ing.J.A.LuitwielerVerkoopassociatie Nederlands CementENCI-CEMIJ-ROBUR BV, 's-HertogenboschTemperatuurspanningen inverhardend betonInleidingVanaf het moment dat de betonspecie is verdicht, is het aan vormveranderingen onderhevig.Een van de fenomenen, die deze vormveranderingen veroorzaken, is het temperatuurverloopin het verhardend beton. Deze temperatuurveranderingen worden veroorzaakt door:- hydratatie van cement,- klimatologische invloeden en- eventuele warmtebehandeling of koeling.Nu kunnen temperatuurveranderingen eerst aanleiding geven tot problemen indien devormveranderingen die hiervan het gevolg zijn geheel of gedeeltelijk worden verhinderd.Hierdoor zullen bij temperatuurverhoging drukspanningen en bij temperatuurverlagingtrekspanningen in het verhardend beton ontstaan.In de praktijk treden problemen op indien de treksterkte van het verhardend beton wordtoverschreden, dus in het algemeen bijeen daling van de temperatuur. Bij extreme vormen vanversnelde verharding, met zeer snelle temperatuurstijging in de eerste uren, ontstaan ooktrekspanningen als gevolg van verschillen in uitzetting van de samenstellende delen van debetonspecie. Hierdoor ontstaan microscheuren in het beton, wat onder andere resulteert ineen lagere druksterkte.Vervolg van blz. 228(Spanning en vervorming)Na ??n jaar bij een kruipvervorming van 75% van de totale kruip geldt:q>j = 0,75-2,7 = 2,03z'wr = 0,75 ? 30 ? -5= 22,5 ? 10-5Okrel =e'kr-E= 22,5-10^-28 000 = 6,30 N/mm2akr = 6,30-pTjgO -e-203) = 2,70 N/mm2.In tabel 3 is het op deze wijze verkregen verloop van ^ weergegeven.In figuur 22 is dit verloop grafisch weergegeven, waarbij nog eens duidelijk de grote invloedvan de kruip zichtbaar is.Op dezelfde wijze als hier is geschied kunnen formules worden afgeleid voor het geval hetbeton aan z'n einden niet star wordt vastgehouden, zowel voor elastische als aan kruiponderhevige elementen. Uiteraard kan het voorgaande niet als absolute werkelijkheid wor-den beschouwd. Daarvoor zijn er teveel aannamen gedaan in het model. Het is wel eenduidelijke indicatie van een proces.Trouwens, berust het gehele gebeuren bij het construeren in beton niet op zeer veleaannamen? Indien wedat maar beseffen is in iedergeval voldaan aan ??n van de voorwaardenom goed te kunnen construeren.tijd nabelastenkruipvervormingin % vantotale kruip) Ekr(x105)Okr ? el(N/mm2Okr') (N/mm2)relaxatieOkrel -okr 100%Okr ? el1 uur 4 0,11 1,20 0,34 0,32 61 dag 10 0,27 3,00 0,84 0,74 121 week 20 0,54 6,00 1,68 1,30 231 maand 32 0,86 9,60 2,69 1,80 331 kwartaal 46 1,24 13,80 3,86 2,21 43? jaar 60 1,62 18,00 5,04 2,50 511 jaar 75 2,03 22,50 6,30 2,70 572 jaar 90 2,43 27,00 7,56 2,84 625 jaar 100 2,70 30,00 8,40 2,90 651Verschil in temperatuurverloop van vloer enwand2Verschil in temperatuurverloop aanoppervlak en in kernCement XXXIII (1981) nr. 4Bij de geheel of gedeeltelijk verhinderde vervormingen moet onderscheid worden gemaaktin:- temperatuurverschillen tussen constructieonderdelen (fig. 1) en- temperatuurgradi?nten in een constructie (fig. 2).In veel gevallen treden de spanningen ten gevolge van deze twee situaties gelijktijdig op,waardoor spanningstoestanden ontstaan die elkaar versterken.Constructies waar specifieke problemen kunnen ontstaan door temperatuurspanningen zijnwanden (kelders, tunnels, landhoof den, woningen enz.), verhardingen (vloeren en wegen)enmassabeton.TemperatuurWarmteontwikkeling ten gevolge van hydratatie van cementBij de reactie tussen cement en water komt warmte vrij. De mate waarin dit geschiedt isafhankelijk van:- cementsoort,- cementklasse,- aanvangstemperatuur en- water-cementfactor.Cementen kunnen worden geclassificeerd naar warmteontwikkeling. Van belang is hierbij detotale warmte die vrijkomt en de snelheid waarmee dit gebeurt. De hydratatiewarmte vancement wordt bepaald volgens de zogenaamde isothermische methode. Hierbij wordt devrijgekomen warmte bepaald van een cementpasta die tijdens de reactie op een constantetemperatuur wordt gehouden. Volgens NEN 3550 wordt een cement geclassificeerd met'lagewarmteontwikkeling' als na 7 dagen niet meer dan 270 J/g is vrijgekomen.In figuur 3 is de isotherme warmteontwikkeling weergegeven van hoogoven-en portlandce-ment. De totale hoeveelheid warmte van hoogovencement is afhankelijk van de slak/klinkerverhouding. Bij portlandcement is de totale hoeveelheid warmte afhankelijk van demineralogische samenstelling. De verschillen tussen de cementklassen komen vooral totuiting in de snelheid waarmee de warmte wordt afgegeven en niet zozeer in de totalehoeveelheid warmte. Bij de bepaling volgens de isotherme warmteontwikkeling van cementkomen gegevens beschikbaar over de totale hoeveelheid warmte en welk percentage op eenbepaald tijdstip is vrijgekomen. Deze methodegaat voorbij aan het feit dat in een constructie,als er meer warmte wordt geproduceerd dan wordt af gevoerd, de temperatuurstijgt. Hierdoorzal de reactie versnellen waardoor meer warmte wordt geproduceerd enz. Dit accumulerendeffect zal het temperatuurverloop be?nvloeden. Meting van de isotherme warmteontwikke-ling bij hogere temperaturen geeft een indruk van het versnellend effect van de temperatuur(fig- 4).Het berekenen van het temperatuurverloop ineen betonconstructie is zeer complex. Bijeengegeven cementsoort en-klasse is hettemperatuurverloop in de constructieafhankelijkvan:- hoeveelheid cement,- aanvangstemperatuur van de betonspecie,- water-cementfactor,- soortelijke warmte van het toeslagmateriaal,- afmetingen van de constructie,- isolatiewaarde van de bekisting en- klimatologische factoren zoals omgevingstemperatuur, windsnelheid enz.Voor de praktijk is vooral van belang hoe groot de temperatuurstijging zal zijn en op welktijdstip de maximum temperatuur wordt bereikt. Ori?nterende berekeningen kunnen wordengemaakt aan de hand van gegevens over de isotherme warmteontwikkeling van cement.Aanvullende gegevens kunnen worden verkregen door het meten van het temperatuurver-loop in proefstukken die zodanig zijn ge?soleerd, dat zij vergelijkbaar zijn met de te stortenconstructie (fig. 5).Warmtebehandeling (versnelde verharding)In tegenstelling tot de warmteontwikkeling door hydratatie is het temperatuurverloop bijversnelde verharding in het algemeen vrij goed bekend. In verband met de te verkrijgensterkte wordt een temperatuurregiem opgelegd. Daarbij speelt de hydratatiewarmte van-zelfsprekend ookeen rol; het verkregen temperatuurverloop is de som van de ontwikkeldeen230Cement XXXIII (1981) nr. 4van de toegevoegde warmte. Vooral het afkoelingsproces na het be?indigen van de verwar-ming en zeker na het ontkisten is van wezenlijk belang voor het spanningsverloop.Klimatologische factorenBij constructies met een relatief groot afkoelend oppervlak, zoals ??nzijdig bekiste construc-ties, speelt deomgevingstemperatuureen grote rol. Dit geldtspeciaal voorvloeren, brugdek-ken, verhardingen en wegen. Hierbij zal de temperatuur van de pas gestorte constructieoverdag door de omgevingstemperatuur en de hydratatie stijgen en betrekkelijksnel dalen inde daarop volgende nacht. Kenmerkend voor dit soort constructies is dat de sterkteontwikke-ling plaatsvindt bij een dalende betontemperatuur.Ontwikkeling van de eigenschappen van verhardend betonOm een indruk te krijgen van de risico's van scheurvorming in verhardend beton is hetnoodzakelijk om inzicht te hebben in de ontwikkeling van de eigenschappen van beton.Daartoe moet bij een gegeven temperatuurverloop in de constructie de ontwikkeling wordennagegaan van de- (trek)sterkte,- elasticiteitsmodulus,- vervormbaarheid en- uitzettingsco?ffici?nt.231Ontwikkeling van de druksterkte, treksterkteen elasticiteitsmodulus, bij een gegeventemperatuurverloop7Ontwikkeling van de breukrek(vervormbaarheid) en deuitzettingsco?ffici?ntCementXXXIII (1981) nr.4In f ?guur 6 is schematisch aangegeven hoe de ontwikkeling is van de druksterkte, treksterkteen elasticiteitsmodulus. Kenmerkend is dat de stijfheid (elasticiteitsmodulus) zich aanzien-lijk sneller ontwikkelt dan de sterkte. Dit is in principe een ongunstige zaak, omdat ditbetekent dat bij een bepaalde vervorming door de grotere stijfheid meer spanning ontstaat bijeen geringe sterkte.Eveneens van belang zijn de ontwikkeling van de vervormbaarheid (breukrek) en de uitzet-tingsco?ffici?nt (fig. 7). De ontwikkeling van de breukrek wordt gekenmerkt dooreen grotevervormbaarheid in de plastische fase, die echter tijdens het opstijven van de cement zeersnel terug loopt. De geri ngste vervormbaarheid wordt bereikt in de periode van 4 tot 12 u ur nahet storten om daarna weer geleidelijk toe te nemen. Het tijdstip waarop het minimum wordtbereikt is onder andere afhankelijk van de cementsoort en de verhardingstemperatuur. Voorde praktijk is die periode zeer belangrijk omdat dan geringe vervormingen reeds aanleidingtot scheurvorming kunnen geven.Het verloop van de uitzettingsco?ffici?nt in figuur 6 toont aan dat deze in de plastische faseongeveer gelijk is aan de som van de uitzettingsco?ffici?nten van de samenstellende delen;na het opstijven loopt de uitzettingsco?ffici?nt snel terug.Spanningsopbouw bij geheel of gedeeltelijk verhinderde vervormingenOp grond van een bekend verloop van temperatuur en eigenschappen, kunnen in principevervormingen en spanningen worden berekend, immers = (-70) en = .In f ?guur 8 is aangegeven hoe bij een bepaald temperatuurverloop de berekende en gemetenspanningsopbouw is van proefstukken waarvan de vervorming geheel was verhinderd. Hetblijkt dat er aanzienlijk minder drukspanning wordt opgebouwd dan uit berekening zouvolgen en dat het niveau van de trekspanning hoger is.Een verklaring hiervoor is het verschijnsel kruip. Vooral bij jong beton zijn de vervormingenbij een bepaalde spanning groter dan uit de gemeten elasticiteitsmodulus zou volgen. Of-vanuit de spanningstoestand bekeken-worden de spanningen door relaxatie van het jongebeton aanzienlijk geringer. Hierdoor worden in de opwarmfase betrekkelijk geringe druk-spanningen opgebouwd, welke bij temperatuurdaling vrij snel in trekspanningen overgaan.In het traject van druk- en trekspanningsopbouw zijn een aantal punten van belang (fig. 8):de temperatuur waarbij de druksterkteontwikkeling begint (T0),de temperatuur waarbij de drukspanning overgaat in trekspanning (T-\) ende temperatuurdaling vanaf 7 tot de eindtemperatuur (J2).Op basis van onder andere onderzoek van CUR-VB-commissie C38 en de literatuur kunnenvoor de praktijk de volgende richtlijnen worden gegeven:? scheurvorming kan worden voorkomen als de trekspanning in het beton kleiner blijft dancirca 75% van de splijttreksterkte;? de maximaal toelaatbare temperatuurdaling vanaf het moment waarop het beton spannings-loos is, bedraagt circa 15?C;? naarmate de afkoeling langzamer verloopt is de kans op scheurvorming geringer;? de elasticiteitsmodulus en de uitzettingsco?ffici?nt van het toeslagmateriaal spelen eenbelangrijke rol.2328Opbouw van druk- en trekspanningen bijverhinderde vervorming; bij een gegeventemperatuurverloop9Bij de bouw van de pijlers voor destormvloedkering in de Oosterschelde (perstuk ca. 7000 m3beton) zijn uitgebreidemaatregelen genomen om scheurvorming tevoorkomen:toepassen van voorspanning,superplastificeerder om waterbehoefte tebeperken, cement met geringewarmteontwikkeling, koeling van hetgestorte beton, isolatie van de bekistingCement XXXIII (1981) nr. 4Maatregelen ter voorkoming van scheurvormingIn het voorafgaande zijn reeds een aantal omstandigheden en maatregelen genoemd waar-mee scheurvorming ten gevolge van temperatuurspanningen kunnen worden beperkt. Veelalzijn deze maatregelen een combinatie van constructieve, technologische en uitvoerings-technische aspecten. Ook moet worden bedacht dat in het fenomeen van scheurvorming nogandere vormveranderingen van beton een rol spelen. Speciaal moet hierworden gedacht aanvormverandering ten gevolge van hygroscopische spanningen.Constructieve maatregelenDe betonsconstructeur moet zich realiseren dat de door hem ontworpen en berekendeconstructie gevoelig kan zijn voor scheurvorming in de verhardingsfase. Deze risico'skunnen worden verkleind door:a. beperking van de scheurwijdte door extra krimpwapening;b. voorkomen of beperken van scheurvorming door voorspanning;c toepassing van voldoende krimpvoegen;d. beheersing van het temperatuurverloop door koeling van het verhardend beton.Technologische maatregelenDe technologische maatregelen kunnen worden onderverdeeld in vier groepen.a. Beperking van de warmteontwikkeling.Bij het mengselontwerp kan doorde keuze van de cementsoort de totale hoeveelheid warmteworden beperkt, bijvoorbeeld hoogovencement in plaats van portlandcement.De hoeveelheid cement kan worden beperkt door vergroting van de maximale korrelgroottevan de toeslagstoffen. Deze maatregel is vooral van toepassing op grote, massale construc-ties (foto 9).233CementXXXIII (1981) nr.4Waterreducerende hulpstoffen kunnen, als de waterreductie ook gepaard gaat met cement-reductie, leiden tot beperking van de warmteontwikkeling. Vertragende hulpstoffen kunnensoms de maximum temperatuurstijging beperken. Belangrijker is echter dat dewarmteontwikkeling meer gespreid in de tijd vrijkomt.b. Be?nvloeding van de (trek)sterkteontwikkeling.Verhoging van de treksterkte van beton kan een gunstig effect hebben. De treksterkte kanworden verhoogd door vergroting van het specifieke oppervlak van het toeslagmateriaal.Hierdoor wordt het noodzakelijk om de cementhoeveelheid te verhogen, wat echter weer eennadelig effect heeft op de warmteontwikkeling. Een gunstiger effect kan worden bereikt doorhet toepassen van gebroken toeslagmateriaal.c. Be?nvloeding van de elasticiteitsmodulus.Uit de literatuur blijkt dat beton met een lagere elasticiteitsmodulus (bijv. lichtbeton) mindergevoelig is voor scheurvorming als gevolg van temperatuurverschillen tussen construc-tieonderdelen. Lichtbeton is echter gevoeliger voor temperatuurgradi?nten tussen opper-vlaken kern. Schade die daardoor wordt veroorzaakt, wordt gekenmerkt door een craquel?-patroon van fijne oppervlaktescheuren.d. Toepassing van toeslagmateriaal meteen lagere uitzettingsco?ffici?nt.Een wezenlijke bijdrage in het verlagen van deoptredende spanningen wordt verkregen doortoepassing van een toeslagmateriaal met een lagere uitzettingsco?ffici?nt, bijvoorbeeldkalksteen. Daardoor worden de vormveranderingen geringer. Bij een zelfde elasticiteitsmo-dulus als bij grindbeton zal dit direct leiden tot lagere spanningen.Uitvoeringstechnische maatregelenEen aantal belangrijke aspecten ter voorkoming van scheurvorming ligt op het terrein van deuitvoering van het werk. De belangrijkste maatregelen zijn:a. beperking van de aanvangstemperatuur van de betonspecie;b. isolatie van de bekisting;c tijdstip van ontkisten;d. wijze van nabehandelen;e. koelen van het verhardend beton.Beperking van de aanvangstemperatuur van de betonspecie heeft een duidelijke invloed opde maximale temperatuur in de constructie. Het realiseren hiervan kan ingrijpende prakti-sche maatregelen vereisen. Beperking van decementtemperatuursorteertslechtseen geringeffect; globaal leidt 10 ?C verlaging van de cementtemperatuur tot 1 ?C verlaging van despecietemperatuur. Voor het betonstorten bij hoge buitentemperaturen kan het noodzakelijkzijn de maximale aanvangstemperatuur van de betonspecie te beperken tot bijvoorbeeld25 ?C. Om hieraan te kunnen voldoen kan het nodig z?jn het toeslagmateriaal te koelen.De isolatie van de bekisting bepaalt mede het temperatuurverloop in de constructie. In deopwarmperiode is in feitegeen isolatie nodig. Tijdens de af koelperiode is isolatie wel gewenstomdat hiermee de temperatuurdaling geleidelijker verloopt. Omdat voor het optreden vantrekspanningen de temperatuurdaling het belangrijkste gegeven is, is het raadzaam debekisting voldoende te isoleren.Indien wordt ontkist op het moment dat de hoogste temperatuur in de constructie wordtbereikt zal door de snelle temperatuurdaling een ongunstige spanningstoestand in het betonworden ge?ntroduceerd. Tevens ontstaan extra spanningen als gevolg van de temperatuur-gradi?nt tussen oppervlak en kern. Het is dus noodzakelijk om de bekisting bij dit soortconstructies z? lang te laten staan dat de betontemperatuurde omgevingstemperatuur heeftbenaderd. Een tweede voordeel hiervan is dat de uitdrogingskrimp wordt uitgesteld.Bij het nabehandelen van constructies die nog niet zijn afgekoeld tot de omgevingstempera-tuur moeten temperatuurgradi?nten worden voorkomen.Speciaal bij constructies met grote afmetingen zoals tunnels, wordt om het temperatuurver-schil tussen vloer en wanden te verminderen een gedeelte van de vrijkomende hydratatie-warmte door middel van koelen afgevoerd. Hiermede kunnen de spanningen zodanig wordenbeperkt dat scheurvorming wordt voorkomen.Literatuur1. Wiegler H. en S.Karl, Junger Beton, Betonwerk und Fertigteiltechniek, 1974 Heft 6 en 7.2. Scheurvorming door krimp en temperatuurwisselingen in wanden, CUR-VB-rapport 85.3. Control of tracking in concrete structures, ACI-report 224R -80.4. Onderzoek naar het gedrag van jong beton bij verhinderde vervorming, TNO rapport BI-79-72/62.4.1422.5. Wierig H.J., Eigenschaften von 'gr?nen jungen Beton', Beton 18 (1968) Heft 3.6. Thurston S.J., M. J.N.Priestley en N.Cook , Thermal Analysis of Thick Concrete, ACI-Journal1980 nr. 5234
Reacties