O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidcement 2003 274In het algemeen gesproken, heeftde politiek ervoor gekozen zoveelmogelijk invulling te geven aanDuurzaam Bouwen (Dubo), watzich onder meer uit in het waarmogelijk sparen op het gebruikvan primaire grondstoffen. Detechnische wens inzake het reali-seren van duurzame constructiesin de infrastructuur sluit aan bijde politieke wens van DuurzaamBouwen. Rijkswaterstaat is de af-gelopen jaren geconfronteerd metde ASR-problematiek. Dat heeftgeleid tot het nodige onderzoekwaarin de vraag werd gesteld `hoevoorkomen we ASR bij nieuw tebouwen constructies'. De oorza-ken zijn blootgelegd en de me-chanismen aangetoond. CUR-Aanbeveling 89 laat onder meerzien dat ASR effectief kan wordenvoorkomen door een bepaaldecementkeuze: hoogovencement(CEM III) of portlandvliegas-cement (CEM II/ B-V). Het reali-seren van duurzame constructiesgaat verder dan het voorkomenvan ASR. Zo is het voor milieu-klasse3vanprominentbelangdathet beton voldoende weerstandkan bieden aan het indringen vanchloriden. In dit artikel wordt be-toogd dat met de genoemde ce-menten een grote betondichtheidkanwordenverkregendiepositiefwerkt op de duurzaamheid.Achtereenvolgens worden bespro-ken:? het mechanisme waardoor bijtoepassing van CEM III, ASRkan worden voorkomen;? de chloridediffusieco?ffici?ntals functie van het slakpercen-tage;? een verklaring voor de groteredichtheid van CEM III-beton;? het dichter worden in de tijdvan beton gemaakt met CEMIII danwel CEM II/B-V;? andere duurzaamheidsaspec-ten zoals carbonatatie, aantas-ting door zouten in zeewateren vorst-dooizoutbestandheid;? de wijze waarop de genoemdecementen aan duurzaambouwen tegemoet komen.V e r a n t w o o r d i n gEen lange levensduur van beton-constructies is van groot econo-misch belang. Dat geldt zondermeer voor constructies in de in-frastructuur. Vandaar dat op veelplaatsenonderzoekhiernaarwordtuitgevoerd. Met name Canadeesonderzoek [1, 3, 6] heeft op som-mige aspecten van deze materienieuw licht geworpen.Een dichte betonstructuur is enblijft een effectief wapen tegenveel duurzaamheidsproblemen.Een juiste cementkeuze kan be-tonconstructies een lange levens-duur geven onder de meest on-gunstige omstandigheden. De re-latief goede conditie van Neder-landse kunstwerken is voor eenbelangrijk deel het gevolg van detoepassing van hoogovencement.Onderbepaaldevoorwaardengeldtdit ook voor portlandvliegasce-ment. De weerstand tegen chlori-de-indringing kan zelfs een factor50 groter zijn dan bij beton metuitsluitend portlandcement.A S RSchadelijke ASR treedt op als ge-lijktijdig wordt voldaan aan: vol-doende ASR-gevoelig toeslagma-teraal, voldoende alkali?n en vol-doende vocht in het beton. Uit hetCanadese onderzoek is geblekendat alkali?n in de slakcomponentvan CEM III, in de slak aanwezigblijven en dus niet beschikbaarzijn voor de ASR-reactie, terwijlde alkali?n in de klinker wel be-schikbaar zijn voor een eventueleASR-reactie. Bovendien trekt hetaanwezige magnesium in de slakalkali?n aan die aan de verderereactie worden onttrokken.De oude CUR-Aanbeveling (38)kende een maximum alkaligehal-te van 2% voor hoogovencementmet een slakgehalte > 65% en1,1% voor hoogovencement meteen slakgehalte > 50%. In denieuwe aanbeveling ligt dit gehal-te lager (tabel 1).RekenvoorbeeldAlkali?n in portlandcementklin-ker zijn beschikbaar voor eeneventuele ASR-reactie, terwijl dieDuurzaamheid beton in deinfrastructuurir. W.A. de Bruijn, Bouwdienst Rijkswaterstaat, TilburgRijkswaterstaat streeft ernaar constructies in de infrastructuur zo te ontwer-pen en te laten uitvoeren dat er zo min mogelijk onderhoud verricht moetworden. Het begrip `zero maintenance' dat voor verhardingen op luchthavenswordt gehanteerd, komt wat betonconstructies betreft meer en meer inbeeld. Verkeersafzettingen zijn in het huidige bestel rampzalig. Hoge kostenen enorme opstoppingen pleiten ervoor veel aandacht te besteden aan deduurzaamheid. Over maatregelen om voor nieuw te bouwen betonconstruc-ties in de milieuklassen 3 en hoger de duurzaamheid daadwerkelijk zeker testellen, gaat dit artikel.Tabel 1 | Voorkomen van ASR met CEM III beton, volgens CUR-Aanbeveling 89alkalibijdrage overige bestanddelen (kg/m3)maximaal alkaligehalte (m/m) 0,6 kg/m3 1,2 kg/m3 1,6 kg/m3CEM III/B slakgehalte 66% 1,5% 1,3% 1,2%CEM III/A slakgehalte 50% 1,1% 0,9% 0,8%O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidcement 2003 2 75indeslakdatnietzijn.Hetbindenvan alkali?n door magnesium inde slak zorgt er bij toepassing vanhoogovencement bovendien voordat het toelaatbare alkaligehaltehogeris:4,5kg/m3voorCEMIII/Btegenover 3,0 kg /m3voor CEM I.Het rekenvoorbeeld laat voorCEM III/B duidelijk het grote ver-schil zien tussen beschikbare entoelaatbare alkali?n. Het voorko-menvanASRdoortoepassingvanhoogovencement met een hoogslakgehalte berust op het beper-ken van de hoeveelheid alkali?ndie beschikbaar zijn voor eeneventuele reactie.C h l o r i d e - i n d r i n g i n gIn figuur 1 zijn de chloride- en na-triumdiffusieco?ffici?nten uitge-zet als functie van het percentageslak. Hieruit blijkt dat de invloedvan het slakgehalte groot is. Omhet gewenste effect van een zeerlage diffusieco?ffici?nt te berei-ken, is ten minste circa 50% slaknodig. Voor sommige situaties isde cementkeuze beslissend omcorrosie te voorkomen.DichtheidIn figuur 2 zijn twee hydratatie-situaties weergegeven waaruitblijkt dat er bij CEM I vrije kalkvanuit de klinker het poriewateringaat. Bij een CEM III betongaan daarnaast ook aluminium-oxyde (Al2O4) en siliciumoxyde(SiO3) het poriewater in waardoorde pori?n ? bij voldoende slak ?kunnen dichtgroeien. Dit ver-klaart de veel dichtere structuur.Er bestaat verschil in de dicht-heidsontwikkeling tussen CEMIII- en CEM II/B-V-beton. BijCEM III-beton heeft het dicht-groeien grotendeels plaats in deeerste maanden.Bij CEM II/B-V-beton komt hetdichtgroeien van de pori?n pas nacirca twee maanden op gang enverlooptuitermatetraag.Hetduurtjaren eer eenzelfde dichtheid isbereikt als bij CEM III-beton.Figuur 3 geeft de chloride-diffu-sieco?ffici?nten voor een CEM I-,CEMIII-eneenCEMII/B-V-betonvoor respectievelijk de water-ce-mentfactoren: 0,5 en 0,6.Metdechloride-diffusieco?ffici?ntwordtdemateaangegevenwaarinde chloride-indringing in de tijdplaatsheeft. Uit figuur 3 zien wedat CEM III/B-beton de laagstewaardegeeft,ookbijhetverhogenvan de wcf. De gevoeligheid vooreen hogere wcf is bij CEM II/B-Vsprekend (lijnen c en d), maarbeide nemen af in de tijd.Canadees onderzoek [3]Aangezien bij de betonfabricagein Canada de hoogovenslak pas inde menger van de betoncentraleRekenvoorbeeld beschikbare alkali?nCEM III/B (400 kg/m3), 66% slakalkaligehalte klinker 0,7%alkaligehalte slak 0,8%beschikbaar voor ASR-reactie266 kg slak ?134 kg klinker ? 0,7% = 0,94 kg1100 kg grind ? 0,03% = 0,33 kg800 kg zand ? 0,02% = 0,16 kg6 kg hulpstof ? 2,5% = 0,15 kgtotaal per m3= 1,58 kgtoelaatbaar circa 4,5 kg/m3CEM I (400 kg/m3)alkaligehalte klinker 0,7%beschikbaar voor ASR-reactie400 kg klinker ? 0,7% = 2,80 kg1100 kg grind ? 0,03% = 0,33 kg800 kg zand ? 0,02% = 0,16 kg6 kg hulpstof ? 2,5% = 0,15 kgtotaal per m3= 3,44 kgtoelaatbaar 3,0 kg/m300246820 40 60 80slakgehalte (% m/m)DNa+DCI?(x10?12m2/s)DNa+DCI?CatoeslagkorrelHydratatie van CEM Iklinkerhydratatieproductenvan klinker en waterneerslagvan Ca(OH)porieCaCatoeslagkorrelHydratatie van CEM IIIklinkerhydratatieproductenvan klinker en waterhydratatieproductenvan slak en waterslakAI O2 42SiO31 | Chloride- en natriumdiffusieco?ffici?nten van CEM III als functie van hetslakpercentage2 | Verklaring voor de veelgrotere dichtheid vanCEM III-betonRekenvoorbeeld beschikbare alkali?nO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidcement 2003 276wordt toegevoegd, zijn de proef-resultaten van de chloride-diffu-sieco?ffici?nt (tabel 2) niet repre-sentatief voor de Nederlandsesituatie. Niettemin is het interes-santenkeleresultatentebekijken.De tabel laat zien dat de chloride-diffusieco?ffici?nt voor CEM I-beton in de tijd nagenoeg gelijkblijft, terwijl die voor CEM I +vliegas en CEM I + slak sterk inde tijd afnemen. De conclusies uithet onderzoek zijn dat voor devoorspelling van de levensduurhet van cruciaal belang is om hettijdsafhankelijk gedrag van detransportparameters (onder meerde chloridediffusieco?ffici?nt) inrekening te brengen en dat hetvergelijken van de transportpara-meters voor 28-daags beton methet oog op de verwachte levens-duur geen zin heeft.Omdat het voorgaande in Neder-land onvoldoende bekend was/is,is gebleken dat bij het aantonenvan de vereiste levensduur in onsland in sommige gevallen ver-keerde conclusies zijn getrokken.Figuur 4 toont aan dat voor eenCEM I-beton de chloriden in detijd steeds dieper het beton in-dringen. De indringing bij eenCEM II/B-V-beton verloopt aan-vankelijk even snel, maar gaatnaar een limietdiepte. Ook hetvergelijken van het chloridege-halte in de buitenste laag heeftdus geen zin met het oog op devoorspelling van de verwachte le-vensduur. Dit werd/wordt even-eens onvoldoende beseft.A n d e r e d u u r z a a m h e i d s -a s p e c t e nAlswenaardecarbonatatiekijkenscoort CEM I beter dan CEM III.Maar bij een goede betonsamen-stelling, verdichting en nabehan-deling, alsmede een voldoendegrote dekking, zal het carbonata-tiefront de wapening niet berei-ken. In het algemeen is het beteromeenmaximumvan50mmaante houden.Bij de aantasting van beton doorzouten in zeewater blijkt dat CEMIII-beton met een slakgehalte >65% een zeer hoge weerstandbezit tegen sulfaten en sulfaat-aantasting.SulfaatbestendigCEMI-beton is in zeewater onvoldoen-de bestand tegen chloride-indrin-ging [2].DCl?(10m/s)?122verhardingsduur (weken)00 6 8 10 12 14 16 18 50 1252468101214acbedf161820a.b.c.d.e.f.CEM ICEM III/BCEM II/B-VCEM ICEM III/BCEM II/B-V32,5 R;42,5 LH HS;32,5 R;32,5 R;42,5 LH HS;32,5 R;wcf 0,60wcf 0,60wcf 0,60wcf 0,50wcf 0,50wcf 0,50niet stationaire toestandstationaire toestand00 2 4 6 8 101020304050indringingsdiepte(mm)tijd (jaren)CEM I modelVliegas modelCEM I waarnemingenVliegas waarnemingenTabel 2 | Chloridediffusieco?ffici?nt (Da) uit Canadees onderzoek (N.B. niet representatiefvoor de Nederlandse situatie)gemiddelde Da (x 10 ?12m2/s) 6 maanden 8 maandenvoor periode vanaf begin expositie oud beton oud betonCEM I-beton 9,5 8,7CEM I + vliegas (30% vliegas) 4,3 0,59CEM I + slak (70% slak) 7,5 0,63Berekende tijd voordat het kritisch chloridegehalte van CEM I + vliegas-betonde wapening bereikt:- gebaseerd op Da = 0,59 x 10 ?12m2/s: 23 jaar- gebaseerd op tijdsafhankelijke Da: 197 jaarDe gemeten actuele waarde voor een leeftijd van 8 jaar bedraagt 0,23.3 | Chloridediffusieco?ffi-ci?nt als functie van decementsoort en de wcf4 | Voorspelling chloride-indringing op basis vanCanadees onderzoek(wel representatief voorde Nederlandse situatie)00 5 10 15 20 25100020003000massaverlies(m3)aantal cycliCEM III/B beton _ _ _ Cem I beton5 | Vorst-dooizoutbestandheid van CEM I-en CEM III B-betonO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eDuur zaamheidcement 2003 2 77De vorst-dooizoutbestandheidgeeft bij CEM III-beton aanvan-kelijk een grotere gevoeligheid tezien dan bij CEM I-beton. Na ver-loop van tijd verandert dit proces(fig. 5).Verwerking en nabehandelingDe verwerkbaarheidseigenschap-pen van CEM I- en CEM III-betonzijn in grote lijnen gelijk. Het tijd-stip van begin binding ligt voorCEM I na ongeveer 120 minutenen voor CEM III na ongeveer 200minuten. Dit betekent dat indiengeen nabehandeling wordt gege-ven, er bij een CEM III-beton aan-merkelijkmeerwaterkanverdam-pen dan bij een CEM I-beton. Eengoede nabehandeling, die kort nahet afwerken begint, is voor hetverkrijgen van een goede toplaagvoor een CEM III-beton zeer be-langrijk. Verder is er een langza-mere warmteafgifte wat een voor-deel is bij massieve constructies:eenlageretemperatuurtijdenshetverharden en daardoor minderkans op scheurvorming.De combinatie hoge duurzaam-heid en lage warmteontwikkelingmakenCEMIIIzeergeschiktvoortoepassing in kunstwerken in deinfrastructuur.O n t w e r p e n o p l e v e n s d u u rEen uitgebreide studie van Bam-forth (DK) [2] heeft aangetoonddat CEM I-beton onvoldoendebestand is tegen chloride-indrin-ging. Combinaties van samen-stellingen en sterkteklassen vooreen levensduur langer dan 75 jaarlaten het volgende zien:CEM III ? slakgehalte > 50%sterkteklasse B 50CEM III ? slakgehalte > 60%sterkteklasse B 40CEMII/B-VvIiegasgehalte >20%sterkteklasse B 60CEMII/B-Vvliegasgehalte >30%sterkteklasse B 50In het kader van de bouw van deSVK Oosterschelde (beoogde le-vensduur 200 jaar) is van 53 con-structies de cementsoort vastge-steld. Er waren 48 constructiesmet CEM III/B-beton en 5 metCEM I-beton.Bij 6 constructies was wapenings-corrosie als gevolg van chloride-indringing gesignaleerd: de 5 con-structies met CEM I-beton (5 van5) en 1 constructie met CEM III/B-beton (1 van 48).C e m e n t k e u z eR i j k s w a t e r s t a a tOp basis van eigen waarnemin-gen en het interpreteren van on-derzoeksresultaten heeft Rijks-waterstaat voor de bouw vanbetonnen kunstwerken in demilieuklassen 3 en hoger, voor-alsnog gekozen voor het voor-schrijven van ??n van de volgen-de cementen.Voor ter plaatse gestort beton:CEM III met slakgehalte 50%.Voor geprefabriceerd beton:CEM III met slakgehalte 50%;CEM II/B-V met vliegasgehalte 25%;of een andere optie, zoals aange-geven in par. 5.3 van CUR-Aan-beveling 89.Deze cementkeuze komt boven-dien tegemoet aan de politiekewens inzake duurzaam bouwen,omdat CEM III/B 65% slak bevaten de CO2-emissie daardoor min-der is. De productie van portland-cementklinker vergt meer ener-gie, wat gepaard gaat met CO2-emissie). Op grond van CUR-Aanbeveling 89 zijn alternatievetoeslagmaterialen voor rivierzanden riviergrind (waaronder zee-zandenzeegrind)voorvrijwelallesituaties toepasbaar.N i e u w e C U R - c o m m i s s i eD u u r z a a m h e i dBinnen CUR is een nieuwe com-missie in oprichting die zich gaatbezighouden met het ontwikke-len van een nationaal gedragenmethode om de duurzaamheids-eisen van nieuw te bouwen be-tonconstructies te kunnen aan-tonen. Het is de bedoeling dathierbij de nadruk zal liggen opchloride-ge?nitieerde wapenings-corrosie in de milieuklassen 3 enhoger. sL i t e r a t u u r1. Fournier, B., B?rub?, M-A.en Rogers, C.A., CanadianStandards Association (CSA),Standard Practice to evaluatepotential Alkali-Reactivity ofaggregates and to select pre-ventive measures againstAlkali-aggregate reaction innew Concrete Structures.Proceedings Iith ICAARCIRAG, Qu?bec, 2000 pp.633 ? 642.2. Bijen, J. Blast Furnace SlagCement for Durable MarineStyructues, VNC/BetonPris-ma, 's-Hertogenbosch, 1996.3. Thomas, M.D.A., Bamforth,Ph.B., Modelling ChlorideDiffusion in Concrete; Effectof Flyash and Slag, Cement &Concrete Research, 29 (1999),pp. 487 ? 495.4. Wegen, G. van der, en J.W.van den Berg, Duurzaambeton met poederkool vliegas? state of the art, Cement2002 nr. 2.5. CUR-Aanbeveling 89, Maat-regelen ter voorkoming vanbetonschade door alkali-sili-careactie (ASR). CUR Gouda,juni 2002.6. Thomas, M.D.A., Innis, F.A.,Effect of Slag on Expansiondue to Alkali-AggregateReaction in Concrete, ACIMaterials Journal, Nov-Dec.1998, pp. 716 ? 724.