Een maandelijkse uitgave van deVereniging Nederl.andse Cementindustriepostbus 3011, 5203 DA 's-Hertogenbosch maartMicroscopisch onderzoekvan betonHoewel beton een kunstmatig gesteente is,verschilt het normaal gebruikte grindbeton watbetreft de samenstelling en eigenschappen nietprincipieel van natuurlijke gesteenten. De toeslag-materialen zand en grind bestaan uit mineralen diehebben bewezen in hun natuurlijke omgeving eengoede weerstand tegen verwering te bezitten.Ze worden in beton aan elkaar gekit door eenhydraulisch bindmiddel, eveneens van mineraleoorsprong. De duurzaamheid van beton wordtbepaald door de weerstand van deze beide hoofd-bestanddelen tegen fysisch-chemische invloedenen aan de eventuele inwerking op elkaar. Geziende sterke overeenkomsten van beton met natuur-lijke gesteenten hoeft het geen verbazing tewekken dat onderzoektechnieken uit de geologieook op verhard beton toegepast kunnen worden.Een onderdeel van de geologie is de petrografie;hieronder verstaat men de systematische beschrij-ving van gesteenten, vooral gebaseerd op onder-zoek met de microscoop. Toepassing vanpetrografisch onderzoek beton blijkt interes-sante resultaten op te kunnen leveren.Ontwikkeling van de betonpetrografiePetrografisch onderzoek van beton is circa veertigjaar geleden begonnen in de Verenigde Staten.Inmiddels is deze onderzoekmethode daar aardigingeburgerd; sinds een jaar of tien bestaan erOpname met fluorescentiemicroscoop van een slijp-plaatje, vervaardigd uit een monster afkomstig uit eenbetonweg met opvallende vorstschade. Toevoeging vanwater vlak voor het storten heeft geleid tot eenheterogene cementsteen. Zones met de oorspronkelijkelage wcf (C - ) wisselen eimet meer poreuze zones meteen hoge wcf (C Microscheuren zullen zich bij voor-keur in de meer poreuze zones ontwikkelen (zie pijltje).Afmetingen gefotografeerd oppervlak: 1,4 x 0,9 mmsASTM-normen voor petrografisch onderzoek aantoeslagmaterialen en verhard beton. In Europawordt de methode nog niet algemeen toegepast. InZwitserland en Denemarken werd de methode inde jaren '70 in verband met specifieke duurzaam-heidsproblemen (vorstschade en alkali-silicareactie) als een hulpmiddel in de kwaliteits-controle ontwikkeld. In die jaren is in Nederland demethode gebruikt voor het vaststellen van hetluchtgehalte van beton, vooral ten behoeve vanonderzoek naar schade aan betonwegen.Sinds enkele jaren wordt in België de betonpetro-grafie toegepast als hulpmiddel bij onderzoek vanbetonschade alsmede bij onderzoek van jongbeton om in een vroeg stadium een indruk tekrijgen van eigenschappen van speciale beton-mengsels,ProefstukkenEen petrografisch onderzoek kan worden uitge-voerd op monsters van geringe afmetingen. Zelfsuit boorkernen van 5 cm doorsnede kunnen slijp-plaatjes worden vervaardigd voor onderzoek onderde microscoop. Een betrouwbare uitspraakomtrent de schadeoorzaak is uiteraard nietmogelijk op basis van een onderzoek aan eenwillekeurig stukje beton van slechts enkelevierkante centimeters. Bij de monstername moetmen dan ook terdege rekening houden met:21Vervaardigen van een slijpplaatje uit een monster2Een slijpplaatje beton met een dikte van kanworden bestudeerd in doorvallend licht3Onderzoek meteen polarisatiemicroscoop- waarneembare verschillen in de structuur vanhet betonoppervlak;- verschillen in expositie aan vocht, vorst, agres-sieve stoffen e.d.De monstername is dus in feite een eerste stap inde analyse, gebaseerd op een beschouwing vande constructie of het constructie-onderdeel.Hiernavolgen nog twee stappen, namelijk eenmacroscopisch onderzoek (met geringe vergro-ting) en een microscopisch onderzoek (met sterkevergroting).Macroscopisch onderzoekIn het macroscopisch onderzoek wordt hetmonster met het blote oog of met geringevergroting door middel van een loupe of stereo-microscoop (10 tot 50 x) bestudeerd. In deze faseworden structuurkenmerken bekeken:- aard, vorm, hoeveelheid en homogeniteit vande toeslag materialen;- kleur en homogeniteit van de cementsteen;- carbonatatiediepte (via de fenolftaleïnetest);- afzanding van het betonoppervlak;- corrosie van de wapening;- scheurvorming;- aantastingsverschijnselen.Op basis van deze waarnemingen kunnen plaat-sen worden geselecteerd voor de derde stap, hetmicroscopisch onderzoek.4-7Beton met hoogovencement, bÎj verschillende vergro-tinqen. Bij gerÎnge vergroting (foto 4, vergrotÎng 32 x) lsde cementsteen homogeen. BÎj toenemende vergroUngworden de nÎet-gehydrateerde deeltjes kHnker en slakzichtbeer (foto's 5, 6 en 7, vergroUng resp. 63 x 200 x en500 x).A = toesteqmeterleelP = pottlendcememkiinkerS= hoogovens/akOok componenten van de port/andcementkUnker wordenherkendMicroscopiSch onderzoekVoor onderzoek met de microscoop zijn zoge-naamde slijpplaatjes nodig, die in doorvallendlichtkunnen worden bestudeerd. Daartoe wordt uit hetproefstuk een blokje gezaagd van 50 x 30 mm, meteen dikte van 10 à 15 mm (foto's 1-3). Dit blokjewordt onder vacuum geïmpregneerd met eenepoxyhars waarin een fluorescerende kleurstof isopgenomen. Het geïmpregneerde blokje wordt opéén vlak gepolijst en op een glasplaatje gelijmd;vervolgens wordt het door zagen en slijpen terug-gebracht tot een schijfje meteen dikte van slechts0,03 mm, waarna een dekglaasje wordt aange-bracht. Bij deze uiterst geringe dikte wordt hetbeton transparant en kan het in doorvallend lichtworden bestudeerd. Dit maakt het voor eengeoefend petrograaf mogelijk de verschillendeoorspronkelijke mineralen en de door hydratatie enverwering gevormde omzettingsprodukten tedetermineren. Hiertoe maakt hij gebruik van eenpolarisátiemicroscoop. De verschillende compo-nenten in het slijpplaatje onderscheiden zich doorverschillen in optische en kristallografischekenmerken (vorm, kleur, splijting e.d.). Dezeverschillen worden zichtbaar in gepolariseerd licht,dat wil zeggen licht dat slechts in één vlak trilt.De vergrotingen variëren van 10 tot 500 x, zodatzowel overzichts- als detailwaarnemingen mogelijkzijn.Door het impregneren met een fluorescerendepoxyhars zijn alle holten, poriën en micro-scheurtjes opgevuld. Indien de polarisatie-microscoop is voorzien van optische filters, wordtde hars zichtbaar gemaakt. Ook kan men voordeze waarnemingen een afzonderlijkefluorescentiemicroscoop gebruiken.N.S.: Bij het microscopisch onderzoek speelt kleureen belangrijke rol. De zwart-wit foto's in dezepublikatie geven de werkelijke waarneming nietperfect weer. Voor de opnamen met fluorescentieis een steunkleur toegepast, waarmee de weer-gave al aanzienlijk is verbeterd.38-9Opnamen met fluorescentie van beton-monsters met water-cementfactor 0,40(foto 8) en 0,55 (foto 9). De toename in deporositeit komt tot uiting in de sterkerefluorescentie van de cementsteenK = kwartszandkorrelC = cementsteenToeslagmaterialenHet bestudeerde oppervlak is te klein om eenrepresentatief beeld te geven van de grindfractie.Wel kunnen symptomen van bepaalde kwaliteits-gebreken tot uiting komen, zoals krimpscheuren ofvorstschade. Van de zandfractie kan een meerrepresentatief beeld worden verkregen: mineralo-gische aard, korrelvormen homogeniteit. Ookkorrels die gevoelig zijn voor alkali-silicareactiekunnen worden herkend.CementsteenHet slijpplaatje verschaft een redelijk inzicht in dehydratatieqraad. De niet-gehydrateerde korrelsgeven inzicht in de cementsoort. Bij voldoendevergroting kunnen ook de verschillende compo-nenten van portlandcementklinker wordenherkend, evenals hoogovenslak en vliegas (foto's4-7). Verder zijn de hydratatieprodukten herken-baar en de omzettingsprodukten in de carbonata-tiezone.Met behulp van de fluorescentie-waarnemingenverkrijgt men een indicatie van de water-cementfactor. De waargenomen intensiteit vanfluorescentie is een maat voor de hoeveelheidfluorescerende epoxyhars die in de poriën isgedrongen. In combinatie met gegevens omtrentde hydratatiegraad levert dit een aanwijzing voorde oorspronkelijke water-cementfactor (foto's 8-9).4De waarnemingen met fluorescentie geven boven-dien een beeld van de homogeniteit van decementsteen. Gebrekkige homogeniteit tengevolge van onvoldoende mengtijd of op een laatmoment toevoegen van extra aanmaakwater wordtzichtbaar.MicroscheurenDe fluorescentiemicroscopie maakt microscheurentot een scheurwijdte van slechts enkeleduizendste-millimeters waarneembaar. De oriën-tatie en plaats van de scheuren kunnen aanwij-zingen geven in welke tijdsperiode en waardoor zezijn ontstaan. Zo zullen scheuren ten gevolge vankrimp of uitdroging, gevormd in nog jong beton,om de toeslagmaterialenkorrels heen lopen.Grove poriënGrove poriën in beton ontstaan door onvolledigeverdichting (ingesloten lucht), door bleeding endoor het gebruik van een luchtbelvormer. Wanneermet behulp van een luchtbelvormer kunstmatigporiën zijn ingebracht, kan met de microscoop hetluchtgehalte en de verdeling van deze poriënworden gecontroleerd.ReactieproduktenProdukten die door chemische aantasting wordengevormd, komen dikwijls fijn verdeeld in de10-11Opnamen van de zandkorrel die is aangetastdoor de alkali-silica reactie. Foto 10, bijgewoon licht; toont het alkalisilica gel (AS) inde korrel en de scheurvorming in de omrin-gende cementsteen. Met fluorescentie (foto11) wordt de poreuze structuur van de korrelzichtbaar, evenals de holten die door dereactie ontstaanfoto's: GEOS Onderzoeks- enControlelaboratorium, Wellen (België)cementsteen voor. Wanneer de vochtigheid in hetbeton voldoende hoog is, kunnen ze in opgelostevorm migreren naar holle ruimten, waar zeopnieuw uitkristalliseren. Deze reactieprodukten,zoals calciumcarbonaat, ettringiet en gips, zijn methet microscopische onderzoek te identificeren.ToepassingenBetonpetrografie leent zich bij uitstek voor onder-zoek van beton waaraan schade is geconstateerd.De microscopische analyse levert in het bijzonderinformatie over kwaliteitsaspecten van degrondstoffen, de produktie en de verwerking vanhet betonmengsel. Behalve uitspraken over kwali-teitsaspecten kan het petrografisch onderzoekgegevens over de samenstelling verschaffen,bijvoorbeeld de aanwezigheid van vliegas.Ter illustratie het volgende. Aan enkele beton-constructies in België, waaronder een brug vanlichtbeton, werd abnormale scheurvorming vast-gesteld. Petrografisch onderzoek toonde aan datde scheurvorming werd veroorzaakt door alkali-silicareacties. Bepaalde toeslagmaterialen zijngevoelig voor alkaliën in beton, met name opaal-en calcedoonhoudend zand en grind. De reactievindt plaats in een vochtig milieu, waarbij in dekorrels van het toeslagmateriaal een waterrijk gelwordt gevormd, dat door zijn volumevergroting dekorrels kapot drukt en scheuren in het betonveroorzaakt.In de in België bestudeerde schadegevallenbleken calcedoonkorrels uit de zandfractieoorzaak van de alkali-silicareactie. Hierbij is dewaarde van de betonpetrografie duidelijk geblekenom deze reactie te herkennen. Met anderedetectiemethoden was het amorfe silicagel nietwaar te nemen (foto's 10-11).BesluitMicroscopisch onderzoek van beton is niet nieuw;de toepassing ervan in de schadediagnose vanbeton is echter nog niet algemeen ingevoerd.Blijkens de ervaringen in landen waar de methodewel wordt toegepast, kan de betonpetrografie eenbelangrijk hulpmiddel zijn om kwaliteitsgebrekenin grondstoffen en de ermee vervaardigde beton-produkten op te sporen.LiteratuurE. Soers en M. Meyskens, Betonpetrografiemicroscopisch onderzoek van beton; Cement 1987nr. 11, blz. 16-225BETONlEK verschijnt 10 x per jaar.Abonnementsprijzen per jaar, inclusief verzamelbandvoor 3 jaargangen (incl. 6% BTW):Nederland, Nederlandse Antillen, België f 19,-overige landen f 30, -ISSN 0166-137x6oROODadministratie:postbus 3011, 5203 DA 's-Hertogenboschtelefoon (073) 401231Abonnementen lopen per kalenderjaar. Aan het eindvan een kalenderjaar wordt het abonnement auto-matisch verlengd, tenzij het abonnement vóór1 december schriftelijk wordt opgezegd.