S T C H T N G BETON PRISMAPOSTBUS 35325203 DM 'S-HERTOGENBOSCHFijn zandTraditioneel bestaan de toeslagmateria-len voor beton uit betonzand en grind.Doordat de winning van deze materialenvan overheidswege wordt beperkt, moetnaar alternatieven worden uitgekeken.Een alternatiefvoor betonzand (0-4 mm)is bijvoorbeeld fijn zand (0-1 mm).Dit zand komt in Nederland in grotehoeveelheden voor. Op zich is detoepassing van fijn zand in beton nietnieuw. Denk maar aan het gebruik vanfijn zand om de totale korrelopbouw teverbeteren. Daarbij gaat het om kleinehoeveelheden. Maar wat gebeurt er alswe een substantiële hoeveelheidbetonzand door fijn zand vervangen?Om hier inzicht in te krijgen, hebbenRijkswaterstaat en TNO onderzoekuitgevoerd naar de betontechnologischeen constructieve prestaties van betonmet een variërend gehalte (tot 50%)fijn zand. Deze aflevering vanBETONlEK bevat een samenvatting vanhet onderzoek.Waarom onderzoek naar fijn zand?Historisch is de toepassing van grof zand en grind teverklaren uit het feit dat deze toeslagmaterialen inNederland ruim beschikbaar waren, terwijl met dezematerialen bovendien zonder extra maatregelen eenlagewaterbehoefte van het betonmengsel kan wordengerealiseerd.Door het ontgrondingsbeleid van het rijk wordt nietalleen de winning van grind, maar ook de winning vanbetonzand in Nederland beperkt. Dit komt doordatbetonzand vaak samen met grind wordt gewonnen.Er zal dus minder zand 0-4 mm beschikbaar komenvoor beton.Om dit tekort op te vangen, kan betonzand wordengeïmporteerd. Hiervan is feitelijkal sprake gezien detoepassing van zeezand. Een andere oplossing is na tegaan of betonzand vervangen kan worden door anderzand. In Nederland is namelijk zeer veel zand 0-1 mmbeschikbaar op winbare locaties, zowel op het land alsin het Nederlandse deel van de Noordzee.Rijkswaterstaat heeft samen met TNO onderzochtof met dit fijne land- en zeezand ook goed beton kanworden gemaakt. Beton met sterkteklasse B 25 enmilieuklasse 2 vormde daarbij het uitgangspunt.Fijn zandAls fijntoeslagmateriaal voor beton worden in NEN5905, 'Toeslagmaterialen voor beton: zand en grind',april 1996Gooimeer Woerden Ijmuidenondergrens zand 0-1 mmZeefdiameter (mm)Ook de korrelvorm en oppervlaktestructuur van hetfijne zand vertoonden weinig verschil met betonzand:een gedrongen korrelvorm (rond) en weinig korrelsmet scherpe kanten.Tevens werden geen aanwijzingengevonden dathet fijne zand afwijkende gehalten ontoelaatbarebestanddelen, als zwellende klei,zachte delen oforganische stoffen bevatte. Hierbij moet wordenopgemerkt dat fijnzand afkomstig van anderewinplaatsen deze bestanddelen wel degelijk kanbevatten.De samenstelling van het onderzochte fijne zand wijktnauwelijks af van die van betonzand. Dit was teverwachten omdat het om materiaal gaat van dezelfdegeologische oorsprong. Het carbonaatgehalte lagmet6%voor fijnzeezand en 9%voor fijn landzand ruimonder de norm (25%v/v NEN 5905).2, 4,1009080706050004030N201000,125 0,25 0,5 1,Gradering vande onderzochte fijne zandenGezien de geringe verschillen tussen de onderzochtefijne zanden maken we hier verder geen onderscheidmeer naar de herkomst van het fijne zand.drie korrelgroepen onderscheiden:· zand 0-1 mm (fijn zand);· zand 0-2 mm (metselzand);· zand 0-4 mm (betonzand).De norm stelt eisen aan de graderingen van dezezanden.opzet van het onderzoekHet onderzoek is gefaseerd uitgevoerd. In eenoriënterend laboratoriumonderzoekis gekeken naaraspecten als korrelgradering, waterbehoefte,verwerkbaarheid en sterkte. Van een basis betonspe-cie met 40% (v/v) zand is het betonzand instappenvan 10% vervangen door fijnzand.Voor het onderzoek isgebruik gemaakt van landzandafkomstig van twee winlocaties (nabij Woerden enhet Gooimeer) en zeezand van één winlocatie (nabijIjmuiden). De graderingen van deze drie fijne zandenontlopen elkaar niet veel. Ze liggen alledrie ongeveermidden tussen de grenzen voor zand (0-1 mm) die inNEN 5905 zijn gedefinieerd (zie fig. I).Daarna isin praktijkproeven het effect op deverwerkbaarheid en verpompbaarheid nagegaan.Dit werd getest met het ter plaatse storten vanstootplaten voor een viaduct. Het zandgehalte van debetonspecie varieerde van 25%tot 40% (v/v),waarbijhet betonzand geheel of gedeeltelijk was vervangendoor fijnzand.De drie fijne zanden voldoen tevens aan de eis dat hetgehalte aan zeer fijn materiaal 63 niet grotermag zijn dan 4% (m/m).Betonzand bestaat mineralogisch gezien grotendeelsuit kwarts, kwartsiet en zandsteen. Daarnaast zit ernog een kleine hoeveelheid andere mineralen in.Betonzand uit zee heeft doorgaans een vergelijkbaresamenstelling, maar bevat wat minder kwartsiet enwat meer vuursteen en calciumcarbonaat (schelpen).Op basis van de verkregen resultaten is vervolgens eenuitgebreid laboratoriumonderzoek uitgevoerd. Betonmet sterkteklasse 25 en milieuklasse 2 vormde hetuitgangspunt. Het cementgehalte bedroeg 310 kg/m3en de water-cementfactor 0,53. Het zandpercentagewerd gevarieerd tussen 25%en 45% (v/v),waarbij hetbetonzand geheel of gedeeltelijk werd vervangen doorfijn zand. Alsgrof toeslagmateriaal is steeds riviergrind(4-32 mm) gebruikt. Het toegepaste cement betrof eenhoogovencement (CEM IIIlB 42,5).IJI"1'1 Iv /1/ //A/Aic)/IV 'IjI1//V1009080706050004030N2010o0,125R0,5 2, 8,Zeefdiameter (mm)31,5,1009080706050004030N2010o0,125 O,S 2, 8,Zeefdiameter (rnrn)31,5grind/betonzand/fijn zand 60/40/0grind/betonzand/fijn zand :;: 60/20/20grind/betonzand/fijn zand-> 60/0/40Gradering met verschillende vervangingspercentages fijnzand eengelijke zand-grind verhoudingeigenschappenVervangingvan betonzand (0-4 mm) door fijnzand(0-1 mm) heeft natuurlijk direct effect op een aantaleigenschappen, zoals de totale korrelopbouw,waterbehoefte en dus op de verwerkbaarheid.Daarbij kunnen we ervoor kiezen om de zand-grindverhouding gelijkte houden. Maar deze kan ookworden aangepast.Korre/opbouwDe korrelopbouw van het toeslagmateriaal wordtin de praktijk bijvoorkeur gekozen in het A-Bgebiedvanwege de lagere waterbehoefte. Hoe grover dekorrelopbouw hoe lager de waterbehoefte.Bovendien wordt bijeen gradering in het A-C gebiedeen hoger minimum cementgehalte voorgeschreven.Omdat grind duurder is dan zand wordt vaak gekozenvoor een mengsel met wat meer zand, zodanig dat nognet wordt voldaan aan de eisen voor zeef I mm op deB-lijn. Dit resulteert in een fijnere korrelopbouw.Voor zand (0-4 mm) en grind (4-32 mm) komt ditdoorgaans overeen met een volumeverhouding vanruwweg 40% zand en 60%grind.zand:;: 60/40/0grind/betonzand/fijnzand :;:70/1511 5grind/betonzandlfijn 70/0/30Gradering met verschillende fijnzand bijeenaangepaste zand-grind verhoudingDe korrelgradering is van invloed op de water-behoefte, en daarmee dus ook op de verwerkbaar-heid. Een maat voor de fijnheid van het materiaal isde fijnheidsmodulus Fm' Ruwweg kan worden gestelddat verschillende graderingen met een gelijkefijnheidsmodulus een gelijke waterbehoefte hebben.Toepassing van fijnzand (Fm: ca. 1,4) bijeen gelijk-blijvende zand-grind verhouding levert een lagerefijnheidsmodulus en dus een hogere waterbehoefte op(betonzand heeft een Fm van ca. 3,1).Aanpassing van deze verhouding door meer grind tegebruiken, betekent dat het percentage (fijn) zandafneemt en de fijnheidsmodulus toeneemt. Dit heefteen gunstige invloed op de waterbehoefte.Als de zand-grindverhouding gelijk blijft(40%-60%),blijkt dat wanneer we het betonzand gedeeltelijkvervangen door fijnzand (maximaal 50%) de totalekorrelopbouw verschuift van het A-B- naar hetA-C gebied. Indien meer dan 50% betonzand wordtvervangen, krijgen we een korrelverdeling die buitenhet A-C gebied valt. Volledigevervanging levert eendiscontinu mengsel op dat eveneens buiten hetA-C gebied valt (zie fig. 2).wRelatie tussenftjnheidsmodulus, waterbehoefte en zetmaatvoor de onderzochte betonmengselsfijn zand. Bijeen gelijke verwerkbaarheid wordendan ook vergelijkbare luchtgehalten gevonden voorbeton met en beton zonder fijn zand.Voor de echte rekenaars onder ons: deze relatie kanook in formulevorm worden weergegeven, zie hetkader op blz. 5. Daarbij is ervan uitgegaan dat bij eenbepaalde zetmaat een lineair verband bestaat tussen5,5Zetmaat 50 mm5,3 5,4FijnheidsmodulusFm5,21901501405,1200170160180Bijde onderzochte species, waarbij tot 50% (v/v)van het betonzand is vervangen door fijn zand,bleek er een duidelijke relatie te bestaan tussen dezetmaat, de fijnheidsmodulus en de waterbehoefte.Deze relatie is in figuur 4 weergegeven voor dezetmaten 50,100 en 150 mm, de grenzen van deconsistentiegebieden 2 en 3.Rekenen aande waterbehoefte en verwerkbaarheidHiervoor hebben we gezien dat we de water-behoefte kunnen beïnvloeden door de zand-grind-verhouding aan te passen. Ook hierbij kan gebruikworden gemaakt van het principe 'gelijke fijnheids-modulus is gelijke waterbehoefte'.Om de waterbehoefte van betonspecie ook voorafin te kunnen schatten aan de hand vaneen 'simpele'berekening, is voor de onderzochte species gezochtnaar een relatie tussen de consistentie en dewaterbehoefte.De mate waarin de betonspecie verwerkbaar is,isbepalend voor het luchtgehalte na verdichten.Species met een slechte verwerkbaarheid zijnmoeilijk te verdichten en hebben daardoor veelaleen hoger gehalte ingesloten lucht.Hetzelfde verband vinden we ook bij species metIn de praktijk is gebleken dat betonspecie met fijnzand, en een vergelijkbare consistentie als beton-specie zonder fijnzand, goed verwerkbaar is.De specie ziet er wat 'vetter' uit en kleeft watmeer aan het gereedschap dan 'normale' specie.Dit laatste wijst op een grote mengselstabiliteit.Betonspecie met fijn zand, waarvan de consistentiegelijk is aan die van mengsels zonder fijn zand, laatzich ook goed verpompen.Bijeen aangepaste zand-grind verhouding (bïjvoor-beeld 30%-70%), dus minder zand en meer grind,zien we dat als tot 50% van het betonzand wordtvervangen door fijn zand de korrelverdeling nagenoegvolledig in het A-B gebied blijft. Als we meer dan50% fijn zand vervangen, verschuift de korrelverdelingnaar het A-C gebied. Vervanging van al het betonzanddoor fijn zand betekent dat we ook hier te makenkrijgen met een discontinu mengsel (fig.3).Samenvattend kunnen we stellen dat bij eenzand-grindverhouding van 40-60 tot 50% van hetbetonzand kan worden vervangen door fijn zandzonder buiten de grenzen van het A-C gebied tekomen. Bijhogere vervangingspercentages moetde zand-grind verhouding worden aangepast ombinnen de grenzen van het A-C gebied te blijven.Waterbehoefte en verwerkbaarheidDe waterbehoefte van betonspecie hangt voor-namelijk af van de grootste korrelafmeting, detotale korrelgradering, de korrelvorm en opper-vlaktestructuur, de cementsoort en de gewensteverwerkbaarheid.In betonspecies kunnen voor het zand verschillendekorrelgroepen worden toegepast, hetgeen leidt totverschillende graderingen. Door (gedeeltelijke)vervanging van betonzand door fijn zand wordt detotale korrelopbouw fijner, de fijnheidsmoduluslager en daarmee de waterbehoefte groter.Voor een gelijke sterkte en duurzaamheid is danOfeen hoger cementgehalte of het gebruik vanhulpstoffen noodzakelijk.-, B-C gebied 0 - 16 mmElB-C 0 - 32 mmA-B gebied 0 - 16 mmEl-,A-B gebied 0 - 32 mmEl-,-,-,de fijnheidsmodulus van het toeslagmateriaal en dewaterbehoefte.In figuur 4 verloopt de fijnheidsmodulus van 5,48voor betonspecie met 40% betonzand naar 5,16 voorbetonspecie met 20%betonzand en 20% fijn zand.Uit de figuur blijkt dat bijeen zetmaat van 100 mmde waterbehoefte van de onderzochte species stijgtmet 911m3 als 50%van het betonzand wordtvervangen door fijn zand.Ook bijandere vervangingspercentages van betonzanddoor fijnzand, mits 50%, kan met behulp van debijbehorende fijnheidsmodulus eenvoudig het effect opde waterbehoefte of de verwerkbaarheid wordenbekeken.2302202102001901800s:1701601501401303,5 5,5Bovenstaande relatie (èn formule) is bepaald op basisvan de gegevens uit het beschreven onderzoek. Om nate gaan of deze relatie ook voor betonspecies met eenandere korrelgradering (maar wel met dezelfdekorrelvorm) kan worden gebruikt, is nagegaan of deempirisch bepaalde richtwaarden voor de waterbe-hoefte, zoals gegeven in het boek 'Betontechnologie',ook met deze formule kunnen worden benaderd.Hiertoe is per grenslijn van het graderingsgebied eerstde fijnheidsmodulus (Fm) van de korrelgradering opdie lijnbepaald. Met deze waarden is de waterbehoef-te berekend voor een zetrnaat van 70 mmo Deresultaten zijn weergegeven in de tabel en figuur 5.Hierbij moeten we opmerken dat de waarden in detabel voor een fijnheidsmodulus de graderingslijn,dus A, Bof C, zijn berekend. Dit geeft een watvertekend beeld van extremen, maar een beeld datgoed in de buurt komt van de richtwaarden volgenshet boek: 'Betontechnologie'.Fijnheidsmodulus Fm- - - - - Bereik onderzoek ------------ GeëxtrapoleerdMet de benaderingsfarmule berekende en geëxtrapoleerderelatie tussende fijnheidsmodulus de waterbehoe{teIn figuur 5 zijn de berekende waarden binnen hetFm-gebied van het onderzoek (Fm tussen 5,1 en 5,5)met een getrokken lijnweergegeven. Duidelijk is datdit slechts een klein deel van het geheel is! Daarbuitenzijn de berekende (dus geëxtrapoleerde) waardenmet een stippellijn met elkaar verbonden. Tevens is inde figuur ruwweg de plaats van de graderingsgebiedenaangegeven.Het blijkt dat met de benaderingsformule een redelijkevoorspelling kan worden gedaan van de waterbehoeftevoor de betreffende graderingsgebieden. Hieruitmogen we concluderen dat de formule geldt voor eenbreder gebied dan het onderzochte gebied met eenFm tussen 5,I en 5,5.Tabel. Met formule berekende waterbehoeftenKorrelgroep Grenslijn Fijn- Waterbehoefte (11m3) voor zetmaatheids- 70 mm (constentiegebied 2)modu-lus volgens formule volgens boek(Fm) 'Betontechnologie'0- 32 mm A-lijn 6,50 137165 (A-Bgebied)B-Iijn 4,93 175185 (A-C gebied)C-Iijn 4,31 1930-16 mm A-lijn 5,66 156180 (AB-gebied)B-Iijn 4,66 182200 (AC-gebied)C-Iijn 3,76 210DuurzaamheidAlle in het laboratorium onderzochte mengselshebben een goede dichte structuur, dat wil zeggengeen grindnesten, luchtinsluitingen of andereonregelmatigheden. De mengsels uit het praktijk-onderzoek zijn microscopisch onderzocht, waarbijgeen onvolkomenheden werden geconstateerd.Uit deze resultaten mag worden geconcludeerddat de toepassing van fijnzand in beton metmilieuklasse 2 voldoende dicht en duurzaam betonzal opleveren.Ook voor beton met fijnzand is dus de water-cementfactor nog steeds de belangrijkste factorvoor de duurzaamheid.(Constructieve eigenschappenTijdens het onderzoek is de invloed van verschillendepercentages fijn zand op de druksterkte, splijt-treksterkte en de elasticiteitsmodulus bekeken.De druksterkte van beton wordt voornamelijkebepaald door:· de sterkte van het toeslagmateriaal;· de normsterkte van het cement(N);· de water-cementfactor (wct);· de aanhechtsterkte tussen cementsteen entoeslagmateriaal;· de verhouding cementsteen-toeslagmateriaal;· de korrelvorm van het toeslagmateriaal;· de korrelverdeling van het toeslagmateriaal.Hiervan zijn de normsterkte van het cement en dewater-cementfactor de belangrijkste parameters.Als betonzand (gedeeltelijk of geheel) wordtvervangen door fijnzand verandert er in principealleen wat aan de korrelverdeling. Wanneer dezebinnen de grenzen van het A-B respectievelijk A-Cgebied (NEN 5950) blijft, zal dit geen grote invloedhebben op de druksterkte.De 28-daagse druksterkte f'e van grindbeton metfijnzand kan dus nog steeds worden geschat met debekende formule:f'e = 0,8*N + 25/wcf - 45 (N/mm2) .Figuur6 geeft de druksterkte van de onderzochtemengsels met en zonder fijnzand.Het referentiebeton bevat geen fijnzand. In de figuuris op de horizontale as de gemeten druksterkte+ ,IJ++++0 +0+ +++605040++ut->+->i->. -23032,535,e=4,545,5555453525,02550,045,040,0235,0e30,055,0Gemeten druksterkte (N/mm2) Druksterkte (N/mm2)[J Referentiebeton + Beton met fijnzand [J Referentiebeton+ Beton met fijnzand- - volgens VBC- - - spreidingsbond VBCDruksterkte, berekenden gemeten, voor betonmet enzonder zandRelatie tussendruksterkte en splijttreksterkte voor betonmeten zonderfijn zandweergegeven en op de verticale as de met behulpvan de formule geschatte druksterkte.Uit de figuur blijkt dat de druksterkte van beton metfijnzand in dezelfde spreidingsband valt als hetreferentiebeton.Tot slotDe toepassing van fijnzand (0-1 mm) in beton alsvervanging van betonzand (0-4 mm) blijkttot eenvervangingspercentage van 50% (v/v) betontechno-logisch en constructief gezien goed mogelijkvoorde sterkteklassen tot en met B 25 en milieuklasse 2.Ook de relatie tussen de gemeten en de volgens deVBC berekende splijt-treksterkte wijkt niet af voorbeton met fijnzand (fig. 7). De gemeten waardenliggen(nagenoeg) allemaal binnen despreidingsbandzoals gedefinieerd in de VBC (NEN 6720).Gezien het bovenstaande zouden we mogenverwachten dat we voor de elasticiteitsmodulushetzelfde resultaat vinden. Dit gaat echter alleenop voor beton waarin tot 50% (v/v) betonzandisvervangen door fijnzand. De resultaten voorbeton waarin meer dan 50%van het betonzand isvervangen door fijnzand geven een indicatie datde elasticiteitsmodulus lager is dan de ondergrensuit de voorschriften (NEN 6720, VBC).Als we grotere vervangingspercentages willentoepassen, zullen we dit effect nader moetenonderzoeken.Bij hogere vervangingspercentages komt dekorrelgradering al gauwhuiten het in NEN 5950gedefinieerde A-C gebied te liggen, waardoor dewaterbehoefte verder zal stijgen. Dit isdeels tevoorkomen door meer grind toe te passen.Maar dit isgeen verantwoord alternatiefgezien deWens om minder grind te winnen en de hogere prijsvan het grind.Voor hogere sterkte- en milieuklassen dan genoemd,zal de waterbehoefte van het betonmengsel al sneleen beperkende factor blijkenvoor grootschaligevervanging van betonzand door fijnzand.De potentiële mogelijkheden zullen dan per gevalmoeten worden bekeken.De conclusies uit het hierboven beschrevenonderzoek gelden in principe uiteraard voor deonderzochte mengsels en de gebruikte toeslag-materialen. Zij mogen niet zonder meer wordengeëxtrapoleerd naar andere graderingen of (gebroken)korrelvormen.De conclusies moeten worden gezien als een tendens,een verwachtingspatroon, waarmee u als gebruikerrekening kunt houden wanneer u besluit fijnzand tegaan toepassen.Betontechnèloglsche aspecten bij het gebruik vanfijnzand in beton, februari 1996, PublicatiereeksGrondstoffen 1996/0I, Bouwdienst Rijkswaterstaat /Dienst Weg- en Waterbouwkunde, rapport nr. BSW96-09/ W-DWW-96-004Toepassing van fijn(er) zand in beton, PublicatiereeksGrondstoffen 1995/13, Bouwdienst Rijkswaterstaat 1Dienst Weg- en Waterbouwkunde, rapport nr. BSW95-16/W-DWW-95543Betontechnologie (CBI), negende druk BetonPrisma1995, Den Bosch (zie ook vorige druk)NormenNEN 5950 Voorschriften Beton. Technologie(VBT 1995)NEN 5905 Toeslagmaterialen voor beton:zand en grind (1988)ColofonBETONlEK is een praktijkgericht voorlichtingsbladop het gebied van de betontechnologie en verschijnt10 keer per jaar.In de redactie zijnvertegenwoordigd: de Nederlandsecementindustrie, MEBIN, CUR en de BouwdienstRijkswaterstaat.Uitgave: BetonPrismapostbus 3532, 5203 DM 's-HertogenboschRedactie: 073 - 6 40 12 22Abonnementen: 073 - 6 40 12 3IBetonPrisma is een initiatief van de VerenigingNederlandse Cementindustrie (VNC).Daar maak je 't mee.Overname van artikelen en illustraties is toegestaan,onder voorwaarde van bronvermelding.Abonnementsprijzen:Nederland f 27,50Belgiëf 28,50andere landen f 43,-Abonnementen lopen per kalenderjaar en wordenautomatisch verlengd, tenzij voor I decemberschriftelijk wordt opgezegd.ISSN 0166-137x