auteurs ing. Peter de Vries FICT, Robert te Dorsthorst MICT ENCI BV Cement met 80% slak biedt goede resultaten op gebied van verminderde warmteontwikkeling Om de wapening goed te laten functioneren, moet gewapend beton gescheurd zijn. Als de wapening goed is ontworpen en op de juiste plaats ligt, is die scheurvorming beperkt en gecon- troleerd. Sommige spanningen laten zich echter moeilijk 'weg- wapenen'. Met name in de verhardingsfase van het nog jonge beton kunnen de zogenoemde thermische spanningen tot ongewenste scheuren leiden. Dit kan worden voorkomen door de constructie zo min mogelijk te laten opwarmen. De samen- stelling van het betonmengsel speelt daarin een belangrijke rol. V erhardend beton warmt op omdat de hydratatie ? de chemische reactie tussen cement en water ? een exotherme reactie is waarbij warmte vrijkomt. Deze vrijkomende warmte zal de reactiesnelheid verder doen versnel- len. Hierdoor komt er nog meer warmte vrij en loopt de temperatuur van het betonelement steeds verder op. Een (jong) betonelement dat opwarmt, wil uitzetten. Wordt de uit- zetting echter verhinderd, zal in het element een drukspanning ontstaan. Drukspanningen kunnen uitstekend door het beton worden opgenomen. Maar na de opwarmfase volgt onvermij- delijk de afkoeling. Een betonelement dat afkoelt krimpt en verhindering van deze krimp zal leiden tot trekspanningen. Wanneer de optredende trekspanning groter wordt dan de op dat moment aanwezig treksterkte, scheurt het beton (fig. 2). Krimp ten gevolge van afkoeling ? na opwarming in de verhardingsfase ? tot de omgevingstemperatuur, wordt thermische krimp genoemd. Hoe hoger de temperatuur in de constructie wordt, hoe groter de krimp van het betonelement wanneer het uiteindelijk afkoelt. Beperking warmteontwikkeling Hoe hoog de temperatuur in een betonconstructie uiteindelijk wordt, is onder andere afhankelijk van de afme- tingen van de constructie en de betonsamenstelling. In dunne, slanke constructies zal de temperatuurstijging ten gevolge van de verharding gering zijn door de afgifte van warmte aan de omgeving. Bij massaconstructies (foto 1) daarentegen zal de temperatuur, zeker Cement voor massabeton, een abc'tje? trekspanning trekster kte temperatuur Op dit mome nt s cheurt beto n tijd 2 Schematische relatie tussen warmte-, sterkte- en spanning ontwikkeling 18 VAKBLAD I 2 2017 18_Coolcem.indd 18 01-06-17 14:20 in het hart van de betonconstructie, hoog kunnen oplopen tot wel 60 à 70 °C. Hoe hoog de temperatuur in een betonconstructie oploopt is niet alleen afhankelijk van de afmetingen en de cementsoort, maar wordt tevens bepaald door omgevingscondities als type bekisting, omgevingstemperatuur, windsnelheid, zonbestraling en nachte- lijke warmte-uitstraling. Met behulp van daartoe geëigende rekenprogramma's kan het verhardingsproces en de span- ningsontwikkeling worden gesimuleerd en kan een inschatting worden gemaakt van de kans op scheurvor- ming. Op basis van deze berekeningen kan een aannemer besluiten de beton- constructie tijdens de verharding te koelen, maar daar hangt wel een prijskaartje aan. Economischer is om het de oplossing in het betonmengsel zelf te zoeken en door een gerichte keuze van het cementgehalte en cementsoort de warmteontwikkeling te beperken. Cementgehalte en cementsoort De hoeveelheid warmte die bij de hydratatiereactie vrijkomt, hangt zoals gezegd onder meer af van de betonsa- menstelling. Het gaat daarbij om de hoeveelheid cement, de cementsoort, de chemische samenstelling en de fijnheid van het cement. Cement is de 'kachel' in het beton. Door het 'tempe- ren van het vuur' zal de temperatuur minder hoog oplopen. Daarom ligt het voor de hand zo weinig mogelijk cement in beton toe te passen. Het cementgehalte kan echter niet zomaar worden verlaagd. Cement is immers ook nodig voor onder andere de sterkte en de technische levensduur. Naast het cementgehalte speelt vooral de cementsoort een dominante rol in de warmteontwikkeling. Met enige regelmaat is er bij grote massieve betonconstructies behoefte aan een cement met een lage warmteontwikke- ling om hiermee de opwarming van een bouwdeel te beperken en zodoende de kans op ongewenste scheurvorming te verkleinen. Warmteontwikkeling in Joule per gram De warmteontwikkeling wordt door de cementproducent gemeten en uitgedrukt in de hoeveelheid energie die per gram cement gedurende een bepaalde tijd vrijkomt, uitge- drukt in Joule per gram. De warmteontwikkeling wordt be- paald met een calorimeter bij gelijkblijvende temperatuur (isotherm). Een cement met een hydratatiewarmte kleiner of gelijk aan 270 J/g na 7 dagen verharding is, conform de ce- mentnorm NEN-EN 197-1, een 'cement met een lage hydra- tatiewarmte'. Cement dat aan deze eis voldoet, wordt aan- geduid met de letters LH (Low Heat). 1 Pijlers van de Ooster- scheldekering, foto: Theo Janssen 19 VAKBLAD I 2 2017 18_Coolcem.indd 19 01-06-17 14:20 Het in Nederland meest toegepaste hoogovencement type CEM III/B heeft een gemiddelde warmteontwikkeling van 240 J/g na 7 dagen (zie ook kader 'Warmteontwikkeling in Joule per gram'). Om de warmteontwikkeling te beperken, ligt het voor de hand te kiezen voor een hoogovencement CEM III/C wat het laagste aandeel aan portlandce - mentklinker heeft. HeidelbergCement Benelux (HCB) produceert op haar pro - ductielocatie in Gent (België) een CEM III/C 32,5 N met een hydratatiewarmte - ontwikkeling van gemiddeld 190 J/g. In absolute getallen betekent dit dus een 'winst' in de ontwikkelde warmte. In België wordt dit type hoogovencement door aannemers dan ook regelmatig toegepast in massieve betonconstruc - ties. Ook in Nederland wordt regelmatig vanuit aannemerszijde de vraag gesteld een CEM III/C te leveren. Hierbij stuiten we echter op beperkingen binnen de regelgeving. Ondanks de gunstige eigenschap van de lage hydratatiewarm - teontwikkeling is de toepassing van CEM III/C in constructief beton in Nederland niet zonder meer toegestaan vanwege mogelijke problemen met de technische duurzaamheid. NEN 8005, de Nederlandse invulling van NEN-EN 206, geeft aan dat wanneer een cement niet voorkomt in de lijst van 'zonder meer toegelaten cement' en het toch zou wor - den toegepast, dit cement de procedure conform CUR-Aanbeveling 48 moet doorlopen. Hierbij moeten de duur - zaamheidseigenschappen van beton op basis van een 'vreemd' cement worden vergeleken met een referentiebeton op basis van een wel toegelaten cement - soort. Oriënterend onderzoek toont aan dat ten aanzien van levensduuraspecten als carbonatatie en vorst- en dooizoutbe - standheid een CEM III/C niet door de keuringsprocedure conform CUR-Aanbe - veling 48:2010 heen komt. Generieke toepasbaarheid van een CEM III/C is dus niet aan de orde. De oorzaak hiervan ligt simpelweg in het feit dat het gehalte aan portlandcementklinker voor sommige eigenschappen te laag is. Eén ding is dus wel duidelijk: een gegarandeerde hoe - veelheid portlandcementklinker in het cement voorkomt bepaalde problemen met de levensduur (zie kader 'Invloed verlaging portlandcementklinker'). CEM III/B met 80% hoogovenslak een optie? Wanneer de voor- en nadelen van het aandeel portlandcementklinker tegen elkaar worden afgewogen en het terug - dringen van de warmteontwikkeling door hydratatie hierbij zwaar mee - weegt, zou het interessant kunnen zijn een cement te ontwikkelen op de grenswaarde voor het aandeel port - landcementklinker voor een CEM III/B. Deze grens is gesteld op ten minste 20%. Een belangrijk voordeel van CEM III/B met verhouding portlandcement - klinker/hoogovenslak van 20/80 is, dat voor dit cement geen tijdrovend en kostbaar aanvullend onderzoek is vereist. Belangrijk is dan natuurlijk wel de vast - stelling of de hydratatiewarmte van een 'nieuw' CEM III/B (met 80% hoog - ovenslak) in de buurt komt van het CEM III/C 32,5 N van de HCB productielocatie Gent (met 88% hoogovenslak) en dat daarmee de kans op het ontstaan van thermische spanningen en het daaraan gerelateerde scheurrisico vergelijkbaar is. Overigens wordt de kans op scheur - vorming in een betonconstructie niet bepaald door de warmteontwikke - 3 Hydratatiewarmteont- wikkeling van verschil - lende cementsoorten 4 Parkeergarage Muzeumkwartier op het Tournooiveld in Den Haag tijd normdruksterkte [N/mm 2] portlandcement: CEM I 52,5 R portlandcement: CEM I 42,5 Rportlandcement: CEM I 32,5 Rhoogovencement met minder dan 65% slak CEM III/Ahoogovencement met meer dan 65% slak CEM III/B 420 380 340 300 260 220 180 140 100 60 Cementkeuze en randvoor­ waarden vanuit NEN 8005 Het meest reactieve deel van cement is de portlandcementklinker. Portlandcement heeft dan ook een dui - delijk hogere warmteontwikkeling in vergelijking met hoogovencement (fig. 3). Binnen de groep van hoogoven - cementen kan weer worden gekozen uit een type A, B of C. Deze aanduiding geeft informatie over de verhouding tus - sen het aandeel portlandcementklinker en het aandeel hoogovenslak (tabel 1). 20 VAKBLAD I 2 2017 18_Coolcem.indd 20 01-06-17 14:20 ling alleen. Ook de sterkteontwikkeling, het vervormingsgedrag (lees: elastici - teitsmodulus) en de mate van verhinderde vervorming spelen hierbij een grote rol. Onderzoek cement In het laboratorium van ENCI Rotterdam is op laboratoriumschaal een hoog - ovencement CEM III/B vervaardigd met een verhouding portlandcementklinker/ slak van exact 20/80. Om een duidelijk onderscheid te maken met het traditio - nele hoogovencement heeft het nieuw te onderzoeken cement de werknaam 'Coolcem' meegekregen. Dit samenge - stelde cement is getoetst op relevante eigenschappen conform de Europese cementnorm NEN-EN 197-1. De resul - taten zijn vergeleken met CEM lII/C van HCB en weergegeven in tabel 2 en 5 Invloed verlaging port - landcementklinker 6 Normdruksterkte van de vergeleken cement - soorten Tabel 1 Verhouding portlandcementklinker/ hoogovenslak volgens NEN ­EN 197 ­1 cementsoort % portland cementklinker % hoogovenslak CEM III/A 35 ? 64 36 ? 65 CEM III/B 20 ? 34 66 ? 80 CEM III/C 5 ? 19 81 ? 95 Tabel 2 Eigenschappen gemeten aan cement eigenschappen / CEM III/C 32,5 N HCB Gent (België) CEM III/B Coolcem cementsoort slakgehalte [%] 88,1 80 Blaine [cm 2/gr] 4540 4360 hydratatiewarmte [J/gr] 195 225 Invloed verlaging portlandcementklinker In het algemeen kan worden gesteld dat verlaging van de hoeveel - heid portlandcementklinker in het cement de navolgende conse - quenties heeft voor de eigenschappen van het te vervaardigen beton (fig. 5). 0 geha lte aan por tlandklink er [%] CO2[kg/t ] 900 100 daling van vors t- en do oizo utbe stan dhe id 20 270 daling in warmteo ntwikkeling stee ds 'gro ene r' beton mind er gene riek ges chikt voor beton: daling van de be ginsterk teontwikkeling mee r temp era tuu r gevoe lig gev oeliger voor carbona tatie figuur 6. Conform de verwachting ligt de hydratatiewarmte op een iets hoger niveau. Ook de resultaten ten aanzien van sterkte reflecteren de invloed van een hoger gehalte aan portland cement - klinker. Onderzoek beton Een volgende stap in het onderzoekspro - ces van het vergelijken van het CEM III/C met de Coolcem is het opschalen naar een betonsamenstelling en het doen van betononderzoek. Gebruik is gemaakt van een standaardbetonsamenstelling met 320 kg/m 3 cement, een water- cementfactor van 0,50 en rivierzand en -grind als toeslagmateriaal met Dmax = 32 mm in ontwerpgebied I. Van de betonspecie is de verwerkbaarheid gemeten door middel van de zetmaat en de schudmaat. Tijdens verharding is de adiabatische warmte ontwikkeling bepaald over een termijn van 168 uur. Daarnaast is de ontwikkeling van de druksterkte en het vervormingsgedrag (E-modulus) in de tijd bepaald. Conform de verwachting ligt Tmax , gemeten aan de adiabaat voor de Cool - cem op een hoger niveau. Ook de druksterkte van de Coolcem ligt iets hoger. Opmerkelijk daarbij is dat het vervormingsgedrag, gemeten als E-modulus, gelijk is en op een ouder - dom van 7 dagen zelfs iets lager ligt. Gemotiveerd door de gunstige resulta - ten is medio 2015 op full scale een proefproductie Coolcem vervaardigd. Initieel is het cement getoetst aan de eisen conform NEN-EN 197-1 maar uit - eindelijk gaat de meeste belangstelling natuurlijk uit naar de warmteontwikkeling Voordelen verlaging ? hogere bestandheid tegen de indringing van chloriden; ? hogere bestandheid tegen sulfaataantasting; ? hogere bestandheid tegen alkali-kiezelzuurreactie (ASR); ? daling van de warmteont - wikkeling bij hydratatie; ? lagere 'carbon footprint'. Nadelen verlaging ? daling van de beginsterkte - ontwikkeling; ? langere nabehandelingsduur van het beton; ? lagere weerstand tegen carbonatatie; ? lagere weerstand tegen vorst- en dooizoutaantas - ting. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 2 3 7 28 CEM III/C CEM III/B Coolcem normdruksterkte [N/mm 2] tijd [dagen] 6 21 VAKBLAD I 2 2017 18_Coolcem.indd 21 01-06-17 14:20 van het cement in de eerdergenoemde betonsamenstelling. Alle resultaten van het beton(specie) onderzoek aan de drie cementen zijn weergegeven in tabel 3 en figuur 7, 8 en 9. Hierbij wordt het onderscheid tus - sen het op laboratoriumschaal vervaar - digd cement Coolcem en het Coolcem uit de full-scale-productie weergegeven door het onderscheid Lab.cement ten opzichte van Prod.cement. De adiabatische warmteontwikkeling van het Coolcem Prod.cement ligt zelfs nog iets gunstiger in vergelijking met het op laboratorium vervaardigde cement (fig. 7). Ook de (druk)sterkte - ontwikkeling ligt iets lager (fig. 8) de mate van verhinderde vervorming. Een deel van de parameters zijn geme - ten en dus bekend, een ander deel is gebaseerd op aannamen. Gezien de beoogde toepassing van de Coolcem is een simulatieberekening uit - gevoerd voor een situatie waarbij de warmteontwikkeling in de betoncon - structie zou kunnen leiden tot scheur - vorming. Hierbij is gebruikgemaakt van het verhardingsbeheersingsprogramma HEAT van Femmasse. Gekozen is voor een 1,5 m dikke betonvloer gestort op een bestaande betonvloer (werkvloer), een klassiek voorbeeld van massabeton (fig. 10). Aan de onderzijde van de nieuw te storten betonvloer is de ver - vorming volledig verhinderd door de al aanwezige betonvloer. Het oppervlak van de betonvloer wordt als oneindig verondersteld. Het programma kan op elk gewenst punt van de doorsnede de (trek)sterkte- en spanningsontwikkeling berekenen. In figuur 11 is de ontwikkeling van de treksterkte en trekspanning weergege - ven over een periode van 28 dagen Tabel 3 Eigenschappen gemeten aan beton(specie) eigenschappen / cementsoort CEM III/C 32,5 N HCB Gent (België) CEM III/B Coolcem Lab.cement CEM III/B Coolcem Prod.cement zetmaat [mm] 150 155 145 schudmaat [mm] 445 455 450 dichtheid [kg/m 3] 2365 2366 2359 Tbegin meting [°C] 20 20 20 Tmax adiabaat [°C] 52 54,8 52,8 ?Tadiabaat [°C] 32 34,8 32,8 temperatuur [°C] tijd [uren] 0 10 20 30 40 50 60 0 24 48 72 96 120 144 168 CEM III/B Coolcem , lab.cement CEM III/C 32,5 N CEM III/B Coolcem , prod.cem ent normdruksterkte [N/mm 2] 0 10 20 30 40 50 60 tijd [dagen] CEM III/C CEM III/B C oolcem Lab.Cement CEM III/B C oolcem Prod.Cement 1 3 7 28 56 91 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 CEM III/C CEM III/B C oolcem Lab.Cement CEM III/B C oolcem Prod.Cement 7 28 56tijd [dagen] E-modulus [N/mm 2] terwijl het vervormingsgedrag vrijwel op hetzelfde niveau ligt (fig. 9). Wel of niet scheuren? Zoals eerder al aangegeven scheurt beton wanneer de in de betonconstruc - tie optredende spanning de aanwezige treksterkte overschrijdt. De sterkteont - wikkeling is een parameter die is te meten, maar voor een voorspelling naar de optredende spanningen is een rekenmodel nodig. Invoerparameters voor een dergelijk model zijn, naast de sterkteontwikkeling, onder andere het vervormingsgedrag, de maximumtem - peratuur, het type bekisting, de afmetingen van het betonelement en 7 8 9 7 Adiabatische warmteontwik - keling van de vergeleken cementsoorten 8 Betondruksterkte 9 Elasticiteitsmodulus 10 Schematische weergave massabeton 22 VAKBLAD I 2 2017 18_Coolcem.indd 22 01-06-17 15:50 (672 uur). De lijnen aangeduid met '1' betreffen de betonvloer vervaardigd met CEM III/C 32,5 N, de lijnen aange - duid met '2' behoren bij de betonvloer vervaardigd met CEM III/B Coolcem. De rode lijnen geven de ontwikkeling van de treksterkte weer. De groene lijnen zijn een weergave van de aanwezige spanning in de constructie. Duidelijk zichtbaar is dat in de eerste dagen van de verharding, door het oplopen van de temperatuur in de constructie, druk - spanningen ontstaan. Na verloop van een aantal dagen treedt afkoeling op en gaat de opgebouwde drukspanning langzaam over in een trekspanning. Zolang de (groene) lijnen van de trek - spanning de (rode) lijnen van de treksterkte niet kruisen, kan ervan uit worden gegaan dat de betonconstruc - tie scheurvrij blijft. De gele lijnen zijn berekende waarden die het risico op scheurvorming symbo - liseren, gebaseerd op de ratio = ?t (trek - spanning) / fct (treksterkte). Algemeen wordt aangenomen dat als de ratio = ?t / fct < 0,5 is, er geen risico op scheurvorming aanwezig is (tabel 4). Op basis van de uitgevoerde bereke - ning kan worden geconcludeerd dat de betonsamenstelling op basis van CEM III/B Coolcem vergelijkbaar pres - teert als de betonsamenstelling met CEM III/C. Beschikbaar Het is niet bij één proefproductie geble - ven. Sinds september 2015 behoort Coolcem tot het vaste leveringspakket van ENCI. Een succesvolle toepassing van dit cement bij de bouw van de ondergrondse parkeergarage Museum - kwartier op het Tournooiveld in Den Haag heeft uitgewezen dat scheurvor - ming tot een minimum beperkt kan blijven. Doordat het cement uit minimaal 20% portlandcementklinker bestaat, behoort dit cement tot het type hoog - ovencement CEM III/B. Het cement wordt conform de cementnorm NEN- EN 197-1 ? Cement geleverd als CEM III/B 42,5 L ? LH/SR. Conform NEN 8005 is het cement voor de toepassing in Nederland een well-tried-cement. Dat betekent dat het cement toegela - ten is zonder dat de 'CUR-Aanbeveling 48:2010-procedure' moet worden doorlopen. Niet alleen de verminderde warmte - ontwikkeling is een voordeel voor dit cement. Beton vervaardigd met dit cement heeft een hoge bestandheid tegen sulfaten, een hoge weerstand tegen chloride-indringing, is niet gevoelig voor alkali-kiezelzuurreactie en heeft een lage 'carbon footprint'. Er zijn samen dus veel voordelen gebundeld binnen één cement! De beperkte warmteontwikkeling heeft echter ook zijn keerzijde. De vroege sterkteontwikkeling blijft achter bij de gangbare cementen. De nabehandeling vraagt dus nog meer aandacht (en tijd). Daarnaast is beton met dit cement, door het lage gehalte portlandcement - klinker, gevoeliger voor carbonatatie en vorst in combinatie met dooizouten. Potentiële afnemers moeten zich ook bewust zijn dat het cement niet dage - lijks op afroep beschikbaar is. Het cement wordt beschouwd ? en daar - door geproduceerd ? als een projectce - ment waarvoor, op basis van een gede - gen vooronderzoek, een bewuste keuze wordt gemaakt en waarvan de voor- en nadelen tegen elkaar zijn afgewogen. Tabel 4 Risico van scheurvorming categorie ratio risico I ?t < 0,5 f ct geen risico op scheurvorming II 0,5 f ct < ?t < 0,7 f ct risico op scheurvorming; in beperkt aantal gevallen III 0,7 f ct < ?t < fct risico op scheurvorming; in de meeste gevallen IV ?t > f ct scheurvorming spanning [MPa]3,34 -1,05 0 tijd 28 dagen 2 2 2 1 1 1 De lijnen '1': betonvloer betreffen vervaardigd met CEM III/C 32,5 N, de lijnen '2': betonvloer vervaardigd met CEM III/B Coolcem ontwikkeling van de treksterkte groene lijnen: aanwezige spanning in de constructie De gele lijnen: berekende waarden die het risico op scheurvorming symboliseren, gebaseerd op de ratio = t (trekspanning) / fct (treksterkte) 11 11 Ontwikkeling van de treksterkte en trek - spanning in de simula - tieberekening 12 Parkeergarage Museumkwartier op hetTournooiveld in Den Haag 23 VAKBLAD I 2 2017 18_Coolcem.indd 23 01-06-17 14:21