IONDERZOEK IBETONTECHNOLOGIE ISTERKTE-ON LING VANBETON METSILICA FUMEirJ.Mijnsbergen, Technische Universiteit Delft, Stevinlaboratoriumir.M.E.Meijs, Witteveen + Bos Raadgevende Ingenieurs, Deventer*ing.A.Bogers, Van Neerbos Betonchemie bv, OosterhoutG.Zwartjes, A. de Boo bv, DelftVoor de aanleg van een persleiding aan de Zuid-Hollandse kust is .silica fumetoegepast in beton met hoogovencement. Oogmerk hiervoor was het verkrijgen vaneen hoge beginsterkte. Na een succesvolle uitvoering is in het Stevinlaboratoriumnader onderzoek verricht naar de invloed van de temperatuur en de dosering silicafume. De hoofdzaken van het onderzoek worden gepresenteerd.Silica fume, ook wel miero-silicagenoemd, kan aan een beton-? .? mengsel worden toegevoegd ombepaalde eigenschappen te verbeteren.Dit leidt, onder de juiste omstandighe-den, tot een dichtere structuur van dematrix,wateenverhogingvandesterktetotgevolg heeftendeduurzaamheid tengoede komt. Directe aanleiding tot hethier gepresenteerde onderzoek was detoepassing van silica fume bij de be-scherming van de persleiding van eengemaal; ook het feit dat in Nederlandnog niet veel ervaring bestaat ten aan-zien van de toepassing van silica fumewas reden om dit onderzoek uit te voe-ren.Het onderzoek is vooral gericht op desterkte-ontwikkeling van jong betonmet silica fume. De belangrijkste varia-bele betrofde toegevoegde hoeveelheidsilica fume terwijl daarnaast de verhar-dingstemperatuur is gevarieerd..Dever-ha,rdingstemperatuur is immers vangrote invloed op het verloop van desterkte-ontwikkeling.Betonomhulling van een stalenpersleidingIn opdracht van het Hoogheemraad-*ir.Meijs is thans werkzaam bij Jones LangWootton bv, AmsterdamV?rvolg van blz. 1718schap van Delfland is aan de voetvan deduinen nabij Ter Heijde (gemeenteMonster) een volautomatisch bodem-gemaal gebouwd met een persleidingoverhetduin totinzee.Eenbeschrijvingvan dit gemaal is gepubliceerd in [1].Het leidingdeeltussen de duinvoet ende uitmonding in het strandhoofd isomhuld met beton ter verbetering vande stabiliteit en ter verhoging van deweerstand tegen corrosie van het staal.De lengte van de persleiding bedraagt170 m; de betondoorsnede is een recht-hoekvan 2,15 x 1,70 m2metdaarintweebuisdoorsneden van 0 0,70 m.Vanwege de uitvoeringsmethode werdgezocht naar een betonsamenstellingwaarmee reeds na 36 uur (liever nog na24 uur) eengemiddelde druksterktevanmeer .dan 20 N/mm2zou worden be-reikt.Gezien het milieu waarin de omhullingwerd geplaatst, namelijk rondom dewaterlijninzeewater, werd zeer sterkdevoorkeur gegeven aan toepassing vanhoogovencement.In het bestek is, op basis van literatuur-gegevens en contact met de leveranciersvan silica fume beton omschreven met375 kg/m3hoogovencement klasse A,een water-cementfactor van 0,40 enschade de meningen Over de opbouwvan het pakket correctieve maatregelennogalvanelkaar kunnen afwijken. Deindit artikel neergelegde overwegingenten aanzien van reparatie zijn dan ookniet meerennietminder dan de meningvan de auteurs op dit moment.Literatuur1. Bijen, J.MJ.M. en Van der Winden,toevoeging van 5% (m/m) silica fume,benevens een hoeveelheid superplastifi-ceerder die benodigd is om een zetmaatvan circa 60 mrn te verkrijgen. Hieraanwerd toegevoegd dat na een geschikt-heidsonderzoek de definitieve samen-stellingzouwordenvastgesteld. Metde-ze omschrijving werd ingespeeld op deeis van toepassing van hoogovencementterwijl door de toevoeging van silica fu-me de verlangde snelle sterkte-ontwik-keling mogelijkwas.Tevens kan men opbasis van literatuurgegevens veilig con-cluderendatde toevoegingvansilicafu-me minimaal niet nadelig is voor debe-schermende werking van het beton,maar een extra bescherming toevoegt.Op basis van een geschiktheidsonder-zoek op kleine schaal, waarbij de hoe-veelheid silica fume en de water-ce-mentfactor werden gevarieerd, is voorhet werk het bovengenoemde mengseltoegepast, zij het dat de water-cement~factorwerdverhoogdvan0,40 naarO,45.Tijdens de uitvoering was over debouwkuip een tent geplaatst. Een blo-wer zorgde er voor dat gedurende 24uurnahetstortende temperatuurmini-maal 15 oeenmaximaal 25 ?C bedroeg.Doordeze maatregelen kon, zois geble-ken, aan de sterkte-eis worden voldaan.De leiding is vervaardigd in moten vanN.G.B., Beton in warme landen, ge-schiktheid van toeslagmaterialen, Ce-ment 1984 nr 2, pp. 82-87.2. Van de Fliert, C. en de Kuijper, c.,Calciumchloride in beton, uitgave t.g.v.Enci-prijsvraag, 1962.3. 'Reinigen door stralen', Onderzoe-kingen en Richtlijnen 1975, NederlandsCorrosiecentrum.Cement 1988 nr. 5TabellSamenstelling van silica [umeDwarsdoorsnede over de persleiding die bij Ter Heijdeop het strand is aangelegdComponentsoortelijke massavolumieke massahoeveelheidin %(m/m)86,0 - 92,00,8 - 2,00,3 - 1,00,2 - 0,60,8 - 1,81,5 - 3,50,3 - 3,50,2 - 0,42200 kg/m3150-300 kglm3?Q;m) !I fI ?Q 200012 m, waarbij iedere week een mootwerd vervaardigd.SmcafumeBij de produktievanferro-siliconwordtdoor middel van ftlters het restproduktsilica fume opgevangen. Silicon, fer-ro-silicon en andere siliconlegeringenworden geproduceerd in verzonkenelektrische vlamboogovens. Zuiverkwarts wordt met erts, kolen en cokes inlagen in de oven verdeeld.De gemiddelde grootte van de deeltjesligt gewoonlijk tussen 0,1' 10-6en0,2 . 10-6 m, dat wil zeggen circa 100maal f~ner dan cement Het specifiekoppervlak bedraagt circa 20 m2/g (ver-gelijk het specifiek oppervlak van hetgebruikte cement: 0,43 m2/kg). Hetpoederis samengesteld uit eenverschei-denheid van losse agiomeraten met eenerg lage bulkdichtheid. Vergeleken metanderepuzzolanematerialenwordtsili-ca fume gekenmerkt door het hoge re-actieve silicagehalte en de f~nheid.Tabel 1 geeft de chemische samenstel-ling van de in het onderzoek toegepastesilica fume (Micropoz) weer.Het grote specifieke oppervlak van desilicadeeltjes kan zelfs met relatieflage-re doseringen duidelijke veranderingenveroorzaken in het beton. Deze veran-deringen in eigenschappen zullen sterkafhangenvande hoeveelheid ende soortcement, gradering van de toeslag, toe-voegingen en hulpstoffen en de tempe-ratuur.Verwerking van silka fumeDoor het grote specifiek oppervlak vande deeltjes, dientmeteenlangere meng~tijd rekening te worden gehouden, omzo de bevochtiging van de deeltjes teverzekeren.De dosering van silica fume in beton-specie moet worden vastgesteld aan dehand van een geschiktheidsonderzoek.Daarbij moet ook de hoeveelheid (su-per)plastificeerder worden bepaald.Vaak wordt de verwerkbaarheid van hetbetonmengsel aangeduid door middelvan de zetmaat. De relatie tussen de zet-maat en verwerkbaarheid in beton metsilica fume wijkt echter af ten opzichtevan beton zonder silica fume; dat kanworden gecompenseerd door de zet-maat enigszins te verhogen. In het alge-meen wordt silica fume verwerkt indroge vorm. Wanneer grote hoeveelhe-den silica fume worden verwerkt, kanhet interessant zijn gebruik te makenvan een nat doseersysteem (slurry, eenmengsel van silica fume en water). Op-slag, roermechanisme, controle van detemperatuur (vorst) en de pH vragendan bijzondere aandacht.Ten aanzienvan gezondheidsaspecten isvastgesteld dat geen bijzondere voor-zorgstnaatregelen nodig zijnbij norma-le verwerking van silica fume in beton.Het onderzoekVoor dat met het eerder genoemdebouwproject werd gestart, was er in deNederlandse bouwpraktijk nog geenproject bekend waarbij beton met silicafume op een dergelijke schaal was toe-gepast. Hoewel de gegevens uit de be-perkte proefopzet betrouwbaar werdengeacht, omdat deze goed overeen kwa-men met de verwachtingen, leek het debij het project betrokken partijen ver-standig enig verder onderzoek uit tevoeren, onafhankelijkvan de uitvoeringvan het werk.ExperimentenUitgangspunt voor het proevenschemawas de betonsamenstelling zoals dezewas toegepastbij hetproject'Vlotwater-ing'. Deze samenstelling was als volgt:375 kg/m3hoogovencement klasse A,5% (rn/m) silica fume, watet-cement-factor 0,45 en superplastificeerder totzetmaat 60 mmo De verwerking mochtslechts plaatsvinden bij temperaturenhoger dan 15?C.In het onderzoekzijn de hoeveelheid si-lica fume en de verhardingstempera-tuur gevarieerd. De nabehandeling isimpliciet vastgesteld door de proefku-bussen (in de mal) in een waterbak metde gewenste temperatuur te plaatsen.._.~---C ..../-0~.../M~Vrl-IIISerie n A. de BoaB Clemperatuurl'CJ 20 30silica fume0% .. Jl.5 % ? ?8% , ...28lijd (dagen)20hm (MPa)6050403010f~cm(MPa)28tijd (dagen)Serie I Slevin lab.ABClemperatuurI"C110 20 30silica fume0% ? * J\.50/0 ? ? ?8% ... 'V'1 Gemiddelde kubusdruksterkte(serie I) als functie van deverhardingstijd2 Gemiddelde kubusdruksterkte(serie 11) als functie van deverhardingstijdCement 1988 nr. 5 19IONDERZOEK3 Invloed van silica fume-gehalte enverhardingstetnperatuur op dedruksterkte na 1 dag.Voor bepaling van de relatieve sterktewordt de gemeten druksterkte gedeelddoor de referentie-sterkte (van blancomengsel, na twee dagen en verhard bij20'C)4 Invloed van silica fume-gehalte enverhardingstemperatuur op dedruksterkte na 2 dagenTen aanzien Van de hoeveelheid silicafumezijn (naast een blanco mengselzonder silica fume) twee gehalten be-proefd, te weten 5% en 8% (m/m ten op-zichte van cement).Indien noodzakelijkwerd aan de beton-specie superplastificeerder toegevoegdom een zetmaat van 60 mm te verkrij-gen. Gemiddeld was toevoeging van0,1% superplastificeerder (ten opzichtevan de cementmassa) bij het lage silicafumegehalte en 0,2% bij hethoge gehal~te silica fume noodzakelijk. De verhar-dingvond plaats bij eendrietal tempera-turen, namelijk 10, 20 of 30 'e. De be-perking tot deze temperatuurgebiedenis als volgt te verklaren:- bij lage temperaturen reageert silicafume traag en levert dus geen bijdrageaan ontwikkeling van de vroege sterkte,zoals ook in het navolgende nog zal blij-ken;- bij hogere temperaturen zal ook zon~der toevoeging van silica fume een hogebeginsterkte worden bereikt, zodat detoepassing van silica fume uit alleen datoogpunt dan niet interessant is.Vooral het temperamurgebied van 10tot 30?C is dus voor toepassing in terplaatse gestort beton interessant.Om de sterkte-ontwikkeling te volgenis de kubusdruksterkte bepaald op eenouderdom van 1, 2, 3 en 28 dagen.Bovenstaande hield in dat de mallenmet betonspecie omniddellijk na hetstorten bij de gewenste temperatuur enonder water dienden te worden opge-slagen. Dit gebeurde door de mallenmet kunststoffolie af te plakken en ineen waterbak te plaatsen. Met behulpvan een cryostaat werd de gewenstetemperatuur +/- 1 ?C constant gehou-den. De proefstukken werden na 1 dagontkist en aansluitend beproefd of op-nieuw in de waterbak geplaatst tot hettijdstip van beproeven. De temperatuurvan 30?C is slechts gedurende 3 dagen20IBETONTECHNOLOGIErelatieve f~em (-)serie It= 1 dagsiliea fume---0% SI' 8%siliea furne 1%1. temperatuur IOC)gehandhaafd. Hierna zijn de proefstuk-ken langzaam gekoeld tot 20 oe en bijdeze temperatuur bewaard tot een ou-derdomvan 28 dagen. Hetleeknamelijkniet realistisch gedurende lange tijd een(voor praktijkomstandigheden) hogetemperatuur te handhaven.Per parametercombinatie zijn 6 kubus-sen (150x150x150 mm3) vervaardigd,totaal 6 x 3 x 3 x 4 kubussen. Hiervan isde ene helft vervaardigd en beproefd inhet Stevinlaboratorium van de Techni-sche Universiteit Delft(serie I) en de an-dere helft door de firma DeBoo te Delft(serie 11), met dien verstande dat de na-behandeling bij 10?Calleen in het Ste~vinlaboratorium is uitgevoerd. Hetspreekt voor zich dat voor beide seriesdezelfde materialen (met uitzonderingvan de superplastificeerder) zijn ge-bruikt, en dat een strakomlijnde ver-vaardigings-, nabehandeling- en be-proevingsprocedure is gevolgd. Tenaanzien van de gebruikte superplastifi-ceerder is voor serie I gebruik gemaaktvan Betomix en voor serie 11 van Addi-ment.ResultatenAlle verkregen resultaten zijn weerge-geven in de figuren 1 en 2. In deze figu-ren is de gemiddelde kubusdruksterkteuitgezet als functie van de tijd.Serie I (fig. 1)- StevinlaboratoriumBij een verharding bij 30?C (de C-lij~nen) levertde toevoegingvan 5 en 8% si-lica fume een bijdrage aan de I-daagsesterkte van respectievelijk 42 en 59%. Na28 dagen bedragen deze percentagesnog respectievelijk 15 en 19%. De bijdra-ge aan de sterkte is dan (procentueel)kleiner geworden, maar ookhet absolu-te verschil in sterkte tussen beide dose-ringen is kleiner geworden.Wanneer het beton verhardt bij 20?C(de B-lijnen) is na ??n dag duidelijkminder invloed van de silica fume aan-relatieve fleem (-I4.-~- ~ ~ - - - ~ - ~serie It= 2dagensiliea fume (%1. temperotuurl?C)wezig, te weten 3 en 12% voor respectie-velijk 5 en 8% toevoeging. Na twee da-gen zijn deze percentages echter al toe-genomen tot 14 en 30, om na 28 dagende waarden van respectievelijk 7 en 21%te bereiken.Verharding bij 10 ?C levert een anderbeeld. De krommen snijden elkaar. Detoevoeging van silica fume levert pas bijeen ouderdom groter dan twee dageneen bijdrage aande sterkte. De I-daagsesterktevanbeton met silicafume is lagerdan die van beton zonder deze stof. Nadrie dagen leveren toevoegingen van 5en 8% een verhoging van de sterkte opvan respectievelijk 14 en 63%.Hieruit blijkt dat toevoeging van silicafume tot een verhoging van de sterktevan jong beton kan leiden mits de ver-hardingstemperatuur hoger of gelijk isaan 20 oe.Sen'e IJ(fig. 2) - De BooDe resultaten van de tweede serie zijniets genuanceerder; de waarden van deI-daagse druksterkte vertonen mindergrote verschillen dan de resultaten vande eerste serie. De overige proefresulta~ten komen redelijk overeen. Evenals bijserie I zijn de waarden na 28 dagen voorbetonmet silicafume van dezelfde orde,enleverthetblanco mengsel datis nabe~handeld bij 30?C de laagste gemiddeldedruksterkte na 28 dagen.Nadere beschouwingAan de hand van de figuren 3 tot en met6worden na de resultatenvan serie I(ditwas immers de meest uitgebreide serie)nader beschouwd. In deze figuren zijnniet de absolute druksterkten weerge-geven, maar relatieve sterkten, geba-seerd op de druksterkte van het blancomengsel na twee dagen en verhard bij20 oe. De relatieve druksterkte wordtbepaald door de betreffende sterkte tedelen door bovengenoemde referen-tiesterkte. In de figuren is zowel de in-vloedvansilicafume als deverhardings-Cement 1988 nr. 5sil iea fume (%l. temperatuurt?CI0 ........_ - - - - - - 'relatieve fleem l-l4 - r - ~ - - - _ ____"_--,2+-__~-__~ ---1serie It= 26 dagensilica fume l~l.temperatuur (OCI0..1- - ---J1+- - --c---j--- SI'0% siliea fume~10'relotieve f~em (-)4-r-- ~ -_ _----,serie It= 3 dagen3+--- - ---16 Invloed van silica fume-gehalte enverhardingstemperatuur op dedruksterkte na 28 dagen5 Invloed van silica fume-gehalte enverhardingstemperatuur op dedruksterkte na 3 dagentemperatuur weergegeven. Hiervoor isgebruik gemaakt van een zogenaamdeverschuivende X-as waarop beide para-meters (naar verhouding) zijn uitgezet.I-daagse sterkteIn figuur 3is de relatievedruksterkte na??n dag geschetst. Uit deze figuur blijktdat bij een verhardingstemperatuur van10 en 20?C de toevoeging van silica fu~me niet leidt tot een hogere sterkte. Bij10 ?C is zelfs een lichte afname in sterktewaar te nemen. Bij 30?C daarentegentreedt wel een verhoging van de sterkteop. Ten aanzienvan de verhardingstem-peratuur kan worden opgemerkt dattussen 10 en 20?C nauwelijks verschilaanwezig is, maar dat verharding bij30 ?C tot eenwezenlijk hogere I-daagsesterkte leidt.Silica fume levert bij deze temperatuureen duidelijke bijdrage aan de I-daagsesterkte.2-daagsesterkteBij de 2-daagse sterkte (fig. 4) veranderthet beeld enigszins. Bij de laagste ver-hardingstemperatuur levert silica fumenog steeds geen toename van de sterkte.Bij 20?C daarentegen wel: 14% bij toe~voegingvan 5%silica fume en 30% bij 8%toevoeging, zoals hiervoor al is gemeld.Opvallend is ook de invloed van silicafume en temperatuur samen. Bij allecombinaties leidt een verhoging van detemperatuur tot een hogere sterkte. Bijhet blanco mengsel buigt de krommeboven 20?C sterk af, terwijl die van debeide mengsels met silica fume nogsterk toenemen. De figuur geeft aan datde 2-daagse sterkte,onder de voorwaar-de dat de verhardingstemperatuur mi-nimaal20?C bedraagt, kan wordenver-hoogd door silica fume toe te voegen.Een gehalte van 8%leidt tot een sterkte-verhoging van 30% bij 20 oe.3-daagse sterkteDe resultaten van de 3-daagse sterkte(fig. 5) versterken het beeld dat al bij de2-daagse sterkte is geschetst, voor watbetreft de gecombineerde werking vantemperatuur en silica fume. De figuurgeeft een omslagput aan. Wanneer deverhardingstemperatuur 30?C be-draagt, leidt het blanco mengsel tot eenbeduidend lagere sterkte dan wanneersilica fume is toegevoegd. In tegenstel-ling tot de een- en tweedaagse druk~sterkte, treedt nu bij 10 ?C ook een ver-hoging van de druksterkte op bij toe-voeging van silica fume, respectievelijk14 en 63%.28-daagsesterkteIn figuur 6 tenslottezijnderesultatenna28 dagen gepresenteerd. Deze figuur il~lustreert nog eens het bekende gegevendat een gewenste hoge sterkte vanjongbeton tot een lagere sterkte na 28 dagenkan leiden, wanneer men de verhar-dingstemperatuur als hulpmiddel ge-bruikt. Voor alle combinaties heeft eenhogere verhardingstemperatuur geleidtot(iets) lagere sterktenna 28 dagen.Tenopzichte van de tweedaagse (referen-tie)sterkte is gedurende 26 dagen desterkte gemiddeld met een factor 3 toe-genomen.Bij alle drie verhardingstemperaturenheeft het toevoegen van silica fume ge-leid tot verhoging van de sterkte, metdien verstande dat de gemiddelde sterk-tetoename schijnbaar een optimumheeftbij 20 oe.Bijzowel 10 ?Cals ookbij30?C is de toename iets geringer.ConclusieBinnenhetkadervande uitgevoerde ex-perimenten kan worden geconcludeerddat het zeer wel mogelijk is om doortoevoeging van silica fume aan een be-tonmengse1 de sterkte vanjong beton tedoen toenemen mits de verhardings-temperatuur niet te laag is.Door verhoging van de verhardings-temperatuur kan eenZelfde effect wor-den bereikt, maar dit leidt tot een lageresterkte na 28 dagen. Aspecten betreffen-de de kosten van silica fume versus ver-hoging van de verhardingstemperatuurzijn niet in de beschouwing betrokken.Literatuur1. Doorn, e.Th., Rijn, H,D.L. van, Gilst,MA, Delfland heeft een nieuw gemaalaan de Vlotwatering, F, 1987, nr. 9, blz.9-15Cement 1988 nr. 5 21