Een maandelijkse uitgave van deVereniging Nederlandse Cementindustriepostbus 3011, 5203 DA 's-Hertogenboschnovemberldecember 1983Temperatuurontwikkelingin betonInleidingIn BETONIEK6/5is uiteengezet hoe dehydratatiewarmte van cement wordt gedefinieerden welke meetmethoden worden toegepast.Genormaliseerd is de methode waarbij dehydratatiewarmte van cement wordt gemeten bijeen constante temperatuur van 20°C. De totaalontwikkelde warmte in Joule per gram cement na7 dagen verharding wordt als criterium voor dehyd ratatiewarmte van het onderzochte cementgehanteerd. Voor cement met een lagehydratatiewarmte geldteen grens van 270 J/g.In deze aflevering zal nader worden ingegaan opde gevolgen van de vrijgekomen hydratatie-warmte. Deze gevolgen manifesteren zich directin een beïnvloedlnq van het temperatuurverloopvan het verhardende beton. De temperatuur-verhoging leidt tot snellere hydratatie, waardooropnieuw meer warmte wordt ontwikkeld.Samenhangend methet temperatuurverloopontwikkelen zich de mechanische eigen-schappen. Als gevolg van de optredendevervormingen ontstaan spanningen in het betonof in de betonconstructie.TemperatuurontwikkelingDe temperatuurontwikkeling in verhardendbeton ontstaat als gevolg van het verschil tussende geproduceerde warmte en het warmteverlies.Op zichzelf een eenvoudige stelling maar bij deuitwerking wordt men geconfronteerd met hetfeit dat warmteproduktie en warmteverlies elkaarwederzijds beïnvloeden waardoor de zaak veelgecompliceerderwordt. Verder zijn de aanvanqs-temperatuur van de betonspecieen deomgevingstemperatuur moeilijk in te schattenterwijl ze een wezenlijke invloed hebben op zowelde warmteproduktie als het warmteverlies. Hetzal duidelijk zijn dat van exacte temperatuur-berekening geen sprake kan zijn; wel kanschematisch worden aangegeven wat de invloedis van de belangrijkste factoren. Onderadiabatische omstandigheden (geen verlies vanwarmte) is de temperatuurstijging:exwiTi=---cXPmwaarine = cementgehalte (kg/m3)Wi = hydratatiewarmte op tijdstip i (J/g)c = soortelijke warmte (J/g "C)Pm= volumieke massa (kq/m"),Als voor de soortelijke warmte 0,9 J/g °C en voorde volumieke massa 2400 kg/m3 wordt aan-gehouden, dan is voor een betonsamenstellingmet 320 kg/m3 cement, datop tijdstip i230 J/g warmte heeft ontwikkeld, detemperatuurstijging:320x230Ti= =34 oe0,9x2400In figuur 1 wordt een indicatie gegeven van deadiabatische warmteontwikkeling (= vollediggeisoleerde situatie) van portlandcement enhoogovencement, klasse A, uitgaande van een17dagenI300 kglm3HO-A46450°J/g400 pc - kt A 40°300 30°200 20°1001Warmteproduktie van portlandcement en hoogoven-cement klasse A onder adiabatische omstenalçtteäen2Temperatuurverloop in verhardend beton. Invloed vande aanvangstemperatuur en de afmetingen van deconstructie3Temperatuurverloop in geïsoleerde proefkubussen,waarbij de invloed van de aanvangstemperatuur wordtnagegaanO[60 -50302010P[-Aaanvanqstemper-atuur J20 O[20 O[1010 O[300 kg/m' cementdagenIaanvangstemperatuur van 20°C. Met dezegegevens is het mogelijk om aan de hand van debovenstaande formule de temperatuurstijging teberekenen. In de praktijk komt echter volledigeadiabatische warmteontwikkeling niet voor; welkan afhankelijk van o.a. de afmetingen in eengedeelte de constructie het opwarmings-proces onder nagenoeg adiabatische omstan-digheden plaatsvinden, bijv. de kern van eenmassale constructie. We moeten dus correctiesgaan toepassen voor een aantal factoren.Invloed aanvangstemperatuur en afmetingenIn figuur 2 is de temperatuurstijging getekendvoor een betonsamenstelling met 300 kg/m3hoogovencement klasse A. De invloed van deaanvangstemperatuur van de betonspecie komtduidelijk naar voren. Het blijkt dat bijvoorbeeld10°Cverschil in aanvangstemperatuur tenminsteeen even groot verschil in de maximaal tebereiken temperatuur tot gevolg heeft.Verder is schematisch de invloed van deafmetingen van de constructie aangegeven.Naarmate de afmetingen groter worden,benadert het temperatuurverloop steeds meer deadiabatische curve. Men spreekt dan ook van detemperatuurontwikkeling onder semi-adiabatische omstandigheden.Invloed omgevingstemperatuur en bekistingHet inschatten van de invloed van de omgevings-temperatuur is problematisch omdat deweers-omstandigheden sterk kunnen variëren.Het effect van de buitentemperatuur op detemperatuurontwikkeling is groter naarmate deafmetingen kleiner zijn. Zo zalbij een wand van0,50 m dikte deze factor veel invloed hebben,terwijl bij een 2 m dikke constructie deomgevingstemperatuur niet veel effect meerheeft.Hetzelfde kan in feite ook gezegd worden van derol van de bekisting en het tijdstip van ontkisten.Verhoging van de isolatiewaarde vande bekistingheeft eenzelfde effect op het temperatuurverloopals een extra dikte van het beton. De isolatie-waarde van de bekisting kan direct vertaaldworden in een extra dikte van het beton.Het tijdstip van entkisten heeft invloed op zowelde maximale temperatuur als het temperatuur-verschil tussen de kern en het oppervlak van deconstructie, de zgn. temperatuurgradiënt.Uit het voorafgaande zal duidelijk zijn dat hetvooraf nauwkeurig inschatten van het teverwachten temperatuurverloop een complexezaak is. Voor de praktijk zijn in tabel 1 een aantalvuistregels gegeven.2Gevolgen van de warmteontwikkelingZoals in de inleiding is gezegd, is het directegevolg van temperatuurstijging dat het hydrata-tieproces en daarmee de sterkteontwikkelingwordt versneld. In veel gevallen wordt in depraktische betontechnologiehiernauwstijksrekening mee gehouden. Het effect is mooimeegenomen en meer niet.Als uitgangspunt voorhet voorspellen van hettemperatuurverloop wordt o.a. gehanteerd dehydratatiewarmteontwikkeling gebaseerd opgenormaliseerde (isotherme) of theoretische(adiabatische) omstandigheden. Het verdientaanbeveling om aanvullende metingen teverrichten met de toe te passen betonsamen-stelling, c.q, cementsoort en cementgehalte.4Woningbouwproject, uitgevoerd volgens de zgn.koude gietbouwmethode. Voor het handhaven van eendagelijkse beklstinqscyclus wordt cement met eenhoge hydratatiewarmte toegepastDaarbij wordt de temperatuurontwikkelinggemeten proefstukken die zodanig zijngeïsoleerd dat hiermede de afmetingen van deconstructie worden nagebootst. Als belangrijkstevariabele kan dan de aanvangstemperatuur vande betonspecie worden ingevoerd. In figuur 3 zijnde resultaten van dergelijke metingen weer-gegeven.Tabel 1Vuistregels voorberekening van hettemperatuurverloopinvloed op de temperatuurstijging(t.o.v, aanvangstemperatuur)cementgehalte evenredig: ca. 10 oe per 100 kg cementcementsoort tenminste 15 oe lager voor cementen metlage hydratatiewarmte (hoogovencement)afmetingen constructie perO,50 m dikte toename van tenminste 5 oeaanvangstemperatuur tenminste 10°C hoger of lager per 10°Cverschil in aanvangstemperatuur3onbelemmerde krimp---------------,IIIII5Scheurvorming in een wand tijdens het verhardings-proces, ten gevolge van verhinderde vervormingna het verkortenr-------IIIII IIverbindingb. belemmerde krimp hechte verbinding6Temperatuurgradiënt en spanningsverloop in eenwand door afkoelen na ontkistenotstecht isolerendebekisting30°(-20 0[_10 0(-o -Er zijn echter produktieprocessen waar hetgunstige effect van de hydratatiewarmte doel-bewust wordt gebruikt. Zoals in de betonwaren-industrie, waar versnelde verharding wordttoegepast. Het rendement van de hydratatie-warmte is veel groter dan van toegevoegdewarmte!In zulke gevallen wordt veelal portlandcementklasse B of C toegepast. Het effect hiervan staat ofvalt met een goede isolatie, om de ontwikkeldewarmte vast te houden.Ook in de zogenaamde 'koude gietbouw' wordt inpositieve zin gebruik gemaakt van de hydratatie-warmte door toepassing van portlandcementklasse Bof C. Bij toepassing van bijvoorbeeldportlandcement klasse C moet de isolatiezodanig zijn dat zonder extra verwarming debetontemperatuur gedurende 16 uur op circa20°C blijft. De aanvangstemperatuur van debetonspecie moet dan tenminste 15°C zijn.Hiermee bereikt men na afloop van de 16-uur-cyclus voldoende druksterkte om te kunnenontkisten (foto 4).Tot zover een aantal gunstige effecten vanwarmteontwikkeling. Er zijn echter ook mindergunstige aspecten. Deze hebben te maken metvormveranderingen en wel specifiek indien deze. vormveranderingen geheel of gedeeltelijkworden verhinderd. Hierdoor ontstaan span-ningen, waarbij de trekspanningen aanleidingkunnen geven tot het ontstaan van scheuren.4drukspanningtrekspanningScheurvormingScheurvorming als gevolg van warmte-ontwikkeling kan ontstaan doortwee oorzaken ofeen combinatie daarvan. De meest voorkomendeis het ontstaan van trekspanningen als eenconstructie-onderdeel niet vrij kan vervormen.Dit is bijvoorbeeld het geval als een wand wordtgestort op een reeds verharde vloer.Ter plaatsevan deze aansluiting kan de wand in de fase vantemperatuurstijging en -daling niet vrijvervormen. In het eerste traject van hettemperatuurverloop worden geringe druk-spanningen opgebouwd; later, als detemperatuur gaat dalen, ontstaan aanzienlijkgrotere trekspanningen. Als deze trekspanningende aanwezige treksterkte van het beton over-schrijden ontstaat scheurvorming (fig. 5). Dezescheuren zullen zich op regelmatige afstandenvan ci rca 4 à 5 m man ifesteren. De scheu rontstaat net boven de vloer en loopt verticaal totmeestal 2/3 van de hoogte.Een ander type scheurvorming ontstaat alsgevolg van een temperatuurgradiënt tussen dekern en het oppervlak van een constructie. Dezegradiënt ontstaat niet alleen na het ontkisten vaneen warm constructie-onderdeel maar ook bijgebruik van een slecht isolerende bekisting.Indien het temperatuurverschil tussen de kern ende wand groter is dan 15 à 20 °Cis risico vanscheuring aanwezig.Meestal gaat deze situatie samen met de eerst-genoemde oorzaak van scheurvorming. Menheeft dan te maken met de som van spanningen,waardoor het risico van scheurvormingaanzienlijk wordt vergroot.Maatregelen tegen scheurvormingIn het kort samengevat zijn de volgende maat-regelen aan te bevelen om scheurvorming alsgevolg van de warmteontwikkeling te voorkomenof te verminderen:toepassing van cement met een lagehydratatiewarmte;beperking van het cementgehalte;gebruik van extra krimpwapening om scheur-wijdte en scheurafstand te beperken;bij het ontkisten snelle afkoeling vermijden;- eventueel afvoeren van een gedeelte van dehydratatiewarmte door koelen van hetverhardende beton (foto 7);beperking van de aanvangstemperatuurvan debetonspecie.literatuur1. Massaal beton; Brussel, Verbond derCementnijverheid, december 19812. H. J. C. Oud, Warmte-ontwikkeling, scheur-vorming, koelen; Cement 1980 nr. 7, blz. 406-411.7Bouw van een pijler voor de StormvloedkeringOostersehelde. Voor het garanderen van een zeerlange levensduur wordt kans op scheurvormingbeperkt door toepassing van voorspanning en koelenvan het verhardende beton5Mededeling aan de abonneesDe abonnementsprijs voor 1984 bedraagt:Nederland, België en Nederlandse AntillenAndere landenf 16,-f 26,-U wordt vriendelijk verzocht voor de betaling van de abonnementsgelden uitsluitend gebruik te maken van deacceptgirokaart welke u binnenkort wordt toegezonden.IIIIJBETONlEK verschijnt 10 x per jaar.Abonnementsprijzen per jaar, inclusief verzamelbandvoor 3 jaargangen (incl. 4% BTW):Nederland, Nederlandse Antillen, België f 15,-overige landen f 25,-ISSN 0166-137xadministratie:postbus 3011,5203DA's-Hertogenboschtelefoon (073)401231Abonnementen lopen per kalenderjaar. Aan het eindvan een kalenderjaar wordt het abonnement auto-matisch verlengd, tenzij het abonnement vóór1 december schriftelijk wordt opgezegd,6