IMATERIALEN IDUURZAAMHEID IONDERHOUD EN REPARATffiVANBETONCONSTRUCTffiS(N)SCHADEMECHANISMENC. VORST- EN DOOIZOUTSCHADEW.Buist, Cementfabriek Ijmuiden (CEMIJ) bv, IjmuidenDe belangrijkste oorzaken van schade aan beton zijn, onder Nederlandseomstandigheden, wapeningscorrosie en vorst in combinatie met dooizouten. In dezeaflevering wordt dieper ingegaan op het schademechanisme bijvorst-dooizoutschade, wat niet zo eenvoudig is als het misschien lijkt. Ook demogelijke preventieve maatregelen worden genoemd.Inde voorgaande twee afleveringen? van deze serie is ingegaan op diffu-sieprocessen in beton en op chemi-sche aantasting. Misschien is het metbe-trekking tot chemische aantasting trou-wens beter om te spreken over aantas-ting door chemicali?n. Zowel bij sul-faataantasting als bij alkali-toeslagreac-tie is het niet zozeer de chemische reac-tie alswel hetvolumevan de reactiepro-dukten dat tot de uiteindelijke schadeleidt.De tweevoor de praktijk waarschijnlijkwel de belangrijkste oorzaken van scha-de zijn corrosie van de wapening envorst, de laatste met name incombinatiemet het gebruik van dooizouten. Beidezijn, net als de eerder besprokensulfaat-aantasting en alkali-toeslagreactie hetgevolg van expansie.In dit deel van de serie wordtwat dieperingegaan op vorst- en dooizoutschade;wapeningcorrosie verdient aparte he-handeling en komt in de volgende afle~vering aan de orde.In de bespreking van vorst- en dooi-zoutschade ligt het accent weer op hetschademechanisme. Daarbij moetenechter al direct een drietal zaken wor-den vastgesteld:- Zuivere vorstschade van beton komtin Nederland vrijwel niet voor; in onsland is schade bijna altijd het gevolgvan een combinatie van vorst en hetgebruik van dooizouten. Om het me-chanismevan dooizoutschade te kun-nen begrijpen, is het nuttig om tocheerstin te gaan op zuiverevorstschade.~ Zelfs over het schijnbaar zo simpelemechanisme van zuivere vorstschadezijn de deskundigen het op verschil-50lende punten nieteens. Laatstaan overdooizoutschade.- Mede een gevolg van het bovenstaan-de is, dat er geen algemeen geaccep-teerde methode is om schade doorvorst in combinatie met dooizoutenop laboratoriumschaal te onderzoe-ken. Datwil niet zeggen dat laborato-riumonderzoeknutteloos is, maarweldat vrijwel altijd de praktijksituatie inbepaalde opzichten op essenti?le ma-nier afwijkt van de proefomstandig-heden, en dat het schadebeeld in depraktijk dus anders uit kan pakkendan op grond van de metingen konworden verwacht.VorstschadeDe directe oorzaak van vorstschade isheel simpel: bij de overgang vanwaterinijs treedt een volumetoename op vancirca 9%. Als daar geen ruimte voor is,bezwijkt de omgeving. Een met watergevulde fles vriest stuk hij strenge vorstomdat er geen ruimte is voor devolumetoename en het glas de drukvanhet ijs niet kan weerstaan. Op dezelfdemanier kan ook bevriezend water inbeton ofandere steenachtige materialendeze matrix stuk drukken. Zo zijn zanden grind uit onze rivieren in wezen hetresultaat van een dergelijke werking.Gelukkig voor de duurzaamheid vanbeton is het verloop van het procesechter niet zo simpel. Onder onzeklimatologische omstandigheden komtvorstschade eigenlijk alleen maar voorbij zeer jong beton of, in het geval van?ouder beton, misschien een enkele keeraan een oppervlak dat helemaal geengelegenheid krijgt om tussen de vorst-periodes weer wat uit te drogen. Eenvoortdurend natte plek op een slechtafwaterende galerij zou een voorbeeldkunnen zijn, maar het blijft altijd devraag of er ook niet met zout .isgestrooid.Op de invloedvanzoutkomenwe straksuitgebreid terug; eerst de werking vanzuivere vorst. zelfs het stukvriezen vanbovengenoemde fles blijkt dan bijnadere beschouwing minder simpel teverlopen dan op het eerste gezicht leek.Het volgende proefje is in dit opzichtleerzaam.Vul een medicijnflesje met een nauwehals tot aan de rand metwater, zet het inhet diepvriescompartiment van dekoelkast en kijk wat er gebeurt.Er vormt zich allereerst een ijsvliesje ophet oppervlak, dat zichzelf echter doordevolumetoename ooksteeds weer stukdrukr. Er ontstaat zo langzamerhandeen propje ijs aan de bovenkant, terwijlook ijs van de zijkant naarbinnen groeit.Dit laatste sluit de opening naar buitengeleidelijk af Zodra dat hetgeval is, kaneen veel sterkere drukopbouw wordenverwacht. Nu blijkt ijs een materiaal tezijn, dat zich onder druk gemakkelijkvervormt. Het eerder gevormde ijswordt door de hals uit het flesje gedrukten vervormt daarbij tot een mooi rondzuiltje, waar als een soort paddestoel-hoed de eerder gevormde ijspropbovenop troont. Weer wat later wordtde druk misschien toch te groot enontstaan barsten in het glas. Figuur 1schetst een heeld van de eindtoestand.Interessant is daarbij de vorming vanCement 1987 nr. 11ijsprop- door flessehalsgeperst ijs1 IJsvorming in een flesje. Het eerst. gevormde ijslaagje wordt als eenprop uit de flessehals gedruktfoto: Vorst/dooizoutsehade aan eenbetonweg. Op plaatsen waar degrindkorrels dicht onder het oppervlakliggen. is de eementhnid afgedrukt(sealing)een witte, ondoorzichtige kegel in hetcentrum van het flesje. Het zijn zeerf~ne luchtbelletjes, lucht die in hetwater was opgeloSt en bij het bevriezengeen plaats in het kristalrooster konvinden.Het flesje blijft langer heel wanneer dedrukopbouw minder snel plaats vindt(minder sterke koeling, een wijdere halsvan het flesje), en natuurlijk ookwanneer het glas meer spanning kanopnemen.We kunnen de gang van zaken nuproberen te vertalen naar het gedragvanbevriezend water in een porie van decementsteen. Er is wel een essentieelverschil: in deze pori?n spelen, door devele malen kleinere afmetingen, capil-laire krachten een rol. Een belangrijkgevolg is een verlaging van hetvriespunt, die sterker is naarmate deporie geringere afmetingen heeft. In degelpori?n is zelfs bij -80?C nog wateraanwezig.Onder onze klimatologische omstan~digheden zal door deze vriespuntdalingnooit meer dan ruwweg een derde deelvan het poriewater bevriezen.De rest, inde f~nere pori?n, blijft vloeibaar,hoewelvloeibaarheid nu nietbepaalddemeest opvallende eigenschap is van ditwater.Een vergelijking met hevriezendegrondHet effect van poriestructuur en capil-laire krachten op het vriesgedrag is,duidelijker dan bij beton,waar te nemenbij bevriezende grond.Zandgrond bevatin verzadigde toestand misschien zo'nCement 1987 nr. 1130% water. Als dat allemaal bevriest, ende vorst tot een diepte van 50 cmdoordringt, dan moet het oppervlakcirca 1,5 cm omhoog worden gedrukt.Dat is niet veel, en omdat zandgrondbovendien bijna nooit helemaal metwater isverzadigd, is inde praktijkinhetgeval van zandgrond vrijwel nooit ietsvan de gevolgen van vorst te merken.Grifcapilla?re systemen zijn dus n?et vorst-gevoel?gHeel anders echter is de situatie in hetgeval van kleigrond. De korrels zijnveelfyner, gedeeltelijk zelfs van collo?daleafmetingen. Dat heeft niet alleen totgevolg dat de grond veel sterker water-verzadigd zal zijn, maar ook datdoor decapillaire krachten een flink deel vanhet door dekorrels geabsorbeerdewaternooit zal bevriezen. Ook hier zijn vries-pulltsverlagingen tot -70?C teverwachten.In de wat grovere pori?n zal het waterwel bevriezen, maar het ijs kan door deheersende capillaire krachten nietin hetormingende, fynere poriesysteemdoordringen. Het niet bevroren~waterop watdiepere niveaus heeft eengroterewaterdampspanning dan het gevormdeijs. Zelfs bij gelijke temperatuur: hetijsisde stabiele fase. Dat wil niet zeggen dathet transport via de dampfase moetverlopen. Het verschil in oppervlakte-energie - zeg maar osmotische druk-van water en ijs zuigt als het ware waternaar hetijs toe,waar hetdan bevriest. Dehoeveelheid ijs neemt dus plaatselijksterk toe terwijl de ondergronduitdroogt en zelfs krimpscheuren kangaan vertonen. Bevroren klei vertoontdoor dit proces in doorsnede eenhorizontaal gelaagde structuur vanlensvormige insluitsels: ijslenzen.Omdat de toplaag water uit deonderlaag opzuigt is de uitzetting in ditgeval veel groter dan in het geval vanzandgrond. Een wegdek op een nietgoed voorbereide kleigrond kan doordit opvriezen sterke schade oplopen.Terug naar hetonEen vergelijkbaar proces vindt plaatswanneer pas gestort of nog zeer jongbeton aan vorst wordt blootgesteld.Zodra hetbetonvoldoende sterkte heeftverkregen, behoudt het schijnbaar zijnStructuur maar ook dan nog kan, zij hetop microschaal, ijslensvormingoptreden. Het grootste deel van devolumetoename moet nu echter op eenandere manier worden verwerkt. Datkan alleen maar doordat het zichvormende ijs water voor zich uitdrukttotdat dit een expansieruimte vindt inde buitenlucht ofin met lucht gevuldepori?n in het beton. Die pori?n kunnenbestaan uit bij het verdichten achterge-bleven lucht, uit bewust ingebrachteluchtbelletjes, maar ook uit pori?n diehun water zijn kwijtgeraakt dooruitdroging ofverhardingskrimp.Nu bevatbeton, ookzondergebruikvaneen luchtbelvormer of zonder uitge-droogd te zijn, in het algemeen eenhoeveelheid luchtdie ruimvoldoende isom de expansie op te nemen. Wanneerwe aannemen dat de hydratatiegraad50 %bedraagt en dat 113 deel van hetporiewater bevriest, dan is dat per m3beton zo'n 30 liter water, resulterend ineen uitzetting van 0,3 %van het beton-51IMATERIALENvolume. Het luchtgehalte van beton isnormaal zo'n 1 ? 2 %. Dat zou dus alruim voldoende moeten zijn.Daar komt bij dat bij de hydratatie eenverhardingskrimp optreedt van circa70 ml per kg gehydrateerd cement. Bijeen cementgehalte van 320 kg/m3eneen hydratatiegraad van 50 %is dit nogeens ruim 1%aan vrijkomende ruimte.In eerste instantie zal deze alleen verza-digde waterdamp bevatten. onder debijbehorende, lage druk. Deze ruimtewordt vervolgens langzaam opgevulddoor aangezogen, omringend porie-water. Uiteindelijk zal het betonopper-vlak, afhankelijkvan de bewaaromstan-digheden lucht aanzuigen dan welwater. De aangezogen lucht bevindtzich inde oppervlaktelaag,dusjuistdaarwaar hij nodig is als expansieruimte bijvorst.Het essenti?le probleemHet probleem van vorst zit hem, geziendit alles, dan ook niet in eerste instantiein de uitwijkmogelijkheden, maar veelmeer in de weg die het poriewater moetafleggenomde epxansieruimteteberei-ken. Diewegbestaat uithet?nafleveringII van deze serie geschetste systeem vanvliesdunne waterfilmpjes rondom hetf~ne toeslagmateriaal en de met ce-mentgel bedekte cementkorrel1jes.Stroming van water door deze f~ne ca-pillairen levert een weerstand op diezich uit als een hydraulische druk. Het isdeze druk die, als hij de treksterkte terplaatse overschrijdt, op zijn minst mi-croscheurtjes veroorzaakt. Herhaaldewisselingen van vorst en dooi vererge-ren de situatie, omdat de microscheur-tjes zelfeengoedebronzijnvoorverderescheurvorming.De wet van Poiseuille geeft het verbandaan tussen de per tijdseenheid door eencapillair stromende hoeveelheid vloei-stofen de druk die daarbij door de wrij-vingsweerstand wordt opgewekt. Zeluidt:~ ~ 81) dVdl nr4dtwaarbijdV/dt de stroomsnelheid is in m 3/s,1) de dynamische viscositeit in N . s/m2,r de straal van de capillair in men dp/dl het drukverval in de porie inN/m2perm.Nu is de stroming in cilindervormigekanalen natuurlijk wel iets anders danstroming in het schuimachtige porie-systeem van beton, (een schuimmassawaarbij men de luchtin gedachten moetvervangen door zand, grind en cement~52IDJJURZAAMHEIDdeeltjes), maar de belangrijkste factorenen hun relatieve invloed zullen nietprincipieel verschillend zijn.Van belang is dan dat dVIdtde hoeveel-heid water is die per tijdseenheid doorde ijsvorming wordt verplaatst.. Hoesneller de ijsvorming hoe groter dV/dt.Verder is van belang datde porie-afme-ting als vierde machtverschijnten daar-door een sterke invloed heeft en dat dedrukopbouw evenredig is met destroomsnelheidvan het water en metdelengte van de af te leggen weg. Met be-trekking tot de viscositeit is het van be-lang dat de viscositeit van een zoutop-lossing groteris dan van zuiver water endat de viscositeit toeneemt bij lageretemperaturen.Gezien het bovenstaande zullen de op-gewekte spanningen groter zijn naar~mate:..:. de ijsvorming sneller verloopt;- de weg naar een expansieruimte lan-ger en nauwer is;- er meer bevriesbaar water is;- de temperatuur van het water lager isen het zoutgehalte hoger.Snelheid van ijsvormingDe snelheid van de ijsvorming is in depraktijk een belangrijke factor. Hij isgroter naarmate de warmte die bij hetbevriezen vrijkomt sneller kan wordenafgevoerd. De soortelijke warmte vanhet medium dat de warmte op moet ne-men heeft daarbij een grote invloed.Daarom alleen al is een zoutoplossingmeteen temperatuurvan-15 ?Cveelge-vaarlijker dan lucht van dezelfde tem-peratuur. Bij afvoer naar de lucht speeltbovendien de lagere warmte-over-drachtsco?ffici?nteen gunstige rol.Een aparte factor die vergrotend werktop de snelheid van ijsvorming is het feitdat water tot ruim beneden zijn vries-punt kan afkoelen, zonder dat ijsvor-ming optreedt. Ontstaat dan ergens eenijskristalle1je, dan wordt de rest van hetonderkoeldewaterzeersnelin ijsomge-zet. Dit risico is het grootst in beton meteen lagere water-cementfactor, omdatdaar de capillairen met bevriesbaar wa-ter in mindere mate een doorlopendsysteem vormen.Ook de betontemperatuur speelt eenbelangrijke rol. Hoe lager deze tempe-ratuur, hoe groter de hoeveelheid be-vriesbaar water en hoe nauwer de reste-rende nog met water gevulde pori?nwaardoor het transport naar de expan-sieruimte moet plaatsvinden. Boven-dien is bij lagere temperaturen devisco-siteitvanhet te verplaatsenwater groter.Dat zal een reden zijn dat zuivere vorst-schadewelvoorkomtinmeernoordelij-ke streken met een landklimaat.In Nederland zijn de omstandighedendaarvoor echter te mild. Schade die hieroptreedt is vrijwel altijd het gevolg vande combinatie van vorst en het gebruikvan dooizouten. We zullen nu bekijkenhoe dat komt en hoe, bij het gebruikvandooizouten, bovenvermelde factorenwel tot uiting komen.DooizoutschadeDooizouten worden toegepast opbetonoppervlakken die bedekt zijn metsneeuw of ijs. Dat betekent dat althanseen deel van het poriewater in detoplaag is bevroren. Het principe isgebaseerd op het feit dat het vriespuntvan een waterige zoutoplossing lager isdan dat van zuiver water. Een oplossingvan calciumchloride bijvoorbeeld meteen concentratie van 20 gil bevriest pasbij een temperatuur van -50 oe.In de praktijk wordt als dooizoutmeestal keukenzout, NaCl, gebruikt.Uit het in figuur 2schematischweerge-geven fasendiagram blijkt dat de eutec-temperatuur, dat wil zeggen deminimale evenwichtstemperatuur ijslvloeistof, circa _20?C bedraagt. Vastefase is in dit geval - naast ijs-NaCI . 2H20. Kristallisatie van ditvolumineuze hydraat kan ook bijtemperaturen boven -20 ?C plaatsvinden, namelijk door afkoeling vanNaCl-oplossingen met een concen-tratie boven circa 30 gil.Wanneer nu ijs in contact komt metkeukenzout, dan zoekt het mengsel zijnthermodynamische evenwichtstoe-stand. Die is alleen te bereiken wanneerhet ijs smelt en het zout in het smelt-water oplost.Zowel voor het smelten van het ijs alsvoorhetoplossenvanhetzout iswarmtenodig; voor het eerste verreweg hetmeest. Deze warmte wordt onttrokkenaan het smeltende mengsel en aan hetonderliggende beton. Kenmerkend isdus dat niet alleen sneeuwenijs smeltenen dat zout oplost, maar ook dat detemperatuur van het geheel daalt.Hoeveel deze daling bedraagt en hoesnel de afkoeling plaats vindt, hangt afvan de omstandigheden. Onder ongun-stige omstandigheden zijn tempera-tuurdalingen in de orde van 10 ?Cbinnen een tijdsbestek van een minuutgemeten.Voor de eigenschappen van het betonzijn twee zaken van belang: de tempera-tuurdaling die, vrij plotseling, door hetsmeltenvan hetijswordtveroorzaaktenhet feit dat het beton in contact komtmet een vrij geconcentreerde zoutop-lossing.Wat temperatuur betreft lijkt het alsofCement 1987 nr. 11-~ dit water bevriest enveroorzaakt sealing~ dit water bevriest enveroorzaakt verzwakkingvan de structuurtemperatuur voor strooien dooizoutNa ClNa (I. 2H 0I I I30 40 50%NaCI ~120zoutoplossingI10-10-Ys.. zoutoplossing-20- ~ - _ - ~_-.L _ijs + zout-30-Ioj 20~O(10-O~2 Fasendiagram van een keukenzoutoplossing (NaCl). Bijeen concentratie van 30 g/lligt deevenwichtstemperatuur ijs/vloeistofbij circa -20?C3Verloop van de temperatuur en het vriespunt vanporiewater, voor en na het strooien met dooizouthet betonoppervlak plotseling wordtblootgesteld aan de inwerking vanstrenge vorst. Het gevolg is het vrij snelbevriezen van water in tot dan ijsvrijepori?n. Beton met een wat f~ner porie-systeemis daarbij inhetnadeel omdatdedoor het vriezen veroorzaakte hogerehydraulische druk de eveneens hogeretreksterkte kan overtreffen. Is hetporie-systeem echter als geheel zeer f~n, dan iser weinig bevriesbaar water en wordt dekans op schade weer kleiner. Niet alleenmaterialen met een grove poriestructuur,maarookmaterialen meteenzeerfijneporie-structuur zijn vorstbestand. Het zijnmaterialen met een gemengde structuur dieproblemengeven.Ook het feit dat het beton met eengeconcentreerde zoutoplossing incontact staat is van belang. Dit zoutdringt ook de pori?n binnen en veroor-zaakt door de grotere viscositeit eentoename van de hydraulische druk bijijsvorming. Dat binnendringen wordtvergemakkelijktdoordatde uitzettings-co?ffici?nt van ijs veel groter is dan vanbeton. Door de afkoeling na hetzoutstrooien krimpt het ijs in de pori?ndus meer dan de porie zelfen wordt hetsmeltwater naar binnen gezogen.Omgekeerd zal ijs bij opwarmen meeruitzetten dan het beton en daardoordruk op de poriewand en het aangren-zende water uitoefenen. Wanneer deijsmassa tijdens de koude periode deporie geheel heeft gevuld, kan dezeuitzetdruk meehelpen aan de vormingvan microscheuren.Een belangrijk bijkomend gevolg vanhet pompeffect ten gevolge vanherhaald afkoelen en opwarmen is datde waterverzadiging in het betonop-pervlak toeneemt. In dit geval is betonmet een dichte poriestructuur juist inhet voordeel: het zoute water dringtminder gemakkelijk het poriesysteembinnen en verliest ook minder gemak-kelijk zijn lucht.Het proces kan zich herhalen doorwegspoelen van het zout aan het beton-oppervlak, gevolgd door nieuweijsvorming en nieuwe zoutapplicatie.Het gevolg is dat na een aantal vandergelijke vorst-dooicycli naast eenverzwakking van het betonoppervlakdoor het herhaalde effect van snelafkoelen en een toenemende waterver~zadiging, een vari?rende zoutconcen-tratie in de pori?n van dat oppervlakontstaat. Globaal gezien zal dezeconcentratie naar binnen toe afnemen,maar regelmatig zal deze afname nietzijn.Erzullen plaatsen voorkomenwaarde concentratie minder snel afneemt ofmisschien zelfs toeneemt. Dat betekentdat ookhetvriespuntvanhetporiewaternaar binnen toe op dezelfde onregel-matige manier toeneemt: een lagereconcentratie betekent een hogervriespunt. In dit vriespuntverloop moetwaarschijnlijk de belangrijkste oorzaakvan een karakteristieke vorm vandooizoutschade, scaling, wordengezocht. Bij een nieuwe vorstaanvalbevriest water in pori?n met een lagezoutconcentratie die niet te ver van hetoppervlak liggen.Bij applicatie van zout bevriest door detemperatuurdaling ook tussenliggendwater. Dat is echter ingesloten doorpori?n die al met ijs zijn gevuld. Eenexpansieruimte is niet te bereiken en debovenliggende laag wordt afgedrukt.Figuur 3 geeft een schematisch beeldvan het verloop.Verschil hoogovencement-port-landcementHetis interessantom, metbehulpvandebeschreven factoren een verklaring tezoeken van hetverschil in gedrag tussenhoogovencement- en portlandcement-beton, al dan niet met vliegastoe-voeging, zoals dit bleek uit hetonderzoek van de CUR-onderzoek-commissie B33, beschreven in Cementnr. 9 1987 door irJ.G.Wiebenga.Belangrijkis de voorbehandeling van deproefstukken: eerst 7 dagen in eenvochtkamer, dan 5wekenbij 65 %RVentenslotte 4 dagen onder water; dit allesbij 20 oe.Bij het verblijf in de vochtkamer zalgeen water zijn verdampt, maar er kandoor verhardingskrimp wel lucht naarbinnen worden gezogen. In de daarop-volgende periode speelt uitdroging eenrol. Het 4 dagen onder water bewarenvoor de aanvang van de proeven heeftnauwelijks invloed op de waterverza-diging. De aanwezige lucht wordthoogstens iets naar binnen gedrukt,maar blijft in het oppervlak aanwezig.Bij geen enkele betonsamenstellingkon,na 25 zuivere vorstldooieycli, schadevan enige omvang worden geconsta-teerd. Zodra echter dooizouten in hetspel kwamen werd - bij hoogovence-mentbeton al vanafhet begin, bij port-landcementbeton na 10 cycli - in toene-mende mate schadegeconstateerd in devorm van afschilveringen van het be-tonoppervlak.In figuur 4 is het gemiddelde massaver-lies nog eens weergegeven, waarbij inverbandmet afen toe voorkomende ex~treme waarden niet het rekenkundiggemiddelde, maar de mediaan is ge-bruikt. Er kunnen duidelijk twee soor-ten verloop worden geconstateerd:- Bij betonmethoogovencementwordtvanafhet begin massaverlies waarge-nomen. De snelheid van aantastenneemt geleidelijk iets af. Bij vervan-ging van 40 kg/m3cement door een-zelfde hoeveelheid vliegas is het ver-loop hetzelfde maar de' aantasting iscirca twee maal zo groot.- Zowel bij beton met portlandcementals beton waarbij een deel van hetportlandcementwerdvervangendoorvliegas, begint pas na 10 cycli merkba-re schade op te treden. Het massaver-lies per cyclus is aanvankelijk zeergroot, 4 tot 5 maal zo groot als bijhoogovencement. Het verlies per cy-Cement 1987 nr. 11 53? 4000'"E.........Ol:; 3000.!!!LQJ>ro~ 2000roE1000IMATERIALEN IDUURZAAMHEID300 HC~HC =hoogovencementPC =portandcementv= vliegasK=klinkero 5 10 15 20 25vorst I dooizout cycli ~4 Massaverlies (vorst-dooizoutschade) van verschillendebetonsamenstellingen, waaruit ook de invloed vangedeeltelijke vervanging van cement door vliegas blijkt[bron: CDR-de B33 "Vliegas in beton']5 Schematische weergave van verschil in poriestructuurtussen portlandcernentbeton, hoogovencementbeton enbeton met vliegas. De permeabiliteit wordt bepaald door dediameter van de open pori?n en (in nog sterkere mate) doorde met volumineus gel gevulde pori?nclus neemt daarna af, maar is na 25 cy-cli toch nog bijna zo groot als bij betonmet hoogovencement.Vervanging van cement door vliegasheeftook in ditgeval een toenamevanhet massaverlies tot gevolg, maar inveel mindere mate dan bij hoogoven-cement het geval was.VerklaringAl met al een markantverloop. Voor eenverklaring moeten we eerst nog evenkijken naar het verschil in poriestruc-tuurbij de diverse combinatiesvanklin~ker, slak en vliegas. Figuur 5 geeft eenbeeld.Ter verklaring het volgende:>I< Een porie tussen twee klinkerdeeltjeswordt begrensd door een vrijwel im-permeabele, viltige massa vancementhydraten. In de tussenliggen-de, nog niet d?chtgegroeide ruimteslaat de overmaat aan calciumhydro-xide neer in de vorm van naarverhou-ding zeer grove kristallen.* Bij een porie, begrensd door een slak-en een klinkerdeeltje worden de wan-den eveneensgevormd door de viltigemassa van cementhydraten. Deze laagis misschien wat dikker op het klin-keroppervlak dan op het slakopper-vlak. De ruimte tussen deze lagenblijft nu echter niet leeg. De overmaatvan door de klinker geleverde kalk endoor de slak geleverd kiezelzuur rea-geert envultde porie met eenvolumi-neus cementgel, datweliswaar minderdicht is dan de viltige massa, maar welde totale permeabiliteit van de poriesterk verlaagt. Het porievullende gelverliest zijn dichtende werking vooreen deel wanneer de porie uitdroogt.Het gel scheurt tengevolge van de danoptredende krimpspanningen.54* Bij de combinatie van een klinker-deeltje met een vliegasdeeltje is hetverloopvergelijkbaar,zij hetdatop hetvliegasoppervlak de dichte laag vancementhydraten vrijwel ontbreekt.* De combinatie van twee slakdeeltjesgeeft eenzelfde beeld als twee klinker-deeltjes:eenhydraatlaag op hetopper-vlakvande deeltjes eneenverderopenporie. (Uiteraard ontbreken de kalk-kristallen.) De uiteinden van de rela-tief open porie kunnen echter welworden afgedicht, wanneer hier kalkuit de omgeving arriveert. .* Hetzelfde geldt, afgezien van de ce-mentgellaag op het oppervlak van dedeeltjes, voor de combinatie vliegas-slak en vliegas-vliegas.Bij de aanvang van de dooizoutproevenis, tengevolgevandewijzevannabehan-delen, het oppervlak gedeeltelijk uitge-droogd. Door de uitdroging zal de po-riestructuur van het beton met port-landcement aan het oppervlak nog hetmeest dicht zijn; iets onder het opper-vlak zal het beton methoogovencementhet qua dichtheid echter winnen. Ver-vanging van cement door vliegas zal inhet geval van portlandcement een ver-mindering van de permeabiliteit bete-kenen, in het geval van hoogovence-ment mogelijk een vergroting van depermeabiliteit, maar zeker geen verbe-tering.Bij de eerste vorst-dooizoutcyclus be-vriesthetwater in de huidvan hetbeton.Wanneer de vorstgrens meer naar bin-nen trekt, blijktdat er in hetpermeabeleportlandcementbeton voldoende ex-pansieruimte is. Er ontStaan misschienwat microscheurtjes in het oppervlak, .maar er is geen materiaalverlies. De on-derlaag is bij het beton met hoogoven-cement dichter, zodat de expansieruim-ten moeilijker worden bereikt. De top-laag ondervindt daardoor in dit gevalwel schade. Bij volgende cycli verdwijntlangzamerhand de altijd wat zwakkeretoplaag en omdat de waterverzadigingvan de onderliggende laag maar weinigtoeneemt, neemt de schade geleidelijkaan af.Gedeeltelijke vervanging van hoog-ovencementdoor vliegas heeft, afgezienvan de invloed op de permeabiliteit, eenongunstige invloed op de .treksterktevan de cementhuid. Deze vervangingveroorzaakt daardoor een duidelijketoename van de schade.Bij het portlandcementbeton neemt dewaterverzadiging bij elke cyclus toe,totdat na circa 10 cycli het poriewatergeen uitweg meer kan vinden. De in-middels geleidelijk zwakker gewordenbovenlaag vriest nu in een keer af. Bijvolgende cycli is het verloop als bijhoogovencement, maar door de groterewaterverzadiging is de schade per cyclusgroter. Bij voortzetting van de proefmoet men een sterke toename van deschade door volledige waterverzadigingverwachten, zoals ook uit ander, verge-lijkbaar onderzoek is gebleken.Vervanging van portlandcement doorvliegas heeft een tweeledig effect: Depermeabiliteitwordt, doorvormingvanporievullend gel kleiner, maar tevensvermindert de treksterkte door de ver-vanging van cement door een op zijnminstminder reactiefmateriaal. Uit hetresultaatblijkt dat hetverlies aan sterktevoor een belangrijk deel wordt gecom-penseerd door winst aan dichtheid endaardoor minder snelle waterverzadi-gmg.Gebruik van luchtbelvormersHet onderzochte beton was bewust nietCement 1987 nr. 11De verklaringvan sealing uithetbevrie-zenvanporiewater tussen tweeijslaagjesten gevolge van verschillen in zoutcon-centratie en temperatuur wordt gege-ven door Blumel en Springenschrnid,'Grundlagen und PraxisderHerstellungund ?berwachung von Luftporenbe-ton', Strassen und Tiefhau 2, 1970.Voor onderzoek naar dooizoutschade inde Nederlandse praktijk in vergelijkingmet laboratoriumproevenis,vooral ookmet betrekking met het nuttig effectvan luchtbelvormers, van belang een ar-tikel vanBakker, Hendriks en Merkuur,'Vorst- en dooizolltschade aan beton-verhardingen', gepubliceerd in Wegen,maart 1982.LiteratuurOver de kritische waterverzadiging alsfunctie van de poriestructuuris veel on-derzocht en geschreven door o.a. Fager-lund. Zie met betrekking tot de invloedvan de cementsoort bijvoorbeeld zijnCBI-rapportnr. 1van 1980'Influenceofslagcement on the frostresistance ofconcrete - .a theoretical analysis'. Hierinvindt men ook vele verwijzingen naarandere literatuur.vocht te leveren en de zuigkracht tebeoordelen.Hetuiterlijkvande schadedoor toeslag-materiaal is heel anders dan bij schadedoor bevriezing van de cementsteen. Inhetgevalvan cementsteenvriezenschil-fertjes los, vaak boven een toeslagkorrel(fig. 6a). Wanneer het zwakke materiaalen het wat sterkere materiaal op vorst-gevoelige plaatsen is losgeraakt, stopthet proces meestal. Alleen in bijzonderegevallengaathetdoorenkomthetgrindlos te liggen. Meestal is dan sprake vanvolledige waterverzadiging. Gezien bo-venstaande beschouwingen is dit gevaarvan volledige desintegratie groter voorbeton met een wat grotere permeabili-teit.Inhetgevalvanschadedoorvorstgevoe-lig toeslagmateriaalspringt de korrelvaak evenwijdig aan het vorstfront intwee?n en drukt daarbij een bovenlig-gendescherfbetonafindevormvaneenpop-out (fig. 6b).Het verslag van een internationaal col-loquium over de vorstbestandheid vanbeton, gehouden in juni 1980, is gepu-bliceerd in Heft 33 van de Mitteilungenaus dem Forschungsinstitut des Vereinsder ?sterreichischen Zementfabrikan-ten.Incidenteel komen echter gevallen voorwaarbij hettoeslagmateriaal de oorzaakis vanvorstschade aan beton. Het betreftdan vrijwel altijd grind, niet afkqmstiguit onze rivieren, met een veel f~nereporiestructuur dan ons gebruikelijkegrind.De gevoeligheid voor vorst is nietniet zo eenvoudig vast te stellen; er isechter een eenvoudig proefje dat in ie-der geval een aanwijzing kan geven dater gevaar dreigt. Wanneer het materiaalop een flexibel vochtig oppervlak wordtgeplaatst, dan zuigt het zich tengevolgevan de naar verhouding veel grotere ca-pillaire krachten merkbaar vast aan zijnondergrond. De menselijke tong blijkteen zeer geschikt instrument om hetToeslagmateriaalOok zand en grind zijn materialen meteen poriestructuur die ontvankelijk isvoor vorstschade. Over het algemeen ishet Nederlandse materiaal vrij grofpo-reus, waardoor het onder praktijkom-standigheden vrijwel altijd zoveel luchtbevatdatgeenschadeontstaat.Inhetbe~gin van dit artikel is al gezegd dat zanden grind hun ontStaan in belangrijkemate te danken hebben aan vorst. Datheeft meteentotgevolg datalleen de de-len met de grootste bestandheid de lan-ge weg naar Nederland hebben kunnenafleggen.Wanneer daarom het beton ernstig ge-vaar looptvoor sealing, is eengoed com-promis het behandelen met een curingcompound waardoor overmatige ver-damping wordt tegengegaan, maartransport van lucht naar binnen toe, inverband met de (inwendige) verhar-dingskrimp, mogelijk blijft.permeabiliteit de onderlinge afstandvan de luchtbelletjes veel kleiner moetzijn dan bij portlandcement om tijdigeexpansie mogelijk te maken. In de prak-tijk is daardoor de ingebrachte hoeveel-heid lucht vaak te gering om voldoendeeffect te hebben.~sealing~pop-outBij vorst-dooizoutproeven zoals zojuistbeschreven blijkt inderdaad het gunsti-ge effect. Toch blijkt dit effect maar be-trekkelijk tezijn. In depraktijk namelijkkrijgt beton tussen twee vorstaanvallenveelal de gelegenheid omalthans iets uitte drogen. Het gunstige effect van dituitdrogen is veel groter dan het nuttigeeffect van de ingebrachte luchtbelletjes.Daar komt bij dat door waterafschei-ding het beton in de praktijk, in iedergeval bij horizontale vlakken, in het op-pervlak een veel hogere water-cement-factor en een lager luchtgehalte heeftdan de kern van het beton. De lucht zitdus niet daarwaar de werking hethardstnodig is.Lijkt luchtbelvormer in het geval vanportlandcement dus geen noemens-waardige bijdrage te leveren aan dedooizoutbestandheid van beton dat nietvoortdurend vochtig is, ook bij gebruikvan hoogovencement is het effect be~trekkelijk. Daar is de luchtbelvormerminder nodig om waterverzadiging te-gen te gaan, terwijl door de geringereNabehandelingUithetvoorgaande kanwordenafgeleiddat de aard van de nabehandeling metbetrekking totvorstbestandheideenge-compliceerd effect geeft. Sterke uitdro-ging van het jonge beton veroorzaaktspanningendie al gauwtotkrimpscheu-ren kunnen leiden. De hiermee samen-~--'-6---a---b~s-c-ali-'-n-g--:(v-o-r-st-s-ch:-a-d""'e--aa-n-~--Ihangende slechte oppervlaktekwaliteitcem.entsteen) en pop-out leidt dan snel tot sealing bij toepassing(vorstschade aan toeslagm.ateriaal) van dooizouten.Zeergoede nabehandelingleidt daaren-teg~n tot een oppervlak dat sterk en------~------~------'dicht is, maar ook waterverzadigd,van kunstmatig ingebrachte luchtbel- waardoor het in feite geen enkele vorst-Ietjes voorzien. Toch is dit een bekende aanval kan weerstaan.methode om de weg naar een expansie-ruimte zo klein te maken dat geen scha-de door dooizouten meer optreedt. Bo-vendienwordt waterverzadiging tegen-gewerkt; de luchtbelletjes verhinderendoorgaand transportvan water invloei-bare vorm en kunnen ook niet van hunplaats worden gedrukt. Doorgaandtransport, leidend tot grotere waterver-zadiging, kan alleen plaats vinden wan-neer water aan de ene kant van de belverdampt, via de dampfase de bel door-kruist en vervolgens weer aan de anderekant condenseert. Begrijpelijk een traagproces.Cement 1987 nr. 11 55