BandUitgavev a k b l a d o v e r t e c h n o l o g i e e n u i t v o e r i n g v a n b e t o nDEF?Sulfaataantasting,Delayed EttringiteFormation (DEF) &Thaumasietapril201113152 april 2011 15 I 13DEF?DEF? Wat zegt u... Versta ik u goed...? Heeft datmet beton te maken?Dit is misschien de eerste gedachte bij het lezenvan de titel van deze Betoniek. Inderdaad `DEF'heeft met beton te maken. Het is de aanduidingvoor het bekende schademechanisme sulfaat-aantasting. DEF staat voor `Delayed EtringiteFormation'. In deze Betoniek beschrijven wewaarom deze naam precies weergeeft wat ergebeurt bij sulfaataantasting. We gaan in op hetprincipe, op de wijze de waarop de betonvoor-schriften ermee omgaat, op vier vormen van sul-faataantasting die we kennen en op de wijzewaarop we schade kunnen voorkomen.SulfaataantastingSulfaataantasting is een ernstige schade is diewe niet eenvoudig kunnen repareren. Geluk-kig komen we deze schade in Nederland nietveel tegen. We lopen alleen risico op plekkenmet veel sulfaat in de omgeving, zoals bijmest. Voorbeelden van toepassingen met eenverhoogd risico op sulfaataantasting zijn: deglastuinbouw en beton in zeewater, mestkel-ders of rioleringen.Het principe achter de aantasting is de zwel-ling van een sulfaatverbinding door het opne-men van water. Door het zwellen wordt hetomliggende beton uit elkaar gedrukt (foto 2).Als de maximaal opneembare trekspanningvan beton wordt overschreden, scheurt hetbeton. Als er veel scheuren ontstaan, lijkt hetnet of het beton, uit zichzelf, uit elkaar valt.Wat is er nodig voor sulfaataantasting?Om erachter te komen wat nodig is om sul-faataantasting plaats te laten vinden, moetenwe iets dieper kijken in het schademecha-nisme. De zwellende reactie ontstaat doordatsulfaat een reactie aangaat met het aanwe-zige C3A in het cement en water. Het reactie-product noemen we ettringiet (fig. 3). Het2Uitzetten van eenmortelbalkje doorsulfaataantasting.De vervorming doorzwelling is goedzichtbaar3april 2011 15 I 13ettringiet heeft een groot volume en is wit vankleur. Soms is deze kleur in de scheuren zicht-baar. Omdat in verhard beton het watermeestal van buiten het beton wordt aange-trokken en niet uit het beton zelf , ervaren wijsulfaataantasting als een zwellende reactie.We hebben alle drie de componenten nodigom sulfaataantasting te krijgen. Ontbreekt er??n dan zal de reactie niet plaatsvinden. Inhet kader Ettringietreactie is de reactie voorde fijnproevers nog eens uitgebreid beschre-ven.1Beton in deveehouderij heefteen verhoogdrisico opsulfaataantasting3Schematischeweergave vansulfaataantasting4Rondom de toeslag-korrel ontstaatruimte (zwarte pijl)doordat de cement-steen zwelt doorsulfaataantastingen de toeslagkorrelniet. Opname meteen elektronen-microscoop (bron:UnderstandingCement)C3A sulfaat water ettringiet+ +zwelling4 april 2011 15 I 13EttringietreactieOm de ettringietreactie goed te kunnen doorgronden beschrijven we eerst de componentenC3A en sulfaat.C3AC3A, ofwel tricalciumaluminaat (3CaO?Al2O3),is ??n van de vier hoofdmineralen vanportlandcementklinker. Portlandcement-klinker bestaat voor ongeveer 11% uit C3A(fig. 5).SulfaatSulfaat (sulfate) bestaat uit een centraal zwavelatoom, omgeven door vier zuurstofatomen.Sulfaat komen we het meeste tegen als sulfaatzout zoals:? kopersulfaat (CuSO4) als algenverdelger;? kaliumsulfaat (K2SO4) in kunstmest;? ferrosulfaat (FeSO4) als bestrijdingsmiddel tegen mos;? magnesiumsulfaat (MgSO4) in therapeutische baden;? gips (CaSO4?2H2O), ook wel calciumsulfaat geheten, dat in cement wordt gebruikt als bind-tijdregelaar; dit kennen we ook van de gipspleisters en anhydrietvloersystemen.EttringietreactieDe ettringietreactie van C3A met calciumsulfaat (gips) verloopt volgens de onderstaandeformule.Ettringiet gevormd met gips ziet eruit als naaldvormige kristallen (foto 6).5Globalesamenstellingvan portland-cementklinker6Clusters vanettringiet (bron:Microlab/TNO)3CaO?Al2O3C3A3CaSO4?2H2Ogips26H2Owater3CaO?Al2O3?3CaSO4?32H2Oettringiet++++rest3%C4AF8%C2S13%C3A11%C3S65%Globalesamenstellingvan portland-cementklinker3%48%S13%C3A11%C3S65%5april 2011 15 I 13Leidt de ettringietreactie altijdtot schade?De ettringietreactie leidt niet altijd tot schade.Het is voor het verwerken van beton juist ui-terst belangrijk dat deze reactie plaatsvindt.Als cement in contact komt met water, wil hetC3A direct met water reageren. Als dit zougebeuren, is het beton dat we ermee maken,direct niet meer verwerkbaar. Om toch eenpaar uur verwerkingstijd te verkrijgen, wordtaan het cement een bindtijdregelaar toege-voegd in de vorm van calciumsulfaat (gips ofanhydriet, zie kader Bindtijdregeling).We krijgen nu een situatie waarbij alle drie decomponenten voor de ettringietreactie aanwe-zig zijn. Het calciumsulfaat reageert direct methet C3A en vormt ettringiet. Het C3A is daar-mee tijdelijk uitgeschakeld en zal de eersteuren de betonspecie niet lastig vallen.Deze noodzakelijke ettringietreactie leidt in debetonspecie niet tot schade omdat we nog inde vloeibare fase zitten. Dit wordt anders als dereactie op een later (Delayed) tijdstip plaats-vindt, wanneer het beton is verhard en in con-tact komt met sulfaten en water. De zwellingdie met ettringietvorming (Etringite Formation)gepaard gaat, kan dan wel tot schade leiden.Deze vorm van aantasting wordt daaromDelayed Etringite Formation (DEF) genoemd.In het volgende gedeelte van de Betoniekbespreken we de belangrijkste vormen vansulfaataantasting en wat we er aan moetendoen om deze te voorkomen.Vormen van sulfaataantastingWe kennen vier verschillende vormen vansulfaataantasting, te weten:1.aantasting door sulfaat uit de omgevingvan beton;2.aantasting door hoge temperaturen tijdenshet verharden van beton;3.aantasting door het inbrengen van sulfaat-houdend materiaal in beton;4.aantasting door de bijzondere vorm vansulfaataantasting: thaumasiet.Deze vormen behandelen we nu achtereen-volgens.1 Aantasting door sulfaat uit deomgeving van het betonBij deze meest bekende en beschreven vormvan sulfaataantasting komen sulfaten vanuitde omgeving het beton binnen. Voorbeeldenvan omgevingen (milieus) met een hoge con-centratie sulfaat zijn:? GlastuinbouwHier wordt veel met kunstmest (sulfaat)gewerkt.? Beton in zeewaterVooral zeewater bevat veel sulfaten.? Rioolsystemen of rioolwaterzuiveringenSulfaat uit zwavelhoudende verbindingen.BindtijdregelingAls we alleen C3A laten reageren met water,krijgen we een kortstondige maar heftigereactie waarbij veel warmte vrijkomt. Tij-dens deze reactie ontstaan grote plaatvor-mige kristallen. Als deze reactie optreedt ineen betonmengsel, dan zorgen deze groteplaten ervoor dat de verwerkbaarheid zeersnel terugloopt. Zelfs grondig mengenhelpt dan niet om de platen te breken. Dezezeer snelle opstijving van het mengsel staatook wel bekend als snelbinding en is onom-keerbaar. Om dit te voorkomen voegen wegips toe dat we laten reageren met C3A .Het gips fungeert als bindtijdregelaar. Dereactie is veel minder heftig en bovendienreageert alleen de buitenste rand van hetC3A. Het idee is dat er een afsluitende laagontstaat die de verdere reactie van C3A tij-delijk belemmert. Pas wanneer het betonecht gaat verharden, gaat de reactie vanhet C3A verder.6 april 2011 15 I 13? MestkeldersIn mest kunnen grote hoeveelheden sulfa-ten voorkomen.? Grond en grondwaterSommige locaties in Nederland hebben eenhoge concentratie sulfaten (bijv. kwelwater).In de betonvoorschriften staat beschrevenhoe eventuele schade is te voorkomen. Doorhet beton in de juiste milieuklasse in te delenworden automatisch de juiste maatregelengenomen. Deze maatregelen zijn erop gerichtom, afhankelijk van concentratie van sulfaat,de dichtheid van het beton te vergrotenzodat sulfaat minder makkelijk het beton kanbinnendringen. Een andere maatregel uit denorm kan zijn het zorgen voor een voldoendelaag C3A-gehalte in het beton zodat de et-tringietvorming niet voldoende kan plaatsvin-den om tot schade te leiden. In de volgendeparagraaf gaan we hier verder op in.Sulfaataantasting en de betonvoorschriftenNEN-EN 206-1 gecombineerd met NEN 8005beschrijft de milieuklassen en de bijbeho-rende eisen aan het beton. Als beton in eenomgeving staat waar hoge concentraties sul-faat aanwezig zijn, komen we in milieuklasseXA (Chemische Aantasting) terecht. Op basisvan de sulfaatconcentratie in de omgevingwordt het risico op sulfaataantasting bepaald.Oplopend betekent dit milieuklasse XA1, XA2of XA3.Sulfaten kunnen in vaste stoffen zoals gronden vloeistoffen (bijvoorbeeld grondwater)worden aangetroffen. De concentratie, diekan worden gemeten, bepaald in welke mili-euklasse we uitkomen. De betonvoorschriftenlijken zich te beperken tot grond en grondwa-ter. Beter zou zijn geweest het te hebben oversulfaat in vloeistoffen of in vaste stoffen. Wekunnen de concentratietabel ook prima ge-bruiken voor de opslagtank van sulfaathou-dend water (vloeistof/grondwater) of de op-slag van kunstmest (vaste stof/grond).agressiviteit milieuklassevolgensNEN-EN 206-1sulfaatconcentratiegrondwater 1)SO4?? mg/lsulfaatconcentratie grond 1)SO4?? mg/kgmaximalewcf/wbfminimaal cement-/bindmiddelgehalteindelen in XA klasse conform NEN-EN 206-1 maatregelen conform deNEN 8005licht XA1 200 ? 600 2000 ? 3000 2) 0,55 300matig XA2 4) 600 ? 3000 3000 2) ? 12000 0,50 320sterk XA3 4) 3000 ? 6000 3) 12000 ? 24000 3) 0,45 3401) Bepaling van de sulfaatconcentraties van grondwater en grond conform EN 196-2.2) De 3000 mg/kg limiet moet worden verlaagd tot 2000 mg/kg in geval van het risico van accumulatie van sulfaationen als gevolgvan droog/nat cycli of capillaire opzuiging.3) Voor nadere informatie, in geval de maximale sulfaatconcentraties worden overschreden, wordt verwezen naar het informatieblad`Bestandheid van beton tegen chemische aantasting'.4) Voor beton in deze milieuklassen dat aan grondwater boven de 600 mg/l SO42- of aan grond met een gehalte aan sulfaten > 3000mg/kg wordt blootgesteld, moet cement met een hoge bestandheid tegen sulfaten worden gebruikt volgens de NEN 3550.Tabel 1 Sulfaataantasting, indeling in milieuklasse en bijbehorende maatregelen7april 2011 15 I 13Tabel 1 geeft een overzicht van milieuklasseXA met de bijbehorende concentraties even-als de te nemen voorzorgsmaatregelen omschade te voorkomen.Maatregelen ter voorkoming vanschadeDe voorgestelde maatregelen vanuit de be-tonvoorschriften bewandelen twee verschil-lende wegen.Als eerste wordt bij een hogere sulfaatconcen-tratie in de omgeving een lagere water-ce-mentfactor (wcf) ge?ist. Een lagere wcf leidttot een dichtere structuur van de cement-steen en zorgt ervoor dat sulfaten minder snelhet beton kunnen binnendringen.Als tweede schrijft de norm voor dat bij hogeconcentraties sulfaat in de omgeving (XA2 enXA3) gebruik moet worden gemaakt van eencement met een hoge bestandheid tegensulfaten. Deze cementen worden aangeduidmet de lettercombinatie HS (Hoog Sulfaatbe-stand). Deze eis geldt voor elk beton dat van-wege sulfaatconcentratie in XA2 of XA3 te-recht is gekomen. Let op: als om andereredenen dan sulfaat het beton in milieuklasseXA2 of XA3 terechtkomt, verplicht de NEN8005 geen hoog sulfaatbestand (HS) cement.Bij een hoog sulfaatbestand (HS) cement ishet aandeel C3A in het cement dusdanig laagdat er niet voldoende ettringiet kan wordengevormd om schade in de vorm van scheur-vorming te kunnen krijgen. Meer informatieover HS-cement is weergegeven in het kaderHS (Hoog Sulfaatbestand) cement.2 Aantasting door hoge temperaturenBij sulfaataantasting door hoge temperaturenkomen er geen sulfaten van buitenaf hetHS (Hoog Sulfaatbestand)cementEen cement wordt hoog bestand tegensulfaten als het C3A-gehalte wordt gemini-maliseerd. Of er dan veel of weinig sulfatenvan buiten het beton binnen komen, maaktdan niet meer uit. Als er weinig C3A aanwe-zig is in het beton kan er gewoonweg nietvoldoende ettringiet worden gevormd omschade aan het beton te krijgen.De Nederlandse aanvulling op de Europesecementnorm geeft aan dat een cement hetpredicaat HS mag voeren als:? CEM I (portlandcement): als het C3A-gehalte maximaal 3% (m/m) is en hetAl2O3-gehalte maximaal 5% (m/m) is;? CEM III (hoogovencement): als het ge-halte aan hoogovenslak meer dan 65%(m/m) is.7Zeewater bevat veelsulfaten. Op de fotoproject Dikkowita,Sri Lanka (BAMInternational)8 april 2011 15 I 13beton in. De sulfaataantasting ontstaat door-dat beton tijdens het verharden wordt ver-warmd tot boven de 70 ?C. Voorbeelden hier-van zijn:? Het versneld laten verharden van betondoor het te verwarmen tot boven de 70 ?C.Dit kan worden gedaan met verwarmings-tunnels of stoomkamers. Omdat hiermeeeen snelle ontkistingsterkte wordt beoogd,wordt meestal gewerkt met een snel CEM I-cement in een hoge sterkteklasse.? Bij massabeton kan de temperatuur in dekern van het beton behoorlijk oplopen.Wordt er bijvoorbeeld gebruikgemaakt vanveel portlandcement dan kan de tempera-tuur zomaar boven de 70 ?C uitkomen.Wat gebeurt er?Het mechanisme verloopt nu net iets anders.De in de betonspecie normaal aanwezige et-tringiet zorgt voor het stilleggen van cemen-treacties (C3A) en geeft de mogelijkheid ombetonspecie een paar uur te verwerken. Als detemperatuur van de betonspecie boven de70 ?C stijgt, valt het ettringiet uiteen in eenandere sulfaatvorm met weinig water (mono-sulfaat). Beton zal nu snel opstijven en startenmet verharden. Als na verloop van tijd detemperatuur van het beton weer afneemt, ener is voldoende water aanwezig, zal dit mo-nosulfaat opnieuw worden omgezet in et-tringiet. Deze zwellende reactie vindt nu ech-ter plaats in verhard beton en kan totscheurvorming leiden.Hoe kunnen we dit voorkomen?Om deze schade te voorkomen moet altijdworden geprobeerd de temperatuur vanbeton beneden de 70 ?C te houden. Mochthet risico op hogere temperaturen zich tochvoordoen, dan zijn er nog twee mogelijkhe-den het risico op schade te beperken.Ten eerste, als er met snel portlandcementwordt gewerkt vanwege een hoge begin-sterkte, kan worden overwogen met een C3A-arm portlandcement te gaan werken. MinderC3A, minder kans op schade.Ten tweede, als er door externe bronnenrondom het beton zoveel warmte naar debetonspecie wordt gebracht, dat deze tehoog oploopt (> 70 ?C) en deze warmte is nietnodig voor de beginsterkte van het beton, kaneen hoogovencement (CEM III met > 65%slak) het risico op schade beperken doordatdeze een laag C3A-gehalte (HS) heeft.Sulfaatbestandheid getestDe sulfaatbestandheid van beton kan worden aangetoond doormiddel van laboratoriumonderzoek aan een mortel. De sulfaat-bestandheid wordt beoordeeld op basis van lengteveranderin-gen (zwelling) van prismavormige proefstukken, geplaatst in eenstandaard-sulfaatoplossing. Dit in vergelijking met controle-proefstukken, geplaatst in gedemineraliseerd water. De lengtevan de proefstukken wordt na een vastgestelde periode geme-ten, waarbij de laatste meting na 52 weken plaatsheeft. Eendergelijke beproevingsmethode neemt nogal wat tijd in beslag.Niettemin is het meten van de zwelling aan proefstukken eenuitstekende methode om de sulfaatbestandheid aan te tonen(figuur 8).8Meetresultaten sulfaatbestandheid. De beproevingsmethode staatbeschreven in CUR-Aanbeveling 48portlandcement sulfaatbestandportlandcement(C3A 3%)hoogovencement(70% slak)portlandslakcement(30% slak)060504030201010 20 30 40 50 60tijd in sulfaatoplossing (dagen)zwelling(%)060504030201010 20 30 40 50 60tijd in sulfaatoplossing (dagen)zwelling(%)060504030201010 20 30 40 50 60tijd in sulfaatoplossing (dagen)zwelling(%)060504030201010 20 30 40 50 60tijd in sulfaatoplossing (dagen)zwelling(%)9april 2011 15 I 133 Aantasting door ingebrachtsulfaatBij sulfaataantasting door ingebrachtsulfaatbrengen we onbedoeld een grote, geconcen-treerde hoeveelheid sulfaat in beton, viagrondstoffen. Als we lokaal veel sulfaat in-brengen, en er is voldoende water aanwezig,kan daar de sulfaataantasting volgens het albeschreven proces verlopen.Waar kan dit sulfaat vandaan komen?Het inbrengen van sulfaat via de grondstoffenvan beton kan bijvoorbeeld gebeuren via gra-nulaat als toeslagmateriaal. Als het granulaatis vervuild met restanten gips van bijvoor-beeld gipsplaten of anhydrietvloeren, hebbenwe onbedoeld een lokale sulfaatbron inge-bracht.Hoe kunnen we dit voorkomen?Om dit te voorkomen moeten we alle gerecy-clede toeslagmaterialen controleren op ge-schiktheid voor in beton. Dit kan soms een-voudig visueel, soms met een onafhankelijkekeurig of certificaat.NEN-EN 12620 stelt eisen aan gerecycledtoeslagmateriaal voor toepassing in beton.Hierin staat bijvoorbeeld dat maximaal 2%van het gewicht uit gips mag bestaan. Dit isgeen garantie dat er geen schade optreedt.Het gips kan bijvoorbeeld ook geconcen-treerd op ??n plek zitten. Belangrijk is dat erin ieder geval aandacht voor is.Het moge duidelijk zijn dat we dit aspect nietmogen vergeten in de huidige tijd waarinhergebruik van bouwmaterialen in beton eensteeds belangrijker onderwerp wordt.4 Aantasting door thaumasietThaumasiet is een bijzondere vorm van sul-faataantasting, waarbij het sulfaat van bui-tenaf de constructie binnendringt. Er wordtechter geen ettringiet gevormd, maar hetveel schadelijkere product thaumasiet. Ertreedt net als bij sulfaataantasting scheurvor-ming op. Maar nieuw is dat het beton daar-naast ook nadrukkelijk zwakker wordt.Thaumasiet is vooral bekend en onderzochtin Engeland. De gerapporteerde schades alsgevolg van thaumasiet hebben bijna allemaalte maken met betonconstructies in de grond.Meestal funderingen onder het grondwater-niveau met zeer veel sulfaat.In Nederland is er weinig tot geen meldingvan deze bijzondere vorm van sulfaataantas-ting.9Als het granulaat isvervuild metbijvoorbeeld gipshebben weonbedoeld eenlokale sulfaatbroningebracht10Beton inglastuinbouw10 april 2011 15 I 13Wat is het mechanisme van thaumasiet?De oorzaak dat thaumasiet een groter pro-bleem oplevert, is het feit dat er geen C3A-mineraal wordt verbruikt, maar compleetcementsteen (CSH). De cementsteen is defeitelijke lijmverbinding tussen toeslagkorrels,en als zodanig voor een groot deel verant-woordelijk voor de druksterkte. Als de ce-mentsteen verdwijnt om te reageren metsulfaat, kalk en water tot thaumasiet, danverliezen we druksterkte.Wat is er nodig om thaumasiet tekrijgen?In figuur 12 is de thaumasietreactie weerge-geven. Meer informatie over de reactie staatin het kader Thaumasiet. Naast hoge concen-traties sulfaat en veel water moeten we voorde thaumasietreactie beschikken over ce-mentsteen (CSH) en kalksteen (CaCO3). Be-langrijk is dat uit de praktijk blijkt dat thauma-siet alleen wordt gevormd als de temperatuurlager is dan 15 ?C. Als niet aan alle vijf dezevoorwaarden wordt voldaan, zal er geenthaumasietreactie plaatsvinden.Wat kunnen we doen om thaumasiette voorkomen?Er is geen eenduidige manier om thaumasiette voorkomen. Maar als we dan toch betonmoeten maken in een omgeving met extreemveel sulfaat en water, zijn er wel voldoendeaanwijzingen om betontechnologisch het ri-sico op thaumasiet te beperken, te weten:? De snelheid van binnendringen van sulfa-ten verlagen door:- zeer lage wcf (ongeveer 0,40);12Thaumasietreactie11Beton in eenrioolwaterzuiveringsulfaat cementsteen waterkalksteen thaumasiet+ ++< 15 ?C`zwelling'druksterkteverlies11april 2011 15 I 13- gebruik van hoge percentages hoog-ovenslak (> 65 %).? Het niet toepassen van kalksteen als toe-slagmateriaal.Is er een groot risico op thaumasiet, dan is hetook een optie om de betonconstructie te voor-zien van bijvoorbeeld een coating. Hierdoor kansulfaat niet meer binnendringen in het beton.Tot slotAan het einde van deze Betoniek, met allebeschrijvingen over mogelijk schade en watte doen om het te voorkomen, eindigen wemet een geruststellende gedachte.Ondanks de vele omgevingen met hoge sul-faatconcentraties waar beton mee in aanrakingkomt treffen we in Nederland niet veel schadeals gevolg van sulfaataantasting aan. Dit isenerzijds te danken aan het feit dat in Neder-land veel gebruik wordt gemaakt van cemen-ten met hoge slakgehaltes, anderzijds dat onzeindustrietak zover is ontwikkeld, dat we overalin staat zijn voldoende dicht beton te makenwaarin sulfaataantasting geen kans krijgt.ThaumasietThaumasiet wordt gevormd door een reactie van sulfaat (bijv. gips), cementsteen, kalksteen en water. Deze reactieverloopt volgens de volgende formule:De thaumasietafzetting is wit van kleur en ontstaat alleen als alle beschikbare stoffen aanwezig zijn voor dereactie en bij temperaturen