? ? onderzoek ? rioleringendr.W.M.M.Heijnen, ;I'.H.Borsje en dr.R.B.Polder,TNO Bouw, DelftBij TNO Bouw wordt reeds een aantal jaren onderzoek verricht naar biogene zwavelzuur-aantasting van betonnen rioolbuizen. Exposi~ieproeven met betonnen proefstukken ver-vaardigd met hoogovencement, portlandcement enportlandvliegascement zijn in Ce"ment reeds uitvoerigaan de orde geweest. In dit artikelkomen recent uitgevoerde exposi-tieproeven aan de orde van proefstukken vervaardigd metaluminiumcement en met Ne-derlands zand en grind, respectievelijk Alagkorrels als toeslagmateriaal.BESTANDHEIDALUMINIUMCEMENTBETONTEGENBIOGENE ZWAVELZUURAANTASTING68Biogene zwavelzuuraantasting (BlA) komtin Nederland voor bij naar schatting ruim 1%van het totale betonnen rioolleidingnet en isdaarmee een belangrijke schadeoorzaak.TNO Bouw verricht al geruime tijd onderzoeknaarditschademechanisme en naarde rela-tie tussen de betonsamenstelling en desnelheid van aantasting doorBlA [1, 2J. Ditonderzoek heeft onder meer geleid tot eenmethode om de agressiviteit van een riool-streng te bepalen. Daarnaast zijn expositie"proeven uitgevoerd omte bepalen of de ce-mentsoort een belangrijke invloed heeft opde snelheid waarmee beton door BlA wordtaangetast. Drie in het laboratorium vervaar'digde betonsoorten die verschilden in ce-mentsoort, zijn onderzocht. De betonsa-menstelling kwam praktisch overeen metdievan fabrieksmatig vervaardigde rioolbuizen.Er werd geen duidelijk verschil in aantas-tingssnelheid gevonden tussen beton methc-A, met pc-A en met pvlc.Uit [3, 4, 5J komt naar voren dat met alumi-niumcement (alc) vervaardigd beton goedbestand is tegen aantastingdoorsulfaten enzuren. Dit wordt vooral verklaard door deaard van de reactieprodukten, waarin cal-ciumhydroxyde ontbreekt, en de geringe per-meabiliteit van alc-beton met lage water-ce-mentfactor. Een geringe permeabiliteit wasbij ale-beton echter niet altijd gewaarborgd,als gevolg van het optreden van conversie.Omdat de eigenschappen van aluminiumce-ment waarschijnlijk niet algemeen bekendzijn bij de lezers van Cement, is in een afzon-derlijk kader een overzicht gegeven van en-kele relevante eigenschappen.Tegenwoordig is het mogelijk[5J, door bij ho-gere temperaturen na te behandelen, deconversie reeds in de verhardingsfase te la-ten plaatshebben. De cementsteen in der"gelijk alc-beton bestaat dan vanaf het beginvan de verharding uit stabiele verbindingen.In de gebruiksfase zullen de porositeit en desterkte van dit soort alc-beton niet negatiefkunnen worden be?nvloed door conversie.Chemische aantasting door sulfaten en zu-ren verschilt echter van BlA. Hoewel er aan-wijzingen [6, 7J zijn dat alc-beton beter be-stand is tegen aantasting door BlA dan pc"en hc-beton, is overhetgedragvan alc-betonin, met betrekking tot BlA, agressieve riool-milieus nog weinig bekend.Doel van het onderzoekHoofddoel van het onderzoek was, na tegaan ofalc-beton inderdaad betertegen BlAbestand is dan pc-beton enhc-beton. Eenbijkomend doel was, na te gaan of alc-betonmet Alag als toeslagmateriaal beter tegenBlAbestand is dan ale-beton met Neder-lands rivierzand en -grind. Alag is een synthe-tisch toeslagmateriaal met vrijwel dezelfdesamenstelling als alc; grotendeelsCA en eengeringe hoeveelheid C12A7?Beide toeslagmaterialen worden niet aange-tast door BlA, maar het is bekend [3J dataluminiumcementsteen beter hecht aansynthetische toeslagmaterialen met eenhoog Al203-gehalte dan aan zand en grind.Onderzocht diende te worden of dit verschilin hechting aanleiding geeft tot een verschilin aantasting door BlA.CEMENT1994/11Opzet van het onderzoekDrie verschillende betonsoorten werden ge-durende 2% jaar ge?xposeerd in vier riool-putten in Rotterdam. De afmetingen van deproefstukken bedroegen 140x45x45 mm3?Alle zijden van de proefstukken waren zaag-vlakken. De proefstukken werden op dezelf-de manier als bij eerdere expositieproeven[1] in korven geplaatst en in de rioolputtenge?nstalleerd.Platen van de twee betonsoorten met alcwerden vervaardigd in het laboratorium vanCEMENT1994/11Lafarge Fondu Internationql. Na het stortenwerden ze gedurende twee uur in een vocht-karner bij 20?C bewaard, waarna ze geduren-de zes dagen werden nabehandeld in een kli-maatkamer rnet een temperatuur van 50?Cen een relatieve vochtigheid van 95%. Ver-volgens werden ze opgeslagen in een vocht-kamer bij 20?C totdat ze naarTNO Bouw wer-den verzonden, waar uit deze platen pris-ma's werden gezaagd. Door deze nabehan-deling werd de aluminiumcementsteen ge-converteerd, zodat deze vanaf het begin vande expositieproeven hoofdzakelijk uit de sta-biele verbindingen C3AH6 en AH3 bestond.69? ? onderzoek ? rioleringenTabe/lSamenstelling en eigenschappen van dege?xposeerde betonsoortenn.b. = niet bepaaldFM = Fondu Alag AggregateFDA = Fondu Dutch AggregateHe = HoogovencementHet he-beton werd in het laboratorium vanTNO Bouw gemaakt en was afkomstig vandezelfde partij waaraan eerder expositie-proeven in rioolputten in Rotterdam zijn uit-gevoerd [1,2].Tabel 1 geeft een overzicht van de globalebetonsamenstelling en eigenschappen vande onderzochte betonsoorten. Het cement-gehalte en het watergehalte van de twee alc-betonsoorten waren duidelijk hoger dan vanhet hc-beton. De verwerkbaarheid van dealc-betonspecies was daardoor ook beterdan van de aardvochtige hc"betonspecie.Het zand en grind gebruikt voor de betonsa-menstellingen FDA en HChad dezelfde kor-relverdeling. Deze lag in het AB-gebied voorde korrelgroep 0-8, dichtbij de grenslijn S vol-gens de VBT 1986.De korrelverdeling van het Alag-toeslagma-teriaal, dat werd gebruikt voor betonsamen-stelling FM, lag eveneens in het AB-gebiedvoor korrelgroep 0-8, maar vrijwel op degrenslijn A.De aantasting van het beton na 2% jaar ex-positie werd op drie manieren bepaald:Tabel 2Beslissingstabe/ voor de bepaling van demate van agressiviteit van een rioo/milieuvoor beton op basis van fysische en chemi-sche metingen [2J? op grond van een visuele beoordeling;? op grond van gemeten massaverlies;? op grond van de gemetenaantastings-diepte, gedefinieerd als de som van hetmassaverlies (omgerekend naar mate-riaalverlies uitgedrukt in een aantal mmbeton) en de neutralisatiediepte.Van de beide soorten alc-beton werden nade expositie de buigtreksterkte, de druk-sterkte en de mineralogische samenstellingbepaald. Tevens werd met behulp van polari"satie- en fluorescentiemicroscopie (PFM)[8] de microstructuur van beide betonsoor-ten onderzocht. Hierbij werd metname geletop aantastingsverschijnselen in devorm van(micro)scheuren, veranderingvan de porosi-teit en aantastingsprodukten zoals ettringieten gips.Agressiviteit van het rioolmilieuDe agressiviteit van het rioolmilieu in de vierputten waarin de proefstukken zijn ge?xpo-seerd, werd bepaald volgens de door TNOBouw ontwikkelde methode [2]. Op basisvan metingen van het sulfidegehalte, de tur-buientie en de temperatuur van het rioolwa-ter en de pH van de betonnen putwand, werdde mate van agressiviteit bepaald uittabel2.De uit deze beslissingstabel af te lezen 'ac-ties' (A,S of C) houden het volgende in:A: SZA is niet of in beperkte mate actief.B: BZA is matig actief.C: BZA is in sterk actieve vorm aanwezig.Tabel 3 geeft de resultaten van de aldus be-paalde agressiviteit van het rioolmilieu in devier putten. Omdat TNO Bouw deze putten allanger gebruikt voor dit soort experimenten,zijn ook de resultaten opgenomen van de pe-riode v??r augustus 1991, toen hetonderha-vige onderzoek werd ingezet.De agressiviteit van het rioolmilieu is tijdensdeze expositieproeven bovendien bepaaldna 1, 2 en 2% jaar.Het rioolmilieu in put 10 was volgens deze?metingen duidelijk het meest agressief metbetrekking tot BZA.ln put 8 heerste tijdensde expositieperiode het minst agressievemilieu.70 CEMENT1994/11Visuele beoordelingNa 2%jaar expositie in de rioolputten zijn deproefstukken visueel beoordeeld op de aan-wezigheid van aantastingsverschijnselen.Hierbij werd met name gelet op het verliesvan cementsteen rond de toeslagkorrels ende aanwezigheid van putjes en scheuren inhet ge?xposeerde oppervlak. Voorafgaandaan deze beoordeling werden de uit de riool-putten verwijderde proefstukken in het labo-ratorium voorzichtig schoongemaakt, waar-door alle vuil en loszittende aantastingspro-dukten werden verwijderd. Het resultaat vande visuele beoordeling is samengevat in ta-bel 4. De figuren 1, 2 en 3 tonen proefstuk-ken van de drie verschillende betonsoortenna 2% jaar expositie in rioolput 10, de putmet het meest agressieve rioolmilieu.Een opvallend verschil tussen de alc-beton-proefstukken (FM en FDA) en de hc-beton-proefstukken (HC) was de aanwezigheid vanputjes meteen diametervan 0,5 tot 5 mm inhet oppervlak van FM en FDA. Deze putjeszijn echter niet het gevolg van aantasting,maar zijn ontstaan bij de vervaardiging vandeze proefstukken. Het betreft zogenaamde'toevallige holten', die worden gevormd door-dat lucht bij het storten mechanisch wordtopgesloten. Deze holten zijn niet alleen inhet oppervlak van dit beton aanwezig, maarkomen verspreid door het totale beton voor.Uit de visuele beoordelingvan de aantastingkonden de volgende voorlopige conclusiesworden getrokken:? Ongeacht de betonsoort was de aantas-ting in put 10 het ernstigst; in deze put washet rioolmilieu ook het meest agressief. Opgrond van de zichtbare aantastingsver-schijnselen van de FDA- en HC-proefstuk-ken was het rioolmilieu in put 5 agressieverdan in de putten 6 en 8.? Per rioolput was de zichtbare aantastingvan FM geringer dan van FDA, die op zijnbeurt weer minder aangetast was dan HC.? Gemiddeld over de vier rioolputten was decementsteen rond toeslagkorrels bij be-tonsoort FM verdwenen tot een diepte vancirca 0,1 mm; bij FDA tot een diepte van cir-ca 0,5 mm en bij HC tot een diepte van cir-ca 0,8 mmoCEMENT1994!11Tabel 3Agressiviteit van de vier rioolputten, waarin de proefstukken z?n ge?xposeerd; voor elkemeetdatum is de agressiviteit uitgedrukt als actie A, B of CTabel 4Visuele beoordeling van de aantasting van de betonproefstukken na 2 y, jaar expositie in vierrioolputten in Rotterdam71? ? onderzoek ? rioleringenG) Betonprisma FM (aluminiumcement-beton metAlag als toeslagmateriaal) na 2?ijaar expositie in rioolput 10@ Betonprisma FDA (aluminiumcement-beton met Nederlands zand en grind als toe-slagmateriaal) na 2?i jaar expositie in riool-put 10? Betonprisma He (hoogovencementbe-ton met Nederlands zand en grind als toe-slagmateriaal) na 2 ?ijaar expositie in riool-put 10MassaverliesDe mate van aantasting werd ook beoor-deeld op grond van het gemeten massaver-lies van de proefstukken na 2%jaar exposi-tie. De massa van de proefstukken werd be-paald na v?fweken drogen in eenklimaatka-mer b? 20?C en 50% relatieve vochtigheid.Tabel 5 geeft de gevonden materiaalverlie-zen in massaprocenten ten opzichte van deiniti?le massa van de proefstukken.Opvallend was dat een aantal proefstukkenna 2% jaar expositie een massatoenamevertoonde. De precieze oorzaak daarvan isonbekend, maar het I?kt waarsch?nl?k datdoorlopende hydratatiereacties daaraanhebben b?gedragen. B? de hydratatie wordtwater chemisch gebonden in de verharde ce-mentsteen, hetgeen resulteert in een mas~satoename.Uit de beoordeling op basis van gemeten'massaverschillen konden de volgende voor-lopige conclusies worden getrokken:? Ongeacht de betonsoort was de aantas-tingin put 10 het ernstigst. De in put 5ge?xposeerde proefstukken vertoondendaarna de meeste aantasting. De aantas-ting in de putten 6 en 8 was het minstern-stig.? Per rioolput was de aantasting van FM ge-ringerdan van FDA, die op z?n beurt weerrninder aangetast was dan HC.Tabel 5Materiaalverlies van de proefstukken na 2?ijaar expositie uitgedrukt in % (m/m); nega-tieve waarden duiden op massatoename72 CEMENT1994/11Tabe/6Aantastingsdiepte van de proefstukken na 2 y:, jaar expositieAantastingsdiepteDe aantastingsdieptewerd bepaald doorhetgemeten massaverlies om te rekenen naareen dikteverlies en daarbij de neutralisatie-diepte op te tellen [2]. Het dikteverlies vanproefstukken met een massatoename werdop ?mmgesteld. De dikte van de geneutrali-seerde laag werd bepaald door gespletenproefstukken tebesproeien metde indicatormethylrood, die een kleuromslagvertoontbijeen pH van ongeveer 5. De laag beton meteen pH < 5 werd als aangetast beschouwd.De resultaten van de aldus bepaalde aan-tastingsdiepten zijn weergegeven in tabel 6.Op de gespleten FM-proefstukken was (vrij-wel) geen geneutraliseerde laag aanwezig.De dikte van de geneutraliseerde laag op deFDA-proefstukken was gemiddeld 0,5 mmoDe HC-proefstukken waren tot een dieptevan gemiddeld 1,Omm geneutraliseerd. De-ze waarnemingen versterkten de voorlopigeconclusies die uit de metingen van het mas-saverlies werden getrokken.Sterkte na expositieVan ??n proefstuk per betonsamenstellinguit elke rioolput werd de buigtreksterkte be-paald; van de twee alc-betonsoorten werdtevens de druksterkte na 2% jaar expositiebepaald. De resultaten zijn weergegeven intabel 7.De sterkte van de alc-betonproefstukken(FM en FDA) is sterk toegenomen ten op-zichte van de 28-daagse sterkte (zie tabel1). Dit is vrijwel zeker het gevolg van doorlo-pende hydratatiereacties tijdens de exposi-tie in het vochtige rioolmilieu. Deze voort-schrijdende hydratatie heeft ook geleid toteen massatoename van de alc-betonproef-stukken.De buigtreksterkte van de hc-betonproef-stukken is enigszins toegenomen ten op-zichte van de 28-daagse sterkte.Mineralogische samenstelling naexpositieRestanten van de alc-betonproefstukken,waarvan de druksterkte was bepaald na 2%jaar expositie in de vier rioolputten, werdenover een zeef 125,um gewreven om het aan-deel cementsteen te vergroten ten opzichtevan het aandeel toeslagmateriaal. Van de al-dus verkregen fijne fractie werd met behulpvan r?ntgendiffractie-analyse de mineralogi"sche samenstelling bepaald.De FDA-monsters bevattenkato?et(Ca3AI2(OH)12; in cementchemische notatieC3AH6 ), gibbsiet (AI(OHh in cementchemi-sche notatie AH3 ) en kwarts (5i02).De FM-monsters bevatten eveneens kato?eten gibbsiet, maar geen kwarts en welCaAI204 (cementchemisch CA).Het kwarts in FDA is afkomstigvan het toe-slagmateriaal, Nederlands zand en grind,dat hoofdzakelijk uit kwarts bestaat. Het CAin FM is vrijwel zeker afkomstig van het in de-ze monsters gebruikte toeslagmateriaalAlag, dat grotendeels uit CA bestaat.De hydratatieprodukten in de cementsteenvan alle acht onderzochte prisma's ale-betonbestonden dus uit de thermodynamisch sta-biele verbindingen C3AH6 en AH3. Conversieen de daarmee gepaard gaande achteruit-gang in sterkte en toename van de porosi-teit, kunnen in de onderhavige alc-beton-soorten niet meer optreden.Tabe/7De gemiddelde (n = 4; ??n proefstuk perexpositieplaats) buigtreksterkte en druksterkte vande betonproefstukken na 2 y:, jaar expositie in rioo/milieuCEMENT1994/11 73? ? onderzoek ? rioleringenConclusies LiteratuurPFM-onderzoekDe microstructuur van dwarsdoorsnedenvan de alc-betonproefstukken (FM en FDA),die gedurende 2% jaar in rioolput 10 warenge?xposeerd, is onderzocht met behulp vanPFM (Polarisatie- en FluorescentieMicro"scopie) [8]. In beidebetonsoorten vertoon-de de cementsteen een homogene en dich-te structuur. De met behulp van fluorescen-tie bepaalde capillaire porositeit van FM enFDA verschilde nauwelijks, hoewel de water-cementfactor van FDA (0,32) duidelijk lagerwas dan van FAA (0,38). De toeslagmate"riaalkorrels waren goed omhuld door de ce-mentmatrix. Bij FDA (alc-beton met Neder-lands zanden grind) was de binding tussende cementsteen en het toeslagmateriaalsoms matig, hetgeen bleek uit de aanwezig-heid van dunne spleten tussen de cement-steen en het zand en grind. De binding tus-sen de aluminiumcementsteen en het Alag-toeslagmateriaal was daarentegen zeergoed, hetgeen bleek uit de aanwezigheidvan een reactierand om de Alagkorrels. Hetlijkt erop dat de buitenzijde van de Alagkor-reis ook met water heeft gereageerd, waar"door een zeEf goede binding met de ce-mentsteen is ontstaan.Het alc-beton met Alag (FAA) vertoondegeen sporen van chemische aantasting; debuitenste circa 0,5 mm was geneutraliseerd.Het alc-beton met Nederlands zand en grind(FDA) was tot een diepte van circa 2 mm ge-neutraliseerd. In de buitenste 3 mm van hetFDA-beton werden enige aantastingspro"dukten, met name ettringiet, aangetroffen.De buitenste 1 mm van beide proefstukkenvertoonde zeer fijne scheurtjes evenwijdigaan het oppervlak.74Reeds tijdens de verharding geconverteerdalc-beton met een hoog cementgehalte(510 - 600 kg/m3 ) en een lage water-ce-mentfactor (0,32 -0,38) is beter bestand te-gen aantasting door BZA dan in het laborato-rium vervaardigd hc-beton met een samen-stelling die sterk lijkt op die van fabrieksma-tig vervaardigde rioolbuizen.Na 2% jaar expositie in vier rioolputten inRotterdam, waarin een met betrekking totBZA gemiddeld matig agressief rioolmilieuheerste, bleek de aantastingsdiepte van alc-beton met Alag als toeslagmateriaal circa?mmte bedragen; de gemiddelde aantas-tingsdiepte van alc-beton met Nederlandszand en grind als toeslagmateriaal was circa0,6 mm; die van hc-beton met Nederlandszand en grind als toeslagmateriaal bedroegcirca 1,2 mmoUit eerder door TNO Bouw uitgevoerd onder-zoek [2] was al bekend dat hc-beton enpc-beton in vrijwel gelijke mate door BZAwor-den aangetast. Alc"beton met synthetischcalciumaluminaat (Alag) als toeslagmate-riaal wordt duidelijk minder aangetast danalc-beton met Nederlands zand en grind, on-danks de hogere water-cementfactor vanhet beton met Alag. Dit is vrijwel zeker hetge-volg van de veel betere binding van alumi-niumcementsteen aan Alag dan aan zand engrind.De sterkte van reeds tijdens de verhardinggeconverteerd alc-beton is aanzienlijk toe-genomen na 2%jaar expositie in rioolmilieu.Dit is het gevolg van tijdens de expositiedoorgaande hydratatiereacties. Deze voort-gaande hydratatie blijkt ook uit een massa-toename van de proefstukken tijdens de ex-positie. Ook proefstukken die geringe, maartoch zichtbare aantastingsverschijnselenvertoonden in de vorm van enig verlies vancementsteen rond toeslagkorrels, gavensoms nog een massatoename te zien.De auteurs bedanken GemeentewerkenRotterdam voor het beschikbaar stellen vaneen aantal rioolputten als expositieplaatsenvoor dit onderzoek.1. Pluym-Berkhout, J.M., J.Mijnsbergen enR.B.Polder, Rioleringen (11). Biogene Zwavel-zuuraantasting. Cement 1989, nr.9..2. Mechelen, A.C.A. van, en RB.Polder, Riole-ringen (XI). Biogene Zwavelzuuraantasting,verslag van een vervolgonderzoek in Rotter-dam. Cement 1991, nr.2.3. Taylor, H.EW., Cement Chemistry. Acade-mic Press, 1990.4. Midgley, H.G., High Alumina Cement inconstruction -Afuture based on experience.Calcium Aluminate Cements (Edited byRJ.Mangabhai), E. & EN.Spon, London,1990.5. Bayoux, J.P., J.P.Letourneux, S.Marcdar-gent en M.Verschaeve, Acidic corrosion ofHigh' Alumina Cement. Calcium AluminateCements (Edited by RJ.Mangabhai), E. &EN.Spon, London, 1990.6. Bock, E., W.Sand, K.Kirstein en J'Ram-meisberg, Untersuchungen zur Bestandig-keit von Zementmortelauskleidungendukti-lerGussrohre gegen?ber biogenerSchwefel-s?ure-Korrosion. Korrespondenz-Abwasser,1989, nr.12.7. Dumas, Th., Calcium Aluminates cementi-tious binders: an answer to bacterial corro-sion. Proceedings CSTB-CEFRACOR Sympo-sium Corrosion-Deterioration in Building, No-vember 1990, Paris.8. Heijnen, W.M.M., enJ.A.Larbi, Microscopievan beton. Materialen 10, 1992.?CEMENT1994/11