I I IBETONTECHNOLQGIELEIDT KRIMP TOTSCHEURVORMING?dr.R.F.M.Bakker, Cementfabriek Ijmuiden (CEMIJ) en pro(ir.w.R. de Sitter, HEG, RijswijkHet komt nog wel eens voor dat in hetonconstructies ongewenste scheurvormingwordt waargenomen. Vaak wordt deze toegeschreven aan spanningen ten gevolgevan uitdrogingskrimp. Het analyseren van een aantal gevallen van scheurvormingheeft hij de auteurs tot de conclusie geleid dat de oorzaak van deze scheurvormingniet ligt hij uitdrogingskrimp, maar hij temperatuurverschillen.Uitdroging in een capillaire porie2 Krimp in een capillaire porie1Indien een capillair water verliest (fig. 1),zal het water door de capillaire zuig- L...c~~~~~~~~~~~ ---'We kunnen w?l een verschillend tem-peratuursregime reconstrueren uitbouwverslagen, klimaatwaarnemingenen andere gegevens. Uit berekeningenblijkt dat deze verschillende tempera-tuursomstandigheden aanleiding kun-nen geven tot de waargenomen scheur-vorming'.De krimp van betonOnder het krimpen van een materiaalwordt in het algemeen verstaan het ver-minderen van het volume onder in-vloed van vochtverlies. Dit proces isveelal reversibel: bij herbevochtigen zalhet materiaal weer water opnemen en ~~~~~~~~~~~~~~~-1zwellen tothet oorspronkelijke volume.Dit uitdrogings- en zwellingsproces isbij alle poreuze materialen waarneem-baar: hout, gips, kalkzandsteen en ookbeton. De mate waarin dit krimp- enzwelproces plaatsheeft,is sterk afhanke-lijk van de pori?ngrootteverdeling vanhet materiaal. Naarmate de pori?n klei-ner zijn, zal de krimp ten gevolge vanuitdroging groter zijn.De oorzaak is gelegen in de zuigkrachtvan nauwe capillairen.Deze ervaringen gaven aanleiding tot devraag: kunnen krimpspanningen bijvoldoende verhard beton ?berhaupt totscheurvorming leiden?Het inzicht in het verhardings-proces van beton is de laatste? ?? jaren aanmerkelijk vergroot.Er worden betontechnologische maat-regelen genomen omscheurvormingalsgevolg van de bij de hydratatie vrijko-mende warmte te voorkomendoor koe-ling van de specie, isolatie van de bekis-ting en!ofde volgorde van de opeenvol-gende storten. Er zijn rekenprogram~ma's ontwikkeld om in combinatie metin het laboratorium bepaalde eigen-schappen (adiabatische warmteontwik-keling, isotherme ontwikkeling vanmechanische eigenschappen) dergelijkemaatregelen vooraf op bepaalde situa-ties toegesneden te kunnen bepalen [1][2] [3].Toch komt het nog wel eens voor dat erongewenste scheurvorming wordtwaargenomen. Vaak wordt deze toege-schreven aan spanningen ten gevolgevan uitdrogingskrimp.Na analyse van een aantal gevallen vanscheurvorming die aan krimp werdentoegeschreven zijn de auteurs echter totde conclusie gekomen dat deze scheur-vorming steeds verklaard kon wordenuit temperatuurverschillen en dat uit~drogingskrimp als oorzaak onwaar-schijnlijk moest worden geacht. De re~denering liep dan als volgt:'Als dit krimpscheuren zijn dan haddenwe op overeenkomstige andere plaatsen??k krimpscheuren moeten zien. Diezijn er echter niet.~rvolg van blz. 25 nels. Hier liggen grote kansen voor deNederlandse aannemers om zich met detechniek van boortunnels vertrouwd temaken. Het zal voorlopig nog wel be-perkt blijven tot de enkele ronde tun-nelbuis.Al met al mag dit congres als geslaagdworden beschouwd vanwege de veel-heid aan kennis en ervaring die daarmeebeschikbaar is gekomen. De redactievan dit tijdschrift zal de ontwikkelingenop het gebied van de tunnelbouw metbelangstelling volgen. Aspecten van dieontwikkelingen zullen in dit tijdschriftworden uitgedragen.M.G.P.Nel?ssen26 Cement 1993 nr. 6x meetpuntenDe prisma's 1en 2 konden vrij krimpen.De prisma's 3 en 4 zijn met 4 staven 0 6mmdooreen 20 mm dikke kopplaataande achterzijde met moeren verankerd ineen profiel HE200A.Bij hetongewapende prisma nr. 3was deverankeringslengte 140 mm (fig. 3).Experimenteel onderzoek?rienterende proeven zijn uitgevoerdom na te gaan ofverhinderde krimp totscheurvorming zou kunnen leiden.Krimpmetingen zijn verricht aan vierprisma's meteen vierkante doorsnedevan 70 x 70 mm2en een lengte van 1m.Gekozen is voor een mengsel met eenhoog cementgehalte en een kleinemaximum korrel ten einde zoveel mo-gelijk krimp te genereren (tabelt).ontstaan er naast de eigenspanningennog spanningen doordat de 'vrije'krimpvervorming op macroschaalwordtverhinderd maar op de schaal vand~ toeslagkorrels vervormt de cement-steen toch ten opzichte van de toeslag-korrels. Men zou kunnen verwachtendat de vervorming zich verdeelt over detalrijke microscheuren en niet tot(zichtbare) scheurvorming zal leiden.We hebben hier te maken met een bij-zonder geval van kruip waarbij onderinvloed van spanningen de vervormin-gen niet toenemen maar de verhinderdevervorming wordt omgezet in micro-scheuren.1000 mmvervorming wapening wapenings-%1 vrij ongewapend -2 vr~ 4 staven 06 2,33 verhinderd ongewapend -4 verhinderd 4 staven 0 6 2,3mengsel: 370 kg hoc klasse A per m3, wcf = 0,5, gradering A-B gebied, grootstekorrelS mm3 Ligging tneetpunten in de vier pristna'sverharding: 14 dagen afgedekt met folie bij 20?C, daarna ontkist en bewaard in eenruimte bij 20 - 23?C en een R.V. van 40 - 60%Tabel!Gegevens van de vier pristna'sWanneer het verharde beton wordt ge-fIxeerd en niet vrij kan vervormenIn de praktijk wordt de 'vrije' krimp welgemeten aan proefstukken Van 0,10 x0,10 x 0,50 mmo De verkorting bij con-stantetemperatuuren relatievevochtig-heid (RV) gedeeld door de meetlengtelevert dan de krimpmaat in mm/m (%0).Gezien het bovenstaande zal echter bijdergelijke afmetingen nooit van vrijekrimp sprake zijn omdat de eigenspan-ningen ten gevolge van de bovenver~meldevochtgradienten tot microscheu-ren zullen leiden.Wel kan microscopisch worden vastge-steld dat in het oppervlak niet met hetblote oog zichtbare microscheuren op-treden (alleen bij gladde oppervlakkenzijn deze microscheuren soms waar~neembaar en worden dan aangeduidmet craquel?).Ten gevolge van krimp ontstaateen net-werk van dergelijke f~n verdeeldescheuren. De cementsteen krimpt tij-dens de verharding en verandert vanvolume ten opzichte van het korrelske-let. De grove toeslag werkt als verdeel-wapening die de microscheuren over-brugten trekkrachtenoverkanbrengen.In het kader van dit artikel bedoelen wedan ook met scheurvorming: 'met hetoog zichtbare scheuren die een scheur-wijdte hebben in de orde van groottevan 0,05 mm ofmeer'.Pc = - 2 airScheurvorming in verhard beton?Indien verharde cementsteen aan uitdro-gende omstandigheden wordt blootge-steld, ontstaan vochtgradi?nten die totgevolg hebben dat de oppervlaktelaagwil krimpen terwijl het nog niet uitge-droogde deel deze krimp tegenhoudt.Dit verschil in krimp leidt vrij snel toteveneens met het blote oog zichtbarescheurvorming. Bij mortel en beton blij~ken deze zichtbare scheuren echter nietop te treden.Pc = de capillaire druk;a = de oppervlaktespanning;r = de straal van de capillair.Hierin is:Voor materialen met nauwe tot zeernauwe porienis de druk zeer hoog en dekrimp bijgevolg aanzienlijk.Uit het bovenstaande zal duidelijk zijndatbeton metzijnzeer nauwe gelpori?nin de cementsteen aanleiding kan geventot duidelijk meetbare vervorming tengevolge van uitdroging.Bij uitdrogend beton dient men zichdan wel de vraag te stellen: op welk mo-ment begint de uitdroging?Deze vraag is daarom Van belang omdatde pori?nverdeling in ieder geval gedu-rende de eerste dagen sterk verandert.Directna het mengenzullen er nogwei~nig gelpori?n zijn gevormd en zal hetbeton (ofliever de betonspecie) voorna~melijk bestaan uit bredere capillairen. r----~-------~----~------~----~-____jMet het voortschrijden van de hydrata-tie zal de hoeveelheid capillaire porienafnemen en de hoeveelheid gelpori?n r--~---~--~-----~------~-------~____jtoenemen. 1 I x x x x x x IHet effect van uitdrogen van betonspe- '-_-=x_ _'x'______, --"x'--'--'x"--_ _~_ _""'x_ _'x'______,~cie gedurende de eerste uren mag ge- 2 I :::: :~" ::: Inoegzaam bekend worden veronder- n . . - ?steld. Bij vroegtijdig uitdrogen kunnen i: x x x Xx : yduidelijk zichtbare krimpscheuren 3 ~ n X X X -==Jt-ontstaan, in de praktijkveelal aangeduid t 140 mm Jmet plastische krimpscheuren, omdat i:: ::: , m --X-X ' : : : ; -deze optreden in het plastische stadium. 4 4 - - n - - - ==J.-Door adequate nabehandeling kunnendeze worden voorkomen.Hoe ligt dit bij voldoende verhard be-ton?kracht zich willen herverdelen zodat decapillair gevuld blijft.Dit zal alleen kunnen gebeuren indiende wanden van de capillair naar elkaartoe worden getrokken (fig. 2). De capil-laire zuigkracht (capillaire druk) isevenredig met de oppervlaktespanningen omgekeerd evenredig met de straalVan de capillair. In formule:Cement 1993 nr. 6 27!13ETONTECHNOLOGLELiteratuur1. Maatjes,E., Berlage, A.C]., Beheer-sing van het verhardingsproces, Cement1989 nr. 3.2. Sitter, WK de, Ramier, J.P.G., Hor-den, Wc., Quality improvement bycomputer controlled hardening processof concrete. HP XI Congress. June 4-91990, Hamburg.3. Visser,J., Salet, TA.M., Roelfstra, PE.,Temperatuurbeheer van jong beton opbasis van computermodellen, Cement1992 nr. 9.te be?nvloeden van scheuren die doorandere oorzaken zoals temperatuurgra-di?nten en belastingen zijn ontstaan.slot1.In het voorafgaande is gesteld dat, integenstelling tot gangbare opvattin-gen, zichtbare krimpscheuren in vol-doende verhard beton niet ontstaan.Deschrijvers zullenlezers zeer erken-telijkzijn die henattent maken op ge-vallen van scheurvorming in betondie duidelijk zijn veroorzaakt doorkrimp en die althans niet beter ver-klaard kunnen worden door tempe-ratuurgradi?nten tijdens de verhar-ding ofin de periode daarna.2. Het voorafgaande is geen pleidooiom in het vervolg 'krimpwapening'ofwatdaarvoordoorgaatzomaarwegte laten. Dat kan alleen wanneer menveel meer diepgaand de te verwach-ten temperatuurgradi?nten tijdensde levensduur analyseert en overeen~komstig wapening met het oog opverdeling van de te verwachtenscheuren aanbrengt.Uiteindelijk zal men dan weluitko-men op wapeningshoeveelheden dieniet veel afWijken van wat nu te doengebruikelijk is. De huidige praktijk istenslotte ook op basis van 'trial anderror' ontstaan. Degangbareverhalenvoor krimp en de invloed daarvanzijn mooie voorbeelden van rationa~lisaties achteraf die best nuttig zijnzolang men maar de betrekkelijkheidin het oog houdt.3. Ingewikkelde krimpberekeningenhebben echter geen zin. Voor 'gewo-ne' bouwconstructies is het aanhou~den van een minimum wapenings-percentage (bijvoorbeeld 0,15%) ver-moedelijk voldoende. Voor zwareconstructies k?n men misschien metminder volstaan mits men de tempe-ratuurgradi?nten tijdens de verhar-ding weet te beperken en er in de ge-bruiksfase weinig temperatuurver-schillen zijn te verwachten zoals bijfunderingen en tunnels.200150100Conclusie:Bij toepassing van dit vrij vette mengselleidt krimp all??n niet tot zichtbarescheurvorming.Verklaring:Doorgaande microscheurvorming(kruip) zorgt ervoor dat de volume-vermindering van de cementsteen kanworden opgevangen.Opmerkingen:De berekende over een doorsnede ge-middelde trek~panning is niet andersdan een rekengrootheid met een be-perkte fysische betekenis. Ter plaatsevan een (micro-)scheur is de spanninggelijk nul; elders is de spanning (veel)hoger dan de gemiddelde spanning.Extrapolatie:Krimp van beton leidt niet tot scheur-vorming.Krimp kanwel de scheurwijd-DiscussieMogelijk rijst bij de lezer de vraag:'Waarom is deze proef gedaan als menniets onverwachts vindt?'Hetinteressanteaspectvan deproifisdatmenin de prisma's waarvan de krimp werd ver-hinderd,geen zichtbare krimpscheuren heiftkunnen waarnemen. Ook terplaatse van deaansluiting aan de stalen kopplaten tradengeen krimpscheuren op.voor het gewapende proefstuk bedraagt0,26%0 - 0,13%0 ~ 0,13%0 en voor het on-gewapende proefstuk zelfs 0,38%0 -0,07%0 ~ 0,310/00.Bij een elasticiteitsmodulus van 30000MPa betekent dit dat het beton gemid-deld onder een trekspanning moet staanvan 9,3 MPa. Aangezien ditver bovendetreksterkte van het materiaal is, moet ermicroscheurvorming dan wel kruiphebben plaatsgevonden, hetgeen wasgepostuleerd.--[J- ongewapend- niet ingeklemd --_+~-----_+------_'__1_..- ongewapend_ ingeklemdt -A- gewapend_niet ingeklemdI 1-__? g_ew_a_p_en_d__~in-1gef-k~le_m_d f-- f--__~~---10,5....,c..E~ 0,4De maximum krimp van het ongewa-pende prisma 1na 180 dagen is 0,38%0.Voor het gebruikte tamelijk vettemengsel komt dit overeen met de ver~wachtingen. Het gewapende proefstuk2 dat ook vrij kan vervormen, heeft opdat tijdstip zoals te verwachten een watgeringere krimp (0,26%0).Het blijkt dat de krimp van de proef-stukken 3 en 4 niet volledig wordt ver~hinderd: resp. 0,07%0 en 0,13%0.Dit kan worden verklaard door de rekvan de verankeringsstaven 0 6 over deverankeringslengte en door de vervor-ming van het staalprofiel onder invloedvan de krimpkrachten in het beton.Uiteenberekeningblijktdateenoverdegehele doorsnede (70 x 70 mm2) gemid-delde betontrekspanningvan 1MPa eenvervorming zou geven die overeenkomtmet een gemiddelde verkorting van0,05%0 waarvan 0,04%0 wordt toege-schreven aan rek van de staven 0 6 en0,01%0 aan samendrukking van hetstaalprofiel.o 50~ uitdrogingstijd (dagen)Alle proefstukken waren via folie on-dersteund'zodat ze over de verticale on-dersteuning vrij konden vervormen englijden.De krimp van de proefstukken is in driedwarsdoorsnedes op twee plaatsen ge-meten; voor elk tijdstip heeft men voorelk prisma dus 6 krimpmetingen. Hetverloop in de tijd van de gemiddeldenvan de 6 waarnemingen is in figuur 4weergegeven.4 Ontwikkeling van de kritnp in de tijdo0,2 --1---------..=;"""'--1-~~---=