? ? ? betontechnologieir.G. de Schutter, Laboratorium Magnel voor Betononderzoek, Universiteit GentNaar aanleidingvan de uitbreidingvandebuitenhaven van Zeebrugge (fig. 1)isonderzoekverricht naar het gedrag van beton als materiaal voor massieve bekledingselementen.voor golfbrekers. Bij het werkwerd gebruik gemaakt van twee verschillende elementen:degegroefde kubus en hetnieuwontwikkelde HARO-blok. Tijdens de produktie van de ele-menten werd experimenteel onderzoekverricht in verband met de temperatuurontwikke-ling en vroegtijdige thermische spanningen ten gevolge van de hydratatiewarmte. In eenhuidigonderzoeksproject wordt deinvloed hiervan op de levensduurbestudeerd. Hiervooris een hydratatiemodel opgesteld.Voor de benamingvan de cementsoorten is reeds gebruikgemaaktvan de nieuwe Europe-se cementnorm, deENV 197.ALGEMEENHYDRATATIEMODELVOORPORTLAND-ENHOOGOVENCEMENTVoor het nieuw ontwikkeldeHARO-blok [1] isaan de Universiteit van Gent veel speurwerkverricht. Naast de betonsamenstelling [2]werd de weerstand van de blokken tegen sta-tische en dynamische belasting nagegaan.Aan de hand van statische (fig. 2)en dynami-schelaboratoriumproeven en in situ slinger-proeven (fig. 3), kon worden aangetoond dathet HARO-blok, ondanks de minderrobuustevorm, een degelijk constructief bekledings- .element is [3].CD Uitbreiding haven Zeebrugge met toe-gepaste gegroefde blokken en HARO-blok-kenCEMENT1994/12 49? ? ? betontechnologieoor-:('ol1187?1? Statische proefbelasting op HARO-blokken? Dynamische proefbelasting op HARO-blokkena. 1e serieb. 2e en 3e serieI?2785 mm p!aNaast de constructieve aspecten werd ookde duurzaamheid van de elementen onderde loep genomen. Vooral de invloed vanvroegtijdige thermische spanningen ten ge-volge van de hydratatiewarmte op de levens-duur werd nader bestudeerd door middelvan enkele meetcycli [1,2]. Figuur 4 geeftbijvoorbeeld het gemeten temperatuurver-loop tijdens de verharding van een gegroef-de kubus en een HARO-blok. Hieruitblijkteenbeter thermisch gedrag van het minder mas-sieve HARO-element.Om een meerfundamenteel inzichtteverkrij-gen in het probleem van vroegtijdige thermi-sche spanningen in massieve bekledingse-lementenen de invloed hiervan opde duur-zaamheid, werd eind 19.91 aan de Universi"teit van Gent een nieuw onderzoeksprojectopgestart [4, 5]. Het uiteindelijke doel vanhet onderzoek is het opstellen van een re-kenmodel om de levensduur van massievebetonelementen te kunnen schatten, reke"ning houdend metde tijdens de verhardings-fase ontstane thermische spanningen enscheurinitiatie. De methodiek zal uiteraardook toepasbaar zijn op andere constructieszoals sluizen,gebpuwen en bruggen.In dit artikel wordt aandacht besteed aan dewarmteontwikkeling tijdens de betonverhar-ding. Tot nu toe werden in de literatuur uitslui-tend hydratatiemodellen ontwikkeld voorportlandcement. Aangezien voor massievebetonelementen ook vaak hoogovence-ment wordt gebruikt, is er ook behoefte aaneen hydratatiemodel voor deze cement-soort.65==}grooved cube 30 t~.~~~.~ } HARD 15 tomgevingstemperatuur431 2~ tijd {dagen)3025'\.""'''_:::~::':~:::::)'\:~~.~??? ;~~.???-._.\ '0,60,8I~ 0,4Jf:z+--~-'-~~"T'"'-'--t~~-,----.:::"0,6~ 5.s=-?~4Q):;::S 3E"'"z~~1? O+-~~~---r---'? Genormeerde curven voorde S-reactie@ Genormeerde curven voor de P-reactie@ Verdelingwarmteproduktie q in qpen qs.corresponderend met de P- en S-reactie@ qlqmax als functie van de reactiegraadvoor hoogovencement GEM IfIIB 32,5(6)waarin:qp is de warmteproduktie van de P?reactie;qs is de warmteproduktie van de S'reactie.De voorgaande overwegingen leiden tot eennieuw algemeen hydratatiemodel gesteundopde superpositie van de warmteproduktievan de p. en S-reactie:De wiskundige formulering voor de P'reactieis analoog aan de formulering voor het GEM I52,5: ~De curven voor de P-reactie zijn behoorlijkgelijkvormig met die van het zuivere port?landcement GEM I 52,5. De curven voor deS'reactie blijken meer symmetrisch (sinus?vormig) te zijn en geven aan dat de S-reactiesneller tot een einde zou komen. De chemi?sche reactiviteit van de in de cementpastaaanwezige hoogovenslakgedurende hethy-dratatieproces, werd reeds besproken in[9]. Daarin werd vastgesteld dat het water-transport door een cementpasta op basisvan hoogovencement na een zekere verhar-dingsperiode bijna tot stilstand komt. Boven?dien worden alkali?n en Ca(OHh geprodu"ceerd door de P'reactie, vastgehouden in dehydr?ltatieprodukten van de slakfractie enblijken dus nauwelijks nog bij te dragen aande verdere hydratatie van de slak.Een nieuwe aanpak om dit probleem op telossen is gebaseerd op het tweevoudige ka-rakter van de hydratatie van hoogovence?ment. Verondersteld wordt dat voor wat be-treft de warmteontwikkeling een superposi?tie mogelijk is van de P- en S'reactie. Dewarmteproduktie q kan dan worden onder-verdeeld in twee afzonderlijke bijdragen, qpen qs, corresponderend met de p. en S-reac'tie (fig. 11). Wordt dit superpositiebeginseltoegepast voor de verschillende proeftem-peraturen en worden de afzonderlijke curvenvoor de p. en S'reactie genormeerd, dan re?sulteert dit in de figuren 12 en 13.voeligheid bezitten. De hydratatie van hoog?ovenslak is meer temperatuurgevoelig danvan portlandklinker. Dit blijktook uitfiguur 10en verklaart waarom een unieke tempera,tuuronafhankelijke functie f(r) niet bestaatvoor hoogovencement.(5)(3)(4)q(r,O) = qmax,20' f(r) . g(O)qmax = qmax,20' g(0)Hoogovencement GEM IfIIB 32,5 en GEMIfIIG 32,5Wordt voor het cement CEM III/B 32,5 de?zelfde werkwijze toegepast als voor het port?landcement (reactiegraad als abscis, nor?meringvan de curven), dan resulteertditin fi?guur 10. Klaarblijkelijk bestaat er voor hethoogovencement, in tegenstelling tot hetportlandcement, geen unieke temperatuur'onafhankelijke functie f(r). De reden hiervanis het feit dat de hydratatiereactie van hoog?ovencement is opgebouwd uit tweedeelreacties: een portlandreactie (P?reac?tie) en een slakreactie (S?reactie),De slakreactie wordt geactiveerd door hetGa(OH)2' dat wordt gevormd door de port?landreactie. Uit [9] is bekend dat de p. enS'reactie een verschillende temperatuurge'De warmteproduktie q wordt bepaald alsfunctie van de temperatuur Oen de reactie'graad r. De temperatuurinvloed op de warm?teproduktie lijkt aldus onafhankelijk te zijnvan de invloed van de reactiegraad. Beide in?vloeden worden dooreen afzonderlijke func"tie beschreven.De activeringsenergie Eis voor hetportland'cement gelijk aan 33,5 kJ/mol. Een combi?natie van de vergelijkingen (2), (3) en (4)leidt tot een hydratatiemodel voor portland'cement:Het temperatuureffect kan afzonderlijk wor?den beschreven door middel van een tempe?ratuurfunctie g(O):Hierin is qmax,2ogelijkaan de maximale warm?teproduktie qmax bij 20?C.metR = 0,00831 kJ/mol' K = de universe?Ie gasconstante.Een veelvuldig gebruikte temperatuurfunc?tie is de Arrhenius?functie:[~ (2~3 ~ 29}+/1 )]g (0) = eVoor CEM I 52,5 werden voor de constantende volgende waarden gevonden:a = 0,667; b =. 3,0; c = 2,5968CEMENT1994/12 53? ? ? betontechnologieGEM 152,5 GEM Ill/B 32,5 GEM IH/G 32,5ap 0,667 0,667 0,5bp 3,0 3,5 2,5cp 2,5968 2,8461 2,1425qp, rnax, 20(J/g? h) 7,79 4,80 1,42Qp, max (J/g) 270,0 251,0 167,0Ep (kj/mol) 33,5 45,0 55,0as - 0,667 0,667qs, max, 20(J/g' h) - 1,06 0,62Qs, max, 20 (J/g) - 11,3 32,5Es (kj/mol) - 80,0 45,0o m ~---;. B (OC)? rp,B als functie van de temperatuur(15)rp,B == AO + B ~ ?Een meer verfijnde formulering dient te wor-den gebaseerd op meer diepgaande chemi-sche overwegingen.met A en Bals constanten.In deze uitdrukkingen is Op,max' respectieve-lijk OS,max detotaIevrijgekomen warmtegedu~rende de volledige P-reactie, respectievelijk5-reactie.rp(t) = Qp(t)1I= - - f qp(t) dt (13)Op,max Op,max 0. rs(t) '= Qs(t)1I=--- f qs(t) dt (14)Os,max Os,max 0Zoals uitfiguur 11blijkt start de S-reactie nietonmiddellijk na watertoevoeging. De hydra-tatie van deslakken begintslechts in aanwe~zigheid van voldoende activerende stoffen,geproduceerd door de P"reactie. Dit wordt(7) mathematisch ge?mplementeerd door determ qs (6) gelijkaan nulte houden zolang de(8) reactiegraad rp van de P-reactie een mini-mum waarde rp,B niet heeft bereikt. De para-meter rp,B is temperatuurafhankelijk. Voorlo-(9) pig wordt, bij gebrek aan voldoende experi-mentele gegevens, een lineaire afhankelijk-heid toegepast (fig. 14):Voor de S-reactie kan wiskundig worden ge-schreven:qp,max,20 is de maximale warmteproduktievan de P-reactie bij 20?C;rp is de reactiegraad van de P-reactie;af> bf> cp zijn constanten;Ep is de activeringsenergie van deP-reactie.waarin:a (-b ,,)fp(rp)= cp . [sin (rpre)] p . e P P[?,(~_1 )]R 293 - 273 + egp (0) = e60(EM 1111832,5CfM IlIfC 32,50,7Q60,5(*)Q4I0,3~ 0,2