Duurzaamheid van beton met hoogovenslak1 42011 | onlineonlineDuurzaamheidvan beton methoogovenslakHoogovencement wordt verkregen door tijdens het maalproces in de cementfabriek een deel van de portland-cementklinker te vervangen door hoogovenslak. Bij toepassing in beton wordt gesproken over hoogovence-mentbeton. Als hoogovenslak direct aan het betonmengsel wordt toegevoegd, als vervanging van een deel vanhet portlandcement, wordt gesproken over hoogovenslakbeton. In een afstudeeronderzoek aan de Universiteitvan Gent zijn de duurzaamheidseigenschappen van dit hoogovenslakbeton onderzocht en afgezet tegen port-landcementbeton. De resultaten van het onderzoek tonen grote overeenkomsten met eerder onderzoek naarhoogovencementbeton (CEM III).1Duurzaamheid van beton met hoogovenslak 242011 | online-0,0300,0000,0300,0600,0900,1200,1500,1800,2100,2400,2700 14 28 42 56 70 84 98 112 126 140 154 168 182 196 210 224 238 252 266 280OPC S50 S85lengteverandering[%]duurtijd [dagen]0,0500,0600,0700,0800,0900,1000,1100,1200,1300,1400,1500,1600,1700,1800,1900,2000,2100 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36S50 (3 g/l)OPC (29,8 g/l)S50 (29,8 g/l)S85 (29,8 g/l)ruwheid[mm]duurtijd van de proef [weken]1 TAP-opstelling, voorzien van bakjes met sulfaatoplossingenen betonnen cilinders met referentieplaatje2 Lengteverandering in de tijd gedurende 288 dagen volledigeonderdompeling in een 29,8 g/l Na2SO4-oplossing volgensASTM C 1012-04, met aanduiding van de standaardfout3 Ruwheidsverandering voor proefstukken 36 weken gedeelte-lijk/cyclisch ondergedompeld in een MgSO4-oplossing aan dehand van het TAP-toestelDe bouwpraktijk maakt al sinds de jaren twintig van de vorigeeeuw en op grote schaal dankbaar gebruik van hoogovence-ment. De eigenschappen van betonconstructies vervaardigdmet hoogovencement zijn dan ook veelvuldig onderzocht. Delaatste jaren wordt steeds meer hoogovenslakbeton toegepast,waarbij het maalproduct van enkel portlandcementklinker ? inde vorm van portlandcement (CEM I) ? in de betonfabriekalsnog door hoogovenslak wordt vervangen.In het onderzoek is een aantal duurzaamheidscriteria onder-zocht. Deze zijn: weerstand tegen sulfaten, alkali-silicareactie,chloriden en vorst-dooicycli in combinatie met dooizouten.Hiervoor werden versnelde aantastingsproeven uitgevoerd opmortel en beton met enerzijds 100% traditioneel portlandce-ment (OPC) en anderzijds met vari?rende gehaltes hoog-ovenslak ter vervanging van portlandcement, namelijk 50%(S50), 70% (S70) en 85% (S85) 2).Weerstand tegen sulfatenOm de weerstand tegen sulfaten te bepalen werd beroepgedaan op ASTM C 1012-04 [2004], waarbij de lengteverande-ring wordt opgemeten. Daarnaast zijn proeven uitgevoerd methet `Toestel voor versnelde AantastingsProeven' (TAP) [3] (foto1). Hierbij werden betonnen cilinders gedeeltelijk en cyclischondergedompeld in een sulfaatoplossing. Zowel straalverande-ring als oppervlakteruwheid werd opgemeten. De sulfaatoplos-singen werden aangemaakt met enerzijds natriumsulfaat(Na2SO4)en anderzijds magnesiumsulfaat (MgSO4).ResultatenDe resultaten betreffende sulfaataantasting bij hoogovenslakbe-ton zijn verschillend voor volledig en gedeeltelijk/cyclischondergedompelde proefstukken. Bij volledige onderdompelingneemt de lengtetoename af bij stijgende hoogovenslakgehaltes(fig. 2). Er wordt verondersteld dat de vorming van expansievereactieproducten (ettringiet, thaumasiet, etc.) afneemt. Aan dehand van de TAP-resultaten wordt vastgesteld dat beton methogere gehaltes hoogovenslak kwetsbaarder is voor sulfaataan-tasting dan traditioneel portlandcementbeton, dit in tegenstel-ling tot de eerder behaalde resultaten. Op basis van de straal-verandering kan geen sluitende conclusie worden geformu-leerd, maar de gegevens met betrekking tot oppervlakteruw-heid vertonen wel duidelijke verschillen (fig. 3). Beton met 85%hoogovenslak heeft na aantasting een grotere oppervlakteruw-heid dan beton met 50% hoogovenslak en beton met 100%portlandcement, wat wijst op een lagere weerstand. Deze trendwordt waargenomen onafhankelijk van het kation (Na+ofMg2+), met dit verschil dat de aantasting ten gevolge vanmagnesiumsulfaat in het algemeen groter is dan bij natriumsul-faat.Op basis van visuele controles wordt zoutkristallisatie waarge-nomen op de gedeelten die niet rechtstreeks in contact komenir. Mathias Maes1)1) Mathias Maes is op dit onderzoek afgestudeerd aan de Universiteit Gent, faculteitIngenieurswetenschappen en Architectuur, Vakgroep Bouwkundige Constructies.2) Globaal vergelijkbaar met resp. CEM III/A, CEM III/B en CEM III/CENCI Studieprijs (4)Dit is het vierde artikel in een serie met bijdragenvan prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2010.Het onderzoek dat in dit artikel wordt beschrevenkreeg bij de ENCI Studieprijs 2010 de eerste prijs inde categorie Universiteiten.23Duurzaamheid van beton met hoogovenslak3 42011 | onlineonlinesilica) was voldaan. De alkali-silicagel die zo wordt gevormd,heeft de eigenschap zeer veel water aan zich te binden en tezwellen (foto 5). Het beton werd beproefd op 1 week en 19weken ouderdom.ResultatenZowel op zeer jonge als op latere leeftijd is de expansie bij port-landcementbeton significant groter dan bij hoogovenslakbeton(fig. 6). Vervanging van een deel van het portlandcement doorhoogovenslak heeft een positieve invloed op de weerstandtegen alkali-silicareactie. Zelfs met de aanwezigheid van eenreactief granulaat blijft de expansie onder de 0,1%-grens (dezewaarde wordt gebruikt om granulaten als niet-reactief tebeschouwen).Relevantie voor de praktijkIn gevallen waar ASR wordt gevreesd, kan het gebruik vanhoogovenslakbeton oplossing bieden. De resultaten stemmenin die mate overeen met de literatuur, zodat deze stelling metvoldoende zekerheid kan worden aangenomen.Weerstand tegen chloridenIn dit onderzoek werd chloride-indringing bij ongewapendbeton bestudeerd via migratie en diffusie, respectievelijk opbasis van NT Build 492 [1999] en NT Build 443 [1995]. Hierbijwerden telkens indringingsdieptes opgemeten, chlorideprofie-len bepaald en migratie- en diffusieco?ffici?nten begroot. Deindringingsdiepte werd gevisualiseerd door middel van eenzilvernitraatspray (0,1 mol/l AgNO3). Chlorideprofielenwerden bepaald via potentiometrische titratie met 0,01 mol/lAgNO3van extractieoplossingen op basis van water voor dewateroplosbare chloriden en op basis van salpeterzuur (0,3mol/l HNO3) voor de totale chloriden. De proefstukkenhadden een ouderdom van 26 weken.Hierbij aansluitend werd de weerstand tegen vorst-dooicycli incombinatie met dooizouten onderzocht volgens EN 1339[2003].met de oplossing (foto 4). De oppervlaktelaag is volledigvervangen door een kristallaag. Deze aantasting is eveneens hetgrootst bij 85% portlandcementvervanging. De verfijnde pori-enstructuur zorgt voor een grotere capillaire stijghoogte envoor hoog oplopende inwendige spanningen opgebouwd doorde kristallen. Bij 50% hoogovenslakbeton is het niet duidelijk ofde weerstand lager is dan deze van traditioneel portlandce-mentbeton. Het gevormde kristal is verschillend na onderdom-peling in natriumsulfaat en onderdompeling in magnesiumsul-faat. Aan de hand van XRD-analyses wordt duidelijk dat hetkristal op de proefstukken uit natriumsulfaatoplossing thenar-diet betreft. Dit wordt gevormd aan het oppervlak van degranulaten. Uit de analyses blijkt ook calciet aanwezig te zijn,wat wijst op carbonatatie. Ten gevolge van carbonatatie kanthenardiet eveneens worden gevormd op de gehydrateerdecementmaterialen, met een versnelling van het aantastingspro-ces als gevolg. Mogelijk is kristallisatie (eventueel in combinatiemet carbonatatie) de belangrijkste sulfaataantastingsvorm methet oog op duurzaamheid, van gedeeltelijk/cyclisch onderge-dompelde constructies.Relevantie voor de praktijkDe gestandaardiseerde methoden om de weerstand tegen sulfa-ten te evalueren zijn gebaseerd op volledige onderdompeling.Proefmethoden waarbij gedeeltelijke onderdompeling wordtgesimuleerd, worden niet courant toegepast, alhoewel dezeveelal een beter beeld geven van de werkelijke blootstelling.Daarnaast is het van belang aandacht te schenken aan deverschillende aantastingsmechanismen, zeker met betrekkingtot hoogovenslakbeton.Weerstand tegen alkali-silicareactieOm de alkali-silicareactie te simuleren werd beroep gedaan opde Oberholsterproef [4] (deze proef is eigenlijk ontwikkeld omde reactiviteit van granulaten te testen). Door betonnen cilin-ders vervaardigd met 50% grof, wit glas als granulaat onder tedompelen in een alkalioplossing (1 M NaOH-oplossing), werdde reactie op gang gebracht, aangezien aan de drie essenti?levoorwaarden (aanwezigheid van water, alkali?n en reactief4 Zoutkristallisatie bij een S85-proefstuk,gedeeltelijk/cyclisch ondergedom-peld in een 29,8 g/l Na2SO4-oplossing(a) en een MgSO4-oplossing (b)5 Alkali-silicagel gevormd in een grofwit glasgranulaat (a) en detail (b) (opbasis van slijpplaatjes)6 Expansie ten gevolge van ASR voorbeton met een ouderdom van 19weken, met aanduiding van de stan-daardfout7 Totale chlorideprofielen opgesteld namigratie4a 4bDuurzaamheid van beton met hoogovenslak 442011 | online00,050,10,150,20,250,30,350,40,450,50,550 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25grenswaarde 1grenswaarde 2OPCS50S70S85expansie[%]meting [dagen]0,000,050,100,150,200,250,300,350,400,450,500,550 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36OPCS50S70S85chloridegehalte[m%beton]laagdiepte [mm]ResultatenWat de indringingsdiepte betreft, wordt duidelijk dat dezeafneemt ten opzichte van portlandcementbeton voor 50% en70% hoogovenslakbeton, zowel na migratie als na diffusie.Indringingsdiepte op zichzelf is niet sluitend om de weerstandte bepalen.De chlorideprofielen tonen de verbeterde weerstand van hoog-ovenslakgehaltes tot 70%, aangezien de chlorideconcentratiesper laag lager zijn dan bij traditioneel portlandcementbeton(fig. 7). Het gehalte wateroplosbare chloriden geeft een indica-tie van het gehalte vrije chloriden. Op basis van het verschiltussen het totale chloridegehalte en het vrije chloridegehaltekan de gebonden fractie worden bepaald. De hoeveelheidgebonden chloriden neemt evenwel af bij stijgende slakgehaltestot 70%. Dit is in tegenstelling tot de verwachtingen, maar kanworden verklaard door de gebruikte extractiemethode op basisvan water en de chemische samenstelling van de gebruiktehoogovenslak.De migratieco?ffici?nten zijn enerzijds bepaald op basis vanformule (1) met vrije chlorideconcentratie ter hoogte van deindringingsdiepte afgeleid uit de chlorideprofielen.Dnssm=RT____zFE.xd? __xd________t(1)E =U ? 2_____L(2) = 2____RT____zFE. erf-1(1 ?2cd___c0)waarbij:Dnssmis de niet-stationaire migratieco?ffici?nt (10-12m?/s)z is de absolute valentie van het ion (z = 1 voor chloriden)F is de constante van Faraday (9,648 . 104J/(V.mol))U is de spanning (V)R is de gasconstante (8,315 J/(Kmol))T is de temperatuur van de anolytische oplossing (K)5a 5b67Duurzaamheid van beton met hoogovenslak5 42011 | onlineonlineRelevantie voor de praktijkDoor chloriden ge?nitieerde corrosie is een van de belangrijksteaantastingsmechanismen bij gewapend beton. Op dit gebiedbiedt het gebruik van hoogovenslakbeton voordelen tenopzichte van traditioneel portlandcementbeton, met name eenverbetering van de weerstand. Indien daarnaast wordt nage-gaan op welke diepte de kritieke chlorideconcentratie voor-komt, blijkt dit het laagst bij beton met 50 of 70% hoog-ovenslak; bijgevolg wordt wapeningscorrosie uitgesteld en kande levensduur worden verlengd.ConclusiesToevoeging van hoogovenslak zorgt voor een toename van deweerstand tegen sulfaten bij volledige onderdompeling. Bijgedeeltelijke/cyclische onderdompeling bezit hoogovenslakbe-ton een lagere weerstand dan traditioneel portlandcementbeton.De weerstand tegen ASR van hoogovenslakbeton is aanzienlijkgroter dan deze van traditioneel portlandcementbeton.De vervanging van 50 ? 70% portlandcement door hoog-ovenslak zorgt voor een verbetering van de weerstand tegenchloriden. L is de dikte van de proefstukken (m)xdis de indringingsdiepte (m)t is de duurtijd van de proef (s)cdis de chlorideconcentratie bij de indringingsdiepte(mol/l)c0is de chlorideconcentratie van de NaCl-oplossing(2 mol/l)Anderzijds is de vereenvoudigde formule (4) voor OPC-betonuit NT Build 492 gebruikt, waarbij voor cd= 0,07 mol/l wordtaangenomen.Dnssm=0,0239(273 + T) L_______________(U ? 2) t(xd? 0,0238____________(273 + T) L xd____________U ? 2) (4)Hierin zijn de variabelen anders uitgedrukt dan in formule (1),namelijk U in Volt, T in ?C, L en xdin mm en t in uren.Beide migratieco?ffici?nten worden weergeven in tabel 1. Hetverschil tussen beide formules blijft beperkt tot ~ 8% en dealgemene trend die wordt waargenomen is onafhankelijk vande formule. Op basis van deze resultaten kan worden aangeno-men dat de vereenvoudigde formule (4) ook kan worden toege-past voor hoogovenslakbeton. Verder komen ook de verbeterdeeigenschappen van 50 en 70% portlandcementvervanging doorhoogovenslak naar voren.De diffusieco?ffici?nt en oppervlakteconcentratie, bepaald aande hand van chlorideprofielen na vier weken onderdompelingin een natriumchlorideoplossing (165 g/l NaCl), worden weer-geven in tabel 2. Net zoals na de migratietesten worden debeste resultaten na diffusie gevonden voor 50 en 70% hoog-ovenslakbeton.Tot slot is er de weerstand tegen vorst-dooicycli in combinatiemet dooizouten (30 g/l NaCl-oplossing). Vervanging van port-landcement door hoogovenslak levert geen verbeterde weer-stand op; integendeel de weerstand daalt in vergelijking met deweerstand van portlandcementbeton indien het slakgehalte50% overschrijdt.Tabel 1 Migratieco?ffici?nten bepaald aan de hand van formu-le (1) en vereenvoudigde formule (4) met aanduiding van hetprocentueel verschilDnssm[10-12m?/s]verschil [%]formule (1) formule (4)S0 (1) 9,665 8,981 7,09S0 (2) 10,190 9,342 8,32S50 (1) 7,917 7,405 6,47S50(2) 5,496 4,724 5,42S70 4,291 3,934 8,32S85 5,382 5,231 2,81Tabel 2 Diffusieco?ffici?nten en oppervlakteconcentratiesDnssd[10-12m?/s] Cs[m% beton]S0 13,203 0,470S50 4,597 0,703S70 5,916 0,792S85 11,455 0,776 Literatuur1 Mehta, P.K., Concrete Technology forSustainable Development. Concrete Inter-national, 1999, 21(11).2 Mehta, P.K., Greening of the ConcreteIndustry for Sustainable Development.Concrete International, 2002, 24(7).3 De Belie, N., Monteny, J. & Taerwe, L.,Apparatus for accelerated degradationtesting of concrete specimens. Materialsand structures, 2002, 35 (August).4 Desmyter, J. et al., De alkali-silicareactie:basisbegrippen en belang voor Belgi?.WTCB, LIN & MET, 2001.