Een maandelijkse uitgave van deVereniging Nederlandse Cementindustriepostbus 3011, 5203 DA 's-Hertogenbosch september 1987Beton en kunststofNu beton als constructiemateriaal inmiddels eenkleine 100 jaar in ons land wordt toegepast, zoumen wellicht verwachten dat de ontwikkeling ervanzo langzamerhand wel tot stilstand is gekomen.Niets is echter minder waar. De regelmatige lezervan BETONlEKzal kunnen beamen dat de kennisvan de eigenschappen en het gedrag van betonnog voortdurend toeneemt.Vooral de laatste decennia vinden in snel tempoontwikkelingen plaats op het gebied van nieuwetoeslaqmaterialen, vulstoffen en bindmiddelen.Deze toepassingen worden soms gestimuleerddoor het zoeken naar oplossingen voor de milieu-problematiek, denk bij voorbeeld maar aan deintroductie van portlandvliegascement, het gebruikvan vliegas als vulstof in beton en het hergebruikvan beton- en metselwerkpuin.De ontwikkeling van nieuwe betonsoorten wordtmede beïnvloed door de mogelijkheden die dechemische industrie biedt. Zo hebben dehulpstoffen voor beton heden ten dage een vasteplaats veroverd. Belangrijker is nog dat door hetbeschikbaar komen van bepaalde chemischehulpmiddelen nieuwe toepassingsgebieden voorbeton worden ontsloten. Te denken valt bijvoorbeeld aan de toepassing van colloïdaal betonen schuimbeton.In deze categorie valt ook beton waarin bepaaldekunststoffen, ook wel polymeren genoemd,worden toegepast.Soorten polymeerbetonMomenteel is het volgende onderscheid te makennaar de wijze waarop kunststoffen in beton wordentoegepast, namelijk:- polymeer-geïmpregneerd beton;polymeercementbeton, ook wel polymeer-gemodificeerd beton genoemd;- polymeerbeton.Polymeer-geïmpregneerd beton ontstaat door hetimpregneren van normaal cementbeton met eenvloeibare kunststof. Zowel een gedeeltelijkeimpregnering tot een diepte van enkele millimetersonder het oppervlak als een volledigeimpreg-nering is onder bepaalde voorwaarden mogelijk.Polymeercementbetonis beton waarbij dekunststofin een beperkte hoeveelheid aan despecie wordt toegevoegd met het doel een aantaleigenschappen ervan in de vloeibare en verhardetoestand te verbeteren. Het materiaal behoudtechter het karakter van een cementgebondenmortel.Polymeerbeton is beton waarbij het cement alsbindmiddel volledig is vervangen door kunststof.De eigenschappen alsmede de bereiding vanpolymeerbeton wijken sterk af van die vancementbeton.Hoewel polymeergeïmpregneerd beton enpolymeerbeton nieuwe mogelijkheden lijken tebieden, is polymeercementbeton op dit momenthet meest interessant. Dit vooral vanwege detoepassing van polymeren in cementgebondenbetonreparatiemortels, waarbij gebruik wordtgemaakt van een aantal verbeterde eigen-schappen, zoals de grotere hechting aan deondergrond, de betere verwerkbaarheid en dedichtere structuur.Alvorens in deze aflevering verder op polymeer-11Schematische voorstelling van een thermoplast metenkele vertakkingen2Schematische weergave van de omzettinq van eenniet-vertakt naar een vertakt polymeer3Een etsstomeer in ontspannen (links) en in gestrekte(rechts) toestandcementbeton in te gaan, zullen we ons eerst eensverdiepen in de verschillende kunststoffen en huneigenschappen.KunststoffenDe kunststoffen vormen sinds de tweede wereld-oorlog een belangrijke nieuwe groep materialen,waarvan de oudste vertegenwoordigers overigensreeds een eeuw geleden werden ontwikkeld. Denkmaar eens aan celluloid als dragervan de eerstefilms en aan het produkt bakeliet. De toepassingvan kunststoffen in de bouw is pas de laatste25 jaar sterk in opkomst.Er zijn honderden kunststoffen en dit aantal wordtnog voortdurend uitgebreid. De mogelijkheden opdit gebied zijn zeer groot en dit geldt ook voor devariatie in eigenschappen. De toepassing wordt totnUtoe voornamelijk beperkt door het gedrag vankunststoffen bij hoge temperatuur, bijvoorbeeldbrand, en de hoge prijs ervan in vergelijking metvele traditionele bouwmaterialen. De grenzenworden echter steeds verlegd, onder meer doorcombinatie van kunststoffen met brand-vertragende toevoegingen in de vorm vandaarvoor geschikte vezels, korrels en poeders.Moleculaire structuurKunststoffen zijn opgebouwd uit macromoluculen.Een molecuul is de kleinste eenheid van eenchemische verbinding die de eigenschappen vandie verbinding bezit. Macromoleculen zijn 'reuzen-moleculen', opgebouwd uit honderden of zelfsduizenden reactieve eenheden (monomeren).De monomeren worden door chemische reactiesaaneengeschakeld tot polymeren. Deze polymeri-satie vindt fabrieksmatig plaats bij hogetemperatuur enlof druk of onder de invloed vanstraling, maar kan tevens geschieden onderinvloed van bepaalde toevoegingen, die dechemische reactie doen starten. Een voorbeeld2van dit laatste is een twee-componentenlijm.Op grond van de moleculaire structuur kunnenkunststoffen in een drietal groepen wordeningedeeld, namelijk:- thermoplasten;thermoharders;- elastomeren.Thermoplasten zijn materialen die steeds opnieuwdoor verwarming kunnen worden verweekt, danvervormbaar zijn en daarna na afkoeling weer vastworden. De thermoplasten zijn opgebouwd uitketenstructuren waarbij de monomeren zijnaaneengeschakeld tot lineaire macromoleculen.In de ketenstructuur kunnen spaarzamevertakklnqenvoorkomen (fig. 1). De ketens liggenmeestal verstrengeld in het materiaal. De samen-hang tussen de ketens is een gevolg van fysischekrachten.Thermoharders zijn slechts tot een bepaaldstadium in hun verwerking zacht en vervormbaar.Bij voortgezette verwarming harden ze uit enverkeren dan in hun eindtoestand, van waaruit zeniet meer plastisch vervormbaar zijn. De molecuul-ketens zijn op verschillende plaatsen onderlinggekoppeld via dwarsverbindingen (fig. 2). Menspreekt in dit van een net- of rooster-structuur. Hoe wijder de mazen, des te flexibelerhet materiaal zal zijn.Bij net-of roosterstructuren kan men geenafzonderlijke moleculen meer onderscheiden. Hetgehele vormstuk kan worden beschouwd als éénmacromolecuul van reusachtige afmetingen.Elastomeren kunnen zowel thermoplastische alsthermohardende materialen zijn. De kenmerkendeeigenschap is dat zij een rubberachtig elastischvoorkomen hebben. Hierbij komen wijdmazigenetstructuren voor (fig. 3). Tot de meest bekende4Schematische voorstelling van de structuur vanpolymeer-gemodificeerde cementpastaelastomeren behoren natuurrubber, polysulfide-rubber (Thiokol) en styreenbutadieenrubber (sbr).Uit deze indeling, gebaseerd op de chemischestructuur van de diverse kunststoffen, mag nietworden afgeleid dat thermoplasten altijd zacht zijnen thermoharders altijd hard. Thermoplastenkunnen ook hard en bros zijn, zoals bijvoorbeeldpolystyreen (ps) en polyvinylchloride (pvc).Thermoharders daarentegen kunnen ook inzachte soepele vorm voorkomen, bijvoorbeeldsommige polyurethanen (pur).Fysische eigenschappenVan kunststoffen kunnen in iedere gewenste vormprodukten worden vervaardigd, die afhankelijk vande moleculaire structuur wel of niet plastischvervormbaar zijn.Op grond van verschillen in fysische eigen-schappen zoals trek- en druksterkte, doorlaat-baarheid e.d., kunnen kunststoffen wordeningedeeld. Zo bestaat er een wetmatig verbandtussen het mechanisch gedrag van kunststoffenen de temperatuur. Op basis hiervan kunnenverschillende groepen .kunststoffen worden onder-scheiden. Dit onderscheid is van groot praktischbelang bij de toepassing.Bij toenemende temperatuur kan een aantalovergangen worden onderscheiden, waarin hetgedrag van de kunststof kenmerkende wijzigingenondergaat. Voor de toepassing van kunststoffen inbeton in de vorm van polymeerdispersies is metname de zogenaamde minimum verfilmings-temperatuur belangrijk. Alvorens hierop in te gaan,zal eerst worden uitgelegd wat dispersies zijn enwaarom ze worden toegepast.PolymeerdispersiesWanneer we cementbeton met kunststoffen willencombineren, is het duidelijk dat dit niet goed gaatdoor thermoplastische kunststoffen in hun meestgebruikelijke vorm met cement, water en toeslag-materiaal te mengen. Immers kunststoffen alspolyetheen, polyvinylchloride e.d. worden pasvloeibaar bij temperaturen boven 100 oe.Ook bij thermoharders doen zich soortgelijkeproblemen voor en wordt bovendien de uithardingvan de hars bij contact met water en cementverstoord. Door de kunststoffen in water tedispergeren kunnen de polymeren wel in een vormworden gebracht, waarbij menging mogelijk wordt.Zo'n dispersie bestaat uit twee niet (volledig)mengbare stoffen. De ene is in de vorm vandruppeltjes of zeer fijne deeltjes in de anderverdeeld (gedispergeerd). In dit geval duspolymeer in water of een mengsel van polymeer enharder in water.Indien de gedispergeerde toestand bestaat uitdruppeltjes of deeltjes kleiner dan 10 indiameter, blijken deze geruime tijd in water tekunnen blijven zweven alvorens ze door dezwaartekracht en door onderlinge aantrekkingsamenballen en bezinken.De wens is echter om de dispersie langere tijdstabiel te houden. Dit kan worden bereikt doordispergeerhulpmiddelen te gebruiken.Dispersies in betonEen nadeel van het gebruik van dispersies is weldat bij de samenstelling van mortels en beton ereen component bijkomt voor de gebruiker. Voorbepaalde gebruikers is dit een bezwaar; bijvoor-beeld de doe-het-zelver, die een tegellijm nodigheeft. Om dit probleem te overwinnen heeft mende dispersiepoeders ontwikkeld die zijnopgenomen in gebruiksklare mengsels. Er bestaateen groot aantal polymeren dat in dispersievormkan worden gebracht.Voor de toepassing in beton moeten echter35De dichtheid van polymeer-gemodificeerdecementsteen, als functie van het polymeergehalte1. vers gemengde specie2. na 28 dagen3. voorspelde dichtheid m.b.v. 'Iaw of mixture'(volgens Dingley, zie /it. 2)1.912 24 30polymeergehalte %beperkende eisen worden gesteld. Zo moet hetpolymeer alkalibestand zijn en dient de minimumtemperatuur waarbij de polymeerdruppeltjes bijverharding samenvloeien of verfilmen, zodanig tezijn, datonder de gangbare praktijkomstandig-heden de dispersie kan worden toegepast. Bij hetverfilmen vloeien de polymeerdruppeltjes ineen toteen samenhangende massa. Dat kan alleen als deafstand tussen de deeltjes klein genoeg isgeworden. Die afstand wordt kleiner als gevolgvan de reactie van cement met water en doorverdamping van water. Als de temperatuur van demortel of het beton lager is dan de minimumverfilmingstemperatuur, zullen de polymeer-druppeltjes als bolletjes dat wil zeggen als eensoort vulstof in het verharde materiaal achter-blijven.Tenslotte moet de dispersie plastificerend werkenom een zo goed mogelijke verwerkbaarheid van demortel of het beton te bewerkstelligen of om dehoeveelheid water die nodig is voor het bereikenvan een bepaalde plasticiteit te laten afnemen.Voor wat betreft de thermoplasten voldoen aanbovengestelde eisen sommige polymeerdispersiesvan styreenbutadieen, (zuivere) acrylaten,styreenacrylaten en o.m. polyvinylideenchloriden.De toepassing van deze laatste kunststoffen incombinatie metgewapend beton wordt echterafgeraden, omdat tijdens de verharding ervanchloride-ionen worden afgesplitst.Bij de thermoharders zijn het vooral de epoxy's dieworden gebruikt.Opgemerkt wordt dat bij het gebruik van sommigepolymeerdispersies schuimvorming in de vorm vanfijn verdeelde luchtbelletjes kan optreden. Ditgebeurt op een zelfde wijze als bij beton, waaraanzogenaamde luchtbelvormers zijn toegevoegd.Te veel luchtbelletjes werkt negatief op druk- en4buigtreksterkte en dient bij de meeste toepas-singen te worden vermeden. Aan dit bezwaar kantegemoet worden gekomen door anti-schuim-middelen toe te voegen.Gebruiksdoel en verwerkingsvoorschriftOm dergelijke dispersies te kunnen produceren isdiepgaande kennis van de kunststoftechnologienoodzakelijk. De dispersies worden om deze redenalleen fabrieksmatig vervaardigd. De fabrikantstemt de eigenschappen van de kunststof af op hetgebruiksdoel. Daarbij wordt vaak gebruik gemaaktvan verbindingen van verschillende polymeren,zogenoemde copolymeren, waaraan oplos-middelen en andere hulpstoffen kunnen zijntoegevoegd. .Dit betekent dat de uiteindelijke polymeerdispersiealleen optimaal is toe te passen onder deomstandigheden die de fabrikant voor ogen had bijde produktie ervan.Het is daarom zeer belangrijk om vóór detoepassing kritisch na te gaan of een bepaaldepolymeerdispersie geschikt is voor het beoogdedoel en de verwerkingsomstandigheden.Vervolgens moet tijdens de toepassing nauw-lettend worden gewerkt overeenkomstig hetverwerkingsvoorschrift van de fabrikant.Om deze handelwijze mogelijk te maken moet defabrikant bereid zijn voldoende relevanteinformatie bij zijn produkt te verstrekken. Hetgebruik van polymeerdispersies zonder voldoendekennis van de eigenschappen valt ten zeerste af teraden.Structuur van polymeer-gemodificeerdcementbetonDe reacties die tussen de cementmineralen enwater optreden zijn complex en voor de structuurvan het eindprodukt zijn vele modellen bedacht.Toevoeging van een polymeerdispersie beïnvloedt1= 0% harsgehalte2= harsgehalte/ 3 = 12 harsgehalte4 = 25% harsgehalte= 50%harsgehalteharsgehalte0456Vwater_cementfaetor 0,45temperatuurrelatieve vochtigheid 65%11 I" I0 1 4 5 6 72010c:c:6Spanning-stuikdiagram van een polymeer-gemodificeerde cementmortel op epoxybasis, bijverschillende harsgehaltenstuik E'deze structuur aanzienlijk. Dat begint al direct bijde eerste fase van de verharding. Het specifiekoppervlak van een dispersie met een gemiddeldedeeltjesgrootte van is vele malen groterdan van cement.Het zal duidelijk zijn dat dit tot een verstoring vande gebruikelijke tot standkoming van decementsteenstructuur moet leiden. In hetalgemeen vindt men dan ook een vertraging vande binding, die behalve door de deeltjesgroottevan het polymeer ook nog beïnvloed kan wordendoor de gebruikte dispergeermiddelen en hetpolymeer zelf.Voorde praktijk betekent dit dat bij sommigecombinaties van cement en polymeer met ernstigevertraging in de verharding rekening moet wordengehouden. Gebleken is echter dat na verloop vantijd de hydratatiegraad van cement ook bij eenhoger polymeergehalte niet lager is dan bijongemodificeerde mengsels, zodat er zeker geensprake is van een volledige verstoring van decementreactie.Onderzoek aan cementpasta's met eentoenemend gehalte polymeerdispersie heeft voorhet ontstaan van de materiaalstructuur hetvolgende beeld opgeleverd. Bij toevoeging vanminder dan ongeveer 15% (v/v) polymeer,betrokken op het totale volume van het mengsel,blijkt enige tijd na aanmaken van de pasta dat erzoveel water door de hydratatie van de cement-korrels wordt weggenomen, dat het polymeersamenvloeit (verfilmt). Decementkorrels wordenhierdoor min of meer ingekapseld.Na verloop van tijd groeien de cementhydratatie-produkten weer door in de polymeerfilm. Erontstaateen mengsel van polymeer en cement-hydraat. Afhankelijk van het polymeergehaltekomt dit polymeer/hydraat voorin de vorm vangeïsoleerde gebieden of als een doorlopendgeheel (fig. 4).Bij een hoger polymeergehalte dan ongeveer 15%(v/v) is er onvoldoende cement aanwezig om opalle plaatsen door de polymeerfilm heen te groeienen begint zich een continue uitpuur polymeerbestaande massa te vormen waarin de andereprodukten zijn ingebed.Opvallend is dat bij een polymeergehalte kleinerdan 15% (v/v) de dichtheid van polymeer-gemodificeerde cementsteen relatief groter is ende porositeit kleiner (fig. 5). Dit wordt wel verklaarddoor aan te nemen dat de cementgel een groterspecifiek volume heeft dan in het geval vanniet-gemodificeerde cementsteen. Mogelijk speeltook de chemische krimp bij polymeer-gemodificeerde cementsteen een grotere rol.Samengevat komt het er grofweg op neer dat bijtoevoeging tot ongeveer 15% (v/v) polymeer tenopzichte van het cement/polymeermengsel eenmortel ontstaat, die de eigenschappen heeft vaneen cementgebonden mortel, waarbij een aantaleigenschappen, waaronder de dichtheid, isverbeterd.Bij een hoger polymeergehalte dan 15% (vlv)ontstaat een mortel, die naarmate het polymeer-aandeel stijgt, meer de eigenschappen heeft vaneenkunstharsgebonden mortel waarin hetcementaandeel alleen nog de rol vervult vanwaterbindende vulstof.Mechanische eigenschappen van polymeer-gemodificeerd cementbetonToevoeging van thermoplastische polymeren envoor zover bekend ook thermoharders, leidt tot eenverlaging van de druksterkte van de mortel indiende water-cementfactorconstant wordt gehouden(fig. 6). Gezien de lage druksterkte en vooralkleinere elasticiteitsmodulus van de gebruikte57Herstellen van betonschade, met een kunststof-gemodificeerde cementmortelpolymeren ten opzichte van die van cementsteenen beton is dit niet verwonderlijk. Indien deverwerkbaarheid constant wordtgehouden, kan dewater-cementfactor lager worden en kan eengedeeltelijke tot gehele compensatie van hetverlies aan druksterkte plaatsvinden. Echter ookhier blijkt dat bijeen grotere toevoeging dan 15%(v/v)polymeer de invloed- opin dit geval deafname van de druksterkte - relatief groter wordt.De elasticiteitsmodulus neemt met een stijgendpolymeergehalte af en blijkt in het algemeen meertemperatuursafhankelijk te zijn dan die van niet-gemodificeerde cementbeton.De kruip van polymeer-gemodificeerd cement-beton blijkt groter te zijn.Wel moet worden opgemerkt dat de eigen-schappen van polymeer-gemodificeerd betonaanzienlijk kunnen verschillen in droge envochtige condities. Zo zijn er betrekkelijk weinigpolymeerdispersies die ook onder vochtigeomstandigheden hun gunstige invloed houden.Overige eigenschappenEen van de belangrijke redenen waarompolymeer-gemodificeerde cementmortels en betonworden toegepast, is de grotere hechting aan eenondergrond. Als gevolg van het wandeffect zal zichaan het hechtvlak veel polymeer bevinden. Bijporeuze oppervlakken zal het polymeer in gatenen poriën kunnen binnendringen en daardoor hethechtoppervlak vergroten.Hoewel de droogkrimp van polymeer-gemodi-ficeerde cementmortels en beton bij metingen van100% verzadiging naar bijvoorbeeld 50% RV nietveel blijkt te verschillen van ongemodificeerdemortels, zijn de vochtbewegingen in de praktijktoch kleiner. Dit komt omdat de wateropname68. Egaliseren met een kunststof-gemodificeerdepleisterlaag op cementbasisen -afgifte worden vertraagd, terwijl ook hetevenwichtsvochtgehalte lager is. Dit is te verklarendoor het feit dat de poriën door het polymeerworden geblokkeerd, waardoor de continuïteit vande poriënstructuur wordt doorbroken. Ditvermindert tevens de mogelijkheid van water-dampdiffusie.Met betrekking tot de duurzaamheid kan wordenopgemerkt dat door de dichtere structuur vanpolymeer-gemodificeerde cementmortel en debetere hechting van het cement aan het toeslag-materiaal de indringing van agressieve stoffenwordt vertraagd.UitvoeringsaspectenAangezien bij polymeer-gemodificeerde cement-mortel het polymeer in een vroeg stadium verfilmt,is het materiaal minder gevoelig voor uitdroging inhet aanvangsstadium. Het polymeer maakt hetmateriaal tevens goed verwerkbaar. Ook daarnasluit het polymeer de poriën gedeeltelijk afwaardoor verdamping wordt tegengegaan.De gevoeligheid voor de kwaliteit van de nabehan-deling wordt hierdoor sterk verkleind, hetgeen voorde meeste toepassingen als een groot praktischvoordeel kan worden beschouwd. Bij een hogerpolymeergehalte kan nabehandeling met water ineen te vroeg stadium het verfilmen van depolymeer zelfs bemoeilijken.9Doorsnede van een reparatieplaats in gewapend beton,uitgevoerd met een kunststof-gemodificeerdecementmortelfoto's: Caparol, BaarnBesluitDe polymeer-gemodificeerde cementgebondenmaterialen hebben inmiddels een groot aantaltoepassingsgebieden gevonden. Te noemen zijnonder andere de overlaging van betonnenwegdekken en bruggen (met name in de VS),tegelmortels en -lijmen, vloeren, reparatiemortelsen hechtlagen, coatings en glas- en staalvezel-versterkt beton.De vooruitzichten voor een bredere toepassing vanhet materiaal zijn veelbelovend. Ook hier geldtechter dat de uitvoering deskundig moetgeschieden. In dit verband zal het recent bij deeUR gestarte omvangrijke veldonderzoek naar dekwaliteit van in de praktijk aangebrachte polymeer-gemodificeerde betonreparatiemortels moetenaantonen of de verwachtingen niet te hooggespannen zijn geweest.Literatuur1. eUR-rapport Polymeerbeton, eUR, Gouda19852. Syllabus van de leergang Nieuwe bouw-materialen en hun toepassingsgebieden,voordracht 'Polymeer gemodificeerd beton',J. Bijen, PATO Bouwkunde, 19867BETONlEK verschijnt 10 x per jaar.Abonnementsprijzen per jaar, inclusief verzamelbandvoor 3 jaargangen (incl. 6% BTW):Nederland, Nederlandse Antillen, België f 18,50overige landen f 29,ISSN 0166-137x8administratie:postbus 3011, 5203 DA 's-Hertoqenboschtelefoon (073) 401231Abonnementen lopen per kalenderjaar. Aan het eindvan een kalenderjaar wordt het abonnement auto-matisch verlengd, tenzij het abonnement vóór1 december schriftelijk wordt opgezegd.