Zelfherstel met capsules in beton320152Zelfherstelmet capsulesin beton1Onderzoek naar zelfhelende kansen door toevoeging van polyurethaan aan betonZelfherstel met capsules in beton 32015 3Door capsules met helend materiaal toe te voegenaan beton, kan autonoom scheurherstel optreden.Bij scheurvorming breken de capsules en komt dehelende stof (agens) vrij die de scheur vult. Hiermeekan wapeningscorrosie worden tegengegaan. Bijeen afstudeerstudie aan de Universiteit Gent isonderzoek gedaan naar dit principe aan de handvan chloride- en CO2-diffussietesten. Daarbij zijntwee typen polyurethaan als agens toegepast.Door de lage treksterkte van beton zijn scheuren in de getrok-ken zone onvermijdelijk. Chloriden en CO2kunnen daardoorversneld het beton binnendringen en wapeningscorrosie vroeg-tijdig initi?ren. Door die scheurvorming tegen te gaan, kunneneen hoop problemen worden voorkomen. Een van de mogelijk-heden daartoe is zelfheling ofwel autonoom scheurherstel. Eenhelingsmechanisme wordt autonoom genoemd indien eeningestorte, scheurdichtende component de ontstane scheurenafdicht.Scheurherstel kan worden verkregen door capsules gevuld methelende agentia in te mengen in het beton. Bij scheurvormingbreken de capsules en komt het helend agens vrij dat de scheurvult en het beton herstelt. Op deze manier kan wapeningscor-rosie op een effici?nte, economische en duurzame manierworden tegengegaan. In een afstudeerstudie zijn de mogelijk-heden van autonoom zelfherstel onderzocht.OnderzoeksopzetIn het onderzoek zijn twee typen polyurethaan (PU) als helendagens toegepast. Chloride- en CO2-diffusietesten werden uitge-voerd om na te gaan in welke mate het autonoom scheurherstelde indringing van agressieve stoffen zou kunnen verhinderen.ProefstukkenDe diffusietesten werden uitgevoerd op cilindrische proefstuk-ken met een hoogte van 50 mm en een diameter van 100 mm.Deze proefstukken zijn vervaardigd in pvc-mallen. De mortel-samenstelling bestond uit 1760 g/dm3zand, 590 g/dm3CEM I52,5N en 265 g/dm3water (water-cementfactor = 0,45).In de proefstukken zijn zes glazen capsules aangebracht van35 mm lang met een inwendige doorsnede van 3 mm. In demallen werd nylondraad gespannen waarop de capsules werdenvastgelijmd. Hierdoor werden de capsules verhinderd op tedrijven tijdens het storten en verdichten van de mortel (foto 1).De capsules werden aan ??n zijde gedicht met een methylmethacrylaatlijm (MMA-lijm). Vervolgens zijn de helendeagentia in de capsules ge?njecteerd, waarna de andere zijdeeveneens met MMA werd gedicht. De toegepaste PU's warenMeyco MP en HA Flex SLV AF. Meyco MP is een ??n-compo-nent polyurethaan geproduceerd door BASF (verder afgekorttot PU BASF). Naast iedere PU-capsule werd een capsule metaccelerator ingebed in de proefstukken, die ervoor zorgde dathet PU in enkele minuten uithardde (foto 2). HA Flex SLV AF(verder: PU SLV) wordt geproduceerd door De Neef Conchemen is gekenmerkt door een zeer lage viscositeit.ir. Sam Vanthyghem 1)Establis1 Proefstuk met zes glazen capsules aange-bracht op nylondraad2 Bij Meyco MP werd naast iedere PU-capsuleeen capsule met accelerator ingebedENCI Studieprijs 2014Dit is het eerste artikel in een serie met bijdragenvan prijswinnaars van de ENCI Studieprijs 2014.De studie die in dit artikel wordt beschreven, ontving de eersteprijs in de categorie Universiteiten.1) Sam Vantyghem is met het afstudeeronderzoek (masterproef) `Tegengaan vanwapeningscorrosie door zelfherstel van scheuren in beton' afgestudeerd aan deUniversiteit Gent, faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur, vakgroepBouwkundige Constructies. Promotor was prof.dr.ir. Nele De Belie. Begeleiderswaren dr.ing. Kim Van Tittelboom, ir. Mathias Maes. Een link naar het rapportstaat op www.cementonline.nl.2Zelfherstel met capsules in beton3201543 Door een verplaatsingsgestuurde splijttest werden na 22 dagenscheuren gecre?erd4 De proefstukken van de chloride-diffusietest werden loodrechtop de scheur gespletenkeld met zilvernitraat om het chloridepenetratiefront af tetekenen.De niet-gespleten proefstukken zijn gebruikt om titraties op uitte voeren. Over de scheur heen werd 10 ? 2 mm van het proef-stuk afgemaald, dus tot een diepte van 20 mm. De chloridenwerden uit het verzamelde poeder ge?xtraheerd en deze oplos-sing werd getitreerd met een automatisch titreertoestel.De niet-stationaire diffusieco?ffici?nt van de scheur (dus metveranderende concentratie in de tijd) Dnssdwerd bepaald doortoepassing van een niet-lineaire regressieanalyse met demethode van de kleinste kwadraten op (1):( (s s inssd,4xc x t c c c erfD t= )) - -( ) (1)Hierin is c(x, t) de experimenteel bepaalde chlorideconcentra-tie op diepte x (mm) na een tijd t van zeven weken, csde opper-vlakteconcentratie en cide initi?le concentratie in de mortel.Deze laatste werd verondersteld nul te zijn.CO2-diffusietestVoor CO2-diffusietest is alleen PU BASF als helend agenstoegepast. De cilindrische proefstukken werden voor deze testblootgesteld aan CO2in een klimaatkast (R.H. 65%,CO2-concentratie 10%), waar ze gedurende negen wekenwerden bewaard. Daarna zijn de proefstukken wederom lood-recht op de scheur gespleten en besprenkeld met fenolftale?neom het carbonatiefront te determineren.ResltatenChloride-diffusietestDe chloridepenetratiefronten die uit de proefstukhelftenwerden gevonden, kunnen in vier klassen worden opgedeeld,A t.m. D (fig. 5). Proefstukhelften die tot klasse A behoren,Na het storten van de mortel, werden de proefstukken verdichtop een triltafel. Daags na het storten zijn de proefstukkenontkist en onder water bewaard bij een temperatuur van 20 ?Ctot een leeftijd van 21 dagen.Naast testreeksen die waren voorzien van capsules (verder:CAPS, dus CAPS BASF en CAPS SLV), werd tevens een hand-matig geheelde testreeks (verder: MAN) aangemaakt. Dezeheling is verkregen door de scheur na scheurvorming handma-tig te dichten met dezelfde twee agentia als eerder genoemd(MAN BASF en MAN SLV). Ook werd een ongescheurde test-reeks (UNCR) en een referentiereeks (REF) gemaakt, waarbijde scheuren niet werden geheeld.SplijttestNa 22 dagen werden scheuren door een verplaatsingsgestuurdesplijttest gecre?erd. De splijttest (foto 3) is uitgevoerd tot eenscheurwijdte van 400 ?m werd bereikt, waarna de scheurwijdteaan het oppervlak met een microscoop is opgemeten. Descheurwijdte werd bepaald als het gemiddelde van tien meet-punten langs een scheur. De gemiddelde wijdte na ontlastingvan alle proefstukken bedroeg 200 ?m (scheurwijdte redu-ceerde van 400 tot 200 ?m). Tussen de verschillende reeksenkon geen significant verschil in scheurvorming worden waar-genomen. Na het initi?ren van de scheur werden alle zijdenbehalve het blootgestelde vlak (het afstrijkvlak) gecoat metepoxy (SikaCor-277). Hierdoor kon een duidelijk chloridepro-fiel vanaf ??n zijde worden waargenomen.Chloride-diffusietestDe chloride-diffusietest werd uitgevoerd conform de NT Build443 testmethode. Eerst werden de proefstukken een week langondergedompeld in een verzadigde Ca(OH)2-oplossing envervolgens zeven weken in een 2,8 mol/l NaCl-oplossing.Nadien werd een aantal van de proefstukken loodrecht op descheur gespleten (fig. 4). Deze proefstukken werden bespren-3 4scheursplijtvlakZelfherstel met capsules in beton 32015 55 Classificatie van de chlorideprofielen: (A) gelijke indringing,(B) lokaal diepere indringing aan de scheur, (C) chloride-indrin-ging over de hele scheur en (D) volledige indringing over descheur en accumulatie van chloriden aan het gecoate vlakNadat de categorisering van de proefstukken was bestudeerd,zijn ze gespleten in het vlak van de scheur om zo de effici?ntievan de scheuropvulling met PU te onderzoeken. Hiervoor werdhet PU ingekleurd met een fijne rode stift. Dit is gefotografeerd(foto 6) en de foto's konden door middel van het meten van hetaantal pixels worden geanalyseerd. Het met PU bedekte opper-vlak kon zo worden bepaald als het aantal rode pixels inverhouding tot het aantal pixels van het proefstukkwart. Hettotale met PU bedekte oppervlak is dan het gemiddelde van detwee oppervlakteratio's van twee kwartdelen die bij elkaarhoorden. Dit wordt weergeven in figuur 7.Opvallend is dat de testreeks MAN BASF het minste PU in descheur vertoonde, terwijl deze reeks op basis van tabel 1 tot hetbeste resultaat leidde. De proefstukken die met PU SLV werdengeheeld (zowel MAN als CAPS), toonden een grotere indrin-ging van PU in de scheur. Dit was te verwachten, gezien de lageviscositeit van het product. Echter de grote hoeveelheid PU inde scheur leidde niet tot een betere heling ervan. Er konworden waargenomen dat het PU niet tot een continue geslotenstructuur in het scheurvlak leidde. Het PU was verdeeld indiscontinue zones in de scheur en tussen deze zones konden dechloriden in sommige gevallen toch door de scheur heenmigreren. Het PU BASF resulteerde daarentegen in een meergesloten PU-structuur. Vrijwel alle zones met PU BASF warenaaneengesloten en vormden zo een continue fysische barri?rein de scheur. Evenwel was de indringing van het PU BASFbeperkt tot de helft van de scheurdiepte in het geval van dehandmatig geheelde reeks (MAN BASF). Dit leidde tot eenkleinere hoeveelheid PU in de scheur, maar ook tot een dich-tere PU-structuur en een zeer goede heling.Zoals eerder gezegd, werd op basis van de gegevens de niet-stationaire diffusieco?ffici?nt van de scheur (Dnssd) bepaald.Hiertoe werden per testreeks drie proefstukken aangemaakt.Figuur 8 geeft de diffusieco?ffici?nt door de scheur weer vanieder proefstuk. De horizontale zwarte lijn laat het gemiddeldezien. De ongescheurde proefstukken resulteerden in een Dnssdvan 4 10-12m2/s. In de testreeksen MAN BASF en CAPS BASFvertoonde ??n van de drie proefstukken een diffusieco?ffici?ntin dezelfde ordegrootte, wat op een volledig scheurherstel wijst.Echter kon ??n proefstuk uit de reeks CAPS BASF de scheurniet helen, aangezien hier de diffusieco?ffici?nt 19 10-12m2/sbedroeg, wat ongeveer gelijk is aan die van de referentieproef-stukken. De andere proefstukken die met PU BASF werdengeheeld, leidden tot een gedeeltelijke heling van de scheur metDnssdvari?rend van 8 10-12m2/s tot 13 10-12m2/s. De proef-stukken met PU SLV resulteerden enkel in een parti?le helingvan de scheur voor de meeste proefstukken. E?n proefstuk metingekapseld PU SLV (CAPS SLV) heelde de scheur niet. Er koneen 5% significant verschil worden waargenomen tussen devertonen een egale indringing van chloriden vanaf het blootge-stelde vlak. Hier heeft de scheur dus geen invloed. In klasse Bwordt een additionele maar beperkte indringing van chloridenwaargenomen ter hoogte van de scheur. Proefstukhelften vanklasse C tonen een volledige indringing door de scheur heen enin klasse D wordt zelfs een accumulatie van chloriden aan hetgecoate vlak aangetroffen.In tabel 1 is weergegeven hoeveel proefstukken van een proef-reeks tot een bepaalde klasse horen. De ongescheurde proef-stukken vertonen uiteraard altijd een gelijkmatige chloride-indringing. 80% van de proefstukken uit de reeks MAN BASFwerd volledig geheeld, aangezien deze tevens een gelijkmatigeindringing vertonen. De overige 20% was in staat om de scheurgedeeltelijk te helen (klasse B). Proefstukken met ingekapseldPU BASF (CAPS BASF) konden de scheur in 40% van de geval-len volledig helen. 20% vertoonde een parti?le heling en bij40% van de proefstukken heelde de scheur niet. Evenwel werdgeen accumulatie van chloriden waargenomen, in tegenstellingtot de referentieproefstukken waar 60% van de proefstukken totklasse D behoorde. Alle andere referentieproefstukken behoor-den uiteraard tot klasse C. Binnen de testreeks MAN SLV wasgeen enkel proefstuk in staat de scheur volledig te dichten. Integendeel, 80% van de proefstukken was niet in staat om deproefstukken te helen. Slechts 20% van de proefstukken metingekapseld PU SLV (CAPS SLV) leidde daarentegen tot geenscheurherstel.Tabel 1 Procentueel aantal proefstukken dat tot een bepaalde klasse hoort perproefreeks voor de chloride-diffusietestREF MAN BASF CAPS BASF MAN SLV CAPS SLV UNCRA 0% 80% 40% 0% 20% 100%B 0% 20% 20% 20% 60% 0%C 40% 0% 40% 60% 20% 0%D 60% 0% 0% 20% 0% 0%5 6Zelfherstel met capsules in beton3201567 Deel van de oppervlakte in de scheur dat met PU is bezet,weergegeven voor ieder proefstuk8 Dnssdvoor ieder proefstuk, per proefreeksties waar zelfheling door inkapseling van helende agentia eeneconomische en duurzame toepassing kunnen vinden.Conclusies en aanbevelingenDe chloride-diffusietesten toonden aan dat de ingekapseldePU-agentia chloride-indringing kunnen verhinderen. Sommigeproefstukken werden volledig geheeld. Echter, meestal werdeen parti?le heling waargenomen. De proefstukken die hand-matig met PU MEYCO MP werden geheeld, leidden tot debeste resultaten en 80% van deze proefstukken kon de chloride-indringing in de scheur verhinderen. Uit de analyse met PU inde scheur kon worden waargenomen dat PU Flex SLV zeermakkelijk in de scheur kon indringen. Het PU kon echter geencontinue gesloten barri?re vormen om zo de chloride-indrin-ging te verhinderen. PU MEYCO MP kon dit wel, echter deindringing van het PU in de scheur was vrij beperkt.De autonome heling kan in de toekomst worden verbeterddoor een PU te ontwikkelen die de karakteristieken van beidegeteste PU-agentia combineert. De viscositeit van de idealePU-agentia ligt wellicht tussen deze van PU Flex SLV enPU MEYCO MP in.De CO2-diffusietesten toonden aan dat de indringing van hetcarbonatatiefront in de scheur kan worden tegengegaan doorautonoom scheurherstel. Na negen weken blootstelling aan10% CO2en 65% relatieve vochtigheid, werd nog geen indrin-ging van CO2in de scheur vastgesteld bij de handmatig metPU MEYCO MP geheelde proefstukken. Deze resultaten zijnveelbelovend, maar dienen nog te worden aangevuld met meerproeven op langere termijn. diffusieco?ffici?nt van referentieproefstukken en de onge-scheurde proefstukken. De gemiddelde waarden toondenechter een reductie van Dnssdmet 60%, 39%, 43% en 35%, tenopzichte van de referentieproefstukken voor respectievelijk detestreeksen MAN BASF, CAPS BASF, MAN SLV en CAPS SLV.CO2-diffusietestDe proefstukken voor de CO2-diffusietest kunnen op basis vanhun carbonatatiefront in twee klassen worden ingedeeld, opeen gelijkaardige wijze als in de chloride-diffusietest. Proef-stukhelften die een egale indringing van CO2vanaf het bloot-gestelde oppervlak vertonen, behoren tot klasse A. Indien eenadditionele indringing ter hoogte van de scheur kan wordenwaargenomen, behoort het proefstuk tot klasse B. De indrin-ging van het carbonatatiefront na negen weken was vrijbeperkt, zodat geen enkel proefstuk een CO2-indringing langsde volledige scheurdiepte vertoonde. Er vielen dus geen proef-stukken buiten in klasse A en B.Tabel 2 geeft weer hoeveel proefstukken tot een bepaalde klassebehoorden. Het carbonatatiefront van alle referentieproefstuk-ken vertoonde een additionele indringing in de scheur. Echtervertoonde het carbonatatiefront van de ongescheurde proef-stukken een egale indringing vanaf het blootgestelde opper-vlak. De handmatig geheelde proefstukken resulteerden steedsin een volledige heling van de scheur. Twee op de drie proef-stukken met ingekapseld PU BASF (CAPS BASF) konden even-eens de indringing van CO2in de scheur verhinderen.Duurzame toepassingDuurzaamheid van bouwmaterialen is tegenwoordig eenbelangrijk onderwerp. Zelfheling van beton door inkapselingvan PU biedt dan ook een interessante oplossing om de levens-duur van constructies te verhogen. Dit verkennend onderzoekheeft aangetoond dat wapeningscorrosie kan worden vertraagd.Ook de waterdoorlatendheid wordt sterk gereduceerd door detoepassing van ingekapselde helende agentia. Zwembaden,staketsels, kelders en brugliggers zijn een greep uit de construc-Tabel 2 Procentuele verdeling van het aantal proefstukken over de verschillendeklassen per proefreeks voor de CO2-diffusietestREF MAN BASF CAPS BASF UNCRA 0% 100% 67% 100%B 100% 0% 33% 0%32 34 3555264616502548 485326 245127285621390102030405060MAN BASF CAPS BASF MAN SLV CAPS SLVoppervlaktePU/totaleoppervlakte[%]1986151051912 139223245191183051015202530REF MAN BASF CAPS BASF MAN SLV CAPS SLV NTDnssd[10-12m?/s]7 8