S T C H T N G BETONPR 5 M AAnalyse van cementDe enschappen van mortel en betonwo voor een belangrijkdeel bepaalddoor de eigenschappen van cement.Het is dus van belang dat de gebruikerinzicht heeft in de eigenschappen vanhet cement. Inde cementnorm(NEN 3550) worden de eisen geformu-leerd waaraan het cement moetvoldoen. Deze eisen hebben betrekkingop mechanische, fysische, en chemischeaspecten van het cement. De man in deijkis ve inder eïnteresseerdin che an hetcement; toch kandit so e angrijkeinformatie geven. Deze BETONlEK geefteen overzicht van de meest gebruikelij-ke analyses van cement. Aangegevenwordt wat wel of niet uit de resultatenkan worden geconcludeerd en wat hetpraktische nut ervan is voor de beton-technoloog.POSTBUS 35325203 DM 'S-HERTOGENBOSCHSTERKTEONTWIKKELINGHet meten van de druksterkte is nauwkeurigomschreven in de NEN 3550 en in de daaringenoemde beproevingsnormen. Kortweg komt hethier op neer: van proefstukken (4x4x 16cm') dieworden gemaakt van een mortel bestaande uitI gewichtdeel cement en 3 gewichtdelen normzandmet een watercement-factor van 0,50, wordt desterkte bepaald.Een nauwkeurige vastleggingvan de samenstellingen de beproevingsomstandigheden is noodzakelijk omer zeker van te zijn dat uitsluitend informatie wordtverkregen over de werkelijke sterkteontwikkelingvan het cement. De aldus bepaalde druksterkte, inde wandeling ook wel normsterkte genoemd, geefteen indruk van het sterktepotentieel (hydrauliciteit)van het desbetreffende cement. Volgens de normmoet de druksterkte worden bepaald na 2(of eventueel 7) en na 28 dagen verharding.De 2- of 7-daagse-sterkte iseen maat voor dezogenaamde beginsterkte terwijl de termijn van28 dagen staat voor de zogenaamde eindsterkte.Inde praktijk geeft de 2-daagse en zeker de 7-daagsesterkte onvoldoende informatie over de werkelijkebeginsterkte; cementproducenten geven dan ookbijnaaltijd informatie over de I-daagse druksterkte.Welke waardes hebben de resultaten van denormsterkte voor de praktijk? Het antwoord is nieteenduidig. In Nederland is een praktische relatieontwikkeld tussen de normsterkte van cement enOktober 1997de te verwachten druksterkte in beton (volgens dezgn. controleproef).ln algemene termen ziet dezerelatie er als volgt uit:De bepalingvan de normsterkte geeft geen informatieover de zgn.temperatuurgevoeligheid van het cement.Hiermee wordt bedoeld de invloed van de verhar-dingstemperatuur op de sterkteontwikkeling vancement en dus ook van beton. Eengelijke norm-Zoals bekend worden cementen in drie sterkteklassesingedeeld, te weten 32,5, 42,5 en 52,5. Aan de handvan een eenmalige sterktebepaling (bijvoorbeeld bijeen keuring van een onbekend cement) kan nietaltijd direct worden geconcludeerd tot welke sterkte-klasse het cement behoort. Elkesterkteklasse wordtaangegeven door een onder- en een bovengrens.Voor de sterkteklasse 32,5 is dat 32,5 N/mm2alsondergrens en 52,5 N/mm2als bovengrens.Voor de sterkteklasse 42,5 is dat resp. 42,5 en 62,5.Er is dus een overlap tussen de bovengrens van deene klasse en de ondergrens van de andere klasse.Als het sterkteresultaat dus in deze overlapping valt,kan op grond van een eenmalige beproeving, geenuitspraak worden gedaan. Ditzelfde geldt om na tegaan of een cement in een sterkteklasse een normaleof een snelle sterkteontwikkeling heeft. Dit laatstewordt dan aangegeven met de letter R. Nadereinformatie bij de producent of de certificerendeinstellingis dan gewenst.Deze formule wordt in de praktijk vaak gebruikt omvanuit de 28-daagse normsterkte van het cement eenvoorspelling te doen over de te verwachten 28-daagsekubusdruksterkte van beton. Overigens geldt deformule niet uitsluitend voor de 28-daagse sterkte,maar ook voor eerdere verhardingstijdstippen.In de formule zijn de factoren en afhankelijkvan het soort cement. Zo is bijvoorbeeld de relatienormsterkte cement-druksterkte beton voorportlandcement een andere dan voor hoogovence-ment. Verder speelt in bovenvermelde relatie ooknog de waterbehoefte van het cement een rol.Bij gelijke normsterkte van portland- en hoogoven-cement zal,gezien het bovenstaande, de druksterktevan beton met portlandcement bijnaaltijd hoger zijndan van beton met hoogovencement (figuur I).Om dit aspect te compenseren is in het algemeende 28-daagse normsterkte van hoogovencementwat hoger dan van portlandcement. Dat is dan ookde reden waarom de Nederlandse hoogovencementenzijn ingedeeld in de sterkteklasse 42,5 terwijl zijinbeton een ongeveer gelijkedruksterkte leverenvergeleken met een portlandcement 32,5.Normsterkte cement/druksterkte betonsterkteontwikkeling bij 20° C kan bijeen hogere oflagere temperatuur een ander beeld geven.Een bekend voorbeeld hiervan is wederom devergelijkingtussen portlandcement en hoogoven-cement. Bij hoge verhardingstemperaturen is desterkteontwikkeling van hoogovencement snellerdan van portlandcement; bij lageverhardingstempera-turen is het beeld precies andersom.BINDINGEen voor de praktijk belangrijkgegeven is de snelheidwaarmee mortel- of betonspecie opstijft. Hiermeewordt immers bepaald hoe langspecie verwerkbaarof transporteerbaar blijft. Inde cementnorm ishiervoor de zgn.Vicat proef opgenomen. Bij dezeproef wordt het opstijvingsgedraggemeten van eenpasta van cement en een bepaalde hoeveelheidaanmaakwater. Integenstelling tot bijvoorbeeld denormsterktebepaling is de water-cementfactor vandeze pasta niet vastgelegd. De pasta wordt namelijkgemaakt met een vastgestelde consistentie.De hoeveelheid water om tot deze consistentie tekomen is afhankelijkvan de soort en fijnheidvan hetcement. Er wordt dan ook gesproken van een pastamet 'normale' consistentie. Aan deze pasta wordtmet een naald de indringingsdiepte als functie van detijd gemeten. Bij deze proef is het begrip begin bindinggedefinieerd als het tijdstip waarop de naald eenzekere indringdiepte bereikt. Op dezelfde manierkan ook het begrip einde bindingworden vastgelegd,namelijk het tijdstip waarop die naald niet meer depasta indringt.We stellen ook hier de vraag wat is de relatie beginbindingmet het praktijkgedrag van mortel enbetonspecie? Inabsolute zin is er geen relatie, maarals twee cementen een aanzienlijkverschil in beginbindingvertonen is het logisch dat ook in de praktijkhet ene cement minder langverwerkbaar is,vergeleken met het andere. Als zodanig zijn dewaarden voor begin en einde bindingals indicatie tegebruiken. Ook hier geldt dat de proef wordtuitgevoerd bij20° C terwijl in de praktijk veel lageremaar ook hogere temperaturen voorkomen.Verschillen tussen de diverse cementsoorten zijnteverwachten.VORMHOUDENDHElDMet deze proef wordt gecontroleerd of eenverhardende cementpasta uitzettingsverschijnselenvertoont. Uitzetting kan eventueel plaatsvinden alser in het cement een te grote hoeveelheid'ongebonden' kalk aanwezig is. Kalk in deze vorm ishet gevolgvan een niet goed verlopen brandprocesbij het maken van portlandcementklinker. Tevenswordt hierbij nagegaanof er in de grondstoffenexpanderende elementen aanwezig zijn. De resultatenvan deze proef zijnvan belangvoor de cement-producent omdat die daarmee zijn productieprocescontroleert. Vroeger waren de eisen v.w.b.devormhoudendheid van meer belang dan tegenwoordig.Dit omdat de moderne maalsystemen werken meteen retoursysteem voor de grove korrels, waardoorde risico's voor expansieve reacties praktisch zijnweggenomen.Omschrijvingen warmteontwikkeling/temperatuurverloop verhardend betonBij het onderwerp warmteontwikkeling en tempera-tuurverloop in verhardend beton worden de volgendeomschrijvingen gehanteerd.- Isotherme warmteontwikkeling van cementDeze methode wordt gebruikt om cement teclassificeren op grond van de warmteproductie na7 dagen verharden van een cementpasta met eenwcf 0,40 bijeen constante temperatuur van 20° C(isotherm). De proef wordt uitgevoerd met deoploscaloriemeter. Met deze proef wordt de totalehoeveelheid warmte na 7 dagen verharding gemeten.- AdiabaatDit is een theoretische toestand waarbij de tempe-,ratuurstijging wordt gemeten onder omstandig-heden dat geen warmteverlies kan plaatsvinden.Een adiabaat wordt gekenmerkt door de maximaletemperatuur en de snelheid van temperatuur-stijging.In rekenmodellen voor het berekenen van hettemperatuurverloop in een verhardende beton-constructie is de adiabaat een invoergegeven.De vorm van de adiabaat is afhankelijkvan soort enhoeveelheid cement, de water-cementfactor en deSemi-adiabatische omstandighedenIngrote verhardende betonconstructies kangedurende een bepaalde periode het temperatuur-verloop overeenkomen met de adiabatischeomstandigheden, totdat als gevolgvan warmte-verlies het temperatuurverloop gaat afbuigen.Sommige cementen hebben als speciale eigenschapeen lage hydratatiewarmte zoals hoogovencementenmet een hoog slakgehalte (CEMDeze eigenschap wordt toegekend als na 7 dagenverhardingstijd de warmteontwikkeling kleiner isdan 270 J/g. Het vaststellen van de warmteontwikke-lingwordt volgens een methode gedaan, waarbij onderzgn. isotherme omstandigheden wordt gemeten.De proef wordt uitgevoerd aan een cementpasta.De praktijkomstandigheden zijn veel complexer.De temperatuurstijging in verhardend beton isafhankelijk van onder meer de volgende factoren:- de warmteproductie van het cement;- de hoeveelheid cement;- de watercementfactor;- de vorm van de constructie;- de isolatiewaarde van de bekisting;- de buitentemperatuur.Zoals uit de opsomming blijkt is de warmteontwik-keling van cementpasta maar een onderdeel in hette verwachten temperatuurverloop in beton.De in de cementnorm opgenomen isothermewarmtemeting heeft in feite uitsluitend tot doel aante geven of een cement gebruikt kan worden als debehoefte bestaat de warmteproductie zo laag mogelijkte houden.Het kan dus voorkomen dat twee cementen meteen gelijke isotherme warmteproductie na 7 dagentoch in verhardend beton een verschillendtemperatuurverloop veroorzaken (zie figuur 2).Een betere methode is de temperatuurstijging inverhardend beton te meten aan de gewenstesamenstelling in een zgn. adiabatische proef.Hierbij wordt de temperatuurstijging gemeten waarbijvoorkomen wordt dat er warmteverlies in hetproefstuk optreedt.SPECIFIEK OPPERVLAKDe fijnheid van cement is een belangrijk gegeven voorde praktijk. Het is bepalend voor het verwerkings-gedrag, de waterbehoefte en het geeft een indicatieover de te verwachten snelheid van opstijven en desterkteontwikkeling. De fijnheid van cement wordtniet in een zeefkromme maar in een speelflekoppervlak uitgedrukt. Dat is het gevolg van praktischeproefmogelijkheden. Het specifiek oppervlak vancement wordt aangegeven met het zgn. blaine-getalin m2/kg.Semi-adiabatisch temperatuurverloop inbeton(cementen met gelijke isotherme warmte-ontwikkeling)10070-50Korre/opbouw vancementen met ongeveer gelijkeBlaine-getallenNet zoals bij de korrelopbouw van toeslagmateriaalzegt specifiek oppervlak heel weinig over dekorrelgradering. Sterker nog: cementen met eengelijk blaine-getal kunnen aanzienlijk verschillen inkorrelopbouw (zie figuur 3). Toch geeft het getalzeker in onderlinge vergelijking een redelijkbetrouwbare indicatie over verschillen in fijnheid.100SAMENSTELLINGDe belangrijkste componenten die wij in eenchemische samenstelling van portlandcement ofandere cementen tegenkomen zijn:- calciumoxide (CaO)- siliciumoxide (Si02)- aluminiumoxide (AI203)- ijzeroxide- magnesiumoxide (MgO)- sulfaten (S03)- chloriden (CI-)- alkaliën (Na20 equivalent)Voor portlandcementen ligt het gehalte aan CaOtussen 62%en 65%. Bij de samengestelde cementen(CEM11 en CEMV) en bij de hoogovencementen(CEM 111) is het kalkgehalte lager.Wat de te verwachten mechanische eisen zoalssterkteontwikkeling betreft, geeft een chemischeanalyse eigenlijkgeen indicatie. Wel is de hoeveelheidsulfaat (S03) van belang. Deze is gemaximaliseerd inde norm in verband met mogelijkgevaar Voorexpansie. Het chloorgehalte kan worden gebruikt bijhet vaststellen van de totale hoeveelheid chloor diein betonspecie aanwezig mag zijn.Verder geeft elkechemische analyse waarden voor het gloeiverlies enhet percentage onoplosbaar materiaal.Met het gloeiverlies worden organische verontreini-gingen en een mogelijke veroudering door vocht-afname van het cement vastgesteld. Verder is hetgehalte aan alkalien (Na20 equivalent) van invloed.De norm geeft maximale waarden in verband metmogelijkheden van de zgn.alkalisilica reactie inbeton.De conclusie over de waarde van chemische analysesvan cement moet zijn dat deze altijd indicatief is alshet gaat over de te verwachten mechanischeeigenschappen van het cement. Een belangrijkaspect is de interactie tussen cement en hulpstof.Daarin kan de chemische samenstelling van hetcement wel degelijk van belang zijn. Dit wordt in depraktijk bevestigd waar een hulpstof verschillendeeffecten heeft op cementen die qua chemischesamenstelling zeer weinig van elkaar verschillen.Integenstelling tot de betrekkelijk geringe waardedie de chemische analyse heeft voor de gebruiker vancement is de waarde ervan voor de producent groot.Bij bij het maken van portlandcementklinker en vancement wordt bijde productiecontrole zeer intensiefgebruikgemaakt van de resultaten van chemischeanalyses. Naast de in de norm verplichte bepalingenzoals gloeiverlies, onoplosbaar, sulfaat- en chloride-gehalte wordt met behulp van moderne, snelleanalysetechnieken de samenstelling tijdens en nahet productieproces gecontroleerd.Bij het ovenproces bij het maken van portland-cementklinker is dat o.a. het vrije kalkgehalte.Hiermee wordt nagegaan of het samengaan van hetcalcium met de overige elementen volledigverloopt.Bij het maalproces tot cement is hetsulfaatgehalteeen belangrijke parameter. Hiermee wordt dedosering van de bindtijdregelaar, gips en/of anhydrietgecontroleerd. Als we de chemische analyses vancement verder bekijken, zien we dat de som van decomponenten kleiner isdan 100%. Het verschil wordtonder meer ingenomen door de zogenaamdesporenelementen: nikkel, lood, chroom, vanadium,kwik, antimoon enz. De sporenelementen zijnafkomstig uit de grondstoffen maar zijn verder nietvan belang voor de belangrijkste eigenschappen vancement zoals sterkte en duurzaamheid.Chemische samenstellingMINERALOGISCHE SAMENSTELLINGDe in de chemische samenstelling opgesomdeelementen calcium, silicium,ijzer en aluminium zijnin het cement niet in de vorm van oxiden aanwezigmaar in een structuur als cementmineralen. Dat zijnverbindingen van het calcium met n of meerdere vande overige elementen. De belangrijkste cement-mineralen in portlandcement zijn:C3S;C2S: C3A;C3S is de afkorting voor de verbinding tri-calcium-silicaat, C2S di-calcium-silicaat,C3A is tri-calcium-aluminaat en C4AF is tetra-calcium-aluminaat-ferriet.Deze cementmineralen leggen in feite de eigenschap-pen sterkteontwikkeling en warmteontwikkeling vast.Het gehalte aan C3A is van belang in verband met desulfaatbestandheid. De onderlinge verhouding tussendeze cementmineralen kunnen we berekenen metbehulp van de formule van Bogue.In het voorbeeld (tabel I) van de chemische analysesvan een tweetal portlandcementen zien we slechtsgeringe verschillen. De verschillen in mineralogischesamenstelling zijn echter aanzienlijkgroter.Een directe manier om een indruk te krijgen vande mineralogische samenstelling van cement is viamicroscopisch onderzoek. Van cementkorrels, ofvan portlandcementklinker, worden slijpplaatjesgemaakt. De verschillende cementmineralen zijnonder de microscoop herkenbaar en via telling kaneen betrouwbare indruk worden gekregen van demineralogische samenstelling. Dit is een nauwkeurigemaar arbeidsintensieve methode. Uit de mineralogi-sche samenstelling kunnen conclusies wordengetrokken over de eindsterkte, de sterkteontwikkelingen de duurzaamheid van het cement. Kijkenwe nogeven naar de resultaten van de twee portland-cementen uit tabel I dan zien we dat cement nr. 2een hoger C3S gehalte heeft dan cement nr. I.Dat zou kunnen betekenen dat cement nr. 2 eensnellere sterkteontwikkeling heeft dan nr. I.Die conclusie kan pas worden getrokken als ook defijnheid bekend is. Als bijvoorbeeld cement nr. 2grover isgemalen dan nr. I, zou het resultaat wel eenandersom kunnen zijn.Tot nu toe hebben we uitsluitend van portlandcementgesproken. Bij samengestelde cementen (CEM11) ofhoogovencementen (CEM111) is het niet mogelijk omvia chemische analyse een indruk van de eigenschap-pen te krijgen. De mineralogische samenstelling isimmers alleen van toepassing op het portlandklinker-aandeel. Wel kan het CaO-aandeel uit de analyse eenindicatie geven van de toegepaste hoeveelheid slak ofandere bestanddelen. Vanzelfsprekend moet dan eersthet CaO-gehalte van bijvoorbeeld de toegepaste slakof andere bestanddelen bekend zijn. In hoogovenslakzijn weliswaar dezelfde elementen aanwezig als inportlandklinker, maar vanwege de glasachtigestructuur niet als cementmineraal herkenbaar.In deze aflevering is een overzicht gegeven vananalyses van de belangrijkste eigenschappen vancement. Voor de directe gebruiker van cement ishet van belang dat hij een goed beeld heeft van dete verwachten prestatie van het cement. Dit is metname van belang m.b.t. de sterkteontwikkeling omdatin de betonproductie de resultaten hiervan eerstna geruime tijd beschikbaar komen. Goede informatie-verstrekking van de cementproducent richtinggebruiker is daarom van wezenlijk belang.- NEN 3550 Cement, uitgave NNI.- Productinformatiebladen ENCI; uitgave TechnischeVoorlichting ENCI, 's-Hertogenbosch- Betonlek 9/30 De nieuwe cementnorm NEN 3550,november 1994Tabel I: Chemische en mineralogische samenstelling vantwee portlandcementenCement I Cement 2Si02 20,0% 20,0%AI203 7,0% 5,5%Fe203 3,0% 4,5%CaO 66,0% 66,0%MgO 1,5% 1,5%S03 2,0% 2,0% Chemische samenstellingNa20+ 1,0% 1,0%equivalent 0,02 0,03CI- 2,0% 2,0%gloeiverlies 0,5% 0,5%onoplosbaarC3S 65% 73%C2S 8% 2%C3A 14% 7% Mineralogische samenstelling9% 14%Formule van Bogue:C3S =4,07 CaO - (7,60 Si02 + 6,72 + + 2,85 S03)C2S =2,87Si02 - 0,754 x 3 CaO x Si02C3A =2,65 AI203 - 1,69 Fe203C4AF =3,04 Fe203Toestel vanVicat voor het bepalen vanbegin binding Bepalen vanhetgloeiverliesEColofonBETONlEK is een praktijkgericht voorlichtingsbladop het gebied van de betontechnologie en verschijnt10 keer per jaar.Inde redactie zijnvertegenwoordigd: de Nederlandsecementindustrie, MEBIN, CUR en de BouwdienstRijkswaterstaat.Uitgave:Stichting BetonPrismapostbus 3532, 5203 DM 's-HertogenboschRedactie: 073 - 6 40 12 22Abonnementen: 073 - 6 40 12 31BetonPrisma is een initiatief van de VerenigingNederlandse Cementindustrie (VNC).Daar maak je ft mee.Overname van artikelen en illustraties is toegestaan,onder voorwaarde van bronvermelding.Abonnementsprijzen:Nederland f 28,50Belgiëf 29,50andere landen f 45,-Abonnementen lopen kalenderjaar en wordenautomatisch verlengd, tenzij voor I decemberschriftelijk wordt opgezegd.ISSN 0166-137xeve rs ve r b o n dGroep vaktijdschriften