!WEGENBOUW IMATERIALEN IBETONTECHNOLOGIEAANTASTING VAN BETONDOOR VORST EN DOOIZOUTENdr.R.F.M.Bakker, Cementfabriek Ijmuiden (CEMIJ) bvTijdens de Stutech-vergadering van 10Juni jl. is door dr.Bakker eenvoordracht gehouden over de aantasting van heton door vorst incombinatie met dooizouten. Met de winter voor de deur is het demoeite waard nogmaals aandacht te hesteden aan dit fenomeen, medeten aanzien van de invloed van de betonsamenstelling.Er is waarschijnlijk geen onder-werp op het gebied van de duur-zaamheid van beton waaroverzoveel is gepubliceerd als over vorst- envorstdooizoutbestandheid.Hetbetreftdan meestal publikaties overonderzoek in het laboratorium ofovertheorie?n al dan nietgebaseerd op labo-ratoriumonderzoek. In de praktijkwordt echter vastgesteld dat wanneervan schade door vortstdooiwissellingensprake is, we nagenoeg steeds te makenheben met vorst-dooizoutschade, metandere woorden vorstdooiwisselingenin combinatie met dooizouten. Hoe kandit worden verklaard?Laten we eerst nog eens hekijken wat deoorzaken zijn van schade aan beton in-dien we uitsluitend met vorst-dooiwis-selingen te maken hebben. De belang-rijkste waarnemingenomtrentdevorst-bestandheid van beton zijn:a. beton dat volledig verzadigd is metwater kan bij alzijdige bevriezinggeen enkele vorstdooiwisseling on-dergaan zonder schade;b. de afmetingen van de pori?n be?n-vloeden de gevoeligheid voor vorst-schade; hoe kleiner de afmetingenhoe geringer de kans op vorstschade;c. de aantasting neemt toe met de snel-heid van temperatuurdaling;d. materialen met zeer hoge ofzeer lagepermeabiliteit zijn in het algemeengoed vorstbestand. Afhankelijk vande water-cementfactor (verder wct)behoort beton tot de materialen meteen matige tot zeer lage permeabili-teit;e. het inbrengen van kleine luchtbel-letjes in de betonspecie met behulpvan oppervlak-actieve stoffen verbe-tert de vorstbestandheid van beton.Cement 1986 nr. 12Waardoor worden de bovenstaandewaarnemingen veroorzaakt en welkeinvloed hebben dooizouten op deze fa-cetten?"erzadigingsgraadIndien beton alzijdig bevriest wordt hetin het beton aanwezige water van deomgeving afgesloten. De uitzetting vanbevriezend water is circa 9%. Door be-vriezing van een deel van het waterkomthetnog nietbevrorenwater onderhoge drukte staan. Dezedrukkenzijnzohoog dat het beton desintegreert. Bijniet volledig waterverzadigd beton zalhet beton toch kunnen desintegrerenindien de kritische verzadigingsgraadwordt overschreden. Onderde kritischeverzadigingsgraad wordt dan verstaandat watergehalte waarbij niet meer vol-doende ruimte aanwezig is om het doorde ijsvorming onderdrukstaande waterte laten expanderen. Door Fagerlund iseen methode ontwikkeld om deze kriti-sche verzadigingsgraad te bepalen.Voor de praktijk is deze methode voor-alsnog niet bruikbaar omdat niet kanworden aangegeven of, en zoja hoe snelonder praktijkomstandigheden dezekritische waterverzadigingsgraad wordtbereikt.De hoeveelheid bevriesbaarwaterhangtniet alleen afvan de totale hoeveelheidin het beton aanwezige water maar ookvan de binding van hetwater. In het sys-teemvancapillairepori?ninbetonkun-nen de volgende bindingstypen wordenonderscheiden:chemischgebonden waterDe hoeveelheid chemisch gebondenwater hangt afva.n de hydratatiegraadfysisch gebonden waterDitwater isweliswaar chemisch niet ge-bonden maar kan zich ten gevolge vaneenfysische binding toch nietvrij bewe-gen. Verder te onderscheiden naar ad-sorptiefen capillair gebonden water.adsorptiefgebonden waterHoofdzakelijk een mono-moleculairelaag die op het oppervlak van de capil-lairen aanwezig is. Omdat het capillairoppervlak toeneemt met de hydratatie,neemt de hoeveelheid adsorptief ge-bonden water ook toe naarmate de hy-dratatie voortschrijdt.capillair waterNaarmate een capillair nauwer is, is hetwater in de capillair sterker gebonden.vrij waterDit is het water dat in de wijdere capil-lairen en grotere holtes aanwezig is.Van de genoemde categorie?n is alleenhetcapillairwateren hetvrijewater 'be-vriesbaar'. Naarmate de capillairennau-werzijn, zal hetwaterin deze capillairenbij een lagere temperatuur bevriezen.Deze vriespuntsdaling kan meer dan40?C bedragen. Toch kan het in nauwecapillairen aanwezige water bijdragenaan de expansie van het beton doordatdit water diffundeert naar de wijderecapillairen waarin zich ijs bevindt. Dedampspanning boven water in eennau-we capillair kan nl. hoger zijn dan dedampspanning boven ijs in een wijderecapillair. IJslensvorming in de bodemberust eveneens op dit principe.Indien zouten aanwezig zijn wordt hetvrije water 'osmotisch' gebonden. Dedampspanning boven zo'n oplossing is25WEGENBOUW MATERIALEN BETONTECHNOLOGIEO? t"",peratuurvriespuntverlagingdoor dooizoutgeen expansie_mogelijkhedenexpansie_mogelijkhedenperken tot betonwegen en terreinver-hardingen. Welke maatregelen dienengenomentewordenombeton te realise-ren dat aan deze eis voldoet?De belangrijkste variabele is de wcf.Portland- en hoogovencementbetonmet een voldoende lage wcf(ca. 0,40 enlager) zullen bij dejuiste nabehandelinggeenproblemengevenbij vorstdooiwis-selingen in combinatie met dooizouten.Bij hogere wcf neemt de hoeveelheidbevriesbaarWater sterk toe en is toevoe-gen van een luchtbelvormer aan de spe-cie noodzakelijk. Hetluchtgehaltedientzo hoog te zijn dat de afstand van eenwillekeurig punt in het beton tot eenluchtbel maximaal 200-250 !-lm be-draagt (fig. 3).Omdat de bepalingvan deze waarde (deafstandsfactor) zeer bewerkelijk is,wordt meestal een bepaald luchtgehaltevoorgeschreven. Voor beton met eenmaximum korrelafmetingvan 31,5 mmis dat 3,5-4,5% lucht. Uit onderzoek inde praktijk bij de aanleg van betonwe-gen is gebleken dat portlandcementbe-ton bij deze hogere wcf, die vooral in detoplaag tot uiting komt, de voorkeurverdient. Deze voorkeur hangtmede sa-men met de produktietechniek. De1. Concentratiegradient van hetchloridegehalte leidt totV'erschillendevriespuntsdalingen vanhet poriewater(schematisch)Invl()ed vandebetonsamenstellingen de produktieDe eis van een goede vorstdooizout-bestandheid zal zich voornamelijk be~Invloed dooizoutenDooizouten worden toegepast op hori-zontale vlakken die bloot staan aan re-gen en sneeuwen waarop plassen waterkunnenblijvenstaan. Dekans datde op-pervlaktelaag van een horizontaal vlak 2 Het afdrukken van schilfers bovende kritischewaterverzadigingsgraad be- biggelsreikt iSj;kroter dan bij hellende ofverti-al I d? bI' r. 3 Doorsnede beton met luchtbellen;c e ven. In len geen water. ~It AF = afstandsfactorstaan, zal het oppervlak tijdens vorstpe- L.-~~~~~~~~~~~~~------'rioden namelijk droogvriezen.Dooizouten werken? vriespuntverla-gend; deze vriespuntsverlaging neemttoe met de concentratie van de zouten.Aan het betonoppervlak zal de concen-tratie en dus de vriespuntsdaling hethoogst zijn. Naar binnen toe nemenconcentratie en vriespuntsdaling af. Ditheeft tot gevolg dat het inwendige en deoppervlaktelaag eerder kunnen bevrie-zendande tussenliggendelaag,vanwegede temperatuurgradi?nt (fig. 1). Bij ver-dere afkoeling van het beton bevriestdetussenliggende laag. De reeds bevrorentoplaag zal dan worden afgedrukt ('sca~ling' of afschilfering) omdat het onderdrukstaandewatergeenexpansiemoge-lijkheden heeft.Hetzelfde probleem doet zich voor in-dien zichvlak onder het oppervlak plat-te ofgrote grindbiggels bevinden. In depraktijkziet men danookdatboven de-zebiggels het cement- c.q. mortelhuid-jewordt afgedrukt (fig. 2).de aanbeton te voorkomen, is de water-verzadigingsgraad van het beton. Ditgeldt zowel voor beton dat in aanrakingkomt met water als voor beton dat inaanraking komt metdooizoutoplossin-gen. Voor een goede vorstbestandheiddient de hoeveelheid vrij water zo ge-ring mogelijk te zijn (lage wcf) Toevoervan water aan het beton tijdens de ver-harding is dan ook ongunstig voor de f-~~~~~~~~~~~~~~--ivorstbestandheid, zoals verderop zalworden aangetoond. Voor de hydratatieis echter een minimale hoeveelheid Wa-ter noodzakelijk..Eengoede nabehande-ling tervoorkoming van uitdroging vanhet oppervlak gedurende de eerste da-genis daaromeenvoorwaarde.Wij heb- I-~~~~~~~~~~~~~~-;bendus te maken met twee tegenstrijdi-ge wensen. Het optimum wordt bereiktindienzoveelwaterverlorengaatals no-dig is om een goede vorstbestandheid tebereiken, terwijl van de andere kant zo-veel water vast wordt gehouden dat eenvolledige hydratatie van het cement ge-waarborgd is.Snelheid van afkoelenIn de praktijk wordt geconstateerd datde schade toeneemt met de afkoelsnel-heid. Ditberustop het feit datde tijd diebeschikbaaris omhetonderdrukgezet-te water te laten diffunderen naar de inhet beton aanwezige expansieruimte,afneemt. Het ligt niet voor de hand datde aanwezigheid van zouten een groteinvloed zal hebben op dit fenomeen.PermeabiliteitDat materialen methoge permeabiliteitin het algemeen vorstbestand zijn, be-rustop het feit dathetonderdrukstaan-de water het materiaal tijdig kan verla-ten. Dat materialen met lage permeabi-liteit vorstbestand zijn wordt verklaarddoor het feit dat de kritische verzadi-gingsgraad in de praktijk nooit zal wor-den bereikt.De permeabiliteit van beton is recht-streeks afhankelijk van de wcf. Betonmet een wcf van 0,40 en lager is zeergoed bestand tegenvorst en dooizouten.Bij hogere water-cementfactor neemtde permeabiliteitsterk toe, waardoor dekans op het bereiken van de kritischeverzadigingsgraad ook sterk toeneemt.Afmeting van de pori?nIn nauwere capillairen zal het water bijeen lagere temperatuur bevriezen. Bijeen gegeven minimum temperatuur zalde hoeveelheid 'bevriesbaar' water totdie temperatuur afnemen met de f~nheid van de pori?n. De benodigde ex-pansieruimte voor niet volledig water-verzadigd beton neemt dan eveneens af.LuchtgehalteDe werking van kleine luchtbellen inbeton is tweeledig. Allereerst dient deluchtbel als expansievat. (De snelheidwaarmee de kritischeverzadigingsgraadwordt bereikt is lager naar mate de be-schikbare expansieruimte in de vormvan luchtbelletjes toeneemt.) Ten twee-de wordtookde indringsnelheidvanhetwater verminderd door de blokkerendewerking van luchtbellen in met watergevulde pori?n.ConclusieWaterverzadigingDe belangrijkste factor waarmee menrekening dient te houden omvorstscha-lager dan boven water. De mate waarinde dampspanning en het vriespunt da-len, is afhankelijk van de concentratie.Omdatin hetbeton de concentratie vandooizouten zal vari?ren van hoog aanhetoppervlak naarlager inhetinwendi-ge, zal de vriespuntsdaling in het betonnietoveralgelijkzijn. Hierop zalverder-op in dit artikel wordenteruggekomen.26 Cement 1986 nr. 12kwaliteit van de toplaag in de weg (debovenste mrn's) is nagenoeg steeds be-duidend lagerdandievande restvanhetbeton tengevolge van de hogere wcfvande mortel voor de laatste afrijbalk. Ookbij gevallen waarin voor het totalemengsel een lage wcf aangehoudenwerd, is somseenwefvan0,80 inde top-laag vastgesteld. De wcfvanhet mengselis dan ook weinig zeggend indien dezewcf in de toplaag niet wordt gereali-seerd.7dagen gesteldwordt op 50%en hetnietbevriesbare water op 35% van het gehy-drateerdecement, bedraagt de totalehoeveelheid niet bevriesbaar water:0,50 x 0,35 x 350 kg - 61 kg water.De hoeveelheid bevriesbaar water be-draagt dan ca. 96 liter. Aan expansie-ruimte is dan nodig 96 liter x 9% ~ ca. 9liter. De volumecontractiediein hetbe-ton ten gevolge van chemische krimp isontstaan, bedraagt op dat moment:0,50 x 350 x 0,06 - ca. 10 liter.praktijkomstandigheden. Deze bevin-dingen bevestigen wat uit een veldon-derzoek naar het gedrag van brugdek-ken zoals uitgevoerd in de Bondsrepu-bliek is geconcludeerd, namelijk dat demethode van nabehandelen en de hy-dratatie-omstandigheden (naast de uit-voeringswijze) belangrijkerzijnvoorhetbereikenvan eengoede bestandheid te-gen vorst-dooizoutwisselingen dan heta.l dan niet toepassen van een luchtbel-vormer.Literatuur1. Frost resistance of concrete; Internationalcolloquium Vienna 1980, Mitteilungen ausdem Forschungsinstitut des Vereins der ?ster-reichischen Zementfabrikanten; Heft 332.Bliimel,O.W.,Springenschmid,R., Griindla-gen und Praxis der Herstellung und ?berwa-chungvonLuftporenbeton, Strassen undTiefbaunr. 2, 1970, blz. 92 e.v.3. Melick, MJ. van, Merkuur, T.G, Vorst- endooizoutschade aan betonverhardingen; Wegen1972 nr. 2, blz. 676-6824. Litvan, G.G., Freez-Thaw Durability ofPo-rousBuildingMaterials,DurabilityofBuildingMaterials and Components; ASTM Stp 691,1980, blz. 4545.H?rigS.,Widerstandsf?higkeitvonBriicken-kappen aus Beton gegen Frost- und Tausalz-beanspruchung, Strasse und Autobahn Heft 6,1980 blz. 271.6. Bakker, R.EM., Hendriks, Ch.E, Merkuur,Th.G, Vorst en dooizoutschade aan betonver-hardingen; Ui>gen maart 1982, blz. 86-947.BakkerR.EM., Leewis, M., Die Oberfl?chen-qualit?t des Strassenbetons in Bezug auf dieFrost-Tausalz-Widerstandsf?higkeit; StrasseundAutobahn 1982,blz. 26-288. Springenschmid, R., Erfahrungen bei derVerwendungvonLuftporenbildnungimStras-senbau; Beton- undFertigteiltechnikHeft 8, 1972,blz. 587ConclusieDe conclusie is dan ook dat toepassenvan een luchtbelvormer in beton vangoede kwaliteit niet noodzakelijk isvoor het bereiken van voldoende vorst-dooizoutbestandheid. Toevoegen vanluchtbelvormer heeft daarbij als nadeeldat het de sterkte van het beton bedui-dend verlaagt en daardoor leidt tot ver-hoging van het cementgehalte voorhandhavingvanhetsterkteniveau.Doorde onvermijdelijke spreiding in lucht-gehalte zal ook de spreiding van desterkte van beton met luchtbelvormergroter zijn. Zowelinhet geval van betonmet een lage wcf zonder luchtbelvor-mer, als bij beton met een hogere wfc ?nluchtbelvormer, verdient toepassingvan een curing compound de voorkeurboven (te) nat nabehandelen.Als g??n extra water van buitenafwordttoegevoegd, zal het aanwezige vrije wa-ter deze capillairen vullen en fysischwordengebonden. Deovergeblevenpo-ri?n worden gevuld met lucht dat vanbuiten .af wordt 'aangezogen'. Zo ont-staat expansieruimte voor later bevrie-zend water.Indien in de verhardingsfase watertoe-voer van buitenaf niet wordt verhin-derd, bijvoorbeeld door verharden on-der water, dan zal de ruimte die ontstaatdoor de inwendige krimp volledig wor-den gevuld met water.Dit is zeer ongunstig voor de vorst-dooizoutbestandheid van het opper-vlak.Als ondersteuning dient het volgendevoorbeeld.2A184 Effect van de methode vannabehandeling en toepassingluchtbelvorrner op schade ten gevolgevan vorst-dooizoutwisselingenGegeven een betonspecie met een ce-mentgehalte van 350 kglm3 portland-cementklasseAeneenwcfvan 0,45.E?nkubieke meter beton bevat dan 157,5Ii-ter water. Indien de hydratatiegraad naNabehandelingNaasthet belang vande kwaliteitvan deoppervlaktelaag dient nog gewezen teworden op het belang van de omstan-digheden waaronder het beton gedu-rende de eerste weken verhardt. In dewegenbouwwordt als methode van na-behandeling vaak een curing com-pound toegepast ofwordt het beton natgehouden.Er is .al eerder op gewezen dat toevoervan Water aan het beton gedurende deeerste dagen tot weken van de verhar-ding ongunstig kan zijn voor de vorst~dooizoutbestandheid. Hoe is dit te ver-klaren?Bij de hydratatievan cementtreedt che-mische krimp op. Deze chemischekrimp heeft tot gevolg dat er in het in-wendige van het beton extra ruimteontstaat, circa 6 mI per 100 gr cement.Hierdoor zal,afhankelijkvan de aanwe-zigheid van vocht op het oppervlak,luchtdanwelwaterworden aangezogen.Berekend kan worden dat indien luchtwordt aangezogen, de met lucht gevul-de ruimte voldoende is om als expansie-ruimte te dienen voor het bevriesbarewater. Aan de hand van een voorbeeldzal dit duidelijk worden gemaakt.8,0 lAt6,0EV~~4,0'-''".EA ? natte nabehandeling8 ? curing compound1 ? geen luchtlM!lvormer.~ 2,0 2 ? luchtbelvormer~ -~-"28;-:e .---:.!O -f-~=;=-----~...,-~---:c-~--:c~--::!~ 0 W ~ W ~ ~aantal vorsLdooiwisselingen ----?Betonspecie meteencementgehaltevan350 kglm3portlandcement klasse A eneen wcfvan 0,45 vervaardigd zowel metals zonder luchtbelvormer, is na ver-dichten op twee verschillende wijzennabehandeld.Ten eerste door het beton(oppervlak) tebespuiten met een curing compoundzoals in de wegenbouw gebruikelijk enhet oppervlak verder aan weer en windbloot te stellen.Ten tweede door het beton(oppervlak)gedurende de eerste 24 uur te plaatsenin een klimaatkamer en vervolgensveertien dagen onder water en veertiendagen in het laboratorium (conformontwerp ISO-norm).r-~~~-~~~-~-~~--' De vorst-dooizoutbestandheid van hetaldus behandeld beton werd beproefddoor op het beton een hoeveelheid wa-teraan tebrengen, ditwater tebevriezenen vervolgens met dooizout (NaCl) teontdooien. Deze handeling werd hon-derdmaal herhaald.Deafschilferingvanhet beton gemeten in gr/80 cm2, isweergegeven in figuur 4.Uit de resultaten blijkt dat de invloedvan een natte behandeling (proeven 1Aen 2A) gedurende de eerste wisselingenveel meer effect heeft dan het toepassenvan een luchtbelvormer (proeven 2A en2B). Onderzoekinde praktijkheeftaan-getoonddatvooral de eerstewisselingenbepalend zijn voor de NederlandseCement 1986 nr. 12 27