5 T C H T N G BETONPR 5 M APOSTBUS 35325203 DM -sHERTOGENBOSCHVloeibare stikstofvooreen koele startOver de temperatuur van betonspecie en verhardendbeton is in de afgelopen jaren veel geschreven.Temperatuurbeheersing is een term die op de bouw-plaats goed bekend is. Hoe groter en complexer beton-constructies worden, hoe meer de behoefte bestaat omde temperatuurontwikkeling en vooral temperatuurgra-diënten binnen bepaalde grenzen te houden. Het koelenvan beton met behulp van ingestorte koelbuizen is eenbekende en veel toegepaste techniek bij massabeton.Soms moet men echter zijn toevlucht nemen tot midde-len die nog niet zo bekend zijn. In deze aflevering vanBETONlEK wordt, aan de hand van een uniek project, detoepassing van vloeibare stikstof besproken als middel ombetonspecie te koelen.De temperatuur van betonspecieen de temperatuurontwikkeling injong beton zijn belangrijkwanneerscheurvorming door thermischekrimp moet worden voorkomen.Temperatuurveranderingen inbeton leiden tot vervormingen. Bijeen temperatuurverhoging zet deconstructie uit, bijeen tempera-tuurverlaging krimpt de construc-tie. Wanneer deze vervormingenongehinderd kunnen plaatsvindenzal dit geen problemen geven.Veelal is er echter sprake vanverhinderde vervorming waardoorer in het beton spanningenontstaan die aanleiding kunnen zijntot scheurvorming. Verhinderdevervorming kan wordenveroorzaakt door het beton zelf ofdoor aanliggendeconstructieon-derdelen. Om ongewenstespanningen te vermijden moetentemperatuurverschillen, met eenmooi woord ook vaak tempera-tuurgradiënt genoemd, zo geringmogelijkworden gehouden.peratuurverschillen inetanEenvoorbeeld waarbij het betonzelfveroorzaker is van deverhinderde vervorming is hetzogenaamde massabeton; in dikkeconstructiedelen kunnen in dekern door de hydratatie hogetemperaturen ontstaan. Dichter bijhet oppervlak blijft, door afkoelingnaar de omgeving, de temperatuurlager. Er is sprake van eentemperatuurgradiënt over de diktevan de constructie.Deze gradiënt veroorzaakt indelen van de constructieseptember 1994trekspanningen die tot scheurver-ming kunnen leiden.Een ander voorbeeld is de situatiewaarin een betonconstructiewordt aangestort tegen, of opreeds verhard beton. Het klassiekevoorbeeld is het storten van eenwand op een reeds gestorte vloer.Tijdens de verharding neemt detemperatuur in de wand toe, omdaarna weer af te nemen. De wandwil als gevolg daarvan eerst langeren daarna korter worden, terwijlde vloer niet meer vervormt.Door de hechting van het nieuwebeton van de wand aan hetverharde beton van de vloer zaldeze verhinderen dat erin dewand verkortingen optreden. Ditveroorzaakt drukspanningen in devloer en trekspanningen in dewand. Deze trekspanningenkunnen moeilijk opgenomenworden waardoor doorgaandescheuren in de wand ontstaan.Een derde voorbeeld is hettemperatuurverschil dat kanoptreden bijontkisten, ofwel detemperatuurschok. Bij hetentkisten van zware constructie-delen zal de betontemperatuurvaak beduidend hoger zijn dan deomgevingstemperatuur. Direct nahet ontkisten is er een snelletemperatuurverlaging aan hetbetonoppervlak. Juist bij zwareconstructiedelen ontstaat in kortetijd een grote temperatuurgra-diënt, Deze temperatuurschok kanaanleiding zijn tot scheurvorming,die kort na het ontkisten zichtbaarwordt.Voor de drie genoemdevoorbeelden geldt: hoe groter detemperatuurverschillen, in hetbeton zelf of tussen constructieon-derdelen onderling, des te groterworden de spanningen.In het algemeen moet er dus naargestreefd worden om detemperatuurverhoging inverhardend beton zo laag mogelijkte houden.oeden op de temperatuur-verhogingDe temperatuurverhoging vanverhardend beton is afhankelijk vanvele factoren. De meeste factorenzijn onlangs nog uitgebreidbehandeld in BETON/EK 9/23,Warmte en verharding.Een belangrijke factor is devrijkomende hydratatiewarmte diehet gevolg is van de reactie tussencement en water. De vrijkomendewarmte is vooral afhankelijk van dehoeveelheid en het soort cement.Ook de samenstelling van hetbetonrnengsel, met name dewater-cementfactor en de aard vanhet toeslagmateriaal zijn vaninvloed op de temperatuurverho-ging. Maar er zijn ook invloedenvan buitenaf, bijvoorbeeld deafmetingen van de constructie, deisolerende werking van debekisting, de omgevingstempera-tuur, de zonbestraling, wind enregen.peratuurbeheersingOm de temperatuurontwikkelingin verhardend beton zo laagmogelijk te houden en daarmeehet gevaar voor te grotetemperatuurgradiënten tevermijden, kan een tweetalmaatregelen worden genomen.I. de temperatuur van debetonspecie zo laag mogelijkhouden,2. de ontwikkelde warmte in hetverhardende beton met eeningestort koelsysteem afvoeren.lenvon betonspecîeOmdat het hydratatieproces bijlagere temperatuur langzamerverloopt dan bij hogere tempera-tuur, is het verlagen van debetonspecietemperatuur eenmogelijkheid om de zogenaamdetemperatuurpiek in het beton aftezwakken. Een lagere betonspecie-temperatuur vertraagt dehydratatie, wat merkbaar is in eenkleinere temperatuurtoename pertijdseenheid gedurende de eerstedagen van de verharding. Enhierdoor wordt meer warmteafgegeven aan de omgeving.Demeest gebruikelijke methode omde temperatuur van betonspecie teverlagen is het koelen van degrondstoffen. In tabel I is deinvloed van de temperatuur van deverschillende grondstoffen op detemperatuur van de betonspeciegegeven.De meest toegepaste methode inde praktijk is het koelen van hetaanmaakwater voordat debetonspecie wordt gemengd. Degeringe hoeveelheid water inbeton heeft echter tot gevolg datde invloed van deze koelingbeperkt blijfttot maximaal 5 oe.Onder tropische omstandighedenwordt ook wel scherfijs aan hetaanmaakwater toegevoegd.Gewaarschuwd moet worden dathet ijs niet als zodanig in debetonspecie terecht mag komenomdat dit in de constructieongewenste holle ruimten kanveroorzaken.Effectiefis het koelen vantoeslagmateriaal, bijvoorbeelddoor dit af te schermen tegendirecte zonbestraling of doorbesproeien met water.Het eventueel koelen van cementdoor middel van koelleidingen inStandvanhet werkOostbrug Grote Belt, juni /994, foto's: Dirk. A.de Buyzergrondstof temperatuurverschilwater 5,5toeslagmateriaal I,5cement 8,5Tabel IBenodigd temperatuurverschil pergrondstofom de temperatuur vande betonspecie I oete ver/ogen ofte verhogende silo is zeker niet aan te bevelenomdat de kans op condensvormingin de cementsilo's groot is.Na het mengen van de grondstof-fen bestaat er nog een mogelijk-heidom de temperatuur van debetonspecie te verlagen; koelenmet vloeibare stikstof, eenmethode die weliswaar niet zobekend is, maar die in de praktijkeffectief is gebleken.'en van verhardend betonEen beproefde methode waarintussen veel ervaring mee isopgedaan, het afvoeren van deontwikkeldehydratatiewarmtedoor koud water te pompen dooringestorte stalen koelbuizen. Hetkoude koelwater onttrekt dehydratatiewarmte aan hetomringende beton waardoor eenhoge temperatuurpiek wordtvermeden.arom vloeibare stikstofGewoonlijk is stikstof een gas.Maar liefst 78%van de onsomringende lucht bestaat uitstikstof. We ademen het in enblazen het weer uit. Stikstof isinert, onbrandbaar, niet giftig,reukloos en onzichtbaar.Vloeibare stikstof wordt opindustriële wijze uit de luchtgehaald. Daarbij wordt lucht in eenspeciale fabriek onder grote drukgebracht, vervolgens gekoeld engeëxpandeerd. De lucht gaatdaarbij over van de gasfase naar devloeistoffase. Door middel van eendistillatieproces wordt de vloeistofgescheiden in vloeibare zuurstofenvloeibare stikstof. Beide elementenvinden hun weg voor uiteenlopen-de industriële processen.De vloeibare stikstof heeft eentemperatuur van 196°C enwordt in grote, vacuümgeïsoleerde, opslagtanks onderlage druk bewaard.Wanneer vloeibare stikstofovergaat naar de gasfase ishiervoor veel energie(warmte)nodig. Deze warmte wordtonttrokken aan de omgeving. Deverdampingswarmte bedraagt233 kJ/m3· Deze eigenschap maakthet mogelijkom met vloeibarestikstof dingen snel afte koelen ofzelfs te bevriezen. Voorbeeldenvan toepassingen zijnte vinden inde medische wereld en in devoedingsindustrie waar levensmid-delen worden ingevroren.N.B. Bij de berekening van de temperatuurverschillen is uitgegaanvan eenbetonsamenstelling met I°kg cement, een wcf van 0,50, vochtgehaltezand 4% en vochtgehalte grind 2%.Inde bouw wordt vloeibarestikstof gebruikt om een tijdèlijkegrondverbetering te realiseren.In het kort de voordelen van het koelen met vloeibare stikstof:deze wijze van koelen geeft de garantie dat de beoogde betonspecie-temperatuur tamelijk nauwkeurig kan worden gerealiseerd;- vloeibare stikstof is een inert gas, laat geen sporen na en heeft geenenkel effect op de samenstelling van de beton specie;injecteren met vloeibare stikstof heeft geen nadeligegevolgen voorsterkte en duurzaamheid;- het heeft evenmin nadelige invloed op het verhardingsmechanisme;een compleet injectiesysteem kan op projectbasis, inclusiefdebenodigde kennis, worden ingehuurd;- de betonspecie kan desgewenst worden gekoeld op de bouwplaats,zodat temperatuurverhoging tijdens transport en wachttijden wordtvermeden;indien nodig kan het koelen worden herhaald;- de methodiek is eenvoudig en bedrijfszeker;- het inspuiten met vloeibare stikstof heeft hoegenaamd geen gevolgenvoor de produktiesnelheid.Door ondergrond met een slechtesamenhang te injecteren metvloeibare stikstof en zodoende tebevriezen, kan worden ontgravenzonder gebruik te hoeven makenvan damwandconstructies. Eenbekend voorbeeld hiervan was deaanleg van de metrotunnel inAmsterdam (begin jaren '70).Het gebruik van vloeibare stikstofom betonspecie te koelen is eentechniek die al een tiental jarentoepassing vindt in Australië enAmerika. Maar ook in Europa isdeze techniek reeds verschillendekeren gebruikt. Bekend zijnvooraltoepassingen waarbij in eenbetonconstructie absoluut geenscheurvorming wordt geaccep-teerd. De motivatie hiervoor kanzijn vanuit duurzaamheidsoverwe-gingen (tunnels en stuwdammen)maar ook vanuit veiligheidsover-wegingen (afscherming tegenradioactieve straling). Depraktijkervaring tot nu toe laatzien dat het door middel vaninjecteren met vloeibare stikstofmogelijkis de betonspecietempe-ratuur met wel 15°C te latendalen.Als vuistregel wordt gehanteerddat er per °C temperatuurdalingper kubieke meter betonspecieongeveer 10 15liter vloeibarestikstof nodig is.Vloeibare stikstof isonschadelijkvoor betonspecie en verhardbeton. Wanneer de stikstof doorde relatief 'hoge'omgevingstempe-ratuur is verdampt, laat ditabsoluut geen sporen achter in deafgekoelde betonspecie.Vloeibare stikstof kan op tweemanieren aan de betonspecieworden toegevoegd:- met een injectielans direct in demenger van de betoncentrale;- met een injectielans achter in detruckmixer, of bij de betoncen-trale of op de bouwplaats.De installatie die nodig is beperktzich tot een voorraadtank, eenopstelling voor de, pneumatischbestuurde, injectielans, eenbesturingssysteem en bijbehoren-de leidingen. De voorraadtankwordt door de gasleverancier mettankwagens op gezette tijdenbijgevuld. Het op deze wijzekoelen van de betonspecie gebeurtvrijwel altijd in onderaannemingdoor bedrijven die niet alleen overde desbetreffende apparatuurbeschikken maar die tevens dehiervoor benodigde specialistischekennis bezitten.Met een injectielans wordt devloeibare stikstof over debetonspecie verneveld. De juiste inte brengen hoeveelheid stikstofom een bepaald effect te bereiken,wordt ook beïnvloed door dewijze waarop de vloeibare stikstofdoor de betonspecie wordtgemengd (vorm, inhoud endraaisnelheid van de menger oftruckmixer). Dit betekent dat eraltijd een proef op praktijkschaaluitgevoerd moet worden om,afhankelijkvan het beoogde effect,de juiste hoeveelheid te injecterenvloeibare stikstof vast te stellen.Als de hoeveelheid bekend is, kanmen verder volstaan met hetmeten van de betonspecietempe-ratuur. Het verschil ingradenCelsius ten opzichte van degewenste specietemperatuur isbepalend voor de hoeveelheid teinjecteren vloeibare stikstof.De dosering met de injectielansgebeurt met een tijdinstelling.Eenvoorbeeld: de tijd die nodig isom de temperatuur van beton-specie in een truckmixer met eeninhoud van 9 m3 te verlagen met 7à 8 °C, bedraagt 5 tot 7 minuten.t project Oostbrug Groteelt Belangrijkegegevens van de Oostbrug:totale lengte van de brug:lengte van de hangbrug:lengte van de aanbruggenhoogte brugpijlers hangbrugvrije doorvaarthoogtehoeveelheid geprefabriceerd betonhoeveelheid in het werk gestort betonwapeningsstaalvoorspanstaalbouwtijd: oktober 1991 oktober 1995Een toelichting op de beschreventechniek kan het beste wordengegeven aan de hand van eenpraktijkvoorbeeld. In Nederlandzijn de kennis en de techniek welaanwezig, maar nog niet toegepastop betonspecie. Toch is inmiddelsenige Nederlandse ervaringbeschikbaar, opgedaan bij een zeertot de verbeelding sprekendprojec::t: de Oostbrug over deGrote Belt in Denemarken.Deze brug, een schakel in deverbinding tussen de Deenseeilanden Funen en Zealand, wordtgebouwd door deAannemerscombinatie GBC, GreatBelt Contractors, waar hetNederlandse aannemersbedrijfHollandsche Beton en WaterbouwBVdeel van uitmaakt.Eenmaalgereed is de Oostbrug's werelds grootste hangbrug met,tussen de hoofdpijlers, een vrijeoverspanning van 1624 m. Ditunieke project onderscheidt zichniet alleen ingrootte, ook debestekseisen vragen de nodigeinspanningen van de aannemers-combinatie. Vooral het aspectduurzaamheid krijgt bijzondereaandacht.Om scheurvorming alsgevolg vanthermische krimp tegen te gaan,worden eisen gesteld aan demaximaal optredende tempera-tuurgradiënten, niet alleen binneneen bepaald constructiedeel, maarook tussen de aansluitendeconstructiedelen onderling. Bij eendergelijk project waarbij enormemassa's beton tegelijk wordengestort, betekent dit dat hetkoelen van beton onvermijdelijk is.Op dit werk zijntwee koelsyste-men toegepast: het gesloten en hetopen systeem. Bij het geslotensysteem zijn de koelbuizenaangesloten op een koelaggregaatwaarmee het in de betoneenstruc-tie opgewarmde water wordtgekoeld en opnieuw door dekoelbuizen gepompt. De maximalekoelcapaciteit wordt begrensddoor de capaciteit van hetkoelaggregaat. Bij grote stortenwaarbij een grote hoeveelheidkoelcapaciteit nodig is,wordt ookwel gekozen voor een openOverzicht brug;naanbouwenbetonfabriek6790 m2694 m4096 m254 m65 m100.000 m3170.000 m342.000 ton1955 tonsysteem. Het open systeemgebruikt koud water uit een zegmaar onuitputtelijke bron, in ditgeval de zee. Het koude zeewaterwordt opgepompt van een dieptevan ongeveer 20 meter onder hetwateroppervlak. De temperatuurvarieert van 4 tot 10 oe. Dit koudewater wordt door de koelbuizengepompt, neemt de warmte vanhet verhardende beton op enwordt bijhet verlaten van hetsysteem weer teruggepompt inzee.Stortpyloonvoet, aanvoer betonspecie perveerpontBij een aantal betonsterten. voorde fundaties van de brugpijlers enankerblokken. is gekozen voor eencombinatie van beide systemen.Zelfs deze combinatie bleek teweinig koelcapaciteit op televeren. Vandaar dat nog eenander systeem is toegevoegd.tekseisenDe pijlers van de brug en deankerblokken waarin de tuikabelsworden bevestigd zijngefundeerdop geprefabriceerde caissons.Deze caissons, met afmetingen van78 m x 35 m en 122 m x rn,zijnop het vaste land vervaardigd,versleept over zee en afgezonken.De verdere opbouw van de pijlersen ankerblokken geschiedt'offshore', waarbij de betonspecieinde centrale aan de wal wordtvervaardigd en met truckmixersop een pont wordt overgevarennaar het te storten constructie-deel.Na plaatsingvan de caissons, infeite een grote open bak voorzienvan vele tussenwanden, wordendeze afgedekt met een dikkebeton plaat, de plint genaamd.Daarna volgt de verdere opbouw.Voor de pijlers bijvoorbeeld, zijnde afmetingen van de plint ruwweg78 m x 35 m 2,5 m. Deze ruim6800 m3 beton wordt in één keergestort. Hierbij doet zich desituatie voor dat betonspeciewordt gestort op reeds verhardbeton.Het temperatuurvoorschrift voorde plint geeft aan dat hettemperatuurverschil tussen hetreeds verharde beton van hetcaisson en de gemiddeldetemperatuur van het verhardendebeton van de plint, op geen enkelogenblik groter magzijn dan19oe.voeringOm aan de genoemde besteksei-sen te kunnen voldoen, is koelenvanhet verhardende betononvermijdelijk. De benodigdekoelcapaciteit wordt berekendmet behulp van een computermo-del, het Verhardings BeheersSysteem (VBS). Belangrijkeparameters die als invoer gebruiktworden voor het rekenmodel zijnonder meer:- de betontemperatuur van hetreeds verharde beton (continugeregistreerd via ingestortethermokoppels);- de adiabatische warmteentwik-kelingvan de gebruiktebetonsamenstelling;de zeewater- en omgevingstem-peratuur;- de betonspecietemperatuur.Het bleek onder normaleomstandigheden, rekeninghoudend met een betonspecietem-peratuur van circa 20 oe nietmogelijkmeteen open koelsys-teem en stalen koelbuizen (028mm h.o.h. 0,60 m) en aangevuldmet een additionele koeling vaneen koelaggregaat, om aan hettemperatuurvoorschrift tevoldoen.De temperatuur in de constructieTabe/2Temperatuurwaarden van vers betonalsfunctie vande temperaturen vanhet oudebetonen het zeewaterVoor een truckmixer met 9 m3inhoud is dan aan vloeibare stikstofnodig: 9 x 8 oe x circa 8651vloeibare stikstof.in de bekisting 17oe moet zijn. Inde truckmixer wordt debetonspecie gekoeld tot 14oe.Hierbij wordt dus een margeingebouwd van 3 oe, die nodig isomdat het transport, hetverpompen en verdichten van debetonspecie handelingen zijn,dieop zich weer warmte in debetonspecie brengen.Stikstofwordt inde truckmixer gespotenVoorbeeldStel dat de gemeten betonspecie-temperatuur 22 oe bedraagt. Ophet stort worden de temperaturengemeten van het zeewater en vanhet reeds verharde beton, resp.10oe en 12oe.Intabel 2 wordt afgelezen dat degewenste betonspecietemperatuurafgeleide gewenste betonspecie-temperatuur, wordt berekendhoeveel liter vloeibare stikstofgeïnjecteerd moet worden(tabel 2).temp. zeewater(diepte 20 m) 5 6 7 8 9 10 11 12temp. koelwater (0c)(na het koelen) 3 3 3 4 5 6 7 8temp. oud beton101112131416zou te hoog oplopen. Remedie: debetonspecietemperatuur omlaagbrengen. Koelen van hetaanmaakwater. of zelfs hetaanmaakwatergeheelvervangendoor ijsschilfers, was niet deoplossing. Vanwege de geringehoeveelheid aanmaakwater inhetmengsel, slechts 105liter totaalwater waarvan 70 liter gedoseerdals aanmaakwater, zou koelen metijs slechts I oe temperatuurdalinghebben opgeleverd. Ook hetonder een afdak opslaan van detoeslagmaterialen, om opwarmendoor zonbestraling tegen te gaan,bood onvoldoende rendement.Het probleem is opgelost doormet behulp van vloeibare stikstofde betonspecietemperatuur teverlagen. Bijde betoncentrale op .het vaste land zijn op praktijkschaalproeven gedaan die bevestigen datvoor het koelen van I m3betonspecie met I oe, ongeveer10-15 liter vloeibare stikstof perm3 nodig is.De hoeveelheid te injecterenvloeibare stikstof is uiteindelijkafhankelijk van de gewenstebetonspecietemperatuur in debekisting. De gewenste betonspe-cietemperatuur wordt met behulpvan het Verhardings BeheersSysteem berekend en is, zoalseerder vermeld, afhankelijk van dezeewatertemperatuur, dekoelcapaciteit En de temperatuurvan het reeds verharde beton.Met deze gegevens kan bij debetoncentrale de gewenstebetonspecietemperatuur eentabel worden afgelezen. Kort voorhet lossen van de betonspecie inde truckmixer wordt detemperatuur gemeten.Afhankelijkvan de meetgegevensop het stort en de daarvanIn de praktijk is uiteindelijkgebleken dat de gemiddeldebetonspecietemperatuur vanuit debetoncentrale circa 22°C was endat de betonspecietemperatuurmet 7 à 8 °C verlaagd moestworden. De eis voor de plint dathet gemiddelde temperatuurver-schil van 19°C tussen hetverhardende beton en verhardebeton niet mocht wordenoverschreden, werd uiteindelijktot op een halve graad nauwkeuriggerealiseerd.Dit succes betekende dat hetkoelen met stikstof, wat in eersteinstantie alleen voor de 'plinten'was bedoeld, ook bij minder grotebetonstorten is toegepast.clusieDe vraag of het koelen vanbetonspecie met behulp vanvloeibare stikstof de bekendekoelsystemen in de toekomst zalgaan vervangen, lijktniet relevant.ratuurDe conventionele koelmethodenzijn uitermate geschikt om tijdensde verharding van het beton deontwikkelde warmte af te voeren.De toepassing van vloeibarestikstof moet worden gezien alseen aanvullende methode met alsdoel deaanvangstemperatuur vande betonspecie in te stellen op eenvooraf gewenste (berekende)waarde.Het is gebleken dat met het koelenmet behulp van vloeibare stikstofdeze aanvangstemperatuur heelgoed te beheersen is.Toepassingen ervan zullenwaarschijnlijkbeperkt blijven totcomplexe constructies waar denoodzaak aanwezig is voor eenlage betonspecietemperatuur,teneinde de temperatuurpiek tebeperken, waarbij het werken metalleen koelbuizen onvoldoenderesultaat geeft.- Stutech/Stubeco-rapport 14Verhardingsbeheersing van betonCUR-rapport 128,Koelen van beton, 1987- Betoniek 6/10,Temperatuurontwikkeling in Beton- Betoniek 9123, Warmte en verharding Daar maak je ft mee.lofonBETONlEK is een praktijkgerichtvoorlichtingsblad op het gebiedvan de betontechnolgie enverschijnt 10 keer per jaar.Redactie:tel. 073-401222Abonnementen:tel. 073-401 231Uitgave:Stichting BetonPrisma,Postbus 3532,5203 DM 's-Hertogenbosch.De Stichting BetonPrisma is eeninitiatief van de VerenigingNederlandse Cementindustrie(VNC).Overname van artikelen enillustraties is toegestaan, ondervoorwaarde van bronvermelding.Abonnementsprijzen:Nederland f 25,-, NederlandseAntillen en België f anderelanden f 40,-Abonnementen lopen per kalen-derjaar. Aan het het eind van eenkalenderjaar wordt het abonne-ment automatisch verlengd, tenzijvoor I december schriftelijkwordt opgezegd.ISSN 0166-137x