuur van circa 1,0?e.Koelen van het cement is dus geen effi~ci?nt middel en overigens ook moeilijkte realiseren.ToeslagmaterialenDaar het toeslagmateriaal het grootstedeel uitmaakt van het totale beton-mengsel is vooral de aanvangstempe-ratuurvan de toeslagmaterialen van be-lang. Elke 1,6?C temperatuurverlagingvanhet toeslagmateriaal geefteenverla-ging van de betonspecietemperatuurvan circa I,O?C. Eenvoudige maatrege-len, zoals het afdekken van de toeslag-materialen tegen directe zonbestraling,zijn daarom al effectief.AanmaakwaterWater bezit ten opzichte van de anderebestanddelen een grote warmtecapaci-teit en heeft daardoor relatief veel in-vloed op de aanvangstemperatuur. Elke3,6?C verlaging van de temperatuur vanhet aanmaakwater geeft een verlagingvan de betonspecietemperatuurvancir-ca 1,0?e. Water kan, in tegenstelling totzand en grind, relatief eenvoudig wor~den gekoeld.AanvangstemperatuurDe aanvangstemperatuur van de beton-specie heeft vrij grote invloed op hetverloop van de warmteontwikkeling inde constructie in de tijd.Bij lageaanvangstemperaturenverloopthet hydratatieproces geleidelijker in detijd. In een constructie treedt hierdoormeer warmteverlies naar de omgevingop; de maximale temperaturen in deconstructie blijven daardoor lager.Figuur 4 geeft eenvoorbeeld van het ef~fect van een aanvangstemperatuur vanrespectieVelijk WC en25?C bij hetstor-ten van een tunnelwand op een eerdergestorte vloer. Uitde figuur blijktdat detemperatuurstijging bij een aanvang-stemperatuurvan 10?C aanzienlijklageris dan bij 25?C, bovendien wordt de topinhet temperatuurverloopveel laterbe-reikt. De verschillen in temperatuur-verloop uiten zichinde trekspanningenin de constructie.Bij de bouw van de tunnelelementenvoor de Willemsspoortunnel is de in-vloedvande samenstellendedelenop deaanvangstemperatuur als volgt.56 Cement 1990 nr. 6Tabel 1Invloed van wanddikte en type bekisting op betontemperatuur en trekspanning ineen wand bij constante stijfheid van de vloer3,163,183,253,301,221,722,122,64max. spanning(N/mm2)36,441,745,650,248,550,852,754,8max. temp.(0C)hier bij tunnels zekerheidshalve totkoe-ling wordt overgegaan.Vooralsnog wordt hierbij van een een-voudig en veilig spanningscriteriumuitgegaan: toelaatbare trekspanning 1,0? 1,5 N/mm2? Het in [1]geformuleerdescheurcriterium is te ruim; constructieswaarvan bekend is dat deze in de prak-tijk aanzienlijke scheurvorming verto-nen, zouden volgens ditscheurcrite-rium ongescheurd moeten zijn. Ver4eronderzoek naar een meer exacte formu-leringvan het scheurcriteriumiswense-lijk.f u?O,21fbl'W--+staalstaalstaalstaaltype bekistingstaal, met 35 mm isolatiestaal, met 35 mm isolatiestaal, met 35 mm isolatiestaal, met 35 mm isolatiebrlllk.kricht~stuurdIIII,I-,Ibrtuk Vtrvorlllingsg.stuurdI0,550,751,001,500,550,751,001,50wanddikte(m)6a-e-diagram van een betonnentrekstaafiFiguur 6 geeft schematisch het scheur-gedrag van een op trek belaste betonnenstaafindien de trekproefkracht- ofver~vormingsgestuurd wordt uitgevoerd. Ihde nabijheid van devloerlijkt devervor-mingstoestand in een tunnelwandenigszins op de vervormingsgestuurdetrekproef, waardoor de wand hier terplaatse pas bij vrij grote rekken scheurt.Dit is de belangrijkste reden waarom inde praktijk wordt geconstateerd dat descheuren in de wand op een zekere af-stand boven de vloer beginnen.Door berekening (bijvoorbeeld metSPATEM) kan wel worden aangegevenof bij een bepaalde constructie de kansop scheurvorming groot is ofdat duide-lijkgeen koeling nodig is. In het 'grijze'tussengebied kunnen (nog) geen duide-lijke uitspraken worden gedaan, zodatvVt:znneer is koeling nodig?De berekeningstechnieken en de hierbijgehanteerde criteria zijn nog niet zoda-nig ontwikkeld, dat het exactepunt kanworden vastgesteld waarbij juistgeen ofwel koeling nodig is. Het belangrijksteprobleem is hierbij de formulering vanhetjuiste scheurcriterium; bij welke rekc.q. spanning scheurt het beton? Detempetatuurverdeling in de verharden-de constructie kan daarentegen wel vrijnauwkeurig worden berekend.Dimensionering van het koelsysteemDoor middel van berekeningen metSPATEM kan, indiende adiabaatvanhetbetonmengsel beschikbaar is, veelal opeen iteratieve wijze het koelsysteemworden geoptimaliseerd [7]. Bij de in-voer kunnen verschillende condities,zoals type bekisting, ontkistingstijdstip,buitentemperatuurenz.worden gevari-?erd. Het temperatuurdeel van SPA-TEM is gebaseerd op de rekenmethodeder eindige differenties. Bij de bereke-ning van spanningen en rekken wordtuitgegaan van een model waarbij dewand in lagen is opgedeeld. Hierbij be~hoeft de totale betondoorsnede als ge-volg van de rotatievrijheid op elke laag-overgang niet vlak te blijven.Dit laatste bleek essentieel te zijn voorr-~---~---~-------' een juiste beschrijving van de proble-matiek.Het verschijnsel relaxatie wordt be-schreven met een rheologisch model,bestaande uit een in de tijd toenemendaantal Maxwell-elementen (veer-dem-per systemen). Als rekenresultaat wor-den verkregen:- doorsnede, plaats en aantal van dekoelbuizen;- benodige koelwaterdebieten;- temperaturen in de constructie opverschillende plaatsen en tijdstippen(twee dimensionaal);- reactiegraad in de constructie op ver-schillende plaatsen en tijdstippen.Tijdstip van o~tkistenExtra vroeg ontkisten kan een gunstigeffect hebben als een isolerende bekis~tingwordtgebruikt en als ditgebeurt opeentijdstipwaarbij de maximale tempe~ratuur in de constructie nog niet is be-reikt.Het is echter veelal niet te realiseren deconstructieteontkistenruimvoordatdemaximum-temperatuur in de con-structie is bereikt. De druksterkte heeftop dit vroege tijdstip namelijk nog nietde vereiste waarde bereikt.Vroeg ontkisten heeft verder tot gevolgdat de temperatuurgradi?nten indwarsrichting groter worden, met dekans op scheurvorming nabij het opper-vlak. Een belangrijk nadeel van vroegontkisten is de vereiste extra zorg bij denabehandeling van het beton. De nade~len van extra vroeg ontkisten zijn danook groter dan het voordeel van minderhoge temperaturen in de constructie.Kunstmatige koelingIn het voorgaande zijn veel maatregelenbesproken om de ontwikkeling van dehydratatiewarmte te beperken en daar-mee de trekspanningen in jong beton.Door een aaneenschakeling van de velepositief werkende parameters kan eenaanzienlijk gunstig effect worden ver-kregen. Bij constructies die tijdens hetverharden niet worden gekoeld kan dekans op scheurvorming daardoor wor-den beperkt.Voordelen van koelingOp het moment dat een constructiewordt gekoeld zijn de genoemde maat-regelen ter beperkingvande hydratatie-warmte wat minder belangrijk. Doorenige overcapaciteit in het koelsysteemin te bouwen kunnen vrij eenvoudig al-lerlei negatiefuitwerkende verschijnse-len worden 'weggekoeld'. Verder heefteen koelsysteem als karakter dat het eenactiefsysteem is; relatiefeenvoudig kantijdens het hydratatieproces worden in-gespeeld op gewijzigde omstandig-heden, zoals plotseling optredende ho-gere temperaturen. Bij preventievemaatregelen vooraf is dit veel moeilij-ker, zoniet onmogelijk.de praktijk nog wel eens voorz?en vaneen isolerende schuimlaag, om in dewinter tijdig te kunnen ontkisten. In dezomer heeft deze extra isolatielaag ech~ter een sterk nadelig effectop de tempe-ratuurontwikkeling in de constructie.Tabel 1geeftterillustratieenkele reken-resultaten. Hieruit blijkt dat de invloedvan de isolerende werking van de bekis-ting op het ontstaanvanrrekspanningengroter kan zijn dan de invloed van dewanddikte.Cement 1990 nr. 6 57~~ ----_I_MA__:TE__RIAL_?_ _E_N---_~~.L.I13_E_T_O_NTE_~_C_H_N_O_L_O_G_IE_? _7 Temperatuurverdeling in een verticale en horizontaledoorsnede over een wand ter plaatse van koelbuizengA 1O~fl9"I : ,.....: ...A VlOERWNIIOIKTE tzo.--- = TEttPERATUURVERDELING HETKUNSTMATIGE KOElING- -- - : TEI1PERATUURVERDELING ZONDERKUNSTMATIGE KOELIIGoI---'---~--~~~DOORSNEDE B-B50+-~--~~----j----.-......... ......40~~ / '~ \ /~ 30 V~ 20 +-:-----~-~_iI!Ij45/,,/15 30---.... TEMPERATUUR ("I: JDOORSNEDE A;..A--~DOORSIlEIIE liD ~ARSllICHTIIG ..:::::>1-, - - < -r-e7-E-!... 6:::>a:I-UlZC>..."" 5i!: QI-~:I:~ ~lAlI-4""C>:I:132a: 1lAl-'>'--Met behulp van empirische relatieskunnen hieruit druk- en treksterktenworden afgeleid, zodat in principevooraf voorspellingen kunnen wor-den gedaan omtrent de sterkte-ontwikkeling naar plaats en tijd. Vol-gens de uitgevoerde proeven blijkt bijbenadering een lineaire relatie tussendruksterkte en reactiegraad aanwezigte zijn;- temperaturen van het koelwater opverschillende plaatsen en tijdstippen;- spanningen en rekken op verschillen-de plaatsen en tijdstippen.Figuur 7 geeft ter illustratie van de re-kenresultaten de temperatuurverdelingop een zeker tijdstip in een snede in dehoogterichting van de wand, juist terplaatse van de koelbuizen. Ook wordteen snede dwars over de wand getoondter plaatse van een koelbuis. Het betreftde gekoelde zijwanden van de tunnel-elementen voor de Willemsspoortun-nel. Opvallend zijn de grote tempera-tuurgradi?nten die ontstaan bij het koe-lenvaneendikkewand door koelbuizenmet relatiefkleine diameters. Hetis nietuit te sluitendat door deze grote tempe-ratuurgradi?nten enige inwendigescheurvorming nabij de koelbuizen op-treedt. De streeplijn geeft het tempe-ratuurverloop weer voor het geval dekoeling achterwegezouwordengelaten.TenslotteDe gegeven aanbevelingen ter beper-king van de warmteontwikkeling en!ofde gevolgen hiervan kunnen niet alleen1U de tunnelbouw worden toegepast,maar ook bij andere constructies waardoorgaande scheurvorming zeer nade-lig is voor de kwaliteit van de construc-tie. Hierbij kunnen twee wegen wordenbewandeld.Enerzijds kunnen bepaalde delenvan deconstructie worden gekoeld, bijvoor-beeld door gebruik te maken van deveelal toch aanwezige bronbemaling.Hierdoor zijn koelaggregaten overbo-dig; het grondwater is een ideaal koel-middel, dankzij de redelijkconstantela-ge temperatuur. Anderzijds kan, doorhet treffen van enkele in dit artikel be-handelde aanvullende maatregelen, dekans op scheurvorming worden be-perkt. Aan de hand van de uitkomstenvan voorafgaande berekeningen kan deeffectiviteit van deze maatregelen wor-den ingeschat.Literatuur1. COR-rapport 128, Koelen van beton.COR, Gouda, 1987.2. Schillings, JJ.M., CONTEM, Hand-leiding bij het berekenen van de warm-teontwikkeling in verhardend beton.Bouwdienst Rijkswaterstaat, rapportBSW nr. 90-04, maart 1990.3. Lenos, S.,- Adiabatische temperatuurstijging vanbeton, ontwikkeling en evaluatieproefopstelling. IBBC-TNO-rapportnr. B-89-940, maart 1989.- Adiabatische temperatuurstijging vanbeton met vier hoogovencementenvan het type low heat. IBBC-TNO-rapport nr. B-89-320, april 1989.Onderzoek uitgevoerd in opdracht vandeBouwdienstRijkswaterstaat, afdelingBouwspeurwerk.4. Raijmakers, T.M]. en S. Lenos, Adia-batische temperatuurstijging van betonmet twee gemodificeerde ENCI-ce-menten. IBBC-TNO-rapport nr. B-89-824,januari 1990.Onderzoek uitgevoerd in opdracht vandeENCI.5.Untersuchungvon 4Zementenbez?-glich ReiEneigung. Untersuchungsbe-richt nr. 3327-2/88, Technische Uni-versit?t M?nchen, Institut f?r Baustof-wesen, Lehrstuhl f?r BaustoffkundeundWerkstoffpr?fung und Pr?famtf?rbitumin?se Baustoffe und Kunststoffe.Onderzoek uitgevoerd in opdracht vandeENCI.6. Raijmakers, T.M:J.,Adiabatische tem-peratuurstijging van beton met alcoholals hulpstof. IBBC-TNO-rapport nr.B-89-844, december 1989.Onderzoek uitgevoerd in opdracht vandeBouwdienstRijkswaterstaat, afdelingBouwspeurwerk.7. Wolsink, G.M., SPATEM, Theoreti-sche achtergronden. Bouwdienst Rijks-waterstaat, afdeling Bouwspeurwerk,rapport BSW nr. 90-05, februari 1990.58 Cement 1990 nr. 6