De krimp van verhardendecementpasta en mortelOnderzoek verricht door CUR-commissie B 10*, verslag en commentaarwerden verzorgd door mej.ir.W.LSIuijter7De volumemeterThe volume meter*CUR-commissie 10 bestond in 1973 uit devolgende leden: E.M.Theissing (voorzitter),CD. de Haas (secretaris), P.C.Kreijger, E.M.M.G.Ni?l, J.C.SIagter, H.N.Stein, M. van Wal-lendael (leden), P.Blokland (mentor).Een verslag is verschenen in: Cement andConcrete Research, Vol. 5, No. 4, July 1975,getiteld: The shrinkage of hardening cementpaste and mortar'. Overdrukken van dit arti-kel zijn verkrijgbaar bij de CUR in Zoeter-meer.1. InleidingGedurende de jaren 1961-1968 werd door CUR-commissie 10 'Onderzoek naar de invloedvan de krimp van cement op beton' een onderzoek verricht, waarover thans een beknoptcommentaar wordt gegeven. Over de vele proefnemingen, die merendeels bij IBBC-TNOwerden verricht, verscheen een uitgebreid IBBC-rapport. Voor belangstellenden is dit rapportop bestelling tegen kostprijs verkrijgbaar (postbus 49, Delft). Het bevat de gedetailleerdegegevens van het betreffende onderzoek.De krimp van beton wordt veroorzaakt door de krimp van cement onder invloed van water.De krimp kan worden onderverdeeld ?n een verhardingskrimp en een drogingskrimp.Onder verhardingskrimp wordt verstaan de krimp, die ontstaat als gevolg van chemischereacties die bij de hydratatie van cement met het aanmaakwater plaatsvinden, bijv. doordat desom van de volumina van de te hydrateren bestanddelen plus water groter is dan het volumevan de hydratatieprodukten. De verhardingskrimp wordt gemeten in een gesloten systeem,zonder uitwisselingsmogelijkheden naar buiten toe.Onder drogingskrimp wordt verstaan de krimp, die optreedt uitsluitend als gevolg van dedroging, namelijk door het verdwijnen van water uit de pori?n, waardoor de gelporiewandeniets dichter naar elkaar toe komen. Beide typen krimp gaan in elkaar over, afhankelijk vanbij voorbeeld het tijdstip van ontkisten en de nabehandeling.Bij het bepalen van de drogingskrimp is het van groot belang het tijdstip te weten waarop deverhardingskrimp geen rol meer speelt. Bij het onderzoek viel het accent daarom vooral ophet verkrijgen van meer inzicht in de verhardingskrimp en de processen, die daarbij een rolspelen.Een tweede belangrijk punt is de invloed van de (differenti?le) krimp op de buigtreksterktevan beton, in verband met de verhouding buigtreksterkte/druksterkte van beton, die als eermaat voor de scheurvorming kan worden beschouwd. De buitenhuid van beton heeft namelijkeen met de diepte vari?rende toeslag-cementverhouding, vari?rend van nul aan het buiten-oppervlak, tot ongeveer 3 op 1 mm diepte, 4,5 op 2 mm diepte, 5,2 op 3 mm diepte, 5,8 op4 mm diepte en 6,0 (binnen een zekere spreiding) op 5 mm diepte en in de buikmassa. Doorde krimp en sterkte te meten, afhankelijk van de cement-toeslagverhouding, wordt een eersteinzicht verkregen in het gedrag van deze buitenhuid van beton.2. De verhardingskrimpAls functie van de verhardingstijd werden aan cementpasfa en (cement-zand)morte/ de drievolgende eigenschappen onderzocht:? de volumeverandering;? de (isotherme) hydratatiewarmte-ontwikkeling;? de voortplantingssnelheid van geluidspulsen.Cement XXVII (1975) nr. 12 563De volumeveranderingen werden gemeten, zoals in figuur 1 schematisch is weergegeven. Eenwaterdicht gesloten dun rubber omhulsel gevuld met een bepaalde hoeveelheid cementpastaof mortel werd in een praktisch gesloten bak met water geplaatst. Het water uit deze bakstond via een glasbuis en een injectienaald in verbinding met water in een voorraadbakje, datgeplaatst was op een balans. De eerstgenoemde bak met water was geplaatst in een relatiefgrote bak met water van 20 ? 0,1 ?C. Wanneer het totaalvolume van rubber huls met pasta ofmortel kleiner werd, werd water uit het voorraadbakje opgezogen, wat tot uiting kwam in eengewichtsverandering. Elk 1/4 uur werd de gewichtsverandering geregistreerd en omgerekendin promillen volumeverandering. Ook de snelheid van volumeverandering werd berekend.Hoewel niet in het rapport vermeld, wordt hierbij opgemerkt dat bij opstijving van het skelethet inwendige volume minder zal kunnen veranderen dan overeenkomt met de inwendigekrimp, waarbij ook niet met water gevulde pori?n worden gevormd. Er zal zich dan onderdrukin het rubber vlies ontwikkelen, die bij voorbeeld bij een hoge wcf (water-cementfactor) wordtopgeheven door bleedingwater, dat in de niet gevulde pori?n wordt gezogen, waardoor hetuitwendige volume in plaats van groter nu kleiner wordt en dit dus als krimp wordt geregi-streerd. Bij de interpretatie van de meetresultaten is dit aspect niet vermeld.Figuur 2 geeft een voorbeeld van de gemeten krimpsnelheid (uitgedrukt in ml/5 min) voorpasta en mortel, beide met wcf 0,20 en 0,50 (cementsoort portlandcement klasse A). In ver-band met de voorgaande opmerking zijn minder de absolute waarden van de krimpsnelheidvan belang, dan wel de aanwezigheid van 'krimppieken'. Deze 'krimppieken' vallen nl. samenmet de pieken in de hydratatiewarmte-ontwikkeling, die aangeven met welke snelheid dechemische reacties successievelijk plaatsvinden. Dit blijkt bij vergelijking met figuur 3, waarde warmte-ontwikkelingssnelheid is uitgezet bij verschillende wcf (0,20 - 0,30 - 0,40 - 0,50 en0,60). De 'warmtepieken' geven dus een indirecte informatie over de tijdstippen waaropvolumeveranderingen, als gevolg van chemische reacties, kunnen worden verwacht.3. De hydratatiewarmteDe hydratatiewarmte is gemeten met een isotherme calorimeter bij 20 ?C. Als gevolg van degebruikte mengmethode vond de eerste meting niet binnen het eerste kwartier plaats, zodatde eerste warmtepiek niet werd gemeten. Er ontstaan namelijk als regel drie warmtepieken.2De krimpsnelheid als funotie van dehydratatietijdVelocity of shrinkage of paste and mortar3De hydratatiewarmte-ontwikkelingInfluence of the w/c ratio on the heatdevelopmentCement XXVII (1975) nr. 12 5644De pulssnelheid in pastaPulse velocity in pastes with different w/cratio5De pulssnelheid in mortelPulse velocity in mortar (c/a ratio 1:1) withdifferent w/c ratioDe eerste warmtepiek, die reeds tijdens de eerste 10 minuten na toevoeging van aanmaak-water optreedt, wordt toegeschreven aan het oplossen van het tricalciumaluminaat (3 CaO .AI2O3 of afgekort C3A), dat met gips uit het cement reageert en ettringiet vormt (3 CaO .AI2O3 . 3 CaS04. 32 H2O). De volumeveranderingen (krimp), die met deze chemische reactiesgepaard gaan, worden dus niet gemeten met de gevolgde methode.De tweede piek, die een maximum bereikt na ca. 10 uur, wordt toegeschreven aan de hydrata-tie van tricalciumsilicaat (3 CaO . SiO2 of afgekort C3S) met water (H) tot een CSH-gel (ofcalciumsilicaathydraatgel). De C3S-reactie verloopt des te heviger, naarmate de wcf lager is.Ook bij de S treedt volumekrimp op.Het bij een hoge wcf in relatief grote hoeveelheid in oplossing gegane aluminaat, vormt ophet C3S een afsluitende laag mengkristallen, zodat de S-korrels afgeschermd worden voorwater en de hydratatie nu wordt belemmerd.De derde piek (die bij het huidige portlandcement niet meer wordt aangetroffen) wordt toe-geschreven aan de reactie tussen C3A, ettringiet en water (het oplosbare gips is nu omgezet),waarbij monosulfaat (3 CaO . AI2O3 . S4. 12 H2O) en calciumaluminohydraat (C4AH13)ontstaan. Aangezien bij een hogere wcf meer ettringiet gedurende de eerste warmtepiek wasgevormd, kan bij de derde warmtepiek ook meer ettringiet worden omgezet in monosulfaat enis de warmte-ontwikkeling bij deze omzetting groter dan bij een lage wcf (waarbij onomgezetgips achterblijft, dat voor water onbereikbaar is). Bovendien is de hoeveelheid caiciumsilicaat-hydraat minder en zal deze gellaag ook minder dicht zijn, zodat bij de hogere wcf het water-6De warmte-ontwikkeling, de volumekrimp ende pulssnelheid voor pastaCombined curves of flow of heat, shrinkageand pulse velocity for pastesCement XXVII (1975) nr. 12 5657De warmte-ontwikkeling, de volumekrimp ende pulssnelheid voor mortel (1 :1)Combined curves of flow of heat, shrinkageand pulse velocity for mortar (c/a ratio 1:1)8Invloed van toevoeging van C3S op dewarmte-ontwikkeling van cementInfluence of the addition of C3S on the heatdevelopment of cement9Invloed van toevoeging van C3A op dewarmte-ontwikkeling van cementInfluence of C3A addition on the heatdevelopment of cementtransport in de ettringietlaag naar de korrels minder wordt gehinderd dan bij een lagewcf. Bij een wcf van 0,20 is de watertoevoer naar de korrels ten gevolge van de groterehoeveelheid CSH-gel zelfs geheel geblokkeerd en wordt er geen derde piek waargenomen.Ook bij deze derde warmtepiek treedt een 'krimp'-piek op, die echter alleen zichtbaar is bijeen hogere wcf en die de 'inwendige' krimp betreft (zie opmerking onder punt 2).4. De voortplantingssnelheidDe voortplantingssnelheid is gemeten met een Cawkell UCT-apparaat bij 40 kiloherz. Devoortplantingssnelheid van spanningsgolven is een maat voor de elasticiteitsmodulus van demassa. De figuren 4 en 5 geven een voorbeeld van de voortplantingssnelheid in cementpastaen in een mortel (c : z = 1 : 1) bij verschillende wcf. Nadat een zekere opstijving heeft plaats-gevonden, neemt de voortplantingssnelheid (elasticiteitsmodulus) sneller toe met de tijd naar-mate de wcf lager is en dus de S-reactie in sterkere mate plaatsvindt.5. Oorzaken van de verhardingskrimpDe gedurende de eerste 3 tot 5 uur optredende volumekrimp is sterk afhankelijk van de wcf.Bij een hoge wcf is het gevormde ettringiet namelijk vrij volumineus, een naaldenstructuurzorgt ervoor dat de korrels onderling op afstand blijven, zodat de krimpsnelheid relatief laagis. Bij een lage wcf is de krimpsnelheid aanvankelijk juist zeer hoog. Dit geldt zowel voorpasta als voor mortel (1:1). Na 3 tot 5 uur is de krimpsnelheid bij lage wcf sterk gedaald,terwijl bij een hoge wcf de krimp juist gaat toenemen. (N.B. d?ze 'volumekrimp' wordt echtermede bepaald door bleedingwater dat door de massa wordt opgenomen).In de figuren 6 en 7 worden enkele voorbeelden gegeven van de volumekrimp (in promille),de warmte-ontwikkeling (in 10-3J s-1g-1cement) en de pulssnelheid (in m s"1), samen uitgezettegen de hydratatietijd. Uit deze figuren blijkt dat een lage wcf gunstig is voor zowel devolumekrimp (laag) als voor de sterkte (hoog), terwijl de warmte-ontwikkelingssnelheid eenhoger maximum op een eerder tijdstip bereikt.De aanwezigheid van (kwarts)zand be?nvloedt de hydratatie van cement en speciaal van hetaluminaat. Met meer zand duurt de eerste reactie langer, waardoor de tweedeCement XXVII (1975) nr. 12 56611Sterkte en krimp van cementsteen vervaar-digd met pc-klinker en gipstoevoegingenvan 2,5 en 8%Strength and shrinkage of cement-stonemade from portland cement clinker and2,5 and 8% gypsum12Sterkte en krimp van cementsteen vervaar-digd met pc-soorten met verschillendgeha/feStrength and shrinkage of cement-stonemade from portland cement with differentamounts ofreactie minder uitgesproken wordt. Als verklaring wordt de mogelijkheid geopperd dat hetzand kristallisatiekiemen vormt voor het ettringiet, waardoor de ettringietvorming gedurendede eerste piek z? sterk plaatsvindt, dat voor de reacties bij de derde piek slechts weinig C3Aoverblijft. De krimp is bij aanwezigheid van zand, bij een lage wcf, gedurende de eerste ureneveneens groter dan zonder zand.6. Invloed van de cementsoort op de verhardingskrimpBehalve de wcf is de cementsamenstelling van invloed op de hydratatie. Toevoeging vanextra C3S aan het cement versterkt de tweede C3S-piek (fig. 8).Toevoeging van extra C3A aan het cement versterkt de derde piek en verschuift deze tevens'naar een eerder tijdstip (fig. 9).Omgekeerd wordt door toevoeging van extra gips aan het cement de derde piek naar eenlater tijdstip verschoven.Figuur 10 laat de invloed van het 'verouderen' zien, waarbij het cement gedurende een aantaldagen (van 1 tot 12) in een vochtige (98% R.V.) stikstofatmosfeer verbleef met 0,3 vol.%koolzuur.7. De drogingskrimpProefstukken van cementsteen en mortel, in de vorm van prisma's 4 X 4 X 16 cm verharddengedurende 91 dagen onder drogende omstandigheden, namelijk bij 20 ?C en 65% R.V. Na91 dagen werd de lineaire krimp bepaald, alsmede de buigtrek- en druksterkte ten opzichtevan ??n dag oude (bij 20 ?C en 98% R.V. verharde) proefstukken. Gezien het voorgaande ishet de vraag of inderdaad all??n van drogingskrimp sprake is.De cementsoort, de water-cementverhouding en de toeslag-cementverhouding werden geva-rieerd (als zand werd de gradering gebruikt die is voorgeschreven bij de cementkeuring). DeCement XXVII (1975) r. 12 56710Invloed van de verouderingHeat development of cement after aeratingfor a number of days13De drogingskrimp als functie van de wcf ende t/c-verhoudingThe shrinkage by drying as function of thew/c ratio and the c/a ratiogrootte van de lineaire drogingskrimp bleek af te hangen van het type cement, van de wcf envan de toeslag-cementverhoudfng.De krimp van cementsteen, in afhankelijkheid van de cementsoort, bleek toe te nemen inonderstaande volgorde:aluminiumcement, portlandcement klasse, portlandcement klasse, hoogovencement klas-se , portlandcement klasse A, hoogovencement klasse A.De figuren 11 en 12 tonen de invloed van vari?rende hoeveelheden gips resp. C3A in portland-cement op de krimp van cementsteen. Er is een gipsgehalte, waarbij de krimp minimaal is ende sterkte maximaal. Bij een gehalte van meer dan 10% (en ongeveer 4% gips) neemtde krimp zeer sterk toe.De drogingskrimp nam toe met toenemende wcf (bij constante t/c-verhouding) en nam af mettoenemende t/c-verhouding (bij constante wcf), zoals blijkt uit figuur 13 voor portlandcementklasse A.3. Drogingskrimp en sterkte van beton t.a.v. de buitenhuid van betonVoor dit onderzoek werden voor het verkrijgen van gegevens over sterkte onder natte verhar-dingsomstandigheden prisma's 4 X 4 X 16 cm na ontkisten gedurende 28 dagen in water van20 ?C bewaard, waarna en d werden gemeten.In het eerder genoemde rapport zijn de drogingskrimp en de natte en droge sterkte afzonder-lijk uitgezet tegen de wcf en de cement-toeslagverhouding. De sterkte bleek af te nemen mettoenemende wcf en met toenemende t/c-verhouding. Uit de relatie tussen Od/ en Od ondernatte en droge verhardingsomstandigheden bleek de gunstige invloed van natte verhardings-omstandigheden bij gebruik van hoogovencement op de verminderde scheurgevoeligheid vande buitenhuid van beton.De directe relatie tussen krimp en sterkte komt in de figuren 14 en 15 tot uiting, voor portland-cement resp. hoogovencement (voor alle water-cementfactoren). De verspreid liggende pun-ten groeperen zich bij ??n bepaalde toeslag-cementverhouding volgens de formule:dat wil zeggen dat de krimp en O? rechtevenredig zouden zijn bij een bepaalde t/c-verhou-ding, ongeacht de wcf.De 'constante' varieerde binnen bepaalde grenzen; de 'constante' bleek af te nemen met toe-nemende t/c-verhouding. Voor portlandcement is de 'constante' lager dan voor hoogoven-cement voor een bepaalde t/c-verhouding. Deze 'constante' zou als een maat kunnen wordenbeschouwd voor de verhouding tussen de krimp, die werkelijk optreedt en de krimp, diemaximaal zonder scheuren kan worden opgenomen. Een hoge 'constante' is dus ongunstig.De hoogste waarde werd voor hoogovencement zonder toeslag aangetroffen (33 ? 22), delaagste waarde voor portlandcement met t/c = 6 (2 ? 1).14Relatie tussen krimp en sterkte voorportlandcementRelation between shrinkage and strength forportland cement15Relatie tussen krimp en sterkte voor hoog-ovencementRelation between shrinkage and strength forblast furnace cementCement XXVII (1975) nr. 12 568