C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWaterdichtheidcement 2005 624Hoewel er formeel geen definitie van waterdichtbeton bestaat, kan dit pragmatisch als volgt wordenverwoord. Als aan ??n zijde van een betonconstructieeen waterdruk aanwezig is en aan de andere zijdelucht, noemen we het beton waterdicht als er geenwater zichtbaar wordt aan de luchtzijde van de con-structie. Het watertransport door het beton gaat danzo langzaam, dat het water aan de buitenste pori?nkan verdampen voordat het als vrij water aan hetoppervlak zichtbaar wordt. Hierdoor blijft het beton-oppervlak aan de luchtzijde altijd een droog uiterlijkhouden. Waterdichtheid is dus een eigenschap vaneen constructie. Het is niet juist om te spreken vanwaterdichtheid van beton alsof het een materiaal-eigenschap is. Uiteraard kan de weerstand tegenwatertransport van het materiaal beton wordenbepaald en is dit een belangrijk aspect bij het realise-ren van een waterdichte constructie.In het kader van bodembeschermende voorzienin-gen wordt de term vloeistofdichtheid gebruikt.Hiermee wordt bedoeld dat milieuverontreinigendevloeistoffen niet door een betonconstructie mogendringen die bedoeld is om de onderliggende bodemte beschermen. De definitie van vloeistofdichtheid isweliswaar verwant aan die van waterdichtheid, maarde wijze waarop beton wordt beoordeeld is wezen-lijk anders dan die in het kader van waterdichtheid[1]. Vloeistofdichtheid betreft niet alleen waterigeoplossingen, maar ook (en vooral) organischevloeistoffen, hetgeen buiten het kader van ditartikel valt.T r a n s p o r t m e c h a n i s m e n e n m o d e l l e nBij het in- en doordringen van water in een poreusmateriaal als beton spelen diverse mechanismen eenrol. De twee bepalende mechanismen zijn: capillaireopzuiging en watertransport door uitwendige water-druk. Bij beide mechanismen wordt de snelheid vanhet watertransport bepaald door de pori?nstructuurvan het (ongescheurde) beton en door bepaalde eigen-schappen van de vloeistof.De pori?nstructuur van beton wordt meestal model-matig benaderd door een verdeling in doorgaandecilindervormige kanaaltjes, de zogenaamde capillairepori?n. Naast deze relatief grove capillaire pori?n zijnook zeer fijne, zogenaamde gelpori?n aanwezig (groot-te-orde van de pori?nafmetingen respectievelijk 1 ?men 0,01 ?m). Transport van vloeistof door beton vindtvoornamelijk plaats door de capillaire pori?n. Deindringingsdiepte (e) van een vloeistof in beton alsfunctie van de tijd (t) verloopt volgens de formule [2]:e = [r (cos ) / 2 + pr2/ 4]1/2 ? t1/2 (1)waarin:e is de indringingsdiepte (m);r is de equivalente poriestraal die de pori?nstruc-tuur van het beton karakteriseert (m); is de oppervlaktespanning van de vloeistof (N/m); is de contacthoek vloeistof-vaste stof (o); is de dynamische viscositeit van de vloeistof(Ns/m2);p is de uitwendige vloeistofdruk (N/m2);t is de indringingstijd (s).In bovenstaande formule is de eerste term binnen derechte haken (r (cos ) / 2), de resultante van capil-laire krachten en de tweede term (pr2/ 4) die van deexterne waterdruk. Voor normaal (ongescheurd engoed verdicht) beton geldt dat bij een externe water-druk van grootte-orde 1 m waterkolom (= 104N/m2),de waterindringing voornamelijk wordt bepaald doorcapillaire opzuiging. De externe waterdruk wordt,afhankelijk van de fijnheid van de pori?nstructuur(equivalente poriestraal), pas van belang bij enigemeters waterkolom (fig. 1).1 |Berekende waterindrin-ging (relatief ten opzich-te van enkel capillaireabsorptie) als functie vande externe waterdruk r = 10 ?m; r = 1 ?m; r = 0,1 ?mWaterdichtheid van beton:de theoriedr.ir. G.J.L. van der Wegen, INTRON bvBeton is als poreus materiaal in principe niet waterdicht.Toch worden in de praktijk betonconstructies gereali-seerd die functioneel waterdicht zijn, essentieel voor veelbetonconstructies zoals kelders, tunnels en reservoirs.In dit artikel wordt ingegaan op de achtergronden vanrelevante transportmechanismen van water door betonen hoe deze betontechnologisch zijn te be?nvloeden, opde geschikte testmethoden en bijbehorende toetsingscri-teria om dit te beoordelen en op de invloed van scheur-vorming op de waterdichtheid van beton, waarbij hetfenomeen `selfhealing' zal worden toegelicht. Dit artikelis beperkt tot het materiaalgedrag. In de volgende artike-len over dit thema wordt ingegaan op de waterdichtheidvan betonconstructies zelf.1230,1 1 10 100waterdruk (m)rel.indringing?mr =1?mr =0,1 ?mr =10C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWaterdichtheidcement 2005 6 25Uit de formule kan worden afgeleid dat de water-indringing evenredig met de wortel uit de tijd ver-loopt:e = B ? t1/2 (2)waarin:B is de vloeistofindringingsco?ffici?nt (m/s1/2).De indringing van vloeistoffen in beton wordt in hetlaboratorium vaak door massametingen bepaald. Demassatoename per oppervlak is dan eveneens evenre-dig met de wortel uit de tijd. De evenredigheidsfactorwordt in dat geval de vloeistofopnameco?ffici?ntgenoemd (symbool A; eenheid kg/m2s1/2). De relatietussen beide co?ffici?nten is:A = B (3)waarin: is het effectieve pori?nvolume in het beton (-); is de dichtheid van de vloeistof (kg/m3).De vloeistofeigenschappen: viscositeit, oppervlakte-spanning en contacthoek zijn van invloed op deindringingssnelheid. Alleen de viscositeit is in sterkemate afhankelijk van de temperatuur: voor water isdeze bij 30 oC ongeveer de helft van de waarde bij5 oC.De capillaire absorptie is ook afhankelijk van hetvochtgehalte van het beton. Deze is maximaal bijdroog beton en nul bij waterverzadigd beton (fig. 2).I n v l o e d b e t o n s a m e n s t e l l i n gCementUit formule (1) blijkt dat hoe fijner de pori?nstruc-tuur is (kleinere equivalente pori?nstraal), des tetrager de waterindringing verloopt. Hierdoor hebbenhoogovencementbeton en poederkoolvliegashoudendbeton (mits goed nabehandeld) een voordeel tenopzichte van portlandcementbeton (fig. 3).Het cementgehalte wordt bepaald door de beoogdewater-cementfactor en het benodigde watergehalte terverkrijging van de gewenste verwerkbaarheid. Inverband met het risico op scheurvorming door ther-mische spanningen (als gevolg van hydratatiewarmte)en hygrische krimp, dient het cementgehalte niet tehoog te zijn.Water-cementfactorDe water-cementfactor heeft een sterke invloed op decapillaire waterabsorptie en de waterdoorlatendheidvan beton (fig. 3 en 4). Uit figuur 4 blijkt dat nietalleen de water-cementfactor, maar ook de hydratatie-graad en bijgevolg de nabehandeling van het betoneen belangrijke factor is. Bij water-cementfactorenboven 0,55 neemt de waterdoorlatendheid van hetbeton snel toe.In het algemeen geldt dat een constructie van rede-lijke dikte, vervaardigd met goed verdicht en nabe-handeld beton met een water-cementfactor tot 0,55,waterdicht kan worden gerealiseerd. Bij massabeton-constructies is vanwege de dikte zelfs een water-cementfactor tot 0,60 mogelijk. Bijzondere omstan-digheden, zoals een dunwandige constructie of hogewaterdrukken, kunnen aanleiding geven tot een lage-re water-cementfactor van bijvoorbeeld 0,45.VulstoffenHet beton dient voldoende fijne bestanddelen tebevatten, niet alleen ten behoeve van een cohesievebetonspecie, maar ook om een dichte grenslaag tus-sen toeslagmateriaal en cementsteen te bewerkstel-ligen. De vulstof dient dus een grotere fijnheid tehebben dan het cement. Als de vulstof ook nog puz-2 |Invloed vochtgehaltebeton op vloeistof-indringingsco?ffici?nt00,20,40,60,810 0,2 0,4 0,6 0,8 1verzadigingsgraad SB-waarde(rel.)01020304050600,45 0,80wcf (-)waterindringing(mm)3 |Invloed water-cement-factor op water-indringing; CEM I betonbestrijkt het gehelegearceerde gebied, CEMlll beton alleen hetonderste deel ervan [3]4 |Relatie tussen water-doorlatendheid enwater-cementfactor +hydratatiegraad [4](fig. 3 in [4])1009080706050403020101008060400 10 20 30 40 hoeveelheid capillaire pori?n [vol. %]hydratatiegraad[%]permeabiliteit[10?13m/s]wcf0,40,20,30,50,60,7C o n s t r u c t i e & u i t v o e r i n gWaterdich theidcement 2005 626zolane eigenschappen bezit, komt dit de dichtheidvan de betonstructuur extra ten goede.ToeslagmateriaalEen goede korrelopbouw van het toeslagmateriaal isvan belang voor elk beton, maar zeker voor water-dichte betonconstructies. Een goede korrelopbouwbetekent een lagere waterbehoefte en dus een lagerewater-cementfactor bij een gegeven cementgehalte,danwel een lager cementgehalte bij dezelfde water-cementfactor. Beiden komen de waterdichtheid tengoede.Beton vervaardigd met poreuze toeslagmaterialen kaneen betere waterdichtheid vertonen dan normaalgrindbeton, vanwege de dichtere grenslaag tussentoeslagmateriaal en cementsteen.HulpstoffenHulpstoffen kunnen de waterdichtheid van betonsterk verbeteren. Door het gebruik van (super)plas-tificeerders kan de waterbehoefte en dus de water-cementfactor aanmerkelijk worden verlaagd. De doorluchtbelvormers ingebrachte grote hoeveelheid zeerkleine luchtbelletjes verlaagt niet alleen de waterbe-hoefte, maar werkt ook afdichtend doordat de doorlo-pende capillaire pori?n worden onderbroken. Ditreduceert in hoge mate de capillaire waterabsorptie,maar niet de indringing als gevolg van een externewaterdruk. Deze kan zelfs toenemen.AdditievenPolymeerdispersies verbeteren de dichtheid van hetbeton door `interne vliesvorming' tijdens het verhar-den van het beton. Hierdoor wordt met name decapillaire absorptie sterk verlaagd. Niet bekend is ofde polymeervliesjes bestand zijn tegen hoge water-drukken.T e s t m e t h o d e n e n c r i t e r i aVoor de beoordeling van de dichtheid van beton is inhet verleden de Duitse waterindringingsproef DIN1048 Teil 5 ontwikkeld. Deze testmethode is, aange-past op deelaspecten, overgenomen in de normISO/DIS 7031. Het principe van deze testmethode ishet uitoefenen van een wateroverdruk van 1 bar(105N/m2) gedurende 48 uur, gevolgd door 3 baroverdruk gedurende 24 uur en 7 bar overdruk gedu-rende nogmaals 24 uur. Direct na het aflaten van dewaterdruk wordt het betonnen proefstuk gespleten enworden de gemiddelde en maximale waterindrin-gingsdiepte gemeten. Bij een maximale waterindrin-ging kleiner dan 50 mm wordt gesproken van een`waterdicht' beton. Recentelijk is de Europese normEN 12390-8 van kracht geworden, een variant op deISO/DIS 7031. Hierbij wordt een wateroverdruk van5 bar gedurende 72 uur op het proefstuk uitgeoefend.Een nadeel van voornoemde waterindringingsproe-ven is de grote spreiding in meetresultaten tenopzichte van capillaire absorptieproeven, variatieco?f-fici?nt respectievelijk circa 50% en circa 15%.S c h e u r v o r m i n gBovenstaande beschouwing geldt voor ongescheurdbeton. Gewapend beton zal in de praktijk veelalscheuren vertonen. In het geval van ondiepe scheu-ren heeft dit meestal geen gevolgen voor de water-dichtheid van de constructie; doorgaande scheurenleiden bij waterdruk tot lekkages. Als de scheurenniet te wijd zijn, kunnen deze door `self-healing' weerdichtgroeien. Self-healing is het gevolg van voort-gaande hydratatie, sedimentatie van vaste deeltjes inhet penetrerende water, afzetting van kalk/carbonaaten/of zwelling van de cementsteen. Afhankelijk vande waterdruk(gradi?nt) kunnen scheuren tot eenwijdte van 0,2 mm onder bepaalde voorwaarden weerdichtgroeien binnen een periode van enkele maan-den (fig. 5).Zoals reeds eerder genoemd dient bij het mengsel-ontwerp van het beton rekening te worden gehoudenmet het risico op scheurvorming door hydratatie-warmte en hygrische krimp.T e n s l o t t eEr is voldoende kennis en ervaring aanwezig omwaterdichte betonconstructies te ontwerpen en terealiseren. Hierbij dient dan wel rekening te wordengehouden met de genoemde betontechnologischeaspecten en dient scheurvorming te worden beheerstdoor een juiste wapening en detaillering van de con-structie. L i t e r a t u u r1. Beton als beschermer van het milieu.Redactionele bijlage bij Cement 2000, nr. 5.2. CUR-rapport 98-2, Vloeistofindringing in beton.Achtergrondrapport bij CUR/PBV-Aanbeveling63. CUR, Gouda, 1998.3. Bonzel, J., Der Einfluss des Zements, des W/Z-Wertes, des Alters und der Lagerung auf dieWasserundurchl?ssigkeit des Betons. Beton 1966,nr. 9 en nr. 10.4. Van Breugel, K., Self-healing en vloeistofdicht-heid. Cement 2003, nr. 7.5 |Relatie tussen maximalescheurwijdte voor self-healing en waterdruk-gradi?nt [4]hw hD / hw [?]wcrit./[mm]0,250.200,150,100,0500 5 10 15 20 25 30 35selfhealing uitgeslotenselfhealing zeer waarschijnlijkLohmeijerMeichsnerSchiesslhD