Een maandelijkse uitgave van deVereniging Nederlandse Cementindustriepostbus 3011,5203 DA's-Hertogenboschtelefoon 073-150150 (abonnementen 150231) . maart 1983 m/3Hoe poreus is beton?Bouwmaterialen in een agressieve omgevingworden aangetast. Soms nauwelijks merkbaar,soms ook heel snel. De snelheid van aantastinghangt af van de bestandheid van het materiaaltegen de invloeden van de omgeving. De matevan aantasting hangt ook af van de grootte vanhet geëxposeerde oppervlak.Dat lijkt logisch, maar in het geval van betonbestaan over die grootte toch nogwel eensmisverstanden. Het geëxposeerde oppervlak isnamelijk niet hetzelfde als het zichtbareoppervlak.De agressieve omgeving stopt niet bij het vanbuitenaf zichtbare oppervlak: zij dringt het betonook binnen. Hoever hangt van de omstandig-heden af. Laten we, om de gedachten te bepalen,zeggen tot op 1 cm diepte. Bij een uitwendigoppervlak van 1 cm2 is dan een hoeveelheid betonvan 1 cm3blootgesteld. Wat is, bij dat uitwendigoppervlak, hetbijbehorende inwendigeoppervlak? Daar kan wel een ruwe schatting vanworden gemaakt, ervan uitgaande dat cement dezwakke schakel in het geheel is.Inwendig oppervlakHet specifiek oppervlakvan portlandcementklasse A, bekend als de Blaine-waarde, bedraagtongeveer 3000 cm2Jg. Anders gezegd, 1 gramcement heeft een oppervlak van circa 3000 cm2 .Beton met een cementgehalte van 320 kg/m3of0,32 g/cm3, heeft dus (als het cementongehydrateerd zou zijn), per cm2 buiten-oppervlak een geëxposeerd inwendig oppervlakvan 0,32 x 3000 = 1000 cm2· Hetgeëxposeerdeoppervlak is dus maar liefst 1000 maal zo grootals het zichtbare oppervlak.Maar in beton is het cement voor het grootstedeel niet meer in de oorspronkelijke vormaanwezig: het is gehydrateerd. En diehydratatieprodukten hebben nog weer eens eenduizend maal zo groot oppervlak als het cementwaar ze uit zijn ontstaan. Dat betekent dus datelke cm2 buitenoppervlak overeenkomt met eenmiljoen maal zo groot, kwetsbaar, inwendigoppervlak.Misschien wat meer dan u had verwacht!Deze redenering geldt voor beton; bij staal is hetaantastbare oppervlak niet veel groter dan hetzichtbare buitenoppervlak. Wat is het verschiltussen staal en beton?PoriënHet verschil wordt in eerste instantie veroorzaaktdoordat de agressieve buitenwereld, volgensonze veronderstellingen, een centimeter diep hetbeton kan binnendringen terwijl haar, in het gevalvan staal, al bij het buitenoppervlak een haltwordt toegeroepen. De vraag moet dus luidenhoe het komt datde omgeving zo diep in hetbeton kan doordringen? Omdat beton eenporeus materiaal is en staal niet.Poriën zijn de toegangswegen voor een vaakagressieve omgeving tot het inwendige vanbouwmaterialen als baksteen, kalkzandsteen enbeton.Hoe poreus is beton?Beton, een heterogeen materiaalOm die vraag te kunnen beantwoorden, moeten11Getekend cementsteenmodelLP = luchtporieKP = capillaire porie(ontleend aan: Richartz en Locher,Zement-Kalk-Gips 1965 nr. 9)we eerst wat dieper ingaan op de opbouw vanbeton. Beton is namelijk geen homogeenmateriaal, zoals staal. Het bestaat uit toeslag-materiaal, cementsteen en ongehydrateerdcement. Het inwendige oppervlak van ééncm3beton wasrond een miljoen cm2. Dat oppervlak isechter geconcentreerd in de cementsteen, dus inca. 30% van het betonvolume.De resterende 70% wordt ingenomen door toe·slagmateriaal, met (in Nederland) een porie-gehalte van meestal minder dan 1%. Dat is nietveel, en men mag daarom wel aannemen, datzand en grind niet zo erg toegankelijk zijn vooreen agressieve omgeving. Het zou trouwensweinig uitmaken: het Nederlandse rivierzand en-grind heeft een lange en moeilijke reis achter derug en alle zwakke broeders zijn allang uitge-schakeld. Ze bedekken als rivierklei deuiterwaarden. Alleen hetsterke en duurzamemateriaal heeft de reis overleefd.Blijft over de cementsteen, met dat enormeinwendige oppervlak. Cementsteen is helaasverre van duurzaam. Bij portlandcementbetonbestaat het voor zo'n 20 volumeprocenten uitkalk, een zeer reactief materiaal. Maar ook deoverige cementhydraten zijn, vergeleken met hettoeslagmateriaal, nog zeer reactief.De duurzaamheid van beton met Nederlands2toeslagmateriaal hangt dus bijna volledig af vande kwaliteit van de cementsteen.De porositeit van het toeslagmateriaal was ca.1%. Wat is, naar uw schatting, de porositeit vancementsteen: 10, 20, 30, 40, 50 of 60%? Of nogmeer?Porositeit van cementsteenDe vraag is gemakkelijker gesteld, danbeantwoord. Cementsteen begint als eenmengsel van cement, water en een restantjelucht. Het porievolume is in dit geval het niet doorcement ingenomen volume; dat is noggemakkelijk te berekenen.Stel 320 kg cement per m3, bij een wcf van 0,6. Hetcement neemt dan (bij een soortelijke massa van3,15kg/l)eenvolumeinvan320: 3,15 = 1021,hetwater 0,6 x 320 = 1921, terwijl misschien nog 10 Ilucht ingesloten blijft.Het volume van de cementpasta is102 + 192 + 10 = 304 I.De porositeit (in volumeprocenten) is dan100 x (192 + 10): 304 = 66%.HydratatieEen poriëngehalte van meerdan 65% kloptemisschien niet met uw schatting. Maar die 65%slaat natuurlijk wel op de porositeit vancementpasta (met ook nog een vrij hoge wcf) enniet op die van cementsteen. Het cement is nogniet gehydrateerd; al het water, toegevoegd omde massa verwerkbaar te maken, is nog porie-water. Ook dat is te berekenen.Cement bindt bij volledige hydratatie ongeveer25% van zijn gewicht aan water in de vorm vancementhydraten,en nog eens 15% in de vorm van'gelwater', datwil zeggen water dat weliswaarniet chemisch is gebonden, maartoch ook nietzo2Hydratatie van cementpasta met verschil/endewater-cementfactoren(ontleend aan Beton/ek 1/11)3Volumepercentages cement, water en lucht incementpasta en -steen, voor water-cementfactorenO,SSen 0,7(ontleend aan Beton/ek 1/11)bewegelijk is als het normaleporiewater. Voor deporositeitvan de cementsteen gaan we erdaaromvoorlopig maar van uit dat ongeveer 40% van hetcementgewicht aan water gebonden kan worden.Dat betekent, toegepast op heteerdere voor-beeld, dat 0,4 x 320 = 128 I water wordtgebonden. Er blijft dus 192 -128 =641 waterover. De porositeit zou bij volledige hydratatiedus100 x (64 + 10): 304 = 24% bedragen.Een niet onbelangrijk verschil met de oor-spronkelijke 66%!water- cementfaetor=0.20cementpastaniet gehydrateerdluchtaehalte 5%water 59 %cement 36%water 64 %cement 31 %w.c.f.:= 0.40 w.c.f.:= 0.60Q cementkorre1:D-J ?DJIhydratatie .1J.. hydratatiea ·.K- .. >gvrij water /cementsteengehYdrateerd46%VerhardingskrimpHierboven is met opzet gezegd dat de porositeit24% zou bedragen. Helemaal juist is boven-staande berekening namelijk niet. Dat komtomdat verhardende cementpasta krimpt. Dehydratatieprodukten nemen minderruimtein danhet cement en water waaruit ze zijn ontstaan.Door de volumevermindering ontstaat eenonderdruk in het poriesysteem, waar de reactiesplaatsvinden. Door die onderdruk wil deverhardende massa zich samentrekken: erontstaat krimp. Men noemt deze krimpverhardingskrimp, ook wel hydratatie- ofchemische krimp. Verhardingskrimp uit zichoverigens niet in een vermindering van het totalevolume: een proefkubus heeft ook na verhardingnog vrijwel dezelfde maten als de mal ~ hij isgevormd.De in hetporiesysteem optredende onderdrukzaldus op een andere manier moeten wordengecompenseerd. Dat kan doordat water uit denabijgelegen poriën wordt aangezogen. Maarook die poriën verbruiken water. Uiteindelijkdraait het er op uit dat, afhankelijk van de wijzevan nabehandeling, water dan wel lucht vanbuitenaf naar binnen wordt gezogen. Men kanook zeggen datdoor de verhardingskrimp extraporievolume ontstaat, die de afname van hetporievolume door hydratatie gedeeltelijk weerongedaan maakt.Bij de normale nabehandeling van een proef-kubus, dat wil zeggen bij het bewaren onderwater, wordt door de verhardingskrimp zoalsgezegd water naar binnen gezogen. Tijdens deverharding wordt de kubus daardoor steedszwaarder; in 28 dagen zo'n 50 à 60 g. Voorbetontechnologen een bekend verschijnsel,waarvan de oorzaak echter niet altijd wordtbeseft.Wordt beton niet onder water, maar aan de luchtbewaard, dan wordt op dezelfde manier luchtnaar binnen gezogen. In het betonoppervlakontstaat daardooreen tekort aan water, waardoorde hydratatie ter plaatse stopt. Het gevolg is eenslechte oppervlaktekwaliteit.Het belang van een goede nabehandeling, datwilzeggen nathouden van het oppervlak tot ditvoldoende gehydrateerd is, dient dus niet alleenom het verdampen van water tegen te gaan of tecompenseren, maar houdt ook verband met deverhardingskrimp.31008060"0ron:l'-enQJ:;:2ro{j 20>..c1portlandcement B Pe Awef 0.8 '1'wef 0,6_wefO,B___ wcfO,4_wcfO,6__ wcfO,4__---------wcfO,252 3 4 7 10 14 21 28 42 56 100 9 12dagen JJJJJGfbJJJ~~JJJverhard ingstijd4Het verloop van de hydratatie als functie van deverhardingstijd voor verschillende water-cementfactoren, voor portlandcement klasse Aen BUit nauwkeuriger metingen dan door het wegenvan een betonkubus mogelijk is, blijkt dat per100 g gehydrateerd cement ca. 7mi extra porie-volume wordtgevormd. Voor onze 320 kg cementper m3 dus ca. 221. Dewerkelijke porositeit vanonze (volledig gehydrateerde) cementsteenwordt dus100 x (64 + 10 + 22): 304 = 32%.Teruggerekend op beton betekent dit dat goedverdicht beton met een wcf van 0,6 bij volledigehydratatie een poriëngehalte van rond de 11 %heeft.HydratatiegraadBij een wcfvan 0,6 loopt hetporiënaandeel van decementpasta door de hydratatie dus terug vanongeveer 2/3 tot ongeveer 1/3. Voor de duur-zaamheid van het betonoppervlak is van belanghet porievolume op het moment dat de omgevingop dat beton kan inwerken. Vaak is dat al directnahet ontkisten, en op dat moment is de ~~graad beslist nog geen 100%. Voor de praktijk isdaarom de vraag van belang hoeveel dehydratatiegraad bedraagt op een bepaald, voorde aantasting van hetoppervlak kritisch moment.Een vraag overigens, die niet zo gemakkelijk is tebeantwoorden. De hydratatiegraad hangt af van4cementsoort en -klasse, de wcf, de verharding-temperatuur en natuurlijk van de verhardings-duur.Zoals we gezien hebben kan ook vroegtijdigeuitdroging van het oppervlak, hetzij doorverdamping, hetzij door verhardingskrimp, eengrote invloed hebben. Overigens kan beton ookdoor andere oorzaken dan voortijdige uitdrogingplaatselijk een andere hydratatiegraad hebben;denk bijvoorbeeld maar aan ontmenging, (vooralook tengevolge van waterafscheiding) of aanvariërende verhardingstemperaturen.Om enigszins een idee te geven wordt in figuur 4schematisch de invloed van verhardingstijd enwcf voor een portlandcement klasse B bij 20°Cgegeven. Het is interessant om te zien, datbij eenwcf van 0,25 een hydratatiegraad van ca. 40% hetmaximaal haalbare lijkt te zijn. Terwijl tochvoldoende water aanwezig is om al het cement tehydrateren,en bovendien nog ca. 3% water doorverhardingskrimp kan worden aangezogen.De verklaring hiervoor is, dat bij zo'n lage wcf decementsteen zodichtwordt, dat de overmaat aanwater het restant van het cement niet meer kanbereiken. Het wordt volledig afgeschermd doorde gevormde gel.Wat is de porositeit van deze cementsteen?Op 100 g cement is 25 g water toegevoegd. Alsvolledige verdichting wordt verondersteld, is hetvolume 100: 3,15 + 25 = 57 mI. Bij 100%hydratatie wordt 40 mi water gebonden, (25 alshydraatwater, 15 als gelwater). Bij eenhydratatiegraad van 40% dus 16 mi water. Blijftover 9 mi als effectief poriewater, of wel 16%.Uit figuur 4 blijkt verder dat, bij een bepaaldeverhardingstijd, een hogere wcf een hogerehydratatiegraad tot resultaat heeft. Bij een wcfvan 0,6 is, voor het betreffende cement, na 28dagen de hydratatiegraad ongeveer 85%. Hetporienvolumeis nu, per 100 g cement60 - 0,85 x (40 - 7) = 32 mi, bij een totaal volumevan 100 : 3,15 +60 =92mi; de porositeit is dus ca.35%.Op vergelijkbare wijze kan voor andere gevallenhet op een bepaald moment aanwezigevolume worden berekend. Als men tenminste opde een of andere manier op de hoogte is van dehydratatiegraad op dat moment. Daarbij moetworden bedacht dat de resultaten waarop figuur4 is gebaseerd, zijn gemeten bij de hydratatie vaneen portlandcement klasse B, dus van eenbetrekkelijk fijn gemalen cement met een grootreactief oppervlak. Verwacht mag worden dat dehydratatiegraad van een klasse A cement onderdezelfde omstandigheden duidelijk lager zal zijn.Literatuurgegevens spreken over maximalehydratatiegraden van rond de 60, 70 en 80% bijwatercementfactoren van resp. 0,4, 0,6 en 0,8.Een directe meting van de hydratatiegraad isoverigens nietzo eenvoudig. Zo'n meting komtinfeite neer op de bepaling van het chemischgebonden water, en mogelijk ook nog van hetgelwater,bij een bekend verondersteldcementgehalte. Dat zou kunnen gebeuren doorbij verschillende temperaturen te drogen. Hetprobleem daarbij is echter dat tijdens hetdroogproces de hydratatie doorgaat. Bijverhoogde temperatuur zelfs extra snel.Het is grappig dat juist de verhardingskrimp eenmogelijkheid biedt om de hydratatiegraad teschatten. Bij volledige hydratatie van 100 gCement werd ca. 7 mi water naar binnen gezogen.Door nu een proefstuk direct na verdichten tewegen en opnieuw na een zekere verhardings-periode, kan een ruwe indruk worden verkregenvan de verhardingskrimp, daarmee van dehoeveelheid gehydrateerd cement, en daarmeeweer van de hydratatiegraad.Porositeit en permeabiliteitBij debespreking van de 15% waterdatzich in hetcementgel bevindt, is gezegd dat we het voor-lopig niet als poriewaterzouden beschouwen.Onder normale omstandigheden gedraagt hetzich meer als chemisch gebonden water dan alshet beweeglijke water in de capillaire poriên. Eenscherpe scheiding is echtertoch niette maken. Ineen voldoende droge omgeving kan ook hetgelwater verdampen. Aan de andere kant is hetwater in de capillaire poriên ook niet altijd evenbeweeglijk. Vloeistoffen, gassen en ionenkunnen zich gemakkelijker door de poriênbewegen naarmate de poriên grover zijn.Porositeit is dus wel een nuttige maat metbetrekking tot duurzaamheid, maar zegt nietalles.Bij eenzelfde porositeit is het materiaal met eenfijnere poriestructuur in principe dichter dan eenmateriaal met een grovere poriestructuur. Menzegt dathet materiaal met de grove structuurmeer permeabel is.Voor de beoordeling van de duurzaamheid vaneen materiaal zou dus naastde porositeit ook deporiestructuur bekend moeten zijn. Uit dezebeide grootheden zou de permeabiliteit dan minof meer kunnen worden afgeleid. Meestal geeftmen er echter de voorkeur aan om de ~biliteit rechtstreeks te meten. Hoedat gaat en hoede resultaten kunnen worden geïnterpreteerd iseen onderwerp apart. Een onderwerp overigensdat belangrijk genoeg is om ereen volgende maalop terug te komen.literatuurCzernin, Cementchemie voor de bouwwereld.5BETONlEK verschijnt 10 x per jaar.Abonnementsprijzen per jaar, inclusief verzamelbandvoor 3 jaargangen (incl. 4% BTW):Nederland, Nederlándse Antillen, België f NRIoverige landen f ORIISSN 0166-137xadministratie:postbus 3011, 5203 DA 's·Hertogenboschtelefoon (073) 150231Abonnementen lopen per kalenderjaar. Aan het eindvan een kalenderjaar wordt het abonnement auto-matisch verlengd, tenzij het abonnement vóór1 december schriftelijk wordt opgezegd.