I IMATERIALEN IBETONSCHADE IETTRINGIET, THAUMASIET EN... k'Weethetnietdr.lic.L. De Ceukelaire, Rijksumversiteit Gent, Laboratorium Magnel voor Gewapend BetonIn Belgi? wordt sinds het constateren van enkele opvallende schadegevallen aanbetonconstructies op diverse plaatsen intensiefonderzoek gedaan naar bijzonderemechanismen van chemische aantasting, onder andere in het Laboratoriutn Magnel,van de Rijksuniversiteit Gent. In het kader van een doctoraalstudie werdenwaarnemingen verricht die de denkbeelden ten aanzien van de sulfaataantasting nogkunnen verruimen. De auteur brengt tnet dit artikel de kernpunten van zijn studiein een toegankelijke vortn naar buiten en evalueert de gevolgen voor depraktijksituatie.Gedurende de laatste twee decennia rommelde het? nogal eens in de betonwereld op het gebied van dechemische duurzaamheid. Termen als'alkali-granu-laat reactie' en 'sulfaataantasting' klinken bekend, doch nieterg geruststellend.Bovendienwordter ten aanzienvande sul-faataantasting behalve aan ettringiet ook aan een silicium~houdend mineraal, thaumasiet, gevaar toegeschreven.Betis zeker voor de leek en misschien ookwel voor de beton-producent, die ondanks alles kwaliteitsbetonwil produceren,wellicht te veel geworden om door de bomen het bos nog tezien. Het is de taak van de onderzoekcentra om, na bestude-ringvan de schadelijke fenomenen die zich in beton kunnenvoordoen, te bepalenofde 'nieuwe' reacties metronkende na-men ook daadwerkelijk in de praktijk gevaar kunnen opleve~ren.Het bestaan van een siliciumverbruikende sulfaataan-tastingsreactie wordt bevestigd in [1]. Op basis daarvanwordtin dit artikel de rol van de siliciumatomen bij dit type beton-aantasting behandeld, alsmede de betekenis ervan voor scha-degevallen uit de praktijk. Uit de resultaten van het onder-zoek en de eruit volgende conclusies zal blijken dat er hoege-naamd geen extravoorzorgsmaatregelen behoeven te wordengetroffen.Betondatbeschermdis tegen de reeds langbekendeexpansie van ettringiet, zal automatisch beschermd zijn tegende aanvankelijk tochwel schrikwekkendegevolgenvan thau-masietvorming.Een revolutionaire afbrokkeling van het ideale beeld dat vanbeton bestaat, is nog lang niet 'aangebroken', of: de weten-schappelijke Betonnen Muur wordt nog met gesloopt.De aanvaarde theorie?n rond ettringietenthauUlasietOm te vermijden dat de lezer meteen kierewiet zou wordenvan termen als 'ettringiet' en 'thaumasiet', kan het nuttig zijnde kenms van deze betonmineralen nog evensamen te vatten.Scheikundige verschillenRuim een eeuw geleden werd aangenomen dat het zoge-naamde Candlot-zout, kierewiet, het enige schade-veroorzakende nieuwgevormde mineraal bij de sulfaataan-tastingwas.Voor ettringietwerd als oxidesamenstelling opge-geven:hetgeen overeenkomt met de structuurformule:In de tweede helft van de jaren zeventig toonden heel watvooraanstaande onderzoekers het bestaan aan van een op eenzelfde wijze opgebouwd mineraal met een andere chemischesamenstelling, in constructies die onderhevig waren geweestaan sulfaataantasting 12, 3, 4, 6, 7].Het betrofhier thaumasiet,een mineraal met een oxidesamenstelling:Het verschilt van ettringiet structureel vrij weinig, in die zindat het in plaats van Al(OH)?-groepen, 5i(OH\-groepen be-zit, terwijl telkens twee amongroepen (Co3t en (504t deT7t?rvolg van blz. 29NabeschouwingIn de ontwikkelingsfase van CALI bleekde hoeveelheid materie- en praktijk-kennis in het systeem aanzienlijk om-vangrijker en complexer dan tijdens hetfunctioneel ontwerp was voorzien. Ookachterafis het moeilijk voorstelbaar datalle functionele relaties in het logischontwerp voorafbekend zijn.HetpakketCALI is een praktisch bruik-30baarTI-systeem, datvoldoetaande oor~spronkelijke doelstelling: hetontwikke-lenvan eenpakket,waarmee geheelvol~gens de Nederlandse voorschriften enbouwmethodiekeneengezinswomngenin giet- en stapelbouw kunnen wordenontworpen.Opmerkelijk is dat bij een complex TI-systeem, zoals CALI, geen behoefte be-staat aan een geavanceerd database-ma-nagement systeem. De hoeveelheid enstructuur van de geproduceerde gege-vens zijn van dien aard, dat een eenvou-dig systeem voldoet.Een belangrijke verbetering zou echterwel de implementatie van een compleetproduktmodel met een grafisch inter-actieve interface zijn. Hiermee zal hetinvoeren en hetwijzigen van de geome-triegegevens enhet daarna doorrekenenvan alternatieven aanzienlijk wordenvergemakkelijkt.Cement 1990 nr. 51 Het landschap op een 'gesloten' scheu:roppervlak:kwa:rtsko:r:rels wo:rden omringd doo:r naaldvo:rmigeett:ringietkristallenN.B.: In de foto's 1 t.m. 6 komt ??n schaalverdeling ofdelengte van ??n wit balkje ove:reen met 0,1 tIl1n; opnamen viade :rasterelektronenmicroscoopWanneer de ettringietexpansie in het stadium komt waarbijde scheuren zich gaan openen en er een rechtstreeks contactmet de sulfaatoplossing en de lucht mogelijk wordt, blijkt ereen grondige wijziging op te treden in de mineraalassociatiesop de scheuroppervlakken.Ettringiet wordt niermeer in zui-vere vorm aangetroffen en de silicaathoudende zandkorrelsvertonenmerkwaardigekenmerken. Zij worden namelijkge-deeltelijk bedekt dooreen siliciumrijke fase, die overigensechter een typische ettringietsamenstelling bezit. De kristal-vorm waarin dit siliciumrijke ettringiet voorkomt, is vezeligen verschilt duidelijk van de naaldvorm van de zuivere et-tringietkristallen (f?to 2).Uilarnemingen via de rasterelektronenmicroscoopUit waarneming van de sterkst aangetaste mortelproefstuk-ken met de rasterelektronenmicroscoop bleek dat de scheu-ren die nog niet met de agressieve oplossing ofmetde lucht incontact kwamen, rondom de kwartskorrels zuivere ettrin-gietkristallisaties vertoonden (f?to 1).Het detailonderzoekvan de schadeverschijnselenwerd uitge-voerd met behulp van technieken als X-straaldiffractie, pola-risatiemicroscopie, stereomicroscopie en rasterelektronen-microscopie.Vooral deze laatste techniekleverde interessanteresultaten op.Opzet van het onderzoekHet onderzoek waarin het bovenstaande werd geconstateerd,werd uitgevoerd op proefstukken van portlandcementmor-tel, gemaaktvolgens deBelgischenorm NBNB14-209 [5]. Deproefstukken werden ~eejaar tot op halve hoogte onderge-dompeld in een oplossing van 5,2% Na2SO4 (uitgedrukt in deconcentratie sulfaationen). Nietonbelangrijkis het feit datal-leen de blootstelling aan deze tochwel zeer hoge concentratietot duidelijke schade leidde. Het gebruik van een natrium-sulfaatconcentratie van 0,13% of 0,52% bleek niet of nauwe-lijks tot enige scheurvorming te leiden.De vezelige kristalgroei op de korrels kan ook duidelijk wor-den onderscheiden van het uiterlijk van het kwartsoppervlakzelfdat, terwijl heteveneens eenvezelstructuurgaatvertonen,eenzekersulfaatgehaltebezit. Somsis er een geleidelijkeover-Dit siliciumhoudend mineraal zou zich mogelijk kunnenvormen uit de sulfaten uit het agressieve milieu, het koolzuuruit de lucht en de siliciumatomen uit de calcium-silicaathydraten. De calciumsilicaathydraten zijn nu juist debelangrijkste schakels bij het opbouwenvande sterktevanbe-ton, daar ze de 'ruggegraat' van het bindmiddel zijn. Hetspreekt vanzelfdatWanneer deze mineralen, die de eigenlijkemortelmatrixvormen, worden aangetast, de mechanische ei-genschappen van het beton in gevaar zullen komen. Theore-tischzou er dus eigenlijk niets meerin deweg staanomeen to-tale destructie van het bindmiddel en daarmee van het betonte veroorzaken.Het is dan ook van belang te wijzen op een theorie [6] die nietuitsluit dat de nodige siliciumatomen voor de produktie vanthaumasiet niet alleen uit het bindmiddel, maar ook uit degranulaat- of de zandfractie afkomstig kunnen zijn. Hierbijwordtvooral gedacht aanveldspaten en mica's. Ookdeze om-zetting zou mogelijk een verlies aan mechanische sterkte te-weeg kunnen brengen.In de praktijkloopt het echter niet zo'n vaart, hetgeen duide-lijk in de richting wijst van het nog steeds overheersende aan-deel van ettringiet in de sulfaataantasting.Thaumasiet wordt blijkbaar niet zo gemakkelijk autonoomgevormd. Het zou onder andere vrij lage temperaturen (4 0C)nodig hebben om volledig tot ontwikkeling te komen.Thaumasiet wordt echter vaak samen met ettringiet aange-troffen.Aangenomen wordt dat ettringiet de primaire schade doorscheurvorming veroorzaakt en dat de siliciumverarming vanhet bindmiddel door thaumasietvorming slechts een beperktensecundair sterkteverlies kan veroorzaken. Op dat ogenblikkan het beton al zo gescheurd zijn, dat dit schadesymptoomslechts een rol op hettweede planvervuld.Tochzijnerauteurs[3] die thaumasiet verantwoordelijk achten voor heel watschade, die Vroeger uitsluitend aan ettringiet werd toege-schreven.Thaumasiet alsparas?etMomenteel wordt algemeen aanvaard dat thaumasiet uit et-tringiet kan ontstaan. Dit lijkt in eerste instantie geen gevaarop te leveren, omdat thaumasietslechts 45% van het volumevan een equivalente hoeveelheid ettringietinneemt. Maar hetis helemaal nognietzekerdatde thaumasietvorming ophoudtals de ettringietvoorraad is uitgeput. Er wordt zelfs beweerddat een zelfstandige vorming van thaumasiet tot de mogelijk-heden behoort.Ditzouimplicerendatde schadedoorsulfaat-aantasting niet meer wordt beperkt door het gehalte aan hetcementmineraal CyA, hetgeenvoor beton wel eens rampzaligzou kunnen zijn. Thaumasiet mag dan wel niet zo expansiefzijn als ettringiet, een voortgaande ontwikkeling ervan in be-ton zal de sterkte zeker ondermijnen.drie sulfaationen en de twee watermoleculen vervangen. Opdezewijze kan thaumasiet worden geschreven als:, Nieuwe waarnemingenDe betrokkenheidvan kwartszand in de sulfaataantastinglijkt I------~----~--~---~--~-----lerg onwaarschijnlijk,gezien de sterke reputatie van kristallijnsiliciumdioxide voor wat betreft de chemische inertie. Tochzijn er aanwijzingen dater na devormingvan ettringiet rond-om de kwartskorrels inde mortel, een reactie kan ontstaandieuiteindelijk zal leiden tot de vorming van een overgangsfasetussen ettringiet en thaumasiet [1].Cement 1990 nr. 5 313CaO.AlP3.3CaSO4?32HzO !=;3 CaS04.2HzO + 2 Al(OH)3 + 3 Ca(OH)z + 20 HzO.2 Detail van de kristallisaties die op kwartskorrels groeienin de 'open' schenren. Een siliciumhoudende vorm vanettringiet?ConclusiesPart?cipat?e van silicium?onen bij sulfaataantast?ngSamenvattend kan worden gesteld dat de verschijnselen dieoptreden in mortel ofbeton, blootgesteld aan sulfaataantas-ting, nog niet geheel zijn doorgrond. Zeker is evenwel dat desulfaataantasting met devormingvanettringietvanuit het ce-mentmineraal C3A, nog geen eindpunt heeft bereikt.Het portlandiet (Ca(OH)z) kan onmiddellijk verder reagerenmet de sulfaatoplossing tot nog meer gips, ofmet de COzuitde lucht tot calciet (CaC03).Het exacte reactieschema van ettringiet naar de thaumasiet-achtige fase is niet bekend. Het zou hierbij kunnen gaan omeen werkelijke mengfase tussen beide mineralen, maar ookeen vergroeiing van thaumasiet in of op ettringiet mag nietworden uitgesloten. Dit zou de variabele samenstelling kun-nen verklaren.)n de literatuur bestaat er onenigheid over heteventuele bestaan van een nieuw mineraal als onderdeel vaneen mengreeks tussen ettringiet en thaumasiet. Ook het be~sprokenonderzoekkongeen duidelijkheid scheppenomtrenthet al dan niet aanwezig zijn van een soort calciumsulfo-alu-minaat met silicium in het rooster.Ontb?nd?ngsreact?e van ettr?ng?etDat ettringiet niet meer stabiel blijft bij een pH die dewaarde10 benadert, is bekend. De mineralen die zich in de openscheuren bevinden, kunnen eenverhelderend beeld geven tenaanzien van deze ontbindingsreactie. De nieuwgevormdekristallen op het scheuroJ?pervlak bestaan hoofdzakelijk uitgips (CaS04.2HP) (f?to 3), dat voorkomt in vrij grote, onge-hinderd gevormde prismatische kristallen, en gibbsiet(Al(OHh)(f?to 4). Aan de rand van de scheur komen ook op-merkelijke kristallisaties van calciet (CaC03) voor, en wel intwee verschillende kristalvormen (f?to's 5 en 6).Dezewaarnemingenkunneneen ondersteuningvormenvoorde mogelijke ontbindingsreactie van ettringiet volgens hetschema:gang tussen beide vezeltypes waar te nemen. Hierbij kanwor-den vastgesteld dat het sulfaatgehalte toeneemt en het silici-umgehalte afneemtnaarmateverdervanhetkwartsoppervlakwordt gemeten.Bespreking van de waarnetningenSiliciumbronHoewel de waarnemingen wijzen op een deelname vankwarts in het ornzettingsproces van ettringiet naar thauma-siet, moeten deze resultaten toch met enige scepsis wordenbenaderd.Kwarts wordt in principe alleen aangetast door op-lossingen met een zeer hoge pH. In normaal beton is een der-gelijke pH aanwezig, maar dit uit zich alleenin het licht etsenvan de kwartsoppervlakken. Dit heeft een betere hechting totgevolgen kan geenszinswordengezien als een aantastingsver-schijnsel in beton.De pH van de sulfaatoplossing rondom de mortels na maan-denlange uitloging schommelde tussen de waarden 10 en 11en kan moeilijk uitzonderlijk hoog worden genoemd. Zelfseen etsreactie van kwartswordtin zulke omstandigheden on-waarschijnlijk geacht. '--_~~_~ ~_ _~~~ ---Jofwel speelt er zich hier een nog onbekend aantastingsme-chanisme af tussen siliciumdioxide en natriumsulfaat, ofwelzijn de waarnemingen misleidend. In dat geval zou de verkla-ring eventueel zijn te vinden in de afbraak van het uit calci-umsilicaathydraten bestaande bindmiddel bij deze verlaagdepH, waardoor siliciumionen hieruitzich op hetkwartsopper-vlak hebben kunnen concentreren. Bij het instabiel wordenvan de zuivere ettringietkristallisaties in de omgeving van dealdus met extra silicaathoudend materiaal bedekte kwarts-korrels, zou er een overgangsfase naar thaumasietkunnenzijnontstaan.~~~~~---'-~~~~-LIMA:~~T~E~RIALE~~_~N~~~~~_IBETONSCHADE3 Gipskristallen op het 'open' scheuroppervlak 4 Gibbsietkristallen op het 'open' scheuroppervlak32 Cement 1990 nr. 55 Rombo?drische calcietkristallenop het 'open'scheuroppervlakEen participatie van siliciumionen uit het bindmiddel ofuithet granulaat kan nog tot andere nieuwe mineralen leiden.Dat deze nog essentieel zouden bijdragen aan een verderescheurvorming is onwaarschijnlijk, maar een verlies aan me-chanische sterkte van het beton als gevolg van de siliciumver~arming in het bindmiddel en in de granulaten, mag nietwor-den uitgesloten. De matewaarin dit in hetdoor de vermoede-lijk voorafgaande ettringietexpansie reeds sterk gescheurdebeton nog van enig belang kan zijn, is wellicht te verwaarlo~zen.Geen noodzaak tot nieuwe voorzorgsmaatregelenDit alles houdt in dat er voor het toepassen van beton in depraktijk geen noodzaak bestaat om nieuwe voorzorgsmaat-regelen te treffen om eensulfaataantastingtevermijden. Ofernu in een schadediagnose sprake is van ettringiet ofvan thau-masiet, de wortel van alle kwaad is de aanwezigheid van hetcementmineraal C3A in het beton.Indien de mogelijkheid bestaat dat het beton aan sulfaten zalworden blootgesteld, kan het beste een aangepast cementworden gebruikt. Het angstvallig weren van silieium~houdende granulaten zou echter een voorbarige paniekreac-tie zijn, die op basis van de huidige kennis totaal overbodig is.Bovendien dient erop te worden gewezen dat dewaarnemin-gen van het besproken onderzoek werden verricht na hetblootstellen van mortels aan een sulfaatconcentratie, die al-leen in een (industrieel) vervuild milieu kan worden aange-troffen. Zoals reeds vermeld bleek bij het toepassen van veellagere concentraties nauwelijks schade op te treden.Verzorgd beton blijft kwaliteitsbetonMortel en beton blijven dus zeer degelijke bouwmaterialen,die alleen in extreme omstandigheden voor onaangenameverrassingen kunnen zorgen ten aanzien van de duurzaam-heid.Door het verwerven van een betere kennis van de mogelijkeaantastings- en degradatieverschijnselen van beton door we~tenschappelijk en toegepast onderzoek, door het stimulerenvan de betontechnologenomalle middelenaan tewenden dieleiden tot kwaliteitsbeton, zowel door uniformering als doornascholing, en door de zorg voor het milieu waarin wij onzeconstructies bouwen, zal de reputatie en de toepassingvan hetconstructiemateriaal beton nog toenemen.Literatuur1. De Ceukelaire, L., Mineralogie van beton in verband metCement 1990 nr. 56 Skaleno?drische calcietkristallen op het 'open'scheuroppervlakverweringsverschijnselen. Doctoraatsthesis, RijksuniversiteitGent, 1989.2. Gouda, G.R., D.M.Royen A.Sarkar, Thaumasite in deterio-rated soil cements. Cementand concrete research,vol.5, 1975.3. Lachaud, R., Ettringite et thaumasite dans les mat?riaux deconstruction. Annales de l'institut technique du b?timent etdes travaux publics, nr. 370, s?rie: essais et mesures nr.167,maart 1979.4. Lukas, W, Betonzerst?rung durch SOrAngriffunter Bil-dung von Thaumasit und Woodfordit. Cement and concreteresearch, vol.s, 1975.5. NBN BI4-209, Proeven op mortels: vervaardigen en me-chanische sterkte van proefstukken. Belgisch Instituut voorNormalisatie, Brussel, november 1983.6. Regourd, M., H.Hornain, B.Mortureux, P.Bissery enG.Evers,Ettringiteet thaumasite dans Ie mortier dans la diguedu large duportde Cherbourg.Annales del'instituttechniquedu b?timent et des travaux publics, nr.358, s?rie: liants hy-draulique nr.28, februari 1978.7. van Aardt,]. en S.visser, Thaumasite formation: a cause ofdeterioration of portland cement and related substances inthe presence of sulphates. Cement and concrete research,vol.5, 1975.33