WERELDWIJD STEEDS MEER ERVARING MET HULPSTOFFEN DIE KRIMP VAN BETON REDUCEREN Beton is een veelzijdig bouwmateriaal dat voor diverse toepassingen wordt gebruikt. Bij een deel van die toepassingen is krimp, om uiteenlopende redenen, een ernstig nadeel. Om de effecten van krimp in beton te beheersen worden meestal krimpwapening of krimpvoegen toegepast. Er zijn echter ook technologische ontwikkelingen waarmee krimp kan worden beheerst. Wat zijn de kansen en risico's van deze technologieën? Beton zonder krimp, BESTA AT DAT? B eton krimpt door diverse chemische en fysische mechanismen, hierover zijn al vele boeken vol geschreven. De grootste factoren zijn autogene krimp, uitdrogings - krimp en thermische krimp. Globaal zijn de oorzaken dat het volume van het verharde materiaal kleiner is dan de losse componenten cement en water, waardoor er krimp ontstaat. Daarnaast treedt er een volumeverandering op wanneer het water niet volledig is gebonden met het cement en daarna uitdroogt. Ook bij afkoeling, bijvoorbeeld van de opgebouwde hydratatiewarmte, neemt het volume van het beton af. Op deze vormen van krimp kan weliswaar enige mate van invloed worden uitgeoefend, bijvoorbeeld door het gekozen mengsel of het beheersen van omstandigheden, maar het is niet mogelijk het volledig tegen te gaan. VERHINDERDE KRIMP Bij alle constructies van enige omvang komt verhindering van krimp voor. Bijvoorbeeld bij betonvloeren en -platen die direct op een niet- glijdende ondergrond worden gestort zonder dat er krimpvoegen worden toegepast (foto 2). Hierbij valt te denken aan monolietvloeren in 1 Storten en afwerken van een vloer met zweller in Zweden, foto: ABT grote bedrijfshallen of kelder vloeren, maar ook aan onderwaterbeton. Een andere situatie waarbij krimp wordt verhinderd betreft beton- wanden die op een eerder gestorte betonplaat worden gestort, bijvoorbeeld in kelders, tunnels en onderdoorgangen en waterzuive - ringen. Ook van een dek dat op wanden wordt gestort, kan de krimp zijn verhinderd. KRIMPSCHEUREN Als het krimpen van het beton wordt verhinderd, ontstaan trekspanningen. Zijn die trekspanningen groter dan de treksterkte, dan ontstaan scheuren. De som van autogene krimp en uitdrogingskrimp is bij verhindering al voldoende om de spanningen te laten oplopen tot boven de treksterkte. De huidige strategie voor het beheersen van scheuren is vaak de scheurwijdte te beperken door het toepassen van krimpwapening. Dat kan een traditionele wapening zijn. Maar ook staalvezels in combinatie met een kleine hoe - veelheid traditionele wapening in het beton zijn hier voor erg effectief. Bij beheerste scheurwijdte heeft beton in principe een lange levensduur en is het relatief waterdicht. Toch zijn er betrekkelijk veel problemen met 20 VAKBL AD 3 2021 Auteur Niki Loonen, ABT 4. krimpvrij beton.indd 204. krimpvrij beton.indd 20 15-10-21 09:2415-10-21 09:24 21 VAKBL AD 3 2021 4. krimpvrij beton.indd 214. krimpvrij beton.indd 21 15-10-21 09:2415-10-21 09:24 constructies als gevolg van krimpscheur- vorming, bijvoorbeeld een verkorte levensduur en lekkage. Ook met de toepassing van krimp- voegen zijn deze veelal niet naar volle tevre- denheid te beheersen. Beton heeft weliswaar zelfhelende eigenschappen, maar bij beton met hoogovencement zijn deze beperkt (en in Nederland is dat een zeer veel toegepast en relatief duurzaam bindmiddel). Dit omdat er bij beton met hoogovencement minder calcium- hydroxide als reactieproduct aanwezig is. KRIMPREDUCTIE Krimp kan worden gereduceerd door beton- technologische optimalisatie van water- en cementgebruik, maar 100% effectief is dat nooit. Er zijn zoals gezegd ook technologische ontwikkelingen waarmee krimp kan worden beheerst. Daarbij kunnen middelen in het beton worden toegepast die krimp reduceren. Voor de Nederlandse situatie zijn dat er drie: ? Kr impreducerende hulpstof / Shrink Reduc - ing Agent (SR A) ? Z wellende hulpstof / Swelling Agent (SA) ? Z wellend bindmiddel / Calcium Sulfoalumi- nate cement (CSA) In Nederland worden deze middelen nog nauwelijks gebruikt. In het buitenland is toe - passing van zowel SA als SR A gebruikelijker. De toepassing van CSA-cement kent vooral belangstelling dankzij de lagere CO 2-uitstoot dan portlandcement. Bij enkele typen CSA is zwel een bijwerking die hier nuttig kan worden gebruikt. SHRINK REDUCING AGENT (SR A) Een SR A is een hulpstof die die de opper vlak - tespanning van het water verlaagt in de ver - harde fase van het beton en is daardoor ook iets plastificerend in de plastische fase van het beton. Het water heeft daardoor een minder grote opper vlaktespanning waardoor beton plastischer is bij verwerking en minder capillaire spanning opwekt bij verdamping uit verhard beton. De meeste SR A-producten kunnen de uitdrogingskrimp tot zo'n 40% redu- ceren. Hierbij zal er dus niet minder volume - krimp optreden. De uitwendige krimp wordt uitgewisseld voor grotere inwendige poriën; de massa-afname blijft gelijk. De toepassing van SR A leidt ertoe dat de krimpspanning afneemt en dus tot een afname van het aantal scheuren. Mogelijk dat krimp- scheuren zelfs in het geheel niet optreden, omdat de krimpspanning mogelijk onder de treksterkte blijft. Het effect op de wijdte van scheuren is beperkt, omdat die primair door de wapening wordt bepaald. Met de plastificerende werking van de hulpstof neemt ook de open tijd iets toe en de verhar - dingssnelheid iets af. Bijvoorbeeld bij mono- lietvloeren moet er rekening mee worden gehouden dat er wat meer tijd nodig is om de vloer af te werken. Een aandachtspunt zou kunnen zijn dat de krimpreductie leidt tot grotere poriën na uit - drogen; dit is een negatieve eigenschap. Door - dat er minder microkrimpscheuren ontstaan en de spanning beter kan relaxeren, is de beton- matrix over het algemeen minder diffuus. Het beton zou dus ook beter kunnen presteren op duurzaamheidsaspecten. Onderzoeksgege - vens naar positieve en negatieve effecten op levensduur zijn echter niet bekend. SWELLING AGENT (SA) Zwellers bevatten bestanddelen die in de plas - tische fase en de jonge verhardingsfase zwel- len. Voorbeelden zijn Quellmittel 1 van Sika en Expancrete van Mapei. Over het algemeen zijn dit poeders waar van de bestanddelen, als ze in aanraking komen met water, oxideren en daar - mee uitzetten. Meestal komt er bij de oxide van metalen waterstofgas vrij. Dit zorgt voor een aanzienlijke toename van het volume, echter zonder noemenswaardige opbouw van druk - spanning zodat uitdrogingskrimp nauwelijks wordt gecompenseerd. Sommige zwellers zor - gen voor een verbeterde etringietvorming, waardoor de zwel plaatsvindt waarbij wel opbouw van drukspanning plaatsvindt. Bijvoorbeeld bij ondersabeling van kolommen met krimparme mortels of het vullen van sparingen wordt een relatief grote mate van zwel gecreëerd om een goede aansluiting te verzekeren. Bijvoorbeeld bij betonvloeren of wanden wordt getracht om autogene krimp te compenseren. Het is zelfs mogelijk om door middel van de zwelling door etringietvorming het beton op voorspanning te brengen om latere krimp te compenseren. Bij deze laatste toepas - sing speelt relaxatie echter een aanzienlijke rol. Als de zwel in een relatief jonge fase van het beton optreedt, gaat een groot deel van de zwel 'verloren' doordat in het beton dan nog een zeer hoge mate van relaxatie kan optreden. 2 Tot circa 0,3 mm wijde scheuren in een monolietvloer In Nederland worden krimp reducerende hulpstoffen nog nauwelijks gebruikt 22 VAKBL AD 3 2021 4. krimpvrij beton.indd 224. krimpvrij beton.indd 22 15-10-21 09:2415-10-21 09:24 De zwellende hulpstoffen kunnen van invloed zijn op het reactieproces van het cement en de effectiviteit kan afhankelijk zijn van het type cement. De open tijd kan bijvoorbeeld afnemen en de middelen kunnen bij hoogovencement minder effectief zijn. Het is aan te bevelen om voorafgaand geschiktheidsonderzoek te doen naar open tijd, reactie snelheid en effectiviteit. CSA-CEMENT De meeste gebruikte bindmiddelen in beton zijn portlandcement en hoogovencement. Er zijn echter meer cementsoorten, waaronder CSA-(beliet)cement. Dit cementtype wordt met minder kalksteen en bij een iets lagere temperatuur geproduceerd, waardoor de CO 2- uitstoot lager ligt. Met name om die reden wordt met belangstelling naar de toepassing van dit bindmiddel gekeken. Een deel van de CSA-cementen heeft als bij- verschijnsel dat er in sterke mate ettringiet wordt gevormd bij de verharding. Ettringiet bindt veel watermoleculen en zwelt daarbij enigszins. Tevens kan dat gebonden water niet meer verdampen, waardoor ook de uitdro- gingskrimp afneemt. Afhankelijk van het type CSA kunnen enkele procenten cementver vanging al voldoende zijn voor een redelijke zwel. Deze toepassing is erg experimenteel en vergt om die reden zeker nog verder onderzoek. Ook verloopt de cement - r eactie relatief snel, waardoor geschiktheids - onderzoek zeker noodzakelijk is. CSA staat onder één naam bekend. Er zijn ech- ter diverse producten op de markt beschikbaar met sterk uiteenlopende prestaties, maar ook chemische samenstelling. Dit zit met name op de concentraties van de verschillende grond- stoffen die zijn gebruikt voor de productie van de CSA-klinker. De eigenschappen van het CSA-cement kunnen daardoor sterk variëren. Verder kan CSA helpen bij waterdichte con- structies. Wanneer er een overmaat aan cement wordt gedoseerd waarbij een deel bestaat uit CSA, is het waterbindend vermogen groot. Wanneer er scheur vorming optreedt, komt er water door de scheur en zal een onge - reageerd CSA een aanzienlijke hoeveelheid water kunnen binden. Waardoor er relatief veel self healend volume aanwezig is in het beton. BEPROEVEN VAN KRIMP EN ZWEL Krimpen van beton kan worden gemeten op beton- of mortelprisma's die kort na storten worden ontkist. In foto 4 is een meetopstelling weergegeven. Deze methode is vooral geschikt voor beton met een geringe autogene krimp (WCF ? 0,45) zonder de toepassing van zwellers, omdat die effecten al in de zeer vroege verhardingsfase optreden. Het is ook mogelijk om op mortelprisma's een infrarood meting uit te voeren vanaf het moment van vullen van de mal. Hiermee k unnen de effecten van autogene krimp en zwel beter in beeld worden gebracht. Adequate conditionering van de monsters is cruciaal voor een juiste meting. Er zal daarna een verrekening van mortel naar beton moeten worden gemaakt, omdat het grind in beton de effecten van zwel en krimp reduceert. Geen van beide proeven houdt rekening met het effect van kruip / relaxatie, waardoor met name het effect van autogene krimp en zwel in de zeer jonge verhardingsfase wordt overschat. Het is dus niet gezegd dat als krimpproeven uitwijzen dat met toepassing van zwellers geen verkorting meer optreedt, dat er dan ook geen krimpspanningen meer in de praktijk ontstaan. MEETRESULTATEN Op basis van resultaten uit onderzoek, projec - ten en product specificaties zijn grafieken samengesteld die weergeven hoe krimp, krimpreductie en zwel over de tijd verloopt (figuur 5-8). Deze geven een indicatie van de mate waarin krimp en zwel optreedt. Omdat ieder betonmengsel en iedere situatie anders is, zal altijd onderzoek nodig zijn naar speci- fieke mengsels en toepassingen. Het toege - paste bindmiddel heeft bijvoorbeeld een 3 Water voerende krimpscheuren in een kelderwand met een wijdte tot circa 0,15 mm Omdat ieder betonmengsel en iedere situatie anders is, is altijd onderzoek nodig naar specifieke mengsels en toepassingen 4 Proefopstelling meten krimp 23 VAKBL AD 3 2021 4. krimpvrij beton.indd 234. krimpvrij beton.indd 23 15-10-21 09:2415-10-21 09:24 aanzienlijke invloed op de autogene krimp en het watergehalte en de daaraan gerelateerde water-cement-factor op de uitdrogingskrimp. De grafi ek in fi guur 5 toont dat de autogene krimp in de jonge fase aan aanzienlijke invloed heeft op de totale krimp. Een zwelmiddel lijkt de krimp die in de jonge fase optreedt groten- deels te compenseren. Uit de 180-daagse grafi ek in fi guur 6 valt af te leiden dat de uitdrogingskrimp over het alge- meen dominant is over autogene krimp. Bij- voorbeeld bij massabeton, dat niet door en door uitdroogt, neemt het eff ect van uitdro- gingskrimp af. Thermische krimp is niet opge- nomen in de grafi eken. Hierover kan worden gezegd dat 10 ºC afkoeling overeenkomt met 0,001 m/m krimp. Bij 20 ºC afkoeling is het eff ect vergelijkbaar met de uitdrogingskrimp. Worden de verschillende eff ecten met elkaar gecombineerd, dan valt in de grafi eken in fi guur 7 te zien dat met een combinatie van SA- en SR A-krimpspanningen in de jonge fase tot 7 à 14 dagen kan worden voorkomen. Op de lange termijn kan met de toepassing van SR A de krimpmaat van beton met circa een derde worden gereduceerd (fi g. 8). Met toepassing van SA en SR A lijkt het mogelijk de krimpmaat met een factor 2 te reduceren. Van het tijdsverloop waarin een CSA-cement tot zwel leidt is nog niet veel bekend. Uit litera- tuur volgt dat die zwel trager verloopt dan bij een SA omdat de zwel gelijk op zou lopen met de verharding. Als te snel te veel zwel wordt geïntroduceerd, kan het beton scheuren door het uitzetten van het beton. Omdat CSA- cement minder snel zwelt, kan er dus ook meer zwel worden geïntroduceerd, waardoor het mogelijk lijkt nog meer krimp te compenseren en de constructie mogelijk blijvend onder druk te zetten door zwel (voorspanning). GESCHIK THEIDSONDERZOEK De toepassing van krimpcompensatie staat in Nederland nog in de kinderschoenen. Het biedt echter interessante perspectieven. Om de ver- schillende technologieën goed te kunnen toe- passen, zal er vooraf moeten worden getest. De toepassing van de genoemde (hulp)stoff en kan immers invloed hebben op de verwerkbaarheid, open tijd, reactiesnelheid, eindsterkte en mogelijk ook de levensduur van het beton. Vooraf een geschiktheidsonderzoek uitvoeren om deze zaken op korte maar ook op lange ter- 0,0008 0,0006 0,0004 0,00020 -0,0002 -0,0004 -0,0006 -0,0008 -0,001 uitdrogingskrimp (1) uitdrogingskrimp met SR A (2) autogene krimp CEM I (3) autogene krimp CEM III (4) zwel met SA (5) uitdrogingskrimp (1) uitdrogingskrimp met SR A (2) autogene krimp CEM I (3) autogene krimp CEM III (4) zwel met SA (5) 1 + 4 2 + 4 2 + 3 + 5 2 + 4 + 5 0,001 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,0025 -0,003 0,001 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,0025 -0,0030,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 1 + 4 2 + 4 2 + 3 + 5 2 + 4 + 5 krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) tijd (dagen) tijd (dagen) tijd (dagen) tijd (dagen) krimpeecten krimpeecten krimpeecten krimpeecten gecombineerd 5 Gemeten krimp in de vroege fase (tot 14 dagen) 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0 -0,0002 -0,0004 -0,0006 -0,0008 -0,001 uitdrogingskrimp (1) uitdrogingskrimp met SR A (2) autogene krimp CEM I (3) autogene krimp CEM III (4) zwel met SA (5) uitdrogingskrimp (1) uitdrogingskrimp met SR A (2) autogene krimp CEM I (3) autogene krimp CEM III (4) zwel met SA (5) 1 + 4 2 + 4 2 + 3 + 5 2 + 4 + 5 0,001 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,0025 -0,003 0,001 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,0025 -0,003 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 1 + 4 2 + 4 2 + 3 + 5 2 + 4 + 5 krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) tijd (dagen) tijd (dagen) tijd (dagen) tijd (dagen) krimpeecten krimpeecten krimpeecten krimpeecten gecombineerd 7 Gecombineerde eff ecten krimp en hulpstoff en tot 14 dagen 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0 -0,0002 -0,0004 -0,0006 -0,0008 -0,001 uitdrogingskrimp (1) uitdrogingskrimp met SR A (2) autogene krimp CEM I (3) autogene krimp CEM III (4) zwel met SA (5) uitdrogingskrimp (1) uitdrogingskrimp met SR A (2) autogene krimp CEM I (3) autogene krimp CEM III (4) zwel met SA (5) 1 + 4 2 + 4 2 + 3 + 5 2 + 4 + 5 0,001 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,0025 -0,003 0,001 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,0025 -0,0030,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 1 + 4 2 + 4 2 + 3 + 5 2 + 4 + 5 krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) tijd (dagen) tijd (dagen) tijd (dagen) tijd (dagen) krimpeecten krimpeecten krimpeecten krimpeecten gecombineerd 6 Gemeten krimp tot 180 dagen 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002 0 -0,0002 -0,0004 -0,0006 -0,0008 -0,001 uitdrogingskrimp (1) uitdrogingskrimp met SR A (2) autogene krimp CEM I (3) autogene krimp CEM III (4) zwel met SA (5) uitdrogingskrimp (1) uitdrogingskrimp met SR A (2) autogene krimp CEM I (3) autogene krimp CEM III (4) zwel met SA (5) 1 + 4 2 + 4 2 + 3 + 5 2 + 4 + 5 0,001 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,0025 -0,003 0,001 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 -0,0025 -0,0025 -0,003 0,0005 0 0,0005 0,001 -0,0015 -0,002 1 + 4 2 + 4 2 + 3 + 5 2 + 4 + 5 krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) krimpmaat (mm/m) tijd (dagen) tijd (dagen) tijd (dagen) tijd (dagen) krimpeecten krimpeecten krimpeecten krimpeecten gecombineerd 8 Gecombineerde eff ecten krimp en hulpstoff en tot 180 dagen 24 VAKBL AD 3 2021 4. krimpvrij beton.indd 244. krimpvrij beton.indd 24 15-10-21 09:2415-10-21 09:24 mijn te toetsen, is zeker nodig bij combinaties van materialen die niet eerder zijn toegepast. Ook het zwel- en krimpgedrag zal vooraf moe- ten worden beproefd, omdat hulpstoff en ver- schillend kunnen reageren op de overige materialen in het beton. Bij gebleken geschiktheid kan met proefstor- ten en proefprojecten in de praktijk worden geëxperimenteerd. PR AK TIJK In het buitenland worden krimpreduceerders en zwellers al regelmatig toegepast (foto 1). Recent bijvoorbeeld bij bij een groot vrieshuis in Italië. Naar verluid zijn de er varingen daar- mee goed. Ook worden, onder de belofte van 'zero shrinkage concrete technology with no joints' door de fi rma Primekss wereldwijd, (maar nog niet in Nederland), monolietvloeren gerealiseerd, met behulp van technologie waarbij het beton zwelt en veel water wordt gebonden. Doordat er geen krimpspanningen optreden, worden de vloeren alleen construc- tief gewapend met staalvezels. Wel worden er in die vloeren nog op tussenafstanden van circa 40 tot 50 meter dilataties toegepast. Doordat er geen krimpspanningen optreden ontstaat bij belasting met puntlasten opgeslo- ten beton, waardoor de vloer aanzienlijk hoger belastbaar is. De vloeren worden daardoor circa 20% dunner uitgevoerd dan in Nederland gebruikelijk is. In het voorjaar van 2021 is een eerste monoliet- vloer in Nederland met SR A gestort. De uitvoe- ring hier van is probleemloos verlopen. Een tweede vloerstort met SR A staat gepland. Begin 2022 worden deze vloeren visueel beoordeeld om vast te stellen of de beoogde kwaliteits- verbetering daadwerkelijk wordt behaald. In het voorjaar van 2021 is een eerste monolietvloer met SRA gestort in Nederland Het is in eerste instantie aan te bevelen om de technologie van krimpreductie in te zetten om risico's te verlagen en kwaliteit en levensduur te verhogen, dus zonder verdere aanpassing van ontwerp of betonmengsel. Op termijn zou- den er kansen kunnen zijn om materiaal te besparen wanneer blijkt dat constructies in de praktijk ook na langere tijd scheur vrij blijven. RESUMÉ Hoe mooi zou het zijn als we beton konden maken dat minder of zelfs helemaal niet krimpt? Kelders worden dan waterdicht(er) en we kun- nen tunnels maken met minder of zelfs zonder lekkende dilataties. En de levensduur van beton neemt in uiteenlopende omstandigheden toe. De producten om krimp in beton te reduceren zijn er en deze worden in het buitenland ook al succesvol toegepast. Door te gaan testen en experimenteren kunnen de voordelen van deze middelen ook in Nederland tot een verbetering van het 'product beton' leiden. Zowel vanuit de branche van monolietvloeren als de grond-, weg- en waterbouw is er al inte- resse voor deze technologie. Het lijkt een kwes- tie van tijd totdat krimparm beton ook in Neder- land regelmatig toegepast gaat worden. LITER ATUUR1 Feij, J., Shrinkage reducing agent in concrete - The mechanism and its in? uences on the hydration process and mechanical properties. Master thesis in the department of Materials Science and Engineering at Delft University of Technology. Mei 2020 Op zoek naar je droombaan in de betonwereld? Kijk in onze vacaturebank op betoniek.nl\fvacatures 4. krimpvrij beton.indd 254. krimpvrij beton.indd 25 15-10-21 09:2415-10-21 09:24