themaDe klant aan de knoppen8200824themaDe klantaan de knoppenHet vakblad Cement bestaat 60 jaar. Een mooimoment voor een visie over het samenstellenvan beton over 60 jaar. Maar hoe kijk je 60 jaarvooruit? Om daar een indruk van te krijgen,beginnen we met een terugblik op de afgelo-pen 60 jaar. Wat is er in die periode gebeurd?Vanuit deze terugblik trekken we de ontwikke-ling door: hoe ziet het materiaal beton er over60 jaar uit?`DelftCode'eerste stap naar volledig prestatiegericht samenstellenWater-cementfactorDe eisen aan het materiaal beton zijn eenvoudig. In het bestekworden hoeveelheden cement, zand en grind voorgeschreven.Dat geldt niet voor de hoeveelheid water. Hiervan wordt slechtsaangegeven dat het voldoende moet zijn om een goedeverwerkbaarheid te realiseren, dit ter beoordeling van deopzichter. In 1948 vindt een belangrijke ontwikkeling plaats. Indat jaar publiceert T.C. Powers een model dat de hydratatie vanportlandcement kwantificeert (fig. 1). In het vak zijn de plaatjesop basis van deze publicatie nog steeds alom bekend. Hierinwordt het verloop weergegeven van de verharding afhankelijkvan de hydratatiegraad. Een belangrijk punt hierbij is hetbelang van de water-cementfactor op de verharding.In de jaren die volgen wordt de water-cementfactor steedsbelangrijker voor beton. Het blijkt dat deze factor een indicatoris voor de sterkte. Hoe lager de water-cementfactor, des testerker het beton. Er volgen vuistregels voor het afleiden van desterkte van beton op basis van de water-cementfactor gerela-teerd aan de normsterkte van cement.In de jaren `70 en `80 verschuift de aandacht van de sterkte naarde duurzaamheid van betonconstructies. En weer blijkt dewater-cementfactor een belangrijke factor. Deze factor heeftnamelijk een relatie met de dichtheid van het beton. Een lagerewater-cementfactor geeft een dichter beton. De belasting vanuitde omgeving (vorst, dooizouten etc.) wordt vertaald in een eisaan de maximale waarde van de water-cementfactor. Dezevertaling komt tot uiting in de milieuklassen.In de afgelopen 60 jaar zijn we van de hoeveelheden naar dewater-cementfactor als bepalende factor voor de samenstellinggegaan. Met een eis aan de maximum waarde van de water-cementfactor bleken zowel de eisen aan sterkte als de duur-zaamheid in te vullen.60 jaar geleden, 1948. Het jaar waarin prinses Juliana koninginvan Nederland wordt. Het is de periode na de oorlog, eenperiode van hoop en toekomstverwachting, de tijd van dewederopbouw. In de bouw is de aandacht in deze jaren vooralgericht op het herstel van de schade uit de oorlog. Grote infra-structurele kunstwerken bijvoorbeeld, zoals de vernieldebruggen over Maas en Waal, maar ook de havens van Rotter-dam, de sluizen bij IJmuiden. Er is in die jaren bovendien veelaandacht voor het bouwen van voldoende woningen voor desterk groeiende bevolking.Hoe zit het met beton? Het materiaal heeft een grote vluchtgenomen na de bouw van de eerste gewapend betonnenconstructie in het begin van de 20eeeuw. Zo zijn veel projectenvan de Zuiderzeewerken in de jaren `20 en `30 in (gewapend)beton uitgevoerd. Ook bij de bouw van verschillende bruggenover de rivieren in de jaren `30 wordt het materiaal gebruikt.De klant aan de knoppen 82008 25wcf = 0,60 wcf = 0,3010 11max0 1hydratatiegraadvolumehydratatiegraadvolumepori?npori?ncapillair watercapillair watergelwatergelwatercementgel(gehydrateerdecement-pasta)cementgel(gehydrateerdecement-pasta)cementcement1VormEchter, de ontwikkelingen staan niet stil. Door geavanceerderekentechnieken en de ontwikkeling van de software is hetmogelijk constructies met andere vormen dan recht en hoekig teconstrueren. Er worden steeds meer schuine en gebogenconstructies gebouwd. Deze trend wordt ondersteund door deontwikkelingen op het gebied van betontechnologie. Nieuwehulpstoffen maken het mogelijk zelfverdichtend beton te produ-ceren, waardoor het realiseren van deze vormen binnen bereikkomt te liggen, zowel in een fabriek als op de bouwplaats.Dankzij de aandacht voor vormgeving van constructies is erook aandacht voor de esthetische aspecten van beton. Schoonbeton is een term die we de laatste jaren steeds meer tegenko-men. En voor het produceren van schoon beton worden ereisen gesteld aan de samenstelling, maar ook aan het verwerkenvan de betonspecie.DuurzaamheidHet materiaal beton krijgt te maken met steeds meer eisen. Deeisen aan de sterkte, ofwel de mechanische eigenschappenworden uitgebreid met eisen aan de duurzaamheid. Dit betreftzowel de technische duurzaamheid (durability): doorstaat deconstructie de tand des tijds, als de maatschappelijke duur-zaamheid (sustainability): kunnen we met weinig milieubelas-ting bouwen.Voor de technische duurzaamheid is gestart met eisen aan dedichtheid van het beton. Nu zijn de eerste modellen beschik-baar om inzicht te krijgen in de aantastingsmechanismen vanbeton in de tijd. Uiteraard nog eenvoudig en verre vancompleet, maar het is wel een aanzet tot het modelleren van detechnische duurzaamheid van constructies.De maatschappelijke duurzaamheid krijgt aandacht vanwegehet milieubewustzijn. Om de verwachte klimaatverandering tebeperken moeten we duurzamer gaan leven. Ook van betonwordt verwacht dat dit duurzaam zal zijn (sustainability). Ditzal in eerste instantie gevolgen hebben voor de grondstoffen.Bijvoorbeeld door het gebruik van secundaire materialen inplaats van primaire materialen. Cement wordt aangevuld metandere bindmiddelen en/of cementvervangende toeslagstoffen,die in combinatie met cement verharden. Voor een deel zijn wehier al aan gewend met hoogovenslak, vliegas en silica fume. Erwordt dan ook al een aantal jaren gesproken over de water-bindmiddel factor in plaats van de water-cementfactor.Hiernaast geldt nog steeds dat het materiaal beton veelal in hetwerk wordt aangebracht. Dit leidt ook tot eisen ten aanzien vande uitvoerbaarheid.Al met al een veelheid aan eisen, die soms ook tegenstrijdigkunnen zijn. Op dit moment beseffen we dat de vertrouwdewater-cementfactor alleen geen recht meer doet aan de invul-ling van deze eisen. Eigenlijk willen we een materiaal maken opbasis van prestaties, waarbij de prestaties op basis van de eisenworden geformuleerd. Deze omslag zal gevolgen hebben voorde manier waarop betonsamenstellingen worden ontworpen.Beton op maatIn de afgelopen 60 jaar is gebleken dat de (maatschappelijke)randvoorwaarden dus de grote drijfveer voor de veranderingenvan betonsamenstelling zijn. Op dit moment realiseren we onsdat de water-cementfactor alleen geen volledige dekking meerkan geven aan de eisen die door de ingenieurs, maar ook doorde maatschappij aan het materiaal worden gesteld. Om hetbeton, en daarmee de betonsamenstelling, aan deze vele eisente laten voldoen is het belangrijk om een systeem te ontwikke-len waarmee de samenstelling probleemgestuurd kan wordenaangepakt, de zogenaamde `property defined design' benade-ring. Dit is een prestatiegestuurde benadering waarbij de eisen,opgelegd door de constructie en maatschappij, worden opge-legd aan het mengselontwerp in de vorm van prestatie-eisen.Deze weg is al ingeslagen onder de noemer `Beton op Maat'.Om de prestatiegestuurde benadering van het mengselontwerpmogelijk te maken is het gebruik van simulatiemodellen onont-beerlijk. Het omgaan met de vele variabelen zal een beroepdoen op complexe rekenalgoritmes die veel verder gaan dan hethuidige principe van `trial and error.' Daarbij moet ookgebruikgemaakt worden van het `reverse engineering' principe.Hierdoor moeten, naast de betoningredi?nten, ook hetgewenste antwoord (de prestaties) worden ingevoerd in hetrekenmodel. Het model zal dan de samenstelling berekenen diede prestaties het dichtst mogelijk benadert.ir. Jeannette Bouwmeester-van den BosBAM Infraconsult/TU Delft, fac. CiTGdr.ir. Eddie KoendersTU Delft, fac. CiTG1 Verharding cement volgens PowersDe klant aan de knoppen8200826thema2a3a2b3b4de vorming van een virtuele microstructuur van het verhar-dende cement. Deze microstructuur kan worden toegepast alsvehikel voor het onderzoeken van de eigenschappen van beton,gebaseerd op processen die plaatsvinden in de veel kleineremicrostructuur. In de wetenschap vinden deze ontwikkelingenplaats onder de noemer `Multiscale modelling'. Hierbij wordenwetenschappelijke ontwikkelingen op het modelleringsgebiedmet elkaar verbonden om zodoende een systeem te cre?ren datde verschillende schaalniveaus overstijgt. De grondlegger vandit idee is prof. Wittmann die deze benadering in 1983 opperdeals oplossing voor de overbrugging van het micro- naar hetmacroniveau (fig. 4).Recentelijk heeft ook nanotechnologie hier zijn intrede gedaanwaarbij op het allerlaagste niveau cementeigenschappenworden geanalyseerd en in modellen gevat. In het algemeenkunnen vier schaalniveaus worden onderscheiden: macro,meso, micro en nano (tabel 1).Wat houdt dit concreet in? Als voorbeeld nemen we als prestatieeen eis aan de levensduur. Deze eis is op ??n onderdeel (voorko-men van chloride ge?nitieerde corrosie) vertaald in een maxi-male waarde van chloriden bij de wapening gedurende eenbepaalde periode. Deze prestatie-eis stoppen we in het rekenmo-del. Op constructieniveau wordt deze eis met als randvoor-waarde de omgevingscondities vertaald in een dekking, in eenwijze van nabehandeling en in voorwaarden voor de mengselsa-menstelling. Dit brengt ons op de volgende stap: deze voorwaar-den voor de mengselsamenstelling moeten vertaald worden naaringredi?nten en hoeveelheden. Hiervoor is een model nodig opmateriaalniveau: beton. Echter, voor het transport van de chlori-den is naast de samenstelling van het beton, vooral de samenstel-ling van de cementsteen bepalend. We gaan dus nog een niveaudieper: de cementsteen. Op dat niveau kunnen we met eenmodel inzicht krijgen in de effecten van de ingredi?nten. De eisaan de levensduur vraagt een antwoord dat via modellen vanconstructie tot op microstructuur gegeven moet worden.MultiscaleDe afgelopen decennia is er heel veel werk verzet op het gebiedvan numeriek modelleren voor beton- en cementgebaseerdematerialen en is de basis gelegd voor de eerste generatie model-len. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van simulatiemodellenvoor het berekenen van de adiabatische verhardingskromme,het hydratatieproces en het simuleren van de kans op scheur-vorming tijdens het verhardingsproces. Kernbegrip hierbij was4 Schaalniveaus voormodellerenDe klant aan de knoppen 82008 272c3c2d3d2 Schaalniveaus in beeld (constructie)a Het eindresultaat:kademuurconstructie op de Maasvlakte(Euromaxterminal) (foto: Bam Civiel)b Beton op constructieniveau:het storten van de voorwand van dekademuurconstructie op de Maasvlaktec Beton op materiaalniveaud Beton op microniveau:opname van beton/cementsteen meteen elektronenmicroscoop3 Schaalniveaus in beeld (modellen)a Model op constructieniveau:simulatie spanningen ten gevolge vande verharding in tunneldekb Model op materiaalniveaus:simulatie scheurgedrag in betonc Model op microniveau (1):simulatie hydratatie cement en vor-ming cementsteend Model op microniveau (2):simulatie van de vorming van het porie-systeem (inverse figuur 3c)een andere Blaine-waarde worden zodoende direct zichtbaar inde kans op scheuren van betonconstructies.`The DelftCode' is een eerste voorbeeld van hoe modellenkunnen worden gebruikt om inzicht te krijgen in effecten vanhet microniveau op het gedrag op macroniveau. Verdereontwikkelingen zullen leiden tot multiscale modellen die pres-tatie-eisen op constructieniveau vertalen in ingredi?nten enhoeveelheden. Op dat moment zal de klant aan de knoppenzitten in het samenstellen van beton.Over 60 jaarTerugkomend op de prestatiegestuurde benadering van debetonsamenstelling mag het duidelijk zijn dat nog maar eenpaar stappen zijn gezet op de ingeslagen weg. Het numeriekegereedschap dat noodzakelijk is voor het prestatiegestuurdberekenen van betonsamenstellingen is in ontwikkeling maarnog verre van een voltooiing. Over 60 jaar zal de water-cement-factor nog steeds bestaan maar dan onzichtbaar als internestuurparameter in simulatiemodellen. Betonsamenstellingenworden bepaald aan de hand van de vraag van de klant. Hierbijzullen duurzaamheid van het product, milieubelasting van hetproductieproces en de claim op de grondstoffen, maar ookrecyclebaarheid een belangrijke rol spelen. Met het principe `Multiscale modelling' worden zo meer dan10 ordegroottes overbrugd. Van meters op het macroniveau totmicrometers en nog kleiner op het micro- en nanoniveau.Hierdoor wordt de uitwerking van ontwikkelingen die plaats-vinden op het allerkleinste niveau zichtbaar op het niveau vande praktijk, te weten het macroniveau.The DelftCodeEen van de eerste idee?n om modellen op verschillende schaal-niveaus te koppelen is bij de TU Delft uitgewerkt onder denoemer `The DelftCode'. Binnen dit kader van simulatiemodel-len zijn koppelingen totstandgebracht en worden fenomenendie op het nano- en microniveau plaatsvinden doorgegeven aanhet meso- en het macroniveau. Hierbij kan worden gedacht aande ontwikkeling van de elasticiteitsmodulus, de hydratatiegraadenz. Effecten van een verandering van de korrelgradering ofniveau karakterisering modelleringseigenschappenmacro elementen en constructies spanningsontwikkeling in vroege fase,scheurvorming in vroege fasemeso proefstukken, toeslag breukmechanica, vochttransport, ASR,chloride-indringingmicro microstructuur, porositeit hydratatiegraad, permeabiliteit, diffusieco?ffici?nt,pori?nchemienano cementklinker C3S, C2S etc.Tabel 1 Vier schaalniveaus in beton