Een maandelijkse Uitgave van deVereniging Nederlandse Cementindustriepostbus 3011, 5203DA 's-Hertogenbosch september 1986Krimpen en zwellenKrimpen .enzwellen, een versChijnsel datiedereen wel uit eigen ervaring kent. Als hetvochtig weer is gaan deuren en ramen klemmen;waait er een droge wind, dan staan zeteklepperen. De scheerlijnen van de tent staan naeen regenbui zo strak dat het tentdoek gevaarloopt te scheuren. Ze krimpen in de lengterichting,de oorzaak is echter zwelling in de dwarsrichting.Krimpen en zwellen zijn typische eigenschappenvan poreuze materialen. Voorwaarde is dat deporiën erg fijn zijn. Hoe fijner verdeeld, hoe meerkrimp. Voorwaarde is ook dat het materiaal vrij kanzwellen of krimpen. Is dat niet het geval, danontstaan spanningen. De genoemde scheerlijnenzijn een goed voorbeeld. Worden de spanningengroter dan de sterkte van het tentdoek, danontstaan scheuren. Daarom moeten bij eenregenbui de scheerlijnen worden ontspannen.Ook beton is een poreus materiaal; afhankelijk vanhydratatiegraad en water-cementfactor bestaatcementsteen voor 1/3 tot 2/3 deel uit poriën. Datzijn (weer afhankelijk van water-cementfactor enhydratatiegraad) capillaire poriën en extreem fijnegelporiën.AI merkt men bij beton veel minder van krimpen ofzwellen dan bij hout of katoen, de constructeur ende betontechnoloog moeten er toch wel degelijkrekening mee houden.Dat begint al bij de vers gestorte en verdichtespecie. Aan het afwerkvlak verdampt water; hetoppervlak heeft daardoor de neiging om tekrimpen. Die neiging komt in eerste instantie totuiting in (onzichtbare) krimpspanningen.Worden die spanningen groter dan de treksterktevan de specie, dan ontstaan (duidelijk zichtbare)plastische krimpscheuren.De spanningen in het grof capillaire systeem vanplastische specie zijn niet groot, maar ook detreksterkte is gering. Vandaar dat het voorkomenvan plastische krimpscheuren een belangrijkonderdeel vormt van een goede betonuitvoering.Maar ook in een veel later stadium, wanneer hetbeton al op volle sterkte is gekomen, kan doorverdamping van water en de daardoor onstanekrimpspanningen, scheurvorming optreden. In ditstadium is de treksterkte weliswaar flinktoegenomen (hoewel treksterkte niet het sterkstepunt van beton is), maar de krimpspanningen inmet name de gelporiën zijn enorm groot.De oorzaakVormveranderingen kunnen door allerleifactoren worden veroorzaakt, zoals uitwendigebelastingen, temperatuursveranderingen e.d. Indeze bijdrage wordt echter alleen over krimpen enzwellen ten gevolge van vochtqesproken,Omdat krimp over het algemeen meer problemengeeft dan zwelling, is over krimp van cementsteen,mortel en beton veel meer onderzoek gedaan danover zwelling. Maar in feite zijn beide het gevolgvan eenzelfde mechanisme: wordt water door hetmateriaal opgenomen dan zwelt het, verliest hetwater dan krimpt het.Zo op het eerste gezicht een logische gang vanzaken. Er zijn echter twee vragen waarop niet zogemakkelijk een antwoord is te geven:1Tabel 1Invloed van de windsnelheid op de krimp vanbeton, bij een luchttemperatuur van 20 0 Cen50%RVTabel 2Relatie tussen poriegrootte enevenwichtsvochtgehaltewindsnelheid(mIs)0,00,61,07,5krimp na Tuur(mm/m)1,76,07,314,0afmetingcapillair(nm)1000100101evenwichtsvochtgehalte(%)99,999,089,934,8Dat water uit beton kan verdampen isbegrijpelijk, en ook dat uitgedroogd beton bijbevochtiging weer water opneemt. Maar hoe komthet dat uitgedroogd beton ook water uit vrij drogelucht kan opnemen?- Dat vers gestorte betonspecie, een nogplastische massa, kan krimpen door hetverdampen van water is eveneens begrijpelijk.Maar wat zijn het voor krachten die in staat zijn omeen hard materiaal als beton te doen krimpen ofzwellen?Het antwoord op beide vragen is te vinden in deoppervlaktespanning van vaste stoffen envloeistoffen, in dit geval cementgel en poriewater.Oppervlaktespanning kan worden vertaald in eenenergietoestand, een oppervlakte-energie. In denatuur is er altijd een streven naar een zo laagmogelijke energietoestand. Energetisch hetgunstigst is een toestand waarbij het contactvlakvast/vloeibaar zo groot mogelijk is en het contact-vlak vloeistofllucht zo klein mogelijk. Dit leidt toteen neiging tot bevochtiging van de vaste stof eneen samentrekking van het vloeistof/luchtoppervlak.Van de neiging tot bevochtiging wordt op allerleimanieren gebruik gemaakt om vocht op te nemen(spons, zeemleer, theedoek, vloeipapier, enz.).De samentrekkende kracht is goed merkbaarwanneer wordt geprobeerd om twee vochtigeglasplaatjes Vanelkaar af te trekken.Bij beton heeft het natuurlijke streven naar mini-male energie tot gevolg dat cementsteen wateraantrekt, met andere woorden hygroscopisch is endaardoor de geideeitjes uit elkaar drukt en dat hetvloeistof-lucht oppervlak zich zoveelmogelijk probeert samen te trekken en degeideeitjes naar elkaar toe trekt. Bij een bepaalderelatievevochtigheid (RV) houden deze tot zwelling2(1nm is een millioenste millimeter)of krimp leidende krachten elkaar in evenwicht.De krachten die daarbij kunnen optreden zijn, bijde colloïdale afmetingen van de geldeeltjes, zeergroot. Voldoende groot om verhard beton tekunnen laten krimpen en bij verhindering van diekrimp te laten scheuren.Plastische krimpAllereerst iets meer over plastische krimp.Plastische krimp treedt op wanneer water uit pasgestort beton verdwijnt. Dat kan gebeuren doorverdamping, maar ook door hydratatie, bleeding ofopzuiging door onderliggend, uitgedroogd beton ofdroge bekisting. Daarbij ontstaan capillairekrachten die weliswaar klein zijn, maar toch grootgenoeg om de nog plastische massa te latenkrimpen. Dezelfde krachten maken het mogelijkvan vochtig zand een zandkasteel te bouwen endie aan groen beton zijn sterkte geven.Plastische krimp komt het duidelijkste tot uiting bijcementpasta. Deze pasta is immers verantwoor-delijk voor de krimp van betonspecie, het toeslag-materiaal doet niet mee, houdt de krimp zelfstegen. Door cementpasta in een dunne laag opeen ingeoliede glasplaat te leggen kan ervoorworden gezorgd dat de pasta praktisch spannings-vrij kan vervormen. Laten we vervolgens drogelucht over de specie strijken, dan droogt deze uiten gaat krimpen.De mate van krimp (uitgedrukt in volume) blijktvrijwel gelijk te zijn aan de hoeveelheid verdamptwater. Hoeveel dat is, hangt, net als bij het drogenvan wasgoed aan de lijn, af van de temperatuur enrelatieve vochtigheid van de lucht en vooral ookvan de windsnelheid. Om een indruk te geven, zijnin tabel 1 enkele resultaten vermeld voor lucht van20°C met 50% relatieve vochtigheid. De krimp isuitgedrukt in mm/m, een dimensie die voor zichzelf spreekt.mentpastaortel (1:3)cfbetonmentgehalte:500 kg/m3350 kg/m3200 kg/m3248- ce-V--- ------ mII, ce,11.z->--i200060008000E-2000234tijd na storten (uren),01Verloop van de krimp, voor cement-pasta, mortelspecie en betonspecieZoals gezegd vermindert toeslagmateriaal dekrimp. Gaf een pure cementpasta een krimp van7 mm/m, dan geeft een mortel met 500 kg/m3cement een krimp van 4,5 mm/m en een beton met350 kg/m3 cement een krimp van slechts 2 mm/m.Ook de water-cementfactor speelt een rol: bij350 kg/m3 en een wcf van 0,55 was de krimp2,2 mm/m, bij een wcf van 0,45 slechts 1,0 mm/m.Dat 'slechts' mag overigens wel tussen aan-halingstekens: wanneer de massa niet vrij zoukunnen krimpen, maar de spanning door scheur-vorming zou moeten zien kwijt te raken dan zouhiervoor per meter een scheur met een wijdte van1 mm nodig zijn. Het is dus zeker nodig om bijdrogend weer en een hoge luchtsnelheid maat-regelen te nemen die overmatige verdamping vanwater tegen gaan.Interessant is nog het moment waarop de sterkstekrimp optreedt. Figuur 1 geeft hiervan een beeld.De periode van 1-4 uur na het storten laat desterktste krimp zien. Dat is begrijpelijk: in heteerste uur verdampt bleedingwater en moeten decapillaire krachten nog worden opgebouwd.Na een uur of vier begint de binding van decementsteen merkbaar te worden. Het gevaar voorkrimpscheuren wordt juist nu groot: de krimp-spanningen bij niet-vrije vervorming zijn groot ennemen nog steeds toe, terwijl de vervormbaarheidvanaf dit moment sterk afneemt.UitdrogingskrimpHoewel in feite plastische krimp ook een vorm vanuitdrogingskrimp is, wordt de term uitdrogings-krimp meestal gereserveerd voor de krimp vanverhard beton. Ook hier is het uiteraard weerdecementsteen die krimpt. Die cementsteen is eeningewikkeld samenstel van poriën, variërend vanvrij grove capillairen tot de extreem fijne gelporiën.In gedeeltelijk uitgedroogde capillaire poriënwerken capillaire krachten. Die veroorzaken nietalleen krimpspanningen, ze zorgen er ook voor datde evenwichtswaterdampspanning van devloeistof de capillairen wordt verlaagd. Tabel 2geeft het verband tussen poriegrootte en even-wichtswaterdampspanning. Hieruit blijkt overigensopnieuw dat de fijnere capillairen hygroscopischzijn: ze kunnen water uit vrij droge lucht opnemen.In evenwichtstoestand zijn alle poriën tot eenbepaalde grootte geheel gevuld met water. In zo'ngeheel gevulde porie verdwijnt de capillaire krachten kan de gekrompen omgeving weer wat terug-veren. Zo kunnen twee vochtige glasplaten onderwater gemakkelijk van elkaar worden getrokken.Wordt de waterdampspanning van de lucht ietshoger, dan worden ook wat grovere poriën metwater gevuld en zet decernentsteen weer watverder uit, net zolang totdat de zaak weer in even-wicht is. Het omgekeerde gebeurt wanneer deomgeving van het beton wat droger wordt. Degrofste met water gevulde poriën drogen uit, erontstaan nieuwe capillaire krachten die degeideeitjes wat dichter naar elkaar toe trekkenwaardoor de massa wat krimpt. Hoe het geheelvan zwellen en krimpen verloopt, vertoont figuur 2.Wordt het beton na storten en verdichten voort-durend onder water bewaard (lijn a), dan zwelt hetgeheel enigszins omdat de gevormde geideeItjessterk water absorberen en daardoor uit elkaarworden gedrukt. Zodra waterkan verdampenbegint de massa te krimpen (lijn b). Duidelijk blijktdat de uitdrogingskrimp minder sterk is dan deplastische krimp (lijn c) en ook langzamer verloopt.Dat is logisch: hoe ouder het beton is hoe fijner deporiën worden en hoe langzamer de verdampingverloopt.32Verloop van zwellen c.q. krimpen van beton,bij bewaren onder water, resp. onder drogendeomstandighedenzwellingcplastische krimpkrimpaonder water----aan de lucht3Uitdrogingskrimp van cementpasta, afhankelijkvan verhardingsduur en wet 2,82,01,2oc,0,4E{.: 0,45wcf 0,26I7 28 90 1 0 270 365Wordt na een droge periode het beton weerbevochtigd, dan neemt het volume wéer toe, maarhet bereikt niet meer het volume dat bij voort-durend onder water bewaren zou zijn bereikt. Bijvernieuwde uitdroging wordt daarentegen echterwel weer ongeveer het oorspronkelijke drogevolume bereikt. De krimp kan daardoor wordenonderscheiden in een reversibel en een niet rever-sibel deel. Dat de krimp niet helemaal reversibelkomt waarschijnlijk doordat in de droge periodeextra bindingen ontstaan tussen dicht bij elkaarliggende geideeItjes. Bij cementsteen bedraagt hetniet-reversibele deel zo'n 30 - 60% van detotale krimp.Water-cementfactorZoals gebruikelijk in de betontechnologie heeft ookbij krimp de water-cementfactor weer een belang-rijke invloed. Figuur 3 laat de uitdrogingskrimpzien van cementsteen als functie van wcf en tijd.Tot 28 dagen lijkt er weinig verschil te bestaan.In die tijd is echter bij een wcf van schts4verhardingsduur dagen)2% water verdampt, terwijl bij een wcf van 0,65niet minder dan 17% is verdwenen; een duidelijkeillustratie van het feit dat een lage wcf een fijneporiestructuur geeft met een lage verdampings-snelheid, maar grote krimpspanningen. Een hogewcf daarentegen geeft veel grove capillairenwaaruit het water snel kan verdampen, maarwaarbij slechts geringe krimpspanningenontstaan. De uiteindelijke krimp is evenwel groternaarmate de wcf hoger is.Nog duidelijker is het beeld dat figuur 4 geeft. Dekrimp van pasta's bestaande uit cement, fijn-gemalen zand en water hebben, bij een ongeveergelijke waterbehoefte, sterk verschillende water-cementfactoren en dus ook een sterk variërendeporiestructuur. Duidelijk is te zien dat eerst hetwater uit de grovere poriën verdampt zonder datde massa noemenswaard krimpt. Pas als het wateruit de gelporiën verdwijnt, treedt sterke krimp opdie nu, onafhankelijk van de wcf, ongeveerevenredig is met het waterverlies.4Uitdrogingskrimp van morte/species bijverschillende cementqeheltes, met een ongeveergelijke waterbehoefte en dus sterk verschillendewet en dito poriestructuurcementgehalte (%)inmengsel van cementen gemalen zandiE0o 20 40 60waterverlies (g)5Terug/open van de krimp bij een toenemendpercentage toes/agmateriaa/1,00,80,60,4Eï::0,2QJ\\-,-.