I IMATERIALEN IREPARATIEONDERHOUD EN REPARATIEVAN BETONCONSTRUCTIES (VIT)OPPERVLAKBESCHERMING (deel A)prof.drJ.MJ.M.Bijen,Intron Instituut voor Materiaal- en Milieu-onderzoek bv, MaastrichtTU Delft, faculteit der Civiele Techniek, sectie MateriaalkundeEen betonreparatie kan naast het directe herstel van het beton ook het aanbrengenvan een oppervlak-beschermlaag omvatten. Dit laatste kan noodzakelijk zijn om deduurzaamheid van de betonconstructie na reparatie over de ontwerplevensduur tewaarborgen. Het behandelen van het oppervlak kan echter ook louter omesthetische redenen gewenst zijn. Vaak betreft het een combinatie van beideoverwegingen.Ditartikelbeoogtin twee afleve-ringen eenoverzichtvan debe-schikbare beschermmiddelente geven zonder dat volledigheid wordtgepretendeerd. In deze eerste afleveringzal op de algemene aard van oppervlak-beschermmiddelen worden ingegaan.Ook zal de vraag 'waarom en hoe te be-schermen' worden beantwoord en zul-len aspecten van duurzaamheid van ente stelleneisenaan de beschermingwor-den besproken. In de tweede afleveringvolgteen besprekingvan de afZonderlij-ke middelen.Al naar gelang de aard van de opper-vlak-bescherming kan onderscheidworden gemaakt in (fig. I}.- impregneren/hydrophoberen;- impregneren/gedeeltelijk dichtenvanpori?n;- impregneren/(meer) volledig dichtenvan pori?n (verzegelen);- aanbrengen oppervlak-laag.Bij impregneren/hydrophoberen vindt eenzeer dunne bekleding van buitenopper-vlak en pori?nwanden van beton plaatsmet een waterafstotende stof (hydro-phoberen). De impregnering vindt inhet algemeen plaats door opzuigen vanhet middel, soms geholpen door voorafdrogen.Doordeze behandelingwordthet trans-portvanwaterdamp door het oppervlaknauwelijks be?nvloed, maar wordt dewateropname sterk verminderd.Bij impregneren/dichten wordt het opper-vlak doordrongen met een stof die depori?n vult. Het impregneren kan ge-schieden door gebruik te makenvan heteigen opzuigend vermogen van het be-ton, maar kan ook worden bevorderddoor het oppervlak te drogen en/of teevacueren.Onderscheid kan worden gemaakt inenerzijds middelen die pori?n opvullen,onder reactie met bestanddelen in hetbeton en anderzijds middelen die welpori?n vullen, maar niet reageren methet beton.In geval van een volledige opvulling vande 'buitenhuid' sprekenwevanverzege-len.Een andere wijze van beschermen is hetopbrengen van een oppervlak-laag. Daarbijkan onderscheid worden gemaakt in:- dunne coating: lagen tot 100 I-tm dikte;- dikke coating: lagen van 100 tot 500I-tmdikte;- pleistermortels zowel op organischeals anorganische basis met een diktevan 500 I-tm tot 5 mm;- folies: vooraf vervaardigde kunststof-lagen die niet aan het te beschermenbeton hechten;~ rubberen bekleding;- platen van kunststof en van anderematerialen (bijvoorbeeld roestvrijstaal);- tegels.In tabel 1 is een overzicht van de ver-schillende wijzen van bescherming ge-geven. De laatstgenoemde vier wordenhier buiten beschouwing gelaten.Waarom beschermen?Alvorens beton in het kader van een re-paratie te voorzien van een bescherm-laag is het uiteraard zinvol na te gaanwaarwehet beton tegenwillen bescher-men. Er is een aantal redenen om gere-pareerd beton te beschermen. Dit zijnondermeer:1 Schematische voorstelling vanhnpregneren-hydrophoberen,hnpregneren-verdichten van pori?n enaanbrengen beschermlaag [1-3]Cement 1988 nr. 2impregneren gedeeltelijkhydrophoberen impregneren Iafdichtenvolledigafdichten(verzegelen)beschermlaag49~__~ I_M_1I:_T_E_RIAL__E~N~~__~__..L1RE__P_AAA:_~_T~JE ~_--,TabellOverzicht wijzen van beschermenbehandelingimpregnerenJhydrophoberenimpregnerenJdichten pori?ndunne coatingdikke coatinganorganische pleistermortelsanorganisch!organischepleistermortelsorganische pleistermortelsfoliesrubberen kledingbekleding met kunststofenandere platenbetegelingeffectwaterafstotend/waterdamp~doorlatend; nietbestand tegenchemische belastingverlaging van wateropname/en water- en waterdamp-doorlatendheid; niet bestandtegen chemische belastingwater- en waterdampdicht;gevoelig voor mechanischebelasting; beperkt chemischen thermisch belastbaarwater- en waterdampdicht;beter dan dunne coating watbetreft chemische enmechanische bestandheidredelijk waterdicht, water-dampdoorlatend; nietchemisch belastbaar, uit-zonderingPolysilwaterdichtlredelijk water-dampdoorlatend; beperktchemisch belastbaarwater- en waterdampdicht-heid hangen afvan vullings-graad in het algemeen dichtwater- en waterdampdicht,bestand tegen chemische be~lasting; beperkt bestand tegenmechanische belastingwater- en waterdampdicht,bestand tegen chemische,temperatuur en mechanischebelastingwater- en waterdampdicht,bestand tegen chemische,mechanische en tempera~ruurbelastingweerstand afhankelijk vansoort tegel, tegellijm envoeg-middelrandvoorwaardenaan ondergrondf~ne pori?nf~ne pori?nvlak, grote pori?n- enscheurvrij"vlak, haarscheurentoegestaan"vrij van grote macropori?n(luchtbellen grindnesten e.d.);niet bewegende haarscheurentoelaatbaar; vervormingenniet toelaatbaarvrij van grote macropori?n(luchtbellengrindnesten e.d.);niet bewegende haarscheurentoelaatbaar; vervormingenbeperkt toelaatbaar"vrij van grote macropori?n(luchtbellen grindnesten e.d.);niet bewegende haarscheurentoelaatbaar; vervormingenbeperkt toelaatbaar"vlak, scheuren tot 3 mmwijdte toelaatbaarvlakvlakvlak"n.b. Scheuroverbruggend vermogen kan vergroot worden door vezelwapening- voorkomen van (verder) indringingvan chloride-ionen, zoals in de spatzo-ne bij zeewaterconstructies en bij be-ton in contact met dooizouten;- tegengaan van verdere carbonatatie inniet gerepareerde betonnen delen of'hernieuwde' carbonatatie in cement~gebonden reparatiemortels;- tegengaan van corrosie~propagacie(Ingeval bij reparatie niet valt uit te slui-ten dat in sommige constructiedelenwapeningscorrosie doorgaat of bin-nen de gestelde levensduur van de re-paratie opnieuw optreedt, 1S dit eenmaatregel die te overwegen valt);- voorkomen van vorstldooizout-scha-de (In de wegenbouwis schade aan be-tonverhardingen of omgevende be-tonnen delen, zoals schampkantene.d., als gevolg van intensief gebruik50van dooizouten toegenomen);- voorkomen van (hernieuwde) aantas~ting van beton juist boven het maai-veld als gevolg van capillaire opzui-ging van water door het beton entransport tot boven het maaiveld waarhet water verdampt en zoutenachter-blijven (fig. 2). Druk, ontstaan als ge-volg van kristallisatie uit oververza-digde oplossingen en hydratatie vande zouten kan het beton aantasten. Ditspeelt met name bij beton in maritie-me aride kuststroken een rol. Eenzelf-de soortschadeverschijnsel kan optre-den aan het oppervlak van beton inmanne constructies als gevolg vanspatwater;- tegengaanvan verdere sulfaatexpansiein beton dat m contact staat metgrondwater (extern) maar ookvan be-tonmetportlandcementdatin de pro-duktiefase een warmtebehandelingheeft ondergaan (intern);2 Opzuiging grondwater enverdamping aan maaiveldCement 1988 nr. 2o +-~-4 Principe van vol.:httransport als gevolg vantemperatnurgradi?nten; de waterdampstroom naarwating (q) is bij dunne ?oating (qt) als gevolg van ~oteretemperatnurgradi?nt groter dan bij dikke?oating (q2) [4]5 S?heurvorming bij ?oating op beton [4]3Positie van diverse bes?hermmiddelen ten opzkhte vande ?:rite:ria van K?nzel voor de relatie tussenwateropname?o?ffici?nt (li!1 en waterdampdiffusieweerstand(SJ)x siliconenhi3rs verf~} siliconenhi3rs pleister1lIl1ll dispersie verf. . eli3stomeer verf~ dispersie/silici3i3t verf? ki3lkcement pleister0,3 0,4 0,5w[kg/(m2.ho.s )]~w.Sd= 0,1 [kg/lm.ho.s)]w. Sd = 0,2 [kgf{ m. ho.s )]0,20,1o0,50,3- tegengaan van (verdere) aantastingdoor zwavelzuur bij afvalwatercon-structies (riolen, waterzuiveringsin-stallaties en gesloten mestsilo's);- esthetische overwegingen. Deze zul-len we hier buiten beschouwinglaten.Een aantal van de bovengenoemde re-denen totbeschermingspeeltnietalleeneen rol bij reparatie, maar ook bijnieuwbouw en preventiefonderhoud.Wat te doen?Wanneerwewetenwaartegenwewillenbeschermen, kunnenwevervolgens uit-maken hoe we dat gaan doen. Hierbijkan onderscheid worden gemaakt intwee principes:1. het drooghouden van het materiaal;immerszonderwatergeenaantasting!In de praktijk komt dit neer op hetvoorkomen van wateropname. Ditprincipe is onder meervan toepassingbij chloride-indringing in de spatzo-ne van zeewaterconstructies, bijvorst/dooizout-schade, bij schade aanhet oppervlak door zoutafzetting eninterne sulfaataantasting;2. het vermijden van contact tussen hetbeton en de agressieve stof; dit is on-der meer van toepassing bij carbona-tatie, bij externe sulfaataantasting enbij zwavelzuuraantasting.Wat betreft het eerste principe - hetdrooghouden - zijn alle hiervoor ge-noemde mogelijkheden bruikbaar: im-pregneren, hydrophoberen, dichten enaanbrengen van een extra laag op hetoppervlak. Voor hetvermijdenvan con-tact tussen beton en agressieve .stof ishydrophoberen niet de beste keus; deandere genoemde beschermmethodenspelen beter in op dat aantastingsme-chanisme. Met deze constatering isslechts gezegd dat deze middelen deoorzaak van de aantasting bestrijden.Nadere voorwaarden zijn echter nood-zakelijk om ervoor te zorgen dat eenmiddel ook in voldoende mate het aan-tastingsmechanisme bestrijdt en vooralook blijvend tegengaat.Aspecten van duurzaamheidEen belangrijk aspect is de duurzaam~heid van het beschermmateriaal zelfBehalve directe aantasting door externefactoren, zoals uv-straling, oxidatie enz.,blijkt hierbij de wisselwerking met deondergrond - het betonen de reparatie-mortels - van belang.Bij dichte afsluitingen, zoals verzegelenofdichte oppervlak-lagen, bestaat er bijgebouwen het gevaar dat er een hogevochtbelasting ontstaat achter de be-schermlaag wat kan leiden tot vorst-schade.In geval de oppervlak-laag achtergeble-venwateroplosbare stoffenbevat, is ver-der het gevaar van blaarvorming als ge-volg van osmotische werking aanwezig.K?nzel heeftom dezeproblementever-mijden de volgende grenswaarden ge-definieerd:W ~ 0,5 kg/(m2. hU2)Sd ~ 2mSd . W ~ 0,1 kg/(m2. hU2)waann:W ~ wateropnameco?ffici?ntSd ~ waterdampdiffusieweerstandVrij vertaald: de bescherming mag nau-welijks wateropname toestaan, maardient zoveel mogelijk waterdamp tekunnen laten 'uitdiffunderen'.Uit figuur 3 blijkt dat een groot aantalbeschermmiddelen aan deze eisen kanvoldoen. In de praktijk blijkt dat hoeverder men van de Sd . W-lijn verwij-derd blijft, hoe duurzamer de bescher-ming functioneert. Het is duidelijk datbij hanteren van deze criteria hydro-phoberen een betere oplossing is danverzegelen ofeen dichte coating.Verzegelenencoaten kanwel duurzaamzijn, indien men erin slaagt het betonrondom volledig afte sluiten, nadat hetvrijewaterisverwijderd; meestal zijnditweinig praktische randvoorwaarden.Cement 1988 nr. 2 51L...- ~ ----LI-MA:~I'ERIALE~~-?_N-~~~~~~I_RE_P_AAA:_?__:r_IE__---~~_6 Temperatuurpronel over desymmetrie-as van een proefstukbij verschillende dikten van de coating,bij daling van de buitentemperatuurvan zO?C naar ~10?C, op het momentdat het temperatuurverschil tussenoppervlak coating en beton maximaalis [13)0--040mrn}o---A 20mrn. ."-" 10 mrn dlkt~ van d~ coatmgD-o 5mmTabel 2Invloed van de vulstofconcentratie op de temperatuuromzetting van eenexpoxymortel (9)vulgraad (hars: vulstof) zuiver hars 1: 3 1:9 1: 15 betonin ma.ssadelenB35%m/m hars100 25 10 6,25elasticiteitsmodulus E(GPa) 2900 9700 25000 33500 35000te~&e~~tuuruitzettings-coe fiClent ar (1O-6/K) 69 29 19 15 11Ear(MPaIK) 0,21 0,28 0,48 0,50 0.39Overigens kan het gevaar voor vorst-schade door bevriezingvan condenswa..:ter achter een dichte laag verminderdworden door een dikke coating ofpleis-terlaag te gebruiken in plaats van eendunne laag. De mate van condensatie ende kans op bevriezen neemt dan af. Fi-guur 4 illustreert dit.Bij oppervlak-lagen is een verder aan-dachtspunthetontstaanvan spanningenals gevolg van verhinderde vervormingbij thermische uitzetting en krim]?; ditkan leiden tot onthechten (fig. 5). Bijgoed voorbehandeld beton is hethecht~vlak tussen deoppervlak-laagen hetbe-ton in het algemeen het meest kwetsba~re deel; bij niet goed voorbehandeld be-ton met een weinig sterke huid is de be-tonhuid zelf het meest kwetsbaar. Wathet laatste betreft is het goed te wijzenopde resultatenvanhetBouwcentrum-TNO onderzoek naar betonreparatie-middelen [12]. Geconcludeerd wordtdat eenbelangrijkdeelvan de reparatie-middelen gebreken vertoonde als ge-volg van het niet goed voorbehandelenvan de ondergrond.Inzicht in de spanningen die optredenbij verhinderde vervorming van eenop-pervlak-laag kanwordenverkregenmetde formule:a-B'a 'ATwaann:a ~ spanning;B - elasticiteitsmodulus;a ~ lineaire uitzettingsco?ffici?nt;AT ~ gemiddeld temperatuurverschiltussen oppervlak-laag en ondergrond.Het verschil ATtussen de gemiddeldetemperatuur van de oppervlak-laag enhet beton blijktsterkafte hangenvan dedikte. Bij dunne coatings ligt deze in degrootte-orde van enkele graden K, bijpleisterlagen groter dan 10 mm kan dieoplopen totenkele tientallengraden. Fi-guur 6geefttemperatuurgradi?nten ge-nomen uit [13]. Bij zeer dikke lagenwordt AT overigens weer lager!Bij een dunne laag zijn de afschuifspan-ningen op het hechtvlak als gevolg vanverschillen in uitzettingsco?ffici?nt enstijfheid het kleinst. Wel is bij dunne la-gen de temperatuurgradi?nt over hethechtoppervlak het grootst, waardoornaast schuifspanningen vermoedelijkook niet te verwaarlozen trekspannin-gen loodrecht op het hechtvlak aanwe-zig zijn. Vaak blijkt overigens de sterktevan de ondergrond (beton) maatgevend.Bij een afschuifsterkte vande coatingopbeton van 4 N/mm2kan worden bere-kend .dat bij een AT van 10 oK,B' a < 0,2 N/mm2/K moet zijn ombezwijken door afschuiven te voorko-men.Dit illustreert overigens nog eens hetbelang van een goede voorbehandelingvan de ondergrond beton; indiende be-tonhuid zwak is en niet wordt verwij-derd, zal de afschuiving daar plaatsvin-den.Tabel 2 illustreert hoe B' a voor eenepoxy coating/mortel be?nvloed konworden.Uit het Bouwcentrum-TNO onder-zoek [12] is als een mogelijke verdereoorzaak van het falen van kunststofge-bonden reparatiemortels naarvoren ge-komen dat de gebruikte epoxymortelsveelal eenglas-rubberovergangstempe-ratuur (TJ hadden lager dan de tempe-ratuur die de mortels in depraktijkkon-den verkrijgen. Deze ~ bleek boven~dien sterk afte hangen van de tempera-tuur bij verharding. Bij een lage tempe~ratuur tijdens de verwerking, bleken demortels niet door te harden, waardoorT laag bleef.?fet gevolg hiervan is, dat bij omge-vingstemperaturen boven I;;de mortelsplastisch kunnen deformeren en bij af~koelen als het ware invriezen, waardoorspanningenontstaan.Eenkunststofcoa-ting moet daarom in ons klimaat een ~hebben van ten minste 50 oe.Problemen met beschermmiddelen bijbetonreparatie kunnenookoptredenalsgevolg van verschillen in temperatuur-en vocht/krimp-uitzetting tussen het'oude' beton en de reparatiemortel,waardoorscheurvorming kan optreden,met name op de naad. Wanneer scheur-vorming in de ondergrond ontstaat, isnagenoeg geen enkel oppervlak-be-schermmiddel in staatdergelijke scheu-ren te overbruggen, misschien met uit-zonderingvanzogenaamdescheurover-bruggende (vezel-gewapende) coa-tingssystemen. Verstandiger is hetde re-paratiemortels zodanig samen te stellendat scheurvorming achterwege blijft..Een belangrijke randvoorwaarde aanelk beschermmiddel dat op beton52 Cement 1988 nr. 25q-75 mm d~kkingnat b~ton '4000 10000 30000Sd (m){ log. schaaLJ~---+--+"1000soo10010:;; 50-75 mmp~kking 50-,75 mm,dekking.!!, droog beton 70% RV betonll~~ ~ - -'__-.-. ---+---~-+---+-------~t--~ "" -.... "-JW , ,to70" \.u 60 +---c-+----~",--~H__+--~'__"d\.---=b.:::ui.:.:te.:.::nl:::.uc.:.::h'-t +_-+-__-+_~" onder water~ 50+--~+----~\.~+-----l----M,-----+---+----------+--> \~ 40~~ '\ \.kritische grenS7 X-. ",~~n9720 l----r?~"""""T"""- __"'?I-~--- --~~X?=f:":;-----'--10 .,........oozwavelzuur rdefect coating~~~~I ~~.,.."0 "'0? 0I toeslag+--~7 Aantasting van beton via defectenin coating als gevolg vanzwavelzuur-inwerking8 Mate van corrosie k, (lAlA/jaar) als functie van de zuurstofdiffusieweerstand Sd (m) voor beton onder water respectievelijkaan de lucht Oz blootgesteld met en zonder coating [Sjwordt aangebracht is dat het bestandmoet zijn tegen het hoog alkalisch mi-lieu van beton. Een bekend voorbeelduit het verleden van wat daarmee foutkan gaan, was het gebruik van poly-vinylacetaat-verven op beton. Verderdienen de middelen bestand te zijn te-gen ultraviolet licht en tegen oxidatie.De hechting van de meeste oppervlak-lagen aan het beton wordt niet verkre-gen door een chemische binding, maaris het resultaat van Van der Waalsekrachten en mechanische verankeringvia de pori?n in het beton. Onder natteomstandigheden zal zo'n systeem ernaar stteven water aan het betonopper-vlak te krijgen in plaats van kunstharsene.d. De hechtingzaldaardoor ondernat-te omstandigheden minder zijn dan on-der droge omstandigheden.vaak leest ofhoort men dat een opper-vlak-laag ademend moet zijn om druk-opbouw achter de laag door water ofwaterdamp te voorkomen.Bij onderwatertoepassingen (tunnelsbijvoorbeeld) kan via de pori?n een op-bouw van waterdruk achter de coatingplaatsvinden. Bij 10 m onder de water-spiegel zal dit een maximale trekbelas-ting op het hechtvlak betekenen van0,1 N/mmz.Waterdampdrukkan nooitgroterwordendan 0,1 N/mmz;dit is de druk van ko-kend water!Bij een epoxy coating is een eis van 1 ?1,5 N/mmzhechtsterkte niet ongebrui-kelijk. In het belastingsgebied van wa-ter- enwaterdampdrukzullen vele coa-tings zich nagenoeg volkomen elastischgedragen en geen blaarvorming of ietsdergelijks tonen. Dat kan wel optredenbij plastisch deformerende coatings, zo-als coatings op bitumenbasis en chloor-rubberverfSpecifieke eisenWat betreft carbonatatie wordt aanbe-volen een beschermlaag aan te brengenmet een COz-diffusieweerstand Sd vanten minste 50 m. Ten gevolge van het'K?nzel' criterium dient deze COzweerstand bij voorkeur niet veel groterte zijn.Er is overigens een aantal middelen,waarvan bekend is ofgesteld wordt, datze niet alleen zelfeenweerstand hebbentegen koolzuur maar ook carbonatatie-remmend werken doordatze hetvocht-gehalte in het beton verhogen.In geval van bescherming van beton te-gen een sterk zwavelzuurhoudend mi-lieu in afvalwaterconstructies dient ereen volledige afsluiting te zijn van hetbeton. Dunne en dikke coatingssyste-men hebben bewezeninde praktijk niette voldoen. Hoewel coatings zelfmeest-al uitstekend zwavelzuurbestendig zijn,geven kleine gaatjes in de coating aan-leiding totblaarvorming;het mechanis-me is in figuur 7 ge?llustreerd.wel kunnen voldoen:- kunststofmortels, die absoluutwater-,damp- en gasdicht zijn. De mortelsmoeten in een laagdikte van enkelemillimeters aangebracht worden endienen voorzien te zijn van een dichtetopcoating;- het bekleden met platen of buizen(buis in buis) van een duurzaam mate~riaaL Polyvinylchloride- ofpolyprop-eenplaten zijn hier voorbeelden van.In geval niet al het gecarbonateerde ofdoor chloride verontreinigde beton totbij de wapening kan worden wegge-haald, kan worden overwogen om eenbeschermlaag aan te brengendie de cor-rosiepropagatie vermindert. Dit kan inprincipe door de zuurstoftoevoer af tesnijden. Bet moet dan wel een zeerdichte laag zijn. Figuur8geeftaan datdezuurstofdiffusieweerstand in de groot-te-orde van 4000 m moet zijn. Boven~dien moet alle beton aan de buitenkantworden afgedekt om zuurstofindrin-ging tevoorkomen, omdatanders zuur-stoftoevoer mogelijk blijft. Als het allukt om aan deze eisen te voldoen is ui-teraard niet meer voldaan aan het 'K?n-zel' criterium. Toepassing van dit prin-cipe is dan ook maar in een enkel gevalmogelijk.wel moet nog worden opgemerkt datals gevolg van het aanbrengen van eendichte coating, het vochtgehalte achterde coating in de dekking zal toenemen.De diffusieweerstand tegen zuurstofzalhierdoor toenemen terwijl vochtfluc-tuaties zullen afnemen, wat de corrosi-viteit doet afnemen.(wordt vervolgd)LiteratuurIn het volgende nummer van Cementwordt het tweede gedeelte van dit arti-kel gepubliceerd. Aan het eind daarvanzal de literatuurlijst worden geplaatst.Cement 1988 nr. 2 53
Reacties