Een maandelijkse uitgave van de Vereniging Nederlandse Cementindustrie postbus 3011, 5203 DA 's-Hertogenbosch Schuimbeton ... daar zit wat in Voor trouwe BETONJEK-lezers zal schuimbeton niet onbekend zijn. Ruim zes jaar geleden werd een eerste aflevering aan dit, toen nog betrekkelijk nieuwe materiaal gewijd. Inmiddels wordt schuim­ beton op steeds grotere schaal toegepast: op dit moment in ons land circa 100.000 m3 per jaar en het gebruik neemt nog steeds toe. De ontwikkelingen ten aanzien van de technologie van schuimbeton en de produktieapparatuur hebben de afgelopen jaren niet stilgestaan; het grondstoffenpakket voor de vervaardiging van schuimbeton is sterk uitgebreid en er is een groeiend aantal produktiemethoden, afgestemd op specifieke eigenschappen danwel toepassingen. Al met al voldoende aanleiding om over dit onder­ werp weer eens 'bij te praten'. Wat verstaan we onder schuimbeton? Schuimbeton is een cementgebonden materiaal met een lage volumieke massa, dat bestaat uit een matrix van cementsteen en kunstmatig ingebrachte luchtbelletjes al of niet samen met fijn toeslagmateriaaL De volumieke massa van schuimbeton kan variëren van circa 400 tot 1600 kg per m3, een fors verschil dus met grindbeton met zijn volumieke massa van circa 2350 tot 2400 kg per m3. Deze lage volumieke massa wordt in principe bereikt door in plaats van het zware zand en grind september 1988 17/28 een speciaal schuim als 'toeslagmateriaal' te gebruiken. Bij de vervaardiging van schuimbeton wordt altijd eerst een zogenaamde basisspecie aangemaakt. Deze basisspecie bevat in ieder geval cement en water en eventueel ook vulstoffen, fijn zand en hulpstoffen. De basisspecie is dus een voor­ menging van de zwaardere componenten tot een vloeibare mortelspecie. Aan deze basisspecie wordt de berekende hoeveelheid schuim toegevoegd waardoor een dun vloeibare specie ontstaat, die zich gemakkelijk laat verwerken. Afhankelijk van de gekozen volumieke massa is het schuimaandeel, ofwel het volume aan fijn verdeelde luchtbelletjes, 30 tot 80% van het totale volume van de schuimbetonspecie. Op een breukvlak van schuimbeton kan men de zeer fijn verdeelde ronde luchtholten in de cementsteen zien. In het algemeen hebben deze luchtbelletjes een doorsnede tussen 0,2 en 0,4mm. De verharding van schuimbeton verloopt overigens geheel overeenkomstig die van andere cementgebonden materialen. Grondstoffen Voor het vervaardigen van schuimbeton zijn dus de volgende grondstoffen nodig: - cement; - water; - schuim; eventueel aangevuld met - toeslagmaterialen (dit kan bestaan uit fijn zand en/of licht toeslagmateriaal); - vulstoffen; - hulpstoffen. Cement In schuimbeton kunnen in principe dezelfde Aanleg van een plattelandsweg met een funderingslaag van schuimbeton. Toepassing van schuimbeton als lich; funderingsmateriaal beperkt de zettingen in gebieden met een slappe ondergrond cementsoorten worden toegepast als in grind­ beton. Evenals bij grindbeton kan voor een snellere verharding desgewenst een klasse B of C cement worden gebruikt. Bij de toepassing van deze snelverhardende cementtypen dient men bij schuimbeton rekening te houden met de warmte-ontwikkeling. De bij de verharding vrijkomende warmte heeft slechts een geringe massa op te warmen terwijl het verhar­ dende schuimbeton al redelijk isolerende eigen­ schappen bezit. In constructies met wat grotere afmetingen kunnen daardoor forse temperatuurs­ verhogingen voorkomen! Schuim/schuimmiddel De grondstof voor het maken van schuim is een zogenaamd schuimmiddel of schuimconcentraat Deze schuimmiddelen zijn zorgvuldig samen­ gestelde chemicaliën op organische of synthetische basis, danwel een combinatie daarvan. De geschiktheid van schuimmiddelen voor schuimbeton kan uitsluitend door uitgebreid geschiktheidsonderzoek aan schuimbeton­ mengsels worden beoordeeld. De schuimmiddelen worden nooit in pure vorm gebruikt; het is gebruikelijk ze te verdunnen in water in een volumeverhouding die in het algemeen ligt tussen 1 :30 en 1 :60 (schuim­ middel:water). Eenmaal in water opgelost zijn de middelen beperkt(er) houdbaar. De schuimoplossing wordt in een schuimagregaat met lucht gemengd tot een stabiel schuim, waar­ van de volumieke massa doorgaans ligt tussen cir­ ca 40 en 70 kg per ma. Toeslagmateriaal Schuimbeton stelt heel specifieke eisen aan het toeslagmateriaaL Het zal duidelijk zijn dat zwaar, 2 grof toeslagmateriaal (grof zand, grind) in de lichte en dun vloeibare specie zal uitzakken. Eventueel toe te passen zand moet dus zeer fijn zijn (in het algemeen de fractie 0-2 mm). Hierbij geldt: hoe lichter de specie, des te fijner het toeslagmateriaal moet zijn. Bij gebruik van licht toeslagmateriaal mag de korrelgrootte weer wat toenemen. Daarbij kan gedacht worden aan lichte toeslag­ materialen zoals geëxpandeerde en gebakken kleikorrels (bijv. Argex) of gesinterde vliegas (bijv. Lytag) maar ook aan polystyreenkorrels. Deze laatste worden geleidelijk meer toegepast in schuimbeton vanwege de positieve invloed op de waterabsorp~ie en de druksterkte. Vulstoffen Indien schuimbeton wordt gebruikt als zeer licht vul- of ophoogmateriaal, is de druksterkte al gauw hoger dan noodzakelijk. In die gevallen kan een gedeelte van het cement door vliegas of vulstoffen worden vervangen waardoor de eigenschappen (en prijs!) beter op het gebruik worden afgestemd. De geschiktheid van vulstoffen zoals vliegas voor toepassing in schuimbeton kan uitsluitend door uitgebreid geschiktheidsonderzoek worden vast­ gesteld. Verontreinigingen in deze materialen kunnen de stabiliteit van de schuimspecie zeer nadelig beïnvloeden. Niettemin bieden deze materialen interessante mogelijkheden voor toepassing in schuimbeton. Hulpstoffen Een in schuimbeton onmisbare hulpstof is uiteraard het schuimmiddeL (De term hulpstof doet hier wat merkwaardig aan omdat het schuim een hoofdbestanddeel van schuimbeton is.) Bij enkele synthetische schuimmiddelen wordt door de leverancier aanbevolen tevens een stabi­ lisator toe te passen. Andere hulpstoffen worden tot op dit moment nauwelijks toegepast. Naarmate het aantal toepas­ singen groeit, is het echter denkbaar dat in de toekomst plastificeerders of superplastificeerders ter verbetering van de cementmatrix worden gebruikt of dat versnellende .of juist vertragende hulpstoffen worden toegepast. Vervaardiging van schuimbeton De vervaardiging van schuimbeton begint zoals gezegd met de aanrnaak van een basisspecie. Doorgaans wordt deze basisspecie betrokken van een beton- of metselspeciecentrale. De basisspecie kan ook op de bouwplaats worden aangemaakt, waarbij dan wordt uitgegaan van droge, voorgemengde grondstoffen (silo­ systemen). Het zal duidelijk zijn dat de samenstelling en de consistentie van de basisspecie zorgvuldig afgestemd dienen te worden op het uiteindelijk te vervaardigen schuimbeton. Het zogenaamde schuimaggregaat waarin uit schuimconcentraat, water en lucht schuim wordt geproduceerd, wordt doorgaans samen met de meng- en pompapparatuur op het bouwwerk opgesteld. Voor het mengen van het schuim met de basisspecie zijn de volgende methoden het meest gebruikelijk: - chargegewijze menging: basisspecie en schuim worden chargegewijs bijvoorbeeld in een truckmixer of speciale mengapparatuur tot een homogene specie gemengd; - continue menging: basisspecie en schuim worden in een continue­ stroom samengebracht en gemengd. In de huidige praktijk gebeurt dit meestal door schuiminjectie in de persleiding van de basis­ speciepomp. Toepassing van schuimbeton als werkvloer en tegelijkertijd isolerende ondervloer onder een op staal aan te leggen begane grondvloer Schuiminjectie in de truckmixer Bij deze produktiemethode wordt de truckmixer als menger gebruikt. In eerste instantie wordt de basisspecie 'ingenomen'; vervolgens wordt het schuim vanuit het schuimaggregaat toegevoegd en doorgemengd. Het is duidelijk dat bij deze produktiemethode zorgvuldig gecontroleerd moet worden of de juiste hoeveelheid basisspecie en de bijbehorende hoeveelheid schuim is gedoseerd. Dit kan na menging door meting van de volumieke massa van het mengsel. Het schuim kan zowel op de betoncentrale als op de bouwplaats worden toegevoegd en door­ gemengd in de truckmixer. Als er veel tijd ligt tussen mengen en verwerken zal de volumieke massa van de schuimmortel­ specie geleidelijk wat oplopen door luchtverlies uit het mengsel. Afhankelijk van de mengselstabiliteit kan deze toename van de volumieke massa in een rijdende en agiterende truckmixer oplopen tot 100 à 150 kg/ma in de eerste 30 minuten. Menging in speciale mengers In plaats van een truckmixerketel kan een speciaal voor het mengen van schuim en basis­ specie ontwikkelde meng er worden gebruikt, die wordt opgesteld op de bouwplaats. Vaak is deze menger met schuimaggregaat en pompen 3 gecombineerd tot één complete produktieunit De juiste hoeveelheden basisspecie en schuim worden per charge gedoseerd, gehomogeniseerd en tenslotte in het werk gepompt. De charge­ grootte kan bij dit soort units oplopen tot wel 15m 3 . Nadeel van deze units is de chargegewijze produktie waardoor wachttijden tussen de charges ontstaan. Voor grote werken is dit te ondervangen door twee units op te stellen die om en om een charge mengen en verpompen. Een duidelijk voordeel is de constantheid en homogeniteit van de specie. Schuiminjectie in de pompleiding Bij dit systeem wordt in feite alleen de basisspecie verpompt; pas achter de pomp wordt het schuim in de persleiding geïnjecteerd. De mortelpomp verpompt dus maar een (klein) deel van het totale volume van de geproduceerde schuim mortel! De menging vindt plaats in een stalen pijp, ongeveer 1 meter lang met een diameter van 100 tot 150 mm, waarin stalen schotjes of staafjes zijn aangebracht. Hierdoor worden de passerende basisspecie en schuim in zodanige turbulentie gebracht dat menging optreedt. Op deze manier wordt een continue speciestroom geproduceerd vanuit een betrekkelijk eenvoudige en kleine unit. Silo-systeem Meest recent is het systeem waarbij droog voor­ gemengde grondstoffen op de bouwplaats worden aangevoerd en daar in een silo worden opge­ slagen. Dit silo-systeem is een variant op het hiervoor beschreven systeem met schuiminjectie in de pompleiding. Met een mobiele produktieunit worden de droge stoffen met water gemengd tot een homogene basisspecie. Direct achter de speciepomp wordt vervolgens weer het schuim geïnjecteerd, waarna het geheel door een mengkoker wordt geleid. 4 Polystyreen als toeslagmateriaal In de reeks bekende toeslagmaterialen en vulstoffen die in schuimbeton worden toegepast, is polystyreen een buitenbeentje. De zeer lichte polystyreenkorrels met een volumieke massa van circa 15 tot 20 kg/m3 blijken in combinatie met een luchtige mortelspecie èen goed verwerkbaar en stabiel mengsel op te leveren. Polystyreenkorrels kunnen daardoor een deel van het schuim in schuimbetonspecies vervangen. Het is mogelijk door het gebruik van polystyreen de druksterkte van de zeer lichte mengseltypen wat te verhogen en de waterabsorptie te verminderen. De produktie .van polystyreenschuimbeton is niet eenvoudig. Omdat de korrels zich niet met de basisspecie laten mengen (opdrijven!) kan de dosering pas plaatsvinden gelijktijdig met of nadat het schuim is toegevoegd. Dit betekent in de praktijk dat de zeer lichte en volumineuze korrels op het werk toegevoegd moeten worden. Om het transport van volumineuze materialen te beperken, zijn proeven uitgevoerd met produktie van polystyreenkorrels op de bouwplaats door middel van een mobiele expander, die de poly­ styreenkorrels produceert direct vóór de verwerking. Uitvoeringsaspecten Schuimbeton is evenals grindbeton een cement­ gebonden materiaal. Dit gegeven levert een aantal overeenkomsten in de omgang met beide materialen: zo moet ook schuimbeton worden nabehandeld om voortijdig uitdrogen te voor­ komen en is ook de sterkteontwikkeling afhankelijk van de temperatuur. Naast overeenkomsten zijn er grote verschillen, met name ten aanzien van het transport op de bouwplaats en de verwerking. De zeer 'luchtige' mengselopbouw maakt plunjerpompen ongeschikt voor het verpompen van schuimbetonspecie. Zogenoemde verdringerpompen, zoals slang- en wormpompen, hebben daarentegen totaal géén moeite met deze species. Mobiele produktie-units zijn doorgaans voorzien van een pompinstallatie. Het transport op de bouwplaats is verder goed mogelijk via goten (de specie is zeer vloeibaar) of met bijvoorbeeld japanners (de specie is zeer licht). Kubels zullen veelal onvoldoende dicht zijn voor het transport van de dun vloeibare specie. De luchtige en zeer vloeibare specie hoeft natuurlijk niet verdicht te worden; de beton­ verwerker of stortploeg heeft het dus wel erg makkelijk! Ook bij het maken van de bekisting dient met de grote vloeibaarheid van de specie rekening te worden gehouden. Naden en kieren moeten zorg­ vuldig worden afgedicht. Omdat schuimbeton zich als een vloeistof gedraagt, is de hydrostatische druk evenredig met de hoogte van de vloeistofkolom. (Bij grindbeton treed een zekere toogwerking of brugvorming op waardoor dit niet het geval is). Bij grote kisthoogten kunnen bij schuimbeton forse hydrostatische drukken ontstaan. De druk van de speciekolom kan een toename van de volumieke massa van de specie onderin de kist opleveren doordat de luchtbelletjes in de specie enigzins samengedrukt worden. Tenslotte dient bij het verwerken van schuimbeton in grote laagdiktes met een aanzienlijke tempera­ tuurstijging in het schuimbeton rekening te worden gehouden. Zelfs in betrekkelijk slanke constructies zijn temperaturen tot boven 80°C in het schuim­ beton gemeten. Aanbrengen van een dakafschotlaag van schuimbeton. Een typisch voorbeeld van een toepassing waar de sterke punten van schuimbeton tot hun recht komen: geringe volumieke massa, goede thermische isolatie en goede verwerkbaarheid Eigenschappen van de specie Alvorens stil te staan bij een aantal eigenschappen van verhard schuimbeton noemen we nog enkele aspecten van schuimbetonspecie. Schuimbeton­ specie ziet eruit als een romige vloeistof met een hoge consistentie die is te beschrijven als 'yoghurtdun '. In de praktijk wordt de consistentie van schuim­ beton gemeten met behulp van de kegel van Abrams. Deze kegel wordt, zoals bij grind­ betonspecie, in drie lagen gevuld. Na het lichten van de kegel wordt de doorsnede van de specie­ koek gemeten. De op deze manier bepaalde 'uitvloeimaat' ligt in het algemeen tussen 500 en 700mm. · Met de volumieke massa van schuimbeton wordt altijd de volumieke massa van de specie bedoeld. De volumieke massa kan na verharden, onder droge omstandigheden, met circa 50 tot 70 kg per m3 afnemen door verdamping van niet­ gebonden water. Eigenschappen van het verharde materiaal Schuimbeton wordt op dit moment geproduceerd in samenstellingen met cementgehaltes variërend van 100 tot 400 kg/m3, met zeer verschillende toeslagmaterialen en schuimtypen, met behulp van zeer verschillende produktiesystemen. Gezien de enorme variëteit is het onmogelijk de verschil­ lende eigenschappen van schuimbeton eenduidig te beschrijven. De variëteit aan mengseltypen maakt het voor de gebruiker noodzakelijk om van toepassing tot toepassing de gewenste eigenschappen aan de producent duidelijk te maken en door hem te laten bevestigen. Om toch enige indruk te geven van wat met schuimbeton mogelijk en onmogelijk is, vindt U 5 i 12.5 "' E ~ 10,0 z 2 7,5 ""' '--(lJ .... "' 5,0 ""' :::J '--"'D 2.5 600 800 1000 1200 1400 1600 volumieke massa (kg m 3 ) ~ Relatie tussen kubusdruksterkte en volumieke massa hierna van een aantal eigenschappen een korte beschrijving met waar mogelijk de orde van grootte van te verwachten waarden. In principe verloopt de bepaling van alle genoemde eigenschappen analoog aan die bij grindbeton. Proefstukken voor de controleproeven dienen conform de voorschriften (evenals licht­ beton) in folie verpakt te worden om zo tegen uitdrogen beschermd te verharden. De druksterkte van schuimbeton wordt niet zozeer door de water-cementfactor maar vooral door de volumieke massa (lees: het luchtgehalte) bepaald. Overigens zijn ook alle andere eigenschappen van schuimbeton duidelijk gekoppeld aan de volumieke massa. Zo zal bij een volumieke massa tussen 400 en 600 kg/ma de druksterkte globaal tussen 0,5 en 2,5 N/mm2liggen. Bij volumieke massa's boven circa 1400 kg/m 3 kan de druksterkte oplopen tot boven 10 N/mm2. De treksterkte van schuimbeton is circa 10 tot 15% van de druksterkte. De elasticiteitsmodulus van schuimbeton is zeer laag in verhouding tot die van grindbeton; de waarden komen meer overeen met die van bitumineuze produkten. Ter indicatie: bij een volumieke massa tussen 400 en 600 kg/ma ligt de elasticiteitsmodulus op waarden rond de 1000-1500 N/mm2. Bij grindbeton ligt deze waarde in de orde van grootte van ca. 30.000-35.000 N/mm2. De krimp van schuimbeton, gemeten aan proefstukken na volledige uitdroging, ligt in de orde van gr0otte van 2-5 mm perm. Ongeveer 10x zoveel als van grindbeton. 6 i 2.5 "' E E ...... 2,0 z (lJ .... ""' 1.5 '--(lJ .... "' ""' (lJ '-- 1,0 .... -~ :::J 0,5 ..0 600 800 1000 1200 1400 1600 volumieke massa (kg/m 3 ) ~ 2 Relatie tussen buigtreksterkte en volumieke massa De thermische uitzettingscoëfficiënt van schuim­ beton is circa 6 à 8 x 10" 6 per oe. Dit is gemiddeld 0,007 mm per meter per oe ofwel 1,4 mm per 10 meter bij 20 oe temperatuur­ verandering. Dit gedrag komt globaal overeen met dat van grindbeton. De warmtegeleidingscoëfficiënt is sterk afhankelijk van zowel volumieke massa van het schuimbeton, als het vochtgehalte. De À -waarde van schuim­ beton met een volumieke massa van 400-600 kg/ma is voor droog materiaal circa 0,10 W/m.K; in vochtige condities kan dit oplopen tot circa 0,15 a 0,20 W/m.K. Dit zijn slechts indicaties: het werkelijk niveau is sterk afhankelijk van de structuur en de samen­ stelling van het schuimbeton. De waterabsorptie van schuimbeton is sterk afhankelijk van de volumieke massa. In het algemeen geldt dat bij een lagere volumieke massa de permeabiliteit groter is. Ook de structuur van het materiaal speelt een rol: met name de grootte en de verdeling van lucht­ belletjes. Door gebruik van licht toeslagmateriaal of poly­ styreenkorrels wordt het schuimbeton minder permeabel. De waterabsorptie neemt dan duidelijk af. Bij toepassingen van schuimbeton in een natte omgeving waar het gewicht een belangrijk gegeven is, verdient het aanbeveling het materiaál in folie te verpakken. Duurzaamheid van schuimbeton Schuimbeton is een cementgebonden materiaal dat ongevoelig is voor de inwerking van vocht, schimmels en ongedierte. Uit waarnemingen in de praktijk en experimenteel onderzoek blijkt dat schuimbeton een goede weerstand heeft tegen extreme weersinvloeden. i 10.000 -N E E 8.000 -. :z "' 6.000 3 :::) Ll 0 4.000 E "' ..... ïii ..... 2.000 ·;:::; :