1februari 2002Het is maar welke bril je op hebt.Gewoonlijk kennen we beton als een materiaal met een mooi glad en(vaak) grijs oppervlak. Maar als je wat beter kijkt, en hiervoor dan de`juiste bril' opzet, gaat er een wereld open. Dan blijkt dat er aan hetmeest gebruikte bouwmateriaal nog veel te ontdekken valt.De eigenschappen van beton en betonconstructies, die we aan debuitenkant waarnemen, vinden hun oorsprong in de ingewikkeldestructuur van matrix en toeslagmateriaal. De matrix, op zijn beurt,bestaat uit een fascinerende wereld van kristallen in allerlei vormen.Zien we bijvoorbeeld (met het blote oog) een krimpscheur dan isdaar (onder de loep) al heel wat aan vooraf gegaan.In deze aflevering van B e t o n i e k kijken we eerst met een sterkvergrotende bril naar en in beton. Daarna gaan we ook nog op zoeknaar het ontstaan van krimpscheuren.Beton onder de loepE i g e n s c h a p p e nOnderzoek12I2We kennen beton als een robuust bouwmateriaal.De stormvloedkering in de Oosterschelde bij eenflinke noordwester storm is hiervan een mooivoorbeeld. Nagenoeg alle betonconstructies staanbloot aan invloeden van buitenaf: bijvoorbeeldmechanische belastingen, verwering of chemischeaantasting. Processen die in de loop van de tijd ophet beton inwerken.Maar beton `werkt' zelf ook. Beton is in hoofdzaakeen samenstel van steenachtig toeslagmateriaal aanelkaar geplakt met behulp van cementlijn.Het verhardingsproces is een langdurig en fascine-rend proces en onderzoekers worden voortdurenduitgedaagd om dit ingewikkelde proces zo goedmogelijk te kunnen volgen, te begrijpen en te voor-spellen. Hetzelfde geldt voor de invloeden vanbuitenaf, zoals vochtbewegingen, temperatuur-beweging en diffusieprocessen.Om deze fenomenen te kunnen doorgronden,kan niet meer worden volstaan met het bepalenvan de druksterkte aan de hand van een kubus,het nemen van de zetmaat of het simpelweg kijkennaar de buitenkant van het beton.Hiervoor zijn andere technieken nodig. Eén vandie technieken is de microscopie. We kunnentegenwoordig heel diep in het beton kijken.Wetenschappers gebruiken deze technieken omte begrijpen waarom zaken zijn zoals ze zijn.Waarom ontstaat bijvoorbeeld die ene scheuronder die omstandigheden op die bepaalde plaats.Voor het vinden van de antwoorden op deze vraagis veel onderzoek nodig, wetenschappelijk onder-zoek. De elektronenmicroscoop geeft hierbijnieuwe mogelijkheden. Wat je bijvoorbeeldallemaal met een elektronenmicroscoop kunt zienwordt geïllustreerd in de kaders.Eén van de onderwerpen waar je nooit op uitge-studeerd lijkt te zijn, is scheuren in beton. Zekeromdat we scheurvorming, op macroniveau, zo goedmogelijk willen beheersen. Dit geeft vaak aanlei-ding tot discussies, menigmaal op de bouwplaats endan is het eigenlijk te laat.Nu is gewapend beton veelal gescheurd zullen deconstructeurs zeggen. En daar hebben ze tot opzekere hoogte (eigenlijk beter: scheurwijdte) gelijkin. Toch weten we vanuit de betontechnologie dat erverschillende soorten van scheurvorming bestaan.Naast de scheuren van meer constructieve aard kun-nen volgende oorzaken worden aangewezen:· Als betonspecie in de plastische fase uitdroogtverdampt het aanmaakwater wat kan leiden totplastische krimpscheuren;· jong verhardend beton is gevoelig voor thermi-sche krimpscheuren, wanneer de spanningenten gevolge van verhinderde krimpverkortingbij afkoeling te groot worden;· door uitdroging van het beton kunnen oplangere termijn uitdrogingskrimpscheurenontstaan;· scheuren, die ontstaan als gevolg vanexpansieve reacties, zoals sulfaataantasting,ASR, of pop-outs;· uiterlijk niet zichtbare scheuren zijn micro-scheurtjes ten gevolge van chemische of verhar-dingskrimp. Deze heel fijne scheurtjes ontstaanin de cementsteen omdat het reactieproductvan cement en water een kleiner volumeinneemt dan de som van de oorspronkelijkevolumina van cement en water. Ze bepalenmede het gedrag van het constructiemateriaal.We gaan nu, letterlijk en figuurlijk, dieper in op deonderzoeksmogelijkheden waarbij een bijzondereelektronenmicroscoop wordt gebruikt.In het Microlab van de TU Delft wordt onderzoekgedaan naar het ontstaan van scheurvorming tengevolge van uitdroging. Door middel van dergelijkfundamenteel onderzoek proberen we ogenschijn-lijk eenvoudige, maar feitelijk zeer ingewikkelde,processen beter te begrijpen.BindtijdregelaarCement bestaat voornamelijk uit de cementmineralen C3S, C2S,C3A en C4AF. Deze mineralen zijn in alle cementkorrels aan-wezig. Direct als cement en water met elkaar in contact wordengebracht treedt een chemische reactie op. Dit is een reactietussen het C3A en water. Als aan cement tijdens de maling geenbindtijdregelaar zou zijn toegevoegd, dan zou de specie zeersnel onverwerkbaar worden. Bekend is dat voornoemdereactie wordt gestopt doordat sulfaten uit de bindtijdregelaarreageren met het C3A. De verbinding die hierbij wordt gevormd,ettringiet genaamd, wordt afgezet op het oppervlak van decementkorrel. Deze afzetting voorkomt dat er verder water bijhet C3A kan komen. Bovenstaande opname met de elektronen-microscoop brengt de naaldvormige ettringiet kristallen op hetoppervlak van een cementkorrel prachtig in beeld.We keren hiervoor terug naar het verhardings-proces. Zoals we hierboven al constateerden krimpthet jonge beton door het hydratatieproces endoor uitdroging. Diverse `soorten' krimp wordenonderscheiden: plastische krimp, drogingskrimp,thermische en carbonatatiekrimp. Door krimpkunnen spanningen in het materiaal ontstaan.Wanneer nu die spanningen groter zijn dan detreksterkte ontstaan scheuren.In een constructie kan dit pijnlijk zichtbaar wordenfebruari 20022B e t o n i e kfebruari 2002B e t o n i e k3Environmental Scanning ElectronMicroscopyDe ESEM is een veelbelovende manier om microscheurvormingin mortel en beton te onderzoeken. Veelbelovend omdat door demanier waarop proefstukjes worden gemaakt en onderzochtgeen additionele scheurtjes (hoeven te) ontstaan. En omdat deproefstukjes onder relatief vochtige omstandigheden kunnenworden bewaard en beproefd.In ESEM wordt waterdamp gebruikt om het beeld te verkrijgen.De aanwezigheid van waterdamp kan ook worden gebruikt omde relatieve vochtigheid te variëren. Hierbij wordt gebruikgemaakt van het gegeven dat de relatieve vochtigheid afhanke-lijk is van de waterdampdruk en de temperatuur. Door nu beidete sturen, kan ook de relatieve vochtigheid van de kamer waarinhet proefstuk zich bevindt worden gestuurd. Op die manier is derelatieve vochtigheid instelbaar van 0 tot 100%.De ESEM-apparatuur(environmentalscanning electronmicroscopy).Alles speelt zich inhet inwendige vanhet apparaat af enwordt zichtbaargemaakt op eenmonitor.Principeschets van de beproevingskamer in de ESEM.Onder het proefstuk bevindt zich een verwarmings- enkoelelement. Met de GSE-detector wordt het beeld verkregen.Let op de afmetingen van het proefstuk: voor microscopischebegrippen kunnen grote proefstukken worden onderzocht.wanneer bijvoorbeeld de nabehandeling van eenvloerveld achterwege blijft. De oorsprong vandeze macroscopische scheuren ligt besloten in demicrostructuur. En daar gaan we nu naar kijken.Met een sterk vergrotende bril.Om microscheuren zichtbaar te maken doet zichechter een probleem voor. Meestal werd gebruikgemaakt van een licht- of electronenmicroscoopwaaronder men kleine proefstukjes bestudeerde.Om die kleine proefstukjes te verkrijgen moet eengroter proefstuk worden gezaagd en geslepen.Bovendien moet een proefstuk meestal wordengedroogd voordat het kan worden geïmpregneerdom scheurtjes zichtbaar te maken. Met anderewoorden: een destructieve methode die ook tot(micro)scheuren aanleiding kan geven en diedaarmee het onderzoek bemoeilijkt, zoals wezullen zien.Figuur 1 toont de doorsnede van een gedroogdproefstukje van jonge mortel. Het proefstukje werdbevochtigd door het koelwater bij het zagen enpolijsten. Ter plaatse van 2 is nog juist een geslotenkrimpscheur te zien die zich loodrecht van hetoppervlak naar een zandkorrel heeft ontwikkeld.De gesloten scheur is goed te zien omdat de randenvan de scheur door het slijpen en polijsten watzijn afgebrokkeld en afgerond. Dit laatste integenstelling tot de scheuren op de komende foto'swaar scherpe scheurranden te zien zijn.1 Het oppervlak van een proefstuk is weergegeven:1 is het proefstukoppervlak, 2 is een gesloten krimpscheur(beïnvloed door zagen en slijpen) en 3 is een zandkorrel.Let op de schaal: die is in micrometers.laten zien als gevolg van verandering van de relatie-ve vochtigheid. Verder is het mogelijk microscheur-vorming te onderzoeken in nat of gedeeltelijkverzadigde mortel en beton.In figuur 2 is een fraai voorbeeld van onderzoekmet ESEM te zien.Figuur 2a. laat een krimpscheur zien die is ont-staan door in de ESEM het proefstuk te drogen bijeen relatieve vochtigheid van 10% boven het proef-stuk. Figuren 2b en 2c laten zien dat bij toenamevan de relatieve vochtigheid én het `vochtiger'worden van het proefstukoppervlak de scheurenzich sluiten en er sprake is van zwelling van decementsteen. De microscheuren sluiten zich echterniet helemaal (2c) zelfs niet wanneer het oppervlakvolledig nat is door condensatiewater.Het krimpproces verloopt hier eigenlijk heel snel.Al na een paar minuten is sprake van evenwichten verandert er niets meer aan de scheur(vorming).Vanzelfsprekend spelen de afmetingen van deproefstukjes hier een belangrijke rol.Let goed op de schaal van de foto's: we sprekenhier over scheurwijdten van 1 à 2 micrometer!Die zijn met het blote oog `onzichtbaar'. Feitelijkillustreren de foto's ook het belang van een goedenabehandeling.We kunnen nog even terugkomen op het niet hele-maal sluiten van de krimpscheuren. Krimpen enzwellen zijn niet geheel reversibel oftewel niethelemaal omkeerbaar. Als cementsteen herhaalde-lijk gedroogd en bevochtigd wordt treedt een onom-keerbare verkorting op. Dit wordt getoond in figuur3, waaruit blijkt dat de verkorting een functie isvan de porositeit. Naarmate de porositeit groterwordt, met toenemende water-cementfactor, wordtfebruari 20024B e t o n i e kMet behulp van een recent ontwikkelde techniek,environmental scanning electron microscopy(ESEM) genaamd, is van genoemde bezwaren geenof nauwelijks sprake. Hiertoe worden kleine proef-stukjes in de kamer van de ESEM geplaatst. In dezekamer kan de relatieve vochtigheid worden geva-rieerd, van 0 tot 100%. Het is daarmee zelfs moge-lijk om het openen en sluiten van microscheuren te 3 Krimp als functie van de porositeit van de cementsteen.2 Microscheuren in cementgebonden materialen als functievan de relatieve vochtigheid boven het proefstuk.Van 2a. naar 2c. loopt de vochtigheid op van 10%, via 50%naar 90%.februari 2002B e t o n i e kde totale krimp groter en neemt het onomkeerbaredeel van de krimp ook toe. De verklaring hiervoor isdat opnieuw kristallisatie van het calciumsili-caathydraat (CSH) optreedt. Hierdoor ontstaannieuwe bindingen tussen het CSH. De poriënstruc-tuur kan tijdens de eerste droging veranderen.SulfaataantastingOnderzoek met de elektronenmicroscoop is ook een uitstekendemethode om diverse schademechanismen te onderzoeken.Expansie en scheurvorming in beton kan ontstaan door dereactie tussen het cementmineraal C3A en sulfaten die vanbuitenaf het beton kunnen binnendringen. Sulfaten en C3Areageren met een grote hoeveelheid water tot ettringiet,5een naaldvormig materiaal. Ettringiet zwelt op door de aan-zuiging van het water en leidt tot expansie van het beton.Het is in feite dezelfde reactie die door de bindtijdregelaarwordt veroorzaakt in de nog plastische fase. In de speciefasekan deze expansie geen kwaad. Is het beton verhard dan leidtde expansie tot scheurvorming en kan het beton volledig uitelkaar gedrukt worden. Op de foto is naast de naaldvormigestructuur van ettringiet ook de scheurvorming in de cement-steen prachtig zichtbaar.BesluitIn Betoniek schenken we gewoonlijk ruim aandachtaan zaken die met regelmaat voorkomen in dedagelijkse praktijk van de betontechnoloog.Ook hebben we oog en oor voor nieuwe ontwikke-lingen, materialen en toepassingen.In deze aflevering hebben we beton onder deloep genomen en in het inwendige gekeken.Dan ontvouwt zich een fascinerende wereld.We keken ook naar het ontstaan van microkrimp-scheuren. Een onderwerp dat we niet dagelijkstegenkomen? Eigenlijk toch wel. Want krimp-scheuren manifesteren zich ook op macroniveau.Het beschreven (micro) onderzoek draagt bij aanhet beter leren begrijpen van het (macro) gedrag ende eigenschappen van beton en betonconstructies.Als we het gedrag goed begrijpen kunnen we nogbetere betonconstructies maken. En daar gaat hetom.bca `sulfaataantasting op eenvolgend vergroot'februari 2002B e t o n i e k6Roestuitboei door verontreiniging intoeslagmateriaalSoms wordt een betonoppervlak ontsierd door lelijke bruinevlekken. De oorzaak zit dan vaak in geringe verontreinigingvan het toeslagmateriaal met ijzerhoudende verbindingen.Bekende verontreinigingen zijn pyriet- en limonietachtigeverbindingen. Verontreinigingen in toeslagmateriaal zijn niette voorkomen, ze zijn veelal ingebakken in de structuur van hetgesteente. De aanwezigheid van dergelijke verontreinigingenis daarmee geologisch bepaald. De schade is slechts visueel.De foto laat een zuiver pyrietkristal zien, aanwezig in de kernvan een "verontreinigende pit" in het oppervlak van beton.Literatuur· Bisschop J. en J.G.M. van Mier, Environmentalscanning electron microscopy as a tool to studyshrinkage microcracks in cement-basedmaterials. Materials Research Society (MRS)symposium proceedings Vol.589, pp 141 ­ 146;· Bisschop, J en J.G.M. van Mier, Quantification ofshrinkage microcracking in young mortar withfluorescence light microscopy and ESEM.Heron Vol. 44 (2000) No. 4 pp. 245-255· Neville, A.M., Properties of concrete. Fourth andfinal edition. Longman (1966).Figuren beschikbaar gesteld door het Microlab(faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen,TU Delft), ENCI Maastricht en Universiteit Weimar.CalsiumsilicaathydraatCementsteen is het bindmiddel dat het steenachtige toeslag-materiaal aan elkaar bindt. Cementsteen begint echter alscementlijm, een mengsel van cementkorreltjes en water.Om (beton)specie enige tijd verwerkbaar te laten zijn wordtin eerste instantie de bindingsreactie afgestopt door de bind-tijdregelaar.Daarna is er een doorstart van de hydratatie waarbij decementmineralen C3S en C2S met water reageren tot calcium-silicaathydraat (CSH). CSH is een vezelachtig product dat groeitvanuit de cementkorrel. Deze vezels groeien in het poriewateren hechten zich aan het toeslagmateriaal. De calciumsilicaathy-draatvezels, vanuit de ontelbare andere cementkorrels,vervlechten ook met elkaar en vormen hiermee de cementsteen.Op de foto is de vezelachtige structuur van het calciumsilicaat-hydraat prachtig zichtbaar.februari 2002B e t o n i e k7Diverse `brillen'We kunnen met veel verschillende `brillen' naar beton enbetonconstructies kijken. We noemen hier een aantal.Allereerst natuurlijk het kijken zonder hulpmiddelen.Het gaat dan bijvoorbeeld om de visuele inspectie van eenconstructie(onderdeel). CUR-Aanbeveling 72 `Inspectie enonderzoek van betonconstructies' geeft hiervoor richtlijnen.Geregeld proberen we van buiten een beetje `in het beton' tekijken en daaraan een conclusie te verbinden over de eigen-schappen. De terugslaghamer is hiervan een klassiek voor-beeld. Nieuwe methoden maken bijvoorbeeld gebruik vanradar of radiografie.Uit een constructie kan een proefstuk worden genomenwaaraan de sterkte (bijvoorbeeld de druksterkte volgensCUR-Aanbeveling 74 `Onderzoek aan de betonconstructie.Onderzoek naar de druksterkte') kan worden bepaald, ofde carbonatatiediepte gemeten.Wanneer we echt in het beton willen kijken, kunnen wedunne plakjes maken en die onder de lichtmicroscoopbestuderen. In de Betoniek afleveringen 7/23 `Microscopischonderzoek van beton' en 11/3 `Petrografie' is hieroveruitgebreid geschreven.Met de electronenmicroscoop kunnen we nog dieper inhet beton kijken, zelfs naar de samenstellende delen.Dit levert vaak zeer fraaie plaatjes op zoals in dezeaflevering van Betoniek een aantal is opgenomen.Tenslotte kunnen we de materiaal- en constructie-eigen-schappen voorspellen. Hiervoor is inmiddels een aantalhulpmiddelen ter beschikking. Van relatief eenvoudigemodellen tot grote eindige elementen programma's wordengebruikt. We kijken dan naar `virtueel' beton.februari 20028B e t o n i e kColofonB e t o n i e k is een praktijkgericht voorlichtingsblad op hetgebied van de betontechnologie en verschijnt 10 keer per jaar.In de redactie zijn vertegenwoordigd:de Nederlandse cementindustrie, MEBIN, CUR,HBG Civiel en de Bouwdienst Rijkswaterstaat.Uitgave: ENCI Mediapostbus 3532, 5203 DM `s-HertogenboschRedactie: 073 - 640 12 23Abonnementen: 073 - 640 12 31Adreswijzigingen per fax: 073 - 640 12 99E-mail: encimedia@enci.nlWebsite: www.enci.nlAbonnementen/adreswijzigingen:Abonnementen en adreswijzigingen voor Betoniek wordenverzorgd door:Betapress Abonnementen ServicesPostbus 97, 5126 ZH Gilzetel: 0161 - 45 95 86fax: 0161 - 45 29 13email: betoniek@Betapress.Audax.nlAbonnementsprijzen 2002:Nederland ? 17,15België ? 17,75Overige landen ? 24,30Aanmeldingen/opzeggingen:Abonnementen kunnen op ieder gewenst moment ingaan.Aan het eind van het kalenderjaar wordt het abonnementautomatisch verlengd, tenzij vóór 1 december schriftelijkwordt opgezegd.Overname van artikelen en illustraties is toegestaan, ondervoorwaarde van bronvermelding.ISSN 0166-137xIn onze volgende uitgaveCement in de grondGrondstabilisatie was tot voor kort inNederland synoniem met wegfunderingen vanzand-cement (zie Betoniek 7/4, 1986). Inmiddelszijn er ook toepassingen voor de diepere onder-grond en ontkomen we in Nederland dan nietaan slappe grondlagen, zoals van veen en klei.Vanuit Japan en Scandinavie zijn zgn. grondce-mentkolommen geïntroduceerd voor o.a. fun-deringen van wegen en bedrijfsterreinen.Deze kolommen ontstaan door het in situ men-gen van grond met cement. Naast mengen,kunnen we cement met water op andere wijzenin de ondergrond brengen: via lagedruk injec-tie tussen de korrels (permeation grouting) ofdoor de grond onder hoge druk te versnijdenen te mengen met het cement (jet grouting).Met deze technieken zijn in Nederland reedsdiverse grootschalige projecten gerealiseerd.Welke overwegingen zijn er voor de geschikt-heid van deze uitvoeringstechnieken (grond-soort, cementsoort, receptuur), wat zijn deeigenschappen van het verharde product (druk-sterkte, permeabiliteit voor water en duur-zaamheid), en hoe voldoen we aan de uitloogei-sen van het Bouwstoffenbesluit. Kortom in devolgende Betoniek wordt ingegaan op de wijzewaarop wij met cement innovatieve enbetrouwbare oplossingen voor geotechnischetoepassingen kunnen realiseren.