O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i e74 cement 2008 4De laatste jaren beantwoordt debetonindustrie steeds meer aan devraag in de markt naar milieu-vriendelijk bouwen. Beton is eenalom aanwezig constructiemateri-aal waarvan de milieu-impact perkubieke meter klein is ten opzich-te van veel andere constructiema-terialen. Maar er is wel veel betonop deze wereld; de totale milieu-impact is dus zeker niet te ver-waarlozen. De twee belangrijkste`bronnen' van CO2in beton zijnwapeningsstaal en cement. Deoplossing voor de milieuproble-men die samenhangen met deproductie van cement en beton ligtniet in de eerste plaats in het ver-vangen van deze door anderematerialen, maar in het verbeterenvan de milieuprestaties van heteindproduct beton. Het energie-verbruik door de productie vancement en beton, alsmede de daar-aan verbonden uitstoot van kooldi-oxide, kan worden verminderddoor het gebruik van secundairegrond- en brandstoffen. Veel bij-producten uit de industrie hebbeneigenschappen die de prestatiesvan beton zelfs kunnen verbete-ren; denk aan poederkoolvliegas,silica fume of gegranuleerde hoog-ovenslak. Door het gebruik vandeze producten kunnen de eigen-schappen van beton specifiek wor-den be?nvloed en kan ? onderbepaalde voorwaarden ? hetcementgehalte naar beneden. Devoorwaarden hebben bijvoorbeeldbetrekking op sterkte en duur-zaamheid. De EN206 stelt daaromeisen aan het minimum cement-gehalte in beton. Deze eis is geba-seerd op langjarige ervaringen. Deonderzoeksvraag is of nieuwe ont-wikkelingen in de betontechnolo-gie, zoals de hier te presenterenkorrelpakkingmodellen, het moge-lijk maken ook beneden deze eiseen sterk en duurzaam betonpro-duct te maken.K o r r e l p a k k i n g m o d e l l e nBetonmengsels kunnen wordengeoptimaliseerd door gebruik temaken van korrelpakkingmodellen[1, 2, 3]. Deze wiskundige model-len zijn gebaseerd op de geometrie(vorm, korrelgrootteverdeling) vande verschillende korrels in hetmengsel. Het basisprincipe hierbijis het vullen van de lege holtestussen de korrels door gebruik temaken van kleinere korrels (fig. 1).Met behulp van de modellen kande hoogst mogelijke pakkingdicht-heid worden bepaald. In een beton-mengsel wordt bijvoorbeeldgebruik gemaakt van grind meteen pakkingdichtheid van 0,60. Ditbetekent dat 60% van een volumegevuld is met grind; de rest bestaatuit holle ruimtes. In dat geval kande overige 40% nog gevuld wordendoor zand. Zand met een goedekorrelgrootteverdeling dat bestaatuit ronde korrels kan deze holtesechter effectiever opvullen danbijvoorbeeld zand met een hoekigekorrelvorm. Als meer holtes doorhet zand worden opgevuld, is eruiteindelijk minder cementpastanodig om de overige holtes te vul-len.V e r l a g e n c e m e n t g e h a l t eDe huidige korrelpakkingmodel-len kunnen worden gebruiktvoor het ontwerpen van bijvoor-beeld zelfverdichtend beton enExperimenteren metkorrelpakkingmodellenir. S.A.A.M. Fennis en prof. dr. ir. J.C. Walraven, TU Delft, Faculteit CiTGBeton met een verlaagd cementgehalte draagt bij aan het verminderen vanCO2-emissies en het gebruik van secundaire grondstoffen. Om materiaalei-genschappen zoals sterkte en duurzaamheid te waarborgen wordt dit soortmengsels ontworpen met behulp van korrelpakkingmodellen. Met een geop-timaliseerde korrelpakking is het mogelijk beton in sterkteklasse C20/25 teproduceren met slechts 175 kg/m3cement. Voor het beheersen van de water-behoefte en microstructuur van de mengsels wordt een nieuw model voorge-steld dat onder andere gebaseerd is op experimenteel onderzoek naar depakkingdichtheid en viscositeitmetingen.1 |Schematische weergavevan het verhogen van depakkingdichtheid metbehulp van korrelpak-kingmodellenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2008 4 75hogesterktebeton. Het modelberekent de maximale pakking-dichtheid van het toeslagmateri-aal met behulp van de geometri-sche interacties van de korrels.Vervolgens wordt een geoptimali-seerde hoeveelheid cementpastatoegevoegd, die niet alleen deholtes opvult, maar tevens zorgtvoor de verwerkbaarheid van hetbeton. Met een hoge pakking-dichtheid en een laag waterge-halte kan op deze manier eenhoge sterkte worden bereikt.Voor het ontwerpen van milieu-vriendelijk beton is het optimali-seren van de pakkingdichtheidnu echter niet gericht op hetverhogen van de sterkte van hetbeton, maar op het reducerenvan de vereiste hoeveelheidcement, terwijl de overige eigen-schappen van het beton tenmin-ste op gelijk niveau blijven.Het basisprincipe voor het ont-werpen van betonmengsels meteen laag cementgehalte met dehuidige korrelpakkingmodellenis het verhogen van de korrelpak-king om zodoende de waterbe-hoefte te minimaliseren. Op dezemanier kan beton met een lagerewater-cementfactor wordengeproduceerd, waardoor opcement kan worden bespaard.E x p e r i m e n t e nVier betonmengsels, met in totaal250 kg/m3cement en vliegas, zijngebruikt voor het testen van deeffectiviteit van de huidige korrel-pakkingmodellen met betrekkingtot het ontwerpen van beton meteen verlaagd cementgehalte, waar-bij de pakkingdichtheid van hettoeslagmateriaal is geoptimali-seerd. De gebruikte materialenzijn portlandcement CEM I 32,5 R(ENCI Maastricht), hoogovence-ment CEM III/B 42,5 N (ENCIIJmuiden), vliegas (Vliegasunie,SMZ Maasvlakte), rivierzand(0,125-0,25, 0,25-0,5, 0,5-1, 1-2, 2-4mm) en riviergrind (4-8, 8-16mm) (Maas, fa. Filcom Papen-drecht). De mengselsamenstellin-gen zijn opgenomen in tabel 1.De mengsels zijn getest op deontwikkeling van de druksterkteen splijttreksterkte in de tijd, elas-ticiteitsmodulus, krimp, kruip,elektrische weerstand en water-indringing [4].R e s u l t a t e nDe eigenschappen van de onver-harde mengsels zijn samen metde gemiddelde druksterkte, splijt-treksterkte en elasticiteitsmodulusgepresenteerd in tabel 1. Demengsels P250, P175 en H175behoren tot sterkteklasse C20/25P250 P175 P125 H175samenstelling in kg/m3 [kg/m3]CEM I 32,5 R 3200 250 175 125 -CEM III/B 42,5 N 2950 - - - 175vliegas 2286 - 75 125 75Cretoplast SL01, [%] poeder 1170 1,3 1,3 1,3 1,3water (totaal) 1000 149 142 146 142waterpoederfactor [-] 0,58 0,57 0,58 0,57riviergrind 4-16 2640 1126 1252 1242 1245rivierzand 0-4 2640 867 744 738 740rheologische eigenschappenzetmaat mm 120 120 140 190luchtgehalte % 1,7 0,7 2,1 1,0volumieke massa kg/m32361 2400 2338 2395mechanische eigenschappen in MPakubusdruksterkte na 7 dagen 21,5 21,0 8,8 20,928 dagen 31,8 33,0 16,5 30,956 dagen - 38,7 24,1 36,090 dagen 34,2 43,8 26,4 36,5364 dagen - 53,3 50,8 43,5splijttreksterkte na 28 dagen 2,7 2,7 1,7 3,2elasticiteitsmodulus na 28 dagen 32000 32100 24900 29700Tabel 1 |Schematische weergave van het verhogen van de pakkingdichtheid met behulp van korrelpakkingmodellenO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i e76 cement 2008 4na 28 dagen, terwijl P125 dezesterkte pas bereikt na 90 dagen.Op de lange termijn resulteert hetcombineren van vliegas metcement in een verhoogde sterkte.Dit is duidelijk zichtbaar in desterkteontwikkeling van bijvoor-beeld P125 tussen de 90 en 364dagen (fig. 2). Voor alle mengselsmet een verlaagd cementgehaltevoldoen de relaties tussen dedruksterkte, de splijttreksterkte ende elasticiteitsmodulus (tabel 1)aan de standaardrelaties voor nor-maal beton.D i s c u s s i eDe experimentele resultaten heb-ben aangetoond dat het mogelijkis goed beton te ontwerpen meteen verlaagd cementgehalte.Voor de mechanische eigen-schappen zijn de standaardrela-ties voor normaal beton geldig.Krimp en kruip van beton meteen verlaagd cementgehalte zijnlaag en de duurzaamheid van demengsels met 175 kg cement perm3beton is voor veel interes-sante toepassingen voldoende.Uit het onderzoek bleek verderdat het ontwerpen van mengselsmet een verlaagd cementgehaltepotentie heeft, maar dat de kor-relpakkingmodellen in hun hui-dige vorm daarop nog onvol-doende aansluiten. De redenhiervoor is dat voor materiaalei-genschappen zoals sterkte enduurzaamheid, vooral de water-behoefte van het mengsel en dedichtheid van de microstructuurbelangrijk zijn. Het voorspellenvan de waterbehoefte en de pak-king van de microstructuur isechter alleen goed mogelijkindien ook de microkorrels cor-rect in het model zijn ge?mple-menteerd.M o d e l v e r b e t e r i n gConceptDe huidige korrelpakkingmodel-len bepalen de pakkingdichtheidvan droge toeslagmaterialen metbehulp van de pakkingdichtheidvan iedere korrelfractie en degeometrische interactie tussen dekorrelfracties. Hierdoor zijn demodellen niet goed in staat omde pakkingdichtheid van korrelsmet afmetingen op microniveaute berekenen. Bij korrels kleinerdan 100 m spelen namelijk veelmeer interacties dan enkel degeometrische een rol, zoals deVan der Waalskrachten en elek-trostatische krachten. Dezekrachten worden ook nog eensbe?nvloed door de vloeistof waar-in de korrels zich bevinden enhet gebruik van bijvoorbeeld eensuperplastificeerder. Om de hui-dige korrelpakkingmodellengeschikt te maken voor het ont-werpen van beton met een laagcementgehalte, moeten de for-mules in het model worden aan-gepast aan deze extra interactie-krachten.ExperimentenVoor de ontwikkeling van eennieuw korrelpakkingmodel voorbeton met lage cementgehaltes2 |Druksterkteontwikkelingin de tijd voor beton-mengsels met eenverlaagd cementgehalte3 |Microstructuur van decementpasta van P175 nacentrifugaalconsolidatie:vliegaskorrels encementkorrels zijnhomogeen verdeeld metweinig waarneembareagglomeratie01020304050600 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364P250P175P125H175tijd [dagen]gemiddeldekubusdruksterkte[MPa]O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2008 4 774 |De relatieve pakking-dichtheid van cement-pasta's, weergegeven alsde ratio tussen de korrel-concentratie in eencementpasta en degemeten maximalekorrelpakking van diecementpasta tijdenscentrifugaalconsolidatie,in relatie tot viscositeitzijn experimentele gegevensnodig, zodat de factoren die dekorrelpakking op microniveaube?nvloeden kunnen wordenvastgelegd, alvorens deze wordengebruikt voor het ontwikkelenvan de interactieformules. Tevensis het belangrijk meer inzicht teverkrijgen in de invloed van dekorrelpakking op de waterbehoef-te van beton, zodat het model dewater-cementfactor van hetbeton, en dus de sterkte en duur-zaamheid, beter kan beheersen.Voor het meten van de pakking-dichtheid wordt het principe vancentrifugaalconsolidatie toege-past. Een cementpasta bestaandeuit cement, fijne vulstoffen,water en superplastificeerderwordt in een reageerbuisjegecentrifugeerd, waarna de pak-kingdichtheid van de ontstanekorrelpakking wordt gemeten [5].Niet alleen de gemeten pakking-dichtheid wordt gebruikt alsinput voor het model, maar ookde bevindingen van microsco-pisch onderzoek dat op de`gecentrifugeerde korrelpakking'wordt uitgevoerd. Dit microsco-pisch onderzoek wijst uit waargrote en kleine korrels zich tenopzichte van elkaar bevinden, ofer agglomeratie tussen bepaaldekorrels heeft plaatsgevonden enop welke manier cement en vul-stoffen zich hebben verspreid(fig. 3). Tevens zijn de cement-pasta's getest op verwerkbaarheidmet behulp van een viscositeit-meter. Uit de resultaten bleek datde vloeibaarheid (vloeibaar ~ lageviscositeit) van de cementpasta'sgerelateerd is aan de relatievepakkingdichtheid van de cement-pasta (fig. 4). Dit is een hele nut-tige relatie, omdat deze kan wor-den gebruikt voor het voorspel-len van de waterbehoefte vankorrelpakkingen en dus in hetmodel de water-cementfactor kanbeheersen.C o n c l u s i e sMet een geoptimaliseerde korrel-pakking van het toeslagmateriaalis het mogelijk beton in sterkte-klasse C20/25 te produceren metslechts 175 kg/m3cement en 75kg/m3vliegas. Daarbij blijven derelaties tussen de mechanischeeigenschappen zoals druksterkte,splijttreksterkte en elasticiteits-modulus hetzelfde als bij gebrui-kelijk beton. Een voordeel vanbeton met een laag cementge-halte zijn de lage krimp en kruip,terwijl de duurzaamheid van demengsels met 175 kg/m3voorveel interessante toepassingenvoldoende is.Het ontwerpen van beton meteen laag cementgehalte met dehuidige korrelpakkingmodellenzorgt echter voor problemen ophet gebied van de pakkingdicht-heid van de microstructuur enhet beheersen van de waterbe-hoefte. Een nieuw korrelpakking-model waarin niet alleen geome-trische interacties, maar ookoppervlaktespanningafhankelijkeinteracties worden ge?mplemen-teerd, is voorgesteld als oplossingvoor het ontwerpen van betonmet een laag cementgehalte.Belangrijke input voor het nieu-we model volgt uit metingen vande pakkingdichtheid met behulpvan centrifugaalconsolidatie enviscositeitmetingen. Met behulpvan de experimenteel bepaalderelatie tussen viscositeit en rela-tieve pakkingdichtheid kan dewaterbehoefte van mengsels wor-den voorspeld en beheerst.D a n k w o o r dDit onderzoek wordt gefinancierddoor Technologiestichting STW,divisie Technische Wetenschappenvan NWO en het TechnologieProgramma van het Ministerievan Economische Zaken.L i t e r a t u u r1. Larrard, F. de, Concrete mix-ture proportioning; a scientificapproach. E & FN Spon, Lon-den, 1999.2. Schwanda, F., Das rechneri-sche Verfahren zur Bestim-mung des Hohlraumes undZementleimanspruches vonZuschlagen und seine Bedeu-tung fur den Spannbetonbau.Zement und Beton 37, 1966.3. Yu, A.B., R.P. Zou, N. Stand-ish, Modifying the Linear Pac-king Model for Predicting thePorosity of Nonspherical Parti-cle Mixtures. Ind. Eng. Chem.Res. 35, 1996, p. 3730-3741.4. Fennis, S.A.A.M., Mechanicalproperties and durabilityaspects of low cementcontent concrete. In: confe-rentienotulen van het 6deinternationale PhD sympo-sium in Civiele Techniek,ETH Zurich, 2006.5. Fennis, S.A.A.M., J.C. Wal-raven, T. Nijland, Measuringthe packing density to lowerthe cement content in con-crete. International fib Sym-posium, 19-22 mei 2008,Amsterdam. n00,20,40,60,811,21,41,61,820,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 cementpasta / centr. consolidatie [-]viscositeit[Pas]R2= 0.91