I IONDERZOEK I IKWALITEIT IN METSELWERK,VERBOND TUSSEN STEEN ENMORTELS.Brouns, Centraal Laboratorium ENCI Nederland BVS.Roorda, Technische Voorlichting ENCI Nederland BVIn deze publikatie zijn onderzoekresultaten weergegeven, gericht op dewaterhuishouding van metselproefstukken en de consequenties hiervan voor dekwaliteit van het metselwerk. Duidelijk komt naar voren dat de conventionelebenadering, die uitgaat van de druksterkte van mortelen steen als rekenwaardevoor de kwaliteit van het metselwerk, ontoereikend is, en dat watervasthoudendheidvan de mortel van primaire betekenis is. Met kennis vanen inzicht in dewaterhuishouding in metselwerk en het gebruik van bindmiddelen met eentoereikende watervasthoudendheid kan metselwerk van goede kwaliteitgeproduceerd worden. ENCI-metselcement is hier een goed voorbeeld van.In dit artikel wordt vooral nader inge-gaan op de relatie tussen de waterhuis-houding in en de kwaliteit van metsel-werk.Vergeleken worden hierbij twee typenmetselbindmiddelen:~ metselcement als een kant en klaarmetselbindmiddel;- mengsel van portlandcement enluchtkalk.De waterdoorlatendheid van het met-selwerk en de hierin toegepaste mortel-kwaliteithangen niet altijd causaal sa-men. Vaak is naast de kwaliteit van desteen, vakmanschap de meest doorslag-gevende factor.Hierop kanworden ingespeeld door hettoepassen van bindmiddelen met eenhoge watervasthoudendheid, zoalsENCI-metselcement* of een mengselvan portlandcement en luchtkalk. Dezestaan zonder ontmenging een grotehoeveelheid water in de metselspecietoe en kunnen daardoor als regel aan-zienlijke hoeveelhedenwater aande ste-nen afstaan. Toch blijft er voldoendewaterinde metselmortelachterom t?e-reikend te verharden.Dit is toe te schrijven aan de zeer hogef~nheid van respectievelijk de kalk- .----~~-----~-----steenfractie in metselcement en deluchtkalkfractie in een portlandce-ment-luchtkalkmengseLBinnen de Europese normcommissievoor cement (CEN/TC 51) is een werk-groep (WG 10) bezig een ontwerpnormop te stellen voor metselcement (Ma-sonry cement). De eisen die hierbij aanmetselbindmiddelen worden gesteld,zijnwederomprimairgerichtopklassenin druksterkte, gemeten aan mortel-proefstukken.Afhankelijkvan deze sterkteklassenzijngrenzen aan het luchtgehalte gesteld.Een eis wordt ook gesteld aan de water-vasthoudendheid van metselcement (80?95%).Eisenaande hechtingzijn indezeEuropese norm niet voorzien, wel in denorm voor metselmortels (CENITC125).Met andere woorden de waterhuishou-ding in het metselwerk, direct na hetvermetselen.De huidige regelgeving in Nederlandgaat uit van eisen aan metselmortels(NEN 3835) en stenen (NEN 3836 enNEN 3853), waaruit een rekenwaardevoor de druksterkte van metselwerkvolgt.De buigtreksterkte van metselwerkwordt uit deze rekenwaarde afgeleid.Volgens onderzoekresultaten van SBR-studiecommissie B 38 'Stapeltech-nieken' [1,2] blijktditverband tussen deberekende druksterkte en de buigtrek-sterkte van metselwerk echter geen vei-lige benadering.De hechting tussen steen en mortel, als-mede de buigtrekstrekte van het met-selwerk worden in sterke mate bepaalddoordewateronttrekkingaande morteldoor de steen en dus indirect door dewatervasthoudendheid van de mortelen de voorbehandeling van de steen.*In de rest van dit artikel'moetvoor met-selcement steeds ENCI-metselcementworden gelezen.De titel van deze publikatiewijstreeds op de voorwaarde voorgoed metselwerk: het verbondtussen steen en morteLNaast een goede kwaliteit van steen enmortel speelt ook de interactie tussenbeide na het vermetselen een essenti?leroL De kwaliteit van metselwerk wordtimmers in het algemeen gekarakteri-seerd door buigtreksterkte en watet-doorlatendheid.54 Cement 1990 nr. 3Tabel!Sterkte van mortel en metselwerkVoormalig Research Voormalig CentraalCentrum K:alkzand- Laboratorium vansteenindustrie BrederoSterkte van metselwerkDe buigtreksterkte van metselwerk iseen belangrijke parametervoor de kwa-liteit.Eenaantal instituteninNederlandheeft de buigtreksterkte van metsel-werk, waarin verschillende metselbind-middelen zijn toegepast, vergeleken. Intabel 1zijn de resultaten globaal samen-gevat. De detailresultaten hiervan zijneerder gepubliceerd [3].stenenTNO~IBBC- baksteenhardgrauw- klinker,sterk zuigendkalkzandsteen B2 - betonblokkenduur verhardingmetselwerk 14 wekenUit deze onderzoeken blijkt:- er is geen relatie tussen de druksterktevan mortel conform NEN 3835 en debuigtreksterkte van metselwerk;- de druksterkte van de metselmortelbepaald volgens de methode zoalsomschrevenin NEN 3835 is per bind~middel, afhankelijk van type zand,hoeveelheid water en luchtbellen,vaak zeer verschillend [3] en geeft dusonvoldoende informatieover de kwa-liteit van ermee gemaakt metselwerk.Het afleiden van druk- en buigtrek-sterktevan metselwerk uit deze sterk~teresuitaten blijkt dus niet goed mo-gelijk;- metselwerk, bereid met metselce-ment, is qua buigtreksterkte (volko-men) gelijkwaardig aan metselwerk,waarin conventionele metselmortelszijn toegepast.metselbind-middeldruksterktemortel conformNEN 3835(N/mm2)buigtreksterktemetselwerk(N/mm2)metselbind-middeldruksterktemortel conformNEN 3835(N/mm2)PCA-Iuchtkalk(1 :0,5 : 4)*17,30,37 - 0,40ENCI-metsel-cement (1 : 3)*4,970 dagenPCA-Iuchtkalk(1 : 1:6)*9,90,28 - 1,52ENCI-metsel-cement (1 : 3)*6,728 dagenPCA + luchtbel-vormer (1: 3,5)*16,20,43 - 0,82ENCI~metselcement(1 :3)*9,6Uit hechtsterkte-onderzoek [4] blijkt,dat erookgeen relatie is tUssen de druk-sterkte Van de mortel en de hechtingtussen steen en mortel. De resultatenvan dit onderzoek, samengevat in tabel2, onderbouwen voor bakstenen enkalkzandstenen deze conclusie.buigtreksterktemetselwerk(N/mm2) 0,35 - 0,39 0,37 - 1,74 0,33 - 1,21*verhoudingen bindmiddel, kalk en zand in volumedelenTabel 2Hechtsterkte-onderzoek*stenen zijn voorbehandeld conform SBR-rapport 129mortels waarin ENCI-metselcement1 : 2,5 1 : 3,0 1 : 3,60,54 0,64 0,76179 181 17$17,7 12,2 6,30,490,350,520,33Uitgegaan is van een tweetal mortelsa-menstellingen en ??n type baksteen(Hallergetal15 gramidm2.min).Hierbij zijn twee steens proefstukkengemaakt (laagdikte metselspecie 12mm).Tussen metselspecie en bakstenenis wa-terdoorlaatbaardun papier aangebrachtom enerzijds het vochttransport van0,500,36Sterkte van de mortel in metsel-werkDe betrekkelijkewaarde van de mortel-druksterkte conform NEN 3835 wordtook onderbouwd door de druksterktevan de mortel te volgen tussen de met-selstenen, waarbij daadwerkelijk met dewateronttrekkingaande mortel door desteen rekening wordt gehouden.hechtsterkte na 28 dagen*(N/mm2)- strengperssteen (SPI)- kalkzandsteenklinkerTNO-onderzoek (1987) conformNEN 3835-------~--~------,water-bindmiddelfactorspreidmaat mortel (mm)druksterkte na 28 dagen* (N/mm2)Cement 1990 nr. 3 55IONDERZOEKTabel 3Druksterkte van mortelschijven,verhard tussen bakstenenmortel naar steen niet te verhinderen enanderzijds hechting te vermijden, waar-door metingen aan de verharde mortel-schijfkunnen worden uitgevoerd.Ook uit deze resultaten komt duidelijknaar voren dat de druksterkte van met-selmortel,gemetenaande mortelproef~stukkenconform NEN 3835 en dusver-vaardigd instalen mallen,waardoor nietzoals in de metseltoepassing water aanNa respectievelijk 2 en 5 minuten zijnde schijven mortel verwijderd en afzon-derlijk verhard tot 7 en 28 dagen onderomstandigheden conform NEN 3835.Van andere proefstukken is de morteltot 7en 28 dagengehandhaafd tussen destenen onder de condities conformNEN 3835. Van de aldus verkregenschijven is eveneens de druksterkte be-paald.De resultaten zijn weergegeven in tabel3.vochtgehalte(% m/m)4,38,78,07,5Experimenteel onderzoek ENC!InhetCentraalLaboratoriumvanENCIis de onttrekking van water aan de met-selmortel gevolgd, na aanbrengen tus-sen de stenen. Deze wateronttrekkingaan de mortel is gemeten aan een proef-stuk bestaande uit twee op elkaar ver~metselde stenen (laagdikte mortel 10 +of- 2 mm) als functie van type metsel-bindmiddel en type steen. De opslag-conditieszijnconformNEN 3835 (7 da-gen bij 20?C en 95% KV. en 21 dagen bij20 ?C en 65% KV.).In de aldus.verhardende mortel is hetgehalte aan water (al ofniet als hydraat-water) weer gevolgd door bij het makenvan dezelfde steenproefstukken tussenspecie en steen dun waterdoorlaatbaarpapier aan te brengen, waardoor demortelschijfvoor metingenbeschikbaaris. Het verlies aan water is vastgestelddoor weging van de mortelschijf.De resultaten zijn samengevatin tabel 5.Dooreen te hoogvochtgehaltein de ste-nen neemt de hechtsterkte af. Toepas~sing van te droge stenen verlaagt even-eens de hechtsterkte, doordat onvol-doende water in het grensvlak van demortel overblijft voor de hydratatie vanhet bindmiddel [l0, 11, 12].De grootte van de hechtsterkte is dus inbelangrijke mate afhankelijk van hetzuigvermogenvan de steenen dewater-vasthoudendheid van de mortel.De hoeveelheid water in de metsel-specie hangt afvan type bindmiddel, ty-pe en korrelverdeling zand, gehalte aange?ntroduceerde luchtbellen en gewen-stespreidrnaat(verwerkbaarheid) vandemetselspecie.Door de Nederlandse steenfabrikantenis dit onderkend en zijn (nieuwe) richt-lijnen opgesteld voor het voorbevochti-gen van de diverse typen stenen [8, 9]:". baksteen: Hallergetal circa 15 gram!dm2.min;- betonsteen: winddroog;- kalkzandsteen: vochtgehalte 5-8%(m/m).1515208Hallergetal(gram!dm2.min)type steenharde baksteenzachte baksteenkalkzandsteenklinkergevelkalkzandsteenDe hoeveelheid water, die in hetjongemetselwerk migreert is sterk afhanke-lijk van:- de hoeveelheid water in de specie;- de watervasthoudendheid van demortel;- het vochtabsorberend vermogen vande steen.Inhet navolgend? is een overzicht gege-ven van de literatuur en eigen onder-zoek op dit terrein.Tabel 4Relatie tussen Hallergetalenvochtgehalte van stenen [9]LiteratuurinformatieEr is veel onderzoek verricht naar devochthuishouding in de steenin metsel-werk.Jansson [5] enSneck[6] stellenvastdat de waterabsorptie door bakstenenrespectievelijk kalkzandstenen niet be-trouwbaar wordtweergegeven door hetHallergetal.Oppermann en Rudert [7] voegen hier-aan toe, dat bij kalkzandstenen met eenHallergetal tussen 7 en 20, bij toepassingvan mortels op basis van cement, ce-mentlluchtkalk en metselcement geenwezenlijke invloed is vastte stellenop dehechtsterkte van metselproefstukken.Waterhuishouding in metselwerkAlgemeenDe waterhuishouding in metselwerk,direct na de vervaardiging, is van essen-tieel belang voorde kwaliteit: hechting,buigtreksterkte, druksterkte enz.Het Hallergetal(maatvoorhetwaterab-sorptievermogen) en het aanwezigevocht in de desbetreffende steen op datmoment vertonen geen relatie en zijnsterk afhankelijk van het type steen.de mortel wordt onttrokken, geen goedcriteriumis voor de sterkte van het met-selwerk.De be?nvloeding van de vochthuishou-ding inde mortel door de interactie metde steen wordt in deze norm immersbuiten beschouwing gelaten.De druksterkte van de mortel tussen destenenis voorde toegepaste metselbind-middelen vergaand vergelijkbaar.druksterkte(N/mm2)na7 na 28dagen dagenverblijfduurmortel tussenbakstenenkwaliteit B2De druksterkte van de op dezewijze on-derzochte mortels neemt na 7en 28 da-gen verharden met circa 100% toe tenopzichte van de druksterkte van demortel conform NEN 3835. De oorzaakhiervan is uiteraard het verlaagde wa-tergehalte van de mortel tussen de ste-nen. Reeds naeenverblijfvan 2minutenvande mortel tussende stenenis bij dezeproeven uit de mortels op basis vanmet-selcement en op basis van porclandce-ment en luchtkalk, respectievelijk 40 ?45 en 50 ? 55% van het aanwezige vochtdoor de stenen afgezogen!mortel, waarinENCI-metselcement(1:3,0)omin 7,4 10,22 min 10,5 15,75 min 12,9 17,07 dagen 15,328 dagen 21,2mortel, waarinporclandcementenluchtkalk (1:1:6)omin 7,6 11,02 min 8,1 13,05 min 15,8 16,57 dagen 18,328 dagen 20,156 Cement 1990 nr. 3Tabel 5Voclttonttrekking uit de mortel inmetselwerkterdichtheid van metselwerk samen-hangtmetde kwal?te?tvan hetgrensvlakmortel-steen [17].2 ProefstukDe waterdoorlatendheid van metsel-werk zal volgens een aantal onderzoe-kers geringer zijn, naarmate de hecht-sterkte groter is [18, 19,20].Experimenteel onderzoekHet Centraal Laboratorium van ENCIheeft een uitgebreid onderzoek verrichtnaar de waterdoorlatendheid van met-selwerk.Voorhetvaststellenvan dewaterdoorla-tendheid van metselwerk is een eigenproefopstelling toegepast, waarbij na 28dagen verharden een waterkolom van250 mm op een steen-mortel-steen-proefstuk (voegdikte 10-12 mm) wordtaangebracht. Het resterende deel van debovenkanten de zijkantenvan de proef-stukken zijn met teer waterdicht ge-maakt (f?to 2 en 3).De waterdoorlatendheid van metsel-werk is vastgesteld door de hoeveelheidwater die na een bepaalde tijd uitde buisis weggestroomd, weer te geven in pro-centen van de totale waterkolom.0%(~0.).5HEN~0 . .,.///~"0 i---I""-,,"-oe::1-'"0: MORTEL.'~oC.0,,? ; ~//~. I{ 5T~0 'Y~~~.-. ".}'"~ 65? 8,gOl 7Vochtproflel in proefstukkensteen-mortel-steen [14]1vochttransportopvanmortel naarsteen.Bij dezelfde metselproefstukken waar-bij droge stenen zijn toegepast, is duide-lijk te constateren in welke mate het ge-halte aan water in de mortel afneemt enhoe dit door de baksteenwordt opgeno-men.Waterdoorlatendheid van metsel-werkLiteratuurinformatieEen anderbelangr?jk aspectvan de kwa-liteitvan metselwerk is de waterdoorla-tendheid.Metselwerk laat voornamelijk waterdoor v?a het contactvlak tussen steen enmortel [15, 16]. In een onderzoek tervaststelling van een receptuur voor wa-terdichtmetselwerkheeft ookhetvoor-mal?g Researchcentrum Kalkzand-steen?ndustrie geconstateerd dat de wa-In een onderzoek, u?tgevoerd bij de TUDelft en het Interun?versitair Reactor-instituut, worden pogingen onderno-men om het vochtprofiel van een steen-mortel-steen proefstuk kwantitatief tevolgen in de tijd. Hierbij wordt gebruikgemaakt van neutronen-radiografie[13].Per meting is een trajectvan 50 mmin stapjes van 1 mm onderzocht. Dezeanalyse omvat de voeg met stroken vanongeveer 20 mm boven en onder devoeg.De eerste resultaten, zoals weergegevenin figuur 1, zijn veelbelovend [14].Deze hebben betrelling op een steen-mortel-steenproefstuk, 15 minuten nabere?ding van het proefstuk.Hetbetreftwer steeds een baksteenVB3en een metselmortel, op basis van met-selcement met een watergehalte van15% (VIV).H?eruit blijkt:- bij een verharding tot 7 dagen (bij 20?C en 95% Rv.) bedraagt de wateront-trelling uit een mortel, waar?n met-selcement en cement-Iuchtkalk-mengsel, zowel bij baksteen als kalk-zandsteen, gern?ddeld c?rca 48%;- tussen 7 en 28 dagen verharden (bij 20?C en 65% RV.) wordt gern?ddeld nogc?rca 10% water uit de verharde mor-tel, waarin metselcement en cement-luchtkalkmengsel, onttrokken.samenstelling wat~rgehalte watergehalte (relatief) van mortelmortel specie na ... dagen verhardingkg/m30 2 7 14 21 28baksteenkwaliteit B2mortel, waar?n 215 100 54 53 52 49 44ENCI-metselcement(1:3)cement-Iucht- 280 100 53 53 49 49 46kalkmortel(1:1:6)kalkzandsteen-klinkermortel, waar?n 220 100 53 51 42 40 40ENCI-metselcement(1:3)cement-Iuchtkalk 275 100 52 51 40 39 37mortel (1:1:6)De metingen aan de steen-mortel-steen-proefstukken, waarvan de stenenmax?maal zijn voorbevochtigd, laten dereferenties?tuatie zien. Er treedt geen30o 50= droge $~en.= vochtige steen10 15 ZO 25 30 35wat~rgehaLte (vol. %)Cement 1990 nr. 3 57,-- 1ONDERZOEKDe keuze van stenenen mortels hebben,conform NEN 3835, betrekking opcondities voor qua regen zwaar belastmetselwerk (tabel 6) en qua regen nor-maal belast metselwerk (tabel 7).Ineen separaatonderzoekis op dezelfdewijze vastgesteld dat de waterdoorla-tendheid door respectievelijk mortel ensteen, verwaarloosbaar klein is ten op-zichte van het proefstuk steen-mortel-steen.Tabel 6Waterdoorlatendheid van door regenzwaar belast metselwerk3 Opstelling proefStukkenTabel 7Waterdoorlatendheid van door regennormaal belast metselwerkkalkzandsteenklinkerhechtsterkte (N/mm2)waterdoorlatendheidgemeten na 24 uur (%)baksteenklinkerkwaliteit B5hechtsterkte(N/mm2)waterdoorlatendheidgemeten na 24 uur (%)mortel, waarinENCI-metsel~cement(1:2,25)0,26100,238cement~lucht-kalkmortel(1 :0,125:2,25)0,2870,358baksteenkwaliteitB2boerengrauw(Hallergetal = 33)hechtsterkte conformNEN 3835 (N/mm2)waterdoorlatendheidna 4 uur (%)baksteenkwaliteitB2(hardgrauw)(Hallergetal = 18)hechtsterkte conformNEN 3835 (N/mm2)waterdoorlatendheidna 4uur (%)mortel, waarinENCI-metsel-cement(1:3,0)0,25700,2542cement-luchtkalk~mortel(1:1:6)0,27880,3558spreidmaat metselspecie = 175 mm,voor proefstukken metgrindbetonsteen 155-160 mmDe waterdoorlatendheid van metsel-werk, waarin metselcement, is onderalle onderzochte omstandigheden tenminste van gelijkwaardig niveau als hetvergeleken wordt met een mengsel vanportlandcement en luchtkalk.Ofschoon ook uit dit onderzoek blijkt,dat de waterdoorlatendheid overwe-gend plaatsheeftvia het grensvlak mor-tel-steen, is er geen relatie vastgesteldtussen de waterdoorlatendheid van hetcontactvlak mortel-steen en de hecht-sterkte, gemetenaankruisproefstukken.wel speelt de voorbevochtiging van desteen, uitsluitend gemeten bij bakste-nen, een belangrijke rol bij het niveauvan de waterdo?rlatenaheid (tabel 8).grindbetonst~en(Hallergetal = 11)hechtsterkte conformNEN 3835 (N/mm2)waterdoorlatendheidna 4 uur (%)0,41780,508258 Cement 1990 nr. 3Tabel 8Invloed voorbevochtiging baksteen opwaterdoorlatendheid metselwerkwaterdoorlatendheid na 4 uur(%)bakstenen kwaliteit B2(hardgrauw)Hallergetal29181mortel, waarinENCI-metsel-cement(1:3,0)564224mortel, waarinportlandcementen luchtkalk(1:1:6)595823LITERATUUR1. Bijen, J en M. Pieters, Buiggedragvan metselwerk. Intron rapportnr.80289, 1982.2. Hageman, JG., Onderzoek buig-treksterkte metselwerk, herzieningTGB 1972 'Steen'., Polytechnisch tijd-schrift, PT/C, 1985, nr. 10.3. Brouns, S., Vergelijkend onderzoekvan bindmiddelen in metselwerk.Cement, 1983, nr. 2.4. Antwerpen, M. van, Onderzoek opENCI-tnetselcement. TNO-IBCCrapportnr. B87-396, 1987.5. ]ansson,J, Testing the rate ofwaterabsorption. Rilem-CIB symposiumMoisture problems in buildings.Symposium Proceedings, Helsinki,1965.6. Sneck, T., The influence ofthe suc-tion on the mortar. Riletn-CIB sym-posium Moisture problems in buil-dings. Symposium Proceedings,Helsinki, 1965.7. Oppermann, B. en V. Rudert, Un-tersuchungen zur Verbesserung desHaftverbundes M?rteVStein, Ze-ment-Kalk-Gips, 1983, nr. 1.8. CUR-rapport 138, Portlandvlieg-ascement in metselmortels. CDR,Gouda, 1988.9. Dreu, C. de en N. Boterbloetn, Ei-genschappen van metselmortels.SBR-rapport 129, Stichting Bouw-:research, Rotterdam, 1985.10. Sinha, S., Factor affecting the brick/mortar interface bond strenght, In-temational Joumal ofMasonry Con-struction 1983, nr. 1.11. Isberner,A,Specificationsand selec-tion of materials for masonry mor-.tars and grouts. PCA research anddevelopment, Bulletin 1974.12. Theissing, E., Wat weten wij vanmortels? Lezing ter gelegenheid vanhet 25-jarig bestaan van Betonmor-telfabriek Beatrix op 11-06-1985.13. Neumann, R. en D. Reppmann, DieAnwendung der Neutronenradio-graphie f?r die Bestimmung derCement 1990 nr. 3FeuchteverteilunginBaustoffen, Si-likattechnik 1988, nr. 39.14. Groot,c., P.Verkerk,J vanTrichtenP. van der Ende, StUdy of the waterdistribution in joints and bricksusing neutron radiography. 5th. Ca-nadian Masonry Symposium, Van-couver, p. 477, 5-7juni 1989.Groot, c., Vochtprofielen oversteen-mortel-steen, combinatiesmet ENCI-metselcementmortel.Rapport C4-89-02, TU Delft, 1989.15. Vos, B. en E. Tamtnes, Regendoorla-ting van het buitenblad vanspouw-muren, Polytechnisch tijdschrift,PTIB31, 1976, nr. 6.16. Birkeland, O. en S. Svendsen, Sym~posium on masonry Testing,ASTM~STP 320, 3, 1963.17. Dreu, C. de, Onderzoek inzake ei~genschappen van aangepaste prefabmetselspecie ter vaststelling van eenreceptUur voor waterdicht metsel-werk.RCK, rapportnr. 82-1011 (februari1982),RCK, rapportnr. 82-1032 (septem-ber 1982).18. Sneck, T., The interaction betweenmortar and masonry units as a basisfor standards for masonry mortars.National Bureau ofStandards, Spe-cial Publication 361, volume 1 Per-formance conceptinBuildings;Pre-ceedings, Joint Rilem-ASTM-CIBsymposium, Washington, 1972.19. Ritchie, T. enJ Davidson, Symposi-um on masonry Testing, ASTM-STP 320, 16, 1963.20. Mehlmann, M., Zum stand derPutz- und M?rtelforschung, Ze-ment-Kalk-Gips 1989, nr. 1.59