Cement XXXI (1979) nr. 2Verontreiniging toeslag-materiaalTussentijds verslag van CUR-commissie B 22 'Verontreinigingtoeslagmaterialen' door ing.C.Souwerbren, voorzitter van dezecommissieInleidingAls een in grind voorkomend balletje klei in betonspecie terechtkomt en het is het enige in eenbepaald constructiedeel terwijl het middenin dat constructiedeel zit, dan zal deze verontreini-ging geen problemen veroorzaken, omdat niemand het weet. Zodra er echter meerdere balletjesklei in de specie voorkomen, is de kans dat zo'n balletje aan hetoppervlak komt groter. Daardoorontstaat een ontsierend gat in het oppervlak en ook de kans datde wapening wordt aangetast alsdeze verontreiniging precies voorkomt ter plaatse van de betondekking.Een verontreiniging kan zich ook onzichtbaar voordoen, bij voorbeeld als chloriden in toeslag-materiaal uit zee. Het kan erg vervelende consequenties hebben als dit toeslagmateriaal -zonder dat de aanwezigheid van chloriden bekend is - bedoeld is om te worden toegepast invoorgespannen beton.CUR-commissie B 22 houdt zich bezig met a. inventariseren van verontreinigingen die in toe-slagmateriaal kunnen voorkomen, b. onderzoeken welke verontreinigingen toelaatbaar zijn enwelke uiteraard niet en c. ontwikkelen van herkennings- en keuringsmethoden ter beoordelingvan toeslagmaterialen op verontreiniging.De verontreinigingen zijn te splitsen in een drietal hoofdsoorten, en wel:1. natuurlijke verontreinigingen: klei, leem, slib, humus, plantenresten, hout, wortels, fossielen;2. industrie-afval; dit kan in wezen van alles zijn en is dan ook een niet te onderschatten bron vanverontreinigingen;3. verontreinigingen in zeemateriaal, in wezen ook van natuurlijke oorsprong, zoals schelpen,scharren, sintels, olie, aangroeisels, chloriden.De verontreinigingen kunnen constructief onaanvaardbaar zijn, als ze een ontoelaatbare in-vloed op de betonkwaliteit uitoefenen. Ze kunnen ook kwalitatief vrij onbelangrijk of geheel on-belangrijk zijn, maar een ontoelaatbare invloed op het uiterlijk van de constructie uitoefenen.De commissie is begonnen met het maken van een excursie naar zand- en grindwinnings-bedrijven op uitnodiging van de commissieleden uit die sector. Bij de zand- en grindwinnings-?edrijven, overigens niet tijdens de excursie, en ook bij afnemers van toeslagmateriaal, werdenmonsters verontreiniging verzameld, welke monsters bij IBBC-TNO werden ge?dentificeerd.Vervolgens werd onderzocht welke invloed deze verontreinigingen hadden op de eigenschap-pen van betonspecie en beton. Ook dat onderzoek vond bij IBBC-TNO plaats.De commissie heeft intussen een drietal deelonderzoeken afgesloten, te weten een onderzoeknaar de invloed van klei, leem en slib, waarvan het rapport inmiddels is gepubliceerd in Cementnr. 12 van 1977; vervolgens een onderzoek naarde invloed van humus; tenslotte een onderzoeknaar de oorzaken van zgn. pop-outs op betonoppervlakken.Nadat ook de rapportage van deze onderwerpen is afgerond, zal worden nagegaan of nog meerverontreinigingen aan een nader onderzoek moeten worden onderworpen. Ten sloUe zal eenliteratuuroverzicht over de alkali-toeslagreactie worden opgesteld.Klei- en slibverontreinigingDe al eerder genoemde verontreiniging in de vorm van kleiballetjes in grind is niet verder in ditonderzoek betrokken, omdat de grindproducenten door verbeterde spoelprocessen in staatmoeten worden geacht dit probleem op te lossen. Bovendien is het niet toelaatbaar dat er klei-balletjes in beton voorkomen. Bij de afnamecontrole is deze verontreiniging overigens eenvou-dig te herkennen. Er heeft nog wel eens een enkele keer een afkeuring plaats op basis van balle-tjes klei, maar gelukkig in steeds mindere mate.Het door de commissie uitgevoerdeonderzoek richt zich naareen verontreiniging in de vorm vanslib- en kleideeitjes, die fijn verdeeld in het toeslagmateriaal voorkomen en zich vooral hechtenaan het oppervlak van de zand- en grindkorrel. Het is bekend, dat een aanzienlijk gehalte aanklei en slib een flinke toeneming van de waterbehoefte voor een bepaalde consistentie veroor-zaakt. Met een flink gehalte wordt bedoeld een zodanig gehalte, dat nog wel wordt voldaan aande norm voor zand en grind, waarin zoals wellicht bekend is, voor grind een slibgehalte van 1%wordt toegestaan en voor zand een slibgehalte van 2%. In deze norm is als slib gedefinieerd:deeltjes < 63 ILm. Het onderzoek van de commissie was erop gericht te onderzoeken welkegevolgen een slibgehalte ongeveer overeenkomend met het maximum in de norm, heeft op de90Cement XXXI (1979) nr. 2eigenschappen van beton. Voorts werd onderzocht of de verschillende soorten klei en slib een-zelfde uitwerking hadden op de eigenschappen van beton en welke invloed de korrelgrootte vanhet betreffende slib en klei had.Eerst werden van het slib en klei zelf de eigenschappen vastgesteld, daarna werd mortel enbeton vervaardigd met bepaalde percentages verontreiniging voor het vaststellen van beton- enmorteleigenschappen.De belangrijkste conclusies van dit klei- en slibonderzoek zijn:? Bij toenemend gehalte aan deeltjes < 63 JLm is een steeds hogere water-cementfactor nodig omeenzelfde consistentie te bereiken. De sterkte neemt daarbij uiteraard af en de krimp toe. Het isniet van belang welke soort klei of slib als verontreiniging aanwezig is.? De nadelige invloed op de sterkte is vooral aanwezig als de verhardingstijd kort is. Bij de volgensde norm nog net toelaatbare verontreiniging (bij 320 kg cement per m3 is dat 8% ten opzichte vande massa aan cement) bedraagt hetdruksterkteverlies na 28 dagen verharding ten opzichte vaneen blanko proef circa 10%.? Er bleek een lineair verband aanwezig te zijn tussen de toeneming van de krimp en de doseringvan klei en slib. Gemiddeld nam de krimp toe met ca. 3% per procent slib- dan wel kleitoevoe-ging ten op zichte van de massa aan cement.Voor meer informatie over dit onderzoek wordt naar het eerdergenoemde artikel in Cementnr. 12 1977 verwezen.Het is niet de taak van de commissie om te beoordelen of de norm NEN 3542 ten aanzien van detoelaatbare slib- en kleigehalten wijziging behoeft; wel hoopt de commissie, dat een norm-commissie op basis van de onderzoekresultaten een weloverwogen conclusie zou kunnen trek-ken. Daarbij zullen uiteraard ook economische factoren moeten worden overwogen.HumusEen onderzoek op de aanwezigheid van humus in toeslagmateriaal kan worden uitgevoerd metde natronloogproef, die in NEN 3542 isomschreven. Indien inderdaad humus met deze proefwordt aangetoond, kan nog met de fulvozuurtest worden bepaald of de aanwezige humus inder-daad schadelijk is voor de verharding van het cement. Indien dit niet hetgeval is, wil dat nog nietzeggen dat het zand verder geen problemen meer kan opleveren.Gebleken is namelijk dat de aanwezigheid van humus kan leiden tot verkleuringen aan hetbetonoppervlak. Niet alleen kunnen bij voorbeeld gevelplaten onderling verschillend van kleurworden door de aanwezigheid van humus in toeslagmateriaal, maar bovendien kunnen doorplaatselijke concentraties van humus vlekken ofkringen ontstaan in een betonoppervlak. En ookdaarmee is de architect uiteraard niet bepaald gelukkig.Nagegaan werd wat de mate van verkleuring was van betonproefstukken, die waren gemaaktvan met humus verontreinigd zand en enige maanden aan de buitenlucht waren blootgesteld.Daarnaast werd geprobeerd om een eenvoudige proef te ontwikkelen met behulp van filtreer-papier, maar tot teleursteffing van de commissie is dat niet gelukt.Er werd geen betrouwbare relatie vastgesteld tussen de verkleuring met het filtreerpapier en deverkleuring die werd vastgesteld met de natronloogproef en later bij de expositieproef met debetonplaten. De commissie is nog bezig met het zoeken naar een eenvoudige proef voor bijvoorbeeld de bepalingen van ijzerverbindingen, die sterke verkleuringen kunnen veroorzaken.Wel kan veel informatie worden verkregen door een visuele beoordeling van het zand met eenloep als het materiaal wordt uitgespreid op grote vellen papier, waarbij in ieder geval pitveroor-zakende stoffen, stukjes koolas, kooltjes, verkoold hout en dergelijke kunnen worden onder-scheiden. Ook kan uiteraard de hardheid van de deeltjes door stukwrijven worden beoordeeld.ExpositieproevenBij de expositieproeven werd verontreinigd zand gebruikt, waarvan de verkleuring volgens dehumusproef volgens de Gardnerschaal 5 tot 18 bedroeg, waarbij in aanmerking moet wordengenomen dat de grenskleur volgens NEN 3542 ongeveer op 11 komt. Ook volgens de fulvozuur-test bleek enige malen humus aanwezig te zijn waarmee verondersteld mag worden dater al eenmatige afname in de beginsterkte waarneembaar zal zijn. Bij de betonproefstukken werd een zohoog mogelijke consistentie toegepast zonder dat dit tot ontmenging van de specie leidde. Dezetmaat van de betonspecie bedroeg 14 tot 16 cm. De proefstukken werden op een triftafelverdicht, na 3 dagen ontkist en na 7 dagen verharden onder vochtige omstandigheden, buitenhorizontaal opgesteld. Daarna werden de proefstukken regelmatig gecontroleerd en gefoto-grafeerd.Zoals al eerder werd opgemerkt, was er weinig verband te constateren tussen de zogenaamdevlekkenproef, waarbij het toeslagmateriaal met verdund natronloog werd overgoten op filtreer-papier en de verkleuring van de betonplaten.Evenmin bleek er enig verband te bestaan tussen de natronloogproef van Abrams-Harder, defulvozuurtest en ook weer de verkleuring van de betonplaten bij expositie. Blijkbaar wordt ver-kleuring nog door andere onbekende oorzaken bepaald, waarbij gedacht kan worden aan hetverbrijzelen of vergruizen van humuskorrels tijdens het mengen en het verdichten. In tabel 1 zijnde waarderingen van resp. de loogproef, de fulvozuurproef, de vlekkenproef en het aantalvlekjes op de betonplaten aangegeven, met een getalswaarde voor de verschillende monsters.De platen bleken onderling aanzienlijk van kleur te verschillen, terwijl er zich aanvankelijk op hetoppervlak een aanzienlijke vlekvorming voordeed. Na verloop van tijd bleek de vlekvormingdoor de expositie vrijwel te verdwijnen. Alleen het onderlinge kleurverschil tussen de platenbleef bestaan.91I~Pop-out2Raster-elektronen microscoop opname vanpit (zwart pitmateriaal met goedesamenhang) vergroting 950 maal3Raster-elektronen microscoop opname vanpit (zwart pitmateriaal met weinigsamenhang en brosse glasachtige breuken)vergroting 850 maalCement XXXI (1979) nr. 2Nu dit onderzoek is afgerond, kan worden vastgesteld dat alleen pyrietdeeltjes ernstige ont-sierende pitten in het betonoppervlak kunnen veroorzaken. Bovendien wordt er vanuitde pit eenontsierende bruine lekstreep gevormd, die moeilijk is te verwijderen. De vlekvorming, veroor-zaakt door ijzerverbindingen in het zand is van tijdelijke aard en vervaagt door weersinvloeden.De vlekken verdwijnen eveneens bij uitdroging van het oppervlak in een binnenklimaat.Pop-outsIn 1968 bleek zich op een tweetal plaatsen in ons land een identiek schadegeval voor te doen,zowel bij prefab-betonelementen als bij ter plaatse gestorte betonconstructies. Er bleken kleinestukjes beton uit het oppervlak te worden losgedrukt, kennelijk veroorzaakt door expansie vankleine pitjes, die zich enkele millimeters onder het betonoppervlak bevonden. In alle gevallenwas het pitje, dat de schade had veroorzaakt, duidelijk waar te nemen (fig. 1). Het beton bleekruim een half jaar eerder verwerkt te zijn. Uit een indertijd door IBBC-TNO ingesteld onderzoekbleken de pitjes ongeveer 30% calciumoxide, 30% magnesiumoxide, 10% siliciumoxide enverder nog calciumhydroxide en calciumcarbonaat te bevatten: De pitjes bleken in beide geval-len terug te voeren te zijn tot het toegepaste toeslagmateriaal, dat zowel bij het schadegeval inhet westen van het land, als bij een schadegeval in het oosten van het land, afkomstig was vande Beneden-Rijn in Duitsland. De verontreiniging werd gebrande dolomiet genoemd en deexpansiereactie kon worden verklaard doordatde korrels zeer langzaam met water reageren endaardoor uitzetten.Uit nadere informatie bleek dat in beide gevallen grind was toegepast, dat op dezelfde dag wasgebaggerd door dezelfde baggermolen. De herkomst van de gebrande dolomiet was onduide-lijk, maar moet waarschijnlijk worden gezocht in een stort van industrieel afval. Over dit eersteschadegeval is in Cement gepubliceerd door ir.M.Kroes en wel in 1971 nr. 7, blz. 302/303.Toen CUR-commissie B 22 begin 1975 haar werkzaamheden aanvatte, werden ongeveer tege-lijkertijd de Betonvereniging, IBBC-TNO en de Cementindustrie geconfronteerd met een aantalschadegevallen van pop-outs, vergelijkbaar met de uit 1968 bekende gevallen. Hierwas echtergeen sprake van gebrande dolomiet, zo bleek uit laboratoriumonderzoek, al werd wel in eenandere verhouding weer calciumoxide en magnesiumoxide aangetroffen. Na overleg met hetCUR-bestuur besloot de commissie ook een onderzoek aan de oorzaak van deze pop-outs tewijden, wat achteraf een goede beslissing bleek te zijn, omdat het aantal meldingen van schade-gevallen aan bleef houden.De commissie heeft bij de betrokkenen via een standaard-vragenlijst informaties ingewonnenover herkomst van de grondstoffen, vindplaats, betonsamenstelling, toegepaste afwerking ophet beton, gebruiksomstandigheden, enz. Uit alle ontvangen gegevens bleek er geen relatie teleggen te zijn tussen het optreden van pop-outs en bij voorbeeld een bepaalde winplaats voorzand of grind. In de onderzochte gevallen was het toeslagmateriaal zowel afkomstig uit Duits-land als uit Nederland (foto 2).Het cement betrof zowel hoogovencement als portlandcement. De schadegevallen deden zichvoor zowel bij niet-afgewerkte als hij met pleisterlagen afgewerkte betonoppervlaaken. Welwerd in vrijwel alle gevallen de schade binnen geconstateerd; slechts bij uitzondering deed zichook buiten het pop-out verschijnsel voor. In de meeste gevallen betrof het horizontale construc-tiedelen en werd de schade geconstateerd aan de plafonds. Een enkele maal ook aan deonderzijde van balkons en aan wanden.Het optreden van pop-outs aan een constructie is meestal constructief niet van belang. De pop-outs waren vaak klein van afmeting en de kratertjes waren meestal slechts enkele tienden milli-meters dik (foto 3). Van een verzwakking van de betondekking is daarom nauwelijks sprake. Welheeft het pop-out verschijsel uiteraard een ernstige aantasting van het betonoppervlak tengevolge. Het vervelende daarbij is, dat het zich altijd voordoet in gebouwen en woningen, diebewoond zijn. De bewoners hebben zich daar in alle gevallen, overigens volledig terecht, overbeklaagd. Nog vervelender is dat het expansieverschijnsel zich over zo'n lange tijd uitstrekt,zodat te vroeg uitgevoerde reparaties weer overgedaan moeten worden, als er binnen een halfjaar opnieuw een flink aantal pop-outs is ontstaan. Het merkwaardige is daarbij, dat de expan-siekracht van de pit vaak ook na het wegdrukken van de pop-out nog helemaal niet is vermin-derd, waardoor de reparatiepleister na enkele maanden weer in dezelfde pop-out vorm wordtafgedrukt. Vandaar dat tegenwoordig eerst de pitten worden weggeboord, voordat de reparatiewordt uitgevoerd.Via de ingestelde enqu?te werden 24 schadegevallen nagegaan. Enkele daarvan werdenuitvoerig bij IBBC-TNO onderzocht. In alle gevallen bleef het onderzoek beperkt tot grindbeton.Bij het beoordelen van de pitten werd zowel visueel onderzoek uitgevoerd met behulp van eenstereomicroscoop met een maximale vergroting van 80 maal, als een onderzoek naar dechemische samenstelling, dit laatste weer met verschillende methoden, namelijk r?ntgendifrac-tie, infrarood spectrometisch onderzoek, raster-elektronen miscroscopisch onderzoek, gecom-bineerd met micror?ntgen analyse. Daarnaast nog een missiespectrometrisch onderzoek en natchemische analyse.Op basis van bovengenoemde onderzoeken kon het pitmateriaal worden ingedeeld naar devolgende groepen:1. Stoffen van industri?le herkomst, zoals gebrand kalkhoudend materiaal, dat naast calcium nogelementen bevat zoals magnesium, ijzer, mangaan en zwavel. De herkomst hiervan zou kunnenzijn afval van ertsverwerkende industrie?n of kalkbranderijen. De zwelling vindt plaats alsgevolg van een uitgestelde nablussing of hydratatie of eventueel een oxidatie. Voorts behoort tot924Microscoop opname van pit, bestaande uitvorstgevoelig kwarts; een dergelijke pit kanernstige, grote pop-outs veroorzakenTabel 1Resultaten van geschiktheidsproeven opmonsters verontreinigd zandCement XXXI (1979) nr. 2deze zelfde groep amorf, aluminiumrijk materiaal, met ionenuitwisselende eigenschappen, bijv.aluminiumsilicaten. De herkomst is niet bekend. De zwelling kan plaatsvinden als gevolg vanreversibele wateropneming.Tenslotte behoren tot deze groep de kunstmatig gebrande produkten, met een samenstellinggelijkend op die van portlandcementklinker, calciumsilicaten. De herkomst van deze korrels ende oorzaak van de zwelling is alsnog onduidelijk. Insamenwerking met de cementindustrie isonderzocht of grove klinkerdeeltjes, die altijd in cement kunnen voorkomen, wellicht pop-outskunnen veroorzaken. Tot nu toe zijn daarvoor nog geen aanwijzingen gevonden.2. Stoffen van natuurlijke herkomst.Pop-outs kunnen worden veroorzaakt door klei, als dit in de vorm van insluitsels voorkomt inkwartskorrels. De zwelling is het gevolg van een langzame reversibele vochtopneming. Eentweede oorzaak zijn ijzerhoudende verontreinigingen, zoals piriet en sideriet. Piriet is ijzer-sulfide en sideriet is ijzercarbonaat met een aantal moleculen water. Zwelling, vaak gecombi-neerd met roestplekken of roeststrepen, kan optreden in aan weer en wind blootgestelde beton-oppervlakken als gevolg van een chemische omzetting door oxidatie en hydratatie.Een volgende oorzaak is vorstgevoelig toeslagmateriaal, dat zowel kon worden teruggeleid alszijnde afkomstig uit Limburg als uit de Noordzee.Merkwaardigerwijze deden vergelijkende pop-out verschijnselen zich voor bij constructies, dievervaardigd waren met in Limburg gewonnen grind en bij enkele betonconstructies die warengemaakt met zeegrind. Bij deze twee schades betrof het tot dusver slechts een enkel geval. Deoorzaak van de pop-outwas de relatief grote porositeit van hetgrind, waardoor bij vorst een deelvan de grindkorrel met de erboven liggende scherf beton door bevriezing van het water in degrindkorrel werd weggedrukt (foto 4). Dit laatste is overigens geheel nieuw en ook voor de com-missie een onverwacht verschijnsel. Het was tot dusver nog niet bekend dat ook in ons landvorstgevoelig toeslagmateriaal voorkomt. Het is zaak hierop bijzonder attent te zijn, omdat deschade een ernstig karakter heeft. De pop-outs zijn van grote afmetingen.De commissie hoopt het eindrapport in de loop van 1979 aan de CUR te kunnen uitbrengen.monster- loog- fulvo- vlekkenproef op filtreerpapier 0 0,185nummers proef zuur-kleur proef cijferwaardering aantalnr. kleur Otlm 7 vlekjesvolgens volgens beschrijving uiterlijk opGardner standaard (globaal) kleur vlekjes 2,7 dm2schaal plaatjes11 C zeer geringe verkleuring 3en vlekjes11 7 B zeer geringe verkleuring 2 4 21en vlekjes111 9 A zeer geringe verkleuring 2 6 35en vlekjesIV 5 B zeer geringe verkleuring 2 5 35en vlekjesV 10 A sterk geel gekleurd 5 4 19en vlekjesVI 18 C vaal bruin gekleurd 6 2 3en vlekjesVII 7-8 A geel gekleurd en vlekjes 4 7 17VIII 11 A zeer geringe verkleuring 14en vlekjesIX 12 B geel gekleurd en vlekjes 3 3 793