ing.J.P.J.A.van der ZandenRecycling Maatschappij Limburg, Kerkradevoorzitter Stutech-studiegroep `Vliegas'Technologische aspecten vande toepassing van vliegas inbetonDeze bijdrage is gebaseerd op een lezingdie de auteur heeft gehouden op de studie-dag `Vliegas in beton `, 24 maart ?f., georgani-seerd door de Betonvereniging, in samen-werking met de Stuurgroep Vliegas en deStutech.1Bestandheid tegen chemische aantastingvan verschillende cementsoorten2Invloedsfactoren op het plastificerendeffect van vliegasBeton is een mengsel van cement, zand, grind en water; niet meer en niet minder. Aan ditmengsel kunnen nog bepaalde stoffen worden toegevoegd waardoor sommige eigenschap-pen van beton kunnen worden verbeterd of `nieuwe' eigenschappen kunnen worden gereali-seerd.Over dit mengsel is de afgelopen 100 jaar een bibliotheek vol geschreven terwijl de stroomvan publikaties nog steeds aanzwelt. Veel van hetgeen staat opgetekend heeft de praktijknooit gehaald of is door de praktijk teruggefloten. Zo zien we dat in de loop der jaren meerdan 50 methoden zijn ontwikkeld om de verwerkbaarheid van betonspecie te meten; in depraktijk wordt echter nog steeds de zetmaat zoals die rond 1920 werd ge?ntroduceerdgehanteerd.VoorzichtigheidAlvorens het onderwerp van dit artikel aan te snijden zullen we als kritische illustratie ??nonderwerp uit de betonbibliotheek wat nader beschouwen, nl. de chloride-indringing.Toepassing van een luchtbelvormer kan een bijdrage leveren aan de vorstbestandheid vanbeton en wordt sinds 1940 in de Verenigde Staten op uitgebreide schaal toegepast bij debouw van wegen en viaducten. Bovendien worden deze constructies meestal uitgevoerd metbeton waarin speciaal sulfaatbestand cement (type V) is verwerkt. Het beton is dus vorst- ensulfaatbestand; toch staan op dit ogenblik in de Verenigde Staten ca. 6000 bruggen opinstorten. Niet doorvorst en niet door sulfaataantasting, doch doordat de wapening is gaanroesten ten gevolge van indringing van chloor-ionen uit strooizout. Het beton bleek dus nietbestand tegen de indringing van chloor-ionen.Wat toen? In plaats van aandacht te besteden aan de chloor-penetratie ging men de wape-ning beschermen. De maatregelen die genomen werden ter bescherming van de wapeningwaren:- verlagen van de water-cementfactor; dit had slechts beperkt resultaat;- verzinken van de wapening; dit is echter duur en had eveneens beperkt resultaat;- aanbrengen van een epoxy coating op de wapening; een peperdure methode, waarvan hetresultaat ter discussie staat;- toevoegen van een `corrosion inhibitor' die de chloor-ionen zou moeten immobiliseren;eveneens duur en het resultaat is onbekend;- aanbrengen van coatings op het beton; een kostbare methode met een beperkt resultaat.De ontwikkelingen in deze richting gaan nog door.Pas enige jaren geleden is een onderzoek op gang gekomen naar de snelheid waarmeeschadelijke stoffen beton kunnen binnendringen. Nu blijkt dat sulfaatbestand cement eenbijna open pori?nstructuur heeft voor de penetratie van chloor-ionen. Normaal portlandce-ment gedraagt zich in dit opzicht beter terwijl hoogovencement bijna geen chloor-ionendoorlaat (fig. 1).Op basis van dit gegeven is voor de bouw van de Saudi Arabia Bahrain-Causeway gekozenvoor de toepassing van hoogovencement, en niet voor allerlei `pleisteroplossingen' zoals, incombinatie met sulfaatbestand cement, oorspronkelijk was voorgeschreven! Bij het onder-zoek naar de dichtheid van het beton gerelateerd aan de bescherming van de wapening bleekvoorts dat de kritische grens voor de hoeveelheid chloride in beton bij maximaal 0,2% ligt.Het is nog maar kort geleden dat in de voorschriften 2% 1 (wat overeenkomt met 1%chloride) in gewapend beton werd toegelaten.Dramatisch in dit geheel is de situatie in het Midden-Oosten waar recentelijk tientallencementfabrieken zijn gebouwd, alle geschikt voor de produktie van sulfaatbestand cement,in vele gevallen het meest ongeschikte cement voor toepassing in dat gebied...Waar ik op wil wijzen is dat men uiterste voorzichtigheid bij de introductie van nieuwematerialen moet betrachten en uiterst kritisch moet zijn met de interpretatie van onder-zoeksresultaten. De schade veroorzaakt door `onjuiste' toepassing van sulfaatbestand ce-ment zoals zojuist aangegeven, loopt wereldwijd in de miljarden.Cement XXXV (1983) nr. 6 3693a-bRelatie tussen de sterkteontwikkeling en dewater-cementfactor voor verschillendevervangingspercentages vliegasDe diverse technologische aspecten van de toepassing van vliegas in beton zullen nu invogelvlucht worden behandeld.VerwerkbaarheidVliegas heeft een plastificerend effect, gebaseerd op een soort kogellagerwerking. Persoon-lijk verwacht ik dat in de toekomst zal blijken dat het plastificerend effect door nog anderefactoren wordt bepaald. Op basis van de beschikbare gegevens uit de literatuur zijn deinvloedsfactoren op de verwerkbaarheid samengevat in figuur 2. Hieruit wordt duidelijk dateen grof vliegas met een hoog koolgehalte de waterbehoefte juist doet toenemen.SterkteontwikkelingDe bijdrage van vliegas aan de sterkte-ontwikkeling is een functie van:- het plastificerend effect en de mate waarin men hiervan gebruikt maakt ter verlaging van dewater-cementfact?r, en- de temperatuur.Bij normale temperaturen (tot 30 ?C) gedraagt vliegas zich gedurende de eerste periode vanverharding als een volkomen inert materiaal. Een en ander wordt duidelijk in figuur 3aaangetoond. De druksterkte als functie van de water-cementfactor vertoont bij 20 ?C eennormaal verloop, ongeacht de toevoeging van 10-30% vliegas). Bij 50 ?C zien we daarentegeneen duidelijke verschuiving van het verloop (fig. 3b). Dit duidt op een (puzzolane) bijdragevan het vliegas aan de sterkteontwikkeling.In tabel 1 is globaal aangegeven na hoeveel dagen de sterkteontwikkeling van betonspeciemet 20% vliegas die van betonspecie zonder vliegas evenaart of passeert, afhankelijk van detemperatuur.Vliegas blijkt dus wat de sterkteontwikkeling betreft, uitermate geschikt voor toepassing bijhogere temperaturen, ofte wel versnelde verharding.Omtrent het gedrag van vliegas bij lagere temperaturen, en dit is in de praktijk vaak het geval,is nog weinig bekend.Op langere termijn levert vliegas een positieve bijdrage aan de sterkteontwikkeling; bij eenverharding bij 20 ?C kan na 1 jaar gerekend worden met een tot 20% hogere druksterkte.HydratatiewarmteHet inerte gedrag van vliegas bij normale temperaturen is er de oorzaak van dat een gedeelte-lijke vervanging van cement door vliegas resulteert in een geringere ontwikkeling van hydra-tatiewarmte. De mate waarin dit plaatsvindt wordt natuurlijk ook bepaald door de fijnheid vanhet cement (tabel 2).Om deze reden wordt vliegas wel toegepast bij massabeton ter reductie van de warmteont-wikkeling en daarmede vermindering van de scheurvorming. Hierbij past de volgende aante-kening. Bij massabeton wordt veelal een grof (traag) cement toegepast, waardoor het effectvan gedeelteijke vervanging door vliegas beperkt is.Naast een verlaging van de warmteontwikkeling moet ook worden gerekend met een vertra-ging van de sterkteontwikkeling waardoor toch weer meer (micro)scheurvorming kan ont-staan.Cement XXXV (1983) nr. 6 370Tabel 1Vergelijking van de sterkteontwikkelingvanvliegasbeton met blanco beton(20% van het cement werd door vliegasvervangen)tijd benodigd voor het bereikenvan eenzelfde sterkte als blanco betontemperatuur(?C)verwerkbaarheidgelijkwater-cementfactorgelijk203550658528 dagen7 dagendirectdirect hogerdirect hoger150 dagen24 dagen6 dagendirectdirect hogerTabel 2Vergelijking van de warmteontwikkeling invliegasbeton ten opzichte van blanco beton(20% van het cement werd door vliegasvervangen)warmteontwikkeling in de eerste48 uur t.o.v. blanco betonfijnheid vliegas grof cement fijn cementgroffijnminderiets minderveel minderminder4Duurzaamheid van vliegasbetonN.B.: de water-cementfactor is voor de verschillende betonsamenstellingen gelijk gehou-den.Het is een (wijdverbreid) misverstand, dat met een gedeeltelijke vervanging van cement doorvliegas hetzelfde effect zou worden bereikt als met interne koeling.DuurzaamheidEen interessant aspect vormt de duurzaamheid. De stelling wint terrein dat de duurzaamheidin hoofdzaak door de dichtheid van het beton, aangegeven door de diffusieco?ffici?nt, wordtbepaald. Deze geeft de snelheid aan waarmee schadelijke stoffen in het beton kunnenbinnendringen, c.q. de mobiliteit van reeds in het beton aanwezige schadelijke ionen.Vliegas reageert met kalkhydraat - ( ) - dat vrijkomt tijdens de hydratatie van hetportlandcement. Dit leidt op langere termijn (bij normale temperaturen) tot beton met eengrotere dichtheid en dientengevolge (waarschijnlijk) grotere chemische bestandheid. Intermen van diffusieco?ffici?nten is hierover nog niets bekend.Gedurende de aanvangsperiode moet echter met een meer open structuur worden gerekend,ook in geval van gedeeltelijke vervanging van cement door vliegas bij gelijkblijvende ver-werkbaarheid. Gedurende deze periode is het beton kwetsbaar. De duur van deze periodewordt bepaald door de verhardingsomstandigheiden c.q. de nabehandeling. Onder gunstigepraktijkomstandigheden moet gedurende 1 ? 3 maanden gerekend worden met verhoogdekans op uitdroging, carbonatatie, chemische aantasting en vorstschade. Bij minder gunstigeverhardingsomstandigheden kan deze kwetsbare periode oplopen tot 6 ? 18 maanden! Denabehandeling van vliegasbeton is derhalve uiterst belangrijk.Helaas zijn met betrekking tot de ontwikkeling van de diffusieco?ffici?nt van vliegasbetonnog geen gegevens voorhanden. Ook wat betreft de dichtheid van vliegasbeton dat versneldis verhard zijn geen gegevens bekend. Bij stomen ontwikkelt blanco beton met portlandce-ment een meer open structuur; met hoogovencement daarentegen een dichtere structuur.In algemene zin kan de bestandheid tegen chemische aantasting worden uitgedrukt alsfunctie van:- dichtheid (diffusieco?ffici?nt);- in het beton aanwezige schadelijke stoffen;- extern aanbod van schadelijke stoffen;- temperatuur;- water-cementfactor.Hoewel op zichzelf belangrijk komt in deze opsomming de water-cementfactor pas op delaatste plaats!Aan de hand van de in de literatuur bekende gegevens is voor de duurzaamheid van vliegas-beton het staatje van figuur 4 opgesteld. Dat vliegasbeton problemen kan opleveren voor watbetreft de vorstbestandheid is bekend; een nader praktijkonderzoek is gewenst. Wat dechemische bestandheid betreft, moet worden vastgesteld dat nog onvoldoende gegevensvoorhanden zijn. Onderzoek moet hiernaar worden verricht. Bekend is dat de carbonatatievan vliegasbeton een probleem kan vormen.ResumerendToevoeging van vliegas aan beton kan plaatsvinden als:a. gedeeltelijk vervanging van cement;b. als extra hoeveelheid fijn toeslagmateriaal;c een combinatie van a. en b.Cement XXXV (1983) nr. 6 371Gedeeltijke vervanging van cementBij normale temperatuur moet worden gerekend met een geringere sterkteontwikkeling. Desterkte gedurende de beginperiode wordt bepaald door het plastificerend effect en deverhardingsomstandigheden. Afhankelijk hiervan kan het beton gedurende 1 tot 18 maandeneen meer open structuur hebben en daardoor een grotere gevoeligheid voor vorstschade enchemische aantasting. Nabehandeling is derhalve uiterst belangrijk!Over de ontwikkeling van de diffusieco?ffici?nt is nog onvoldoende bekend.Een voordeel kan zijn de lagere hydratatiewarmteontwikkeling; hierbij moet gerekend wor-den op een eveneens achterblijvende treksterkteontwikkeling, waardoor toch extra scheur-vorming kan optreden.Bij hogere temperatuur vindt een versnelde verharding plaats - hoewel ook hier g??ngegevens voorhanden zijn met betrekking tot de ontwikkeling van de dichtheid.Primair doel bij deze toepassing is een kostenbesparing te bewerkstelligen. Derhalve zaldeze toepassing veelal alleen zinvol zijn als er sprake is van hoge cementgehalten.Als extra hoeveelheid fijn toeslagmateriaalDe toevoeging als extra hoeveelheid fijn toeslagmateriaal kan wenselijk zijn in verband meteen hogere duurzaamheid of ter verbetering van de verwerkbaarheid. Dit laatste aspect kaneen rol spelen bijvoorbeeld bij betonpompen over grotere afstanden of indien extra cohesievereist is in verband met mogelijke ontmenging (onderwaterbeton, grotere storthoogten).Extra fijne delen kunnen eveneens gewenst zijn bij het storten van gewapende, hoge, dunnewanden, bij een glijkist of ter beperking van de bleeding. In die gevallen waar een hoogcementgehalte nodig is voor het verkrijgen van de vereiste `groene sterkte' bij de produktievan tegels, buizen etc, dient de toepassing van vliegas zeker te worden overwogen.Ter gedeeltelijke vervanging van cement ?n als extra hoeveelheid fijn toeslagmateriaalTot deze toepassing kan worden overgegaan teneinde bijvoorbeeld de negatieve invloed vanvliegas als cementvervangende stof en de verlaging van de druksterkte na 28 dagen (eneerder!) te beperken.OpmerkingWe hebben hier diverse toepassingsmogelijkheden van vliegas naar voren gehaald. Echtersteeds dient kritisch te worden nagegaan of de toepassing optimaal is en of er misschienandere methoden ter beschikking staan, bijvoorbeeld fijn zand toevoegen of een superplasti-ficeerder gebruiken.Projecten waarbij vliegas met succes is toegepast staan uitgebreid in de literatuur vermeld.Mag ik hier een tweetal projecten noemen waar na grondig onderzoek bewust is besloten omg??n vliegas toe te passen: de metro te Amsterdam en de Vlakertunnel. Vervanging van eengedeelte van het hoogovencement door vliegas leidde tot een z??r beperkte verlaging van dehydratatiewarmte.De combinatie van vliegas met hoogovencement is een hoofdstuk apart. Ter vervanging vaneen gedeelte van het cement dient uiterste voorzichtigheid te worden geboden. Een cementdat nog slechts 20-25% portlandcementklinker bevat kan normaal gesproken niet verderworden versneden. Alleen in uitzonderlijke gevallen en na gedegen vooronderzoek kan ditworden overwogen.Tot besluit van deze algemene beschouwing nog een opmerking over de variatie in dekwaliteit van het vliegas. Een grotere elektriciteitscentrale produceert normaal gesprokenvliegas dat minder fluctueert in samenstelling en kwaliteit dan cement. Door samenvoegingvan twee (ten opzichte van elkaar) ongunstige partijen cement en vliegas kan een groterevariatie in de kwaliteit ontstaan. Dit gecombineerd met de extra handelingen die nodig zijnvoor de vliegastoevoeging (kans op weegfout), zal veelal leiden tot een hogere variatieco?ffi-ci?nt voor de sterkte van vliegasbeton.BesluitEr is veel onderzoek gedaan op het gebied van vliegas in beton, getuige de lijst van publika-ties vermeld in het Stutech-rapport. En die vormt nog slechts een greep.Vliegas is wereldwijd ook op grote schaal toegepast; vaak met succes, soms leidend tot eencatastrofe. Vaak is het bewust ook niet toegepast omdat betere (goedkopere) mogelijkhedenvoorhanden waren. Vliegas in beton heeft ongetwijfeld haar mogelijkheden, ledere toepas-sing dient echter kritisch te worden overwogen en afgewogen - kostprijstechnisch, kwalita-tief en op praktische consequenties. De Stutech-werkgroep is erin geslaagd een overzicht teverstrekken van de know-how op dit gebied, waardoor het nemen van een weloverwogenbeslissing kan worden gesteund.Tot slot van deze bijdrage de aanbevelingen als opgesteld door de Stutech-werkgroep:- opstellen van Nederlandse normen voor vliegas;- opzetten van een controle- en certificeringsprocedure;- uitwerken van procedures voor een kwaliteitscontrolesysteem, in algemene zin;- onderzoek naar de mogelijkheden om duurzaamheidsaspecten te relateren aan kwaliteits-controlemethoden;alvorens vliegas te verwerken in combinatie met andere cementen dan portlandcement,dient allereerst diepgaand ondererzoek te worden verricht, vooral naar de duurzaamheids-aspecten.Cement XXXV (1983) nr. 6 372