themaInteractie beton en reparatiemiddel (1)7 201656themaInteractie beton enreparatiemiddel (1)1Onderzoek naar de invloed van de vochtuitwisseling in het reparatiesysteemBij toepassing van een reparatiemiddel moet aandacht wordenbesteed aan de vochtigheid van het bestaande beton. Er kanimmers vochttransport optreden vanuit het reparatiemiddel naarhet beton en vice versa. Aan dat fenomeen is aandacht besteedin een promotieonderzoek aan de TU Delft [1].Ongeveer 50% van het Europese bouwbudget wordt besteedaan onderhoud, herstel en reparatie. Reparaties van beton zijnhierin een belangrijk onderdeel. De huidige reparaties aanbetonconstructies blijken echter veelal problemen te vertonen.Uit onderzoek blijkt dat in Europa 20% van reparaties binnen5 jaar, 55% binnen 10 jaar en 90% binnen 25 jaar falen [2]. InNederland wordt een vergelijkbaar gedrag van reparaties waar-genomen [3]. Ondanks de voortdurende ontwikkelingen enverbeteringen op het gebied van reparatiematerialen entechnieken, blijft de prestatie van reparaties in de praktijkInteractie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 57beperkt. De vraag is wat we moeten doen om dit te verbeteren.Om deze vraag te kunnen beantwoorden, moeten we naar hetreparatiesysteem in zijn geheel kijken. Dat bestaat uit zowel hetreparatiemateriaal als de ondergrond (het beton). De aandachtis tot nu toe erg gericht geweest op de ontwikkeling en toepas-sing van een `perfect' reparatiemateriaal. Maar ondertussenbegrijpen we nog maar nauwelijks de interactie tussen hetoude, bestaande beton en de nieuwe reparatiematerialen. Hetgaat daarbij om twee belangrijke aspecten. Als eerste devochtuitwisseling in het reparatiesysteem. Die bepaalt hoe hetreparatiemateriaal en de interface verharden. En als tweede hetaspect van de samenwerking tussen verhardend reparatiemate-riaal en het beton onder belasting. In dit artikel wordt ingegaanop het eerste aspect. In een volgend artikel zal aandacht wordengeschonken aan het tweede aspect.Vochtuitwisseling in het reparatiesysteemBeton heeft water nodig om te verharden. De beschikbaarheidvan water en de verdeling daarvan bepaalt de ontwikkeling vande eigenschappen van het materiaal (sterkte, elasticiteitsmodulus,doorlaatbaarheid). Na het aanbrengen van het reparatiemateriaalbegint de uitwisseling van water tussen het reparatiemateriaalen het beton. In het begin zal het droge beton water absorberenvan het pas aangebrachte reparatiemateriaal. Dit heeft zekervoordelen ? het verbetert de `chemische' hechting tussen detwee materialen. In geval van een met water verzadigde onder-grond gebeurt het vaak dat het oppervlak van het beton nietvoldoende wordt drooggemaakt, wat leidt tot het ontstaan vaneen waterlaagje dat de hechting vermindert. Is de ondergrondte droog, dan wordt er te veel water aan het reparatiemateriaalonttrokken en blijft er te weinig water over voor het verhardenvan het reparatiemateriaal. Vochtuitwisseling kan het succesvan een betonreparatie behoorlijk be?nvloeden maar de invloeddaarvan is nog steeds niet duidelijk en vraagt om meer inzichtin wat er echt gebeurt.De belangrijkste parameters die invloed hebben op vochtuit-wisseling in het reparatiesysteem zijn: de poreusheid, initi?levochtigheid van het bestaande beton, de water-cementfactor(wcf) van het reparatiemateriaal en de expositieomstandighedenvan het reparatiesysteem (bijv. de duur en soort van nabehande-ling, vochtigheid van de omgeving en temperatuur). Dit artikelgeeft een antwoord op de vraag hoe beton moeten wordenvoorbehandeld voor het aanbrengen van het reparatiemateriaal.dr.ir. Mladena Lukovic, dr.ir. Guang Ye,prof.dr.ir. Erik Schlangen,prof.dr.ir. Klaas van BreugelTU Delft, fac. CiTG1 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 luchtbellen3 Testopstelling in r?ntgenmachine (S1 en S2 zijn twee identieke proefstukken)ArtikelenIn twee Cement-artikelen wordt aandacht besteed aan de inter-actie tussen het beton en het reparatiemiddel. In dit eersteartikel gaat het om de invloed van de vochtuitwisseling in hetgehele reparatiesysteem. In het tweede artikel gaat het om deinvloed van belastingen en andere blootstellingen.23a3bnieuw materiaalinterfaceluchtbelaggregatenoud materiaalproefstukkenvocht- entemperatuur-metingenX-raybrondetectorS1 S2themaInteractie beton en reparatiemiddel (1)7 2016584 Kwalitatieve voorstelling van dewaterabsorptie van het twee jaaroude mortel als functie van tijd5 Het natuurkundige principe datgebruikt kan worden om het vocht-gehalte in het materiaal te bepalenresolutie met de r?ntgenabsorptietechniek. Wel heeft eenmortel meer "grenslaag matrix", meestal iets poreuzer dan balkmatrix, maar dat heeft geen invloed op de onderzoekresultaten.ZwaartekrachtDe snelheid van waterabsorptie wordt be?nvloed door dezwaartekracht en is experimenteel onderzocht (fig. 6). Eerst iseen proefstuk blootgesteld aan vochtabsorptie vanaf de onder-zijde (fig. 6a en 6b) en daarna vanaf de bovenzijde (fig. 6c en6d). Daaruit bleek dat de zwaartekracht geen belangrijkeEerst volgt een korte introductie op de meetmethode betref-fende de vochthuishouding.MeetmethodeVochtuitwisseling in het reparatiesysteem kan wordengemeten door middel van de r?ntgenabsorptietechniek. Hetis dezelfde techniek die in ziekenhuizen wordt gebruikt ombotten en organen te scannen, of op vliegvelden bagage tecontroleren. De techniek maakt gebruik van r?ntgenstralendie worden afgeremd (verspreid en geabsorbeerd) doormaterialen. De intensiteit van de doorgelaten straling wordtzichtbaar gemaakt door een detector. Dichtere materialenremmen 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 enS2), gebruikt van twee jaar oude mortel, in een plastic vatgeplaatst en vervolgens in een r?ntgenmachine (foto 3). Demortels zijn blootgesteld aan waterabsorptie vanaf de bodem.In de loop van de tijd stijgt het water en kleurt het proefstukdonker. Op deze manier kan worden gevolgd hoe de mortelhet water absorbeert (fig. 4). Aan de hand hiervan kunnenvochtprofielen als functie van tijd worden opgesteld (fig. 6b).Integratie van deze vochtprofielen over de hoogte van demortel geeft de hoeveelheid geabsorbeerd water(fig. 7). Deprocedure is in het onderhavige onderzoek gecontroleerddoor de uitkomsten te vergelijken met eenvoudige gravimetrischeproeven 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 wordengemaakt. Dit heeft een belangrijk voordeel: het leidt tot hogereMeten vochtgehalteIn droog beton worden r?ntgenstralen door het droge materiaal afgeremd (fig. 5, links). In natbeton worden de stralen afgeremd door ?n het droge materiaal ?n de hoeveelheid water inhet materiaal (fig.5, midden). Als enerzijds het verschil tussen de afgeremde intensiteit in eennat en droog monster en anderzijds de verzwakkingsco?ffici?nt van water bekend zijn, kan dehoeveelheid water in het materiaal worden bepaald (fig. 5, rechts).r?ntgen bron r?ntgenbronr?ntgenbronr?ntgendetector r?ntgendetectorr?ntgendetectorr?ntgenstraaldoorgaanintensiteit(na droogmateriaal)doorgaanintensiteit(na vochtigmateriaal)doorgaanintensiteit(na droogmateriaal + water)water-hoeveelheidgestraaldeintensiteitgestraaldeintensiteitgestraaldeintensiteit4a54a t=10 min, 4b t= 71 min, 4c t = 120 min 4d t = 210 min4b 4c 4dInteractie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 59verandering in vochtgehalte [g/cm3]0 0,05 0,1 0,15hoogte[mm]05101520253035 water geabsorbeerd van bodem in S2ABS - bodem -S 2t = 542mint = 483mint = 420mint = 362mint = 300mint = 240mint = 180mint = 120mint = 71mint = 30mint = 10minverandering in vochtgehalte [g/cm3]0 0,05 0,1 0,15hoogte[mm]0510152025303540water geabsorbeerd van top in S2ABS - top - S2t = 7mint = 30mint = 60mint = 116mint = 187mint = 240mint = 300mint = 360mint = 426mint = 487mint = 552mint = 601mintijd [h0,5]0 2 4 6 8cumulatievevochtabsorptie[g/cm2]00,10,20,30,4ABS - bovenkant - S1ABS - bovenkant - S2ABS - onderkant - S1ABS - onderkant - S2ABS - w/c=0.3ABS - w/c=0.4absorptie door hetmortel wanneerhet water isgeabsorbeerdabsorptie doorde ondergrond inhet reparatiesysteemvocht uit het reparatiemateriaal in de eerste 5 uur met dezelfdesnelheid werd geabsorbeerd als wanneer puur water op hetbeton is aangebracht. Dit is vergelijkbaar met wat eerder iswaargenomen voor de snelheid waarmee steen water absor-beert in mortel-steencomposiet[4].Omdat de snelheid waarmee water van het reparatiemateriaalwordt geabsorbeerd heel hoog is, blijft er minder water over inhet reparatiemateriaal. Hierdoor wordt de hydratatie gehinderd.Waterverlies kan tot ongeveer 40% van de initi?le vochtgehaltevan het reparatiemateriaal bedragen. Als gevolg daarvan kan deeffectieve wcf van het reparatiemateriaal aanzienlijk lagerworden (tabel 1). Deze invloed is relatief groter bij dunnereoverlagingen of een meer poreuze of gescheurde ondergrond.invloed heeft op de waterabsorptie. Dit komt doordat depori?nstructuur van de cementsteen, de mortel en het betonzodanig is, dat capillaire krachten heel sterk en overheersendzijn 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 gevallenvrijwel even snel wordt geabsorbeerd.Invloed water-cementfactor reparatiemateriaalVervolgens is vochtuitwisseling tussen reparatiemateriaal enondergrond in een pas gestort reparatiesysteem onderzocht.Hiervoor zijn mengsels op basis van portlandcement metverschillende wcf en zonder hulpstoffen op het beton aange-bracht. Ter vereenvoudiging is cementpasta gebruikt. Hettoeslagmateriaal, dat meestal impermeabel is, is weggelaten.De gebruikte ondergrond was droog voordat het reparatiema-teriaal werd aangebracht. Voor het reparatiemateriaal zijnmengsels met respectievelijk een wcf van 0,3 en 0,4 gebruikt.De reparatiesystemen werden onmiddellijk geseald en in hetr?ntgenapparaat geplaatst. De vochtuitwisseling is gemeten alsfunctie van tijd.De cumulatieve vochtabsorptie door het beton van de onder-grond als functie van tijd is in figuur 7 weergegeven. In deeerste 5 uur na het aanbrengen van het reparatiemateriaalabsorbeerde de ondergrond bij beide cementmortels dezelfdehoeveelheid water. De snelheid waarmee het droge beton hetvocht van het reparatiemateriaal absorbeert, is dus onafhankelijkvan de wcf van het reparatiemateriaal, althans in de onderzochterange van wcf van 0,3, 0,4 en ook 0,5. Verder is gevonden dat6 Invloed van zwaartekracht op waterabsorptie 6a Beeld op t = 240 min met water dat vanaf de bodem isgeabsorbeerd (bovenste afbeelding is origineel enonderste is gefiltreerd beeld)6b Vochtprofielen in proefstuk S2 (aangeduid als ABS-bodem-S2) als functie van tijd6c Beeld op t = 240 min met water dat vanaf de top isgeabsorbeerd (bovenste afbeelding is origineel enonderste is gefiltreerd beeld)6d Vochtprofielen in proefstuk S2 (aangeduid als ABS-top-S2) als functie van tijd7 Cumulatieve vochtab-sorptie door de drogeondergrond waarop repa-ratiemateriaal met wcfvan 0,3 en 0,4 is aange-bracht, in vergelijking metvochtabsorptie in gevalvan puur water76a 6b 6c 6dthemaInteractie beton en reparatiemiddel (1)7 2016608 Proefstukken in het laboratoriumtwee oorzaken zijn van waterverlies uit het reparatiemateriaal:water dat wordt geabsorbeerd door de onverzadigde betonnenondergrond en water dat wordt gebruikt voor hydratatie in hetreparatiemateriaal.Water dat gebruikt wordt voor hydratatie kan niet wordenwaargenomen door de r?ntgentechniek omdat er geen veran-dering is in de algehele dichtheid van het materiaal. Wel kanhet gevolg van de hydratatie worden gedetecteerd. Het hydratatievan het reparatiemateriaal zorgt er namelijk voor dat het repa-ratiemateriaal uitdroogt. Als gevolg daarvan zal er weer wateruit de betonnen ondergrond worden opgenomen door hetreparatiemateriaal. In het reparatiesysteem met het van tevoren(water)verzadigde beton is dat duidelijk te zien (fig. 10c). Hetbeton verliest water aan de bovenzijde, terwijl het vochtprofielin het reparatiemateriaal duidt op wateropname vlak bij deinterface. Dat betekent dat de betonnen ondergrond als eenreservoir werkt, zodat water voor remigratie naar het reparatie-materiaal beschikbaar is.Na drie dagen zijn de reparatiematerialen gescheiden van deondergrond en is het niveau van hydratatie in het reparatiemate-riaal gemeten. In het systeem met droge ondergrond is hethydratatieproces van het reparatiemateriaal vertraagd invergelijking met dat in een systeem met vochtig beton als onder-grond. Dit komt door de afname van de effectieve wcf, die wordtveroorzaakt door het vochtverlies van het reparatiemateriaal.Invloed initi?le vochtigheid bestaande ondergrondop vochtuitwisseling in reparatiesysteemOm de invloed van de initi?le vochtigheid van het bestaandebeton op vochtuitwisseling in een reparatiesysteem te onder-zoeken, is reparatiemateriaal met wcf = 0,3 aangebracht oprespectievelijk droog en vochtig beton (fig. 9). Na drie dagenbleek de droge betonondergrond water geabsorbeerd te hebben(fig. 9b, links, waterfront gemarkeerd met rode pijl). Hetzelfdeis waar te nemen in de vochtprofielen (fig. 10). De drogeondergrond absorbeert water als functie van tijd, terwijl hetreparatiemateriaal water verliest (fig. 10a). Daarentegen absorbeerthet van tevoren verzadigde beton geen water uit het reparatie-materiaal (fig. 10b).Blijft de vraag of het water terug kan migreren vanuit debetonnen ondergrond naar het reparatiemiddel.Als het reparatiesysteem is geseald, kan er geen verdampingoptreden van water naar de omgeving en kunnen er slechtsTabel 1 Percentage waterverlies en effectieve wcf in geteste reparatiesystemenop een droge ondergrondiniti?le wcf initieel vocht-gehalte [g/cm2]waterverlies[g/cm2]effectievewcftotaal water-verlies [%]0,3 0,73 0,275 0,19 380,4 0,84 0,325 0,24 390,5 0,92 0,325 0,32 358Interactie beton en reparatiemiddel (1) 7 2016 619 R?ntgenopnamen van reparatiesystemen op beton dat van tevorenis gedroogd en dat met water is verzadigd: 9a onmiddellijk en 9bdrie dagen na het aanbrengen (gesealde nabehandeling)10 Veranderingen in watergehalten in reparatiesystemen als functie vantijd (tijd na het aanbrengen van het reparatiemateriaal)luchtbellen kleiner zijn dan 2 mm en dat ze in een zone vanongeveer 2 mm in het reparatiemateriaal vlak bij de interfacezijn gelokaliseerd.AanbevelingenEen aanbeveling voor nader onderzoek is na te gaan wat deoptimale mate van verzadiging van de betonnen ondergrond is.Tot hoe diep moet het oude beton worden verzadigd en hebbenverschillende verzadigingsmethoden (bijv. combinatie vanbevochtiging en droging, impregnatie) invloed op de vochtuit-wisseling, de hoeveelheid luchtbellen en het gedrag van hetreparatiesysteem?Tot slotHet uitgevoerde onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat betonmoet worden verzadigd voordat reparatiemateriaal wordtaangebracht (foto 1). Wel moet het oppervlak van de ondergrondweer droog worden gemaakt om te voorkomen dat een water-laagje de binding benadeelt. Als het beton niet is verzadigd, zalDe duur van de nabehandeling is ook onderzocht. De repara-tiesystemen zijn gedurende een, drie of vijf dagen verzegeld endaarna gedroogd. Het waterverlies in het reparatiemateriaal isberekend uit de gemeten vochtprofielen. Bij de vochtigeondergrond had de verlenging van de duur van nabehandeling(afsluiting van de omgeving) altijd gunstige gevolgen voor dehydratatie van het reparatiemateriaal. Bij de droge ondergrondwas dit niet het geval. Dit toont aan dat de duur van de nabe-handeling van het reparatiesysteem gevolgen heeft voor deontwikkeling van de eigenschappen van het reparatiemateriaalen de interface, en dat de gevolgen afhankelijk zijn van de initi?lewaterverzadiging van het beton waarop het reparatiemateriaalwordt aangebracht. Dit geldt voor de onderzochte dikte van hetreparatiemateriaal van 15 mm.Gevolgen vochtuitwisseling op structuurreparatiesysteemVochtuitwisseling be?nvloedt niet alleen de mate van hydratatieen de grootte van de effectieve wcf, maar ook de structuur vanhet reparatiemateriaal ter plaatse van de grenslaag tussen ouden nieuw materiaal. Na metingen van de vochtuitwisseling zijnmonsters gescand in een CT-scanner om de effecten van vocht-uitwisseling op de microstructuur ter plaatse van de grenslaagte onderzoeken. Twee dwarsdoorsneden zijn weergegeven infiguur 11. Doorsnede I-I bevindt zich direct boven de interfacein de beide monsters. Er is duidelijk verschil te zien in hetluchtgehalte van de twee monsters. Het vooraf gedroogde betonbevat 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 wordtgeabsorbeerd door het droge beton, er lucht vrijkomt uit hetbeton. Deze lucht blijft gevangen in de interface, hetgeen resulteertin een groot aantal luchtbellen. Deze luchtbellen blijven achterin het reparatiemateriaal, waardoor een intrinsiek zwakkergebied ontstaat (fig. 12a en 12b). Een vergelijking in hoeveel-heid luchtbellen is in figuur 13 gegeven. Daar is te zien dat de11 CT-scans van monsters wcf = 0,3, op de droge ondergrond enwcf = 0,3, op de vochtige ondergrond gemaakt na drie dagen11a doorsnede II-II, vooraanzicht;11b doorsnede I-I, bovenaanzicht9a 10a 10bdroogbetonvochtigbetonna 3 dagen9b11interface boven hetdroge substraatinterface boven hetvochtige substraatreparatie-materiaalvochtigsubstraatdroogsubstraatIIIIIIinterfaceondergrondondergrondinterfacebovenzijde vanreparatiemateriaalbovenzijde vanreparatiemateriaalwaterverliesinterfacewater-opnamehoogte[mm]hoogte[mm]hoogte[mm]veranderingen in vochtgehalte [g/cm3]veranderingen in vochtgehalte [g/cm3]veranderingen in vochtgehalte [g/cm3]605040302010060504030201005045403530-0,1 0,10 -0,1 0,10 -0,1 0,10t = 150 mint = 180 mint = 240 mint = 359 mint = 661 mint = 4462 min10cthemaInteractie beton en reparatiemiddel (1)7 2016620 5 10 15afstand van de interface [mm]0123hoeveelheidluchtbellen[%]droge ondergrondvochtige ondergrondreparatiemateriaalondergrond12 Luchtgehalte in het reparatiesysteem vlak bij de interface: 12a en 12b droogen 12c en 12d vochtig beton; bij 12c en 12d alleen luchtbellen zichtbaar13 Hoeveelheid van luchtbellen in het reparatiemateriaal vlak bij de interfaceer water uit het reparatiemateriaal worden geabsorbeerd. Bijmengsels met wcf = 0,3 ? 0,5 gebeurt dit onafhankelijk van dewcf 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)scheurtjesbevat, is dit effect nog sterker. Uiteindelijk wordt de effectievewcf 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)be?nvloeden. Gunstig is dat water terug kan migreren van hetbeton naar het reparatiemateriaal en interface.Vochtuitwisseling heeft niet alleen gevolgen voor de vochtver-deling en verharding, maar ook voor de materiaalstructuurdicht bij de interface in het reparatiemateriaal. Bij een hogerevochtabsorptie door het beton ontstaan aanzienlijk meer lucht-bellen. Het droge beton absorbeert water uit het reparatiemateriaalwaardoor lucht wordt verdrongen en wordt ingesloten dicht bijde interface en in het reparatiemateriaal. Aanbrengen van repa-ratiemateriaal op van tevoren verzadigd beton resulteert daardoorin een meer uniform en beter beheersbaar reparatiesysteem. LITERATUUR1 Lukovic. M., Influence of interface and strain hardening cementitiouscomposite (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 inservice 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 ofconcrete structures in Netherlands. Concrete Repair, Rehabilitation andRetrofitting III, Taylor & Francis Group, London., 2012.4 Groot. C, Larbi. I., Bond strength development in young, HERON 44(0):2.,1999.luchtbelluchtbelreparatiemateriaalbetonreparatiemateriaalbeton13123 mm18 mm