ing.J.P.KrooneCEMIJ BV, IJmuidenBeton in warme landen {lilInvloed van de cementkeuze opde duurzaamheidCement XXXVI (1984) nr. 1InleidingIn het vorige artikel in deze serie is geconsta-teerd dat schadegevallen aan betoncon-structies in warme landen veelvuldig voorko-men. De oorzaken van deze schadegevallenwerden daarbij verdeeld naar externe en in-terne factoren. In deze bijdrage zal de in"vloed van ??n der interne factoren wordenbesproken, nl. het toe te passen cement, inrelatie met klimaat en omgeving. De invloedvan cementeigenschappen op de duurzaam-heid van beton is bij het merendeel van deconstructies in warme landen ondergeschiktaan andere factoren. Bij constructies in zee-milieu en bij bepaalde vormen van aantastingkunnen cementeigenschappen echter maat-gevend zijn voor de duurzaamheid.In warme landen wordt een belangrijk deelvan de cementbehoefte gedekt door import.Belangrijke importeurs van cement naar dielanden zijn (in volgorde van belangrijkheid):Spanje, Japan, Griekenland, Zuid-Korea enTurkije. Op kwaliteitsaspecten van deze, ende lokaal gefabriceerde elementen zal in ditkader niet nader worden ingegaan.De soorten cement die in hoofdzaak wordengebruikt zijn:- Ordinary Portland Cement (OPC of ASTMtype I);- sulfaatbestendig portlandcement (SRPCof ASTM type V);- puzzolaan cement (natuurlijke puzzola-nen).Incidenteel wordt hoogovencement ge-bruikt. Het toevoegen van een latent hydrau-lisch bindmiddel (gemalen hoogovenslak) ofpuzzolanen (vliegas) aan portlandcement opde bouwplaats vindt niet of nauwelijksplaats.Duurzaamheidsproblemen in relatie totcementkeuzeDe belangrijkste problemen op het gebiedvan de duurzaamheid die rechtstreeks ver-band houden met het gebruikte cement, zijn:- wapeningscorrosie ten gevolge van chlori-de-indringing,- sulfaataantasting,-alkali-toeslag-reactie,- thermische vervorming ten gevolge vanwarmte-ontwikkeling in verhardend beton.Voor een indicatie van de frequentie waar-mee de verschillende oorzaken van aantas-ting voorkomen, kan worden verwezen naarFooks, Kayen Pollock [1] die een uitgebreid21onderzoek naar betonschade in het Midden-Oosten hebben verricht.Problemen die in mindere mate afhankelijkzijn van het gekozen cement, zijn:- bindtijd,- plastische krimp en uitdrogingskrimp,-- verwerking en verdichting van de beton-specie,- temperatuureffecten, zowel over het sei-zoen als dagelijks.De wijze waarop deze laatst genoemde fac-toren kunnen worden beheerst, zal in een la-tere aflevering worden besproken. Tevenswordt verwezen naar de gegevens die hier-over zijn verstrekt in deel (I), Cement 1983nr. 12.Wapeningscorrosie ten gevolge van?hl_Qrid~~_il1dringingQ"$trQQt\~~:-iQ?????~~_~m\l.ieul~w~,l~i~~ !~ij~y:~rf?g~~~~.~~~p~njng$?Qrrl:lsietengevolgeiBd~~"'I6(jdrigirigiBeton in een vochti-ge omgeving zal slechts over een diepte vanenkele millimeters kunnen uitdrogen, waar-door indringing van chloriden via diffusiedoor water en niet via capillaire opzuigingmoet plaatsvinden. Het probleem van chlori-de-indringing is dus een probleem van detransportsnelheid van ?chloride-ionen doorce mentsteen.Door verschillende onderzoekers is de in-vloed van het cementtype op de diffusiesnel"heid van chloride-ionen door cementsteenen mortel onderzocht. Brodersen [2] toondeaan dat deze diffusiesnelheid door cement-steen sterk afneemt bij een toenemend gehal-te hoogovenslak (fig. 1). Door vergelijkingvan diffusiesnelheden door mortels van ver-schillende ouderdom en op basis van hoog-ovencement, portlandcement en sulfaatbe-stendig cement vond Bakker [3] dat de diffu-sie van chloride-ionen bij portlandcementaanzienlijk sneller verloopt dan bij hoog-ovencement. Dit is ge?llustreerd in figuur 2.Opvallend is dat het in warme landen veelgebruikte sulfaatbestendige portlandce-ment nog belangrijk hogere diffusiesneIhe-den te zien geeft dan normaal portlandce-ment.Een onderzoek van Ni?l [11] waarbij het zee?milieu in warme landen werd nagebootst,heeft bevestigd dat hoogovencementQetoneen veel grotere weerstand heeft tegen chlo-16 18 20tijd Idagenl-+hoogovencementIBFClsulfaatbestendigportlandcementIDPC-SR)141210+/ /rtlandcement. / 10PC)Ydikte van de schijf: 2.85 mmverhardingstijd 5 dagen60 80slakgehalte (gew. %) ~4020o,..j-.:.=.:.:r....:.=....-+------.:t-=='O"--=:r:I===---oo,1Afhankelijkheid van de diffusieco?ffici?ntvoor Ct en Na+ van het slakgehalte van hettoegepaste cement(water-cementtactor 0,60,omgevingstemperatuur 21?C, NaCI-oplossing 3 molll)2Chloride-indringing in mortelschijfjes;invloed van de cementsoortride-indringing dan portlandcementbeton(tabel 1).Voor een verklaring van het gunstige gedragvan hoogovencement moet gekeken wordennaar invloeden op de transportsnelheid ofdi-fussieco?ffici?nt van chloride-ionen doorbeton. Naast de temperatuur zijn dat:- de mate waarin chloride wordt gebondendoor het verhardende beton (alleen de nietgebonden chloride-ionen veroorzaken cor-rosie),::gedichtheid OfPQ@I')~~r~8tpurVanpr~Qn.e.~. ....i~!~~HP~~'em:ligf'!elCil halte ten~p(!draagt;Het lage C3A-gehaltels?f lh werkelijkheid verantwoordelijk voordat in beton met dit cement minder chloride-ionen worden gebonden en wapeningscor-rosie dus eerder zal optreden. Een laag C3A-gehalte is dus gunstig in verband met sul-faataantasting, maar ongunstig voor chlori-de-indringing.lndien men evenwel genood-zaakt is portlandcement toe te passen, moetnaar een compromis worden gezocht. Datzou kunnen zijn portlandcement volgensA5TM type 11, met een C3A-gehalte tussen 5en 8%.De dichtheid van beton wordt bepaald doorde water-cementfactor, verdichting, matevan hydratatie en aard van het cement. Deinvloed van hoogovenslak op de dichtheidvan beton is aanzienlijk (fig. 3). De groteredichtheid van hoogovencementbeton lijkt debelangrijksteinvloed te zijn op de lage trans?portsnelheid van chloride-ionen door dit be-ton.Praktijkervaringen en laboratoriumproeventonen aan dat het gebruik van hoogovence-ment de duurzaamheid van betonconstruc-ties in een warm zeewatermilieu aanzienlijkzal verbeteren en mogelijk zelfs een voor-waarde is voor goede duurzaamheid.Naast toepassing van hoogovencement ishet in principe ook mogelijk ter plaatse port-landcement te mengen met gemalen hoog-ovenslak. Het gaat daarbij niet om het toevoe-gen van enkele procenten; hetdichtheid-ver-hogende effect is het grootst bij percentagesslak van meer dan 65%. Het terplaatse men-gen van portlandcement met een hoog aan-deel gemalen hoogovenslak kan met het oogop variaties in de slakkwaliteit problemengeven.Beton met hoogovencement is in de eerstefase van de verharding gevoeliger voor in-vloeden van buitenaf dan beton met port-landcement. Bij toepassing van hoogoven-cement is een zorgvuldige nabehandelingdan ook een vereiste.SulfaataantastingDe aantasting van portland- en hoogovence-mentbeton door sulfaten berust op een reac-tie tussen CsA en sulfaat. Deze reactie resul-Tabel 1Invloed van de cementsoort opchloride-indringing in beton in een warmzeewatermilieu (30?C)HOC = hoogovencement met 70% slakPC == sulfaatbestendig portlandcement(A5TM type V)E =Europees toeslagmateriaalME =toeslagmateriaal uit Midden-Oosten(ontleend aan Iit. [11])betonsoort aspect na3 na6 na9 na12 na15maanden maanden maanden maanden maandenchloride- 7mm 8mm 7mm 10mm 10-15mmHOC-E indringingcorrosie geen geen geen geen geenchloride- 20-25mm ruim 30 mm ruim 30 mm meestal volledigPC-E indringing volledigcorrosie geen geen geen geen geenchloride- 8mm 13mm 15mm 20mm 20-30mmHOC-ME indringing bij 1vande3corrosiegeen geen geen geen prisma's inlichtematechloride- volledig volledig volledig volledig volledigPC-ME indringingcorrosie zoute sporen lichtemate, lichte mate, lichte mate,plekken plaatselijk plaatselijk plaatselijksterk sterk sterkCement XXXVI (1984) nr. 1 223Relatie tussen pori?nvolume van beton enslakgehalte van het gebruikte cement, metonderscheid naar water-cementfactor enhydratatiegraad (pori?ngrootte tussen 30en 7500nm)10 20 30 40 50 60slakgehalte (gew. %) ~6,0+------+---+4 maanden7.04\-------+-~-__t10 20 30 40 50 60teert in het dubbelzout calciumsulfaatalumi-naat, ook wel ettringiet genoemd. De vor-ming van dit volumineuze waterrijke dubbel-zout is de oorzaak van scheurvorming en ver-nieling van beton. In deel (I) van deze serieis uiteengezet dat deze vorm van sulfaat-expansie van ondergeschikt belang is in w?r-me landen. Voor de volledigheid zal de sul-faatbestandheid van cementen wel wordenbehandeld.De weerstand tegensulfaataantasting be-rust voor sulfaatbestendig portlandcementop een wezenlijk ander principe dan voorhoogovencement. Portlandcement ontleenddeze weerstand aan een beperking van hetCaA-gehalte. Bij deze lage CaA-geh.altesworden welsulfaatgevoelige hydratatiepro-dukten gevormd, maar deze kunnen in mortelniet reageren met sulfaat tot ettringiet. In deverschillende normen wordt voor een sul-faatbestendig portlandcement een grens ge-steld aan hetCaA-gehalte (tabe/2).Hoogovencement is in vrijwel dezelfde matebestand tegen sulfaataantasting als CaA-arm portlandcement. Bij hoogovencementwordt de weerstand echter voornamelijk be-paald door het aandeel hoogovenslak.Bijeen slakaandeel van meer dan 65% is hoog-ovencement bestand tegen sulfaataantas-ting, onafhankelijk van de klinkersamenstel-ling. Bij een lager aandeel slak is de weer-stand voor een deel afhankelijk van het CaA-gehalte van de klinker. In verschillende nor-men wordt voor suIfaatbestendig hoogoven-cement een slakgehalte van minimaal 65?70% ge?ist (tabe/2).Door onderzoekers is getracht een verklaringte vinden voor de goede bestandheid vanhoogovencement met een hoog slakgehaltetegensulfaataantasting. De sulfaatbestand-heid werd in verband gebracht met het cal-ciumhydroxyde-gehalte (Czernic [4] en Bic-zok [5]) en met de gevormde hydratatiepro-dukten (Richartz [6]). De meest recente Ver-klaring is gebaseerd op de grotere dichtheidvan hoogovencementbeton. Deze verklaringvoor het gedrag van hoogovencement tegensulfaataantasting is gelijk aan de verklaringvoor het gedrag van hoogovencementbetonten opzichte van chloride-indringing en alka-Ii-toeslagmateriaalreacties. Bijslakgehaltesgroter dan 65 ? 70% is de cementsteen zodicht dat potentieel gevaarlijke reacties nietkunnen plaatsvinden (Bakker [3]).Een heel speciale vorm van sulfaataantas-ting is aantasting door zwavelzuur, bijvoor-beeld in rioolbuizen. In afvalwater kan name-lijk zwavelwaterstof (H2S) worden gevormd,dat in slecht geventileerde ruimten kan wor-den omgezet in het agressieve zwavelzuur(H2S04). In zulke gevallen is beschermingvan het beton door bij voorbeeld een coatingnoodzakelijk.Alkali-toeslagmateriaalreactiesToeslagmateriaal dat chemisch kan reage-ren met de alkali?n uit het cement, zijn intwee groepen te verdelen:- reactief kiezelzuurhoudend gesteente (al-kali-silicaat-reactie);- reactief carbonaathoudend gesteente (al-kali-carbonaat-reactie).Alhoewel de alkali-silicaat-reactie wezenlijkanders is dan de alkali-carbonaat-reactie, isvoor beide de aanwezigheid van water eenvoorwaarde en gaan beide gepaard met eenvolume-toename waarvan scheurvorming envernieling van beton het gevolg is.De mate van uitzetting is afhankelijk van detemperatuur waarbij de reactie plaatsvindt.In een volgend artikel over toeslagmaterialenzal nader worden ingegaan op de parametersdie van invloed zijn op de alkali-toeslagmate-riaalreactie en de verschillende keuringsme-thodieken.Gebruik van een cementtype dat schadelijkereacties tussen alkali?n en toeslagmateriaalvoorkomt, verdient sterke aanbeveling enbespaart kostbaar en moeilijk onderzoek vantoeslagmateriaal. Voor portlandcement is ereen duidelijke relatie tussen het alkaligehaltevan het cement en de mate waarin expansieoptreedt ten gevolge van alkalisilicaat en al-kali-carbonaatreacties (figA). Het totaal aanalkali?n in het cement zal gedurende devoortgang van de hydratatie oplossen en be-schikbaar komen voor de reactie met reactiefTabe/2Eisen in verschillende normen ten aanzienvan sulfaataantasting, a/kali-reactiviteit enhydratatiewarmteCement XXXVI (1984) nr. 1NEN DIN BS ASTMsulfaataantastingportlandcement CaA