Een maandelijkse uitgave van deVereniging Nederlandse Cementindustriepostbus 3011,5203 DA 's-Hertogenbosch juni 1983 milPermeabiliteitIn tegenstelling tot bijvoorbeeld glas,kunststoffen of staal, is beton een poreus bouw-materiaal. Hoe poreus, is in BETON/EK 6/3uiteengezet. Een poriegehalte van de °steen van 35% is beslist geen abnormale waarde.Ook het toeslagmateriaal bevat poriën, maar ineen veel kleiner percentage. Voor het Neder-landse toeslagmateriaal ligt hetrond de 1,5%. Alswe dan ook nog rekening houden met ingeslotenlucht, dan komt het totale poriegehalte van betonopzo'n 10à 15%.Die porositeit kan gevolgen hebben voor de duur-zaamheid van beton. Porositeit op zichzelf zegtechter lang niet al/es; ook de poriestructuurspeelt een belangrijke rol. Hoefijnerdiestructuuris, des te moeilijker het voor agressieve stoffenwordt om het beton binnen te dringen. Het betonis minder permeabel.Porositeit en permeabiliteitDe begrippen porositeit en permeabiliteitwordennog wel eens door elkaar gehaald. Soms hebbenze ook wel wat met elkaar te maken, maar inprincipe zijn het geheel verschil/endegrootheden.Porositeit is dat deel van een materiaal datingenomen wordt door poriën. In het geval vancementsteen kunnen ze gevuld zijn met wateren/of lucht. Porositeit wordt meestal aangegevenin volumeprocenten.Permeabiliteit geeft aan hoe gemakkelijk stoffendoor een bepaald materiaal kunnen bewegen;bijvoorbeeld water door beton. De permeabiliteitis dus ook een maat voor de waterdichtheid vanbeton. Omdat het in feite een stroomsnelheidbetreft, kan permeabiliteit worden uitgedrukt inmeters per seconde.Een permeabel materiaal bevat in ieder gevalporiën; anders kon er niets doorstromen. Diestelling mag echter niet worden omgekeerd. Eenporeus materiaal kan best impermeabel zijn.Figuur 1 geeft als voorbeeld de doorsnede weervan een zeerporeus, maar desondanks nietpermeabel materiaal. Het is de soort structuurwaar producenten van lichtgewicht toeslag-materiaal naar streven. Er zijn poriën, misschienzelfs heel veel, maar die staan nietmet elkaar, enzeker niet met de buitenomgeving in contact. Hetmateriaal is daardoor volledig dicht voor vanbuitenaf komende stoffen. Depermeabiliteit isnul.Een poreusen tevenspermeabel materiaal ziet erin doorsnee heel anders uit; een spons is daar eenvoorbeeld van. Een spons is een goedvoorbeeld, vooral omdat de structuur van deporiën met het blote oog, en zeker met een loep,goed is te zien.Ook cementsteen heeft een permeabele porie-structuur. Die is echter zo fijn dat er, zelfs onderde microscoop, niets van is te zien. Uit opnamenmet een elektronenmicroscoop, bij vergrotingenvan zo'n 10000 maal, blijkt de structuur echter tebestaan uit een dooreen gevlochten massa vanvezelvormige geldeeltjes. Cementsteen lijkt dusniet zo erg op een spons, meer op vloeipapier ofvilt. Fi!Juur 2, afkomstig uit BETON/EK 6/1, geeftschematisch zo'n structuur weer. De gelvezeltjeszelf hebben nog weer een heel andere structuur,1Voorbeeld vaneen zeer poreus, maar nÎetpermeabelmaterÎaal2Betondoorsnede, 10000 x vergrootvLDKiI^JJ wapening__.......JNW???DG capillaire poriegeldeeltjeongehydrateerd deel van eencementkorreltjedie een beetje te vergelijken is met eenopgerolde, in elkaar gefrommelde, natte krant,maardan wel enorm verkleind. De met watergevulde ruimten tussen de 'bladen' zijn daardoorzo nauw, dat de geideeItjes zelf als impermeabelmogen worden beschouwd: ze laten vrijwel nietsdoor. Ze kunnen echter wel water afstaan of, bijopnieuw bevochtigen, weer opnemen. Bij hetafstaan van water krimpen de geideeitjes. Dezekrimp wordt overgedragen op de cementsteen enin mindere mate ook op het beton. Te snelle en testerke uitdroging beschadigt de gelstructuur,waardoor bij herbevochtiging niet meer hetoorspronkelijke volume wordt ingenomen. Depermeabiliteit van de cementsteen neemt daarbijook toe.Meting van de permeabiliteitHoe permeabel is nu cementsteen of beton? Hetblijkt dat daar geen eenvoudig antwoord op is tegeven. De doorlaatbaarheid van beton is nietvooralle stoffen hetzelfde. Zo is de permeabiliteit vanbeton heel anders voor water dan voor lucht ofwaterdamp. Voor koolzuurgas en chloride-ionenligt de zaak nog veel ingewikkelder. Omdat waterechter hetnatuurlijke bestanddeel van de poriënis, ligthetvoorde hand om allereerstvoordiestofde permeabiliteit te meten. Dat gaat in feite vrijeenvoudig. Het door te meten proefstuk heeft devorm van een cilindrische schijf; bij betonbijvoorbeeld gezaagd uit een geboorde cilinder.Ook voor toeslagmateriaal gaat men uit van zo'n,2ditmaal uit rots, geboorde cilinder waar een schijfvan wordt afgezaagd. De permeabiliteit van onsriviermateriaalis door de kleine afmetingenmoeilijker te meten. Voor de meting van depermeabiliteit van cementsteen tenslotte kunnende schijven direct in een mal worden vervaardigd.Een dergelijke schijf wordt vervolgens ondervacuum volledig met water verzadigd en daarnalangs de zijkant waterdicht ingeklemd in eensoort manchet (foto's 3-4). Vervolgens wordt debovenkant onder waterdruk gezet, meestal tergrootte van enkele atmosferen. Tengevolgehiervan gaat er (heel langzaam!), water door hetbeton stromen.Na geruime tijd, het kan wel enkele weken duren,wordt de stroomsnelheid constant. Dezeconstante snelheid is een maat voor depermeabiliteit van het onderzochte materiaal.Uiteraard moet hierbij de aangebrachte water-druk, alsmede de diameter en de dikte van deschijf in rekening worden gebracht. Voor hetvaststellen van de permeabiliteitscoëfficiënt inmIs moet men de gemeten stroomsnelheid (inmIs) daarom delen door de schijfdoorsnede (inm2), vermenigvuldigen met de dikte van de schijf(in m) en delen door de waterdruk (in m water-kolom).Als dus de diameter van een schijf cementsteen5 cm is, de dikte 1,5 cm bedraagt, er eenwaterdruk van 3 atm, dus 30 m waterkolom wordt10 20 30verhardingsduur (dagen) -.3-4Toestel en proefopstelling voor meting vanpermeabiliteit(foto's: VDZ, Düsseldorf)aangelegd, en na enige tijd een gelijkmatigehoeveelheid water van 0,3 mi water per dag doorhet beton sijpelt, dan is de permeabiliteits-coëfficiënt:K= 0,3x 10--6 x 1 x 0,01524 x 3600 Y4 1T x 0,052 30= B,Bx 1o-13m/sEen stroompje van b,3 mi/dag isnatuurlijk nietveel, het zijn nog geen 10druppelswater per dag.Bij een zorgvuldige manier van werken engebruik van goede apparatuur is deze metingtoch redelijk uitvoerbaar.Een werkelijk probleem vormt de meting van depermeabiliteit van onvolledig gehydrateerdmateriaal. Tijdens deproef, die nogal wat tijd inbeslag neemt, gaat de hydratatie gewoon door.Het is zelfs niet onmogelijk dat de hydratatie doorhet doorstromende water plaatselijk wordtversneld. Het gevolg is dat het uiteindelijkemeetresultaat niet veel meer zegt over hetoorspronkelijke materiaal.De permeabiliteit van cementsteenBij het op de hierboven beschreven wijze metenvan de permeabiliteitvan cementsteen blijken,zoals is te verwachten, de water-cementfaetor ende verhardingstijd bepalend te zijn voor hetresultaat. Figuur 5 toonthet verband tussenpermeabiliteit en verhardingsduur van eencementpasta met een wef van 0,7.De permeabiliteit neemt eerst zeer snel af; meteen factor 100 in de eerste dag, met een factor1000 in de eerste twee dagen. Na 20 tot 30 dagenis de verdere afname echter nog maar gering. Bijeen lagere wef wordt zo'n eindwaarde eerderbereikt. Bij een wef van 0,45 al na circa 7 dagen.10-13+ ..,.- ,-- r--o5Relatie tussen permeabiliteitsfactor Kenverhardingsduur36Structuur van cementsteen na 1dag verharden;portlandcement, wet 0,307Structuur van cementsteen, na 12 dagen verharden;portlandcement, wet 0,80(overgenomen uit: Beton 1982,Heft 9)Figuur 8 toonthet verband tussen permeabiliteiten wcf, bij een hydratatiegraad van 93%. In hetgebied met wcf 0,4-0,7 blijkt een vrijwel liniairverband met de logarithme van de ~teitscoëfficiënt.In hetbegin van dit artikel is gezegd dat hetcementgel als niet permeabel mocht wordenbeschouwd. Er is echter toch wel iets te meten.Uitgedrukt in dezelfde maat als voor cementsteennoemt Powers een waarde van 7 x 10-16 m/s[1].Dat is dus de grenswaarde voor een cementsteenzonder capillaire poriën.Permeabiliteit van toeslagmateriaalOok het toeslagmateriaal bevat poriën; zand engrind uit de Nederlandse rivieren 1 à 2%.Materiaal met ongeveer dezelfde mineralogischesamenstelling, afkomstig uit andere winningenkan echterwel15% poriën bevatten en vanbepaalde buitenlandse toeslagmaterialen kan hetporiegehalte zelfs tot 50% oplopen.Opnieuw is de vraag echter niet hoe groot deporositeit, maar hoe groot de permeabiliteit is.Hetblijkt dat, ondanks het betrekkelijk lageporiegehalte, de permeabiliteit 10-10 NMNP mIsbedraagt, dus dezelfde orde van grootte alsverhardende cementsteen.Dat betekent ook dat, ondanks het lage aandeel inde totale porositeithet toeslagmateriaal toch een4niet te verwaarlozen rol kan spelen in depermeabiliteit van beton.Permeabiliteit van betonDe permeabiliteitsfactor van cementgel bedroeg7 x 10-16 mIs en die van cementsteen (wcf 0,5-0,6)rond de 10-13 mIs; dat is dus ruim 100 x zo groot.Het toeslagmateriaal heeft een ~factor van 10-10 tot 10-13 mIs.Op grond van deze cijfers zou men verwachtendatde permeabiliteitsfactor voor beton zouliggen tussen NlNO en 10-13 mIs. Het blijkt echterdat beton aanzienlijk méér permeabel is. Betonmet een permeabiliteit van 10-11 mIs wordt al eenredelijk dicht beton genoemd.Vergeleken met de samenstellende delen valt dattegen. De lage permeabiliteitzou aan hettoeslag-materiaal kunnen worden toegeschreven. Maarbedacht moet worden dat de meer permeabelekorrels toeslagmateriaal omhuld zijn door eenlaagje veel dichtere cementsteen. Het geheel isdaardoor veel dichter dan uit de permeabiliteitvan het toeslagmateriaal alleen zou blijken. Deaanwezigheid van microscheurtjes en bleeding-effecten zijn meer aannemelijke oorzaken.Verder moet worden bedacht dat doorstromingonder een waterdruk van enkele atmosferen nietbepaald normale omstandigheden zijn. Uitmetingen blijkt dan ook dat de permeabiliteit van0,7 0,8wef ------.0,610-11 -j-----,---"-T""---'-T-----,,--0,4 0,510-12r10-16NMJNRE10-148Relatie tussen permeabiliteitsfaetor Ken wefbeton hoger uitvalt naarmate een hogere druk ophet schijfje wordt gezet.Verband tussen porositeit en permeabiliteitAI is de structuurnogal verschillend, zowel eenspons als beton bezitten een permeabel porie-systeem. Toch is er, wat doorlatendheid betreft,een enorm verschil. Voor beton lag depermeabiliteitscoëfficiënt in de orde van10-11 mis, voor een spons misschien rond de10-1 mis.Onder dezelfde omstandigheden stroomt waterdus 10000000000maal zo snel dooreen sponsals door beton.Het verschil komt hoofdzakelijk doordat deporiën in een sponsveel grover zijn dan de poriënin cementsteen, en daardoor het water veel beterdoorlaten. Nu is aan een spons al direct tezien datniet alle poriën even groot zijn. Datzelfde geldtook voor cementsteen. Grovere doorgangentussen de gelvezeltjes worden afgewisseld doorheel nauwepassages. En net als in hetverkeer, denauwe passages bepalen uiteindelijk dedoorstroming.Voor de permeabiliteitis dus naast het porie-volume, de porieverdeling van groot belang. Dieporieverdeling kan op dezelfdemanier aan-schouwelijk worden gemaakt als een korrel-verdeling van zand en grind of van cement. Teronderlinge vergelijking zijn deze drieverdelingenin figuur9 naast elkaar uitgezet. De horizontale asgeeft op logarithmische schaal de afmetingenvan poriën envaste deeltjes aan. Het bestrijkt eenheel gebied: van 10-10 tot 10-1 m. Voor het gemakzijn drie maateenheden gebruikt: nanometers(= 10-9 m)voordeporiën, micrometers(= 10-6m)voor het cementen millimeters (= 1Q-3 m) voorhet toeslagmateriaal.Op de verticale as is, zoals gebruikelijk, hetpercentage poriën resp. deeltjes aangegeven datkleiner is dan de aangegeven afmeting.Voor de porieverdeling zijn twee krommesgetekend, één voor hoogovencement en één voorportlandcement. Zeer duidelijk is te zien dat hetgehalte aan fijnste poriën in cementsteen methoogovencement belangrijk groter is dan incementsteen met portlandcement. Datverschil inverdeling heeft belangrijke consequenties voorde beweeglijkheid van allerlei stoffen in hetporiesysteem.PoriestructuurDe porieverdeling die in figuur 9 is weergegeven,is gemeten aan cementsteen met een wcf van 0,6na een verhardingsduurvan 91 dagen, dus bij eenredelijk ver voortgeschreden hydratatie. Op datmoment bestond het poriesysteem van decementsteen uit circa 30% gelporiën en 70%capillaire poriën. We hebben gezien dat de door-laatbaarheid van de gelporiën zo'n 50 tot 500maal zo klein is als van de capillaireporiën. Devloeistofstroom zal zich dus bij voorkeur door decapillaire poriën bewegen. Wanneer echter, quavolume, 30% van het porie-netwerk uit gelporiënbestaat, dan vormen de capillaire poriën nietmeer een doorlopend systeem. Stukjes capillaireporie worden onderbroken door(kleinere)stukjes gelporie. Door hun veel grotere dichtheidbepalen de gelporiën, ondanks hun relatiefkleinere volume, toch de stroomsnelheid endaarmee de permeabiliteit.Bij een hogere wcf of een kortere verhardingstijdgaat dat niet meer op. Er zijn dan te weiniggelporiën om het capillaire systeem te blokkeren;de capillaire poriën vormen een ononderbrokengeheel, en de permeabiliteit wordt niet langerbeperkt door de gelporiën.5806040201 10JJ100I0,1 1 10JgK1 10JJ1009Porieverdeling van beton en korrelverdeling vancement resp. toeslagmaterialenFiguur 10, gebaseerd op metingen van Powers,geeft aan bij welke combinatie van wcf enhydratatiegraad dit het geval is. Het is interessantte zien dat bij een wcf van 0,7 of hoger, zelfs bijvolledige hydratatie, de capillaire poriën nog eenaaneengesloten netwerk vormen.Powers heeft ook nagegaan welke nabehande-lingstijd (ongeveer) nodig isom, bij een bepaaldewcf, een door geideeitjes onderbroken capillairsysteem te krijgen. Tabel 1 geeft een overzicht.De hiergegeven indicaties zijn natuurlijk globaal.Andere factoren (cementfijnheid, cementsoort,temperatuur) hebben ook invloed. Toch geeft degrafiek, en vooral ook de tabel, een aardig inzichtin minimale eisen voor redelijk dicht beton.Waterdichtheid in de praktijkDe permeabiliteit van 'redelijk dicht beton', dusbeton met een onderbroken capillair porie-systeem, niet teveel microscheuren en natuurlijkhelemaal geen waterlenzen t.g.v. water-afscheiding of grotere krimpscheuren, heeft eenpermeabiliteitsfactorvan 10-11 misof kleiner. Hetis misschien watmoeilijk om zich een beeld tevormen van wat een dergelijke waarde nuin depraktijk betekent. Een rekenvoorbeeld is wellichtnuttig.Stel u voor een kelderwand in beton, met aan debuitenzijde grondwater. De wanddikte bedraagt20 cm, de waterdruk op het onderste deel van dewand 1 m waterkolom. De permeabiliteits-coëfficiënt bedraagt 10-11 mis. Hoeveel water lektper tijdseenheid door de wand?Het isin dergelijke gevallen handig om de coëffi-ciënt niet in mis uitte drukken, maar in mijaar. Nubevat een jaar 365 . 24 . 3600 seconden = 3 . 107seconden. De permeabiliteitscoëfficiëntbedraagt dus 3.107 .10-11 mijaar = 3·10-4mijaar. Voor een wandoppervlak van 1 m2 wordtdat 3 . 10-4m3/jaar.Tabel 1Minimale behandelingstijdom bijeen bepaalde wcteendoor geideeItjes onderbroken capillair systeem tekrijgen6wcf0,400,450,500,600,70>0,70nabehandelingstijd3 dagen7 dagen14 dagen6 maanden> 1jaaronmogelijk0,6 0,8wet --.0,40,2oJJ??DJJJJJJJJ|||JIJJor100"èf( 80TJ;g 60L-OlQJ+:QgroLTJ>..c 20I10Combinatie van hydratatiegraad en wet, waarbij decapillaire poriën nog een aaneengesloten netwerkvormenDeze waarde geldt echtervoor een wanddikte van1 m. Voorde werkelijke wanddikte van 20 cm= 0,2 m moet de berekende waarde wordengedeeld door 0,2. (Water stroomt 5 x zo snel doorde 5 x dunnere wand). Dat levert op:15· 10-4 m3/jaar = 1,5l/jaar.Met deze wat beter aansprekende waarde kannog wat worden gevarieerd: een twee maal zohoge grondwaterdruklevert 3 I/jaar, een dichterbeton, met een permeabiliteit van 1O-1? mts een10 x zo lage lek, dus 0,15 I/jaar of 1,5 I per 1°jaarenz.Literatuur1. Neville, Properties of concrete (behandelt o.a.diverse publikaties van Powers), PitmanPublishing, Londen, 19812. Romberg, Einfluss der Zementart auf diePorengrossenverteilungim Zementstein,Tonindustrie Zeitung und KeramischeRundschau, 1971, nr. 4De doorgelaten hoeveelheden zijn in al dezegevallen zo klein, dat in de praktijk helemaal geendoorlekkend water wordt waargenomen. Hetbetonoppervlak zal zelfs niet vochtig aanvoelen.Het water is al verdampt voor het naar buiten kantreden. Eventuele storende lekkage komt dusdoordat de wand door en door is gescheurd, erovermatige waterafscheiding heeft plaats-gevonden, ofwel een te hoge wcf is toegepastmet onvoldoende nabehandeling.Permeabiliteit voor andere stoffenDe permeabiliteit van beton voorwater is vanbelang wanneer eisen worden gesteld aan dewaterdichtheid, vooral wanneer een betrekkelijkhoge waterdruk aan één zijde van het beton staat.Er is al opgemerkt dat het aangeven van depermeabiliteit voor andere stoffen veelingewikkelder is. In verband met duurzaam-heidsaspecten is depermeabiliteit voor water-damp, zuurstof, koolzuurgas en chloride-ionenechter van veel algemener belang dan depermeabiliteit voor water. In dit nummer vanBETON/EK is daar duidelijk geen ruimte meervoor. We komen er daarom in een volgend artikelgraag op terug.7BETONlEK verschijnt 10 x per jaar.Abonnementsprijzen per jaar, inclusief verzamelbandvoor 3 jaargangen (incl. 4% BTW):Nederland, Nederlandse Antillen, België f 15.-overige landen f 25,-ISSN 0166-137x8administratie: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.