themaUltra-lichtbeton voor monoliete gevelconstructies7201334themaUltra-lichtbetonvoor monolietegevelconstructiesOp de TU Eindhoven is een onderzoek verricht naar de ontwikkeling van ultralichtbeton voor toepassing in monoliete gevelconstructies. Het doel van de eerste projectfase was het verenigen van een bescheiden constructieve sterkte en een zeer goedethermische isolatie in ??n materiaal. Het ontworpen materiaalheeft ? voor beton ? excellente thermische capaciteiten. Vooralde thermische geleidingsco?ffici?nt van 0,12 W/(mK) incombinatie met een relatief bescheiden druksterkte van 10 tot12 N/mm2(na 28 dagen). Voor zover bekend is deze combinatienooit eerder bereikt in lichtgewicht bouwmaterialen. Bovendien toont het ontwikkelde ultralichtbeton uitstekendeeigenschappen wat betreft de fysieke duurzaamheid.1Combinatie tussen mechanische en thermische eigenschappenUltra-lichtbeton voor monoliete gevelconstructies 72013 350204060801000,1 1 10 100 1000 10000cumulatievezeefrest[vol.%]korrelgrootte [micron]optimale mix target lijn CEM I 52,5N LWA 0,1-0,3 LWA 0,25-0,5LWA 0,5-1 LWA 1-2 microzand kalksteen21 Haus H36 in Stuttgart toont architectonische potentie van thermisch isolerendultra-lichtbetonfoto: MBA/S, Matthias Bauer2 Korrelverdeling van de componenten, de theoretisch ideale lijn (target) en dewerkelijke korrelverdeling van het mengselDe geschiedenis van lichtbeton gaat terug tot circa 1000 jaarvoor Christus [1]. Lichtbeton heeft een goede bekendheid entoepassing verworven als constructief en niet-constructiefbouwmateriaal, dankzij de gunstige eigenschappen als laageigen gewicht, goede thermische isolatie en brandbestandheid.De literatuur toont een grote variatie in zowel mechanische alsthermische eigenschappen, als gevolg van de gebruikte materi-alen en de mengselsamenstelling. Niettemin is er geen systema-tische studie bekend over optimalisatie van mengselontwerpvoor lichtbeton. De meeste studies zijn gefocust op het verkrij-gen van een goede sterkte voor lichtbeton als constructiefbouwmateriaal, dan wel op het behalen van een goede thermi-sche isolatiecapaciteit voor lichtbeton als niet-constructiefbouwmateriaal. In beide gevallen zijn aanvullende materialennodig, hetzij voor thermische isolatie hetzij voor dragendefuncties.Het hier beschreven onderzoek heeft de ontwikkeling van eenduurzaam ultra-lichtbeton met een goede balans van mechani-sche en thermische eigenschappen tot doel. Hiermee moet hetmogelijk zijn monoliete gevelconstructies te maken. Hetconcept van monoliete gevelconstructies steunt op drieuitgangspunten: duurzaamheid, ontwerpflexibiliteit en kosten-besparing.Van belang voor de duurzaamheid is het gegeven dat recycling-materialen de belangrijkste grondstof zijn voor de lichtetoeslagmaterialen en dat recycling van de ultra-lichtbetoncon-structie eenvoudig is, omdat g??n vermenging met anderebouw- of afwerkmaterialen voorkomt.Ontwerpflexibiliteit voor architect en constructeur wordt bevor-derd door de unieke combinatie van eigenschappen. Dat maaktde detaillering van constructies en aansluitingen ook helder eneenvoudig. Kostenbesparing tot slot wordt verkregen door hetschrappen van aanvullende voorzieningen voor thermischeisolatie, terwijl het thermisch comfort toch is verzekerd.Mengselontwerp en experimentenHet ultra-lichtbeton is ontwikkeld door toepassing van eeninnovatieve technologie voor mengselontwerp [2]. Deze tech-nologie is gebaseerd op de ideale korrelpakking die wordtbereikt als een zogenoemde geometrische gradering wordtontworpen. Dit staat bekend als het Andreasen en Andersenmodel.Het basisprincipe van korrelpakking is vertaald in een nume-riek mengselontwerp waarin alle mengselcomponenten, metelk zijn eigen specifieke volumieke massa en verdeling inkorrelgrootte, volumetrisch zijn gecombineerd met behulp vaneen mathematische optimalisatieroutine. Zo wordt de idealecurve van korrelpakking het best benaderd.Deze technologie resulteert niet alleen in verbetering vanmechanische en fysische eigenschappen van verhard beton,maar ook in verbetering van de verwerkbaarheid van de plasti-sche betonmortel. Dit omdat meer water beschikbaar is om tedienen als glijmiddel tussen de korrels [3]. Deze ontwerpme-thode heeft ook een belangrijke rol gespeeld in het ontwerp vanzelfverdichtend beton [3] en [4], aardvochtig beton [5] en [6]en gipsgebonden composieten [2].In dit onderzoek is gestreefd naar een zeer lage thermischegeleiding, te verkrijgen door gebruik van zeer licht toeslagma-teriaal. Uitgangspunt was het gebruik van ge?xpandeerd glas ?glasschuim gemaakt van recyclingglas ? met een volumiekemassa vari?rend van 300 tot 540 kg/m3. Dit impliceert hetrisico van ontbinding van het plastische betonmengsel als devolumeverhoudingen van vaste stoffen, water en superplastifi-ceerders niet perfect zijn ontworpen. Voorts zijn verschillendecementtypen gebruikt om het effect daarvan op de betoneigen-schappen vast te stellen.Met deze grondstoffen is een compacte matrix ontworpen meteen grote hoeveelheid pori?n die onderling niet zijn verbon-den. Theoretisch moet dat leiden tot de gewenste mechanischeen thermische eigenschappen. In totaal zijn zeventien mengsel-samenstellingen uitgewerkt voor dit onderzoek. Figuur 2 toontde korrelverdeling (zowel de theoretisch ideale als de werke-lijke) van ??n van de zeventien mengsels. Talrijke experimentenzijn uitgevoerd op deze mengsels, zowel in de plastische als deverharde fase. Naast de beproevingen op sterkte en thermischegeleiding zijn ook proeven gedaan naar duurzaamheid, voorna-melijk de waterindringing onder druk.dr.ir. Qingliang Yu, dr.ir. PrzemekSpiesz, prof.dr.ir. Jos Brouwers1)TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde1) Dit artikel is een vertaling van het Engelstalige artikel `Design of ultra-lightweightconcrete: towards monolithic concrete structures' van de genoemde auteurs. Devertaling is verzorgd door ing. Hans K?hne van het Cement&BetonCentrum.themaUltra-lichtbeton voor monoliete gevelconstructies72013363a4a 4b8101214CEMI52.5NCEMII/B-V42.5NCEMV/A(S-V)42.5NCEMIII/A52.5NCEMIII/A52.5Ndruksterkte[N/mm2]cementtype7-daagse meting28-daagse meting7-daagse meting28-daagse meting0,000,050,100,150,20CEMI52.5NCEMII/B-V42.5NCEMV/A(S-V)42.5Nthermischegeleiding[W/(mK)]cementtype3 Gezaagd oppervlak van twee mengsels ultra-lichtbeton, waarin de homogeneverdeling van het lichte toeslagmateriaal goed is te zien4 Druksterkte (a) en thermische geleiding (b) van het ultra-lichtbeton in relatietot cementtypeEn het is ook een bevestiging van de betrouwbaarheid van detoegepaste mengselontwerpmethode.SterkteIn figuur 4a zijn de eigenschappen weergegeven van het ultra-lichtbeton geproduceerd met verschillende cementsoorten,maar met eenzelfde cementgehalte (450 kg/m3). Alle proefstuk-ken hebben een 7-daagse druksterkte hoger dan 10 N/mm2. Demengsels met CEM V/A (S-V) en CEM III/A vertonen eengrote sterktetoename tussen de 7-daagse en 28-daagse meting.Dat wordt toegeschreven aan de typische reactiviteit van hetaandeel hoogovenslak in het cement. Voorts is in figuur 4 tezien dat de cementtypen met hoogovenslak als component toteen hogere 28-daagse sterkte leiden dan het mengsel waarinCEM I 52,5 N is gebruikt.Resultaten en analyseEen bespreking van de resultaten wordt beperkt tot de tweemengsels die de beste prestaties toonden.VerwerkbaarheidTabel 1 maakt duidelijk dat beide mengsels een goede verwerk-baarheid hebben. Wat betreft de zetmaat valt mengsel A inklasse S4 en mengsel B in S2. Wat betreft de vloeimaat valtmengsel A in klasse F3 en mengsel B in F2. Merk op dat dezeverwerkbaarheid is bereikt zonder gebruik van superplastifi-ceerders. Dat is de verdienste van het ontwerpmodel; dezekarakteristiek werd eerder ervaren bij het ontwerp van meng-sels voor zelfverdichtend beton.De volumieke massa's van deze beide mengsels is vastgesteld oprespectievelijk 837 kg/m3en 778 kg/m3.Voor beide mengsels is eenzelfde hoeveelheid luchtbelvormertoegepast. Gezien het verschil in volumieke massa is het effectvan de luchtbelvormer verschillend in beide mengsels. Dit wijsterop dat het cementtype invloed heeft op de effectiviteit van deluchtbelvormer.Zoals hiervoor al opgemerkt, is de homogene verdeling van delichtgewicht toeslagmaterialen in het mengsel van groot belang,vooral als de volumieke massa zeer laag is (zoals in dit onderzoek).Foto 3a en b tonen oppervlakken van doormidden gezaagdeproefstukken. Daaruit blijkt duidelijk dat de toeslagmateriaal-korrels mooi homogeen zijn verdeeld in de betonmatrix. Ditbevestigt dat er geen ontmenging in de mengsels is opgetreden.Tabel 1 Vloei- en zetmaat van de mengsels met de beste prestatiestest vloeimaat[mm]zetmaat[mm]meting 1 meting 2 gemiddeldemix A 460 460 460 195mix B 390 390 390 83Ultra-lichtbeton voor monoliete gevelconstructies 72013 373b5a5b7-daagse meting28-daagse meting7-daagse meting28-daagse meting0481216450 400 350druksterkte[N/mm2]cementgehalte (CEM II/B-V 42.5 N) [ kg/m3]450 400 350cementgehalte (CEM II/B-V 42.5 N) [ kg/m3]0,000,050,100,150,20thermischegeleiding[W/(mK)]5 Eigenschappen van lichtbeton in relatie tot cementgehalteals licht toeslagmateriaal. Het moge duidelijk zijn dat het in datonderzoek ontwikkelde ultra-lichtbeton een aanzienlijk beterethermische isolatiecapaciteit heeft bij een vergelijkbare volu-mieke massa.NanosilicaIn deze studie is ook onderzoek gedaan naar het effect vannanosilica als toevoeging aan het betonmengsel. Het gebruiktenanosilica was in de vorm van een slurry, dus in collo?dalevorm, met een deeltjesgrootte van 19 tot 156 nm gemeten metSEM/STEM en 79 tot 186 nm gemeten met laserlicht diffractie(nanosizer) [8].Er bestaat nog geen consensus omtrent de toevoeging vannanosilica aan beton. Over de invloed van nanosilica op debetonsterkteontwikkeling zijn veel tegenstrijdige bevindingengerapporteerd [9]. Hier is voor elk onderzocht cementgehalteeen deel cement vervangen door eenzelfde hoeveelheid nanosi-lica. Figuur 6 toont de effecten van diverse doseringen nanosi-lica op de betoneigenschappen, uitgaande vanCEM II/B-V 42,5 N, met cementgehalten van 450 en 400 kg/m3.Uit figuur 6 blijkt dat in beide gevallen de nanosilicatoevoegingeen duidelijk positief effect heeft op de druksterkte. Zo werd bij10% cementvervanging door nanosilica, uitgaande van cement-gehalten van 450 en 400 kg/m3, een toename van de 7-daagsedruksterkte bereikt van 21% respectievelijk 22%.Het effect van de nanosilicatoevoeging op de thermische gelei-Thermische eigenschappenDe cementkeuze blijkt nauwelijks invloed te hebben op de ther-mische eigenschappen van het ultra-lichtbeton (fig. 4b). De ther-mische geleidingsco?ffici?nt is voor alle proefstukken met de viercementtypen vrijwel gelijk, ongeveer 0,12 tot 0,13 W/(mK).Opgemerkt wordt nog dat de waarde voor de thermische gelei-ding min of meer stabiel is na 7 dagen verharding. De veranderin-gen die na die tijd nog optreden, zijn verwaarloosbaar.Invloed cementgehalteIn figuur 5 zijn eigenschappen gepresenteerd van het ultra-lichtbeton gemaakt met CEM II/B-V 42,5 N in drie diversedoseringen. De 28-daagse druksterkte neemt af van 12 tot10 N/mm2als het cementgehalte wordt verlaagd van 450 g/km3naar 350 kg/m3. Dit terwijl in de thermische geleiding nauwe-lijks verschil optreedt, namelijk waarden tussen 0,12 en0,13 W/(mK). Dit duidt erop dat er geen directe relatie istussen de thermische geleiding en het cementgehalte (bijgelijkblijvende volumieke massa van het beton).ToeslagmateriaalChandra en Berntsson [1] rapporteerden een lineaire relatietussen de `ovendroge' volumieke massa en de thermische gelei-ding van lichtbeton met gebruik van verschillende soortenlichte toeslagmaterialen. Zij bereikten een thermische gelei-dingsco?ffici?nt van 0,20 W/(mK) bij een volumieke massa van630 kg/m3. Eenzelfde ovendroge volumieke massa is bereikt inhet hier beschreven onderzoek.Zareef [7] berichtte over lichtbeton met een thermische gelei-dingsco?ffici?nt van 0,18 W/(mK) met een ovendroge volu-mieke massa van 760 kg/m3, bij gebruik van ge?xpandeerde kleithemaUltra-lichtbeton voor monoliete gevelconstructies72013380,00,10,20,30,40,503691215180 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12thermischegeleiding[W/(mK)]druksterkte[N/mm2]nanosilicagehalte [m% cement, cementgehalte 450 kg/m3]7-daagse druksterkte 28-daagse druksterkte7-daagse thermischegeleiding28-daagse thermischegeleiding0,00,10,20,30,40,5036912150 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12thermischegeleiding[W/(mK)]druksterkte[N/mm2]nanosilicagehalte [m% cement, cementgehalte 450 kg/m3]7-daagse druksterkte 28-daagse druksterkte7-daagse thermischegeleiding28-daagse thermischegeleiding6a 6b76 Eigenschappen van ultra-lichtbeton in relatie tot dosering nanosilica7 Gespleten proefstukken na test op waterindringing; waterdruk uitgevoerd ophet bodemoppervlaknodig zijn om deze eigenschappen te bereiken.In figuur 8 zijn op basis van literatuurstudie de resultaten vandiverse studies samengevat in relaties tussen volumieke massa,thermische geleidingsco?ffici?nt en druksterkte. Hieruit magworden geconcludeerd dat de resultaten van de hier gerappor-teerde studie superieur zijn aan die van de overige studies [1, 2,7, 9-16]. In een tweede projectfase wordt momenteel naderingegaan op de constructieve eigenschappen van het materiaal.Ook zullen mengsels worden ontwikkeld voor dragendetoepassingen, met een beoogde minimale druksterkte van25 N/mm2en een geoptimaliseerde volumieke massa.SamenvattingDe hier beschreven studie heeft als doel de ontwikkeling vaneen ultra-lichtbeton. In dit beton wordt een zeer lage thermi-sche geleiding gecombineerd met mechanische eigenschappen.Hierdoor is dit materiaal te gebruiken voor monoliete,dragende gevelconstructies die zonder aanvullende materialenvoldoen aan thermische en constructieve eisen.De belangrijkste bevindingen kunnen als volgt worden samen-gevat:ding blijkt verwaarloosbaar. De waarden voor de thermischegeleidingsco?ffici?nt blijven vrijwel constant bij verschillendedoseringen nanosilica.WaterindringingFoto 7 laat de oppervlakken zien van proefstukken die zijngespleten na uitvoering van tests op waterindringing. Opmer-kelijk is de geringe diepte van waterindringing in het ontwik-kelde ultra-lichtbeton, dat toch een zeer hoge porositeit heeft.De waterdruk is tijdens de test 72 uur lang op 5 bar gehouden.Let vooral op de proefstukken van mengsel B, in foto 7 gemar-keerd met 2-a/b/c. Dit rechtvaardigt de verwachting dat ditultra-lichtbeton uitstekende duurzaamheidseigenschappenheeft. Het bevestigt ook dat de toegepaste methodiek voor hetmengselontwerp bruikbaar is voor ultra-lichtbeton. Dezemethodiek resulteert immers in een zeer lage thermischegeleidbaarheid, bescheiden maar bruikbare sterkte-eigenschap-pen en een goede duurzaamheid.DiscussieUltra-lichtbeton met een ovendroge volumieke massa lager dan800 kg/m3wordt in de Engelstalige literatuur ook wel aange-duid als super lightweight concrete en in de Duitse literatuurals Infra-leichtbeton. Dit type lichtbeton, dat normaal wordtgebruikt voor isolatiedoeleinden vanwege de zeer lage thermi-sche geleiding, wordt ook gekenmerkt door een zeer lage druk-sterkte (1 tot 7 N/mm2) [8]. De hier gerapporteerde studie isgefocust op de ontwikkeling van ultra-lichtbeton (volumiekemassa lager dan 800 kg/m3) met een bescheiden sterkte dievoldoende moet zijn om dragende constructies te maken. Zoalshiervoor beschreven, is met gebruik van een innovatieveontwerpmethode met succes een ultra-lichtbeton ontwikkeldmet een ovendroge volumieke massa van 650 tot 700 kg/m3met een thermische geleidingsco?ffici?nt van ongeveer0,12 W/(mK) en een 28-daagse druksterkte hoger dan10 N/mm2. Bovendien is de betonsamenstelling bijzonder`kosteneffectief', omdat geen dure componenten als nanosilicaUltra-lichtbeton voor monoliete gevelconstructies 72013 39thermischegeleiding[W/(mK)]druksterkte[N/mm2]druksterkte[N/mm2]volumieke massa [kg/m3]volumieke massa [kg/m3]thermische geleiding [W/(mK)]21,81,61,41,210,80,60,40,204035302520151050706050403020100000,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,950050010001000150015002000200025002500deze studie[10][15]deze studie[7][13] UHPC schuimcement[13] schuimcement[1][7][12][13] UHPC schuimcement[14][16][2][11][13] poreus cement[13] schuimcement[15]deze studie[2][12][13] poreus cement[15][1][12][7][13]8a8b8c8 De relatie tussen volumieke massa en thermische geleiding (a), de relatietussen volumieke massa en druksterkte (b), de relatie tussen thermischegeleiding en druksterkte (c)14 Kan, A., Demirboga, R., A novel material for lightweight concreteproduction. Cement and Concrete Composites 31, 2009, pp. 489-495.15 Kralj, D., Experimental study of recycling lightweight concrete withaggregates containing expanded glass. Process Safety and Environ-mental Protection 87, 2009, pp. 267-273.16 Liu, X., Chia, K.S., Zhang, M.H., Development of lightweight concretewith high resistance to water and chloride-ion penetration. Cementand Concrete Composites 32, 2010, pp. 757-766.? Er is een ultra-lichtbeton ontwikkeld met een ovendrogevolumieke massa van 650 tot 700 kg/m3.? Het ontwikkelde ultra-lichtbeton is goed verwerkbaar in deplastische fase, terwijl in de verharde fase blijkt dat de lichtetoeslagmaterialen homogeen zijn verdeeld in de matrix.? De effecten op de betoneigenschappen van ontwerpparame-ters als cementsoort, cementgehalte en dosering nanosilicazijn onderzocht.? Het ontwikkelde ultra-lichtbeton combineert een 28-daagsedruksterkte van meer dan 10 N/mm2met een thermischegeleidingsco?ffici?nt van ongeveer 0,12 W/(mK).? Het ontwikkelde ultra-lichtbeton toont een uitstekende duur-zaamheid in termen van waterindringing onder druk. LiterAtuur1 Chandra, S., Berntsson, L., Lightweight aggregate concrete science,technology and applications, Standard publishers distributors, Delhi,India, 2003.2 Yu, Q.L., Design of environmentally friendly calcium sulfate-basedbuilding materials, Towards and improved indoor air quality, PhDthesis, Eindhoven University of Technology, Nederland, 2012.3 H.J.H. Brouwers, Radix, H.J., Self-compacting concrete: theoretical andexperimental study. Cement and Concrete Research 35, 2005, pp.2116-2136.4 Hunger, M., An Integral Design Concept for Ecological Self-Compac-ting Concrete, PhD thesis, Eindhoven University of Technology,Nederland, 2010.5 H?sken, G., Brouwers, H.J.H., A new mix design concept for earth-moist concrete: A theoretical and experimental study. Cement andConcrete Research 38, 2008, pp. 1246-1259.6 H?sken, G., A Multifunctional Design Approach for SustainableConcrete with Application to Concrete Mass Products, PhD thesis,Eindhoven University of Technology, Nederland, 2010.7 Zareef, M.A.M.E., Conceptual and Structural Design of Buildings madeof Lightweight and Infra-Lightweight Concrete, 2010.8 ACI Committee 213, Guide for structural lightweight-aggregateconcrete, 2003.9 Loudon, A.G., The thermal properties of lightweight concretes. Inter-national Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete 1,1979, pp. 71-85.10 Neville, A.M., Properties of concrete, 4th ed., 1995.11 Alduaij, J., Alshaleh, K., Naseer Haque M, Ellaithy, K., Lightweightconcrete in hot coastal areas. Cement and Concrete Composites 21,1999, pp. 453-458.12 Top?u I.B., Uygunoglu T., Effect of aggregate type on properties ofhardened self-consolidating lightweight concrete (SCLC). Construc-tion and Building Materials 24, 2010, pp. 1286-1295.13 Schauerte, M. Trettin, R., Neue Schaumbetone mit gesteigertenmechanischen ind physikalischen Eigenschaften, Bauhaus-Univer-sit?t Weimar, Weimar, Duitsland, 2012, pp. 2-0066-2-0072.