themaScheurvorming in verhardend beton1201024themaScheurvormingin verhardendbetonBeton is een zeer complex materiaal. Dat blijkt onder meer bij hetbeschouwen van de sterkteontwikkeling in beton. Na vele jaren vanonderzoek is het mogelijk de sterkte en stijfheid van verhard betonmet voldoende zekerheid te voorspellen. Echter, het voorspellen vande spanningen en de kans op scheuren van verhardend beton is eenstuk lastiger. Dankzij recent onderzoek uitgevoerd op de TU Delftnaar modellen op microschaal, is beter inzicht verkregen in dezeproblematiek.Onderzoek aan de hand van modellen op microniveauBeton is veelal samengesteld uit een mengsel van grind, zand,cement en water. In de meeste commerci?le en geavanceerdesamenstellingen worden ook hulpstoffen toegevoegd. Hiermeewordt de verwerkbaarheid van het verse mengsel verbeterd en/of het moment be?nvloed waarop de eigenschappen van hetbeton zich beginnen te ontwikkelen (sterkte, stijfheid etc.).Aangezien het storten van beton voornamelijk handwerk is enveelal buiten op de bouwplaats plaatsvindt, kan een grote sprei-ding van materiaaleigenschappen worden verwacht (a.g.v. vari-erende weersinvloeden, verdichting, homogeniteit van hetmengsel etc.). Voor het verbeteren van de stortcondities,worden betonnen elementen vaak geproduceerd in fabrieken.Echter, zowel op de bouwplaats als in de fabrieken blijkt er eengebrek aan kennis te zijn van ondermeer de eigenschappen vanhet jonge beton, en hoe deze eigenschappen kunnen wordenvoorspeld vanaf de initi?le fase.1Scheurvorming in verhardend beton 12010 25ScheurvormingGedurende de reactie tussen cement en water hebben verschil-lende processen plaats.Het hydratatieproces genereert warmte, wat resulteert in hetuitzetten van het beton. Als deze vervorming wordt verhinderd? bijvoorbeeld als een nieuwe betonnen muur wordt gestort opeen bestaande vloer ? zullen drukspanningen ontstaan. Dezedrukspanningen schaden de constructie meestal niet. Als hethydratatieproces begint te vertragen, neemt de temperatuur inde constructie weer af. Dit resulteert in thermische krimp. Alsook de vervormingen ten gevolge van dit afkoelen wordenverhinderd, ontstaan trekspanningen. Omdat de stijfheid tengevolge van het verharden van het beton ondertussen is toege-nomen, blijven trekspanningen in de constructie over. Geziende lage treksterkte van beton, is het erg waarschijnlijk dat deconstructie zal scheuren. Deze scheuren kunnen de duurzaam-heid aanzienlijk be?nvloeden.Tegelijkertijd treedt een ander mechanisme op. Als gevolg vande consumptie van water door hydratatie worden de pori?ngeleegd, wat resulteert in een afname van de verzadigingsgraad(verhouding tussen met water gevulde en lege pori?n). Dezeafname van de verzadigingsgraad resulteert in interne uitdro-ging (zelfuitdroging) en een externe volumeverandering (auto-gene krimp).Een ander bijkomend effect van het verharden van beton is eenvolumeverandering. Het gevormde hydratatieproduct heeftimmers een kleiner volume dan dat van zijn originele bestand-delen water en cement (chemische krimp).Na vele jaren onderzoek (door verschillende onderzoekers) zijnmodellen en rekenprocedures ontwikkeld om de spanningen inverhardend beton te berekenen. Er bestaat echter nog eensignificante spreiding tussen de resultaten van modellen voorverschillende mengsels. Er bestaat ook nog steeds een grootverschil tussen spanningen berekend met simulatie modellenen gemeten in experimenten. Het geeft de noodzaak aan voornader onderzoek op dit gebied en de evaluatie van bestaandemodellen. Ook is het gewenst voorstellen te doen om debetrouwbaarheid van voorspellingen ten aanzien van spannin-gen en scheurvorming in verhardend beton te verbeteren. Omdie reden is een promotieonderzoek gestart.Doel onderzoekDoel van dit onderzoek is het verhogen van de betrouwbaar-heid van berekende spanningen en de berekende kans opscheuren van verhardend beton. Met de onderzoeksresulta-ten zou het beter mogelijk moeten zijn om weloverwogenbeslissingen te nemen over mogelijke maatregelen die alsdoel hebben scheurvorming in verhardend beton te voorko-men en/of te beheersen. Op deze manier wordt voorkomendat onnodig middelen worden gespendeerd aan onderhouden reparaties. Bijvoorbeeld door het aanpassen van hetir. Herbert van der Ham1)TU Delft, fac. CiTG/IV-Infra b.v.dr.ir. Eddy Koenders enprof.dr.ir. Klaas van BreugelTU Delft, fac. CiTG1 Scheurvorning in verharden betonfoto: Alba Vochtwering2 Ontwikkeling van de microstructuur en het`Barmodel'voor een verhardende cementpasta (links)en het`Bar model'voor beton waar de cement-pasta parallel en serieel is gekoppeld aan de toe-slagkorrels (rechts) [2]1) ir. Herbert van der Ham promoveert op het onderzoek `Reliability of crackpredictions in hardening concrete'. Dit onderzoek wordt uitgevoerd aan deTU Delft onder begeleiding van dr.ir. Eddy Koenders en prof.dr.ir. Klaas vanBreugel. Van der Ham is werkzaam bij Iv-Infra.2themaScheurvorming in verhardend beton12010263 Foto van een hydraterende cementkorrel (a) [1] en geschemati-seerd drie-fasensysteem met ongehydrateerd cement (zwart),schil reactieproduct (grijs) en een laag water daartussen (b)4 Transport van onder invloed van drukkracht gespannen watervan binnen de schil van reactieproducten naar de capillaire pori-en, resulterend in tijdsafhankelijke vervorming van het drie-fasen-systeemmicrostructuur en de vochthuishouding dominerende para-meters zijn voor een accuraat en betrouwbaar visco-elastischmodel voor verhardend beton. De voortgaande hydratatievan een verhardende cementpasta resulteert in een voortdu-rende veranderende microstructuur en vochtbalans. Voor hetverkrijgen van een betrouwbare beschrijving van het visco-elastische gedrag, is het daarom essentieel dit te baseren opde ontwikkeling van de microstructuur en fysische fenome-nen zoals vochttransport in het systeem.SolidificatiemodelAls basis voor de gewenste koppeling van het visco-elastischegedrag aan de ontwikkeling van microstructuur en de vocht-huishouding in het systeem, is een model genomen, gebaseerdop de solidificatietheorie, zoals in dit geval het `Bar-model' vanLokhorst [2]. Dit is een zogenoemd solidificatiemodel, omdatdit is gebaseerd op de ontwikkeling van de microstructuur. Ditmodel bestaat uit drie componenten (fig. 2). In eerste instantieis er een ongehydrateerde cementpasta. Als het cement begint tereageren met het water, vormt zich een laagje reactieproductenrond ongehydrateerde kernen van cement. In het model wordtdit gerepresenteerd door horizontale lagen op de ongehydra-teerde component. Als het hydratatieproces continueertontstaan verbindingen tussen de cementkorrels. Deze verbin-dende componenten worden gerepresenteerd door verticalestaafjes van reactieproducten. De stijfheid kan nu worden bere-betonmengsel of het ontwerp van betonconstructies. Scheur-vrije constructies zullen beter in staat zijn chemische aantas-tingen en omgevingsinvloeden te weerstaan gedurende degehele levensduur.Resultaten onderzoekDe kans op scheurvorming in verhardend beton wordt bere-kend uit de ontwikkeling van spanningen en sterkte. Hetontwikkelen van zowel de spanningen als de sterkte in hetverhardende beton is een tijdsafhankelijk proces, en is afhanke-lijk van de ontwikkeling van de microstructuur van het beton.Het beton ontwikkelt zich van een plastisch mengsel naar eenverharde structuur. Tegelijk met warmteontwikkeling en devervormingen ontwikkelen zich de eigenschappen van hetbeton.Een andere eigenschap die van belang is voor het berekenenvan spanningen in verhardend beton en waarvan de relatie methet vormen van een microstructuur nog in ontwikkeling is, ishet visco-elastisch gedrag (kruip en relaxatie) van verhardendbeton.Visco-elastisch modelDe afgelopen decennia zijn visco-elastische modellen verderge?volueerd: van eenvoudige tijdsafhankelijke uitdrukkingengeschikt voor praktische toepasbaarheid tot complexe bere-keningsmodellen. Die laatste zijn gebaseerd op het fysischegedrag van beton en zijn daardoor in staat het visco-elasti-sche gedrag steeds beter te beschrijven. De ontwikkeling vanvisco-elastische modellen is gepaard gegaan met het verkrij-gen van (experimentele) kennis over de invloed van veleparameters. Uit de ontwikkeling van de modellen en experi-menten is duidelijk geworden dat de ontwikkeling van deshell of cement gelannular spaceanhydrous cement3a 3bScheurvorming in verhardend beton 12010 27in pori?n tussen toeslagkorrels in. In dit onderzoek is eeneindige-elementenmodel ontwikkeld, dat het vochttransportbeschrijft in verhardende cementpasta als gevolg van debenoemde drukverschillen in het poriewater. Met het ontwik-kelde eindige-elementenmodel kan de staat van het poriewaternauwkeuriger en betrouwbaarder worden beschreven. Dit isonmisbaar bij een betrouwbare beschrijving van onder anderede visco-elastische eigenschappen van verhardend beton.Experimenteel onderzoekExperimenteel onderzoek is uitgevoerd om de beschrevenmodellen te valideren. De spanningsontwikkeling in verhar-dend beton is gemeten aan diverse proefstukken met verschil-lende mengselsamenstellingen waarbij de vervormingen volle-dig zijn verhinderd. Deze zijn vergeleken met gesimuleerdespanningsontwikkelingen gebaseerd op de ontwikkelde model-len. Tevens is de invloed onderzocht van twee parameters. Teneerste is de invloed onderzocht van de fijnheid van het cementop het visco-elastisch gedrag en ten tweede de invloed van eentrek- versus drukbelasting. Resultaat is dat nagenoeg geeninvloed kan worden toegeschreven aan een van deze parame-ters. Het visco-elastisch gedrag wordt dominant bepaald doorde ontwikkeling van de microstructuur en de vochthuishou-ding in cementpasta.Tot slotVergeleken met de resultaten met bestaande visco-elastischemodellen, is de betrouwbaarheid van de resultaten van span-ningsberekeningen significant toegenomen door het toepassenvan de in dit onderzoek ontwikkelde modellen. Dit is een directgevolg van de koppeling van het visco-elastisch gedrag vanverhardend beton aan de ontwikkeling van de microstructuuren de vochthuishouding in het beton. kend uit de stijfheden van de afzonderlijke componenten. Hetvisco-elastisch gedrag werd in dit model beschreven met eentijdsafhankelijke rek van de cementgel uit een op de activerings-energie gebaseerde kruipformule.Drie-fasensysteemDe staat van het vocht is toegevoegd aan de zogenoemde solidi-ficatietheorie, door het toevoegen van een laag water tussen deongehydrateerde kern van een cementkorrel en het reactiepro-duct (fig. 3). Deze toevoeging resulteert in een drie-fasensys-teem. In het midden bevindt zich een ongehydrateerde kernvan cement. Deze is omhuld met een laagje water ten behoevevan de chemische reactie tussen cement en water. Daaromheenzit een laag bestaande uit reactieproducten. Als dit drie-fasen-systeem wordt belast, zal de schil van reactieproducten willenvervormen, wat wordt verhinderd door de laag water tussen deschil en de kern. Dit resulteert in gespannen water in de schilvan reactieproducten. Hierdoor wijzigt de waterdruk van hetwaterlaagje tussen schil en kern in vergelijking tot de onbelastesituatie. Omdat de schil van reactieproducten permeabel is, iser transport mogelijk van water tussen de capillaire pori?n enhet water binnen de schil. Deze interactie be?nvloedt het visco-elastisch gedrag van verhardend beton. Door het belasten vanhet drie-fasensysteem met een drukkracht neemt de druk vanhet water in de schil toe. Hierdoor ontstaat een stroming vanwater vanuit de schil naar de capillaire pori?n (fig. 4). Hetoriginele bolvormige systeem zal tijdsafhankelijk vervormen ineen oblaten ellipso?de, wat gepaard gaat met een lengteverande-ring van het systeem in de richting van de belasting. De matevan lengteverandering is afhankelijk van onder andere ouder-dom van het systeem bij belasten en de belastingsduur.Het visco-elastisch gedrag van het verhardend beton is nu opmicroniveau gekoppeld aan vochttransport tussen water in deschil van reactieproducten en de capillaire pori?n, waarbijeveneens de ontwikkeling van de microstructuur in rekeningwordt gebracht.Aangezien nu op microniveau een verband is ontstaan tussenhet visco-elastisch gedrag van verhardend beton en de staat vanhet poriewater, moet ook dit poriewater accuraat en betrouw-baar worden gemodelleerd. Op mesoniveau is de vochthuis-houding van het poriewater in rekening gebracht door middelvan vochttransport tussen de capillaire pori?n onderling. Alsgevolg van de niet-homogene verdeling van cementkorrels inde cementpasta tussen de toeslagkorrels en nabij het toeslagop-pervlak (wandeffect), is de water-cementfactor niet constantverdeeld in de pasta. Rond toeslagkorrels is de water-cement-factor hoger dan in de pasta tussen de korrels in. Gevolghiervan is een ongelijkmatige waterconsumptie in de cement-pasta door cementhydratatie. Hierdoor ontstaan drukverschil-len tussen water in de pori?n nabij een toeslagkorrel en water litEratuur1 Dalgeish, B.J., Pratt, P.L., Toulon, E.,`Fractographic studies of micro-structure development in hydrated Portland cement'. Journal ofmaterials science 17, 2199-2207, 1982.2 Lokhorst, S.J.,`Deformational behaviour of concrete influenced byhydration related changes of the microstructure'. TechnischeUniversiteit Delft, 2001.FFVw;tztcompression4