Betoniek114|14 Betoniek mei 2008B A N D U I T G AV E14 14mei 2008 V a k b l a d V o o r b o u w e n m e t b e t o nPuzzolane PartnersOns vertrouwde 1-2-3 beton wordt steeds meer een smeltkroes vol nieuwekostgangers. Er worden steeds meer nieuwe materialen in beton verwerkt. Zo-veel zelfs, dat er in de normen vulstofcategori?n zijn bedacht om alle vreemdevogels die vulstoffuncties in beton kunnen vervullen een plek te geven. In dezebroeierige smeltkroes staat ons portlandcement nog steeds zijn mannetje.Er ontluiken partnerschappen met eigen omgangsvormen. In deze Betoniekdaarom maar eens een eerste partneronderzoek. Onze eerste vrijers zijn devulstoffen type II met een puzzolane functie. Waar komen deze puzzolanenvandaan en hoe zijn ze in de omgang?2 14|14 Betoniek mei 2008Beton bestaat uit grove toeslagmaterialen, fijnetoeslagmaterialen, water en cement. Het fijnetoeslagmateriaal vult de gaten tussen de grovetoeslagmaterialen. Het water en cement plakkenvervolgens het grove en fijne toeslagmateriaal aanelkaar vast. In deze Betoniek bekijken we wat ergebeurt als we aan deze opbouw een zogenaamdepuzzolane vulstof toevoegen. We concentreren onsdaarbij op de interactie tussen de puzzolane vulstofen het cement. Hoe werken deze twee nu preciessamen? De gevolgen van deze samenwerking op deeigenschappen van het uiteindelijk gevormde betonkomen in een latere Betoniek aan de orde.Een puzzolane vulstof is een vulstof die niet metwater alleen reageert, maar wel met water in combi-natie met calciumhydroxide (CH). Voorbeelden vanpuzzolane vulstoffen zijn poederkoolvliegas, silicafume en natuurlijk puzzolaan gesteente zoals tras(gemalen tufsteen). Deze vulstoffen behoren volgensde NEN-EN 206-1 tot de type II vulstoffen: de reage-rende (puzzolane of latent hydraulische) vulstoffen(zie kader 1). Latent hydraulische vulstoffen kunnenwel zelfstandig met alleen water reageren, maarlatent geeft aan dat dit (sluimerend) langzaam gaat.Een voorbeeld van een latent hydraulische vulstof isgemalen hoogovenslak. De latent hydraulische vari-ant van de type II vulstoffen behandelen we verderniet in deze Betoniek. We komen daar in een laternummer uitgebreid op terug.kader 1: Indeling vulstoffenDe NEN-EN 206-1 behandelt twee typen anorganischevulstoffen:? TypeI:vrijwelinertevulstoffen(steenmeelenpigmenten);? TypeII:puzzolaneoflatenthydraulischevulstoffen(poederkoolvliegas,silicafumeenhoogovenslak).De hoofdschotel van deze Betoniek is de samen-werking tussen puzzolane vulstoffen en portland-cement. Aan de hand van natuurlijke puzzolanenbehandelen we eerst enkele basisbegrippen voor depuzzolane reactie. Daarna gaan we in detail in opde belangrijkste vertegenwoordigers: silica fume enpoederkoolvliegas.Het begint bij PozzuoliPartnerschappen van Portlandcement met anderevulstoffen zijn niet van vandaag of gisteren. Al inde tijd van de Grieken en Romeinen bestond er een`hydraulische kalk', die uithardde aan de lucht.Onder water verhardde deze kalk echter niet. Ditveranderde ineens door toevoeging van vulkanischeassen. Nu werd het bindmiddel ook onder waterhard. Als men echter alleen de vulkanische as metwater als bindmiddel gebruikte, dan gebeurde eropnieuw niets. Er was hier dus duidelijk sprake vaneen noodzakelijke partnerschap.De oude Grieken mengden hun `hydraulische kalk'met natuurlijk vulkanisch materiaal van het eilandSantorini (ook bekend als `Santorini Aarde'). Ditmateriaal zou onder andere gebruikt zijn bij debouw van het Parthenon. De Romeinen leerdenvervolgens deze truc van de Grieken en pasten dezetoe op een heel scala aan natuurlijke assen uit hunomvangrijke rijk. Het Pantheon is het meest beken-de Romeinse bouwvoorbeeld uit deze periode.Uit de Romeinse tijd komt ook de naamgeving. Eenbelangrijke vindplaats voor de verweerde as vanvulkanisch gesteente (tufsteen) lag namelijk in debuurt van het Italiaanse plaatsje Pozzuoli, gelegenaan de Baai van Napels. Tegenwoordig kennen wePozzuoli in de cement- en betonwereld veel meer inz'n verbasterde vorm: puzzolaan. Het is de verza-melnaam geworden voor een groep materialen diede eigenschap van de puzzolane reactie bezitten.Wat dat precies voor een reactie is, bespreken westap voor stap in deze Betoniek.Snel stollenWaarom vertoonden vulkanische assen nu juisteen puzzolane reactie? Het is onbekend of de Ro-meinen dit al wisten, maar inmiddels weten we ingrote lijnen wat er gebeurt. De vulkanische as dieals bouwmateriaal van de grond wordt geschept,is in een eerder leven onderdeel van het magmaonder de aardkost geweest. Deze hete stromendemassa wordt bij een vulkaanuitbarsting met krachtnaar buiten gespuwd. Terwijl het materiaal door delucht vliegt, ondergaat het een zeer snelle tempera-tuurwisseling: van heel heet (binnen in de vulkaan)naar koud (in de frisse buitenlucht). Het is alsof jena een warm bad onder een koude douche springt.314|14 Betoniek mei 2008Doordat het materiaal snel afkoelt, stolt het ooksnel. Tijdens het stollen gebeurt er veel met destructuur van het materiaal. In gesmolten toestandrollen de bouwstenen van het magma willekeurigover elkaar heen. Als we het materiaal nu rustigafkoelen, dan krijgen we een vast materiaal. Deoorspronkelijk vrij bewegende bouwstenen of ba-siselementen zijn daarbij netjes op een aangewezenplaats gaan zitten.Je kunt het stolproces vergelijken met mensen dievanuit de drukte van een foyer in een grote theater-zaal op hun plaats gaan zitten, iedereen netjes opzijn toegewezen plaats. De hectiek uit de foyer ver-gelijken we met het gesmolten materiaal, de thea-terzaal met het gestolde materiaal. Op het momentdat we het materiaal langzaam stollen hebben onzetheaterbezoekers voldoende tijd om rustig naarhun plek te lopen en rustig te gaan zitten.Als we het afkoelproces nu versnellen (en dus hetmateriaal sneller laten stollen), jagen we onze the-aterbezoekers veel sneller de zaal in. Het eindeffect(alle mensen in de zaal = gestold materiaal) is nogsteeds hetzelfde, maar daar is ook alles mee gezegd.Mensen zitten op de verkeerde plek, met z'n twee?nop een stoel, op de trap of op het toneel. Op een deelvan de plaatsen zit zelfs helemaal niemand. In plaatsvan geordend netjes in het gelid (een kristallijnestructuur) krijgen we dus een ongeordende warboel(een amorfe structuur) (zie kader 2).1 Vulkaanuitbarstingkader 2: ordening in een materiaalstructuurAlsweietsoverdestructuurvaneenmateriaalwillenzeggen,danhebbenwehetoverdeordeningvanbasiselementen.Alsdebasiselementengeordendzijn,zijnzevolgenseenvastpatroongestapeld.Wekunnendus,ophetmomentdatwedeplaatsvan??nbasiselementkennen,deplaatsvanaldeanderebasiselementenvoorspellen.Wesprekenhierovereengeordendofeenkristallijnmateriaal.Tegenoverordestaatwanorde.Bijdezematerialenisderegelmatiggeordendeopbouwweg.Wenoemenzo'nhopelozewanordeeenamorfmateriaal.Kristallijn AmorfFiguur 1: Verschil tussen een geordend kristallijne en een ongeordende4 14|14 Betoniek mei 2008tussen de hoeveelheid kristallijne en amorfe ge-biedjes in een materiaal instellen. Hoe sneller weafkoelen, hoe meer amorfe gebiedjes we krijgen enhoe reactiever we het materiaal dus maken.de pH schaarWe hebben gezien dat we S-bouwstenen makke-lijker uit een amorfe structuur kunnen knippendan uit een kristallijne structuur, maar een krak-kemikkige amorfe structuur is slechts ??n kant vanhet verhaal. We hebben ook nog te maken met descherpte van de schaar waarmee we knippen. Wantknippen met een botte schaar in een amorfe struc-tuur levert maar heel weinig losse S-bouwstenenop.De schaar is in dit geval de pH van de oplossing:hoe hoger de pH, hoe scherper de schaar. Het (expo-nenti?le) verband tussen de scherpte van de schaar(de pH) en het aantal losgeknipte S-bouwstenen isweergegeven in figuur 5.S-bouwsteenLaten we het voorafgaande eens wat concreter ma-ken. De cementsteen in beton bestaat uit calcium-silicaat-hydraten, kortweg C-S-H. De S-bouwsteen indeze structuur is ??n van de belangrijkste bouwste-nen in het bouwwerk van cement en beton. Als wedeze S-bouwsteen proberen te tekenen, dan ziet heteruit als een piramide met een driehoekig grond-vlak (zie figuur 2). Het siliciumatoom zit hierbijmiddenin in de piramide. Op de vier hoekpuntenzitten zuurstofatomen. Vaak tekenen we alleenmaar de piramide en niet de atomen.Een bekend voorbeeld opgebouwd uit enkel S-bouwstenen is kwarts. Dit materiaal is een kristal-lijn mineraal gesteente en heeft dus een geordendregelmatig kristalrooster, zie figuur 3a. Zouden wekwarts nu zo verhitten dat het smelt en het vervol-gens heel snel afkoelen, dan krijgen we een amorfestructuur. Het materiaal is nog steeds opgebouwduit dezelfde S-bouwstenen, maar in plaats van re-gelmatige patronen overheerst de wanorde, zoals tezien is in figuur 3b.Voor het verharden van cement zijn we in de eersteplaats ge?nteresseerd in losse S-bouwstenen om decementsteen mee op te bouwen. Dit betekent datde S-bouwstenen losgeknipt moeten worden uit destructuren waarin ze zich bevinden. Dit losknippengaat veel makkelijker uit een amorfe structuur danuit een kristallijne structuur waar de S-bouwstenenstevig door hun buren worden vastgehouden. Ditmaakt een amorfe structuur veel reactiever dan eenkristallijne structuur.We kunnen hier zelfs mee spelen. Door in te grij-pen in het afkoelproces kunnen we de verhoudingFiguur 2: De S-bouwsteen.a) kristallijnFiguur 3: Voorbeeld van de kristallijne en amorfe structuur van S-bouw-stenen.b) amorf514|14 Betoniek mei 20081470Sterk zuur Sterk basischbasischzuur Neutraal12,0 12,5 13,0 13,5 14,0pHAantal losgeknipteS-bouwstenen in oplossingNu we dit weten is de volgende vraag: wat is eigen-lijk de pH van ons poriewater? Het antwoord isdat de pH zich gedurende de verharding van betonontwikkelt. Het gewone kraanwater waar we bijhet mengen mee beginnen heeft immers slechtseen pH van ongeveer 7 (zie figuur 4). In figuur 6 isde ontwikkeling van de pH voor een betonmengselop basis van 100 procent portlandcement weer-gegeven. Deze ontwikkeling is afhankelijk van dereacties die zich afspelen tijdens de verharding. Ditis goed te zien als we het mengsel iets aanpassen.Gebruiken we in plaats van 100 procent portlandce-ment slechts 80 procent portlandcement en vullenwe de rest aan met poederkoolvliegas, dan krijgenwe de blauwe lijn in figuur 6. De pH ontwikkeltzich nu dus op een andere manier.Hoewel de ontwikkeling telkens iets anders kanzijn, is de trend wel steeds gelijk. Met poederkool-vliegas duurt het wat langer om een hoge pH te be-reiken. Uit experimenten die de basis vormen vanfiguur 5 weten we dat we een pH van ongeveer 13,5? 13,6 nodig hebben (afhankelijk van het soort poe-derkoolvliegas) voordat onze schaar scherp genoegis om S-bouwstenen uit de poederkoolvliegas los teknippen. Uit figuur 6 valt nu eenvoudig af te lezen,waarom poederkoolvliegas pas na verloop van tijdbijdraagt aan de verharding van beton: voor die tijdzijn er nog nauwelijks S-bouwstenen uit het poeder-koolvliegas losgeknipt.de puzzolane reactieOp dit moment hebben we alle informatie om het ge-heim van de vulkanische as van Pozzuoli te verklaren.Een puzzolaan materiaal heeft in potentie S-bouwste-nen beschikbaar. Als we deze stof met water mengengebeurt er echter helemaal niets. Er zijn namelijktwee randvoorwaarden voor een puzzolane reactie.De eerste voorwaarde is dat de pH hoog genoeg moetzijn om S-bouwstenen vrij te knippen uit hun mate-riaalstructuur. Dit gaat overigens sneller als de struc-tuur al wanordelijk en krakkemikkig, dus amorf, inelkaar zit.Om met de S-bouwstenen een cementsteenstructuurvan C-S-H op te kunnen bouwen hebben we ook nogC-bouwstenen nodig. Dit is onze tweede randvoor-waarde. Het calcium (de C-bouwsteen) wordt meestalaangeleverd door de reactie van water met cementwaarbij calciumhydroxide ontstaat (CH). Het calciumhoeft echter niet per se van een portlandcement tekomen, zoals de oude Grieken en Romeinen al wisten.Daarmee valt alles op zijn plaats en kunnen we metpuzzolane materialen meebouwen aan C-S-H (cement-steen). In figuur 7 is dit alles nog eens samengevat.Figuur 7: Puzzolane reactie.Figuur 4: Indeling van pH-waarden.0.17 1 3 5 7 14 21 2812,812,913,013,113,213,313,413,513,613,713,8Tijd (dagen)100% portlandcement80% portlandcement + 20%pHFiguur 5: Relatie tussen de pH en hoeveelheid losgeknipte S-bouwstenen. Figuur 6: Verloop van de pH in de tijd.6 14|14 Betoniek mei 2008twee voorbeeldenMet de hiervoor geschetste basiskennis gaan we nuin op twee veel gebruikte vertegenwoordigers vantype II vulstoffen met een puzzolane functie: silicafume en poederkoolvliegas.Silica FumeWaar komt silica fume vandaan?Silica fume komt vrij tijdens de productie van hetmetaal silicium (nodig voor bijvoorbeeld computer-chips). Figuur 8 toont een schets van het produc-tieproces. Om zeer zuiver silicium te maken wordtzeer zuiver kwarts (SiO2) in een elektrische ovenverhit tot 2000?C. In de oven bevinden zich ookkolen, cokes of houtsnippers als koolstofbron. Dezekoolstofbron helpt om de zuurstof van het siliciumte verwijderen. De reacties kunnen door de volgen-de algemene totaalformule worden beschreven:De gevormde producten volgen allemaal hun eigenweg. Het silicium, waar het allemaal om begonnenis, wordt als metaal afgetapt. SiO en CO vervolgenhun weg als heet gas door de schoorsteen. Ze reage-3 Cement in vergelijking met silica fume.PaulE.Stutzman/NIST2 Productie van silica fume in de fabriek van Elkem in Noorwegen14|14 Betoniek mei 2008 7ren daarbij met zuurstof tot CO2 (gas) en SiO2 (vastestof).Tot begin jaren zeventig verdwenen CO2 en SiO2gewoon via de schoorsteen in de atmosfeer. Toenbesloot de Noorse regering tot veel strengere regelsvoor het milieu: de rookgassen moesten schoner.Dit startte een proces om de stofdeeltjes af te van-gen in zogenaamde stoffilters. Dit leverde ineenseen hele berg stof op, de silica fume. De vraag wasvervolgens: wat moet je daar mee?Al in 1950 was er door Noorwegen wat materiaal-onderzoek uitgevoerd naar de toepassing van silicafume in beton, maar hier werd toen vervolgens nietsmee gedaan. Toen er in de jaren zeventig gezochtmoest worden naar bruikbare toepassingen voorsilica fume, werd er dankbaar gebruik gemaakt vandit voorwerk. Tegenwoordig worden siliciumhou-dende rookgassen versneld gekoeld zodat de SiO2voornamelijk in amorfe vorm bestaat.Tijdenlang was er alleen een Noorse norm voor silicafume (NS 3045 uit 1992). Sinds 2005 is er een Euro-pese norm (NEN-EN 13263-1). Hierin is onder anderevoorgeschreven dat silica fume voor tenminste 85procent uit SiO2 moet bestaan.Silica fume in de omgang met cementSilica fume deeltjes zijn twee ordes kleiner dancementdeeltjes. De gemiddelde deeltjesgrootte vansilica fume is 0,15 ?m. Dit zorgt per kilo materiaalvoor een veel groter oppervlak dan cement. Waarcement per kilo een oppervlak heeft van ongeveer400 m2 (ongeveer 2 tennisvelden), heeft silica fumeper kilo een oppervlak van circa 20.000 m2 (onge-veer 3 voetbalvelden). Door de amorfe structuurvan silica fume is dit reactieoppervlak volledig be-schikbaar voor een puzzolane reactie.ToevoegenSilica fume poeder stuift nogal. Daarom wordt hetvaak als `condensed silica fume' verkocht. Hierbijzijn de afzonderlijke deeltjes zodanig behandeld,dat ze als kluitjes aan elkaar hangen. Het is de be-doeling dat deze kluitjes door het geweld tijdenshet mengproces in de menger uit elkaar vallen.Gebeurt dit niet, dan gaat het beoogde effect vansilica fume grotendeels verloren.Een andere manier om silica fume toe te voegen isin de vorm van een slurry. Het toevoegen van desilica fume aan het betonmengsel is dan geen pro-bleem meer. In plaats daarvan moet moeite wordengestoken in het maken en behouden van een sta-biele suspensie (slurry) van silica fume poeder enwater. In de praktijk betekent dit dat je de suspen-sie in beweging moet houden, bijvoorbeeld via eenroerwerk, of met behulp van doorgeblazen lucht.NabehandelingHet toevoegen van kleine deeltjes met een grootspecifiek oppervlak per kilo materiaal, betekentook een verstoring van de waterhuishouding in eenbetonmengsel. Er zal meer water nodig zijn omal het extra oppervlak te bevochtigen. Bovendienspelen bij zulke kleine deeltjes collo?dale krachten(de `kleefkrachten' tussen kleine deeltjes onderling)ineens een veel belangrijkere rol. Dit betekent bij-voorbeeld dat het water ook nog beter vastgehou-den wordt. Hierdoor is de kans op bleeding kleiner.Dit betekent dat we zorgvuldiger naar de nabehan-deling moeten kijken.PoederkoolvliegasWaar komt poederkoolvliegas vandaan?Vliegassen zijn kleine vaste deeltjes die met derookgassen van een verbrandingsproces meevlie-gen. Afhankelijk van het verbrandingsproces hebje een heleboel soorten vliegassen. Wij beperkenons hier tot poederkoolvliegas dat afkomstig is vanStoffiltersSilica fumeopvangSiSiO2 + COvenAftapElektrodenCOCO2CO2+ O2SiO2KoelvinSchone luchtSiOFiguur 8: Proces waarbij silica fume vrijkomt.14|14 Betoniek mei 20088de verbranding van poederkool, oftewel gemalensteenkool (