I IMATERIALEN IBETONTECHNOLOGlE IONDERHOUD EN REPARATIEVAN BETONCONSTRUCTIES (n)SchademechanismenA. DifIusieprocessen en chemische reacties in betonW.Buist, Cementfabriek Ijmuiden (CEMIJ) bv, IjmuidenSchade aan betonconstructies kan? ontstaandoor zowel inwendige alsuitwendige oorzaken. Dikwijls iser sprakevan eencombinatievan oorza-ken. Te vaak wordt dan ??n der factorende schuld gegeven: slechte nabehande-ling, onvoldoende dekking op de wape-ning, te veel water, te hoog chloridege-halte enz. Zo'n te simpeleverklaringbe-lemmert echter een echte oplossing vanhet probleem. Daarvoor is inzicht in desamenhang van de mogelijke oorzakennodig.In deze aflevering van de serie 'Onder-houd en reparatie van betonconstruc-ties' wordt een begin gemaakt met hetbespreken van de belangrijkste schade-mechanismen. Transportprocessendoor diffusie ofanderszins spelen daar-bij vaak een rol. Allereerst zal daaromworden ingegaan op de structuur vanhet poriesysteem en de beweging vanwater en waterdamp, ionen en gassendoor dit systeem.TransportprocessenStructuur van het poriesysteemHet poriesysteem van beton heeft eentamelijk gecompliceerdestructuur.Omte beginnen moeten we onderscheidmaken tussen toeslagmateriaal,datcirca70% van het totale volume inneemt encementsteen met een volumeaandeelvan circa 30%.Het toeslagmateriaal bevat rond de 1%,meestal tamelijk grove pori?n; cement-steen, afhankelijk van de water-ce-ment-factor en de hydratatiegraad, 20-65% overwegend zeer fune pori?n.Bepalend voor de duurzaamheid isechter niet het porievolume ofde porie-grootte, maar de permeabiliteit;populair gezegd: het gemak waarmeewater en waterdamp, ionen en gassenzich door het poriesysteem kunnenvoortbewegen. Deze permeabiliteit vanhet beton hangt uiteraard wel afvan hetporievolume en de poriestructuur vanhet beton, maar bovendien van de .aard16van de diffunderende stof. Zo bewegenionen zich vrij gemakkelijk door hetmetwatergevulde poriesysteem, terwijldit voor gassen een vrijwel ondoor-dringbaar medium is. Bij de bewegingvan ionen door het poriesysteem vindtaan de andere kant een voortdurendeuitwisseling plaats met andere ionendie(tijdelijk) aan de cementhydratengebonden zijn.Het is niet goed bekend welke rol zanden grind spelen bij de permeabiliteitvanbeton. wel zijn er aanwijzingen dattransport via het contactvlak cement-steen/toeslagmateriaal relatief gemak-kelijk verloopt.Om een indruk te krijgen van de struc-tuur van deze cementsteen is het nuttiguit te gaan van de betonstructuur directna verdichten. Beton bestaat dan uit eenverzameling van cement- en toeslag...,korrels, in diameter vari?rend vanminder dan 1 f.lm tot circa 25 mmo Degrotere korrels zijn omhuld door eendun laagje pasta bestaande uit water,cement en fune zanddeeltjes. Deze pastavult ook de resterende holle ruimtetussen de korrels op. Bij goed samenge-steld beton is deze resterende ruimteechter gering. Figuur 1 geeft eenschematisch beeld. Het geheel heeft destructuur van een tamelijk grofschuim.Dat beeld vanschuim wordt nog sterkerwanneer naar de structuur van de pastawordt gekeken. Het beeld is vrijwelhetzelfde, maar nu op een circa 1000maal zo kleine schaal. De zand- engrindkorrels zijn vervangen doorcement en fUn zand; de pasta door eenwaterfilmpje ter dikte van gemiddeldnog geen f.lm. Het is dit aaneengeslotenschuimvormige systeem van water-filmpjes dat het capillaire poriesysteemvan verse betonspecie uitmaakt.Ge/vorming bij hydratatie van het cementWanneer nu de hydratatie van hetcement inzet, dan groeit in deze verza-meling van waterfilmpjes vanuit decementkorrels een gelachtige massa vanhydratatieprodukten, het .cementgel.Afhankelijkvan de verhardingsomstan-digheden, maar vooral ook van decementsoort, is dit gel meer ofminderwaterhoudend. De gelvorming in hetgeval van hoogovencement laat goedzien welke processen hier spelen.Hoogovencement bestaat uit slak- enklinkerdeeltjes. Beide bevatten (onderandere) calciumsilicaten: verbindingenvan kalk (CaO) en kiezelzuur(Si02). Deverhouding kalklkiezelzuur verschiltechter sterk. Bij klinker is deze verhou-ding circa 3:1, bij slak iets meer dan 1:1.In cementhydraten evenwel is deverhouding circa 3 ap 2. Dat betekentdat bij de hydratatie van klinker kalkoverblijft en bij de hydratatie van slakkiezelzuur.In het geval van portlandcementkristal-liseert na enige tijd de overmaataankalkuit in de vorm van relatiefgrote kristal-lenvan calciumhydroxide (Ca(OH)2)' Inhet geval van hoogovencement echterontmoet het overschot aan kalk van deklinkerdeeltjes ergens in de ruimtetussen slak en klinkeroppervlak hetoverschot aan kiezelzuur, afkomstig vande slak,zodatook hier, samen metwatercementhydraten gevormd kunnenworden.Een vergelijkbaar proces vindt plaatswanneer vliegas aanwezig is: vliegasbestaat hoofdzakelijk uit aluminiumsi-licaat en bevat vrijwel geen calcium.Figuur 2 geeft een schematisch beeldvan een klein deel van het capillaireschuim; direct na het aanmaken ennadat de hydratatie flink op gang isgekomen.Het dichte gel, dat zich aan het opper-vlak van de korrels vormt, is vrijwelimpermeabel. De capillaire ruimtetussen de klinkerkorrels groeit geleide-lijk aan dicht en wordt dus langzamer-hand minder permeabel. Hetzelfdegebeurt- ineenlangzamer tempo -metde ruimte tussen twee slakdeeltjes. Deruimte tussen slak en klinkerdeeltjesCement 1987 nr. 9Water verlaat het poriesysteem voorna~melijk door diffusie via de dampfase.Zoals bij allediffusieprocessenwordtdesnelheid bepaald dooreen drijvendekracht, hier de dampspanningsgradi?ntin hetporiesysteem, en de weerstand diede waterdampmoleculen bij hun ver-plaatsing ondervinden.Veronderstel dat het poriesysteern ineen richting loodrecht op het oppervlakeen, ook in de tijd gezien, gelijkmatigestructuur heeft. Dan betekent dit eentwee maal zo lage snelheid wanneer hetvochtfrontzich twee maal zo diep.onderhetoppervlakbevindt. Ondergelijkblij-vende omstandigheden leidt dit tot eenvariant van de bekende 1e wet van Fiek:De afstand van het vochtfront tot hetbetonoppervlak is, (onder constanteomstandigheden), evenredig met dewortel uit de verdampingstijd.lumineuze porievullende gel wordt hettransport van ionen bij hoge slakgehal-ten vrijwel volledigverhinderd. Interes-sant is daarnaast de sterke invloed vanhet C3A gehalte bij portlandcement.De hoge bestandheid van hoogovence-mentbeton tegen chloridepenetratie,sulfaataantasting en alkali-toeslagreac-tie kan uit de groteweerstand tegen dif-fusie van ionen worden verklaard.Transport van waterHet lijkt voor de hand te liggen om, nade beweging van ionen, de bewegingvan gassen door het poriesysteem te be-spreken. Evenwel de beweging van derelatief zeer grote gasmoleculen is inwaterig milieu en zeker in het nauweporiesysteem van beton, te verwaarlo-zen. Gassen kunnen zich alleen maardoor een uitgedroogd poriesysteemvoortbewegen. Het is dus noodzakelijkom eerst te bezien wat er gebeurt wan-neer beton uitdroogt.Duidelijkis te zien datde diffusieco?ffi~ci?ntafhangtvanhetdiffunderendeion,maar nog veel sterker van het slakgehal-te. Waarschijnlijk ten gevolge van devorming van het eerder genoemde vo-I KL.~S=slakdeeltjeK= klinkerdeeltje1 S~hem.atis~he weergave van dehetonstructuur; cem.entpasta vultde ruim.te tussen de toeslagkorrelsTransport van ionenHet poriewater bevat allerlei ionen, diezich rnet verschillende snelheden in al-lerlei richtingen bewegen. Het isde on-gerichte, thermische beweging. Aan-vankelijk bevat het poriewater veel cal-cium- en sulfaationen. Na enige tijd zijndie echter grotendeels verdwenen: zezijn gebonden aan de cementhydratenof neergeslagen als calciumhydroxide.Op dat mOment zijn het natrium-, ka-lium- en hydroxylionendie de meer-derheid vormen. En misschien ook watr~~~~~~~~~~~~~~--ial dan niet van buitenafbinnengedron-gen chloride-ionen.Bij zo'n aanvoervan buitenafisersprakevan concentratieverschillen. De bewe-r~~~~~~~~~~--~~--1ging van de ionenis dan niet meer onge-t--~-. --1 richt, maar verloopt van hoge naar lageI concentratie. De snelheid van deze be-I S S I weging is evenredig met het concentra~Itieverval, maar bovendien afhankelijkIvan de weerstand die het capillaire po~I riesysteem oplevert. Die weerstand isgedeeltelijk zuiver fYsisch van aard,, maar wordt gedeeltelijk ook veroor-zaakt door de interactie van de ionenI Imet de eveneens geladendeeltjes die hetK K cementgel vorrnen. Het is gebruikelijkI om de totale weerstand uit te drukken~.~~~ .----.-~---l als een 1f?etieve diffusieco?ffici?nt. Zo'nr~~--~~---~-~~~--ico?ffici?nt geldt uiteraard alleen voort-._-_. --1 een cementsteen van een bepaalde sa-I menstelling en hydratatiegraad., S SII DoorBrodersen [1] werden diffusieco?-fici?nten gemeten voor Na- en Cl-io-1nen in cementsteen met een wcf van0,60 na verharding gedurende 28 dagen(tabelt).TaheltDiffusieco?ffici?nt (in cm.2/s incem.entsteen, voor natrium- enchloride-ionen (na 28 dagenverharding)2 Schem.atisch heeld van hetcapillaire systeem. in cem.entpasta(hoogovencem.ent)a. direct na aanm.aken van decementpastab. nadat de hydratatie al flink op gangis gekom.en %klinker %slak D. 10-8Cl-D +.lO~8Naechterwordt bovendiengevuld rneteen,geleidelijk aan steeds dichter wordende,sterk waterhoudende massa van ce-menthydraten, een soort verdund gel.Het is door dit soort poriesysteem dationen en gassen zich moeten voortbe-wegen.100 (C3A-vrij)10085757060504020?o1525304050608010,506,216,114,964,081,520,630,230,06-'4,563,183,222,241,660,420,120,050,03Cement 1987 nr. 9 1760%RVbeton buiten, beschut104 ScheInatisch verloop van hetvochtfront in beton bij afWisselelldregen en een constante RV van 60%. Deveronderstelde evenwichts-RV in hetbeton is gem.iddeld 80%.a = verloop van nat/droog periodenb = beton in weer en wind?c = beton buiten, beschutnatdroogo+-.------_------~- ~mm246IBETONTECHNOLOGIE3+-----+-----il-4-+----,I--+---_+_IMATERIALEN..c:~'.~.......al~~ 2+--------+-clillil0\oB- 1E'"",l..-~ 03Invloed vanomgevingstelYlperatuur, relatievevochtigheid en verdalYlpingssnelheidvan water aan het betonoppervlak.Vochifront in uitdrogend betonZojuist is gesproken over een vocht-front. Dat is echter een niet helemaalverantwoorde simplificatie. Het capil-laire poriesysteem bestaat overal uit eencombinatie van pori?n, vari?rend vanvrij groftot uitermate f~n. Door capil-laire krachten is de evenwichtswater-dampspanning lager naarmate de po~ri?n f~ner zijn. Gegeven een afnemendewaterdampspanning in de richting vanhet oppervlak, betekent dit dat in derichting van dat oppervlaksteeds f~nerepori?naan hetverdampingsproces mee-doen. Er is dus geen scherp vochtfrontmaar een geleidelijke afname van hetvochtgehalte in de richting van het be-tonoppervlak. Hoe deze vochtverdelingop een bepaald moment is, hangt onderandere afvan de poriegrootteverdeling.Behalve de poriegrootteverdeling zijnuiteraard ook de temperatuur en rela-tieve vochtigheid van de buitenlucht ende betontemperatuur bepalend voor deverdampingssnelheid. In dat verbandwordt dikwijls gebruik gemaaktvan hetin figuur 3 weergegeven nomogram.Het feit dat de poriestructuur er niet invoorkomtbetekental dathet nietbruik-baar is om de uitdroging van beton tevoorspellen. Wat weergegeven wordt isde verdampingssnelheid van water datzich op het betonoppervlak bevindt,niet van water uit het inwendige.Ais, na een periode van constante om~standigheden, de waterdampspanningvan de buitenlucht stijgt, dan zal, nu vanbuiten naar binnen, water condenserenin die pori?n die het laatste zijn uitge-droogd. Bij wisselende waterdamp-spanning van de buitenlncht zal er dusookeen golvendvochtfrontin hetbetonontstaan,waarbijhetwoord 'front' indejuist omschreven zin moet worden ver-staan. De spanningsgolven zullen daar-bij van buiten naar binnen steedssterkerworden gedempt.ViJchtbewegingin betondataanweeren windis blootgesteldDe situatie wordt nog gecompliceerderwanneer vocht niet alleen in de vormvanwaterdampde pori?n binnendringt,maar ook als water ten gevolge van be-vochtiging. Door capillaire opzuigingkan het water de grovere pori?n snelbinnendringen. Naarmate de pori?n f~ner zijn, verloopt de opzuiging echterlangzamer: de weerstand neemt snellertoe dan de opzuigende kracht. Geleide~lijk aan zal er een herverdeling moetenplaatsvinden waarbij de f~nere pori?nde bij een evenwichtstoestand behoren-de hoeveelheid water verkrijgen. Dieherverdeling kan ook via verdampingen condensatie verlopen.Door hetbinnendringendewaterwordtin de pori?n aanwezige luchtopgeslotenen samengedrukt. Niet onbelangrijk isverder dat het water ook erin opgelosteionen met zich mee kan voeren.In dit verband moet worden opgemerktdat het cementgel wel een grote weer-stand vertoont ten opzichte van ionen,maar een veel geringere weerstand tenopzichte van water. Het gel gedraagtzich dus als een semi-permeabel mate-riaal. Dat geldtin het bijzondervoor hetvolumineuze gel van hoogovencement-beton.Hetzalduidelijkzijndatvochtbewegin-gen in beton dat aan weer en wind isblootgesteld, nauwelijks mathematischte beschrijvenzijn. Fignur4 toontechterschematisch een mogelijk verloop, uit-gaande van plotselinge afWisselingenvanperioden met regen en periodenvandroog weer met een constante relatievevochtigheid van zeg 60%.Vochtbeweging in beschut betonIets eenvoudiger is de situatie waarbijbetoninde buitenluchtisbeschermd te-gen regeninslag. Figuur 4c geeft sche-matisch aan hoe hetvochtfront zich on-der de hierboven omschreven omstan-digheden zou kunnen gedragen.De situatie in een binnenklimaat ten-slotte, met een vrij constante tempera-tuur en relatievevochtigheid, is hetsim-pelst. Het waterfront zal zich waar-schijnlijk min of meer overeenkomstigde wortel~tijd-formulenaar binnen be-wegen.Min ofmeer, omdat bij al deze proces-senbedacht moetworden dat de buiten~huid van beton vaak een grovere porie-struCtuur heeft dan het dieper gelegenmateriaal en bovendien de poriestruc-tuur door voortgaande hydratatie in detijd ook steeds f~ner wordt. Het gevolg18 Cement 1987 nr. 9Chemische reacties in enmet betonMeten van dijfusiecoifficientenOm de zuivere diffusieco?ffici?ntenvan gassen in beton te kunnen meten,moet het beton worden uitgedroogd.Het gevaaris groot dat daarbij de porie-structuur sterk wordt gewijzigd, zekerwanneer het uitdrogen geforceerd ge-beurt.Eendaarnagemetendiffusieco?f-fici?nt zegt dan niet veel meer.Hoe groter de vullingsgraad van de po-ri?n hoe kleiner deze co?ffici?nt. Enomdatin het algemeen devullingsgraadvan het oppervlak naar binnen tOe toe-neemt, zal ook de diffusieco?ffici?nt indeze richting van plaats tot plaats wijzi-gen. In de praktijk is het dus uiterstmoeilijk om iets over de snelheid van dezuurstofdiffusie te zeggen.ZurenCementsteen is een verbinding vankiezelzuur en kalk. Omdat kiezelzuureen zeer zwak zuur is, kunnen zelfszwakke zuren als koolzuur de cement-steen omzetten in - in dit geval ~ cal-ciumcarbonaat en kiezelzuur.In principewordtde ernstvande aantas-ting bepaald door de pH van de zurevloeistof. In ontwerp NEN 5996'Bepaling van de agressiviteit vanwaterige oplossingen, gronden en gas-sen', wordt de volgende beoordeling ge-geven:gehalte kalkoplossendCO2 (mg/liter)15 - 3030 - 6060 - 100> 100agressiviteitKoolzuurgasBepaalde zuurvormende gassen (kool-zuurgas, zwavelwaterstofgas, zwavel~dioxide) kunnen reageren met de kalkuit de cementsteen. Deze reacties verlo-Het bijzondere van de aantasting doorzuren is dat deze in het algemeen vanbuitenaf plaatsvindt. Uit het betonop-pervlak wordt, afhankelijk van de matevan agressiviteit meer ofminder snel decementsteenopgelost.Het toeslagmate-riaal blijft achter en verliest geleidelijkaan zijn verband. Bij aanwezigheid vankalksteen of dolomiet als toeslagmate-riaal zal ook dit oplossen. Gedeeltelijkmaakt dit de aantasting ernstiger omdathet hele oppervlakwordt aangetast. Aande andere kant vQrmt het toeslagmate-riaal in dit geval een buffer, die belang~rijke hoeveelheden zuur onschadelijkkan maken.De bepalingvan de hoeveelheid kalkop-lossend koolzuur is omschreven in deDuitse norm DIN 4030.Organische zuren zijn over hetalgemeen minder sterk dan mineralezuren. Toch kunnen zuren als azijnzuurenmelkzuurbetonernstigaantasten. Delaatste tijd is de aantasting van betondoor de sterk zure sappen van ma?sonder de aandacht gekomen.Een bijzonder geval is de expositie aanzacht, koolzuurhoudend water. Ditwater is in staat om calciumcarbonaatom te zetten in het goed oplosbarecalciumcarbonaat. NEN 5996 geeft devolgende beoordeling:Het gevaarlijkst zijn de sterke mineralezuren zwavelzuur, zoutzuur en salpe-terzuur. Zelfs in sterke verdunningvallen deze nog in de klasse 'zeer sterkagressief'.Eenzwakmineraalzuuris zwavelwater-stof, dat onder andere voorkomt inafvalwater. Op zich zelf is het te zwakom beton aan te tasten. Aan de luchtwordt het echter geoxideerdtot zwavel-zuur. De aantasting van afvalwatercon-structies en met name van rioolbuizenwordt door dit proces veroorzaakt. Inhet volgende artikel van deze seriewordt er op teruggekomen.zwakmatigsterkzeer sterk6,5 - 5,55,5 - 4,54,5 - 4,0