Een maandelijkse uitgave van deNederlandse Cementindustrieredactie-adresHerengracht 507 Amsterdamtelefoon 020-238531SulfaataantastingKwaliteit van beton houdt meer in dan alleensterkte. En zelfs van deze sterkte :is het moei-lijk zich een juist beeld te vormen. Meestalwordt hij immers, via proefkubussen, gemetenna 28 dagen. Dit is een vrij willekeurige termijnen we weten dat de sterkte van beton op delangere duur toeneemt, zij het dan zeer ge-leidelijk. Er zijn echter ook factoren die op denduur een negatieve invloed op de kwaliteit vanbeton uitoefenen. Voornamelijk hangen dezefactoren samen met het milieu waarin hetbeton verkeert, dus de invloeden van weer enwind, fysische aantasting en chemische aan-tasting.Een voorbeeld van fysische aantasting is deinvloed van afwisselend bevriezen en ontdooienen ook wel de werking van doolzouten. Bijchemische aantasting denken we aan deschadelijke invloed van een zuur milieu, aan deagressiviteit van rookgassen e.d. Dus milieu-invloeden van natuurlijke of kunstmatige oor-sprong.In BETON/EK 3/3 werd reeds een inventarisatiegemaakt van verschillende chemische in-vloeden op beton. Daarbij werd getracht eniginzicht in het mechanisme van dergelijke aan-tastingen te verschaffen. Van de sulfaataan-tasting werd daarbij slechts vermeld dat dezevan groot praktisch belang is en een zodanigeplaats in het geheel inneemt dat het de moeitewaard is er in een apart nummer van BETO-N/EK wat dieper op in te gaan.1oktober 1974Wat is sulfaataantasting?Hoofdbestanddelen van alle normale cementenzijn hydraulische calciumsilicaten. Portland-cementklinker bevat daarnaast, zij het inkleinere hoeveelheden, nog enkele anderebestanddelen. En één daarvan is een verbin-ding tussen kalk en aluminium, het tricalclurn-aluminaat of C3A.C3A heeft evenals de genoemde calciumsili-caten hydraulische eigenschappen. Het levertdus tijdens zijn reactie met water een bijdrageaan de sterkte-ontwikkeling en ook aan dewarmte-ontwikkeling. Aan deze laatste zelfsrelatief veel want C3A heeft van alle cement-mineralen de grootste warmte-ontwikkeling.C3A heeft overigens de neiging tot een on-stuimige reactie met water. Daarom wordttijdens het malen van cementen op basis vanportlandcementklinker (dus portlandcementzowel als hoogovencement) enkele procentensulfaat in de vorm van natuurlijk gips of anhy-driet toegevoegd. Men noemt dit een 'de bind-tijd regelende toeslag'. Via een ingewikkeldmechanisme wordt hierbij de reactie van C3Aals het ware met de andere bestanddelen in depas gebracht. Uiteindelijk wordt in de cement-steen, zoals dit ook bij de andere bestanddelengebeurt, het hydraat van C3A gevormd alseindfase van de reactie met water.Dit C3A-hydraat heeft nog steeds de mogelijk-heid om met sulfaat te reageren. Daarbij wordteen nogal ingewikkelde chemische verbindinggevormd, het ettringiet, dat naast C3A en sul-faat een groot aantal moleculen water in zijnkristalrooster bevat. Tijdens de vorming vandeze grote moleculen treedt daardoor een uit-zettende werking op. Dit gaat gepaard metzulke enorme inwendige krachten dat het betoner letterlijk, van binnen uit, door kapot wordtgedrukt. Vroeger sprak men wel van cement-bacil ; tegenwoordig gebruikt men vaker dejuiste term: aantasting door ettringiet-vormingofwel sulfaataantasting.Waarom is sulfaataantasting zo belangrijk?Uit BETONlEK 3/3 zult u zich nog wel herinne-ren dat er diverse mogelijkheden zijn waaropbeton chemisch kan worden aangetast. In demeeste gevallen ging het daarbij om specialeomstandigheden waarin het beton zich bevindt.Er bestaat echter een veel grotere kans datbeton zich in een milieu bevindt dat de moge-lijkheid van sulfaataantasting biedt.1. Zeewater bevat een aanzienlijke concentratieaan sulfaten. Het is duidelijk dat dit voor Ne-derland, met zijn grote waterbouwkundigetraditie, al voor grote hoeveelheden beton vanbelang is.2. In Nederland bevatten grond en grondwaterook dikwijls sulfaten in zodanige concentratiedat met sulfaataantasting moet worden ge-rekend.3. Een belangrijke vorm van luchtverontreini-ging is de aanwezigheid van zwaveldioxydedoor de verbranding van zwavelhoudendesteenkool en olie. Onder bepaalde omstandig-heden kan hieruit weer sulfaat worden ge-vormd met alle mogelijke gevolgen van dien.2Twee voorbeelden van beton in zee voorhavendammen: boven zgn. tetrapoden voor dehaven van Casablanca (Marocco) en rechtsde eerste aanzet voor de Noorderpier te Hoekvan Holland, opgebouwd uit betonblokken4. In rioolbuizen kunnen bij aanwezigheid vanzwavelhoudende verbindingen (onder meerzwavelwaterstof uit het rottingsproces van or-ganische stoffen) eveneens sulfaten wordengevormd. Omdat de bacteriologische proces-sen hierbij zich via gasvormige verbindingenafspelen, vindt de aantasting hoofdzakelijkplaats in het 'gasgedeelte' van de buizen, dusniet in dat gedeelte dat in contact is met heteigenlijke afvalwater.5. Tenslotte zijn er nog enkele minder alge-mene gevallen waarbij met sulfaten moet wor-den gerekend. Als voorbeeld kan genoemdworden zwembadwater. In de reeks chemi-caliën die hieraan wordt toegevoegd,komtdikwijls sulfaat voor in zodanige hoeveelhedendat van lichte agressiviteit moet worden ge-sproken. Een ander voorbeeld is de opslag vansommige soorten kunstmest.Welke omstandigheden zijn van invloed opsulfaataantasting?Voor de vorming van ettringiet in schadelijkehoeveelheden moet aan twee voorwaardenworden voldaan.1. De aanvoer van sulfaat in het beton. Demogelijkheid daartoe is aanwezig als een sul-faatoplossing in contact is met beton en hierinvia het capillaire poriënsysteem kan oirmen-dringen. Behalve de concentratie van de sul-faatoplossing waarmee het beton in contact is,speelt de porositeit van het beton een door-slaggevende rol.2. De aanwezigheid van CaA-hydraat in de ver-harde cementsteen. Het ligt daarbij voor dehand om aan te nemen dat, onder overigensgelijke omstandigheden, de schadelijke wer-king toeneemt naarmate het CaA-gehalte hogeris. In het algemeen geldt dit dan ook.De drie factoren: sulfaatconcentratie van hetmilieu, porositeit van beton en CaA-gehalte vancementsteen verdienen wel enige afzonderlijkeaandacht.SulfaatconcentratieInderdaad blijkt, indien aan de overige voor-waarden voor aantasting is voldaan, dat hogeresulfaatconcentraties leiden tot grotere schade.3Er zijn al vele voorstellen gedaan om bepaaldeconcentraties sulfaat te klasseren naar demate van schadelijkheid. Scherpe grenzenkunnen hier niet worden getrokken. Bovendienheeft men vrijwel nooit te maken met zuiveresulfaatoplossingen, maar allerlei nevenbestand-delen kunnen ook nog een rol spelen. Eenbruikbare vuistregel wordt bijv. gevonden inhet volgende staatje.ISulfaatconcentratie IAgressiviteit Iin water 200- 600 mg/I matig600-3000 mg/I sterk> 3000 mg/I zeer sterkin luchtdroge 12000-5000 mg/kg Imatiggrond > 5000 mg/kg sterkVoor de invloed van nevenbestanddelen moetnaar de specialistische literatuur worden ver-wezen. Als uitzondering wordt hier slechtszeewater genoemd. Dit heeft een hoog chlo-ridegehalte. De invloed hiervan op hetchemisch mechanisme :is zodanig dat de sul-faataantasting van beton in zeewater minder isdan verwacht zou worden uit het sulfaatge-halte. Dit is natuurlijk van groot praktischbelang.4Ook de toegang tot de Scheveningse haven isde afgelopen jaren vergroot en verbeterd doortoepassing van grote betonblokken voorhavendammenBetonnen beschermingsblokken bij de weste-lijke buitenmuur van het eiland Helgoland;de blokken zijn aangelegd rond 1916, de foto isvan 1968Aan de westkust van het eiland Sylt zijn in dejaren 1922/1925 kribben van betonpalen aan-gelegd. De palen zijn voor onderzoek in deloop der jaren meerdere melen getrokken enopnieuw ingeheid; dit verklaart de beschadi-ging aan de koppen (foto uit 1962)Porositeit van betonVoor de trouwe lezers hoeven we deze factornog nauwelijks toe te lichten. De porositeit vannormaal, goed verdicht beton wordt bepaalddoor de water-cementfactor. Volkomen dicht isbeton nooit; bij beperkte wcf (bijv. < 0,5) isbeton echter vrijwel ontoegankelijk voor vloei-stof onder de normaal optredende drukken.Zie hiervoor ook 'Waterdicht beton' inBETONlEK 1/11.Denk eraan dat de scheurgevoeligheid vanbeton hier van groot belang is. Doorlopendescheuren vergroten de toegankelijkheid voorvloeistof en verminderen daardoor zowel dewaterdichtheid als de sulfaatbestandheid.CaA-gehalte en sulfaatbestandheid van ce-mentenDe meest betrouwbare test voor het meten vande sulfaatbestandheid van beton is altijd nogde praktijk. Beproevingen onder praktijkom-standigheden zijn echter kostbaar door degrote series betonnen proefstukken van ver-schillende samenstelling enz. Praktijkproevenzijn daarnaast ook tijdrovend omdat het nueenmaal gaat om het gedrag van beton oplange en zelfs zeer lange termijn. Men heeftdaarom gezocht naar geforceerde, snellerebeproevingsmethoden voor het gedrag van ce-menten ten aanzien van de sulfaatbestandheid.De relatie van deze laboratoriumproeven metde werkelijke oraktiikomstandigheden is echterop zijn zachtst qezeqd twijfelachtig.Gelukkig is er inmiddels een enorme hoeveel-heid gegevens verzameld over dit onderwerp,óók van praktiikoroeven 00 grote schaal en oplange termijn. Een bekend voorbeeld hiervanis de proef op Helgoland waar vanaf omstreeks1900 een aantal betonblokken van verschil-lende samenstelling werd blootgesteld aan deinvloed van zeewater, weer en wind.5Over dit onderwerp bestaat een uitgebreideliteratuur en het zou veel te ver voeren omhiervan zelfs maar een overzicht te geven. Eenalgemene bruikbare conclusie is er wel uit tetrekken.1. Er zijn speciale cementsoorten met een zeerhoge sulfaatbestandheid. Dit zijn aluminium-cement en gesulfateerd cement. Om andereredenen komen deze echter niet in aanmerkingvoor de normale betonfabricage.2. Normaal portlandcement is gevoelig voorsulfaataantasting. De gevoeligheid vermindertnaarmate het C3A-gehalte afneemt. Portland-cementen met een C3A-gehalte van 310/ 0 ofminder gelden als sulfaatbestand. Als C3A-arme of C3A-vrije portlandcementen wordendeze ook als zodanig op de markt gebracht.3. De sulfaatbestandheid van cementen :opbasis van portlandcementklinker en slak hangtaf van de mengverhouding èn van de atzon-derlijke eigenschappen van beide bestand-delen. De Duitse cementnormgeeft hiervoorbepaalde voorschriften en het is de bedoelingom ook in de nieuwe Nederlandse cement-norm, waarvan het Ontwerp binnenkort optafel komt, hieraan aandacht te besteden.Zoals reeds gezegd: het trekken van een scher-pe grens is een feitelijk onmogelijke zaak.Diverse proefnemingen hebben echter aan-getoond dat hoogovencement, zelfs met eenhoog klinkergehalte (tot 50%) en een kHnker-samenstelling die 'sulfaatgevoelig'is door hethoge C3A-gehalte, zich bijzonder goed ge-draagt. Vooral op lange termijn gedragenhoogovencementen zich gunstig, wat ookwordt bevestigd door de in het voorgaandereeds genoemde zeer langeduur-proeven. Menschrijft dit toe aan de poriènstructuur van6hoogovencementsteen die op den duur eenfijner en dichter karakter heeft dan portland-cementsteen.be conclusie hieruit is: de op de Nederlandsemarkt gangbare hoogovencementen kunneneveneens alssulfaatbestand worden aange-merkt.Hoe voorkomen we sulfaataantasting?Gewapend met het voorgaande is dat een een-voudige zaak. Sulfaataantasting kan slechtsoptreden als aan alle genoemde factorenwordt voldaan, dus:· voldoend hoge sulfaatconcentratiein hetmilieu;· voldoende porositeit van het beton;· sulfaatgevoeligheid van het cement.Als we uitgaan van een agressief milieu, zie desulfaatconcentraties in de tabel op blz. 3, danresten er nog twee factoren.Op de dichtheid van beton kunnen we veelinvloed uitoefenen. Een hoge betonkwaliteit,die zoals bekend gepaard gaat rnet een grotedichtheid, is sulfaatbestand.Dit is ook de reden dat heipalen die toch dik-wijls in een sulfaat-agressief milieu wordengeplaatst, van portlandcernent kunnen wordengemaakt, zonder dat dit tot problemen aan-leiding geeft. Terwille van de produktiesnelheidprefereert men nu eenmaal portlandcementklasse B of C. Maar de kwaliteit, dus de dicht-heid van deze betonnen heipalen staat danook vast, we mogen wel zeggen als een paalboven water!Als richtlijn zouden we kunnen aanhouden:· in zwak aantastend milieu (ook zeewater!)wcf < 0,5· in sterk aantastend milieu wcf < 0,4,Ook voor rioolbuizen geldt dat een dicht betoneen goede bestandheid geeft tegen sulfatenGeen twijfel aan de dichtheid van een betonnenheipaal7foto'sblz. 3: Bart Hofmeester/Rotterdamblz. 4: Cees van der Meulen/Heemstedeblz. 7: Anefo/Amsterdamblz. 8: KLM-Aerocarto NVvoor het maken van een sulfaatbestand beton,waarbij de keus van het cement geen rolspeelt.De sulfaatbestandheid van het cement gaatpas een rol spelen als het beton niet de boven-omschreven dichtheid bezit ofwel als er om-standigheden zijn die het inbouwen van eenextra veiligheid toch wel wenselijk maken.Daar zal men dan graag een cement rnet hogesulfaatbestandheid voorschrijven. Als zodaniggelden (behalve enkele speciale cementen):· C3A-arm of C3A-vrij portlandcement;· en de in Nederland gangbare hoogoven-cementen.Aanbevolen literatuur1. H. G. Smolczyk, 'Het gedrag van hoogoven-cement in chemisch agressief water'; Cement1967 nr. 32. H. Lamprecht, 'Mechanische en chemischeinvloeden van water op betonconstructies';Cement 1972 nr. 123. F. W. Locher, 'Untersuchung des Betons vonUferschutzbauten auf Helgoland'; Beton 1968nr. 2-34. H. Steinegger, 'Prüfung und Beurteilung derSulfatwiderstandsfähigkeit von Hochofen-zementen'; Zement-Kalk-Gips 1970 nr. 25. O. Gjorv, 'Long-time durability of concretein seawater'; Journalof the American Concretelnstitute 1971 nr. 16. :G. Stauperdahl, 'Prüfverfahren zur Bestim-mung der Sulfatbeständigkeit von Hochofen-zementen'; Baustoffindustrie 1974 nr. 1