Rekenen met doorgaande sterkteontwikkeling Onder bepaalde omstandigheden is milieuwinst te boeken door toepassing minder cement doorgaande sterkteontwikkeling We denken steeds beter na over hoe we de milieubelasting van beton kunnen verlagen. In diverse studies is als optie genoemd het gebruikmaken van de doorgaande sterkteontwikkeling. Hierbij wordt de benodigde 'eind'sterkte niet bepaald na 28 dagen, maar op een later tijdstip. Het milieuvoordeel wordt dan verkregen door het toepassen van minder cement/bindmiddel. Wat zijn de mogelijkheden en de consequenties? 1 Afstorten funderingspoer 20 VAKBLAD I 2 2019 auteur ing. Eelco van der Weij VolkerWessels Infra Competence Centre Sterkteontwikkeling De sterkteklasse van beton wordt nor- maalgesproken bepaald op basis van de sterkte die is bereikt na 28 dagen ver- harden onder geconditioneerde omstandigheden. De sterkteontwikke- ling stopt echter niet na die 28 dagen. Zolang er ongehydrateerd cement aan- wezig is en water waarmee dit kan rea- geren, gaat die ontwikkeling door. Hoe- lang en hoe sterk die ontwikkeling doorloopt, is afhankelijk van de beton- samenstelling en de omstandigheden waaronder het beton verhardt. In figuur 2 is de sterkteontwikkeling van verschil- lende cementsoorten weergegeven. Toepassingen De vereiste sterkteklasse van beton wordt gebaseerd op de benodigde sterkte op een bepaald tijdstip. De maatgevende sterkte is echter niet altijd al nodig op 28 dagen na het storten. Als die sterkte pas later nodig is, kan beton met een uitgestelde sterkte worden overwogen. Of dat mogelijk is, is afhan- kelijk van de toepassing. Leent de bouwfasering zich hiervoor? Zijn er andere maatgevende factoren die de sterkteontwikkeling van het beton bepalen? Bouwfasering De vraag is wanneer de maatgevende belastingen door de constructie moeten worden opgenomen. Dit kan bijvoor-beeld zijn het moment van ontkisten, het moment dat de ondersteunings- constructies worden verwijderd of het moment dat de voorspanning wordt aangebracht. Maar het kan ook het moment zijn dat belastingen in de eind- situatie worden aangebracht. Als we gebruik willen maken van de door- gaande sterkteontwikkeling van beton, moet dit in de planning en de bouwfa- sering passen. Milieuklassen Een andere maatgevende factor die een rol kan spelen bij de sterkteontwikke- ling, is de van toepassing zijnde milieu- klasse. Wanneer er een relatief lage sterkteklasse nodig is en daarnaast zware milieuklassen van toepassing zijn (XD3; XS2 of XS3; XA3 en/of XF4), is de water-cementfactor (wcf) voor die mili- euklasse veelal bepalend. Hiermee zal de benodigde sterkte ? of misschien wel meer ? dus al na 28 dagen zijn bereikt en is uitgestelde sterkte niet relevant. Omstandigheden Er moet rekening mee worden gehou- den dat de sterkteontwikkeling in een constructie altijd afhankelijk is van de temperatuur waarbij beton verhardt. Bij een relatief slanke constructie die snel de omgevingstemperatuur aanneemt, zal de sterkteontwikkeling sterk afhan- gen van de omgevingstemperatuur. Bij een massievere constructie zal de tem- peratuur als gevolg van de hydratatie- warmte een belangrijke bijdrage leve- 100 90 80 70 60 50 40 30 20 100 0 100 200 300 400 aantal dagen verharding druktesterkte [N/mm 2] CEM I 42,5 NCEM I 52,5 R CEM III/B 42,5 NCEM II/B-V 42,5 N 2 Sterkteontwikke- ling van verschil- lende cement soor- ten [2]. Hierbij moet worden opgemerkt dat verharding van de proefstukken onder ideale omstandigheden (> 95% RV) heeft plaatsgevonden] 2 x 112 ankers M36 werkvloer 80mm m.v. m.v.C90/105 voor specificaties ankerkooi zie Vestas doc.: 0065-4920, d.d. 13-03-2017 C25/30 XC2 Spramex C25/30 XC2 C30/37 XF4XS1 (S3/F4) paalwapening min. 1200mm afstorten bovenste ca. 20cm minimaal 500mm werkvloer 80mm 3400 5860 4000 930 930 2000 2260,5 5070 5070 8000 8000 2930 16000 2930 2260,5 2000 2500 1500 300 600 3 Milieuklassen funderingspoer Windpark Slufterdam 21 VAKBLAD I 2 2019 ren in de sterkteontwikkeling en dus sneller verlopen. Hierdoor kan het zo zijn dat de sterkteontwikkeling geen beperkende factor is voor de bouwfasering. Wel is het zo dat hoe hoger de tempera- tuur is waarbij beton verhardt, hoe lager de uiteindelijke sterkte zal zijn. Dit is het gevolg van de uiteindelijke hydra- tatiegraad, die afhangt van de tempera- tuur waarbij het beton verhardt. Dit temperatuureffect wordt niet meegeno- men bij de controleproef, waarbij de sterkte onder geconditioneerde omstandigheden wordt gemeten. Er zijn dus toepassingsgebieden waarbij het gebruikmaken van doorgaande sterkteontwikkeling meer voor de hand ligt, zoals massabeton, beton zonder strenge milieuklassen en constructies waarbij de druksterkte van beton slechts gedeeltelijk wordt benut. Regelgeving In Eurocode 2 (NEN-EN 1992-1-1) is het toegestaan om de karakteristieke druksterkte van beton te bepalen op een ouderdom vóór of ná 28 dagen. In het geval dat de karakteristieke druk- sterkte f ck op een later tijdstip dan 28 dagen wordt bepaald, moeten bij de bepaling van de rekenwaarde voor de druksterkte f cd en de rekenwaarde voor de treksterkte f ctd de waarden ?cc en ?ct worden verminderd met een factor k t. Deze factor is gelijkgesteld aan 0,85. Dat wil zeggen dat we met 85% van de karakteristieke sterkte moeten rekenen. Uitgangspunt van deze factor in de norm is dat sterkteontwikkeling van het beton na circa een halfjaar gelijk is aan 1,15 maal de waarde bij 28 dagen. Als je dus expliciet gaat rekenen met doorgaande sterkteontwikkeling moet dit effect eerst worden gecompenseerd. Er moet dus worden bedacht dat je een deel van de 'winst' dus al kwijt bent. En het maakt daarbij niet uit of er na 29 dagen verharding wordt beproefd, na 91 dagen of later. Recent is CUR-Aanbeveling 122 'Ont- werpen en vervaardigen van betoncon- structies met gebruikmaking van de doorgaande sterkteontwikkeling van beton' verschenen. Belangrijke waarde hierin is f ck,i, de cilinderdruksterkte die bepaald is op een tijdstip later dan 28 dagen. De reductiefactor van 0,85 hoeft niet voor alle eigenschappen in rekening te worden gebracht, slechts voor een aantal. De reductie geldt bij- voorbeeld niet voor elasticiteit en stuik, maar wel voor weerstand tegen dwars- kracht en pons. Deze CUR-Aanbeveling 122 is echter niet generiek van toepas- sing verklaard en zal dus specifiek over- eengekomen moeten worden voor de betreffende situatie. Aandachtspunten Het werken met een uitgestelde sterkte kent ook een aantal aandachtspunten. Een belangrijk punt is de nabehande- ling van beton. De nabehandeling is normaliter gekoppeld aan de sterkte- ontwikkeling of een bepaald percen- tage van de karakteristieke sterkte. Wan- neer deze karakteristieke sterkte dus op een later tijdstip wordt behaald, zal de nabehandeling dus ook langer moeten duren. Een ander punt is dat de benodigde sterkte voor ontkisten later worden bereikt. Het is tevens van belang om afspraken te maken over de wijze waarop de druk- sterkte op een later tijdstip wordt bepaald, aangezien dit geen standaard- methode is binnen de conformiteitsbe- oordeling voor beton. De meest voor de hand liggende methode is de bepa- ling van de druksterkte met behulp van de controleproef op een later tijdstip. Bij de beoordeling van de conformiteit moet rekening worden gehouden met het aantal beschikbare resultaten. Dit is 4 Windmolenfundaties van Windpark Slufter- dam op de Maasvlakte 22 VAKBLAD I 2 2019 vaak minder aangezien dit veelal pro- jectspecifiek is. Een aspect dat nog wel eens onderbe- licht blijft, is het eerdergenoemde feno- meen dat wanneer beton bij een hogere temperatuur verhardt, de uit- eindelijke sterkte ook lager zal uitvallen. Dus zeker wanneer bij dergelijke mas- sieve constructies de temperatuur in het beton oploopt tot adiabatische omstan- digheden, zal dit resulteren in een lagere sterkte dan wanneer het beton onder geconditioneerde omstandighe- den verhardt. Hoewel dit aspect norma- liter ook niet wordt beschouwd ? het zit verwerkt in de partiële materiaalfacto- ren, is het de vraag of we hier niet extra bedacht op moeten zijn. We zoeken namelijk steeds meer de grenzen van de sterkte van het beton op. Praktijkvoorbeeld De windmolenfundaties van Windpark Slufterdam op de Maasvlakte is een voorbeeld waarbij gebruikgemaakt is van de doorgaande sterkteontwikkeling van beton. Uit constructieve berekenin- gen bleek dat in de gebruiksfase een sterkteklasse van C30/37 nodig was. Voordat de windmolens op de funde- ringspoer worden geplaatst, zijn de poeren meer dan twee maanden oud. Deze situatie leent zich dus goed voor gebruikmaking van de doorgaande sterkteontwikkeling van beton. Milieuklassen Zoals gezegd kunnen de milieuklassen een bepalende factor zijn bij het reke- nen met doorgaande sterkteontwikke- ling. In deze poer kan een onderverde- ling worden gemaakt tussen verschillende van toepassing zijnde mili- euklassen. Het gaat om milieuklassen XC in combinatie met XF en XS. Het beton moet de wapening bescher- men tegen het zoute milieu van de Maasvlakte. De poer ligt boven op een dijk. Zouten zullen dus vanuit zee via de lucht op de poer terecht kunnen komen, wat overeenkomt met XS1. Beton kan tevens worden aangetast door vorst in combinatie met zouten. Omdat het aannemelijk is dat de boven- zijde van de poer volledig met water verzadigd kan zijn, is XF4 van toepassing. Als we aannemen dat de vorstgrens op 500 mm onder maaiveld ligt, is daaron- der milieuklasse XF4 niet meer van toe- passing. Ook kunnen op 500 mm onder maaiveld geen zouten meer uit de lucht op het beton terechtkomen. Daarom is klasse XS ook niet meer van toepassing. Omdat de grond altijd nat/vochtig zal zijn, is hier gekozen voor milieuklasse XC2. Een overzicht van de milieuklassen van de funderingspoer is weergegeven in figuur 3. Bij XS1 en XF4 is de milieuklasse maat- gevend voor de sterkte van het beton. Voor beton in de bovenste laag zal de karakteristieke sterke van C30/37 ook binnen 28 dagen worden bereikt. Dat geldt echter niet voor het beton waar milieuklasse XC2 van toepassing is. Voor dat deel kan dus gebruik worden gemaakt van de doorgaande sterkte- ontwikkeling en kan beton met een hogere wcf en dus minder cement wor- den toegepast. Warmteontwikkeling Bijkomend voordeel van de toepassing van minder cement is dat de warmte- ontwikkeling lager is. Uit een analyse van de thermische spanningen bleek dat wanneer de funderingspoer volledig in milieuklasse XF4 zou worden uitge- voerd er een aanzienlijk risico op ther- mische scheurvorming bestond. Door de funderingspoer gedeeltelijk uit te voeren in beton waarbij gebruik wordt gemaakt van de doorgaande sterkte- ontwikkeling, kan deze scheurvorming dus worden beheerst (voorkomen). Hierbij worden echter nog wel aanvul- lende maatregelen voorgeschreven zoals isolatie van de poer gedurende de eerste drie weken van de verharding. Hiermee worden interne temperatuur- spanningen beperkt om scheurvorming tijdens de verharding te voorkomen. Dit heeft uiteindelijk geresulteerd in de volgende twee betonsamenstellingen: ? C20/25 ? milieuklasse XC2 ? consis- tentieklasse S3 f ck,kubus > 37 N/mm² na 56 dagen tot 500 mm onder het maaiveld en 200 mm onder bovenkant poer ? C30/37 ? XS1/XF4 ? consistentie- klasse S3 of F4 f ck,kubus > 37 N/mm² na 28 dagen voor de bovenlaag (200 mm) 5 Funderingspoer na ontkisten 6 Windpark Slufterdam, foto: Eneco 23 VAKBLAD I 2 2019 Uitvoering Het gebruik van twee verschillende betonsterkteklassen heeft in de uitvoe- ring tot gevolg dat de hoogte van de laatste stortlaag voor de afwerklaag, nauwkeurig op hoogte moet worden gestort. Logistiek gezien moet je dus ook weten na hoeveel beton je moet overschakelen op de afwerklaag. De hoogte van de afwerklaag is bewust ruim gekozen zodat eventuele vermen- ging met de onderlaag geen probleem is. De afwerklaag kan gewoon nat in nat worden gestort zonder dat dit conse- quenties heeft. Milieuwinst Doordat voor het beton in milieuklasse XC2 een hogere wcf en dus minder cement nodig is, is er milieuwinst te behalen. De maximale wcf voor milieu-klasse XC2 is 0,60, terwijl de wcf voor milieuklasse XF4 maximaal 0,45 is. Bij een normale waterbehoefte (bij gang- baar rond toeslagmateriaal) is het cementgehalte bij milieuklasse XC2 minder dan 300 kg/m³, terwijl bij mili- euklasse XF4 dit al snel groter is dan 340 kg/m³. Dit resulteert dus in een reductie van minimaal 40 kg/m³ beton. Dit komt neer op ruim 10 kg CO 2 per m³ beton en een Milieukosten Indicator (MKI) die minstens ? 1/m³ lager is. Conclusie In bepaalde situaties is het goed moge- lijk om gebruik te maken van de door- gaande sterkteontwikkeling van beton. Uiteraard moet het in de planning pas- sen en moeten de omstandigheden en randvoorwaarden dit toelaten. Zeker bij massieve betonconstructies kan dit resulteren in een lagere warmteontwik- keling en daardoor een kleinere kans op thermische scheurvorming. Aandachts- punt is de tragere sterkteontwikkeling die effect kan hebben op het tijdstip van ontkisten en de nabehandelings- duur. En er moet rekening worden gehouden met afwijkende rekenregels. Al met al kan op deze manier de toch al lage milieubelasting van beton nog ver- der worden gereduceerd. Geraadpleegde bronnen ? Betoniek Standaard 16/26 ? Over de toename van betonsterkte in de tijd. ? Betonpocket 2016. ? CUR Aanbeveling 122:2018 'Ontwer- pen en vervaardigen van betoncon- structies met gebruikmaking van de doorgaande sterkteontwikkeling van beton'. 7 Poer tijdens het storten 24 VAKBLAD I 2 2019