O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i eAan betonverhardingen die in deloop van de jaren '90 op militairevliegvelden zijn aangelegd, ont-stonden enkele jaren na aanlegschadebeelden aan het oppervlakdie dezelfde visuele aspecten ver-toonden als vorstdooi(zout)scha-de. Op kleinere schaal werdentevens pop-outs geconstateerd.De toegepaste constructies be-stonden over het algemeen uiteen 250 mm dikke fundering eneen 250-330 mm dikke betonver-harding. Deze betonverhardingbestond volledig uit basaltbeton:een onderlaag van grindbeton eneen bovenlaag van basaltbeton(ca. 70 mm).Beide lagen voldeden aan deeisen van de toenmalige beton-sterkteklasse B 45 (volgens NEN-EN 206-1 is dit een C35/45). Decementsoort is sinds begin jaren'90 een CEM II/B-V 32,5R (voor-heen CEM I 32,5). In enkelegevallen was aan de betonspecieeen luchtbelvormer (LBV) toege-voegd. Normaliter is deze ontsta-ne schade niet direct van invloedop het gebruik van vliegvelden.Echter, op locaties waar F16?sworden ingezet is dit wel degelijkvan invloed door het `stofzuiger-effect' van de straalmotoren. Hetopzuigen van deeltjes, in ditgeval stukjes beton, kan tot scha-de aan de motoren leiden (FOD =Foreign Object Damage). In 1999is een onderzoek op een van degrootste platforms gestart, waar-bij twee vragen een grote rolspeelden: waardoor is de schadeontstaan? en: wat moet wordengeadviseerd ter voorkoming vandeze schade in de toekomst?V o r s t d o o i ( z o u t ) s c h a d ea a n b e t o nBeton, en daarmee ook betonver-hardingen, kan door ongunstigeomstandigheden, bijvoorbeelddoor de toepassing van dooizou-ten, in meer of mindere mate eengedrag van afschilfering van hetoppervlak vertonen. Over dit feno-meen is al tientallen jaren veelgepubliceerd en gesproken. Metname in het buitenland, althansin landen waar strenge tot zeerstrenge vorst voorkomt, wordthieraan veel aandacht besteed.Beton is, ongeacht de mate vankwaliteit, een materiaal met eenpori?nstructuur. Hoe hoger debetonkwaliteit, des te dichter depori?nstructuur zal zijn. Hetbevriezen van water in beton kanaanleiding zijn tot het ontstaanvan schade (scaling). De belang-rijkste factoren voor vorstbestand-heid zijn de pori?nstructuur, deexpansieruimtes, de mate vanwaterverzadiging en de sterktevan beton. Deze factoren zijnafhankelijk van het toegepastecementgehalte, de water-cement-factor en het luchtgehalte. Bijlaatstgenoemde factor zijn metname de fijn verdeelde luchtbelle-tjes van belang. Wanneer waterbevriest, zet het ten opzichte vanhet uitgangsvolume met circa 9%uit [1, 2, 3]. In figuur 1 is het spe-cifiek volume van water en ijsweergegeven. Naarmate de pori?nkleiner van diameter worden,moet de temperatuur lager wor-den alvorens het water kan bevrie-zen. In figuur 2 wordt dit grafischweergegeven.F y s i s c h e a a n t a s t i n g -m e c h a n i s m e nWanneer de temperaturen totonder het vriespunt dalen, zal hetvorstfront langzaam maar zeker inhet beton dringen. De uitzettendewerking door de veranderendecement 2005 272Vorstschadepreventie bijbetonverhardingen op vliegveldening. G. Jurriaans, ECCRA, DinxperloJ.P. Verbeek, ministerie van Defensie, Den HaagVorstschade aan een hoofdplatform op een Nederlands militair vliegveld wasaanleiding voor een onderzoek naar de oorzaak van deze schade. Diverseonderzoeken hebben plaatsgehad, waaronder een vergelijkend onderzoeknaar de vorstgevoeligheid tussen portlandcement (PC) en portlandvliegasce-ment (PV). Daarnaast zijn verschillende dooimiddelen getoetst. De ervarin-gen, met name uit Scandinavi?, geven aan dat een goede vorstbestandheid iste behalen wanneer een bepaalde hoeveelheid fijn verdeelde lucht wordt toe-gevoegd en tevens de distributie van deze lucht specifiek over het beton is ver-deeld. Richtlijnen voor luchtgehalte en verdeling zijn de laatste tijd in debestekken van het ministerie van Defensie opgenomen. Met behulp van dezerichtlijnen zijn diverse projecten uitgevoerd en hierbij hebben zich tot opheden geen schades meer vertoond.1 |Specifiek volume vanwater en ijs2 |Relatie tussen capillairepori?n en temperatuurwaarbij ijsvorming vanpuur water in de pori?nmogelijk is1.021.091.000 -201.061.081.10specifiekvolume(cm/g)ijswatertemperatuur (?C)A0 20 40 60 80 10030,99990 2 4 6 8 101,00011,0003dichtheid (g/cm3)0,99990,91674detail Aspec. vol (cm3/g)1,000121,090520?Cwaterijs0 50temperatuur(?C)poriedoorsnede (nm)10 20 30 40-80-60-40-200O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetontechnologieaggregatiefase stuwt als het warehet nog vloeibare water voor zichuit, waardoor het water onderdruk komt te staan. Dit fenomeenstaat bekend als `hydraulischedruk'. De mate waarmee dit gaatgepaard is afhankelijk van de snel-heid van bevriezen (voortgang vanhet vorstfront), de permeabiliteitvan de cementsteen en de afstandtot de lege pori?n en/of luchtbel-len. Wanneer de pori?n zeer nauwzijn en de snelheid van bevriezendermate snel is dat het water nietsnel genoeg kan afvloeien, zal dehydraulische druk sterk toene-men. Zodra de druk op de porie-wand zo groot wordt dat de trek-sterkte van het beton wordt over-schreden, zal schade aan hetbeton ontstaan.Zodra het water in de groterepori?n bevriest, zal de dampspan-ning daar ter plaatse afnemen. Inde kleinere pori?n van het betonzal het water nog niet bevrorenzijn, waardoor de dampspanningaldaar nog niet is veranderd. Ditheeft tot gevolg dat een damp-spanningsverschil tussen de groteen kleine pori?n optreedt. Hetdampspanningsverschil is nu destuwende kracht tot het verplaat-sen van water geworden. Hetkoude tot zeer koude water, dat inde kleine pori?n niet kon bevrie-zen, zal dat in de grotere pori?nwel spontaan doen. Het gevolg isdat het ijs in de grotere pori?ngaat groeien, waardoor ijslenzenontstaan. Dit groeiproces zal opzijn beurt het resterende waterom de ijslens verder wegpersen.Zodra er geen vrije ruimte voorhet weggeperste water meer aan-wezig is, zal dit leiden tot deopbouw van spanningen in depori?n en daarmee in het beton.Dit leidt tot dezelfde schade als bijde voorheen aangegeven hydrauli-sche druk.In beide voorgaande gevallen isuitgegaan van zuiver water. Eenderde en laatste theorie gaat ech-ter uit van het feit dat zich in hetporiewater opgeloste stoffenbevinden. Deze stoffen kunnenvan een grote verscheidenheidzijn en enkele bekende voorbeel-den zijn kalk en zouten. De opge-loste stoffen dragen ertoe bij dathet vriespunt van het water wordtverlaagd [4, 5]. Zodra het waterbevriest (de oplossing bevriestnamelijk niet direct maar pas bijeen verdere temperatuurdaling!)zal de concentratie van opgelostestoffen in het niet bevroren waterin de pori?n toenemen. Hierdoorontstaat een `potentiaalverschil'(concentratieverschil van opgelos-te stoffen in het water). Dit poten-tiaalverschil veroorzaakt een ver-storing van het evenwicht in hetporiesysteem.Om dit te herstellen is het nodigdat waterstromingen plaatshebbennaar locaties waar een hogere con-centratie aanwezig is. Dit zal zichin eerste instantie naar de groterepori?n afspelen, een fenomeendat is bekend als `osmose'. De ver-laging van de concentratie leidt totverdere groei van de hoeveelheidijs en tot schade, zoals bij dehydraulische druk, en ijslensvor-ming. Uiteraard treden deze drieschademechanismen niet afzon-derlijk maar gezamenlijk op en ditleidt dan tot de voor vorstdooi(zout) bekende schadebeelden [6].Bij het strooien van dooimiddelenop een laag ijs hebben grote vries-puntverlagingen (temperatuur-shocks) plaats. De dooimiddelencement 2005 2 733 |Karakteristiek chloride-profiel van beton4 |Een laag water tussentwee lagen ijs5 |Laag water uit figuur 4bij verdere daling vantemperatuurzoutgehalte= 1 cmafstandtothetoppervlakbetonoppervlakwaterijsijstemperatuur (?C)0betontemperatuurvriespuntporiewaterbetonoppervlakexpansielaterbevrorenijstemperatuur (?C)0betontemperatuurtuurvriespuntporiewaterO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i edringen tevens in het beton.Daardoor ontstaan dooimiddelpro-fielen. In figuur 3 is een chloride-profiel weergegeven en in de figu-ren 4 en 5 de resulterende ijsvor-ming in het beton.P o p - o u t o n d e r z o e kDe pop-outs ontstaan boven witteporeuze stenen. Met behulp vanSEM-onderzoek (Scanning ElectronMicroscope) blijkt dat de stenen uitamorf silica (poreus vuursteen)bestaan. Bij EDXA-analyse (EnergyDispersive X-Ray Analysis) kwamnaar voren, dat een alkalisilicareac-tie niet is uitgesloten.Scaling onderzoekVoor het onderzoek zijn zes ker-nen onderzocht. Van de bovenste50 mm is de carbonatatiedieptebepaald (max. 2 mm) en van hetonderste gedeelte de vorstbestand-heid volgens de Scandinavian SlabTest (SST) conform de NEN-ENV1338 (met NaCl). In tabel 1 zijn deresultaten van de SST weergege-ven, waarbij de gecorrigeerdewater-cementfactor berust op eenenkele waarneming tijdens de pro-ductie. Er is geen verband tussende water-cementfactor en het mas-saverlies te vinden. Het maximalemateriaalverlies volgens de Zweed-se norm is 1,5 kg/m2na 56 dagen.Naast de standaard SST-methode(met NaCl) is de SST met Frigan-tine en Kilfrost uitgevoerd, omdatdeze dooimiddelen op vliegveldenworden ingezet in plaats van NaCl.De 56-daagse resultaten zijn intabel 2 weergegeven.Op laboratoriumschaal is metbehulp van zandcementprima'smet een maximale korrelgroottevan 4 mm een beperkt vergelij-kend vorstgevoeligheidonderzoektussen CEM I 32,5 (PC) en CEMII/B-V 32,5 (PV) uitgevoerd. Deprisma's zijn beproefd metFrigantine en Kilfrost. De resulta-ten zijn zeer goed en weergegevenin tabel 3 (56-daagse resultaten).Op afgeschilferd materiaal van hetplatform en op het (bulk)betonheeft PFM (Polarisation Fluo-rescent Microscopy) onderzoekplaatsgehad. Het afgeschilferdemateriaal blijkt cement te bevattenmet een vliegasgehalte van26?1%. De verwachting dat eenverhoogd vliegasgehalte aan hetoppervlak is ontstaan, bleek nietgegrond. De structuur van hetbulkbeton is over het algemeenhomogeen en de water-cementfac-tor ligt bij 0,45, terwijl deze in debovenste paar mm bij 0,55 ligt(gebruikelijk). In een enkel gevalis een begin van scaling aan hetoppervlak geconstateerd. EnkelePFM-afbeeldingen zijn in de figu-ren 6 en 7 weergegeven en deresultaten in tabel 4.C o n c l u s i e s e n a a n -b e v e l i n g e nDe pop-outs zijn ontstaan doornaar boven getrild amorf silica,dat hoogstwaarschijnlijk uit dezandfractie of eventueel uit degrindfractie van het onderbetonafkomstig is. De scaling is ont-staan door temperatuurshocks aanhet oppervlak in combinatie meteen te gering aantal uitzetmoge-lijkheden voor de ijsvorming inhet beton. Dit moet door fijn ver-deelde lucht worden gerealiseerd[7,8]. Vanaf juli 2000 heeft hetministerie van Defensie de vol-gende eisen aan beton voor beton-verhardingen gesteld:? zand en steenslag mag geenzachte bestanddelen bevattendie water kunnen absorberenen pop-outs veroorzaken bijbevriezing;? beton moet een gemiddeldluchtpercentage van 4% [V/V]bezitten en de individuele waar-de mag 3,5% niet onderschrij-den;? de afstandsfactor mag niet gro-ter zijn dan 0,2 mm en hetmicroluchtgehalte (D300) magniet kleiner zijn dan 1,8% [V/V];? de water-cementfactor mag dewaarde 0,45 niet overschrijden;? daarnaast moet het beton vol-doen aan de SST, waarbij na28 dagen het materiaalverliesten hoogste 0,5 kg/m2magbedragen (gemiddeld) en na 56dagen gemiddeld ten hoogste1,0 kg/m2(individueel max.1,5 kg/m2).Tijdens het productieproces moetde specie worden gecontroleerdmet een DBT Air-Void-Analyser.Vooralsnog is besloten beton toete passen met CEM I 32,5, omdatbleek dat met CEM II/B-V 32,5het luchtgehalte moeilijk is tebereiken.Tabel 1 | Materiaalverlies tijdens Scandinavian Slab Test (met medium NaCl)Baannr. Plaatnr. wcf Materiaalverlies in kg/m27 dagen 14 dagen 28 dagen 42 dagen 56 dagenD 50 0,40 0,143 0,573 5,002 14,995 23,324J 18 0,44 0,243 0,741 4,448 14,391 27,810P 50 0,41 0,218 0,604 3,632 11,182 26,470S 18 0,45 0,199 0,442 1,128 2,118 4,056V 63 0,47 0,181 0,567 3,588 10,167 20,378W 76 0,46 0,368 0,772 4,429 13,562 25,760Tabel 2 |Materiaalverlies tijdens Scandinavian Slab Test(met medium Frigantine resp. Kilfrost)Baannr. Plaatnr. wcf Materiaalverlies in kg/m2Frigantine Kilfrost56 dagen 56 dagenD 50 0,40 0,023 0,057J 18 0,44 0,057 0,277P 50 0,41 0,034 0,057S 18 0,45 0,028 0,187V 63 0,47 0,028 0,051W 76 0,46 0,017 0,091Tabel 3 | Materiaalverlies bij zandcementprisma's tijdens Scandinavian SlabTest (met medium Frigantine resp. Kilfrost)Prisma Cement Materiaalverlies in kg/m2Frigantine Kilfrost56 dagen 56 dagen1 CEM I 32,5R 0,009 0,0042 CEM I 32,5R 0,004 0,0093 CEM I 32,5R 0,013 0,0131 CEM II/B-V 32,5R 0,009 0,0042 CEM II/B-V 32,5R 0,013 0,0003 CEM II/B-V 32,5R 0,004 0,004cement 2005 274O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetontechnologieRecent onderzoek door ECCRA(in opdracht van ENCI) geeft aandat met CEM II/B-V 32,5 goederesultaten zijn te behalen, mitsvoldoende aandacht aan het lucht-gehalte wordt geschonken. Ditbetekent dat de plasticiteit en demengtijd voldoende moeten zijn(geldt ook bij CEM I 32,5) en datde verdichtingsenergie van de tril-naalden hierop moet worden afge-stemd. Bij CEM II/B-V 32,5 moetover het algemeen een hogeredosering aan LBV worden toege-past dan bij CEM I 32,5 in ver-band met de vrije koolstof (absor-berend vermogen). L i t e r a t u u r1. Vorst en dooi. Betoniek, janu-ari 1999.2. Fagerlund, G.,Frostbest?ndighet.3. Schade door vorst en dooizou-ten. Betoniek, oktober 1980.4. Harvik, A.B. en A. R?sli,Temperaturschock undEigenspannungen in Betonunter Frost/Tausalz-Einwir-kung. ETH Z?rich, juni 1974.5. Kranenburg, van, Nota inzakestrooimiddelen en -matereelvoor gladheidsbestrijding inGouda. November 1989.6. CUR/Betonvereniging-publica-tie 172, Duurzaamheid enonderhoud van betonconstruc-ties. Herziene uitgave januari1998.7. Jurriaans, G. et al,Oppervlakteschade aan plat-form Oost 334 SQ op vliegba-sis Eindhoven. Rapportnr.9112, november 1999.8. Jurriaans, G. et al, Aanvullendonderzoek aan platform Oost334 SQ op vliegbasisEindhoven. Rapportnr. 9117,januari 2000.Tabel 4 | Overzicht van de resultaten van PFM-onderzoekKern 1 Kern2 Kern3Homogeniteit mengsel Goed Goed GoedHomogeniteit cementsteen Matig Matig GoedSchijnbare wcf in:bulkbeton 0,45 0,45 0,45buitenste mm (gecarbonatiseerde zone) 0,50 0,55 0,55Gehalte aan holle ruimten [% V/V] 4 3 4Gemiddelde carbonatatiediepte [mm] 1 2 3Mate van hechting in bulk beton Goed Goed GoedMate van scheurvorming in bulk beton Matig Matig MatigVerdichting bulk beton Goed Goed Goed6 |Begin van scaling aan hetbetonoppervlak7 |Begin van hechtingspro-blemen tussen toeslag encement