TOEVOEGING VAN SYNTHETISCH GEPRODUCEERD CALCIUMSILICA AT- HYDR A AT VERSNELT HYDR ATATIE Het verharden van beton kan met toepassing van versnellers worden bespoedigd. Dit heeft een aantal aantrekkelijke voordelen ten opzichte van conventio- nele methoden, zoals toepassing van snelverhardend cement of het verwarmen van het betonmengsel. Met name in de prefab-betonindustrie is met versnellers de nodige ervaring opgedaan. VERHARDING VAN BETON versneld met hulpstoen VAKBL AD 2 2022 18 Auteur Meint Baron, Westo Prefab Betonsystemen BV 2-2022_1-versnellers.indd 18 23-06-22 15:26 1 Toepassing van prefab-betonelementen bij Amare in Den Haag; om grip te houden op de bekistingsdruk zijn versnellers toegepast, foto: Pieter van Marion V aak bestaat de wens beton sneller te laten verharden. Dan kan bijvoorbeeld een pasgestorte vloer sneller worden afgewerkt, de bekisting of mal eerder worden verwijderd, de bekistingsdruk worden beperkt of de nabehandelingsduur worden verkort. Zeker in de prefab-betonindustrie is de behoefte aan snelverhardend beton groot. Daarmee kan immers de productie worden geoptimaliseerd en kunnen kosten worden bespaard. Snelverhardend beton kan het ver- schil maken tussen een mal één of twee keer per dag vullen. Om beton snel te laten verharden, wordt als bindmiddel vaak portlandcement CEM I toege- past. Een bekend voorbeeld is het 'kwartje C'. Hiermee wordt bedoeld dat een deel (25%) van het cement wordt ver vangen door een snel portlandcement: CEM I 52,5 R (vroeger: 'port- landcement C'). Dit cement heeft een hoog klinkeraandeel (> 95%) en een hoge jnheid. Omdat in de prefab-betonindustrie veel belang wordt gehecht aan snelle productie, is toepas- sing van portlandcement er gemeengoed. Andere mogelijkheden om de verharding te versnellen, zijn de toepassing van meer cement / een lagere water-cementfactor en het verwarmen van de betonspecie tijdens de productie. Deze maatregelen worden vaak in combinatie met elkaar gebruikt. Niet voor niets is toepassing van versnellers een van de handelingsperspectieven in het Betonakkoord VERSNELLERS Er zijn hulpsto en op de markt waarmee de verhardingstijd op een andere manier kan wor- den beperkt, de zogenoemde versnellers. Er zijn verschillende redenen om dergelijke ver- snellers te gebruiken. Zo kan dankzij een ver- sneller de hoeveelheid cement worden beperkt, in het geval die nodig zou zijn om de verharding te versnellen. Daarnaast kan in plaats van portlandcement, hoogovencement worden toegepast. Dit heeft als belangrijk voordeel een reductie van de CO 2-emissie. Bij de productie van portlandcement komt immers aanzienlijk meer CO 2 vrij dan bij hoogovence- ment. Niet voor niets is toepassing van ver- snellers een van de handelingsperspectieven 19 VAKBL AD 2 2022 BV 2-2022_1-versnellers.indd 19 23-06-22 15:26 in het Betonakkoord. Een bijkomend voordeel van toepassing van hoogovencement is de beperking van kalkuitbloei. Dat komt doordat in het cementsteen bij toepassing van hoog- ovencement minder calciumhydroxide aanwe- zig is, de bron van kalkuitbloei. De calciumhy - droxide wordt bij de reactie van hoogovenslak min of meer als activator gezien van de reactie van het slakdeeltje met water. De calciumhy - droxide wordt chemisch gebonden in het reac - tieproduct van de hoogovenslak. Door toepassing van versnellers kan daarnaast de hoeveelheid warmte die eventueel tijdens de verharding wordt toegevoegd, worden beperkt of zelfs voorkomen. Hiermee kunnen thermische spanningen, verkleuringen, en een grover opper vlak worden beperkt. Door het geforceerd verharden met warmte heb je namelijk geen goede controle over het voor de hydratatie benodigde water. Dit water ver - dampt er als het ware uit, wat kan resulteren in verminderde/onvoldoende hydratatie van het cement. Het gevolg daar van kan zijn dat het opper vlak meer open poriën heeft en poreus wordt. In klimaatkamers is deze vochthuishou- ding weliswaar te regelen, maar dit gaat niet bij stationaire mallen die alleen maar met een zeil worden afgedekt. Net als beperking van portlandcement heeft besparing op toegevoegde warmte uiteraard ook milieuvoordelen. WERKING Bij prefab-betonleverancier Westo is de nodige er varing opgedaan met toepassing van ver - snellers van het type Master X-Seed (produ- 2 Microscoopopname zonder versneller (links) en met versneller (rechts) 3 Invloed van de temperatuur op de sterkteontwikkeling bij toepassing van versneller (bron: Master Builders) 4 Invloed van dosering versneller op sterkteontwikkeling (links) ten opzichte van invloed verlagen water-cementfactor Compressive strength (MPa) 1 hour 6 h 12 h 1 day 3 d 7 d 28 d Curing time Strength development ? Temperature effect / m 3 CEM I 52.5 R) 20 ?C and Master X-Seed 5 ?C and Master X-Seed 60 ?C and Master X-Seed 60 ?C 20 ?C 5 ?C Weighed Maturity (NEN 5970) compressive strength in N/mm² 30 25 20 15 10 5 0 100 Weighed Maturity (RG) in °Ch 1000 WC ratio =0,60 WC ratio =0,40 inuence of wc ratio on strength development 30 25 20 15 10 5 0 100 inuence of dosage of accelerator on strength development Weighed Maturity (NEN 5970) Weighed Maturity (RG) in °Ch compressive strength in N/mm² dos high dos low 1000 De versneller bestaat uit een suspensie van zeer jn, synthetisch geproduceerd CSH met een zeer groot actief oppervlak 20 VAKBL AD 2 2022 BV 2-2022_1-versnellers.indd 20 23-06-22 15:26 5 Invloed van het cementtype op de sterkteontwikkeling bij toepassing van versneller (bron: Master Builders) 6 Warmteontwikkeling bij 13,5 °C bij toepassing van CEM I 52,5R Compressive strength (MPa) 1 hour 6 h 12 h 1 day 3 d 7 d 28 d Curing time Strength development ? Cement effect / m 3 CEM I 52.5 R) CEM II/A - L L 4 2.5 R an d Mas t e r X - S e e d CEM I 52.5 R an d Mas t e r X - S e e d F as t Ce me n t CEM II / A - L 4 2.5 R CEM I 52.5 R cent Master Builders). Deze versnellers wer- ken op basis van calciumsilicaathydraat (CSH). In het normale verhardingsproces van beton met portlandcement is CSH het reactieproduct dat ontstaat bij de reactie van de klinkermine - ralen C 2S en C 3S met water. Dit CSH vormt de ruggengraat van het cementsteen. De snelheid van het reactieproces is onder andere afhan- kelijk van de jnheid van het cement, de water- cementfactor en de temperatuur. Deze facto- ren maken dat de opbouw van de CSH-gel met een bepaalde snelheid kan verlopen. Uit onderzoek blijkt dat zeer jngemalen deeltjes die zich tussen de cementmatrix in bevinden, zich kunnen gedragen als een kiemlocatie en daarmee de snelheid van het reactieproces kunnen vergroten. In traditioneel beton vormt de CSH-gel zich vanuit de verschillende moleculen van de cementkorrels die 'per ongeluk' met elkaar in contact komen. Daarbij vormen de reactiepro- ducten zich voornamelijk op het opper vlak van de cementkorrel, die daardoor wordt omhuld door een laag. Deze laag vertraagt de uitwis - seling van water en de moleculen die vrijko- men uit de klinker, waardoor het verdere ver - hardingsproces steeds langzamer verloopt. Toevoeging van Master X-Seed aan het meng- sel verandert dit beeld. Deze versneller bestaat uit een suspensie van zeer jn, synthe - tisch geproduceerd CSH (met een diameter van enkele nanometers) met een zeer groot actief opper vlak. Deze nestelt zich als gereed CSH-product in het poriewater tussen de cementkorrels. Hierdoor ontstaat een over - maat aan kiemen waardoor de moleculen uit het cement sneller aan het opper vlak van deze CSH-zaden hechten. Dit vermindert de opbouw van de laag reactieproducten rondom de cementkorrels, waardoor de barrière voor de uitwisseling van de cementmoleculen wordt verminderd. Een bijkomende factor is dat de CSH zich op een homogenere manier vormt. De CSH-zaden groeien meer tussen dan aan het opper vlak van de cementkorrels, waardoor de CSH-gel sneller een aansluitende matrix van reactieproducten kan opbouwen. Beide eecten zorgen er voor dat de warmte - ontwikkeling sneller plaatsvindt en dat de groei van de reactieproducten en dus de sterk - teontwikkeling sneller op gang komt (foto 2). GEBRUIK Dankzij versnellers kan de hydratatie vrijwel zonder enige vertraging beginnen ? de dor - mante periode wordt aanzienlijk verkort en is minder temperatuurafhankelijk. Als je een ver - sneller op de juiste manier toepast, kan bij- voorbeeld de periode tot ontkisten bij 20 °C worden beperkt van ongeveer 12 tot 6 uur. Of bij toepassing van een versneller zal het beton bij 20 °C net zo snel verharden als anders bij 60 °C (g. 3). De winst in de sterkteontwikkeling is vooral zichtbaar tot een niveau van 30 N/mm 2 of vooral in de vroege fase, tot 24 uur. Het eect 00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 warmteontwikkeling in °C/hr ! tijd in uren Warmte ontwikkeling (13,5°) CEM I 52,5R ENCI 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0 CEM I 52,5R ENCI blanco CEM I 52,5R ENCI 2% X-seed CEM I 52,5R ENCI 4% X-seed 21 VAKBL AD 2 2022 BV 2-2022_1-versnellers.indd 21 23-06-22 15:26 van een versneller is al zichtbaar na 4 tot 8 uur, terwijl het e ect van het verlagen van de water-cementfactor pas winst geeft na 12 tot 16 uur. Een versneller heeft het meeste e ect bij toepassing van CEM I (bij Westo een stan- daarddosering van 360 kg CEM I per m 3). Met toepassing van CEM IIIA is het e ect bij gelijke doseringen van cement en versneller half zo groot ( g. 5). Uit er varing blijkt dat in de zomer met 5 liter versneller per m 3 voldoende sterkte wordt ver- kregen om binnen 4 tot 6 uur ver volghandelin- gen te kunnen uitvoeren. De eendaagse sterkte neemt bij toepassing van een versnel- ler toe van 30 N/mm 2 naar 50 N/mm 2. In de winter wordt de dosering verhoogd naar 10 liter per m 3. Zoals gezegd kan met toepassing van een ver- sneller de inzet van externe warmtebronnen worden beperkt of kan de hoeveelheid cement worden gereduceerd. Afhankelijk van het type en de producent kan een versneller een bespa- ring op het cementgehalte opleveren van circa 10-15%. OVERIGE EFFECTEN Een versneller heeft dezelfde invloed op de microstructuur als een op een standaard wijze gehydrateerd cement. De toepassing van de in dit artikel beschreven type versneller gaat niet ten koste van de eindsterkte, wat bij warmte- behandeling en andere versnellingstechnolo- gieën vaak wel het geval is. Wel is het zo dat door de snellere warmteontwikkeling bij een versneller er hogere temperatuurgradiënten in het verhardend beton ontstaan, waardoor het scheurrisico wordt vergroot. Wanneer om een hogere snelheid te krijgen de water-cement- factor wordt verlaagd, leidt dit tot een hogere eindsterkte dan bij toepassing van een ver- sneller, hoewel dat e ect niet altijd gunstig is. Een versneller werkt bij alle temperaturen, hoe- wel het e ect het duidelijkst zichtbaar is bij lage betontemperaturen ( g.3). Ook moet je je reali- seren dat de warmteontwikkeling alleen in vol- doende mate kan ontstaan wanneer het beton wordt geïsoleerd. Als dit niet gebeurt, is het gebruik van een versneller minder e ectief. GESCHIK THEIDSONDERZOEK Net als bij andere versnellers is het voor Mas- ter X-Seed noodzakelijk om het e ect en de MEER IN BETONIEK STANDAARD In de tweede helft van 2021komt een Beto- niek Standaard uit (17/11) die geheel is gewijd aan versnellers. Daarin wordt nader ingegaan op achtergronden, werking, regel- geving en verschillende type versnellers. UITDAGINGEN De grootste uitdaging bij de ontwikkeling van Master X-Seed was om synthetisch CSH in een vloeibare suspensie gedurende langere tijd stabiel te houden, zonder samenklontering en e ectiviteitsverlies. Dit is na uitvoerig onder- zoek gelukt. juiste dosering vóór gebruik te onderzoeken met een geschiktheidsonderzoek. Daaruit moet ook blijken dat er geen negatieve invloed is op de sterkteontwikkeling, ontmenging en bleeding. Ook een te sterke terugloop van de verwerking moet worden voorkomen. Bij dit onderzoek moeten dezelfde grondsto en wor- den gebruikt als in de uiteindelijke toepassing. Bij dosering van een versneller moet rekening worden gehouden met een evenredige reduc- tie op het aanmaakwater. Een versneller heeft het meeste e ect wanneer het wordt gedo- seerd nadat het water geheel of gedeeltelijk is toegevoegd aan de overige componenten van de betonspecie. 7 Sandwich gevelelementen waarbij versnellers zijn toegepast om de sterkteontwikkeling te bevorderen, zodat de latere opstortnok dezelfde dag kon worden aangebracht 8 Prefab brugdek met schampkant voor de renovatie van de Waalbrug. Om de nabehandelingsduur te verkorten, zijn versnellers toegepast. Het bindmiddel bestaat volledig uit CEM III/A en het beton heeft een sterkteklasse van C55/67, waarbij tot 70% van de karakteristieke sterkte nabehandeld moet worden. Zonder versneller zou er pas na twee dagen mogen worden ontkist, met versneller na één dag 22 VAKBL AD 2 2022 BV 2-2022_1-versnellers.indd 22 23-06-22 15:27