, ,5 T C H T N G BETONPR 5 M AVast en zekerVeel materialen hechten aan elkaar. Inverschillende industrietakken is het zelfseen specialisme. Denk maar aan hetverlijmen van vliegtuigonderdelen en -dichter bij huis - de ingelijmde ruiten vanonze auto's. Het fenomeen hechtinghoudt de bouw al sinds mensenheugenisbezig. Jammer genoeg niet altijdvanwege bereikte successen. Vooralkennis van zaken is hier van belang.Deze aflevering van 8E.TONIE.K gaatdaarom in op de belangrijkste principesen randvoorwaarden voor het realiserenvan een goede hechting tussen cement-gebonden materialen onderling oftussen cementgebonden en anderematerialen.POSTBUS 3532 '5203 DM 'S-HERTOGENBOSCH 'Een van de belangrijkste voorwaarden voor een goede'samenwerking' tussen verschillende materialen is eenduurzame hechting (afb. I). Voorbeelden zijndekvloeren, wand- en vloertegels, reparatie- enbeschermlagen en zelfs het verlijmen van constructie-ve elementen. Over de wijze waarop deze duurzame[IJMicroscoopopname van een overlaging van een betonweg.De overgang tussen de afdek/aag en de ondergrond is duidelijkzichtbaar. Er is sprake van een goede hechting van hetporfierbeton (lichtgrijs) met het ondergelegen grindbeton (zwart).e=cementsteen, A=toeslag/zandkorrels, P= poriën. Over hettot stand komen van een goede hechting, leest umeer in dezeBETONlEKAugustus I september 1997JJJJJJJJJafJJ JJJJJJJJ"""""""'02""".... ........---"""'''''',..,......."'--...."""-"""....-----.........--_--.......,.."..> ..u..!!il..r..' _ ..... _I . . .i betonnen ondergrond !-k-._.__._-.-_._----_.- --I-[IJ Haakweerstand (mechanische interlocking) door bedekkingvan oppervlakteruwheden en het binnendringen van demortellaag in de poriën van de ondergrondhechting kan worden bereikt, is relatief weinig bekend.Zo bleek uit een Nederlands onderzoek in 1984 dateen groot deel van nieuw aangebrachte vloerenop bestaande balkonplaten binnen enkele jaren inaanzienlijke mate onthechting vertoonde.Dit betrof zowel vloeren op kunststof- als opcementbasis. Welke factoren spelen een rol bijde hechting van materialen aan beton en welkefactoren bedreigen de duurzaamheid van dezehechting?Praktijkvoorbeeld hechtingBij het metselen wordt dankbaar gebruikgemaakt van hetopzuigend vermogen van baksteen en kalkzandsteen(zie foto). De specie wordt door de onderdruk in de poriënvan de stenen naar binnengezogen waardoor de vaste-stofdeeltjes van cement dicht tegen het te hechten oppervlakaan komen te liggen. Dichter betekent een grotereaantrekkende kracht en ook een gemiddeld grotercontaetoppervlak. Een juiste afstemming van specie-eigenschappen op de te vermetselen steensoort is van.grootbelang. De steen mag immers niet zoveel water wegzuigendat de specie 'verbrandt' waardoor onvoldoende wateroverblijft voor de hydratatie van het cement Daarnaast magde steen niet te nat zijn, omdat dan onvoldoende zUigendewerking kan worden uitgeoefend op cle specie.HET TOT STAND KOMEN VAN HECHTINGIn het algemeen blijkt de binding tussen de onder-grond beton en een daarop aangebracht materiaal niette zijn gebaseerd op een chemische binding tussen debetonondergrond en het opgebrachte materiaal, maarop een combinatie van verschillende fysische krachten.Dit zijn met name de zogenoemde Van derWaalskrachten en de haakweerstand. Daarbij moetenwe beseffen dat hechting berust op het 'extreemlokale contact' tussen de betonondergrond en hetaangebrachte materiaal. Zo spelen Van derWaalskrachten pas een rol wanneer de afstand tussende ondergrond en het materiaal kleiner is dan 30 à 100nanometer (I nm= 10" m). Bij een grotere afstand zijndeze krachten verwaarloosbaar. De krachten nemenaf met de zevende macht tot de afstand.Dit betekent dus dat de ondergrond en hetaangebrachte materiaal zich op extreem korte afstandvan elkaar moeten bevinden om hechting te kunnengeven.Naast de Van der Waalskrachten levert de haakweer-stand, ook wel de 'mechanische interlock' genoemd,een bijdrage aan de hechting (fig. 2). Haakweerstandis het verschijnsel dat materialen in vloeibare toestandoppervlakteruwheden van het beton bedekken ensoms in de poriën binnendringen, waardoor eenmechanische verbinding tot stand kan komen.De haakweerstand is groter als de ondergrondDe zuigkracht van de poriën in metselsteen levert een grotebijdrage aan het realiseren van een goede hechtsterktetussen metselmortel en steenJJJJJJJJJaJJJJJJJJJ= waag;plastischevloeiwgasfaselIJWanneer op beton een vaste stofwordt aangebracht, is hetaantal contactpunten gering. Bovendien zijn er spanningscon"centratieseen opzuigend vermogen heeft. Dan wordt devloeibare kunststof, het cement en/of het waterdoor de onderdruk van het beton naar binnengezogen. Hierdoor komen de vaste-stofdeeltjesvan cement, kunststof en dergelijke, dicht tegende ondergrond aan te liggen. Dat betekent eengrotere aantrekkende kracht en ook een gemiddeldgroter contactoppervlak.Dat laatste, de grootte van het contactoppervlak,is natuurlijk van essentieel belang. Om te kunnenhechten, moet er eerst contact zijn tussen debetonnen ondergrond en het daarop aangebrachtemateriaal. Dat is dan ook de belangrijkste reden datde aangebrachte materialen of zogenoemdehechtlagen vloeibaar moeten zijn. Als een vaste stofwordt aangebracht, zijn er veel te weinig contactpun-ten om een goede hechting te kunnen geven (fig. 3).Daarom is het van primair belang om de ondergrondnat te maken of te bevochtigen met het bindmiddelof een hechtmiddel. Voor benatting is een voldoendelage viscositeit ofwel een goede vloeibaarheid nodig.Maar dat alleen is niet voldoende. De op te brengenlaag en de ondergrond moeten op zich voldoendeaffiniteit hebben, ofwel goed verenigbaar zijn.We spreken over compatibiliteit. Dit kan wordenbeschreven met de formule van Young voor hetbevochtigen van oppervlakken (zie ook fig. 4):[i]Wet van Young'Ysv · 'YSL = 'YLVcosewaarin:'Ysv is de oppervlaktespanning van het vaste stofdamp-oppervlak;'YSL is de oppervlaktespanning van het vaste stofvloeistof-oppervlak;'YLV is de oppervlaktespanning aan het vloeistofdamp-oppervlak;e is decontacthoek.Een kleine contacthoek duidt op moleculaireaantrekking tussen de op te brengen laag en deondergrond. Van dit gegeven wordt in de praktijkgebruik gemaakt bij vloeibare toevoegingen aan water,bijvoorbeeld voor het zemen van ruiten. Er ontstaandan immers geen hinderlijke druppels die lastig zijn teverwijderen zonder strepen op de ruit achter te laten.De bevochtiging is uiteraard ideaal als e = 0°.Bij een grote contacthoekblijven druppels als eenbolletje op de ondergrond liggen. Ook hiervan wordtpraktisch dankbaar gebruik gemaakt:bijvoorbeeldvoor het waterafstotend maken van autolak doordeze in de was te zetten. Iedereen kent wel hetverschijnsel dat, op een auto die pas in de was is gezet,de regendruppels mooi blijven liggen.Met het oog op hechting blijkt de ondergrond eenkritische oppervlaktespanning te hebben.Ldflm1 _ / / / .-/ betonnen '" / / :..-:- -I '/ '/..... I"';.... I ", .../ // / / / / / / '[I]Cementdeeltjes in de nabijheid van de ondergrond beton.De hechting wordt verbeterd door opvulling met fijnevulstoffenDe oppervlaktespanning van het vloeibaar aangebrach-te materiaal moet hier onder blijven om een idealebevochtiging te verkrijgen. Voor beton is dat in hetalgemeen niet zo'n groot probleem, omdat deoppervlaktespanning vrij hoog is. Echter, als hetoppervlak is bevuild met olie of iets dergelijks, kande oppervlaktespanning dalen, waardoor de benattingdoor het aangebrachte materiaal of de hechtlaagslechter wordt. Tot zover de voorwaarden voor eengoede benatting.Bij de kunststofgebonden materialen zal de hechtingper contactpuntje tussen het beton en de kunststofminder zijn dan bij de cementgebonden mortels.Dit komt door de minder gunstigeoppervlaktespan-ningsverhouding. Aan de andere kant is de benattingvan het beton door kunststof echter beter dan doorcementdeeltjes. Dat komt doordat kunststoffen invloeibare vorm voorkomen, waardoor het aantalcontactpuntjes groter is.HECHTING BIJ CEMENT- EN KUNSTSTOf-GEBONDEN MORTELLAGENIn het algemeen is het voorbehandelen van deondergrond met vloeibaar materiaal of een hechtlaagvoor zowel cementgebonden als kunststofgebondenmaterialen geen probleem.Bij cement zijn de weinige contactpunten eenaandachtspunt. Zoals gezegd, kan dit wordenverbeterd door gebruik te maken van stoffen die deholle ruimte tussen de cementdeeltjes opvullen.Behalve het al genoemde silica fume, kunnen hiervoorook kunststoftoevoegingen in de vorm van dispersiesworden gebruikt. De kunststofbolletjes vullen deruimten tussen de cementdeeltjes op en zorgen er zovoor dat het contactvlak groter wordt.betonnen ondergrond, blijken in het algemeen slechtseen deel van het beschikbare oppervlak te beslaan.Dit komt door de relatief grove structuur van hetcementdeeltje (fig. 5). Het blijkt dat de hechting kanworden verbeterd door gebruik te maken van fijnevulstoffen, zoals silica fume. Deze fijne stoffen vullenruimten tussen de cementdeeltjes op en gevendaardoor een groter contactoppervlak.///····.. ·....:···· ·.......··Blijft over de vraag wanneer de hechting voor deVan der Waalskrachten en de haakweerstand hetbeste is. Bij de Van der Waalskrachten blijkt dat debindingsenergie maximaal is als de oppervlaktespan-ningvan het aan te brengen materiaal iets hoger isdan de kritische oppervlaktespanning. Dit betekentdat het aan te brengen materiaal een oppervlaktespan-ning moet hebben die niet veel afwijkt van die van debetonnen ondergrond.Voor de kunststoffen is het belangrijk dat er eenonderdruk in het beton aanwezig is, zodat dekunststof kan worden opgezogen. Dit verbetert dehaakweerstand. Verder moet worden bedacht datkunststoffen niet of nauwelijks hechten aan eenvochtig oppervlak. Een voldoende droge betonnenondergrond is daarom nuttig.Bij cementmortels moeten we onderkennen dat waterhet beton weliswaar goed zal bevochtigen, maar dathet bindmiddel in wezen wordt gevormd door dereactie van cement met water. De contactpuntentussen de ongehydrateerde cementdeeltjes en deINVLOED VAN SPANNINGEN OP DEHECHTINGHiervoor behandelden we de basisbegrippen en derandvoorwaarden om een goede hechting te.realiseren. Maar of een laag blijft vastzitten, wordtook bepaald door de optredende spanningen.JJJJJJJJJJJJJJNNNJJJJJJJ"Praktijkvoorbeeld hechting cement- enkunststofgebonden mortellagenHet voorbehandelen van een betonnen ondergrond metvloeibaar materiaal ofeen hechtlaag, is voor zowelcementgebonden als kunststofgebonden materialen geenprobleem.Voorwaarde is wel dat het oppervlak eerst goed wordtschoongemaakt en systematisch wordt ontdaan van alleverontreinigingen. Hiermee wordt voldaan aan de voorwaardevan een goede verenigbaarheid (ook wel compatibiliteitgenoemd) van de aan te brengen laag met de ondergrond.De daarna aan te brengen hechtlaag kan bestaan uitgemodificeerd basismateriaal van de mortel/aag waaraan eenfijne vulstofofeen kunststofdispersie is toegevoegd.Hiermee wordt bereikt dat het contaaoppervlak tussen deaan te brengen laag en de ondergrond wordt vergroot, metals resultaat dat de Van der Waalskrachten de hechtsterktekunnen vergroten. Verder zal een mortel met fynere delenbeter kunnen uitvloeien in holten van de ondergrond waardoorde haakweerstond toeneemtHet opzuigen van de vloeibare hechtlaag door de poriën vande ondergrond kan verder bijdragen aan een groterehechtsterkte. Afhankelijk van het type hechtmiddel zal hetnodig zijn de ondergrond wel ofniet voor te bevochtigen.Voorbevochtigen moet met aandacht gebeuren.Te weinig voorbevochtiging kan leiden tot te veel onttrekkingvan vloeistofc.q. water aan de hechtlaag, waardoor deze tesnel uitdroogt Te veel voorbevochtigen is er de oorzaak vandat de poriën geen zuigkracht uitoefenen en er geenhechtlaagmateriaal naar binnen wordt gezogen. In dit gevalschiet de voorbevochtiging zijn doel volledig voorbij.Een praktische graadmeter voor juist voldoende bevochtigingmet water is zoveel aan te brengen dat het oppervlak van deondergrond juist niet glanzend nat is.Voor een optimaal resultaat moet de aan te brengen mortellaagnat in nat wordt aangebracht op de hechtlaag.Deze mogen niet groter worden dan de hechtsterktetussen het opgebrachte materiaal en de ondergrond.Een waarschuwing is hier op zijn plaats.Het is praktisch onzinnig om een grotere hechtsterktete eisen of te realiseren dan de treksterkte vande ondergrond. Bij overbelasting zal eventueelbezwijken dan immers direct naast de hechtlaag inde ondergrond geschieden.Het 'nat-in-nat' aanbrengen van cementgebondenbetonreparatiemortel. Bij grotere oppervlakken wordtfasegewijs gewerkt, dus eerst wordt een gedeeltevoorbehandeld met een hechtmiddel, waarna mortel wordtaangebracht enz.Aanbrengen van een hechtprimer voor herstel met eenkunstharsgebonden betonreparatiemortel. De ondergrond isvoorafgegritstraaldBij veel lagen die op beton zijn aangebracht, zoalsreparatiemortels. zijn de externe mechanischebelastingen die de hechting kunnen bedreigen vaakvan minder belang dan andere belastingen. Dezeandere belastingen komen voort uit vervormingenvan de op het beton aangebrachte laag. Doordat dehechtlaag deze vervormingen geheel ofgedeeltelijkverhindert, ontstaan spanningen en vervormingen.JJJJJJJJJaJJJJJJJJJJJJSpanningen in dekvloerenVervormingsverschillen leiden tot spanningen als devervormingen worden verhinderd. Bijvoorbeeld in het geval vaneen dekvloer die hechtend wordt aangebracht op een betonnenondergrond. De optredende spanningen leiden tot schade aan ofscheurvorming in de dekvloer wanneer ze de aanwezigehechtsterkte overschrijden. In het algemeen zal er altijd verschilzijn in eigenschappen met betrekking tot stijfheid c.q.elasticiteitsmodulus en lineaire uitzettingscoëfficiënt vanondergrond en dekvloer. Bedacht moet worden dat hoezeer ookwordt getracht deze eigenschappen te laten overeenstemmen,deze tijdsafhankelijk zijn. Hierdoor zullen de eigenschappen vanondergrond en dekvloer zich verschillend in de tijd ontwikkelen.Het risico op onthechting kan worden beheerst door deafmetingen van dekvloervelden te beperken. De spanningenkunnen dan niet zo groot worden dat er schade dooronthechting optreedtWanneer het niet mogelijk is dekvloervelden te dilateren, kanworden overwogen de dekvloer bewust niet hechtend aan tebrengen op de ondergrond. De optredende vervormingsverschil-len kunnen dan niet leiden tot spanningen, omdat devervormingen niet worden verhinderd. De uitvoering van eenHet opgebrachte materiaal kan onder meervervormen door:uitdrogingskrimp van het materiaal. Dit is meestaleen eenmalige vervorming die speelt bij cement-gebonden mortels en polymeergemodificeerdecementmortels.Maar ook bij mortels waarbijoplosmiddelen, dispergeermiddelen en dergelijkeverdampen, kan het optreden;chemische krimp van mortels. Dit speelt een rol bijthermohardende systemen, bijvoorbeeld bij epoxysen polyesters;thermische vervorming. Hierbij speelt met namehet verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten elasticiteitsmodulus tussen ondergrond enmortellaag een rol.Vaak moet worden gerekend met verschillendeuitzettingscoëfficiënten van het beton en hetopgebrachte materiaal. Vooral kunststofgebondenlagen hebben een aanmerkelijk hogere uitzettingscoëf-ficiënt dan beton. Indien hierbij ook de lagerewarmtegeleidingscoëfficiënt in aanmerking wordt77"Het aanbrengen van een dekvloerdergelijke vloer vereist wel de nodige voorbereiding. Eenbelangrijk aandachtspunt is dat de betonnen ondergrondvoldoende vlak is uitgevoerd. Wanneer dit niet het geval is,krijgen we immers toch te maken met haakweerstond, die deoptredende vervormingen zal beletten, met alle ongewenstegevolgen van dien.genomen, kunnen er aanzienlijke temperatuurver-schillen optreden tussen de betonnen ondergronden de kunststofgebonden laag.Vervormingsverschillen leiden tot spanningen als devervormingen worden verhinderd. Deze spanningenzijn te berekenen met een formule waarin de lineaireuitzettingscoëfficiënt, het temperatuurverschil en deelasticiteitsmodulus van het opgebrachte materiaalmet elkaar worden vermenigvuldigd.Het resultaat van deze berekening is de maximaalopgewekte spanning bij volledig verhinderdevervorming. Deze spanningen leiden in het opgebrach-te materiaal zowel tot trekspanningen in een richtingevenwijdig aan de ondergrond als tot schuifspanningenen spanningen loodrecht op het hechtvlak.Schematisch is dit weergegeven in figuur 6.FYSISCH-CHEMISCHE DEGRADATIE VANHECHTINGEen belangrijk aspect voor een duurzame hechting vaneen opgebrachte laag met de ondergrond is ook defysisch-chemische degradatie aan het oppervlak.JJJJJJJJJfafJJJJJJJJJJJJJrrs:w my ,. jong beton_lI -tt- o"x __LT", ,,;-roud beton(J'x ::;: trekspanning vanreparatiemortel parallel aan het hechtvlaku y ::;:·spanningen.loodrechtop.hethechtvlak'Txy= afschuifspanningenaan.het hechtvlakoTypische spanningsverdeling bij contractie van reparatiemortelWater heeft in het algemeen een hogere bindingsener-gie met beton dan vele kunststoffen. Dit leidt ertoedat bij zeer vochtige omstandigheden op den duur eenvermindering van de hechting kan plaatshebben,doordat water langzamerhand de plaats van hetpolymeer aan het oppervlak zal willen innemen. Letwel, het gaat hierbij om het materiaal ter plaatse vande hechtlaag.Een tweede mogelijke belasting van fysisch-chemischeaard is de degradatie van de kunststof als gevolg vaninwerking van het beton op de mortel of eventuelebeschermlaag. Cement is een materiaal met een zeerhoge alkaliteit. Niet alle polymeren zijn goedalkalibestand. Zo bleken de aanvankelijk veel gebruiktepolyvinylacetaten te verzepen, waardoor onthechtingplaatsheeft. Ook stoffen als polyvinylideenchloride, diein Amerika enige tijd zijn gebruikt, bleken niet geheelstabiel te zijn. Afgezien van onthechting leidden zevooral tot problemen vanwege de vrijkomendechloride-ionen en de daaropvolgende corrosie vanbetonstaal. Goede chemische compatibiliteit vanopgebrachte materialen met cementbeton is daaromeen absolute noodzaak.In het algemeen blijken de gebruikelijke kunststoffen,bijvoorbeeld in reparatiemortels, hier goed aan tevoldoen. Dit betreft onder meer epoxyharsen en demeeste styreenacrylaten, acrylaten en polyurethanen..BESLUITHechting is een gecompliceerd onderwerp. Van belanghierbij is inzicht in de werking van de Van derWaalskrachten, haakweerstand en compatibiliteit vanverschillende materialen. Om in de praktijk een goedeen duurzame hechting te bereiken, is bovenal eengoede en consequente voorbehandeling van debetonnen ondergrond noodzakelijk en een juistemateriaalkeuze. Bij het ontwerp moet bovendienvoldoende aandacht worden besteed aan hetvoorkomen van te grote spanningen die wordenopgewekt door verhinderde vervorming. Vooralwanneer grotere oppervlakken moeten wordenvoorzien van een hechtende dekvloer.LiteratuurCURIBetonvereniging-publicatie 172 'Duurzaamheiden onderhoud van betonconstructies'.Larbi, J.A en J. Bijen - De zwakste schakel in beton,Cement 1990 nr. 10, pp 13-19.JaJJww k&ilL& ;ColofonBETONlEK is een praktijkgericht voorlichtingsbladop het gebied van de betontechnologie en verschijnt10 keer per jaar.In de redactie zijn vertegenwoordigd: 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 ie 't mee.Overname van artikelen en illustraties is toegestaan,onder voorwaarde van bronvermelding.Abonnementsprijzen:Nederland f 28,50België f 29,50andere landen f 45,-Abonnementen lopen per kalenderjaar en wordenautomatisch verlengd, tenzij voor I decemberschriftelijk wordt opgezegd.ISSN 0166-137x __ ___kr~ dGroep vaktijdschriftenJJJ JJJJ JJaJJJ JJ J JJ