I5 T C H T N G BETONPR 5 M AWarmte en verhardingIn een onlangs verschenen aflevering van Betoniek over dewaterbehoefte van beton, kwam de 'verhouding' diebeton en water met elkaar zouden hebben al terloops tersprake. In een materiaal als beton verwacht je dat een enander nogal koeltjes toegaat. Maar ingewijden wetenbeter; de temperatuur kan behoorlijk oplopen!Deze Betoniek gaat over warmteontwikkeling, deverschillende invloedsfactoren en de verhardingsbeheer-sing van beton.Bij de verharding van beton, ofbeter bijde hydratatie van cement,komt warmte vrij. Deze warmtekan worden gezien als via hetcement meegeleverde energie diewe kunnen benutten om, door dehogere temperatuur in het beton,sneller een bepaalde sterkte tebereiken.Soms is de temperatuurstijgingzodanig fors, bijvoorbeeld inmassabeton, dat gekoeld moetworden om te grote spanningenals gevolgvan temperatuurgradiën-ten te voorkomen.Inzicht in de warmteontwikkelingvan verhardend beton is in allegevallen een goed hulpmiddel bijhet beheersen van het verhar-dingsproces.Steeds vaker worden in Nederlandrekenprogramma's toegepast voorhet beheersen en beïnvloeden vande verharding van beton. Mennoemt deze rekenprogramma'sook wel verhardingsbeheerssyste-men.Ze worden vooral gebruikt doorde ontwerper/constructeur. Tochheeft ook de betontechnoloog -indirect - met deze rekentechniekte maken. Hem wordt gevraagd degegevens aan te leveren over dewarmteontwikkeling vanbetonsamenstellingen. Dezezijn nodig als invoer voorhet rekenmodel. Bij voorkeurrekent men met de adiabatischewarmteontwikkeling, of kortwegde 'adiabaat', van de toe te passenbetonsamenstelling.We zijn in deze korte inleidingalveel begrippen tegengekomen:verhardingsbeheersing, adiabaat,temperatuurs- en sterkteontwik-kelingen temperatuurgradiënt. Indeze aflevering komen ze allemaalaan bod.mperatuur en spanningHet temperatuurverloop inverhardend beton heeft zowelinvloed op de sterkteopbouw alsop het mogelijkontstaan vanspanningen. Hoe en wanneerontstaan deze spanningen?maart 1994Vrijkonende warmtebijhydratatie onderisotherme omstondigheden bijhoogovencementklasse Aen portlandcement klassen A, Ben CIn het algemeen geldt dat bijtemperatuurstijging drukspannin-gen worden opgebouwd en bijafkoelingtrekspanningen.Voor beton betekent dit dat dedrukspanningen wordenopgebouwd in zeer jong beton,waardoor als gevolgvan kruip eengroot gedeelte van de drukspan-ningverloren gaat.Het afkoelen vindt op een latertijdstip plaats, waardoor ditgunstige kruipeffect op detrekpanningen niet meer of in veelmindere mate optreedt.De gevolgen van de tijdelijketemperatuurstijging en de daaropvolgende temperatuurdaling zijntweeledig.Ten eerste kunnen trekspanningenontstaan als gevolgvan eentemperatuurgradiënt tussen kernen oppervlak. Dit effect speeltvooral een rol bijgrote afmetingenvan de constructie.De temperatuurstijging als gevolgvan de vrijkomende hydratatie-warmte kan in dergelijkeconstructies zo groot zijn dat hetnodig is om te koelen en daarmeete grote temperatuurverschillen inde constructie tegen te gaan.Ten tweede ontstaan trekspannin-gen als het ene constructiedeel eenverschillend temperatuurtrajectdoorloopt ten opzichte van eenander deel. Een bekend voorbeeldis een wand die op een reedseerder gemaakte vloer wordtgestort. In de afkoelende wandontstaan trekspanningen die totscheurvorming aanleiding kunnengeven. Tot zover de mogelijkegevolgen.We beginnen met de verschillendeinvloeden op warmteontwikkelingen het temperatuurverloop.loedenHet temperatuurverloop inverhardend beton begint bijdetemperatuur van de specie op hettijdstip van verwerken. Dezeaanvangstemperatuur heeftoverigens ook een behoorlijkeinvloed op het verdere tempera-tuurverloop.AIsnel gaan ook andere invloedeneen rol spelen. Om te beginnen iser de vrijkomende warmte bij dehydratatie van cement.De hoeveelheid warmte dievrijkomt, hangt vooral af van hetcementtype en de betonsamenstel-ling, waarbij de water-cementfac-tor en de aard van het toeslagma-teriaal een belangrijke rol spelen.Natuurlijk zijn er meer invloeden,zoals de afmetingen van deconstructie en de isolerendewerking van de bekisting. Opsommige invloeden kunnen wemoeilijk invloed uitoefenen, zoalsde omgevingstemperatuur,zonbestraling, wind en regen.De temperatuurontwikkeling kanook expres een stevig handjeworden geholpen. Indebetonwarenindustrie, maarbijvoorbeeld ook in de 'warme'gietbouw wordt vaak warmte vanbuitenaf toegevoegd om deverharding te versnellen.Beheersing van het temperatuur-verloop betekent beheersen vande sterkteontwikkeling en - waarnodig- beperken van temperatuur-spanningen in de constructie toteen aanvaardbaar niveau.dratatiewarmteVanuit de betonsamenstellingvormt de hydratatie van cement dewarmtebron die bepalend is voorde temperatuurstijging van hetverhardende beton. De hoeveel-heid hydratatiewarmte die daarbijvrijkomt hangt af van de soort ende hoeveelheid cement.Behalve de vrijkomendehydratatiewarmte is voor detemperatuurontwikkeling vooralde snelheid waarmee dat gebeurtvan belang.Zo zal een fijner gemalen cementsneller reageren dan een ietsgrover gemalen cement. Daaromreageert een klasse cementsneller dan een A cement en een ecement weer sneller dan een Bcement. Dit betekent dat bijdeverharding van klasse Ben ecementen gedurende de eerstedagen meer warmte vrijkomt.Het bepalen van de hydratatie-warmte van cement is genormali-seerd. In NEN 3550 staan tweemeetmethoden vermeld. Afgezienvan de verschillen tussen dezemeetmethoden is kenmerkend datde vrijkomende warmte wordtgemeten bij een constantgehouden temperatuur. Menspreekt van isotherme omstandig-heden.Op deze wijze kunnen cement-soorten naar hun warmteontwik-kelingworden gekarakteriseerd.Inde cementnorm wordt 'cementmet lage hydratatiewarmte'vermeld als cement met eenspeciale eigenschap. De totalewarmteontwikkeling (bijeenconstante temperatuur van 20 oehydratatietemperatuur) mag bijeen dergelijk cement gedurende deeerste 7 dagen niet meer dan 270J/gbedragen.Op basis van deze gegevens kan detemperatuurontwikkeling in betonniet zonder meer wordenberekend. Daarvoor is het nodigom meer te weten over het effectdat de temperatuur heeft op dewarmteontwikkeling en andersom.Of, met een mooi woord, deinteractie tussen die twee.Een methode om dit in een metingte vangen is het bepalen van deadiabaat. Dit is de warmteontwik-kelingzonder enigwarmteverlies.In de praktijk komt dit natuurlijkniet voor, maar is er vaak sprakevan semi-adiabatische omstandig-heden. Er is dan gedurende eenzekere periode meer warmtepro-duktie dan warmteverlies en detemperatuur stijgt. Na verloop vantijd slaat de balans om en daalt detemperatuur tot uiteindelijk deomgevingstemperatuur.Het is duidelijkdat de snelheidwaarmee de warmte als gevolgvande hydratatie vrijkomt, groteinvloed heeft op het temperatuur-verloop en de temperatuurgra-diënten.SpecietemperatuurDe temperatuur van de betonspe-cie tijdens het verwerken is vangrote invloed op de verderetemperatuurontwikkeling van hetverhardende beton. Ook dit heeftweer te maken met de reactie-snelheid van het cement.De cementhydratatie verlooptlangzamer bij lagetemperaturen.Dit heeft tot gevolg dat vanuit eenlagere specietemperatuur detemperatuurstijging langzamerverloopt dan vanuit een hogerespecieternperatuur.In de praktijk wordt dit effect nogversterkt omdat bijeen langereopwarmtijd - ook gedurendelangere tijd - warmteverlies naarde omgeving plaatsheeft.ater-cementfactorEr zijn nog meer redenen waaromde warmteontwikkeling vanuit decementhydratatie niet zondermeer is om te rekenen naar eentemperatuurstijging.Ook de water-cementfactor heeftinvloed; bijeenzelfde cementgehal-te heeft een hoge water-cementfactor in principe eensnellere warmteontwikkeling daneen lagewater-cernentfactor. Hetwater kan immers gemakkelijker incontact komen met het ongehy-drateerde cement.Dit effect wordt afgezwakt omdatbijeen hoge water-cementfactorook een grotere hoeveelheidwater moet worden opgewarmd.Dit vraagt veel energie; desoortelijke warmte van water ismet circa 4,2 kJ/(kg.K) meer dan 5keer zo hoog alsdie van zand engrind.eslagmateriaalBij gebruik van ander toeslagmate-riaal kan de temperatuurstijgingweer anders uitpakken. Alsbijvoorbeeld toeslagmateriaal meteen lagere volumieke massa wordttoegepast, is het aantal kilo's op tewarmen materiaal (veel) lagerwaardoor dezelfde hoeveelheidvrijkomende warmte voor eengrotere temperatuurstijging kanzorgen. De soortelijke warmte vande meeste steenachtige toeslagma-terialen is immers ongeveer gelijk.Dit fenomeen verklaart de forsetemperatuurstijgingen die kunnenoptreden in schuimbeton waarinde op te warmen massa door hetvrijwel ontbreken van toeslagma-teriaal zeer gering is.iabaatHet zalInmiddels duidelijkzijn dathet berekenen van de tempera-tuurstijging in beton geeneenvoudige zaak is.Toch is er een methode om hetgecompliceerde samenspel van deverschillende grondstoffenInbetonspecie in één meting tebundelen. We bepalen dansimpelweg de temperatuurontwik-kelingvan de betonsamenstellingdie we willen gaan toepassen.Om elke invloed vanuit deomgeving daarbij uit te schakelen,kiezen we voor het bepalen vanhet adiabatische temperatuurver-loop.Daarbij wordt de temperatuurstij-gingvan betonspecie gemetenzonder dat de geringstewarmteuitwisseling met deomgeving plaatsheeft.De informatie die we verkrijgen isuitstekend bruikbaar alsinvoerwaarde in de verschillenderekenmodellen voor deverhardingsbeheersing.paling adiabaatMet geschikte meet- en regelappa-ratuur kunnen we een proefstukonder zuiver adiabatischeomstandigheden laten verharden.De beproevingsmethode diesteeds vaker daarvoor wordttoegepast, ziet er als volgt uit.De betonspecie wordt gestort enverdicht in een mal die in eenwaterbad wordt geplaatst. In debetonspecie èn in het waterbadwordt een temperatuuropnemer(thermokoppel) aangebracht.I Opstelling bepaling 'adiabaat'Via regelapparatuur wordentemperatuurverschillen tussenbeide thermokoppels onmiddellijkomgezet in het inschakelen vanverwarming dan wel koeling vanhet waterbad. Zodoende komt detemperatuur van het waterbadexact overeen met de tempera-tuur van het verhardende beton.Op deze manier is geen enkelewarmteuitwisseling tussen betonen omgeving mogelijken verhardthet beton adiabatisch (figuur I).In principe is dit een eenvoudigemeetmethode die wel hoge eisenstelt aan de toegepaste meet- enregelapparatuur. Zelfs zeer kleinetemperatuurverschillen tussenwaterbad en specie kunnen totwarmteverlies of -toevoer leidenwaardoor de meetwaardesystematisch hoger of lager zalworden.De meetopstelling kan eenvoudigworden gecalibreerd door eenvolledig uitgehard proefstuk,waarin een thermokoppel isaangebracht, tot een bepaaldetemperatuur te verwarmen en daninhet waterbad te plaatsen. Als detemperatuurregeling goedfunctioneert zal de temperatuurvan proefstuk en waterbadconstant blijvenover een zeer langtijdsbestek.Inde praktijk wordt vaakgeprobeerd de adiabatischesituatie te benaderen door beton-specie binnen een zo goed moge-lijkeisolatie te laten verharden.Men noemt het meetresultaat dan'semi-adlabaat' omdat hier altijdeen zeker warmteverlies isopgetreden.mperatuurgradiëntNaast de grootte van detemperatuurstijging is ook hettemperatuurverschil tussen kernen oppervlak van de betoncon-structie van belang.Dit noemenwe de temperatuurgradiënt.Om te voorkomen dat deconstructie ongelijkmatigafkoeltwaardoor te grote temperatuur-spanningen ontstaan, kan het nodigzijn maatregelen te treffen om detemperatuurgradiënt te beperken.Als vuistregel wordt aangehoudendat het temperatuurverschil tussende kern en de wand niet meer dan15 à 20 oe mag bedragen. Eigenlijkzou hier ook de dikte, waaroverdit temperatuurverschil magoptreden, in betrokken moetenworden.2 en 3 Adiabaat vaneenbetonsamenstel-ling op basis van320 kg hoogovencementklasseA (wcfcirca 0,54 en consistentiege-bied3), uitgaande vaneenspecietempera-tuurvanresp. 20°C en 10°COpgemerkt wordt dat de hiergetoondeadiabaten nietzondermeer toegepastmoetenworden. Elke adiabaat iseenmomentopname; cementvaneen andereherkomstofeenandere partij, ofandertoeslagmateriaal zaleen andertemperatuurverloop opleveren.4 en 5 Adiabaat vanbetonmet hogesterkte (B95 resp. B85) opbasis vanrespeaievelijk 475 kg portlandcementklasse Cen 475 kg cementbestaande uit50 %portlandcement klasse Cen 50%hoogovencement klasse ArhardingsbeheersingHet is mogelijkgebleken deverschillende invloedsfactoren opde temperatuurontwikkeling in eenrekenmodel te combineren en zotot een betrouwbare voorspellingvan het temperatuurverloop en detemperatuurgradiënten te komen.In Nederland worden op ditmoment de volgende rekenpro-gramma's toegepast:- SPATEM - BouwdienstRijkswaterstaat;- CONTEM - BouwdienstRijkswaterstaat;- DIANA - Diana-AnalysisBV;- FEMMASSE (module HEAT)-Intron Materials Engeneering;- Verhardings Beheers SysteemVBS - HBG.Een gedetailleerde uitwerking vande verschillen tussen deprogramma's zou op deze plaats tever voeren en bovendien niet inéén Betoniek passen.Alle programma's werken met deeerdergenoemde variabelen om tekomen tot een voorspelling vantemperatuurverloop, sterkteont-wikkeling en scheurgevoeligheid.Uiteraard zijner verschillen in deomvang van de rekenmodellen, degebruiksvriendelijkheid en derekentijd.Alle rekenmodellen kunnen hetadiabatische temperatuurverloopomrekenen naar de omstandighe-den zoals die werkelijk in deconstructie heersen. Deverschillen betreffen bijvoorbeeldde manier waarop de constructiewordt 'gemodelleerd' of derekensnelheid. Andere verschillenbetreffen de te variëreninvloedsfactoren zoals bekistings-soort (isolerende werking),buitentemperatuur, zoninstraling,windsnelheid, het effect vanontkisten enz.Sommige invloedsfactoren kunnenwe vooraf kwantificeren enzonodig beïnvloeden. Zo wordt deadiabaat bepaald door debetonsamenstelling (fig. 2 en 3). Dekeuze van het bekistingsmateriaalbepaalt het isolerend vermogenervan. We kunnen kiezen voorstaal, hout en zelfs voor eengeïsoleerde bekisting.Op sommige invloedsfactorenhebben we minder grip,bijvoorbeeld de buitentempera-tuur, zoninstraling, windsnelheidenz.Berekeningen in de ontwerpfasewil men zo nauwkeurig mogelijkkunnen maken en daarvoor moetmen deze factoren zo goedmogelijk inschatten. Daarbijkunnen bijvoorbeeld tabellen vanhet KNMI worden gebruikt metgemiddelde waarden van debuitentemperaturen en mogelijkeafwijkingen.Met behulp van de resultaten uitdeze voorspellende berekeningenkunnen bepaalde zaken nogworden beïnvloed of bijgestuurd.De soort bekisting heeft groteinvloed op warmtetransport vanbeton naar buiten (of andersom!).Hiervan kunnen Wegebruik makenom de temperatuurgradiënt tebeperken.Voor de hand liggende mogelijkhe-den om het temperatuurverloopte beïnvloeden zijnkoelen ofverwarmen van de constructie ofhet mengen van verschillendecementen (fig. 4 en 5). Met deverschillende rekenprogramma'skunnen we de benodigde capaciteitvan koel- of verwarmings-installaties inschatten.Bij massabeton kan koelennoodzakelijk zijn om detemperatuurgradiënt in deconstructie te beperken enzodoende de bijafkoelenoptredende temperatuurspannin-gen te beperken tot acceptabelewaarden.In slankere constructies waar detemperatuurstijging minder grootis en waar toch snel een behoorlijksterkteniveau gewenst is, kanwarmte worden toegevoerd. Ditwordt zowel van buitenaf gedaanmet hete lucht, stoom ofinfraroodstralers, als van binnenuitdoor bijvoorbeeld verwarming viaingestorte buizen of draden.Met de rekenmodellen kunnen weal deze aspecten variëren enkunnen we vooraf berekenen watde consequenties zijn van de keuzevoor een bepaald mengseltype, degevolgen van koelen of verwarmenenz.Temperatuur en sterkteDe relatie tussen temperatuur ensterkte is de betontechnoloog enzeker de betontechnoloog dieBetoniekleest,genoegzaam bekend.Het verband tussen de sterkte ende gewogen rijpheid, vastgelegd ineen zogenaamde ijkgrafiek, maakthet mogelijk bij elk temperatuur-verloop de sterkte op een bepaaldmoment vast te stellen.Dit verband kan als materiaaleigen-schap van de desbetreffendebetonsamenstelling wordenbeschouwd. De methode van degewogen rijpheid vindt in depraktijk steeds meer toepassing.Enkele rekenmodellen voor deverhardingsbeheersing zijngebaseerd op de relatie tussensterkte en hydratatiegraad. Het=probleem is echter dat dehydratatiegraadniet of zeermoeilijkgemeten kan worden. Inde praktijk wordt dan gewerkt metempirisch verkregen gegevens.Inallegevallen is het mogelijkomop basis van het berekendetemperatuurverloop in deconstructie ook de sterkteopbouwte voorspellen.De aannemer kan op basis hiervanvooraf bepalen op welk tijdstip hijkan ontkisten, eventueelvoorspannen of de constructiebelasten.De constructeur kan voorafschattingen maken van descheurgevoeligheid op basis vantemperatuurverloop, -spanningenen sterkteopbouw.Op deze manier kan het bouwenin beton steeds beter wordenbeheerst en planmatigverlopen.eratuur- CUR-Aanbeveling9 Bepaling vande sterkteontwikkeling van jongbeton op basis van de methode vande gewogen rijpheid, CUR Gouda.- Stutech/Stubeco-rapport 14Verhardingsbeheersing van beton.- Betoniek 6/5 Hydratatiewarmtevan cement.- Betoniek 6/I0 Temperatuur-ontwikkeling in beton.- CUR-rapport 88 Scheurvormingin jong beton.- CUR-rapport 128Koelen vanbeton, 1987.In onze volgendeuitgave:BlauwkleuringDe hoogovenslak inhoogovence-ment isverantwoordelijk voor deblauwe kleur vanpas ontkistbetonwanneer ditisgemaaktmet hoogovencement Hoeontstaatdeze blauwkleuring,hoelang isdiezichtbaar en hoekijktmen hieruitesthetischoogpunt tegenaan.Daar maak je 't mee.IofonBETONlEK is een praktijkgerichtvoorlichtingsblad op het gebiedvan de betontechnolgie enverschijnt 10 keer per jaar.Redactie:tel. 073- 401 222Abonnementen:tel. 073 -401 231 VAKTIJDSCHRIFTENUitgave:Stichting BetonPrisma,Postbus 3532,5203 DM .s-Hertogenbosch.De Stichting BetonPrisma is eeninitiatief van de VerenigingNederlandse Cementindustrie(VNC).Overname van artikelen enillustraties is toegestaan, ondervoorwaarde van bronvermelding.Abonnementsprijzen:Nederland f 25,-, NederlandseAntillen en Belgiëf26,- anderelanden f 40,-Abonnementen lopen per kalen-derjaar. Aan het het eind van eenkalenderjaar wordt het abonne-ment automatisch verlengd, tenzijvoor I december schriftelijkwordt opgezegd.ISSN 0166-137x