O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB e t o n t e c h n o l o g i e cement 2006 1 87 dr.-ing. S. Grünewald, Hurks Beton / TU -Delf t, fac. CiTG prof.dr.ir. J.C. Walraven, TU -Delf t, fac. CiTG Stabiliseerders verminderen de neiging van zelfverdich- tend beton (ZVB) om te ontmengen, verbeteren het vul- vermogen en maken andere mengselsamenstellingen mogelijk. De invloed van een variatie in de mengselsa- menstelling en eigenschappen van de componenten wordt kleiner. De gebruikelijke naam van stabiliseerders is 'viscositeitsmiddelen'. Echter, omdat het beoogde effect niet het verhogen van de viscositeit, maar van de stabiliteit van het mengsel is, wordt in het vervolg het woord 'stabiliseerder' gebruikt. Dit artikel laat resultaten zien van onderzoek naar het effect van stabiliseerders op de eigenschappen van ZVB [1-3]. Nieuwe methoden zijn getest om de invloed van stabiliseerders te kwantifice- ren. Het reduceren van het gehalte fijne stoffen (< 0,125 mm) bij een poedertype ZVB leidt bij betonmengsels tot grotere gevoeligheid voor schom- melingen in de materiaaleigenschappen en de mengselsamenstelling. Stabiliseerders maken homogeen ZVB met een verlaagd cementlijmge- halte en met een verhoogd water-poedervolume (V w/V p) mogelijk. Stabiliseerders worden om drie redenen aan ZVB toegevoegd: 1 verhogen van de homogeniteit van het mengsel; 2 vergroten van de robuustheid; 3 verkrijgen van meer vrijheid bij de samenstelling van ZVB-mengsels. In dit artikel worden drie ZVB-mengsels met stabi- liseerder gepresenteerd waarbij de drie voordelen zijn gecombineerd. Ter vergelijking is een poeder- type ZVB met een relatief laag poedergehalte beproefd. M e n g s e l s a m e n s t e l l i n g Vier ZVB-mengsels (tabel 1) zijn dusdanig aange- past dat ze na het mengen een vloeimaat van ongeveer 700 mm hadden ( 688-743 mm). Bij de g e- noemde hoeveelheid water is het volume s upe rplas - tificeerder en stabiliseerder meegeteld; deze hulp- stoffen zijn daarom tussen haakjes aangegeven. De ZVB zonder stabiliseerder (ZVB 1) is het referen- tiemengsel; het poedergehalte (cement en vliegas) is 511 kg/m 3. ZVB 2 heeft een vergelijkbaar poederge- halte; er is een stabiliseerder toegevoegd (Sika ST 5). ZVB 3 en ZVB 4 hebben duidelijk lagere poederge- haltes ( 375/390 kg/m 3). De cementlijmgehaltes van de mengsels ZVB 3 en ZVB 4 zijn lager dan die van ZVB 1 en ZVB 2; extra fijn zand en relatief hogere water-poedervolumes maken een homogene zelfver- dichtende vloei desondanks mogelijk. Behalve de vier referentiemengsels werden acht mengsels beproefd met 10 l/m 3 meer of minder water. Dit verschil in waterhoeveelheid is realistisch om schom- melingen te simuleren. Figuur 1 laat de korrelverde- ling van de mengsels 1-4 in vergelijking met de zeefgrenslijnen uit NEN 8005 [5] zien. De hoeveel- heid fijn zand van de mengsels ZVB 3 en ZVB 4 was hoger in vergelijking met ZVB 1 en ZVB 2. T e s t m e t h o d e n Het vulvermogen van ZVB en de stortenergie bepa- len de helling waarmee ZVB zich uitbreidt; de vloeimaat en de trechtertijd zijn geschikte criteria om het vulvermogen van ZVB te meten [ 6]. Vul- en passeervermogen van ZVB kunnen met de L-Box [7] worden bepaald. Is de invloed van het toeslag- materiaal op het passeervermogen gering, dan is sprake van een goede relatie tussen de vloeimaat en de L-Box blokkeermaat [ 8]. Is het passeervermogen Stabiliseerders in zelfverdichtend beton W e t e n s c h a p 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,1 110 100 zeefopening (mm) doorgang (M-%) lijn A lijn B lijn C ZVB1/ZVB2ZVB3/ZVB4 Ta b el 1 | M e n g s e l s a m e n s t e l l i n g v a n d e v i e r r e f e r e n t i e m e n g s e l s mengselcomponent ZVB1 ZVB2 ZVB3 ZVB4 (kg/m 3) (kg/m 3) (kg/m 3) (kg/m 3) CEM I 52,5 R (ENCI Maastricht) 3 88 - 274 290 CEM III 42,5 N (ENCI Rotterdam) - 373 - - vliegas (SMZ) 123 125 101 100 water 174 178 192 180 fijn zand (0,125-0,25 mm) - - 105 106 zand (0,125-4 mm) 875 866 810 819 grind (4-16 mm) 770 762 804 813 superplastificeerder: Glenium 27 (12,8) (3,2) (6,0) (8,6) stabiliseerder: Foxcrete - - (2,0) stabiliseerder: ST5 - (0,8) - (1,0) druksterkte (28 dagen) (N/mm 2) 78,6 48,8 47,8 57,9 water-bindmiddelfactor [4] 0,40 0,45 0,62 0,55 1 Ko r r e l ve r d e l i n g e n ze e f- g r e n s l i j n e n vo l g e n s N E N 8 0 0 5 [ 3 ] O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e B e t o n t e c h n o l o g i e cement 2006 1 88 van ZVB onvoldoende, dan wordt zelfs met een grote vloeimaat een relatief lage blokkeermaat ver- kregen. Met de genoemde testmethoden is het niet mogelijk de homogeniteit van ZVB te kwantifice- ren. Verschillende methoden ter bepaling van de homogeniteit van ZVB zijn in het kader van het Europese project 'Testing SCC' beproefd. Volgens een 'Round Robin' studie [9] was de 'zeefstabiliteit- test' (foto 2), ontwikkeld door GTM uit Frankrijk, de meest betrouwbare testmethode. De zeefstabiliteittest wordt als volgt uitgevoerd. Een representatief monster van tien liter beton wordt in een emmer gedaan. Daarna wordt een rustperiode van vijftien minuten aangehouden. Vervolgens wordt 4,8 ± 0,2 kg beton uit de bovenste laag van de emmer op een zeef (opening: 5 mm) uit een hoogte van 500 ± 50 mm gestort. Na twee minuten wordt gewogen hoeveel specie (< 5 mm) door de zeef is gelopen. Waarden lager dan 5% worden verkregen voor mengsels met een te grote cohesie, terwijl 15% de grenswaarde voor stabiel ZVB is [10]. Afhanke- lijk van de toepassing kan de grenswaarde ook 20% zijn; een lagere stabiliteit is dan acceptabel. Het resultaat van de penetratietest [ 11] is de indring- diepte van een cilinder in beton. De penetratiecilin- der (foto 3) is met een staaf bevestigd aan een plaat en kan zich na het losdraaien van een schroef vrij bewegen. Het gewicht van de cilinder is 54 gram (hoogte: 50 mm, wanddikte: 1 mm, diameter cilin- der buiten: 77 mm). Deze kan van metaal of kunst- stof gemaakt zijn [11]. Voor de penetratietests werd een plastic buis (dia- meter binnen: 140 mm) gekozen en tot een hoogte van 500 mm met beton gevuld. Na een rustperiode van twee minuten zet men de cilinder op het beton en laat deze vrij bewegen. De duur van de test is twee minuten; een indringdiepte tot maximaal 8 mm is acceptabel voor homogeen ZVB. Door het inzakken van beton na het storten, ontstaat ruimte onder de wapening, die boven in de bekisting groter is. De hechtsterkte van het beton met de wape- ning daalt met groter wordende zakking van de oppervlakte [ 12]. De zakking van de oppervlakte werd gemeten met behulp van een drijvend metaalplaatje ( 700 x 700 x 0,5 mm 3) op ZVB (betonkolom: 200 mm). Een opnemer werd geplaatst op het metaal- plaatje om de inzakking te bepalen. De meting van de zakking werd gestart vijftien minuten na het mengen (het mengsel werd hiervoor kort doorge- mengd), werd vervolgd gedurende tien uur en geeft een indicatie van de volumestabiliteit van ZVB in de beginfase na het mengen. De zakking van een homogeen ZVB is 0,5 % of lager [ 12]. De oppervlakte van het beton rond het metaalplaatje is gedurende de test afgedekt met een plastic folie om scheurvorming in de specie te voorkomen. R e s u l t a t e n e n d i s c u s s i e Vul- en passeervermogen zelfverdichtend beton De figuren 4 en 5 laten het effect zien van een vari- atie van 10 l/m 3 meer of minder water op de vloei- maat en de blokkeermaat. Het verschil in vloeimaat voor - 10 tot +10 l/m 3 water is 300 mm voor ZVB 1, 188 mm voor ZVB 2, 160 mm voor ZVB 3 en 110 mm voor ZVB 4. ZVB3 en ZVB4 zijn het meest robuust tegen de variatie van het water; het referentiemengsel zonder stabili- seerder (ZVB1) met een relatief laag poedergehalte was het minst robuust. Het valt op dat minder water op ZVB1 en ZVB2 een relatief groter effect op de vloeimaat heeft dan meer water. De mate van verschil (de helling in fig. 4) geeft een indicatie van de effectiviteit van de stabiliseerders. De effectiviteit van een stabiliseerder is afhankelijk van het type en de dosering. Figuur 5 toont het effect van de variatie van water en de mengselsamenstelling op de blok- keermaat. Alleen de mengsels ZVB1 en ZVB2 met 2 | Ze e f s t a b i l i t e i t t e s t 3 | P e n e t r a t i e v a n d e c i l i n - d e r i n e e n b e t o n n e n ko l o m v a n 5 0 0 m m O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB e t o n t e c h n o l o g i e cement 2006 1 89 500 550 600 650 700 750 800 850 -15 -10 -5 0 5 10 15 variatie water (l/m 3) vloeimaat (mm) 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 -15 -10 -5 05 10 15 blokkeermaat (-) 0% 5% 10% 15% 20% 25% -15 -10 -5 0 5 10 15 zeefstabiliteit (%) 0 2 4 6 8 10 12 -15 -10 -5 0 5 10 15 trechtertijd (s) 0 5 10 15 20 25 -15 -10 -5 0 5 10 15 penetratie (mm) variatie water (l/m 3) variatie water (l/m 3) variatie water (l/m 3) variatie water (l/m 3) ZVB 1 ZVB 2 ZVB 3 ZVB 4 minder water voldoen niet aan de grenswaarde van minimaal 0,8; de blokkeermaat van mengsel ZVB1 met 10 l/m 3 minder water was lager dan 0,5. Mengsels met een vrij hoge blokkeermaat neigen tot ontmenging. Bij een constant cementlijmgehalte wordt het poe- dergehalte kleiner als het water-poedervolume groter wordt. Zonder stabiliseerder en bij een grote vloeimaat zijn zulke mengsels niet stabiel of gevoeliger voor een variatie in het gehalte water. De trechtertijden kunnen voor ZVB met stabili- seerder duidelijk lager zijn dan men gewend is; ZVB met trechtertijden van twee seconden of lager kan stabiel zijn. Figuur 6 laat de resultaten van de trechtertests zien. De trechtertijd van refe- rentiemengsel ZVB 1 was 5,7 seconden en is rela- tief laag voor een homogeen ZVB zonder stabili- seerder. Het verschil van de trechtertijd, veroorzaakt door de aanwezigheid van meer of minder water, wordt kleiner met afnemende trechtertijd van het referentiemengsel. Homogeniteit en stabiliteit van zelfverdichtend beton Figuren 7 en 8 tonen de resultaten van de testen naar de homogeniteit van ZVB voor de zeefstabili- teittest (fig. 7) en de penetratietest (fig. 8). De vier referentiemengsels waren stabiel met een zeef- waarde onder 15% en met penetratiedieptes van ongeveer 8 mm of lager (ZVB 4: 9 mm). De zeef- waardes van de mengsels ZVB 3 en ZVB4 met meer of minder water voldeden aan de criteria, terwijl dat niet het geval was voor ZVB 1 en ZVB2: ZVB1 is minder robuust dan ZVB 2. Alleen ZVB3 had een penetratiediepte van 8 mm of lager met 10 l/m 3 extra water. De twee testmethoden leiden niet noodzakelijk tot hetzelfde resultaat. De statische en dynamische weerstand tegen ontmenging zijn niet hetzelfde en het testresultaat wordt hierdoor beïnvloed. Het verschil tussen de referentiemengsels was groter met de penetratietest in vergelijking met de zeef- stabiliteittest. Tests met de penetratiemethode aan de TU Delft hebben in sommige gevallen tot een relatief grote indringdiepte geleid, hoewel de grove toeslagen direct onder de oppervlakte zweefden. In tegenstelling tot de zeefstabiliteittest is bij de pene- tratietest geen onderste grenswaarde gegeven. Omdat toeslagkorrels onder de oppervlakte van ZVB moeten zweven, is een geringe indringdiepte van de cilinder normaal. De penetratietest is in het gebied tussen 0-2 mm niet voldoende nauwkeurig om verschillen duidelijk te kunnen maken. 4 | Vl o e i m a a t r e s u l t a t e n 5 | R e s u l t a t e n L- B ox t e s t e n 6 | R e s u l t a t e n v a n d e t r e c h t e r t e s t s 7 | R e s u l t a t e n ze e f - s t a b i l i t e i t t e s t s 8 | R e s u l t a t e n p e n e t r a t i e - t e s t s O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i e B e t o n t e c h n o l o g i e cement 2006 1 90 Figuur 9 toont metingen naar de zakking van beton. Na tien uur nam de zakking nauwelijks nog toe en kon daarom een eindwaarde van de opper- vlaktezakking kon worden bepaald. Het is te her- kennen dat vooral in de eerste 1-2 uur het grootste deel van de zakking plaatsheeft. Er kunnen duide- lijke verschillen tussen mengsels optreden; zelfs tussen homogene zelfverdichtende mengsels is een verschil in zakking mogelijk. Nog niet bekend is wat de zakking van beton bepaalt. Figuur 10 laat de eindwaarden (tien uur na het star- ten van de meting) van de oppervlaktezakking van de referentiemengsels en de mengsels met meer of minder water zien. De hoeveelheid water heeft geen duidelijk effect op de zakking. In sommige gevallen is de zakking van het referentiemengsel het grootst, in één geval (ZVB 3) het laagst. Mengsels uit de serie ZVB 2 zakken het meest; hoewel het referentiemeng- sel homogeen was, zakte de oppervlakte meer dan de grenswaarde van 1 mm ( 0,5 % van 200 mm). De hoe- veelheid en de samenstelling van de toeslag waren bijna identiek aan die van ZVB 1, echter, hoogovence- ment is toegepast in plaats van portlandcement. Hoogovencement heeft een lagere waterbehoefte dan portlandcement. Door het toevoegen van de stabiliseerder kan een relatief hoger water-poedervo- lume worden gestabiliseerd. De zakking na een uur ten opzichte van die bij tien uur (fig. 11) hangt af van de mengselsamenstelling. Voor mengsel ZVB2 (het mengsel met hoogovence- ment) is ongeveer 80% van de zakking al opgetre- den na een uur, terwijl dat maar ongeveer 40% is voor ZVB3. Hoe groter de hoeveelheid water is voor een serie mengsels, des te kleiner de zakking is in het begin. Dit is waarschijnlijk ook de reden voor de vrij lage zakking in het begin bij de mengsels ZVB 3 en ZVB4, die een hoger water-poedervolume bevat- ten. P r a k t i j k p r o e v e n Om ervaring met stabiliseerders in ZVB op te doen zijn praktijkproeven uitgevoerd. Hierna worden in het kort de experimenten en de belangrijkste con- clusies samengevat. Na het uitvoeren van de proe- ven op de verwerkbaarheid werden verschillende elementen gestort. Eerste serie proeven Bij de experimenten met stabiliseerders werd geke- ken naar het effect van het type en de dosering van de stabiliseerder en of de hoeveelheid poeder zou kunnen worden teruggebracht in vergelijking met conventioneel ZVB. Voor de praktijkproef is een mengsel met hoogovencement ( 56 Vol.-% van het poeder) en vliegas gekozen. De water-bindmid- delfactor was 0,54 en het poedergehalte ongeveer 450 kg/m 3. De gehaltes grind en zand waren ver- hoogd ten opzichte van conventioneel ZVB. De stabiliseerder was Diutan Gum (als vaste stof; pro- ducent: Kelcocrete) in een dosering van 0,005% ten opzichte van het poedergewicht. De stabiliseerder werd van tevoren in water opgelost. Na het mengen zijn een vloei van 685 mm, een vulhoogte van de U-box van 330 mm (foto 12) en een trechtertijd van 8,0 seconden gemeten. Omdat een ZVB met stabi- liseerder minder fijne stoffen kan bevatten en min- der taai is dan conventioneel beton, vraagt het ook minder mengenergie, waardoor met een kortere mengtijd kan worden volstaan. De invloed van de stabiliseerder op de verwerkbaarheid kan door extra superplastificeerder worden gecompenseerd. Opval- lend bij het beproefde mengsel was een relatief hoog gehalte lucht: een overdosering van de super- plastificeerder kan tot luchtbelvorming in beton leiden. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 -15 -10 -5 0 5 10 15 zakking, na 10 uur (mm) 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0-15 -10 -505 10 15 zakking, 1/10 uur (-) variatie water (l/m 3) variatie water (l/m 3) 0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tijd (uren) mengsel 1 mengsel 2 zakking oppervlakte (mm) 9 | Vo o r b e e l d e n v a n m e t i n - g e n v a n d e o p p e r v l a k t e - z a k k i n g 1 0 | Z a k k i n g v a n d e o p p e r- v l a k t e t i e n u u r n a h e t b e g i n v a n d e m e t i n g 1 1 | R e l a t i eve z a k k i n g v a n d e o p p e r v l a k t e ( n a 1 u u r ve r g e l e ke n m e t 1 0 u u r ) O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB e t o n t e c h n o l o g i e cement 2006 1 91 Tweede serie proeven Het doel van deze proeven was een mengsel te ont- werpen met een poedergehalte vergelijkbaar met ZVB3 en ZVB4. Om het gehalte fijn zand te verho- gen werd zilverzand aan het mengsel toegevoegd. De uiteindelijke korrelverdeling van de toeslag week af van die van het TU Delft-mengsel; kalk- steenmeel (met portlandcement) in plaats van vliegas werd toegepast. Het uiteindelijke poederge- halte van het proefmengsel was 430 kg/m 3 (water- cementfactor: 0,65). De stabiliseerder was Foxcrete S20 (1,9 kg/m 3; producent: Avebe). De resultaten na het mengen waren een vloeimaat van 695 mm (foto 13), een trechtertijd van 4,4 seconden, een penetratiediepte van 2 mm en een blokkeermaat (L-Box) van 0,90. De druksterkte na 28 dagen was 56,2 N/mm 2. C o n c l u s i e s Stabiliseerders verruimen het gebied van prakti- sche mengselsamenstellingen en eigenschappen van ZVB en kunnen de robuustheid verhogen. Hoe hoger het watergehalte relatief tot het volume van de poeders is, des te effectiever is de stabiliseerder (de vereiste dosering stijgt ook). In dit artikel zijn mengsels beschreven die duidelijk verschillen van ZVB ontworpen met de Japanse methode. Het effect van de mengselsamenstelling, de stabiliseer- ders en het gehalte aan water op de testresultaten is besproken. Stabiliseerders hebben het potentieel ZVB economischer en robuuster te maken. D a n k w o o r d Het onderzoeksproject 'stabiliseerders in zelfver- dichtend beton' is gefinancierd door Senter. Avebe en de Nederlandse Bouwstoffen Combinatie BV hebben deze studie ondersteund. Betonmortelbe- drijven Cementbouw (eerste serie), Strukton Prefab Beton en T&E Consult (tweede serie) hebben de praktijkproeven uitgevoerd. De experimenten zijn in samenwerking met R. v.d. Baars, T. Blom, E. Horeweg en R. Mulder uitgevoerd. Hierbij wordt een woord van dank uitgesproken. n L i t e r a t u u r 1. Grünewald, S., J.C. Walraven, Viscosity agents in self-compacting concrete; a state-of-the-art. TU Delft, Sectie Gebouwen en Civieltechnische Constructies, Stevinrapport 25.5-04-04, 2004. 2. G rünewald, S., J.C. Walraven, Self-compacting concrete with viscosity agents in the fresh state. TU Delft, Sectie Gebouwen en Civieltech- nische Constructies, Stevinrapport 25.5-05-05, 2005. 3. G rünewald, S., J.C. Walraven, Self-compacting concrete with viscosity agents in the hardened state. TU Delft, Sectie Gebouwen en Civieltech- nische Constructies, Stevinrapport 25.5-05-06, 2005. 4. CUR-Aanbeveling 94, Toepassing van poeder- koolvliegas in mortel en beton. CUR, Gouda, 2003. 5. NEN 8005: Nederlandse aanvulling op NEN-EN 206-1, Beton - Deel 1: Specificatie, eigenschap- pen, vervaardiging en conformiteit. Nederlands Normalisatie Instituut, Delft, 2002. 6. CUR-Aanbeveling 93: Zelfverdichtend beton. CUR, Gouda, 2002. 7. Bartos, P.J.M., M. Sonebi, A. Tamimi, Worka- bility and Rheology of Fresh Concrete: Com- pendium of Tests, Report of Technical Com- mittee TC 145 WSM, Workability of Special Concrete Mixes. RILEM publicaties, Report 24, Cachan, 2000. 8. G rünewald, S., J.C. Walraven, M. Emborg, J. Cärlsward, C. Hedin, Evaluation of test methods for filling ability of SCC. Proceedings 1st International Conference on Design, Per- formance and Use of Self-Consolidating Con- crete, Changsha 2005. 9. T ang, L., Final report: WP6: Round Robin. Europees 'Testing SCC'-project. 10. Cussigh, F., Final report: WP3.3: Segregation Resistance of SCC. Europees 'Testing SCC'- project. 11. Bui, V.K., D. Montgomery, I. Hinczak, K. Tur- ner, Rapid testing method for segregation resi- stance of self-compacting concrete. Cement and Concrete Research, vol. 32, 2002. 12. Khayat, K.H., Use of Viscosity-Modifying Admixture to reduce Top-Bar Effect of Ancho- red Bars cast with Fluid Concrete. ACI Materi- als Journal, vol. 95, 1998. 1 3 | Z V B m e t Foxc r e t e S 2 0 1 2 | Z V B m e t D i u t a n G u m