auteur dr.Dipl.-Ing. Martin Hunger, dr.eng. Przemek Spiesz HeidelbergCement Benelux / ENCIOnderzoek naar mogelijkheden van toepassingultra-hogesterktebeton in de praktijkPraktijkproef bewiDankzij nieuwe ontwikkelingen in de betontechnologie ligtde productie van ultra-hogesterktebeton voor steeds meerbedrijven binnen handbereik. Door toepassing van modernesuperplastificeerders, puzzolane vulstoffen en (staal)vezels inde juiste verhouding, is een materiaal te produceren met eendruksterkte van rond de 200 MPa en betere duurzaamheids-eigenschappen dan conventioneel beton. Dit alles is recentonderbouwd met een succesvolle praktijkproef, die de mogelijk-heden van dit toch al enkele decennia bestaande materiaalduidelijk onderschrijft.Met de toepassing van eenwater-bindmiddelfactor vanongeveer 0,2, de juiste bindmiddelenen vulstoffen en een geoptimaliseerdekorrelpakking, is beton te maken meteen uitzonderlijk hoge dichtheid.Daardoor ontstaat een materiaal metzeer goede mechanische eigenschap-pen. De lage permeabiliteit leidt ooknog eens tot een uitstekende duur-zaamheid. De toevoeging van vezelsverhoogt bovendien de ductiliteit enverlaagt het kenmerkende brossekarakter van het beton. Hoewel hetmateriaal al enkele decennia bestaat,is het nog vrij onbekend en wordt hetnog maar weinig toegepast. Dat ismede te wijten aan enkele vooroor-delen ten aanzien van kosten enproductieproces en het gebrek aanontwerprichtlijnen en onvoldoendekennis bij betontechnologen, aan-nemers, constructeurs en architecten.Wat is UHSB?Door het gebrek aan goede richtlijnenstaat de definitie van ultra-hogesterkte-beton (UHSB) nog wel eens ter discus-sie. Het wordt meestal omschreven alseen beton met zeer goede mechani-sche eigenschappen gecombineerdmet uitstekende duurzaamheid enverwerkbaarheid. De Engelse termultra high performance concrete dektdus eigenlijk de lading beter. Het iswel de druksterkte die vaak wordtgehanteerd als de onderscheidendeparameter.De hoogste sterkteklasse in NEN-EN 206en NEN 8005 is C100/115. In Eurocode 2(NEN-EN 1992-1) wordt boven C50/60voor een aantal mechanische eigen-schappen een andere relatie met dedruksterkte gegeven, zonder dat erspecifiek over hogesterktebetonwordt gesproken.CUR-Aanbeveling 97 ? Hogesterkte-beton, die niet meer wordt gebruikt,ging voor de definitie van hogesterkte-beton uit van een kubusdruksterkte fckgroter dan 65 MPa en gaf als limiet105 MPa. Duidelijk is dat sterktenhoger dan 115 MPa niet wordenondersteund door Nederlandse normenof aanbevelingen. Voor hogere sterktenis in Nederland de term zeer-hoge-sterktebeton ge?ntroduceerd. In de12 VAKBLAD I 2 2016jst potentie UHSBliteratuur wordt 150 MPa genoemdals ondergrens voor ultra-hogesterkte-beton [1, 2].Ervaringen uit het verledenEr is in het verleden al veel onderzoekverricht naar UHSB. Het meesteonderzoek dat in de literatuur isbeschreven blijft echter beperkt totlaboratoriumonderzoek. Onderzoeks-resultaten van praktijksituaties of vanbeton dat op grote schaal is geprodu-ceerd in betonmortelcentrales zijnnauwelijks bekend. Dit komt ondermeer doordat er weinig ervaring ismet het interpreteren van de resultatenen doordat er geen overeenstemmingis over testprocedures, geometrie vanproefstukken, leeftijd van beton bijhet testen en de testcondities.Het UHSB dat wel in de literatuurwordt beschreven, is bovendien vaakeen door diverse producentengemaakt `black-box'-materiaal, zoalspremixes van het type Reactive PowderConcrete (RPC), waarvan de samen-stelling niet bekend is. Deze materialenbestaan meestal alleen uit cement,vulstoffen, fijn toeslagmateriaal enhulpstoffen in poedervorm.Feitelijk voldoen ze dus niet aan dedefinitie van beton, waar ook groftoeslagmateriaal (> 4 mm) in hoortte zitten.Een andere reden dat er geen onder-zoek met toepassingen in de praktijkis gedaan, is dat vaak extra behande-lingen worden ingezet bij de fabri-cage, zoals toevoeging van warmte,het mengen in vacu?momstandighe-den en het verharden onder mechani-sche druk. RPC met een warmtebe-handeling kan een druksterkte vanwel 800 MPa bereiken. Hoewel dezebehandelingen de sterkte inderdaad1Praktijkproef USHB-platen: om de capa-citeit te testen, zijnde platen eerst belastmet een truckmixeren vervolgens metbetonblokken vanelk 2150 kg2Een truckmixer testde proefplaten vanultra-hogesterktebetonTabel 1 Sterkte verschillende betonsoortenbetonsoort druksterkte [MPa]normaal beton 15 - 65hogesterktebeton 65 - 105zeer-hogesterktebeton 105 - 150ultra-hogesterktebeton > 15013VAKBLAD I 2 2016flink kunnen verhogen, zijn ze ooksterk kostenverhogend, verlengen zede productietijd, zijn extra installatiesen controle nodig en zijn ze eigenlijkalleen maar toepasbaar bij prefabricage.Uit onderzoek tot nu toe blijkt datUHSB z?nder behandeling en m?ttoepassing van grof toeslagmateriaaleen sterkte bereikt van maximaal 175tot 185 MPa [3, 4].Voor een breder toepassingsgebied ishet nodig UHSB te ontwikkelen metingredi?nten die makkelijk verkrijgbaarzijn en met duidelijke mengprocdures.Het UHSB moet bovendien te produ-ceren zijn in gewone betonmortel-centrales. Ook de eigenschappen,zowel in verharde als in onverhardetoestand, moeten nog verder wordengeoptimaliseerd.PraktijkonderzoekOm de mogelijkheden van het mate-riaal ? geproduceerd in een beton-mortelcentrale, getransporteerd ineen truckmixer en ter plaatse gestort? te onderzoeken, is een praktijkproefuitgevoerd. Initiatiefnemers warenFDN Engineering en ENCI, bijgestaandoor Mebin en De Jong's Betonbedrijf.Bij deze proef werden twee proefplatengerealiseerd met een dikte van 45 mm.Het doel was een economisch rendabelUHSB te ontwerpen met een sterktevan rond 200 MPa (zonder aanvullendemaatregelen) met grof toeslagmateriaalen goed beschikbare ingredi?nten.In dit artikel wordt alleen ingegaanop de beproevingen van het materiaalzelf. De berekening en beproevingvan de platen (foto 1 en 2) wordtbeschreven in een artikel in Cement2016/4.ResultatenOp basis van voorafgaand laboratorium-onderzoek is gezocht naar een UHSB-mengsel dat een maximale druksterktezal hebben met goede zelfverdichtendeeigenschappen (stabiliteit, vloeibaar-heid en voldoende opentijd).MengselHet ontwikkelde mengsel bevat eenzeer hard toeslagmateriaal tot 6 mm,gecombineerd met zand 0 ? 1 mm,portlandcement (CEM I 52,5 R), silicafume (micro- of nanosilica), kalksteen-meel, staalvezels (diameter 0,3 mm,lengte 12 mm), een op polycarboxy-laat gebaseerde superplastificeerderen vertrager. De totale hoeveelheidbindmiddel bedraagt 845 kg/m?, dewater-bindmiddelfactor is 0,21 enhet volumepercentage staalvezels is1,5%. De korrelgradering is geopti-maliseerd volgens het Andreasen &Andersen particle packing model [5].Het resultaat hiervan is weergegevenin figuur 3.Eerst is het beton vervaardigd enbeproefd in het betonlaboratoriumvan ENCI. De druksterkte is gemetenaan de hand van kubussen van100 ? 100 ? 100 mm?. Het resultaatwas een druksterkte van 205 MPa.Vervolgens is het beton geproduceerdin een betonmortelcentrale vanMebin (Utrecht). Met een trogmengerzijn twee batches van 1,5 m3 gereali-seerd, op twee verschillende dagen:mengsel 1 en mengsel 2. Vanwegeenkele problemen in de doseerinstal-0204060801000,1 1 10 100 1000 10 000cumulatievezeefrest[vol.%]deeltjesgrootte [?m]doelcurve geoptimaliseerd mengselCEM I 52,5R Maastricht kalksteenmeelzand 0-1 grind 3-602550751001251501752002250 14 28 42 56 70 84 98druksterkte[MPa]leeftijd [dagen]labmengselmengsel 1mengsel 23Geoptimaliseerdekorrelgradering4Ontwikkelingdruksterkte14 VAKBLAD I 2 2016latie zijn in deze mengsels verschillendetypen en hoeveelheden vertrager toe-gepast. De mengsels werden achtminuten gemengd en direct daarnageladen in een truckmixer. 120 l vandeze mengsels is gebruikt voordiverse testen. De vloeimaat vanbeide mengsels bedroeg circa 720 tot740 mm, gemeten met de kegel vanAbrams. Om de mechanische enduurzaamheidseigenschappen temeten, zijn onder meer kubussen van150 ? 150 ? 150 mm?, cilinders meteen diameter van 150 mm en eenhoogte van 300 mm gemaakt. Voordeze proefstukken werd het betonniet verdicht (ZVB). Na ontkisten zijnde proefstukken bewaard in eenwaterbad van 20 ?C.In het navolgende worden de resultatenweergegeven van de ontwikkelingvan de druksterkte, de E-modulus ende chloride-indringing. Dit gedurendede eerste 91 dagen na het storten.Het onderzoek is vervolgens nog eenhalfjaar voortgezet.DruksterkteDe druksterkte van beide mengsels isgemeten aan de hand van kubussen.De ontwikkeling van de druksterktevan mengsel 1 is gedurende 28 dagengemonitord, mengsel 2 gedurende 91dagen. De druksterkteontwikkeling isweergegeven in figuur 4.In dit figuur is te zien dat de sterkte-ontwikkeling van mengsel 1 veel snel-ler op gang kwam dan die van meng-sel 2. De druksterkte van mengsel 1bedroeg na ??n dag 107 MPa. Meng-sel 2 bereikte na drie dagen eensterkte van slechts 4 MPa. Dit verschilis te verklaren door de verschillendetypen en dosering van de vertragers:mengsel 1 bevatte 0,5% (v/v) Sika VZ-1,en mengsel 2 0,7% Cugla MMV. Devertrager van het tweede mengselkon door omstandigheden niet voorafworden getest en is onbewust zwaarovergedoseerd.Na 28 dagen bereikte het eerstemengsel 188 MPa, iets minder dande gemeten waarde van de100 ? 100 ? 100 mm? proefstukkenvan eerder uitgevoerde laboratorium-proeven. Hoewel ernstig vertraagd,bereikte mengsel 2 na 91 dagen eensterkte van 194 MPa en liet het ookdaarna nog een groei van de sterktezien.E-modulusVan mengsel 2 is naast de druksterkteook de E-modulus gemonitord opbasis van beproevingen van cilinders,volgens EN 12390-13. Dit tot 91 dagenna het storten. De gemiddelde waar-den staan in figuur 5. Er is duidelijkeen toenemende stijfheid te zientijdens de onderzoeksperiode. Hetmateriaal blijkt een erg hoge stijfheidte hebben. De E-modulus loopt op tot72 000 MPa.Chloride-indringingOm de dichtheid van het materiaalaan te tonen, is een chloridetest uit-gevoerd met de cilinders. Tijdensdeze test zijn de cilinders gedurende91 dagen ondergedompeld in een3% NaCl-oplossing. De chloride-diffusie bleek echter niet te meten. Dechloride-indringing bedroeg namelijk60 00062 50065 00067 50070 00072 50075 0000 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 77 84 91 98E-modulus[MPa]leeftijd [dagen]mengsel 200,050,10,150,20,250,30 1 2 3 4 5Cl-concentratie[m-%]diepte [mm]5OntwikkelingE-Modulus6Chloride-indringing na91 dagen blootstellingaan zeewater15VAKBLAD I 2 2016minder dan 1 mm (fig. 6). Dit toontaan dat de levensduur van UHSBextreem hoog is en dat schadelijkestoffen niet in het materiaal kunnenbinnendringen.Verder zijn een carbonatatieproef eneen waterpenetratieproef uitgevoerd.In de carbonatatieproef werd nazeven maanden natuurlijke carbonatatieabsoluut geen reactie geconstateerd(foto 7). De waterpenetratieproef isuitgevoerd door 72 uur lang watermet 5 bar druk tegen de onderkantvan het beton te drukken. Deze proefliet geen enkele waterindringing zien(foto 8).Slankere constructiesHet praktijkonderzoek toont aan datUHSB op een succesvolle manier kanworden geproduceerd op een beton-mortelcentrale. De materiaaleigen-schappen zijn uitmuntend met eengemeten druksterkte van 195 MPa,een E-modulus van 72 000 MPa eneen zeer goede bestandheid tegenchloride-indringing en carbonatatie.Dit toont aan dat het materiaal uitste-kende mogelijkheden heeft voor eenbrede toepassing in de praktijk. Con-structies kunnen slanker en lichterworden uitgevoerd, gaan langer meeen de onderhoudskosten kunnenomlaag.Uiteindelijk kunnen alle genoemdeeigenschappen ook resulteren in eenfinancieel voordeel, zeker als afgeleidevoordelen worden meegenomen zoalslichtere ondersteunende constructiesen soms zelfs minder steunpunten.Als opdrachtgevers, architecten enconstructeurs de stap durven te zetten,gaat het materiaal zeker een goedetoekomst tegemoet.Literatuur1 Ultra-High Performance Concrete:A State-of-the-Art Report for theBridge Community. Publication no.FHWA-HRT-13-060. US Departmentof Transportation. Federal HighwayAdministration, June 2013.2 Naaman, A.E., Wille, K., The path toultra-high performance fibre-rein-forced concrete (UHP-FRC): Fivedecades of progress. Proceedings ofHipermat 2012 3rd InternationalSymposium on UHPC and nano-technology for High PerformanceConstruction Materials, Kassel,2012, p. 3-15.3 Hajar, Z. Simin, A., Lecointre, D.,Petitjean, J., Design and Construc-tion of the world first Ultra-HighPerformance Concrete roadbridges. Proceedings of the Interna-tional Symposium on Ultra HighPerformance Concrete, Kassel,2004, p. 39-48.4 A?brock, O., B?ing, R., Rothen-bacher, W. Stein, K., Winzer, R.,Praxistest ultrahochfester Beton imTransportbetonwerk. Beton, 2013,p. 1-8.5 Hunger, M., An integral design con-cept for ecological Self-CompactingConcrete. PhD thesis, TU Eindhoven,2010.7Proefstuk van decarbonatatieproef nazeven maanden: depaarse kleur betekentgeen carbonatatieaanwezig8Gespleten kubus nawaterpenetratieproef16 VAKBLAD I 2 2016