? ? onderzoek ? betontechnologiedr.ir.K. van Breugel, TU Delft, Faculteit der Civiele Techniek, sectie BetonconstructiesHet thema 'Jong Beton' heeft zich de laatstejaren kunnen verheugen in een grote belang?stelling. Dit zowel van de bouwpraktijk als van de onderzoekwereld. In de laatste vijftienjaargangen van het vakblad Cement treffen we meer dan veertig artikelen aan, waarinmeer of minder uitvoerig wordt ingegaan op problemen die zich kunnen voordoen bij hetverharden van beton. Als we een inventarisatie maken van alles wat op dit gebied is gepu?bllceerd, moeten we constateren dat het materiaal beton al zijn geheimen nog lang nietheeft prijsgegeven. Tegelijkertijd zien we ook dat er de laatste tijd boeiende en veelbelo-vende ontwikkelingen op gang zijn gebracht, die het inzicht in het materiaal beton enormhebben vergroot.In een aantal artikelen zal een schets worden gegeven van de stand van de techniek entechnologie op het gebied van het jonge beton. De nadruk zal daarbij liggen op achter-gronden van ontwikkelingen, die zich op de bouwplaats aan het voltrekken zijn.HETGRIJZE GEBIEDVANHETJONGEBETON (I)30Voor het in gang zetten van ontwikkelingenop hetgebied vanjong beton kan een aantalredenen worden aangewezen. Deze rede-nen liggen zowel aan de vraagzijdeals aan deaanbodzijde van kennis en kunde. Aan devraagzijde moeten in de eerste plaats de in-dustrialisering en automatisering van pro-duktie- en bouwprocessen worden ge-noemd. Daarb? worden steeds hogere eisengesteld aan onze kennis van het verhar-dingsproces. In de tweede plaats heeft hetmoderne duurzaamheidsonderzoek belang-r?keimpulsen gegeven aan veel nieuwe ont-wikkelingen. Een derde stirnulans voor het ingang zetten van moderne ontwikkelingen isde vraag naar nieuwe, hoogwaardige mate"ria/en. Er is vraag naar 'materialen op maat'.Steeds zien we, dat deze ontwikkelingen ge-paard gaan met een behoefte aan meer fun-damentele kennis van het materiaal. Meerkennis van het verhardingsproces en van demicrostructuur. Wat de aanbodz?de van ken-nis en kunde betreft, kan worden gewezenop de grote hoeveelheid gegevens die vra-gen om implementatie in de praktijk. Hetgaatom gegevens afkomstig van diverseter-reinen, zoals dat van de (cement-)chemie,de fysica, de collo?d-chemie, de stereologieen de porologie. Vaak gaat het hier om zeerspecifieke kennis, die zich niet zo gemakke-I?k rechtstreeks laat toepassen in de alle-daagse bouwprakt?k. Zelfs ervaren beton-technologen hebben daar niet zelden moei-te mee. Het jargon van aanpalende discipli-nes is soms zo afw?kend van het eigen jar-gon, dat kostbare onderzoeksresultaten ja-renlang onaangeroerd in rapporten en arti-kelen bl?ven hangen.Met de intrede van krachtige computers z?nop dit puntechtergrote veranderingen te ver-wachten. Het is mogel?kgeworden om speci-fieke kennis software-matig over degrenzenvan onderscheiden disciplines heen te tillenen operationeel te maken. Complexe pro-cessen en mechanismen, die zich op micro-en meso-schaal afspelen, kunnen numerieknagebootst en gekwantificeerd worden enzo hanteerbaar gemaakt worden voor ge-bruik op macroniveau. Op deze wijze kan eensteeds grotere integratie van theorie enprakt?kworden gerealiseerd, zoals datsche"matisch is weergegeven in figuur 1.In de achtereenvolgens te publicerenartike-lenserie zal aandacht worden geschonkenaan onderwerpen als temperatuurontwikke-ling, sterkte-ontwikkeling, spanningsontwik-keling en scheurvorming. Naast een schetsvan de achtergronden zullen ook in de prak-tijk opgedane ervaringen aan bod komen. Indit inleidende artikel worden eerst enkelehistorische noties voor het voetlicht ge-bracht. Daarna zal het ??n en ander wordengezegd over numerieke modellen voor hetbeschr?ven van het verhardingsproces in ce-mentgebonden materialen.Historische notiesVr?wel vanaf het begin van de toepassingvan beton heeft de verhardingsfase aan-dachtgevraagd. AI aan heteinde van de vori-ge eeuw was het Tetmayer [1], die zich metCEMENT1995/12CD Op weg naar meerintegratie van weten-schap en praktijk - schematische voorstel-ling [18Jtemperatuurmetingen in jong beton bezig-hield. In de jaren twintig en dertig werdentemperatuureffecten als echte problemenervaren, en wel bij hettoepassen van massa-beton [2]. Ditspeelde vooral bij de bouw vanstuwdammen. In laboratoria werd naarstiggezocht naar cementsoorten, die zo weinigmogelijkwarmte produceerden. Op de bouw-plaats werden betontechnologische en uit"voeringstechnische maatregelen uitgepro-beerd om temperatuurproblemen het hoofdte bieden. Cyclopenbeton werd toegepastom de hoeveelheid cement te beperken(ook om financi?le redenen). In de uitvoe-ringstechnische sfeer werd ge?xperimen-teerd met variaties in stortvolgorden, laag-diktes en de grootte van stortmoten. Dezeexperimenten werden, ooktoen al, gesteunddoor berekeningen van temperatuurveldenen voorspellingen van zowel sterkte als tem-peratuurspanningen. Vrijwel zonder uitzon-dering kritiseren de rekenmeesters van des-tijds hun eigen werk. Niet omdat hun bereke-ningsresultatenaltijd zo vervan de werkelijk"heid verwijderd bleken te zijn, maar omdat zein hun berekeningsmodellen heel wat con-cessies moesten doen. Deze concessieshadden te maken met onvoldoende inzichtin wat zich feitelijk in het beton afspeelde enmet de beperkte rekencapaciteit van hettoen beschikbare rekentuig.Historisch gezien belangwekkend zijn de on-derzoeken van Werner en Giertz-Hedstromuit 1928 [3]. Deze onderzoekers veronder-stelden dat de druksterkte van beton afhan-kelijk zou zijn van de hoeveelheid gehydra-teerd cement. Enkele jaren later steldeWoods c.s. [4] een duidelijke correlatie vasttussen de hoeveelheid ontwikkelde warmteen de sterkte. Daarmee bevestigde hij hetvermoeden van Werner en Giertz-Hedstrom,gesteld dat de hoeveelheid ontwikkeldewarmte een maat is voor de hoeveelheid ce-CEMENT1995/12ment die heeft gereageerd. Het zou echternog decennia duren voordat men de relatietussen sterkte enhydratatiegraad (hieroverlater meer) systematisch is gaan onderzoe-ken.Het congresverslag van het in 1956 gehou-den RILEM-symposium 'Winter Concreting'is zonder meer te beschouwen als ??n vandestandaardwerken op hetgebied van theo-rie en praktijk van hetjonge beton. Vooral hetwerk van de Deen Rastrup [5] heeft de aan-dacht getrokken. Rastrup presenteerdedaar, overigens niet voor het eerst, zijn bere-keningsmethode voor temperatuur- ensterkte-ontwikkeling in verhardend beton.Zijn werk is nog steeds actueel en heeft debasis gevormd voor veel numerieke pro-gramma's.Op het RILEM-congres 'Concrete at EarlyAges' in Parijs in 1982zien we dat nieuwewe-gen worden ingeslagen. In een aantal con-gresbijdragen bespeurt men duidelijk de be"hoefte aan fundamentalisering van be-staande methoden en technieken. Daarbijging het nog vrijwel uitsluitend om nieuwe ofverbeterde modellen voor temperatuur- ensterkte-ontwikkeling. Modellen voor span-ningsontwikkelingwaren bij de meesten nogbuiten beeld. Volgens Springenschmid, toenreeds druk bezig met interessante proevenop jong beton, zou de problematiek van despanningsontwikkeling zo gecompliceerdzijn, datvan numeriek modelleren hiervan opkorte termijn geen sprake kon zijn. Aan Sprin-genschmids bewering, dat we bij de span-ningsontwikkeling in verhardend beton meteen uitermate gecompliceerde materie temaken hebben, zal hier niets worden afge-daan. Wel moeten we constateren, dat ophet in 1994 gehouden RILEM-symposium'Thermal Cracking in Concrete at Early Ages'toch een aantal modellen is gepresenteerd,waarmee de spanningsontwikkeling in jongbeton kan worden berekend.De ontwikkelingen gaan kennelijk snel! On-derzoeksresultaten komen in hoog tempobeschikbaar en met snelle computers wordthet mogelijk om ook zeer complexe proces-sen steeds nauwkeuriger te beschrijven. AIzijn we op een groot aantal punten nog langniet waar we wezen willen, het wordt steedsduidelijker welke weg gevolgd moet wordenom bepaalde doelen te bereiken. Die weg isonmiskenbaar die van het interdisciplinaireonderzoek. De gezamenlijke inspanningenvan materiaalkundige disciplines enerzijds,en de voortdurende terugkoppeling vantheorie naar praktijk en visa versa, zijn derandvoorwaarden voor progressie op beton-technologisch gebied. Zonder die gezamen-lijke inspanning zal het niet mogelijk zijn omvan beton een 'predictabie material' [10] temaken.Op devraag in hoeverrebeton op ditmomental een 'voorspelbaar materiaal' kan wordengenoemd, gaan we in dit artikel nader in.Eerst bespreken we enkele basiskarakteris-tieken van het verhardingsproces. Vervol-gens worden enkele modellen behandelddie in het verleden of recent zijn ontwikkeldvoor het beschrijven van het hydratatiepro-ces en de structuurontwikkeling in verhar-dend beton.Het verhardingsprocesHet basisconceptCement is een korrelig materiaal. De korrel-grootte varieert van circa 1 ,um tot meer dan100,um. De korrels bestaan uitverschillendecomponenten. De belangrijkste zijn de cal-ciumsilicaten (C3S en C2S), calciumalumi-naat (C3?) en calciumaluminaatferriet(C4AF). In contact met water begint zich eenaantal reacties af te spelen. Het C3A en hetapart toegevoegde gips spelen daarbij een~31? ? onderzoek ? betontechnologie? Structuurontwikkeling in cement-ge-bonden materialen, (schematisch naar Lo-cher [6J)a = plastische fase, b= 'setting', c = basisskelet, d = stabiel skelet--.---- ---- ---- -_..---- --~ -- -,~~_~i~-:-~ -0-- --- ---- -------- -----CH =calcium hydroxidebelangrijke rol. Er wordt ettringiet gevormd,dat een naaldvormige structuur heeft. Dezenaalden vormen een ruimtelijk vakwerk tus-sen de reagerende cementkorrels (fig. 2, fa-se a en b). Bij voortgaande hydratatie wordtdit ruimtelijke vakwerk langzaam opgevuldmet calciumsilicaathydraten. Deze silicaat-hydraten worden dichtaan hetoppervlakvande cementkorrels gevormd. Tegelijkertijdwordt calciumhydroxyde gevormd, dat inkristalvorm neerslaat in bij voorkeur waterrij-ke ruimten. Het volume van de reactiepro-dukten is kleiner dan van de stoffen waaruitze zijn ontstaan. Deze volumeverminderingkennen we als chemische krimp. Naarmatede schil van hydratatieprodukten om een hy-draterende korrel dikker en dichter wordt,wordt het voor vrijkomende ionen steedsmoeilijkeromvan de binnenkantvan de schilnaar de buitenkant te diffunderen en omge-keerd. De reactie wordt diffusie-gecontro-leerd en gaat steeds langzamer verlopen(fig. 2, fase c en dJ.De hydratatiegraadDe vorming van de reactieprodukten, of hy-dratatieprodukten, gaat gepaard met eenaantal waarneembare verschijnselen, zoals:? warmte-ontwikkeling;? binding van water (chemisch circa 25%van het cementgewicht en fysisch circa15% van het cementgewicht);? afname van het capillair pori?nvolume;? verhardingskrimp.Door deze verschijnselen te observeren ente registreren, kunnen we hetverloop van hethydratatieproces in detijd volgen. Ditverloopgeven we aan met de hydratatiegraad Ut,(t).(De hydratatiegraad wordt hier gedefinieerdals de hoeveelheid ~ement die is omgezet inhydratatieprodukt ten opzichte van de oor-spronkelijke hoeveelheid cement)Met het oog op de aandacht, die we in hetvervolgwillen schenken aan de structuuront-wikkelinginjong beton tijdens de verharding,heeftdeze definitie de voorkeur boven ande-re definities.Bekend is, dat de verschillende klinkercom-ponenten met verschillende snelheid metwater reageren. Ook weten we, dat bij hydra-tatie van de afzonderlijke klinkercomponen-ten per eenheid van gewicht verschillendehoeveelheden warmte vrijkomen en dat ver-schillende hoeveelheden water worden ge-bonden.Toch blijkt er een redelijk sterke correlatie tezijn tussen de zo?ven gedefinieerde hydrata-tiegraad ah( t) enerzijds en de warmte-ont-wikkelingsgraad aq(t) == Q(t)/Qmax en dehoeveelheid chemisch gebonden waterWn ( t) anderzijds. De correlatie tussen dezegrootheden is weergegeven in figuur 3.ln hetvervolgzal worden uitgegaan van een ondub-belzinnige, lineaire relatie tussen de hydra-tatiegraad ah(t) en de warmte-ontwikke-lingsgraad aq(t). Beide grootheden, die quanumerieke grootte dus identiek worden ver-ondersteld, kunnen waarden aannemen van0(0%) tot 1(100%).1,00,80,6cement samenstellingC3S : 60 %C2S : 15 %C4AF: 10 % -+----'-I-~------7C3A 10 %rest: 5 %o 0,2 0,4~ hydratatiegraad>