I IONDERZOEK IBETONTECHNOLOGIEBEPALING VAN HETCEMENTGEHALTE IN VERHARDBETONir.J.G.Wiebenga, secretaris CUR-onderzoekcommissie B 14 'Kwaliteitscontrole van beton', IBBC-TNO, RijswijkVoor het bepalen van?het cementgehalte in verhard beton is geen Nederlandse normbeschikbaar. Daarvoor bestaan wel diverse buitenlandse normen die, kennelijkvanwege de vele haken en ogen bij zo'n analyse, alle een verschillende receptuurgeven. Om een voor ons land geschikte methode te vinden werd door de CDR eenonderzoek uitgevoerd, begeleid door de onderzoekcommissie B 14'Kwaliteitscontrole van beton'.Er zijn twee gevallen waarbij somsde betonsamenstelling in eenreeds verharde constructie moetworden vastgesteld. In het eerste gevalkan hetgaan om een levering op samen-stelling, waarbij twijfel is ontstaan ofdeovereengekomen samenstelling inder-daad is geleverd; in het tweede geval omde oorzaak van opgetreden schade tekunnen achterhalen.De samenstelling kan achteraf slechtsmet beperkte nauwkeurigheid wordenvastgesteld. Van de meeste hulpstoffenkunnen de samenstelling en de toege-voegde hoeveelheid zelfs in het geheelniet meer in het beton worden vastge-steld. In veel gevallen is het echter vol-doende om de gehalten aan cement entoeslagmaterialenen de korrelverdelingvast te stellen, waarbij het cementgehal~te nog het belangrijkste is. In dit artikelwordt alleen ingegaan op het bepalenvan de gehaltencementen toeslagmate-riaal. Het is uiteraard van het grootstebelang dat wordt beschikt over een re-presentatiefmonstervan het beton. Hoedat kan worden verkregen, wordt hieroverigens niet behandeld.Indien het gaat om een schadeanalyseis,in tegenstelling tot wat dikwijls wordtgedacht, het cementgehalte ofdebeton-samenstelling veelal niet maatgevend.Los van de vraag hoe het cementgehaltekan worden bepaald, moet ook wordenoverwogen welke waarde daaraan kanworden gehecht. Dit laatste wordt hierslechts indicatief besproken. Dieperwordt ingegaan op de bepalingsmetho-de van het cementgehalte.Belang van de bepaling van het ce-mentgehalteDe waarde die kan worden toegekendaan het in een betonconstructie vastge-stelde cementgehalte, is in de eerste66plaats de controle of is voldaan aan debestekseis bij levering op samenstelling.Veel minder rechtstreeks is de relatietussen eventuele defecten in de con-structie en het cementgehalte.Toch komt de vraag uit de praktijk omhet cementgehalte te bepalen dikwijlsvoort uit de gedachte dat daarmee ookkan worden vastgesteld, waarom be-paalde defecten zijn opgetreden. Dit isechter meestal niet het geval. Een voor-beeld is het optreden van scheuren,~~arvoor allerlei oorzaken mogelijkzIJn.Betonspecie met een te hoog waterge-halte leidt tot teveel krimp, hetgeen kanleiden tot scheuren. Het cementgehaltespeelt daarbij nauwelijks een rol. Eenhoog cementgehalte kan, vooral bij dik-ke constructiedelen, een aanzienlijketemperatuurverhoging geven. Bij hetafkoelen kunnen dan scheuren ont-staan. In zo'n geval kan het cementge-halte dus wel een rol spelen. Wanneerscheuren ontstaan door overbelastingtijdens ofna de bouw is het cementge~halte uiteraard weer niet van direct be-lang. Hetcementgehaltespeeltwelindi-rect een rol, omdat een vereiste druk-sterkte, dan wel een vereiste water~cementfactor, voor een bepaald consisten-tiegebied eneen gegeven waterbehoefteslechts mogelijk is met een bepaald ce-mentgehalte.Hetvoorgaande is echtervooral bedoeldom erop te wijzen dat het weinig zinheeft om na het constateren van een ge-brek in de eerste plaats na te gaan ofhetcementgehalte wel voldeed aan de ge-stelde eis. Veel beteris het omin zo'n ge-val eerst de voor het gebrek relevantegegevens te verzamelen. Na analysedaarvan kan worden besloten of voorhet verklaren van het gebrek een beton-analyse zinvol is. In het geval van scheu-ren in een constructie moet dus eerstwordenvastgesteld op welk tijdstip dezeontstonden, op welke plaatsen deze inrelatie tot de constructie en de onder-steuning ervan voorkomen, en welkelengte, wijdte en diepte deze hebben.Daaruit kan dan de oorzaak wordenvastgesteld en tevens of het cementge-halte, dan wel andere aspecten van debetonsamenstelling, daarbij een rolhebben gespeeld.AnalysemethodenEr is geen Nederlandse norm voor hetbepalen van het cementgehalte in ver-hard beton. Daarvoor zijn wel buiten-landse normen beschikbaar, onder meerBelgische, Duitse, Engelse en Amerik-aanse.Bij alle methoden wordt het beton inzuur opgelost. Indien het toeslagma-teriaal volledig onoplosbaar zou zijn ende cementbestanddelen volledig oplos-baar, zou diteeneenvoudigescheidings-methode zijn, waarmee het cementge-halte nauwkeurig is vast te stellen. Toe-slagmaterialen kunnen echter zowelvrijwel onoplosbaar als oplosbaar zijn.Zand en grind lossen vrijwel niet op,maar meestal bevatten deze wel 0,5 tot2% (mlm) oplosbare bestanddelen. Toe-slagmateriaal van kalksteen (CaC03)lost daarentegen wel grotendeels op. Bijeen cementgehalte van 320 kg/m3zoueen systematische fout van circa 5%ontstaan, indien 1%van .het toeslagma-teriaal oplosbaar is zonder dat hiermeerekening wordt gehouden. Indien be-kend is welke toeslagmaterialen in hetbeton aanwezig zijnen hoeveel daarvanoplosbaar is, kan het analyseresultaatnauwkeuriger zijn. Een extra complica-tieis echter dat de mate van oplosbaar-heid mede wordt bepaald door de wijzeCement 1989 nr. 9van oplossen, dus inwelkzuur, metwel-ke concentratie, bij welke temperatuuren dergelijke. In de normen wordendaartoe verschillende recepturen gege-ven. Om een voldoende betrouwbaarresultaat te verkrijgen zijn dus aanvul-lende gegevens nodig. Na het oplossenkunnen de bestanddeleninde oplossingbijvoorbeeld chemisch worden geana~lyseerd. Aangezien cementveel kalk be-vat(portlandcementcirca 65% en hoog-ovencement 43 tot 50%, uitgedrukt in %(m/m) CaO), is dit het meest voor dehand liggende bestanddeel om te bepa-len. Het kalkgehalte in cement kan dusvari?ren, terwijl ook in zand en grindkalksteen aanwezig kan zijn. Dit be?n-vloedt de nauwkeurigheid van de bepa~ling weer nadelig. Voor de andere be-standdelen van het cement geldensoortgelijke bezwaren. Uit het voor-gaande blijkt waarom er niet ??n enkeleanalysemethode is die vooralle betonsa-menstellingen het meest geschikt is.Voor de Nederlandse omstandighedengeldtdat tot dusververreweg het meestebetonwordtgemaaktmetdevrijwel on-oplosbare tbeslagmaterialen zand engrind. Na bestudering van de normenuit de eerder genoemde landen leek hetdat de methode volgens DIN 52170'Bestimmung der Zusammensetzungvon erh?rtetem Beton' wat betreft debewerkelijkheid en de te verwachtennauwkeurigheid hetmeestgeschiktwas.Er worden in deze norm verschillendemethoden beschreven die, afhankelijkvan de soort toeslagmaterialen, toepas-baarzijn. Indien de toeslagmaterialen inhet beton in zoutzuur onoplosbaar zijnofcarbonaathoudend zijn (carbonaat iswel oplosbaar), kunnen het cementge-halte en het gehalte toeslagmateriaalworden bepaald volgens deel 2 van denorm. De afzonderlijke grondstoffenvan het beton behoeven daarbij niet be-schikbaar te zijn. Betrefthet in zoutzuuronoplosbaar toeslagmateriaal, dan kanvolgens deel 3 worden gewerkt, waarbijbovendien de korrelverdeling kan wor-den bepaald. Ookin dat geval behoevende grondstoffen niet beschikbaar te zijn.Voor alle overige toeslagmaterialen, als-mede indien bijzondere soorten cementzijn gebruikt, moeten behalve van hetbetonook monstersvan de toeslagmate-rialen en eventueel ook van het cementbeschikbaar zijn. Dan kan de bepalingvan de gehaltencementen toeslagmate-riaal, alsmede van de korrelverdeling,volgens deel 4 plaatshebben.Uitgevoerd onderzoekBesloten werd een ringonderzoek uit tevoeren, waaraan door vijf laboratoriawerd deelgenomen. Ditwaren het labo~Cement 1989 nr. 9ratorium van de Cementfabriek IJmui-den (CEMIJ) BV; Intron BV; Koning &Bienfait BV; het voormalige CentraalLaboratorium van de Verenigde Bedrij-venBredero NV enIBBC-TNO (verderaangeduid, in een andere volgorde, metde cijfers I t.m. V). Het onderzoek werdper laboratorium beperkt tot het vast~stellen van de gehalten aan cement entoeslagmateriaal in twee kubussen met200 mm riblengte. E?n kubus was ge-maakt met portlandcement klasse A ende andere met hoogovencement klasseA. In beide kubussen waren zand engrind als toeslagmaterialen gebruikt. Dekubussen waren bij IDBC-TNO ver~vaardigd, waarbij per soort cement allebenodigde kubussen uit ??n betonchar-ge werden verkregen. Behalve dat de sa-menstellingen nauwkeurig bekend wa-ren, zijn hierdoor ook de verschillen insamenstelling tussen de kubussen on-derling zo klein mogelijk gehouden.Er diende te worden geanalyseerd vol-gens DIN 52170, waarin voor enkeleanalyses onder meer wordt verwezennaar DIN 1164 'Portland-, Eisenport~land..., Hochofen- und Traszzement'. Inhoofdzaak komt de gevolgde methodeerop neer, dat van het beton de gloeirestna gloeien bij 750?C en het gehalte on-oplosbare bestanddelen in zoutzuurworden bepaald.Wanneer de gloeirest en het gehalte on-oplosbare bestanddelen van het cementen de toeslagmaterialen bekend zijn,kunnen uit de voor het beton gemetenwaarden de gehaltencementen toeslag-materiaal worden berekend. Voor port-land- en hoogovencement, alsmedevoor zand en grind mag een gloeirestvan 99% worden aangehouden. Het ge-halte onoplosbare bestanddelen magvoor deze cementen op 0% worden aan-gehoudenenvoorzand en grindop 98%.Nadat de gevraagde analyses in de vijflaboratoria waren verricht, werdenmonsters van het gebruikte cement be-schikbaar gesteld met het verzoek daar-van eveneensde gloeirest en het gehalteonoplosbare bestanddelen te bepalen.Daarmee was een correctie mogelijkvan de aangenomen waarden.Hierna werd een monster van het toe-slagmateriaal beschikbaar gesteld, zodatook hiervoor correctie van de gloeiresten het gehalte onoplosbare bestandde-len mogelijk was. Tenslotte werd ooknog het gehalte aan kalkbestanddelen,uitgedrukt als CaO, bepaald van zowelhet beton als van de afzonderlijke be-standdelen. Ook daaruit werd het ce~mentgehalte berekend.Uitgevoerde analysesDe volgende werkzaamheden werdenuitgevoerd met de betonkubussen.a. Bepalen van het volume en de massana drogen bij 105?C.b. Breken tot korrels < 2 mmo Daarvan100 g bemonsteren en f?nmalen tot< 0,125 mm en bewaren boven na-tronasbest om carbonateren te ver-hinderen.c. Vaststellen van het gehalte carbonaatdoor een CO2-bepaling op een mon-ster van 1 g (in tweevoud). Zou ermeerdanO,75%(m/m)C02 aanwezigzijn, dan bevat het toeslagmateriaalzoveel kalksteen- en!ofdolomietbe-standdelen, dat hiermee rekeningmoet worden gehouden bij de bere-kening van de gehalten cement entoeslagmateriaal.d. Bepalen van de gloeirest van het be-ton op een monster van 1g (in twee-voud). Wanneer er gloeiwinst is teverwachten door de aanwezigheidvan oxydeerbare bestanddelen, watbijvoorbeeld met hoogovencementhet geval is, moet het gloeien boveneen inert gas (argon) plaatshebben.e. Bepalen van het gehalte onoplosbarebestanddelen van het beton op eenmonster van 1 g (in tweevoud).f. Bepalen van het calciumgehalte (alsCaO) van het beton in een monstervan 1 g (in tweevoud).Voor het afzonderlijke cementmonstergolden de punten d, e en f en voor hetmonster toeslaglUateriaal de punten b,d, e en f.Uit de gloeirest en het gehalte onoplos-bare bestanddelenvan hetbetonwerdende gehalten cement en toeslagmateriaalberekend in massaprocenten en via devolumieke lUassa uitgedrukt in kg perlU3beton. Daarbij werden eerst voor degloeiresten het gehalte onoplosbare be-standdelen van het cement en het toe-slagmateriaal de eerder genoemdewaarden aangehouden. Vervolgenswerd de berekening herhaald metde ge-meten waarden voor het cement endaarna nog eens met de gemeten Waar-den van zowel het cement als het toe-slagmateriaal. Ook werden berekenin-gen uitgevoerd met de combinaties vangloeiresten en gehalten CaO, respectie-velijk de combinaties van gehalten on-oplosbaar en gehalten CaO. Voor de ge-hanteerde berekeningsformules wordtkortheidshalve verwezen naar DIN52170. In afwijking van het normvoor-schrift werd tenslotte ook nog het ce-mentgehalte berekend uit uitsluitendde gehalten CaO die in het beton en inhet cement waren gemeten. Dit is eenmethode die in diverse laboratoria ge-bruikelijk is.67L- - - -~~IONDERZOEK IBETONTECHNOLOGIE- 24~ 27+ 23+ 11- 27-24+ 3- 9- 8262262277286l89022470,8396,5383,507,89V gem. verschilt.O.v. meng-gegevens24527024598,84 98,7597,57 96,93l,l6 0,7622450,6796,583,77,598,50 98,474,D 3,8659,80 61,29280280IVIIIIkg/m3260 280 245kg/m3260 280 245kg/m31920 1890 1935 1905 1915 1913waarden uit menggegevenskg/m3kg/m3123456712345671234567123456712345671234567I n m N V gemiddeldlaboratorium ----7i~ ~:i 1,e; ~ en (3 ( zie tabel 1 voor verklaring)3 =uit A, C, 0< en y4 = uit B, C, .(3 en y5 =uit A, B. 01 = uit A en B ( zie tabeI 2 voor verklaring J2 =uit A, B. I)( en f33 = uit A, C, I)( en V4 = uit B, C.f3 eny5 = uit A, B.I)(.f3. a en b -werkelijk cementgehalte, +10%, -10%6 = uit A. C.