O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRepa rat iecement 2005 556Historische (metsel)mortels verto-nen in potentie een grote spreidingin samenstelling; van pure kalk,tras-kalk- en hydraulische kalk-mortels, tot mortels vervaardigdmet zogenoemd Amsterdams ofCaziuscement en mortels waaraangemalen baksteen als puzzolaanis toegevoegd, en recenter mor-tels die geheel of gedeeltelijk uitportlandcement bestaan, waaraanop haar beurt weer hoogovenslakkan zijn toegevoegd; ook dit laat-ste gebeurde al vroeg. Historischbeton vertoont iets minder sprei-ding in samenstelling, maar ookhier is de samenstelling niet altijdzoals men vanuit een hedendaagsbetontechnologisch perspectiefzou verwachten; zo werd tras aancementbeton toegevoegd (zie vol-gende bladzijde), of tras-kalkbetongebruikt, zonder cement, bijvoor-beeld bij de bouw van de IJsselbrugbij het Katerveer in Zwolle.PFM behelst het onderzoek vansteenachtige bouwmaterialen metlichtmicroscopie, en wordt indiennodig aangevuld met rasterelek-tronenmicroscopie (REM). VoorPFM-onderzoek worden monstersvan de te onderzoeken materialengenomen. Deze monsters wordenonder vacu?m ge?mpregneerdmet een kunsthars waaraan eenUV-fluorescerende kleurstof istoegevoegd. Vervolgens wordt vanhet preparaat door slijpen en po-lijsten een zogenoemd slijpplaatjeof dunne doorsnede gemaakt,met een dikte van 20 ? 30 ?m. Bijdeze dikte is ook beton of mortellichtdoorlatend. Op grond vandergelijk onderzoek is het moge-lijk een uitspraak te doen over deaanwezige mineralen en anderefasen, hun onderlinge relaties,en wat er veranderd is. Ook kan,in combinatie met zogenoemdpoint-counting en bepaling van deporositeit, het bindmiddelgehalteworden bepaald [6]. In dit artikelzal de rol van PFM-onderzoek aande hand van enkele praktijkvoor-beelden worden toegelicht.A S R - a a n t a s t i n g 1 9ee e u w sb e t o nBij de Stelling van Amsterdamwas sprake van aantasting enschade van het beton, waardooruitgebreide scheurvorming is ont-staan en materiaal loskwam. Hetvermoeden bestond dat er sprakewas van aantasting van het betondoor alkali-silicareactie (ASR),massieve ettringietvorming ofvorst. Het petrografisch onder-zoek werd uitgevoerd om hieroveruitsluitsel te geven. Het betonbleek te zijn vervaardigd met eencement met een grofkorreligeportlandklinker, dat een hogehydratatiegraad vertoonde. Hettoeslagmateriaal bestond hoofd-zakelijk uit porfier, vermoedelijkafkomstig uit Quenast (Belgi?);daarnaast waren enkele procen-ten kwarts, kwartsiet, zandsteen,poreuze en niet-poreuze vuur-steen aanwezig.In alle drie onderzochte monstersbleek sprake van daadwerkelijkeaantasting van het beton doorASR. De aantasting betrof metname grove porfierfragmentenen poreuze vuursteenkorrels.Daarnaast is ook sprake van daad-werkelijke aantasting van enkelezandsteen- en kwartskorrels metals gevolg een uitstroming vanASR-gel naar de cemensteen(foto 1). Het optreden van ASRheeft duidelijk een ongewensteinvloed gehad op de microstruc-tuur van het omliggende ce-mentsteen. Er is hier sprake vanintense scheurvorming van decementsteen, waardoor plaatselijkde cementsteen onthecht is vanenkele toeslagkorrels. Ettringietbleek slechts secundair aanwezig.B e t o n m e t t r a sDat het achterhalen van de oor-spronkelijke samenstelling vanhistorische bouwmaterialenniet altijd even simpel is, laathet volgende voorbeeld zien. Inhet kader van het project DU-MACON, werd beton van een inde jaren '70 van de vorige eeuwMicroscopisch onderzoek vanhistorisch beton en mortelsdr. T.G. Nijland en dr. J.A. Larbi, TNO Bouw en OndergrondEen deugdelijke restauratie of renovatie van een monument, historisch bouw-werk of civiel-technische constructie is pas mogelijk indien een goed inzichtbestaat in de staat van het object, de aard en omvang van eventueel optre-dende schademechanismen, ?n het historisch toegepaste materiaal. Immers,een toe te passen restauratiemortel moet compatibel zijn met het oudemateriaal, wil een restauratie niet meer schade toebrengen dan voorafgaanddaaraan is aangetroffen [1]. Polarisatie-en-fluorescentiemicroscopie, kort-weg PFM, is de enige adequate techniek om voorafgaand aan een restauratie,de aard van de toegepaste materialen vast te stellen en uitsluitsel te gevenover de opgetreden schade [2-5].1 |Microfoto van een uit-stroming van ASR-gelvan een aangetastetoeslagkorrel naar decementsteen. A = ASR-gel, C = cementsteen,K = kwartskorrel,S = scheur, Z = zand-steenkorrel. Beeldveld2,7 x 1,8 mm22 |Microfoto van de trasgebruikt voor hetopnieuw gestorte meng-sel eerder toegepast inde Rotterdamse haven.Beeldveld 0,7 x 0,45 mm2O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRepa rat iecement 2005 5 57gebouwde kademuur in de Rot-terdamse haven microscopischonderzocht. Uit het bestek wasbekend dat dit beton vervaardigdwas op basis van hoogoven-cement (CEM III/B), met eengeringe toevoeging van 10% tras(t.o.v. cement). Bij het PFM-on-derzoek werd de tras niet terug-gevonden. Om meer zekerheid tekrijgen over de (on)mogelijkheidde toevoeging van tras aan goedgehydrateerd beton te herkennen,is het toegepaste mengsel doorTNO opnieuw gestort (foto 2).Na bestudering van slijpplaatjesvan dit beton bij ouderdom van28 dagen, en van de pure tras,bleek het mogelijk ook in hethistorische beton relicten van detrasdeeltjes te vinden (foto 3).Traditioneel gaat men ervan uitdat de toevoeging van tras aan ce-mentbeton een gunstige invloedheeft op de duurzaamheid. In hetonderhavige geval onderscheiddehet beton zich qua duurzaamheidechter niet van elders in mari-tieme constructies toegepastebetonmengsels zonder tras [7].S u l f a a t a a n t a s t i n gt r a s - k a l k m o r t e lMassief baksteenmetselwerk vaneen spoorbrug, gebouwd aan heteind van de 19de eeuw en buitengebruik gesteld in de jaren '70,vertoonde ernstige schade, meteen scheurpatroon dat deed ver-moeden dat de schade het gevolgwas van belasting en vorst. Aan-gezien men van plan was de brugopnieuw voor het publiek opente stellen en deze als monumentzou worden gerestaureerd, werdtot nader onderzoek besloten.PFM-onderzoek liet zien dat hetoorspronkelijke metselwerk wasvervaardigd met een tras-kalk-mortel met opmerkelijk weinigtoeslag. De mortel was bijzonderdicht, met slechts zeer weinigluchtholtes. Voor het voegwerkwas een mortel op basis van port-landcement toegepast. Invergelijking met hedendaagsevoegmortels had de voeg eenopmerkelijk dichte, niet-poreuzestructuur. Bij latere reparatie waseen voegmortel toegepast op basisvan zogenoemd ijzerportlandce-ment, dat wil zeggen portlandklin-ker met een geringe hoeveelheidhoogovenslak. Microscopischbleek dat de scheurvorming eenandere oorzaak had dan veronder-steld. De scheuren bleken gevuldmet thaumasiet, of thaumasiet +ettringiet + gips (foto 4), terwijlelders volledige desintegratie vande cementsteen optrad ten gevolgevan de vorming van thaumasiet[8]. Het v??rkomen van ettringietis opmerkelijk, aangezien de mor-tel geen C3A bevatte, dat vaak debron is van alumina, nodig voorde ettringietvorming [9]. Op grondvan het feit dat de scheuren enaangetaste metselmortel niet zijnaangepakt bij eerdere renovatie,lijkt het aannemelijk dat (een deelvan) de sulfaataantasting van diemortel gebeurd (of ge?ntensiveerd)is na die renovatie. De herkomstvan het sulfaat is niet nader on-derzocht. De vraagt dringt zichdaarom op, of de keuze vooreen ijzerportlandcement voor detijdens eerdere renovatie nieuwaangebrachte voegmortel geluk-kig was. Mogelijk heeft de keuzevoor een (door de aanwezige slak)relatief sulfaatbestendige mortelbijgedragen aan de schade in hetachterliggende, historische mate-riaal [9].V e r o n d e r s t e l d c o n s t r u c -t i e v e s c h e u r e nBij een in 1926 gebouwde kerkto-ren uit baksteenmetselwerk tradop uitgebreide schaal verticalescheurvorming op door zowelvoegen als stenen, en horizontalescheurvorming door de voegen.Aanvankelijk werd een construc-tieve oorzaak verondersteld.Het metselwerk bestond uit eenschil van harde, sterke baksteen,en daarbinnen metselwerk meteen zachtere, sulfaatrijke steen.Voor het oorspronkelijke metsel-werk was gebruikgemaakt vaneen kalkmortel met een geringehoeveelheid portlandcement.Oorspronkelijk was geen apartvoegwerk aangebracht, bij eenlatere restauratie gebeurde ditmet een cementgebonden mortel[10]. Onderzoek wees uit dat eenconstructieve oorzaak kon wor-den uitgesloten. Microscopischonderzoek liet vervolgens zien datde scheuren veroorzaakt warendoor de vorming van thaumasietvergezeld van ettringiet (foto 5);het hiervoor benodigde sulfaat waswaarschijnlijk afkomstig uit desulfaatrijke steen in het binnenstemetselwerk [10].K a l k u i t b l o e i : m a a r w a tg e b e u r t d a a r a c h t e r ?Baksteenmetselwerk van een be-gin twintigste-eeuws monumentbleek circa 85 jaar na dato telijden onder buitengewoon ont-sierende kalkuitbloei. Het metsel-werk was ooit opnieuw gevoegdmet een cementgebonden mortel,maar de vraag was of er meer aande hand was. Bij microscopischonderzoek bleek de achterliggen-de, oorspronkelijke mortel te zijnvervaardigd met een hydraulische3 |Microfoto van een relicttrasdeeltje (T) in decementsteen van hoog-ovencementbeton met10% tras na 25 tot 30jaar. Beeldveld 0,7 x0,45 mm24 |Microfoto van scheur intras-kalkmortel gevuldmet thaumasiet (T),ettringiet (E) en gips (G).Beeldveld 0,7 x 0,45 mm2O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eRepa rat iecement 2005 558kalk als bindmiddel. In de met-selmortel bleek sprake te zijn vanuitgebreide scheurvorming, waar-door vocht tot diep in het metsel-werk kon doordringen. Daarnaastwas sprake van slechte hechtingtussen voeg- en metselmortel.Door deze factoren kon het vochtkennelijk diepe, ook de na langetijd nog niet gecarbonateerde de-len van de mortel bereiken, waar-door kalk naar het oppervlak konworden getransporteerd. Vraagis waardoor de scheurvormingis ontstaan. Uit PFM-onderzoekbleek dat ettringiet de oorzaakwas van de scheurvorming (foto6).T e n s l o t t eAdequate schadediagnose en iden-tificatie van historische toegepastematerialen zijn essentieel om tekomen tot een deugdelijke restau-ratie- of renovatiestrategie.Een adequate schadediagnoseis noodzakelijk om te kunnenvaststellen welke factoren (materi-aalkeuze, externe invloeden zoalsvocht en toevoer van zouten) eenrol spelen bij het ontstaan van deschade, in hoeverre zij een risicoinhouden voor gevolg- of nieuwoptredende schade, en hoe zij wegte nemen zijn. Verschillende vande hierboven genoemde voorbeel-den illustreren dat zonder PFM-onderzoek een foute schadediag-nose zou zijn gesteld.Nieuw toe te passen materialenmoeten compatibel zijn met dehistorische materialen [1], opdatzij reeds aanwezige schadeproces-sen niet intensiveren of nieuweschadeprocessen in het historischemateriaal dat men wil conserve-ren initi?ren. Uitgangspunt vanrestauratie moet ten slotte hetbehoud van het oorspronkelijke,historische materiaal zijn.Niet alleen om constructieve ofmateriaaltechnische redenen isPFM-onderzoek van belang inhet voorbereidende stadium vanrestauratie of renovatie. Ook aankeuzes met betrekking tot esthe-tiek en authenticiteit kan PFM-onderzoek bijdragen, bijvoorbeelddoor vaststellen van bindmid-delcomponenten, toeslag- en/ofinstrooimateriaal in historischepleisters, zodat bij restauratie eenpleister met dezelfde esthetischeuitstraling kan worden gekozen ofvervaardigd. L i t e r a t u u r1. Hees, R.P.J. van, red., Main-tenance of pointing in historicbuildings: Decay and replace-ment. EU DG XII contractENV4-CT98-706, 2002.2. Heijnen, W.M.M. en J.A. Lar-bi, 1992. Materialen (10), 1992.3. French, W.J., Concrete petro-graphy: A review. QuarterlyJournal of Engineering Geology24, 1991.4. Larbi, J.A., Microscopy appliedto the diagnosis of the deteri-oration of brick masonry. Con-struction & Building Materials18, 2004.5. Larbi, J.A., Application ofmicroscopy to the diagnosisof the deterioration of brickmasonry. 10th Euroseminaron Microscopy Applied to Buil-ding Materials, Paisely, 2005.6. Larbi, J.A. en R.P.J. van Hees,Quantitative microscopicalprocedure for characterisingmortars in historical buildings.Ibausil 14, Weimar, 2000.7. Nijland, T.G., J.A. Larbi, M.A.de Rooij en R.B. Polder, His-toric use of trass in concrete:A microscopic and durabilityperspective. 10th Euroseminaron Microscopy Applied to Buil-ding Materials, Paisely, 2005.8. Wijffels, T.J. en T.G. Nijland,Deterioration of historic brickmasonry due to combinedgypsum, ettringite and thau-masite: A case study. 13thInternational Brick and BlockMasonry Conference, Amster-dam, 2004.9. Hees, R.P.J. van, T.G. Nijland,J.A. Larbi, T.J. Wijffels enH. Brocken, Historic trass? lime mortars with expansivereactions: Characterizationand repair strategies. RILEMWorkshop Repair of HistoricMortars, Delft, 2005.10. Hees, R.P.J. van, T.J. Wijffelsen L.J.A.R. van der Klugt,Thaumasite swelling in histo-ric mortars: Field observationsand laboratory research. Ce-ment & Concrete Composites 25,2003.6 |Rasterelektronenfotovan ettringiet in scheurin 85 jaar oude metsel-mortel met hydraulischekalk als bindmiddel5 |Microfoto van thauma-siet in metselmortel.K = kwartskorrel,T = thaumasiet,H = holte. Beeldveld 1,4 x0,9 mm2