1oktober 2003Bij de sterkteontwikkeling van beton willen we de beoogde druksterktemeestal zo snel mogelijk bereiken. Het gaat er toch om een dag na hetstort te kunnen ontkisten of snel de voorspanning aan te brengen.Bij het ontwerpen van een betonconstructies gaan we uit van de kubus-druksterkte na 28 dagen verharding. Voor de rest van de levensduurvan de constructie gaan we vervolgens uit van die 28-daagse sterkte.Maar stopt hierna de sterkteontwikkeling?Nee, en op dit punt begint deze aflevering. De sterkteontwikkeling stoptnamelijk niet na 28 dagen verharding. De sterkte neemt toe, soms zelfstot onwaarschijnlijk hoge waarden.Sterkte op termijnK w a l i t e i tEigenschappen beton29I2Bij het drukken van betonkernen uit oude construc-ties valt op hoe sterk het beton is. Zo had bijvoor-beeld de Noordersluis, gebouwd in 1927, vlak voorde renovatie in 2002 een gemiddelde druksterktevan 50,4 N/mm2 [1]. De druksterkte, waarmee in hetontwerp rekening is gehouden, moet veel lager zijngeweest. Dat wordt duidelijk wanneer we de beton-druksterktes van gepubliceerde normen met elkaarvergelijken (fig. 2).Zo bleek het beton van het schip `de Crete Joist' na80 jaar een B 100 te zijn. Het is toch niet waar-schijnlijk dat in 1920 die sterkteklasse kon wordengerealiseerd [2]. Het lijkt alsof het verkrijgen vanhogesterktebeton een kwestie van tijd is. Deze toe-name in sterkte onbenut te laten, past niet in onzeNederlandse opvoeding. We vragen ons dan ook afop welke wijze we tijdens het bouwproces of bij eenherbeoordeling van een constructie dit fenomeenkunnen gebruiken. Maar eerst staan we stil bij desterkteontwikkeling na 28 dagen.1 Renovatie van de Noordersluis nabij IJmuidenDe materiaalgegevens van beton (kubusdruksterkte,treksterkte, elasticiteitsmodulus etc.) wordenbepaald na 28 dagen verharding. Voor de beton-technoloog is die periode van 28 dagen iedere keereen mijlpaal in zijn werk: op dat moment wordt`zijn' beton beoordeeld. Het is echter bekend datop dat tijdstip slechts een deel van het cement metwater heeft gereageerd. De karakteristieke eigen-schappen hebben zich slechts gedeeltelijk ontwik-keld. Op de bouwplaats maken we zelden gebruikvan deze 28-daagse sterkte. In veel gevallen stellenwe eisen aan, de druksterkte op een vroeger tijd-stip. Brengen we de voorspanning na drie dagenverharding aan dan moet de betondruksterktegroot genoeg zijn. In de praktijk zal een constructieechter pas na maanden volledig worden belast enis een snelle sterkteontwikkeling niet zo vanbelang. Voor de kwaliteit van het betonwerk is hetzelfs beter de sterkteontwikkeling geleidelijk telaten verlopen. Door een lagere temperatuurs-ontwikkeling is de kans op scheurvorming kleiner,terwijl de eindsterkte hoger wordt. Het gebruikvan de 28-daagse kubusdruksterkte heeft daaromweinig relatie met de praktijk.Theorie sterkteontwikkelingVoor veel betrokkenen is de karakteristieke kubus-druksterkte van beton een vast gegeven voor deconstructie. Beton doorloopt echter een aantalfasen voordat het die sterkte bereikt heeft. In deplastische fase, net na het mengen, heeft hetbeton hooguit een groene sterkte (bijvoorbeeld bijaardvochtige mengsels die ontkist kunnen wordenzonder dat de vorm verloren gaat, zoals bij het ver-vaardigen van betontegels). In deze dormante fasewordt de betonspecie vervoerd en gestort. Na enkeleuren begint de sterkteontwikkeling, de jonge fase.In deze fase krijgt het beton de sterkte die hetnodig heeft voor het uitoefenen van zijn functie.De sterkteontwikkeling gaat hand in hand met dereactie van het cement met water: de hydratatievan cement. Deze reactie verloopt eerst snel en inde loop van de tijd steeds trager. Direct nadat hetcement in contact is gekomen met water vormtzich een laagje reactieproducten rond de cement-korrel (fig. 4). Dit laagje blokkeert gedurende dedormante fase de reactie waardoor die zeer traagverloopt. Dit laagje bezwijkt na een paar uur.De dormante periode is voorbij en de jonge fasestart. In deze fase reageert het cement verder methet water.oktober 20032B e t o n i e k3 Sterkteontwikkeling in de verschillende fasendormantefasejonge fase eindfaseurensterktedagen jaren tijdKubusdruksterkte vroeger en nuVan bestaande betonconstructies verbazen we ons regelmatigover de verkregen druksterktes. Het is gebleken dat beton meteen lage sterkte na 28 dagen verharding op termijn een relatiefgrote sterktetoename heeft. In normen en andere regelgevendedocumenten staan de sterktes vermeld die als ontwerpwaardenin de praktijk worden gebruikt. De maximaal toe te passensterkte was vroeger veel lager dan nu. Zo gebruikten wein 1950 nog maximaal een K 250, overeenkomstig met ongeveereen B 15 nu, terwijl in de nog verse NEN-EN 206 zelfs wordtgesproken over een B 115. We weten met de voortschrijdendebetontechnologie het materiaal beton steeds verder uit tenutten.2 Toegepaste betondruksterktes uit gepubliceerde normen(omgerekend naar karakteristieke kubusdruksterkte).Karakterisiekekubusdruksterkte(N/mm)20204060801001201401940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010Jaar waarin norm geldig islaagste sterktevolgens de normhoogste sterktevolgens de normHet cement dat nog niet gereageerd heeft, moeteerst in oplossing gaan, vervolgens moeten dezeopgeloste bestanddelen naar de buitenrand van dekorrel. Daarna slaan de reactieproducten op hetoppervlak neer. Hiermee wordt de route die hetwater naar het ongehydrateerde cement moetvolgen steeds langer. Dat geldt eveneens voor deopgeloste cementdelen die de tegenovergestelderichting moeten afleggen. Hierdoor neemt dereactiesnelheid steeds verder af. De reactie stopt alser geen ongehydrateerd cement of geen water meeris. Omdat meestal wel water in beton aanwezig is,zal het cement dus uitgereageerd moeten zijn omde reactie geheel te stoppen.Hoe hoger de hydratatiegraad, des te trager zal dereactiesnelheid zijn. De uiteindelijke snelheid vande reactie is afhankelijk van vele factoren.De belangrijkste zijn:· type cement (de aard, verhoudingen van dehoofdbestandelen, chemische samenstelling,maalfijnheid etc.);· temperatuur.Andere factoren, bijvoorbeeld de water-cement-factor, spelen ook een rol. Deze rol is echter groterin de jonge fase dan op latere leeftijd van het beton.De reactie stopt dus niet op 28 dagen zolang hetcement niet uitgereageerd is. Met het doorgaan vande reactie ontwikkelt de sterkte zich verder.Dat beton in de loop van de tijd een hogere sterktekan krijgen is vanuit de theorie wel te begrijpen.Reeds in B e t o n i e k 5/03 wordt kenbaar gemaaktdat de sterkteontwikkeling van beton in 10 jaaraanzienlijk kan zijn. Hoe hoog deze toename is,is pas belangrijk als we deze sterkte ook willenbenutten in de praktijk.oktober 2003B e t o n i e k3HydratatiegraadDe hydratatiegraad wordt gedefinieerd als de hoeveelheidcement die is omgezet in hydratatieproduct ten opzichte van deoorspronkelijke hoeveelheid cement. Oftewel:hydratatiegraad: =Er bestaat een lineaire relatie tussen de hydratatiegraad en desterkte. Dit zou betekenen dat als al het cement gehydrateerd isook de maximale sterkte wordt bereikt. Door de steeds tragerereactie van het cement, reageert vrijwel nooit al het cement enzal dus nooit de maximale hydratatiegraad bereikt worden.Dit heeft tot gevolg dat ook de theoretisch maximale sterktenooit bereikt zal worden.hoeveelheid gereageerd cementtotale hoeveelheid cement4 Reactie van cement met waterSterkte0 1Hydratatiegraadtheoretische maximale sterktehydratatiegraadmaximalemaximalesterkte5 De relatie tussen hydratiegraad en sterktevoor de reactiereactieproductencementkorrelopgelostcementwaterdormante fase jonge fase eindfaseInvloed cementsoortVan beton met hoogovencement en van beton metpoederkoolvliegas is bekend dat de sterkteontwik-keling trager verloopt dan die van beton met port-landcement. Dit effect werkt op langere termijndoor. Dat dit verschil optreedt, is te zien in de sterk-teontwikkeling van cement. In figuur 6 zien we datde sterkteontwikkeling van verschillende cement-soorten op termijn toeneemt.De verschillen in sterkteontwikkelingen bij dediverse cementsoorten heeft aan aantal redenen:· de maalfijnheid van het cement bepaalt voor eenbelangrijk deel de reactiesnelheid. Een fijncement heeft een groter specifiek oppervlakdan een grof cement. Hierdoor komt het watermakkelijk bij het nog niet gereageerde cementen reageert vervolgens. Fijn cement zal eerderuitgereageerd zijn, waarna de sterkteontwik-keling stopt;· hoogovencement reageert door de trage reactievan de hoogovenslakken in zijn geheel trager endaardoor verloopt de sterkteontwikkeling trager;· bij portlandvliegascement reageert de toegevoeg-de poederkoolvliegas later dan de portlandce-mentklinker. Hierdoor is de invloed van depuzzolane werking van de poederkoolvliegasop de sterkteontwikkeling pas na 28 dagen zicht-baar;· de onderlinge verhoudingen van de bestand-delen verschillen voor de diverse cementsoorten.Deze verhoudingen hebben effect op de reactievan het cement met water en dus op de reactie-snelheid.Invloed van cementsoort opde betonsterkteHet verschil in sterkteontwikkeling van de verschil-lende cementsoorten is terug te vinden bij de sterk-teontwikkeling van beton. Twee mengsels metdezelfde 28-daagse druksterkte worden in figuur 7met elkaar vergeleken. Na 1 jaar is bij het betonmet portlandcement de sterkte met 12 N/mm2 toe-genomen. Bij het beton met hoogovencement is detoename zelfs 15 N/mm2. Bij mengsels met poeder-koolvliegas is de toename nog groter.oktober 20034B e t o n i e kWaarom de 28-daagse kubusdruk-sterkteDe sterktebepaling van kubussen na 28 dagen verharding iseen controleproef. Door een gestandaardiseerde vervaardigingvan proefstukken, verhardingsomgeving en beproevings-methode, is het mogelijk de resultaten te gebruiken en onder-ling te vergelijken. De druksterkte die bepaald wordt bij dezecontrole zal waarschijnlijk afwijken van de druksterkte inhet uiteindelijke constructieonderdeel. Dit komt door de af-wijkende temperatuur en verschil in verdichten. Toch levert decontroleproef het resultaat dat door de constructeur als uit-gangspunt wordt gebruikt.Sterktetoename(%)0204060801001201401601801 jaar 10 jaar28 dagen2 dagenCEM I 32,5 RCEM III/B 42,5 NCEM II/B-V 32,5 RCEM I 52,5 N6 Relatieve sterkteontwikkeling van normprisma's metENCI cementenDruksterkte(N/mm2)010203040506070801 10 100 1000Tijd (dagen)CEM I 42,5 RCEM III/B 42,5 N28 dagen7 Kubusdruksterkte van beton met portlandcement en betonmet hoogovencement (B e t o n i e k 5/03)Invloed temperatuurDe reactie van cement en water is een chemischereactie die door de temperatuur beïnvloed wordt.Verhardt het beton bij hoge temperaturen danbereikt het eerder zijn eindsterkte. Door de hogetemperatuur reageert het cement sneller.De eindsterkte is echter lager dan die van beton datverhardt bij bijvoorbeeld 20 °C. Dit komt omdat erbij een hogere temperatuur andere reactie-producten gevormd worden met een lagere sterkte.Verder ontstaan na het verharden onder hogetemperaturen bij het afkoelen kleine scheurtjes(microscheuren) in de verharde cementsteen.Dit heeft tot gevolg dat de groei in sterkte na 28dagen gering zal zijn. Zo geeft figuur 8 aan dat tenopzichte van een verharding bij ongeveer 20 °Cde eindsterkte van beton, dat is verhard bij 30 °C,een reductie in eindsterkte geeft van circa 5%.Ten opzichte van het verharden bij 65 °C loopt dereductie zelfs op tot ongeveer 30%.Het versneld verharden van beton bij een hogetemperatuur, zoals in de prefabindustrie en bijgietbouw met tunnelbekisting in de woningbouw,heeft dus gevolgen voor de eindsterkte.Hoge sterkteklasse ­ mindertoenameWanneer de gegevens van verschillende beton-mengsels met elkaar worden vergeleken, dan blijktde sterkte van beton met een lage sterkteklasse na10 jaar meer te zijn toegenomen dan die van betonmet een hoge sterkteklasse. Zo kan de sterktetoe-name van beton met portlandcement en met eenkarakteristieke kubusdruksterkte van 35 N/mm2 na10 jaar ongeveer 20 N/mm2 bedragen. Terwijl dievan beton met een karakteristieke kubusdruksterk-te van 55 N/mm2 slechts 5 N/mm2 zal zijn. Bij hoge-sterktebeton wordt na 180 dagen nog maar een toe-name in sterkte van 5% waargenomen. Bij een B 35is echter een toename van 30% te verwachten. Desterkte van een beton met een hogere sterkteklasseis na 28 dagen verharding bijna gelijk aan de eind-sterkte. Dit vindt meestal zijn oorzaak in decementsoort, de fijnheid van het cement en dewater-cementfactor. Een hoge druksterkte na 28dagen verharding leidt op de lange duur tot eengeringere toename van die sterkte.Rekenen met de lange termijnsterkteOm voordeel te kunnen behalen uit de toenamevan de sterkte zijn rekenregels noodzakelijk.In onze nationale normen zullen we dat niet terug-vinden. Wel in een document met rekenmethodesdat opgesteld is door het Fib (Féderation Internationaledu Béton), de internationale studievereniging opbetongebied. In dat document, fib-model code 90,wordt een formule gegeven voor het bepalen van desterktetoename in de tijd. In figuur 10 zijn waardenvan deze berekening vergeleken met de waardenuit B e t o n i e k 5/03.oktober 2003B e t o n i e k5Sterkte-afname(%)50607080901000 0,2 0,4 0,6 0,8 1Hydratatiegraad30 °C40 °C50 °C65 °CDe sterkte is vergeleken metde sterkte die verkregen werdbij 22 °C8 Reductie van de sterkte door hoge temperaturen vergelekenmet een verharding bij ongeveer 20°C.Relatievetoenamevandesterkte(%)010203040506035 40 45 50 55Karakteristieke kubusdruksterktena 90 dagenna 10 jaar9 Relatieve sterkte toename voor beton bij verschillendekarakteristieke kubusdruksterktes (met portlandcement,zie B e t o n i e k 5/03)dan blijkt het model betrouwbare waarden te geven(bijvoorbeeld s = 0,45 voor CEM III/B 32,5N ens = 0,35 voor CEM III/B 42,5N). Bij beton met poeder-koolvliegas is het model niet bruikbaar. Bij ditbeton reageert eerst de portlandcementklinker enlater de poederkoolvliegas. Hierdoor volgt de sterk-teontwikkeling van beton met poederkoolvliegastot 28 dagen de trend van beton met portland-cement (voor s kan de waarde voor portlandcementworden aangehouden). Na 28 dagen neemt desterkte nog aanzienlijk toe en is de waarde voorparameter s ongeveer 0,55.Groei van andere materiaal-eigenschappenDe constructeur rekent met de kubusdruksterkteen leidt hieruit andere materiaaleigenschappen af,zoals de elasticiteitsmodulus en de treksterkte. Dierelaties zijn gebaseerd op gegevens van beton meteen leeftijd van 28 dagen. Het is echter de vraag ofdeze relaties voor beton dat veel ouder is dan 28dagen nog wel eenduidig zijn.oktober 20036B e t o n i e kDe sterktetoename, berekend volgens de fib-modelcode, blijkt goed overeen te komen met de sterktedie bepaald is. In het model is rekening gehoudenmet verschillende sterkteklassen van cement(de parameter s). De waarden voor s blijken voorbeton met hoogovencement een te hoge sterkte tegeven voor beton met een leeftijd jonger dan 28dagen en een te lage sterkte voor een leeftijd groterdan 28 dagen. Worden de waarden voor s aangepastRekenen op lange termijnIn fib-model code 90 wordt de volgende formule gehanteerdvoor de toename in sterkte voor beton met portlandcement:fcm(t) = ßcc(t) · fcm enwaarin:fcm(t) = gemiddelde betondruksterkte in N/mm2 op leeftijd tfcm = gemiddelde sterkte na 28 dagen in N/mm2t1 = referentieouderdom = 1 dagßcc(t) = relatief sterkteverloop in de tijdIn de formule houdt factor s rekening met de diverse sterkte-klassen van portlandcement:Sterkteklasse cement 32,5 N 32.5 R 42,5 N52,5 N 42,5 R52,5 Rfactor s 0,38 0,25 0,20ß (t) = exp s 1-cc0,5128ttSterkte(N/mm2)01020304050607080901 jaar 10 jaar28 dagen2 dagenberekeninggegevens beton metPortlandcementgegevens beton methoogovencement10 Gemeten sterkteontwikkeling van het beton versusberekende sterkte volgens fib-model code 90.splijttreksterkte(N/mm2)012345615 35 55 75 95 115druksterkte (N/mm2)gemiddeldesplijttreksterktevolgens EC 2rekenwaardevolgens EC 211 Druksterkte versus splijttreksterkte volgens de Eurocode 2(draft) en uit beproevingen op een groot aantal oudeconstructiesEenassigetreksterkteSplijt-treksterkteUit verschillende onderzoeken is gebleken dat voor-al de eenassige treksterkte, bepaald met de trek-proef, lager is dan die uit de druksterkte-treksterkterelatie. Bij de treksterkte, bepaald met de splijt-proef, is de relatie betrouwbaarder en reproduceer-baar. Bij splijtproeven, uitgevoerd op betonkernenuit oude constructies, liggen alle waarden boven dewaarden die gebruikt worden voor de berekenin-gen. De relatie druksterkte-splijttreksterkte kan dusgebruikt worden voor zowel jong als voor oudbeton. Welke waarde voor de treksterkte (eenassigof splijt) representatief is voor het gedrag van deconstructie is echter vaak onderwerp van discussie.Wanneer gebruiken we deextra sterkteDat ons beton een overwaarde heeft, is nu welduidelijk. Hoe we deze sterkte in ons voordeel kun-nen gebruiken is nog de vraag. We behandelen tweevoorbeelden waarin het mogelijk is de extra ver-kregen sterkte te benutten:· bij nieuwe constructies;· bij beoordeling van oude constructies.Nieuwe constructiesHet benutten van de extra sterkte kan voordelenhebben voor constructies tijdens de uitvoering.Als een constructie pas na 90 dagen wordt belast,is de eis na 28 dagen verharding niet zo van belang.Stellen we een eis aan de druksterkte van ongeveer55 N/mm2 na 90 dagen verharding, dan is uitfiguur 12 af te leiden dat een trager hoogoven-cement beter kan worden toegepast dan eenportlandcement. Bekend is dat hoogovencementveel minder warmte ontwikkelt en als voordeelheeft dat hierdoor grote temperatuurverschillenin de constructie worden voorkomen en mogelijketemperatuursscheuren niet zullen ontstaan.De trage sterkteontwikkeling heeft uiteraard welgevolgen voor het moment van ontkisten.Bij hogere sterkteklassen gaat op lange termijndeze sterktewinst echter niet op. Een B 55 zal insterkte slechts 5 N/mm2 toenemen en hiermee iser geen winst te behalen.Oude constructies opnieuwbeoordelenDe viaducten in ons land worden steeds zwaarderbelast doordat er meer en zwaarder verkeer over-heen gaat. De constructies die nog berekend zijnmet oude uitgangspunten kunnen de huidige las-ten misschien niet meer dragen. Twijfelen we overhet draagvermogen van een constructie dan wordtde constructie opnieuw beoordeeld [3].Bij herbeoordeling van bestaande constructiesworden sterktebepalingen vooral gebruikt om tezien of het beton nog wel voldoet aan de ontwerp-eisen. Krijgt een constructie een nieuwe bestem-ming of worden belastingen te groot, dan zou metde oude uitgangspunten de constructie `stuk-gerekend' kunnen worden. De extra sterkte die deconstructie door ouderdom krijgt, kan gebruiktworden om extra belastingen op te nemen.Dit gaat echter alleen op als het op druk belastedelen betreft. De betondelen die op trek belastworden zijn meestal afhankelijk van de hoeveelheidaanwezige wapening. In dat geval bepaalt de sterktevan de wapening of de constructie de nieuwebelastingen kan opnemen. De druksterkte van hetbeton is dan waarschijnlijk minder van belang.oktober 2003B e t o n i e k712 Reductie in 28 daagse sterkte bij een 90 daagse sterkte-eisDruksterkte(N/mm2)010203040506070800 10 20 30 40 50 60 70 80 90Tijd (dagen)CEM I 42,5 RCEM III/B 32,5 N28 daagse druksterkteontkistingssterkteoktober 20038B 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:ENCI, MEBIN, CUR, HBG Civiel en de BouwdienstRijkswaterstaat.Uitgave: ENCI MediaPostbus 3532, 5203 DM `s-HertogenboschRedactie: 073 - 640 12 23E-mail: encimedia@enci.nlWebsite: www.enci.nlAbonnementen/adreswijzigingen:Abonnementen en adreswijzigingen voor B e t o n i e kworden verzorgd door:Betapress Abonnementen ServicesPostbus 97, 5126 ZH Gilzetel: 0161 - 45 95 86fax: 0161 - 45 29 13email: betoniek@Betapress.Audax.nlAbonnementsprijzen 2003:Nederland ? 18,00België ? 19,00Overige landen ? 25,50Aanmeldingen/opzeggingen:Abonnementen kunnen op ieder gewenst moment ingaan enworden automatisch voor een jaar verlengd, tenzij één maandvoor vervaldatum schriftelijk wordt opgezegd.Overname van artikelen en illustraties is toegestaan, ondervoorwaarde van bronvermelding.ISSN 0166-137xIn onze volgende uitgave:Gevraagd: 100 jaarBeton staat bekend als een duurzaam materiaal.Er zijn weinig problemen met beton in de loop vande tijd. Toch is duurzaamheid op dit moment eenhot item. Bijna iedereen is op de hoogte met de eisvan 100 jaar duurzaamheid op de HSL-Zuid. Ook opandere projecten wordt een levensduur gevraagd.Wat is hieraan zo bijzonder en leidt dit tot anderbeton, zijn vragen die daarbij opborrelen.Hoe deze eis van een gevraagde levensduur wordtingevuld in een levensduurbeschouwing komt inde volgende B e t o n i e k aan de orde.ConclusiesDe sterkteontwikkeling van beton stopt niet na28 dagen. Bij beton met een lage 28-daagse kubus-druksterkte kan na 10 jaar de sterkte met meerdan 50% toenemen. Deze toename in sterkte kangebruikt worden zowel bij het bouwen van nieuweconstructies als bij het herbeoordelen van oudeconstructies. Bij het bouwen van nieuwe construc-ties kan gebruik worden gemaakt van de sterkte dieop een later tijdstip wordt verkregen en dat kanmaanden na het bouwen van de constructie pasnodig zijn. Bij het herbeoordelen zal vooral gekekenworden of het beton voldoet aan de nieuwe ont-werpeisen. Dit betekent dat het beton sterk genoegmoet zijn om zwaardere belastingen te dragen.Door de doorgroei in sterkte zal de sterkte van hetbeton zelden een probleem zijn.Literatuur1. Siemes, A.J.M., Han, N., Visser, J., Onverwachtlage treksterktes in betonconstructies.Cement 2002 nr. 7.2. Walraven, J., Nawoord op de beschouwingenover duurzaamheid van betonconstructies.Cement 2001 nr. 5.3. Dieteren, G.G.A., Herberekenen oude kunst-werken, gemakkelijker gezegd dan gedaan!Cement 2003 nr. 1.