MATERIALEN BETONTECHNOWGIEVLIEGAS-TOEVOEGINGKAN SULFAAT-BESTANDHEIDVERBETERENir.A.L.A.Fraay en ir.A.Reigersman*,TH-Delft, afdeling der Civiele TechniekOp veel plaatsen zoekt men naar relevanteeigenschappen en toepassingsmogelijkhedenvan vliegas. Grote hoeveelheden wordeninmiddels al verwerkt in beton. Maar het beeldvan de invloed van vliegas op de eigenschappenvan beton is nog lang niet compleet. Dit artikelis een eerste verslag van het onderzoek dat indIt kader door de TH-Delft, afdeling CivieleTechniek, wordt uitgevoerd. Het laat zien hoede bestandheid van beton en mortel tegensulfaataantasting wordt be?nvloed doortoevoeging van vliegas.* De schrijvers zijn veel dank verschuldigdaan prof.drsE.M.Theissing, voor zijn adviezentijdens het onderzoek en de voorbereidingvan deze publikatie. Door zijn overlijdenheeft hij de afronding van dit artikel helaasniet meer kunnen meemaken.Cement 1986 nr. 1De bestandheid van beton tegensulfaathoudend water kan wor~den verbeterd door gedeeltelij-ke vervanging van cement door vliegas.Als verklaring wordt meestal gewezenop de verlaging van het C3A-gehalte inhet bindmiddel, waardoor bij blootstel-ling aan sulfaten minder ettringietwordt gevormd. Er zal daardoor een ge-ringere expansie optreden.Ook de verbetering van de dichtheidvan beton bij gebruik van vliegas, kaneenrol spelenindesnelheidwaarmeedesulfaten in het beton kunnen dringen.Normaliter is gebruikvanhoogovence-ment een goede maatregel tegen sul~faataantasting. Hoogovencement bevatminder C3A dan portlandcement. Inlanden waar geen hoogovencement be-schikbaar is, ma.ar wel portlandcementen vliegas te verkrijgen zijn, kan het ge-bruikvan vliegas in portlandcementbe-ton zinvol zijn als maatregel tegen sul-faataantasting.Bij toepassing van hoogovencement inbuisleidingen met sulfaathoudend af-valwater, is hetmogelijkdatdeinhetce-ment aanwezigesulfideeen rol gaatspe-len in de vorming van zwavelwaterstof.Om die reden zou ook dan toepassingvan vliegas-portlandcement mengselszinvol kunnen zijn.Opzet van het onder-zoekInditonderzoekis nagegaaninhoeverrede verhoging van de sulfaatbestandheidvan mortels met verschillende samen-vervolg op blz. 5655MATERIALEN BETONTECHNOLOGIEVLIEGASTOEVOEGING TabeltKarakteristieken van de gebruiktevliegassenvliegas1 2 3 4 5 6 f~n zandrangschikking yan grof naar fynwaard. Drie prisma's zijn onmiddellijkdaarna beproefd, 3 prisma's zijn in desulfaathoudende oplossing gelegd en 3prisma's zijn in kalkwater bewaard enbeproefd bij eenouderdomvan6maan-den.De keuze van de sulfaathoudendeoplossingGekozen is voor een natriumsulfaat-houdende oplossing, omdat daarmee desulfaatopname door de mortel goed kanworden bepaald. Tijdens de proef zalNaOH gevormd worden.en de hoeveel-heid S04 zal afnemen door gips en et-tringietvorming. Omdat in de praktijkde concentratie in stromend" afVal- ofgrondwater niet sterk zal fluctueren,wordt bij deze proef de ontwikkeldeNaOH steeds met zwavelzuur geneu-traliseerd.De pH van de oplossingwordt regelma-tig gecontroleerd. Als die groter dan 8 is6002,675,64toegepaste vliegassen varieerde niet ex-treem: 43-53% SiOz, 22-27% Alz03, 6,2-8% FeZ0 3, 0,2-2,9% CaO, 0,5-0,95%NazO, 2,04-3,4% KzO, 0,44-0,97% S03'Alleen as nr. 5 had een CaO gehalte van5% (tabelt).4. Om de invloedvan het samenspel vanvliegas en zand op de verwerkbaarheidvan mortels te onderzoeken,is zand toe-gepast meteen maximale korrel van 2resp. 4 mm.Tevens zijn twee w/(c+vl)-factoren aangehouden, nl:0,45 en 0,50(m/m).5. De verwerkbaarheid van de mortels isbepaald met behulp van de spreidmaatvolgens NEN 3534. Het blijkt dat degrovere vliegassen slechter verwerkbaremengsels opleveren met een hogere(w+l)/(c+vl)-waarde (volume/volume)(fig. t-2).6. Per mortel zijn 9 prisma's gestort van40x40x160 mm3? De prisma's zijn gedu-rende 28 dagen bij 20 oeen 95% RV be-fJ:inheidsmodulus 3,49 4,11 4,31 4,86 4,89 5,00rloeiverlies % 3,3 4,9 1,7 3,3 8,0 2,01 uur op 750?C)Blain-waarde 3600 4100 3300 2600 3400 2400(cmz/g)soortelijke massa 2,55 7,46 2,39 2,21 2,27 2,24(g/cm3)NB: as nr. 1 is de gemalen ~s nr. 4Algemeen1.Er zijn mortels vervaardigd met6 ver-schillende vliegassen. De mengselsa-menstelling in gewichtsdelen was:0,8 pc-A: 0,2 vliegas: 3 zand: 0,5 resp.0,45 water.Tenslotte is ook een mortel gestort met0,2 gewichtsdelenfynzand inplaatsvanvliegas.2. De korrelverdeling van de vliegassenis bepaald met een Malvern Particle Si-zeI'. Uit de verkregen korrelvolumever-deling is de fynheidsmodulus Fv1 bere-kend, zoals bekend van de karakterise-ringvanzand engrind,echter metande-re fracties, nl. 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 125 en250 l1m.3. De chemische samenstelling van destelling afhangt van het type vliegas datis toegepast. Het onderzoek is uitge-voerd op 32 mortels met twee verschil-lende zandgradaties, twee w/(c+vl)-factoren en 6 vliegassen van uiteenlo-pende fynheid en gloeiverliezen. Na 28dagen verharding bij 20 "C en 95% RVzijn de mortels 5 maanden in een oplos-sing geplaatst met eenhoog gehalte aannatriumsulfaat. Tevens zijn als referen-tie identiekemortelstaafjes inkalkwatergeplaatst. Na afloop zijn de volumiekemassa, de looptijd met behulp van de'betontester' en de buigtreksterkte be-paald. Tevens zijn op bepaalde tijdstip-pen de lengteverandering en de hoe-veelheid zwavelzuur, nodig om de pHvan de toegepaste natriumsulfaatoplos-sing op 7 te houden (de zwavelzuurbe-hoefte), gemeten.1 Spreidmaat van de onderzochtemortels met vliegas, als functievan de fynheidsmodulus van de vliegas2 Spreidmaat van de mortels alsfunctie van de factor (w+I)/(c+vl)ooXoXXx__ X 00X w/(c+vlJ=O,50(m/m)l-""--~o -...-....----.........----""----------........_--WI (c+vll = 0,45 (mimIooXX""____ X--""'---XX X ......................X~ __-----o --~ __""-----........-""--X zand tot 4 mmo zand tot 2 mm122-161412.W!(C+Vt)=OiSO 8!kg/kg) -:;; 20-w/lc. vl) =0,45' ~(kg I kg) "0'~ 18c.lil?x,x?15161617iEi 22+ zand tot 4 mmo zand tot 2 mmx zand tot 4 mmo zand tot 2 mmw/{c.v!) =0,50Uv~ 21 \E o'P +I 20 w/!c.v!)=Q,45+ \,j19 x ,0~ +\ ~0\\xX \x3 4 5 6 7fijnheidsmoduLusFvl ---.,..1,25 1,3 1,35 1,4 1,45 1,5 1,55 1,6W+l1(volume/volume)~c+v56 Cement 1986 nr. 1vervolg op blz. 58* Na vervaardigen 1 maand in verhardingska-mer (20?C en 95% RV) en daarna 5 maanden insulfaatoplossing.relatieve afname elasticiteitsmodulus:E _ Edyn mortelinsulfaatoplossingdyn - 1- ----'--_----'~_---Edyn mortel in kalkwaterrelatieve afnam? buigtreksterke:Vergelijking m.eetresul-tatenr . ~ 1_ !bUig mortel insulfaatoplossingJbmg!buig mortel in kalkwaterfijn_natmortel met fjjnzand i.p.vvliegasfijn_droog }___-'-__ -"__.... grof_droog N.B.154 dagen ~I/////// /fijn _droog/ // groLnat/ // groL droogI/ //// ./'/.II,/./---mortel met vliegas 1(zeer fijne vliegas)14 28 5614 28 56?5 10 20 30 40 60 BO 100 140aantal dagen inzwavel'zuuroptossing ----7403010.20In figuur 5 is de afname van de relatievebuigtreksterkte weergegeven als functievan de zwavelzuurbehoefte. Figuur 6toont de afname van de relatieve Edynuitgezet tegen de zwavelzuurbehoefte.De Edyn is voor alle mortels in sulfaat-houdend water kleiner dan de Edyn vandezelfde mortels in kalkwater. Bij de14 28 56buigtreksterkte zien we dat de mortels. 154 dagen --)0- . .f--"---------------------1 die weinig zwavelzuur verbruiken, eenBepalen van de lengteverandering 4 Lengtetoename vanvie.. grotere buigtreksterkte hebben dan de-na opslag in sulfaathoudend water signiflcante mo..tels, namelijk de zelfde mortels in kalkwater (neerslag ind ? . . ..efe..entiemortel, de mo..tel met zee.. ... d C d IOp e pnsma's z.yn aan twee tegenover ponen zon er gerorceer e vo umever-dfijne vliegas, de mo..tel met g.-ove k d delkaar gelegen zij en messing meet- vliegas en de mo..te1 met fyn zand in groring).Eenster tevermin eringvin tblokjes met roestvrij stalenkogeltjes ge- plaats van vliegas pas plaats bij mortels met een grotereplakt op een afstand van 139 mmo Delengteveranderingen zijn op bepaaldetijdstippen gemeten met een meetklok-je. In figuur 4 zijn de resultatenweerge-gevenvoorde referentiemortel,de mor-tels met fyne en grove vliegas en demortel met ftin zand in plaats van vlieg-as als extra toeslag. In hetverloop van de3Zwavelzuuthehoefte uitgezettegen de tijd. Hoeg.-ote.. dezwavelzuurhehoefte, des te g.-oter is desulfaataantasting van de modelgeworden, wordt de oplossing aange- legenda, tijd neemt de lengte van de proefstuk-vuld (getitreerd) met HzS04 ? Hierdoor geof, zand tot 4 mm nat ,w/(c.vlJ=O.50 (mimi ken door de sulfaataantasting toe.?bI fi d . d IC? fijn: zand totZ mrndroog : wl(c+vl) =0,45 lm/mlij t e concentrane van e su raano- I---~--~---'----~--"----'inen in de oplossing constant. i Edyn en de sterkte van de mortelsDe hoeveelheid zuur die in het verloop Met behulp van de 'betontester' is devan de tijd nodig is om de pH op peil te ~ looptijd t(s) van eengeluidspuls door dehouden, is dus een maat voor de aantas- ?' mortelprisma's bepaald.Dedynamischeting van de mortels'. Hoe groter de Zwa- ~ 3 elasticiteitsmodulusvolgtdan uit Edyn ~velzuurbehoefte, des te groter is de sul- t (v.m).V2 (N/mZ) met v~ 0,16/t(mis).faataantasting. / fijn_nat De buigtreksterkte is bepaald volgenseeferentie moctel ./ NEN 3072. Aangezien op de gladde zij-__ ---/// grof_nat k d I l ' bI k/ / . anten van e morte staalJes meet 0 -// grof_droog J'eswarengeplakt, was hetmetgoed mo-//// .-_~ -fijn_drOOg . .~/ _ gelijk om de druksterkte op genormali-154 dagen ~ seerde wijze te bepalen. In de volgende1-----------.--------1 paragraaf worden de sterktecijfers vande mortels inde sulfaathoudendeoplos-sing vergeleken met die van de mortelsdie in kalkwater zijn bewaard..1: 80EMetingenDe bepaling van de benodigdezwavelzuur om de pH op constan-te waarde te houdenIn figuur 3 is voor enkele mortels dezwavelzuurbehoefte als functie van detijd weergegeven. Het betreft mortelsvervaardigd met zand tot 2 mm, en meteen verhouding w/(c+vl) (mim) van0,45. Voor de m?ngsels met?zand tot 4mm en een w/(c+vl) verhouding van0,50 werdensoortgelijkefiguren gevon-den. fijn_nat Edyn en sterkteHet blijkt dat de referentiemortel ende ==.=--=--=--= ~~:f-_~e::g. De Ed n en de buigtreksterkte van demortel met ftin zand .als extra toeslag in /~ geof _droog mortelstaven na 5 maanden* in sulfaat-plaats van vliegas in de loop van de tijd 1" 28 56 154 dagen ~ houdend water zijn vergeleken met deeen grotere aantasting vertonen. f--------------------1 uitkomsten van mortelprisma'sdie 5r--"--'---------------j ? N.B. afwijkende lengte verandedngen bij deze maanden in kalkwater hadden gestaan.droge mengels kl .4 veeklaeing is niet gevonden Hierbij is de Edyn resp. de buigtrekster -l / fijn_nat te bepaald volgens:~ /'5 3 /Sj / groLnat~ ///// mortel met vliegas 6I (grove vliegas IlCement 1986 nr. 1 57IMATERIALEN IBETONTECHNOLOGIE60 'lo 0 100~ 120 ? 140 160 160 200o. ? zwavelzuurbehoefte (meq)---7i"60 100 120 140' 160 160 200zwavelzuurbehiJeffe (meq)~l'~0.6~0.7.t 0.6-~ 0.5J0.40.3 -m0.2>mm 0.1-m-0.1-0.2 --0.3-0.4+ mortels met iandtot 4 mm en wl (c +vlJ =Q,sot rnjm)11; mortels met zand tot 2 mm en wI (c+ vl)::; 0,50 (m/m)? mortels met zand tot 4 mm enw/{c+vLI =0.45 {m/mlo mortels met zand tot 2mmen w!lc+vl) =0,45 {m/ml+0+.. ~.+ 0+ +.20? 0o+i 0.25~~~'C00.20~m'C~ 0.15m!ii~ 0.10m~1;? 0.0500 20 40.?60?oo ? +'"o ?oo.. e+ +?++.+5 Relatieve afname van debuigtJ."eksterkte, als functie van dezwavelzuurbehoefte (na 5 maanden inzwavelzuurbad)6Relatieve afname van de.elasticiteitsmodulus; als functievan de zwavelzuurbehoefte (na 5maanden in zwavelzuurbad)zwavelzuurbehoefte. Een op een tevroeg tijdstip meten van de buigtrek-sterkte bij een sulfaataantastingsproef,kandus toteenverkeerde conclusieaan-leiding geven. Het voordeel van de be-paling van de sulfaatbehoefte boven debepaling van de sterkte is, dat de sterkteslechts eenmalig kan worden bepaald,terwij1de sulfaatbehoefte in de loop vande tijd steeds opnieuw kan worden ge-meten.Lengt~to~nameIn een grafiek is de lengtetoename vande mortelstaafjes uitgezettegen de zwa-velzuurbehoefte na 5 maandenopslaginsulfaathoudend water. Het blijkt dat deaantasting met natriumsulfaat reedsenige tijd aan de gang kan zijn voordateen grote verlenging optreedt. Een mo-gelijkheid is dat gips en ettringiet zicheerst vrijelijk afkunnen zetten in de po-ri?n. Na enige tijdraken depori?nvol endaarna vindt pas een grotere volume-toename plaats,FijnheidDe f~nheidvan de vliegas blijkt van in-vloed op de sulfaataantasting. Bij goedverwerkbare mengsels wordt gevonden7Zwavelzuurbehoefte uitgezettegende fijnheidsmodulus van deicr 160mEm160~m0.cm.D140~~~N~ 120~1008058dat de mortels metde groverevlieg~sseneen snellere aantasting vertonen (fig. 7).Eenzelfde beeldkrijgtmenvoor de rela-tieve afname van de EdY'! en debuigtrek-sterkte. Echter, voor de slechter ver-w?rkbare mengsels, mortels metw/(c+vl) ~ 0,45, is de invloed van def~nheidvan de vliegas nietmeerzo goedwaar te nemen. Hier is de hoeveelheidingesloten lucht van overwegend be-lang, waarbij hetwelzo is datde f~nheidvan de vliegas indirect weer de hoeveel-heid ingesloten lucht bepaalt.Chemische samenstellingInvloed van de chemischesamenstellingvan de vliegassen was niet merkbaar.Hetzelfde kan gezegd worden van hetgloeiverlies.Conclusies1. De snelheid van sulfaataantasting vaneenmortelmetvliegas is afhankelijkvande f~nheidvan de vliegas en de hoeveel-heid ingesloten lucht:a. bij goed verwerkbare mengsels -w/(c+vl) ~ 0,50-leidteen f~nerevlieg-as tot minder snelle sulfaataantasting.b. bij minder goed verwerkbare meng-vliegassen, voor de goed verwerkbaremortels, ll1et w/(c+vl) = 0,505fijnheidsmodulus Fvl ~sels - w/(c+vl) ~ 0,45 - wordt de hoe-veelheid ingesloten lucht van overwe-gend belang. De verhouding (w+1)/(c+vl) is dan maatgevend voor de snel-heid van de sulfaataantasting.2. Een verlaging van de w/(c+vl)-factorleidt tot minder snellesulfaataantasting.3. Invloed van het gloeiverlies is nietwaar t:e nemen (het gloeiverlies van detoegepaste?vliegassen is ~ 8%).4. De factor porositeit domineert overhet C3A-gehalte van de mortel (de mor-tel met zand als gewichtsvervanging vanvliegas was duidelijk meer aangetastdande referentie).5. Vliegas kan de verwerkbaarheid vande mortel verbeteren, vooral als devliegas f~ner is dan het cement. Bij con-stante verwerkbaarheid kan dew/(c+vl)-factor verlaagd worden. Ditleidt tot minder snellesulfaataantasting.Voorwaarde is evenweldatmetdeverla-ging van het watergehalte ook de hoe-veelheid ingesloten lucht klein blijft.6. Hetmetenvandebenodigdehoeveel-heid zwavelzuur om tot een constantepH te komen van de oplossing geeft eengoed beeld van de aantasting in het ver-loop Van de tijd.LiteratuurI. Koch, A., Steinegger, H.; Ein Schnellprufver-fahren f?r Zementeaufihrverhalten beiSulfa-tangriff, Zement-Kalk-Gips nr. 7, 1960.2. Lea, EM.; The Chemlstry of Cement andConcrete: Edward Arnold, London, 19703. Popovic, K., Ukraincik, V., Djurekovic, A.;Srudy on improving concrete durabiliry by useofcondensed silica fume; First Int. Con[ on theUse ofFlyAsh, Silica Fume,Slagand otherMi-netal Byproducts in Concrete, Montebello,Ju-ly 31 - August 5, 19834. Soroka,1.; Portland Cement Paste and Con-crete; Macmillan, London 19795.Jambor,J.; Possibilities for More Precise Eva-luation ofthe Resistance ofConcrete to an Ag-gressive Medium; blz. 301 tlm 312 uit ASTMSTP 651 DurabilityofBuilding Materials andComponents.Cement 1986 nt. 1