Erosie van betonVoordracht door Dr.-Ing.H.W. Reinhardt namens CUR-com-missie C 37, uitgesproken tijdens de CUR-dag 1978, Amers-foort, 20 april jl.InleidingCUR-commissie C 37 dankt haar bestaan aan de afsluiting van de Oosterschelde, waarRijkswaterstaat bezig is een pijlerdam te bouwen. Onder normale omstandigheden zullen deafsluitmechanismen geopend zijn, wat betekent dat twee maal per dag het water langs de pijlersen over de dorpelbalken heen en terugstroomt. Daarbij zullen de optredende watersnelheden 3tot 5 m/s bedragen. Door deze watersnelheden en het meegevoerde zand, bestaat de vrees daterosie van het beton zal optreden. Dit vormde de aanleiding voor de CUR om het verschijnselerosie nader te laten onderzoeken door een commissie, te weten C 37, die in maart 1977 werdge?nstalleerd.Commissie en medewerkers zijn direct aan het werk gegaan en hebben allereerst - zoalsgebruikelijk - via een literatuurstudie geprobeerd een oplossing te vinden. Tevens werdenbuitenlandse instanties geraadpleegd waarvan verwacht werd dat men daar ervaring had in hetbouwen, onderhouden of repareren van constructies met soortgelijke randvoorwaarden. Uit dereacties is duidelijk geworden dat ook bij hen meer vragen dan antwoorden bestonden.Het onderzoekVervolgens werd besloten om zelf een onderzoek op te zetten. Maar hoe? Er bestaan geenstandaard proeven om de erosie van beton te bepalen. Weliswaar waren verschillende proefme-thoden bekend, zoals een gewone slijpproef met een slijptafel of eroderen met behulp van eenzandvoerende water- of luchtstraal, eroderen in een met water en grind gevulde roterendecilinder waarvan de binnenzijde is bekleed met het te onderzoeken materiaal, het laten roterenvan proefstukken onderwater, often slotte, door het laten circuleren van abrasieve stoffen overhet te beproeven materiaal.Gezien de mogelijkheden bij de TH-Delft en de wens van Rijkswaterstaat om op korte termijn deonderzoekresultaten binnen te hebben, werd besloten tot een proef volgens de laatst ge-noemde methode. Overigens is een serie slijpproeven uitgevoerd, maar daarover wordt hierniet gerapporteerd.1Proefopstelling voor de erosieproevenCement XXX (1978) nr.6282In een open cirkelvormige ring met rechthoekige dwarsdoorsnede stroomt water met eenbepaalde hoeveelheid abrasief sediment in de vorm van zand en grind over de bodem (fotol).Deze bodem is bekleed met 12 betonnen proefstukken in de vorm van ring-sectoren waarvan debuitendiameter 4 meter en.de binnendiameter 3 meter bedraagt, ongeveer overeenkomstig deafmetingen van de goot. De waterdiepte is in rusttoestand 0,40 m. Het water wordt in beweginggebracht door middel van een rotor met 12 verticale in het water stekende schotten. De schottenzijn verstelbaar om een verticale as, voor het verkrijgen van een gelijkmatiger stroming. Degemiddelde stroomsnelheid van het water is 3,5 m/s. Tevens ontstaat, doordat de goot nietrecht maar cirkelvormig is, een secundaire stroming aan de bodem die van de buiten- naar debinnenkant gericht is. Het is dus een tamelijk ingewikkeld stromingsbeeld dat niet gelijkmatigover de doorsnede is verdeeld. Uit de resultaten blijkt dat de slijtage aan de buitenzijde hetgrootst is en aan de binnenzijde het geringst. De resultaten van een dergelijke proef zijn haastniet naar de werkelijkheid te vertalen, ze zijn alleen geschikt voor een onderlinge vergelijkingvan de verschillende materialen.Om de mate van erosie te bepalen wordt bij elk proefstuk met behulp van een afneembaarmeetframe met inductieve opnemers, het hoogteverschil ten opzichte van de oorspronkelijkehoogte van 24 punten gemeten (foto 2). Doordat tegelijkertijd twee proefstukken van hetzelfdemengsel beproefd worden, staan 48 punten ter beschikking. Met dit aantal proefstukken enmetingen denken wij voldoende gegevens te hebben voor een statistische verwerking.Overwogen is nog de toepassing van optische technieken, zoals schaduw-moir? en stereo-op-namen. Maar vanwege de zeer arbeidsintensieve uitwerking, zijn deze methoden achterwegegelaten.We zullen nu eerst ingaan op de mogelijke werking van de erosie en de factoren die van invloedzijn op de erosieve werking.Stel dat er een betonoppervlak is zoals aangegeven in figuur 3, waarover water, zand en grindstroomt. De vaste deeltjes zullen, voor zover deze niet in suspensie zijn, langs deze oppervlakteschuren, soms rollen of springen. Bij oneffenheden zullen de deeltjes tegen het beton aanbot-sen en punten of kanten eraf kunnen stoten. Tevens kan bij hoge snelheden als gevolg vanturbulentie een onderdruk in het water ontstaan, die trekkrachten op het beton uitoefent. Hoeruwer het oppervlak, hoe eerder dit verschijnsel kan optreden.De belasting van hetoppervlak is dus van verschillende aard: schurend, stotend, trekkend. Elkecomponent van het beton (cementsteen en toeslagmateriaal) is aan deze belasting blootge-steld.Hoe zal nu het beton zich gedragen als het onderworpen is aan erosie? Een hoge sterkte van hetcementsteen heeft zonder meer een positieve invloed. Dat betekent dat bij de speciesamenstel-ling gestreefd moet worden naar een lage water-cementfactor en een goede verdichting van despecie. In de literatuur wordt een waarde van 0,4 tot 0,45 aanbevolen.De cementsoort is van minder invloed wat betreft de erosie. Het zijn andere factoren die decementsoort bepalen, bij voorbeeld de bestendigheid tegen zeewater, het vroegtijdig kunnenontkisten en het tegengaan van warmte-ontwikkeling bij dikke betonconstructies.De hoeveelheid cement kan echter wel van belang zijn, omdat in de regel het toeslagmateriaaleen grotere hardheid en dus een grotere sterkte bezit dan de cementsteen. Hoe minder cement,hoe beter, mits een goede verwerkbaarheid is gegarandeerd. Een cementhoeveelheid van 360kg/m3zou niet moeten worden overschreden.Wat het toeslagmateriaal betreft, kan gesteld worden dat een hard materiaal beter is dan eenzacht, maar daarbij moet ook een relatie worden gelegd met het in de natuur voorkomendeabrasieve materiaal. Hoe meer toeslagmateriaal in een doorsnede aanwezig is, hoe sterker deconstructie en hoe groter de bestandheid tegen erosie. Als voorbeeld is in figuur 4 de buitenhuidvan een betondoorsnede te zien waarin betrekkelijk weinig toeslagmateriaal, maar veel meercementsteen voorkomt. De erosie zal hier in het algemeen sterker zijn dan in een normaledoorsnede.Overigens bevat beton met grove toeslagkorrels meer toeslagmateriaal dan beton met kleinerekorrels. In het eerste geval zal de erosie minder zijn.Een ander aspect dat eigenlijk alleen aan het oppervlak een rol speelt, is de nabehandeling. Aande nabehandeling wordt terecht veel betekenis toegekend, omdat hiermee de sterkte van debuitenhuid wordt bepaald en daarmee de weerstand tegen erosie in het eerste stadium.Als verloop van de erosie in de tijd is het volgende beeld te verwachten: eerst de erosie van decementrijke buitenhuid, en daarna de mindere erosie van het binnenste van het beton. Ditproces loopt door volgens een bijna rechte lijn, dat wil zeggen zolang het water met de abrasievestof blijft stromen, blijft ook de erosie doorgaan.De proevenInmiddels is een tweetal series proeven van 12 proefstukken uitgevoerd, waarbij met 9 beton-mengsels werd gewerkt. In tabel 1 zijn de gegevens van de 9 mengsels weergegeven. Serie 1omvat de mengsels 1 t/m 6, serie 2 de mengsels 7, 8 en 9.De mengsels van serie 1 zijn, gebruik makend van kennis uit de literatuur, zo gunstig mogelijksamengesteld met uitzondering van mengsel 1, dat iets meer water bevat. Mengsel 5 is, integenstelling tot alle andere mengsels, beton met grof grind als toeslagmateriaal.Cement XXX (1978) nr. 6 283Tabel 1Mengselgegevens van de beproefde beton-soorten; serie 1: nr. 1 t/m 6, serie 2 nr. 7 t/m 9nr. cements o o r t kg/m3w/c zetmaat wa lzmaat lucht%f'28,gemN/ram2su perplastfi ceerdergew-% t.o.v. cement1 HA 281 0,55 0 1,14 0,8 37,2--2 HA 296 0,48 4,5 1,10 1,4 37,9 0,4003 HB 307 0,50 0,5 1,08 0,8 43,1--4 HB 303 0,50 19 1,00 1,7 41,3 0,8555 HA 306 0,37-- -- 1,2 48,0 0,8556 HB 368 0,37 10 1,08 3,2 47,7 0,8557 HA 266 0,63 12 1,09 1,2 27,6--8 HA 333 0,42 11 1,07 3,9 39,6 0,8579 HA 384 0,43 17 1,04 3,4 41,8 0,858Serie 2 omvat drie mengsels waarvan het eerste een lage sterkte bezit, terwijl de beide anderemet een lage water-cementfactor grotere druksterktes vertonen.Aan 6 van de 9 mengsels is voor een betere verwerkbaarheid een superplastificeerder toege-voegd.De nabehandeling bij de mengsels 1 t/m 6 bestond uit het nathouden tot de beproeving, terwijlbij de mengsels 7, 8 en 9 van elk stort ??n proefstuk goed werd nabehandeld en ??n proefstukgeen enkele vorm van nabehandeling onderging. Deze proefstukken werden na het ontkisten inde hal gelegd en droogden daar uit.Als variabelen zijn op deze wijze de druksterkte, de hoeveelheid toeslagmateriaal per m3, dehoeveelheid matrix en de nabehandeling aanwezig.ResultatenDe proeven draaiden 240-260 uur. In het begin werd om de 10 uur gemeten, later om de 20 uuren tenslotte om de 40 uur.Een voorbeeld van het erosieverloop toont figuur 5, in welke figuur de beproeving van demengsels 7, 8 en 9 is uitgezet. In het begin gaat de erosie snel, neemt dan af, maar komt niet totstilstand. Bij mengsel 7 is de invloed van de nabehandeling duidelijk waarneembaar. Ditmengsel bezat trouwens de laagste sterkte, wat dan ook aanleiding was tot de grootste erosie.Mengsel 8 en 9 zijn onderling niet signifikant verschillend, wat statistisch werd getoetst.De absolute grootte van de erosie ligt hier tussen 2 en 5 mm na 240 uur beproeving. Op zichzelfzegt dat niet veel omdat de grootte sterk afhangt van de eroderende werking en die was hier minof meer willekeurig gekozen. Aan het water was 50 kg abrasief materiaal toegevoegd, meteengrootste korrel van 30 mm, terwijl de watersnelheid 3,5 m/s bedroeg. Een en ander gebeurdeom op korte termijn resultaten te verkrijgen, maar het heeft nauwelijks overeenkomst met dewerkelijkheid. Zoals al eerder opgemerkt, dit is een vergelijkende proef die in dit opzicht ookheeft voldaan, doordat de verschillen tussen de proefmengsels konden worden aangetoond.De verschillen in resultaat van figuur 6 zijn veel minder groot. Hiervoor zijn twee oorzaken aan tewijzen: onderling kleine verschillen in druksterkte en overal een gelijke goede nabehandeling.Bouwmetrologse Bouwmetrologie in het bouwproces beoogt een maatnauwkeurigheid van het gebouw en zijn onder-delen te bereiken, die gewenst is in verband met de vereiste kwaliteit. Daartoe worden eerst denauwkeurigheden vastgesteld die volgen uit het ontwerp en de bouwmethode, waarna een optimalemaatvoering wordt gekozen.In het meinummer van Cement word een artikelgepubliceerd over de bouwmetrologische aan-pak bij het CBS-kantoor Heerlen.In figuur 1 van dat artikel worden verschillendefasen onderscheiden die voor het betoog vanbelang zijn. Omdat de figuur wat onduidelijk isovergekomen, wordt deze hier opnieuw ge-plaatst.Cement XXX (1978) nr. 62845Erosieverloop in de tijd van mengsels 7, 8 en9; W = wel nabehandeld, -- niet nabehan-deld6Erosieverloop in de tijd van de mengsels 1t/m 67Invloed van druksterkte en nabehandeling opde toename van de erosieBij de verdere uitwerking worden niet de absolute waarden van de erosie gebruikt, maar detoename van de erosie in de tijd dus s/ f bepaald tussen 80 en 240 uur beproevingsduur. Ditgeeft een betere indicatie voor de doorgaande erosie. Zodoende kan de invloed van dedruksterkte en die van de nabehandeling ontleend worden aan figuur 7. De bovenste rechte lijn(bepaald met een lineaire regressie) geldt voor de niet behandelde proefstukken. Deze ligtduidelijk boven de wel nabehandelde proefstukken en heeft een sterkere helling. Dit betekentdat de invloed van de nabehandeling vooral merkbaar is bij de lagere druksterktes.Bij een lage betonkwaliteit is dus een goede nabehandeling van belang voor de erosiebesten-digheid. Naarmate de betonkwaliteit toeneemt is deze invloed minder. Tevens is te zien dat debetondruksterkte bij goede nabehandeling minder invloed heeft. Dat verklaart het feit dat deverschillen tussen de mengsels van serie 1 zo klein waren, omdat ook deze proefstukken eentamelijk hoge druksterkte en kleine onderlinge verschillen vertoonden.Ook is nagegaan wat de invloed van de hoeveelheid toeslagmateriaal in het beton is. Daarbijkwam naar voren dat deze invloed in het beproefde gebied verwaarloosbaar klein is, eenresultaat dat een beetje in tegenstelling tot de aanname is.ConclusiesAls conclusies van deze resultaten die vanwege de beperkte omvang nog iets prematuur zijn,kunnen genoemd worden:? slechte betonkwaliteit (dat kan ook plaatselijk zijn) leidt tot meer erosie dan een goede kwaliteit;? een goede nabehandeling is vooral bij lage betonkwaliteiten belangrijk;? bij een goede nabehandeling is de invloed van de druksterkte minder groot op de erosiebesten-digheid;? bij betonkwaliteiten rond de 40 N/mm2werd geen invloed van de hoeveelheid toeslagmateriaalin het beton op de erosiebestendigheid gevonden; beton met grof grind tot 64 mm gedroeg zicheven goed als beton met normaal grind tot 32 mm.Om een aantal aspecten nog verder te verdiepen, heeft de commissie besloten met de proevendoor te gaan.De resultaten van de controlemetingen tijdens de uitvoering worden gebruikt om na te gaan of dewerkmethodes voldoende nauwkeurig zijn en om bij te grote maatafwijkingen de maten van de nog temaken bouwgedeelten eventueel aan te passen, zodat toch het gewenste resultaat wordt bereikt.Cement XXX (1978) nr.6 285