I IBETONTECHNOLOGIECONTROLE VAN DEWATER-CEMENTFACTORALTERNATIEVE METHODEN VOOR HET BEPALEN VAN HETWATERGEHALTE VAN BETONSPECIEk.P.van den Berg, Hollandsche Beton Groep NVing.P.de Vries, Cementfabriek IJmuiden (CEMIJ) BVDe beheersing van de water-cementfactor is van belang voor de du.urzaamheid vanbetonconstructies. Hoewel de huidige controlemethoden goed voldoen, kan bij veelvariatie in speciesamenstelling een snellere controle gewenst zijn. Dit heeftgeresulteerd in twee alternatieven: het drogen van de betonspecie met eenmagnetron in plaats van met de koekepan op een gasstel en het bepalen van hetwatergehalte met behulp van nucleaire meetapparatuur.Als eerste is een alternatief onderzochtvoor methode 2b, ookwel de droogme-thode genoemd, waarbij de betonspecieis gedroogd met behulp van een profes-sionele magnetron.Als tweede alternatief is de mogelijk-heid onderzocht om met behulp vannucleaire apparatuur het watergehaltein de betonspecie te bepalen.In hetonderzoekzijnde proefresultatenvan deze methoden vergeleken met deDaartoe hebben CEMIJ en HEG geza-menlijk een onderzoek uitgevoerd metenige alternatieve methoden. In dit arti~kel zal niet worden ingegaan op het be-nodigde aantal bepalingen van de wa-ter-cementfactor per produktiedag.Hoewel de huidige methoden goedvol-doen, is bij veel variatie insamenstellingeen snellere controle gewenst, met eenniet minder betrouwbaar resultaat.1 Speciemonster in de magnetronze frequentie moeten worden gehan-teerd.Als bij de produktie van de betonspecieeen certificatiesysteem wordt toegepastvan een door de Raad voor de Certi-ficatie erkende certificatie-instelling,zijn in het algemeen tussen de produ-cent en de certificatie-instelling nadereafsprakengemaaktoverde te keuren ei-genschappen en de frequentie waarmeedeze keuringen plaatshebben. Door ex-tra controle op de consistentie kunnende gecertificeerde leveranciers namelijkvolstaan met minder proeven.De frequentie waarmee de water-ce-mentfactor dient te worden gemeten, isaangegeven in de VET. Bij levering vanniet-gecertificeerde betonspecie zal de-De methoden van beproeven zijn opge-nomen in NEN 5960 'Beton. Bepalingvan de water-cementfactor van beton- '---------~-------~~-----~-----"'--'specie'.Bij de Nederlandse betonmortelcentra-les worden hoofdzakelijk methode 1 enmethode 2b toegepast.Bij methode 1 wordt gebruik gemaaktvan de geregistreerde hoeveelhedenmaterialen in combinatie met de doordroging bepaaldevochtgehaltenvan hettoeslagmateriaal. Methode 2b omvathetdrogenvaneenmonsterbetonspecieom het watergehalte ervan te kunnenmeten, waarna de water-cementfactorkan worden berekend door gebruik temaken van de geregistreerde hoeveel-heden.Sinds de introductie van de Voor-schriften Beton Technologie(VET 1986) wordt de duurzaam-heid van beton gewaarborgd door hetdefini?ren van een sterkteklasse en eenmilieuklasse. Met de invoering van demilieuklasse komt de nadruk te liggenop het beheersen van de water-cement-factor van betonspecie. In de VET zijnde maximalewater-cementfactorenpermilieuklasse opgenomen en is tevensvermeld hoe vaak de controle op de wa-ter-cemenfactor moet plaatshebben inrelatie tot de milieuklasse en de gepro-duceerde hoeveelheid betonspecie.56 Cement 1990 nr. 9MetingenVoordat met nucleaire meetapparatuurdaadwerkelijk kan worden gemeten,moet de apparatuur worden gecali-breerd.Datwilzeggen, datvoordatelec-3 Speciemonster in de BIMOHet te onderzoeken monster betonspe-cie wordt, in een tulbandachtige vorm,bovenin het apparaat geplaatst (fOto 3).De radioactievebronbevindtzichineenbuis in het hart van de kist en kan na hetsluiten van het deksel omhoog wordenbewogen. De bron bevindt zich dan inhet midden van het monster. In dezebuis bevindenzich rondom de brondriegastelbuizen om de thermische neutro-nen te detecteren. Dezedetectorenstaanonder druk en zijn gevuld met een gasmet een hoog vermogen om de thermi-sche neutronen te absorberen. Bij ditproces ontstaat een stroomstootje, eenelectrische puls, welke eenvoudig metdaartoe geschikte apparatuur kan wor-den gemetenen geteld. Hetaantal gere-gistreerde pulsen is een maat voor dehoeveelheid water in het monster be-tonspecie.BeschrijvingDe nucleaire meetapparatuurdie bij hetonderzoek is gebruikt, is in Zwedenontwikkeld enonderde naamBIMO opde markt gebracht.Het apparaat bestaat uit een langwerpi-ge rechtopstaande kist met een opper-vlak van 0,40 x 0,40 mZen een hoogtevan 0,90 m (fOto 2). Voor het hier bes-schrevenonderzoekis eenBIMO terbe-schikking gesteld door het centraal la-boratorium van de Hollandsche We-genbouwZanen(HWZ) te Hoevelaken.Uiteraard is in betonspecie het mole-cuul HzO het waterstofhoudend mate-riaal. Het door het toeslagmateriaal ge-absorbeerde water wordt ook door deneutronenbron en de telbuizen gede-tecteerd.Er bestaat een relatie tussen het aantal'getelde' thermischeneutronenrondomeen snelle neutronenbron en het in dematerie aanwezig waterstofhoudendemateriaal.Na een aantal botsingen met de kernenvan het waterstofatoom is de energievan de neutronen zover afgenomen, dathun snelheidsverdeling gelijk is gewor-den aan de snelheidsverdelingbehoren-de bij de omgevingstemperatuur. Deneutronen worden nu thermisch ge-noemd en kunnen geteld worden metbehulp van speciale telbuizen.Door een kernsplitsing in het radioac-tieve materiaalwordendoor de bronzo-genaamde snelle neutronen uitgezon-den. Neutronen zijn zeer kleine ongela-den deeltjes. Wanneer deze bron is om-ringd met de te onderzoeken materiezullen de snelle neutronen de materiebinnendringen. Daarbij komen de neu-tronen regelmatig in botsing met de Inde materie aanwezige atoomkernen.Voor zover deze eengrotere massa heb-bendan de massavande neutronen, zul-len de neutronen slechts van baan ver-anderen en niet van snelheid. Alleen bijbotsing met atomen met een gelijkemassa worden de neutronen afgeremd.Dit is het geval bij botsing met water-stofatomen (H).WerkingHetbegripstralingiseenintrigerend fe-nomeenwaarovereenhoop misverstan-den bestaan. De moeilijkheid met stra-ling is:je kunt het niet zien, niet horen,niet ruiken en niet proeven. Straling isalleenmet daartoe geschikte apparatuurte detecteren.Om met ioniserende straling te kunnenmeten moet men over een radioactievebron beschikken.Voor het bepalen van de hoeveelheidwater in een materie wordtgebruik ge-maakt van een neutronenbron.Nucleaire meetapparatuurIn de wegenbouw is nucleaire meetap-paratuur ontwikkeld om opsnellewijzehet bitumengehalte in een monster as-falt te bepalen. Het principe waarmeeeen hoeveelheid bitumen kan wordengemeten is hetzelfde als waarmee eenhoeveelheid vocht in een mengsel kanworden bepaald.Beide metingen berusten op de detectievan waterstofatomen in de door te me-ten materie. De apparatuur waarmeewordt gemeten vraagt een stationaireopstelling in een laboratorium.Gezien de terughoudendheid die er inhet algemeen bestaat voor het gebruikvan nucleaire (ioniserende straling uit-zendende) meetapparatuur, wordt uit-gebreid ingegaan op de werking ervan.Voor deze droogproef is gebruik ge-maakt van een professionele magne- I-~---~~~-~~~~---+---~~-----~~~~----Itronoven van het type Ph?lips AKB 115. 2 Opstelling van de BIMO voorDeze magnetronoven heeft twee mag- nucleaire meting watergehaltenetronbuizen met een gezamenlijk ef-fectiefafgegevenvermogenvan 1400W.De oven heeft een geforceerde lucht-koeling, waardoor de ontwikkelde wa-terdamp kan ontsnappen.De inwendige afmetingen bedragenhoogte 180 mm, breedte 535 mm endiepte 320 mmogegevens van de samenstellingenen metresultatenvan deveelal inden lande uit-gevoerde droogproefmet een koekepanopeen butagasstel.MagnetronOm de snelheid waarmee de droog-proefwordt uitgevoerd mogelijkerwijste kunnen opvoeren, is hetideeontstaanom gebruik te maken van een magne-tronoven (fOto 1).In een magnetronoven worden onderinvloed van microgolven de Watermo-leculen in de betonspede in beweginggebracht, waardoor als gevolg van wrij-ving tussen de moleculen de warmtetoeneemt. De temperatuur van het wa-ter bereikt zeer snel het kookpunt,waardoor verdamping optreedt.Cement 1990 nr. 9 57meth9de magnetron koekepan BIMO 8 mincorrelatieco?ffici?nt 0,931 0,935 0,941richtingsco?ffici?nt 0,876 0,860 0,982constante 0,043 0,055 0,010standaardafwijking 0,021 0,020 0,022water-cementfactor 0,40 0,46 0,52 0,58 0,64 0,70cementgehalte (kg/m3) 330 330 330 330 330 330water (kg/m3) 132 . ?152 172 191 211 231toeslagmateriaal (kg/m3) 1977 1924 1871 1821 1768 1715volumieke massa specie (kg/m3) 2439 2406 2373 2342 2309 2276%water t.O.V. 'nat' 5,41 6,32 7,25 8,16 9,14 10,15water-cementfactor 0,40 0,52 0,52 0,40cementgehalte (kglm3) 330 330 330 330water (kg/m3) 132 172 172 132superplastificeerder (1,2%) (kg/m3) 4,0 - - -verrrager (1,4%) (kg/m3) - 4,6 - -luchtbelvormer (0,13%) (kg/m3) - - 0,4 -silica slurry (kg/m3) - - - 40gecorrigeerde water-cementfactor 0,406 0,530 0,526 0,460trische pulsen kunnen worden geteldaan betonspecie met een onbekend wa-tergehalte, allereerst bekend moet zijnhoeveel electrische pulsen door de ap-paratuur worden gemeten aan eenmonsterbetonspeciemeteennauwkeu-rig bekende hoeveelheid water.Minimaal worden voor deze calibratiedrie monsters betonspecie gekozen meteen lager, een gemiddeld en een hogerwatergehalte ten opzichte van het ge-bied waarin gaatworden gemeten. Vol-gens een fysische wetmatigheid is hetverband tus~en het aantal gemeten pul-senenhetgehalteaanwaterindebeton-specie een rechte lijn.Het verloop van deze lijn wordt echterniet alleenbe?nvloed door de aanwezigewaterstofatomen. Ook de natuurlijkeachtergrondstraling, de opstelling vanhet apparaat en de conditie van de tel-buizen zijn van invloed. Om de invloe-den van buitenafen de invloed van hetmeetapparaat zelf te elimineren, wor-den voorafgaand aan de calibratie metde drie betonspeciemonsters een zoge-noemde nulmeting en een referentie-meting uitgevoerd.Onder de nulmeting wordtverstaan hetaantal pulsen dat wordt geregistreerdtijdens een normale meetcyclus, waarbijde radioactieve bron in de meetstand isgeplaatst maar de monsterkamer verderleeg is. Onder een referentiemetingwordtverstaanhet aantal pulsenwaarbijgemeten wordt aan een zogenoemd re-ferentiemonster. Dit referentiemonsteris door de fabrikant vervaardigd en be-vat een absoluut onveranderbare hoe-veelheid waterstofatomen.Met behulp van de pulswaarden geme-ten tijdens de nulmeting, de referentie-meting en aan de drie betonspeciemon-sterswordteenijklijnberekend.Devoordeze omwerking benodigde program-matuur is door de fabrikant ontwikkeldenstandaardinde rekenunitingebracht.Door nu tijdens de proeven regelmatig,maar minimaal ??n keer per dag, eennulmeting en een referentiemeting uittevoeren,wordthetniveauvande ijklijnvoortdurend aan de actuelesituatie aan-gepast.Het meten met de nucleaire apparatuurgeschiedt gedurende een vooraf inge-stelde tijdsduur. Gezien de ervaringenvan HWZ met de BIMO is gekozenvoor een tijdsduur van 16 minuten. Indeze tijd worden 10 metingen uitge-voerd, waarbij iedere meetwaardewordt berekend volgens het principevan het voortschrijdend gemiddelde.Zoals bij de testresultatenis aangegeven,zijnna afloopvande proevenderesulta-58IBE'TON'TECHNOWGlETabel 1MengselsantenstellingenTabel 2Mengsels met hnlpstoflvnlstofTabel 3Regressiewaardenten na 10 metingen vergeleken met deresultaten na 5metingen(inde helftvande meettijd).MengselsamenstellingenVoor het onderzoek zijn mengsels ge-maakt van 30 kg betonspecie, met eenvariabele water-cementfactor volgenstabel 1.De proevenzijn uitgevoerdin tweevouden zijn zowel met hoogovencementklasse A van CEMIJ als met pordand-vliegascement van ENCr uitgevoerd.Het toeslagmateriaal is opgebouwd metgedroogde en uitgezeefde fracties. Op-gemerkt wordt dat bij controlevan hetvochtgehalte van het toeslagmateriaaldoormiddelvandrogingbij circa 110?C,geen massavermindering is waargeno-men.Voor de proeven met een water-ce-mentfactor van 0,40 tot 0,52 ligt de cu-mulatievekorrelverdeling in het gebiedAB-31,5 volgens figuur 3 van de VBT1986. Om buitensporige ontmenging tevoorkomen is bij de hogere water-ce-mentfactoren voor een korrelverdelinggekozen volgens lijn C van deze figuur.Naast de mengsels genoemd in tabellzijn ook proeven gedaan met mengselsmethulpstoffen, teneindeeeneventueleinvloed Van de hulpstoffen op de meet-resultaten te kunnen vaststellen.De samenstelling van deze mengsels isweergegeven in tabel 2.Met uitzondering van de proeven metsilicazijndeze mengsels methoogoven-cement samengesteld.Met de gecorrigeerde water-cement-factor wordt bedoeld, dat de hoeveel-heid water in de hulpstoffen in de bere-kening van de water-cementfactor ismeegenomen.MeetprogranunaVoor het onderzoek is gebruik gemaaktvan de faciliteiten van het CEMIJ-Iabo-ratorium te Ijmuiden. Het afwegen enhet mengen van de materialen is met dedaar beschikbare apparatuur uitge-voerd. Voor het meten van het waterge-halteinde specieisgebruikgemaaktvande volgen.de apparatuur:- de BIMO, voor het uitvoeren van denucleaire metingen;- een magnetron type Philips AKB 115voor de alternatieve droogproef;- een tweepits butagasstelzoals datvaakwordtgebruiktvoorhetuitvoerenvande droogproef.Alle mengsels van 30 kg zijn zodanigverdeeld dat per mengsel twee metin-gen met de BIMO, drie met de magne-Cement 1990 nr. 9I0.75 0.70/V0.7 ,........., 0.65 6" ./V V ",./0.65 ft" ."V ... 0.60 -./'1 u/,.""... ",- s: ..;0'u 0.6 . Vs: Vc .,....~