ONDERZOEK NA AR DE INVLOED VAN OUDERDOM VAN POEDERKOOLVLIEGASBETON OP DE CHLORIDEMIGR ATIECOËFFICIËNT Belangrijk aspect bij het beschouwen van de levensduur van beton is de mate waarin het beton weerstand kan bieden tegen de indringing van chloriden, bijvoorbeeld uit zeewater of strooizouten. Die weerstand neemt in de loop van de tijd toe omdat het beton alsmaar dichter wordt. Bekend is dat beton met hoogovencement meer weerstand biedt dan normaal beton. Maar hoe zit dat met beton met poederkoolvliegas? En welke invloed heeft de ouderdom daarop? Weerstand tegen chloride-indringing van poederkoolvliegasbeton I n Nederland wordt al meer dan 25 jaar met succes beton toegepast met lage cementge- halten (beperkt tot 200 kg/m 3) en een hoog aandeel poederkoolvliegas (100 kg/m 3). Hier - bij wordt gebruikgemaakt van het 'concept voor de gelijkwaardige prestatie van beton' in NEN-EN 206 [3]. Hoewel de voordelen van een beton met poederkoolvliegas algemeen bekend zijn, is er reeds enige tijd discussie over de invloed van veroudering [4]. De mate waarin chloriden kunnen indringen in het beton wordt uitgedrukt in de chloridediffu- siecoëfficiënt [1] [2]. Die diffusie is tijdsafhan- kelijk. In welke mate de tijd invloed heeft op de weerstand wordt uitgedrukt in de veroude - ringscoëfficiënt. De chloridediffusiecoëfficiënt is voor beton met poederkoolvliegas initieel (na 28 dagen) veel hoger dan voor beton zon- der poederkoolvliegas. Echter, als gevolg van de puzzolane eigenschappen van poederkool- vliegas, neemt deze diffusie gedurende de tijd sterker af. Anders gezegd: de verouderings - c oëfficiënt van poederkoolvliegasbeton is hoger dan die van beton met hoogovencement of portlandcement. De invloed van de ouderdom op de chloride - diffusiec oëfficiënt wordt doorgaans als volgt uitgedrukt: D t = D 0 (t0/t) n waarin: D t is de chloridediffusiecoëfficiënt op tijdstip t D 0 is de chloridediffusiecoëfficiënt op refe - rentietijdstip t 0 (doorgaans 28 dagen) n is de v erouderingscoëfficiënt In de fib-modelcode voor ontwerpen op levensduur [2] wordt een factor van 0,60 gege - ven voor de verouderingscoëfficiënt n van poe - derkoolvliegasbeton. CUR-Leidraad 1 [5] geeft hogere waarden: 0,70 voor XS3/XD2 en 0,80 voor XS1/XD1/XD3. In recentere literatuur wordt zelfs 0,90 genoemd [6] [7]. Dat de ver - ouderingscoëfficiënt afhangt van de milieu- klasse heeft te maken met het vochtgehalte van het beton in de betreffende milieuklassen. Het chloride transport verloopt trager in beton met een lager vochtgehalte (lagere verzadi- gingsgraad). De grote verschillen in de waarde voor n heb - ben enorme invloed op de berekende levens - duur. Om die reden is een langdurig onderzoek uitgevoerd naar de invloed op de veroude - ringscoëfficiënt van: ? de her komst van poederkoolvliegas; ? her komst en normsterkte van portlandce - ment (dat in de combinatie wordt toegepast). VER ANTWOORDING Dit artikel is een vertaalde bewerking van de paper Ageing coefficient of fly ash concrete voor het 4th International RILEM Conference on Microstructure Related Durability of Cementitious Composites , geschreven door dr. Michel Boutz, dr.ir. Gert van der Wegen (beiden SGS Intron) en ing. Angelo Sarabèr (Vliegasunie). De bewerking is gedaan door ir. Jacques Linssen ( Betoniek /Aeneas Media). Als gevolg van de puzzolane eigenschappen van poeder­ koolvliegas, neemt deze diffusie gedurende de tijd sterker af 10 VAKBL AD 3 2020 Auteur dr. Michel Boutz, SGS Intron BV-2020-2_Poederkoolvliegasbeton.indd 10 21-09-20 12:31 ONDERZOEK Om de chloride diff usie te kunnen bepalen, wordt de chloridemigratiecoëffi ciënt bepaald met een versnelde methode (zie onder ' Test- methoden'). In het onderzoek is een typisch Nederlands portlandcement CEM I 52,5N (in het onderzoek gecodeerd als C1) gecombi- neerd met drie poederkoolvliegassen vanuit verschillende Nederlandse kolencentrales (FA1, FA2 en FA3). Aanvullend is één van de poederkoolvliegassen (FA1) gecombineerd met twee andere cementen CEM I 52,5 met een andere herkomst en een andere normsterkte (C2 en C3). Als referentie (Cref) is een Neder- lands hoogovencement CEM III/B toegepast, dat bekend staat om zijn hoge weerstand tegen chloride-indringing [3]. De chloridemigratiecoëffi ciënt van betonnen proefstukken met deze bindmiddelen zijn onderzocht op verschillende leeftijden, oplo- pend tot 5 jaar. Ook de elektrische weerstand is onderzocht omdat dit ook een beeld geeft van de weerstand tegen chloride-indringing. Om zo goed mogelijk in de buurt van de praktijk omstandigheden te komen, zijn deze proef- stukken na een initiële verharding buiten bewaard (onbeschut) tot het moment van testen. Materialen De chemische samenstelling van de in het onderzoek toegepaste poederkoolvliegassen staat in tabel 1 en de druksterkte van de gebruikte cementen in tabel 2. Cement C2 heeft duidelijk de langzaamste sterkteontwik- keling van de portlandcementen. Als toeslag- materiaal is Nederlands rivierzand (0?4 mm) en grind (4?16 mm) gebruikt. De maximale korrelafmeting is 16 mm om de variatie in de chloridemigratiecoëffi ciënt te beperken. In het beton is lokaal kraanwater gebruikt. Voor de juiste verwerkbaarheid is een super- plasti? ceerder toegevoegd (Tillman ON-S5000). In tabel 3 staan de onderzochte betonsamenstellingen. Alle samenstellingen hebben hetzelfde aandeel bindmiddel (cement + poederkoolvliegas = 360 kg/m 3), dezelfde water-bindmiddelfactor (0,45) en dezelfde dosering superplasti? ceerder. In tabel 4 staan de eigenschappen van de betonspecies. 1 Een electronenmiscroscopisch beeld van poederkoolvliegas, foto: SGS Intron Tabel 1 Chemische samenstelling poederkoolvliegassen [m%] FA1 FA2 FA3 SiO 2 58,6 61 61 Al 2O3 20,7 20,6 21,1 Fe 2O3 7,6 6,8 6,8 CaO 4,5 4,7 3,5 MgO 2 1,8 2,2 Na 2O­eq 2,5 3 2,7 TiO 2 0,88 0,86 0,94 P 2O5 0,55 0,38 0,34 gloeiverlies 2,7 0,72 2 < 45 µm 77,9 79,6 84,8 11 VAKBL AD 3 2020 BV-2020-2_Poederkoolvliegasbeton.indd 11 21-09-20 12:31 Proefstukken Na 4 minuten mengen, is het beton gestort in mallen van 150 × 150 × 150 mm 3. Ze zijn ver vol- gens bedekt met plastic folie en gedurende 24 uur opgeslagen in een klimaatkast bij 20 °C. Ver volgens zijn de proefstukken ontkist en ondergebracht in een bak met daarin met kalk verzadigd water van 20 °C. Na 7 dagen zijn de proefstukken gewikkeld in een plastic folie (geen verdamping van water) en opgeslagen in een klimaatkast bij 20 °C tot 91 dagen. Op dat moment zijn de folies verwijderd en uiteinde- lijk zijn de proefstukken buiten bewaard (onbeschut) tot het moment van testen. Er zijn een RCM­test, een TEM­test en een 'natuurlijke' diff usietest uitgevoerd TESTMETHODEN De druksterkte van het cement is gemeten vol- gens EN 196-1. De druksterkte van het beton is gemeten volgens EN 12390-3. Om de chloridemigratiecoëffi ciënt van het beton te bepalen, is een RCM-test uitgevoerd (Rapid Chloride Migration) volgens NT Build 492. Dit is een versnelde proef waarmee de zogenoemde D rcm -waarde wordt vastgesteld (zie kader 'RCM-test'). Voor de RCM-test is een cilindrisch proefstuk met een diameter van Ø100 mm en een hoogte van 50 mm gebruikt. Er zijn metingen uitge- voerd aan drie proefstukken per betonsamen- stelling en per leeftijd. Behalve de RCM-test is ook de TEM-test (Two Electrode Method) uitgevoerd zoals omschre- ven in [5]. Hierbij wordt de elektrische weer- stand van de betonnen proefstukken gemeten, die ook een maat is voor de weerstand tegen chloride-indringing. De weerstand is bepaald door stalen platen te klemmen op twee over- liggende malzijden van de kubus met daartus- sen een natte sponsdoek ten behoeve van goed contact. Tussen deze twee elektroden loopt een stroom door het gehele proefstuk (wisselstroom, 1 kHz), waarbij de spanning is gemeten. Op basis hier van is de weerstand berekend. Aanvullend onderzoek is uitgevoerd na 3 jaar verharden om de chloridediff usie vast te stel- len volgens EN 12390-11. Dit voor twee samenstellingen (Cref, C1FA1). Voor elke samenstelling zijn drie kubussen onderge- dompeld in een oplossing met 3% (m/m) NaCl-oplossing (20 °C) gedurende 90 dagen. Na het verwijderen van de kubussen uit de oplossing zijn zeven parallelle lagen van 1,0 mm droog afgeslepen. Het chloridegehalte van elke laag is vastgesteld volgens EN 14629. De non-steady state chloridediff usiecoëffi ci- ent (D nss) is afgeleid uit het gemeten chloride- pro? el met de methode zoals in de norm omschreven. RCM-TEST Bij de RCM­test wordt een proefstuk tussen een chloridevrije en een chloridehoudende alkalische oplossing geplaatst (? g. 2 en 3). Er wordt een spanningsverschil aangebracht tussen twee externe elektroden om het trans­ port van chloride­ionen door het proefstuk te versnellen. Na bepaalde tijd wordt het proef­ stuk gespleten en wordt op basis van een kleurindicator de indringingsdiepte van de vrije chloride­ionen bepaald. De D rcm­waarde wordt bepaald op basis van de gemeten indringingsdiepte, de toegepaste spanning en enkele andere parameters. 2 Schematische weergave RCM-test 3 Opstelling RCM-test Legenda 1. rubberen omhulling 2. chloridevrije oplossing (natriumhydroxide) 3. elektrode 4. proefstuk 5. chloridehoudende oplossing (natriumchloride) 6. kunststofbak 7. kunststofondersteuning 8. kathode 9. elektrische spanning Tabel 2 Druksterkteontwikkeling cementen [MPa] (EN 196-1) CREF C1C2C3 CEM III/B 42,5N CEM I 52,5N CEM I 52,5N CEM I 52,5N ENCI ENCICBR LixheSeibel Erwitte 2 dagen 11,830,123,230 7 dagen 33,347,938,751,1 28 dagen 56,461,85563 Tabel 3 Betonsamenstellingen [kg/m 3] CREF C1FA1 C1FA2 C1FA3 C2FA1 C3FA1 CEM III/B 42.5N 36000000 CEM I 52,5N 0 240 240 240 240 240 poederkoolvliegas 0 120 120 120 120 120 rivierzand 800 793 793 793 793 793 riviergrind 1015 1006 1006 1006 1006 1006 water (eff ectief) 162 162 162 162 162 162 superplasti? ceerder 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 1,8 Tabel 4 Eigenschappen gebruikte betonspecies CREF C1FA1 C1FA2 C1FA3 C2FA1 C3FA1 zetmaat (mm) 155 150 210 220 65 155 dichtheid (kg/m 3) 2350 2370 2350 2370 2370 2330 luchtgehalte (vol.­%) 22,1 1 11,9 1,9 12 VAKBL AD 3 2020 BV-2020-2_Poederkoolvliegasbeton.indd 12 21-09-20 12:31 RESULTATEN Druksterkte De ontwikkeling van de druksterkte in de tijd is weergegeven in ? guur 4. Het poederkoolvlie gasbeton laat een minder snelle sterkteont- wikkeling zien dan het referentiemengsel, maar bereikt na 6 maanden hetzelfde niveau. Een meer gedetailleerde blik op ? guur 4 en tabel 2 laat zien dat de sterkteontwikkeling en puzzolane werking vooral afhangen van de herkomst van het portlandcement en minder van de kwaliteit van de poederkoolvliegas. Chloridemigratiecoë? ciënt In tabel 5 staan de waarden van de chloride- migratiecoëffi ciënt D rcm bij een ouderdom tussen de 28 dagen en de 5 jaar. Deze ouderdom is gere- kend vanaf het moment van aanmaken van het beton (zoals gebruikelijk en dus niet vanaf einde nabehandeling). Op 28 dagen is de D rcm van de mengsels met poederkoolvliegas duidelijk hoger dan die van het referentiebeton met CEM III/B (Cref). Na 1 jaar zijn deze waarden echter verge- lijkbaar en na 3 jaar zelfs lager. De D rcm van alle poederkoolvliegasmengsels is na 3 jaar afgeno- men tot circa 0,5 ? 10 -12 m2/s. De D rcm is na 5 jaar bijna identiek aan die na 3 jaar (tabel 5). Na 5 jaar zijn overigens alleen de mengsels C1FA2 en C1FA3 geselecteerd (op de reden waarom wordt in dit artikel verder niet ingegaan). Vanwege de goede correlatie tussen de RCM- en de TEM- test (zie onder 'Relatie tussen RCM en TEM'), kunnen de RCM-waarden ook worden bere- kend vanuit de TEM-waarden. De RCM-waar- den die op deze manier zijn berekend, komen goed overeen met de resultaten na 5 jaar. De stijging van de TEM-waarden van alle poeder- koolvliegasmengsels laat zien dat de chloride- migratie continu blijft dalen, ook na 3 jaar. Elektrische weerstand De ontwikkeling in de tijd van de TEM-waarde van alle mengsels is weergegeven in ? guur 5. Deze waarde neemt toe voor alle mengsels gedurende de volledige periode van 5 jaar. Tot 1 jaar hebben de poederkoolvliegasmengsels minder weerstand dan het referentiemengsel, maar na 3 jaar en langer is de weerstand ver- gelijkbaar of hoger. Relatie tussen RCM en TEM Is ? guur 6 staat de relatie tussen de D rcm en de 1000/TEM van alle afzonderlijke testresulta- ten. De correlatie is heel duidelijk. Het product van de RCM- en de TEM-waarde is constant (K) en kan worden berekend uit de stijging in de trendlijn. De verkregen waarde is gelijk aan 1170 ? 10 -12 ?m 3s-1. Deze waarde komt min of meer overeen met de waarde 1000 ? 10 -12 ?m 3s-1 zoals gerapporteerd in [8] voor beton- mengsels met een water-cementfactor van 0,45 geproduceerd met zes verschillende cementtypen. Verouderingscoë? ciënt Figuur 7 laat de D rcm zien als functie van de tijd in een dubbel logaritmische schaal. Vanuit de helling van de trendlijn wordt de verouderings- Tabel 5 Chloridemigratiecoë? ciënt (×10 -12 m2/s) bij toenemende ouderdom 28 D 91 D 182 D 365 D 3 J 5 J Cref 2,1 1,11,10,9 C1FA1 16,7 42,11,20,5 C1FA2 18 4,62,21,40,40,5 C1FA3 18,3 4,92,81,40,40,4 C2FA1 22,9 63,51,80,4 C3FA1 17,1 63,21,70,5 Tabel 6 Verouderingscoë? ciënt n [?] berekend volgens twee methoden CREF C1FA1 C1FA2 C1FA3 C2FA1 C3FA1 methode 1 0,2 0,80,90,95 0,88 0,82 methode 2 ? 0,73 0,72 0,8 0,83 0,73 4 Ontwikkeling van de kubusdruksterkte in de tijd 5 Ontwikkeling van de TEM-waarde in de tijd 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 28 56 84 112 140 168 Druksterkte (MPa) Ouderdom (dagen) Cref C1FA1 C1FA2 C1FA3 C2FA1 C3FA1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 500 1000 15002000 TEM (?m) Ouderdom (dagen) Cref C1FA1 C1FA2 C1FA3 C2FA1 C3FA1 13 VAKBL AD 3 2020 BV-2020-2_Poederkoolvliegasbeton.indd 13 21-09-20 12:31 coëffi ciënt n berekend (tabel 6, methode 1). Deze n-waarde voor de poederkoolvliegas- mengsels varieert tussen 0,80 en 0,95 en is veel hoger dan die van het referentiemengsel (0,20). Zoals hier voor aangegeven, is het erg moeilijk om de zeer lage waarden voor de RCM van de poederkoolvliegasmengsels vast te stellen na een periode van 3 jaar. Daarom is zoals eerder aangegeven een tweede methode gebruikt om de verouderingscoëffi ciënt voor de poeder- koolvliegasmengsels vast te stellen. In deze methode zijn de RCM-waarden tussen de 3 en de 5 jaar berekend vanuit de TEM-waarden. Hier voor zijn de K-waarden vanuit de RCM- en de TEM-testresultaten tot 1 jaar gebruikt. De n-waarden verkregen uit deze tweede methode variëren tussen 0,72 en 0,83 en zijn dus lager dan verkregen met methode 1 (tabel 6). Deze aangepaste n-waarden komen goed overeen met de waarden zoals genoemd in CUR-Leidraad 1. Chloridedi? usie na 3 jaar De RCM-proeven laten zien dat bij een ouder- dom vanaf 1 jaar het poederkoolvliegasbeton een vergelijkbare of lagere D rcm heeft dan het referentiemengsel. Om dit belangrijke resul- taat te veri? ëren, is besloten de chloridediff u- sie te meten via een proef met onderdompe- ling, zoals beschreven in EN 12390-11. Dit voor het referentiemengsel (Cref) en één poeder- koolvliegasmengsel (C1FA1) bij een ouderdom van 3 jaar. De testresultaten (tabel 7) zijn bijna identiek voor beide mengsels. Dus zowel de versnelde methode (RCM-test) als de 'natuurlijke' methode laat zien dat op hogere leeftijd de weerstand tegen chloride- indringing van poederkoolvliegasbeton verge- lijkbaar of beter is dan beton met CEM III/B. Vergelijking met de praktijk In het onderzoek is de ontwikkeling van D rcm in de tijd gemeten tot 5 jaar. Tussen de 3 en de 5 jaar toont deze D rcm een geringe of geen afname voor poederkoolvliegasbeton. In dezelfde periode neemt de TEM-waarde wel toe, wat overeen zou moeten komen met een verdere afname van de D rcm . Om meer zekerheid te verkrijgen over het lang- termijngedrag, zijn resultaten gebruikt van een onderzoek van een 14 jaar oude snelweg in Nederland [9]. Het hier toegepaste beton bevat 350 kg/m 3 portlandvliegascement en een water-cementfactor van 0,42. Vanuit een cur ve ? t van het chloridepro? el is een waarde van 0,1 ? 10 -12 m2/s voor de diff usiecoëffi ciënt afgeleid [3]. Als deze waarde wordt toegevoegd aan ? guur 4 blijkt dit goed overeen te komen met de trendlijn van de RCM-waarden tot 5 jaar van het poederkoolvliegasbeton. 6 1000/TEM versus RCM voor alle afzonderlijke testresultaten tot 5 jaar 7 D rcm als functie van de tijd (log-schaal) Tabel 7 Chloridedi? usie (D nss) bij een ouderdom van 3 jaar DNSS (×10-12 M 2/S) sample 1 sample 2 sample 3 gemiddeldestandaardafwijking Cref 0,52 0,850,750,710,17 C1FA1 0,63 0,60,750,660,08 0 5 10 15 20 25 0 510 15 20 25 30 1000/TEM (1/? m) RCM-waarde (10 -12 m2/s) Cref C1FA1 C1FA2 C1FA3 C2FA1 C3FA1 trendline y = 0,8529x R2 = 0,976 0,1 1,0 10,0 100,0 10 10010.000 100.000 RCM-waarde (10-12 m 2/s) Ouderdom (dagen) Cref C1FA1 C1FA2 C1FA3 C2FA1 C3FA1 CUR 2000-2 14 VAKBL AD 3 2020 BV-2020-2_Poederkoolvliegasbeton.indd 14 21-09-20 12:31 BESPREKING VAN RESULTATEN Naar aanleiding van het onderzoek kunnen de volgende conclusies worden getrokken: ? De D rcm van poederkoolvliegasbeton is na 28 dagen veel hoger dan het referentiebeton met CEM III/B. De RCM-waarde na 1 jaar is echter vergelijkbaar en na 3 jaar zelfs lager. ? Zowel de versnelde methode als de natuur- lijke methode laten zien dat de weerstand tegen chloride-indringing van poederkool- vliegasbeton na 3 jaar gelijk of zelfs beter is dan het referentiebeton. ? De kwaliteit van het poederkoolvliegas heeft een beperkt eff ect op de afname van D rcm . ? De waarde van de verouderingscoëffi ciënt varieert tussen 0,72 en 0,83 voor poeder- koolvliegasbeton. Deze waarden komen overeen met de waarden genoemd in [8]. Het gaat hier om een laboratoriumonderzoek dat de potentie aangeeft van het poederkoolvlie- gasbeton, met optimale nabehandeling. In de praktijk is de nabehandeling echter niet zo opti- maal en kan de chloridediff usiecoëffi ciënt een hogere waarde hebben, zowel bij poederkool- vliegasbeton als bij hoogovencementbeton. Liter atuur 1 Duracrete Final Technical Report (2000) Document BE95-1347/R17, The European Union ? Brite EuRam lll, DuraCrete ? Probabilistic performance based durability design of concrete struct ures. 2 Model Code for Ser vice Life Design, CEB-FIP, ? b bulletin 34, 2006. 3 Wegen van der, G., Lichtmann, M. and Polder, R. Beton mit hohem Chlorid-eindringwiderstand. Erfahrungen aus den Niederlanden. Beton 5 (2018) 166-171. 4 Development of guidelines for durability design of reinforced concrete structures, J. Gulikers, RWS, in: proceedings of the conference Ser vice Life Design for Infrastructure, Delft, 2010. 5 Duurzaamheid van constructief beton met betrekking tot chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie, CUR-Leidraad 1, 2009. 6 Concrete binder performance evaluation in ser vice life design, J.H.M. Visser & R.B. Polder, pp. 330-340 in ConcreteLife'06, proceedings of the International Rilem-JCI Seminar on Concrete Durability and Ser vice Life Planning (2 006). 7 New perspective of ser vice life prediction of ? y ash concrete, Z. Yu & G. Ye, Construction and Building Materials 48 (2013) 764 -771. 8 Measurements with the Rapid Chloride Migration Test (VC81-99), A. Cheizoo, ENCI, 2007. 9 Duurzaamheid van beton met poederkoolvliegas in de praktijk, CUR-rapport 2000-2, 2000. De RCM­waarde van poederkoolvliegasbeton is na 1 jaar vergelijkbaar met en na 3 jaar zelfs lager dan die van beton met hoogovencement 8 Voorbeeld van de indringing van chloride in beton gemeten met de RCM-methode. Na het splijten van het proefstuk wordt het breukvlak besproeid met zilvernitraat (AgNO3), waarbij het beton met chloride-indringing (vaal)grijs (bovenste deel kern) kleurt. Uit deze indringingsdiepte wordt de chloridemigratiecoeffi cient berekend, ? guur: SGS Intron 15 VAKBL AD 3 2020 BV-2020-2_Poederkoolvliegasbeton.indd 15 21-09-20 12:31