De bestanddelen van beton: Hulpstoffen

21 Maart 2019
 

Definitie en classificatie

Het gebruik van hulpstoffen komt tegemoet aan technische en economische overwegingen. Bepaalde prestaties van vers beton en verhard beton kunnen alleen bereikt worden met behulp van hulpstoffen. Door hulpstoffen te gebruiken kunnen de kosten voor mankracht, grondstoffen en mengenergie beperkt worden. Door de verwerkbaarheid van het beton te verbeteren laten hulpstoffen toe eenvoudigere verwerkingsmethodes toe te passen op de werf. 
Het is echter nuttig om via voorafgaande proeven de doeltreffendheid van de hulpstoffen na te gaan.De conformiteit van hulpstoffen voor beton wordt behandeld in de norm NBN EN 934-2.

Hulpstoffen bestaan uit organische, synthetische of natuurlijke moleculen en wateroplosbare zouten. Ze worden aan het beton toegevoegd tijdens het mengen. Door hun chemische of fysische werking veranderen deze stoffen bepaalde eigenschappen van vers of verhard beton, zoals bijvoorbeeld de verwerkbaarheid, de binding, de verharding of de vorstbestandheid

 

Classificatie van hulpstoffen

Synthese van de belangrijk- ste effecten van hulpstoffen
Tab 1.4.1 Synthese van de belangrijk- ste effecten van hulpstoffen

Dosering

In het algemeen worden hulpstoffen in kleine hoeveelheden en in vloeibare vorm toegevoegd tijdens het mengen. Het gewichtspercentage ligt doorgaans tussen 0,2 en 2% van de massa cement. De dosering moet in elk geval volgens de richtlijnen van de fabrikant gebeuren. De hoeveelheid water die via de hulpstof aan het betonmengsel wordt toegevoegd moet in rekening gebracht worden voor de W/C-factor. De gebruikte doseersystemen (weegcellen in geval van gewichtsmatige dosering, pompen en debietmeters in geval van volumetrische dosering) moeten aangepast zijn aan de voorziene doseringen en aan de viscositeit van de hulpstof. Het is immers van het grootste belang dat de hulpstof zeer precies kan gedoseerd worden. Onder-doseringen leiden zeer snel tot een verlies van het gezochte effect ; over-doseringen kunnen ongewenste effecten veroorzaken zoals bindingsvertraging, segregatie, overmatige luchtinbreng met bijhorend verlies van druksterkte.

Belangrijkste soorten hulpstoffen

Plastificeerders en superplastificeerders
Dit zijn veruit de meest gebruikte hulpstoffen voor beton. De plastificeerders zijn minder performant omdat ze minder geconcentreerd zijn of afkomstig zijn van hout- of maïsderivaten. De krachtiger superplastificeerders bestaan uit kunstmatige (gesynthetiseerde) moleculen. De toeleveranciers van hulpstoffen richten hun onderzoeks-inspanningen vooral op deze laatste categorie: na de "melamines" (PMS) en de "naftalenen" (PNS), hebben nu de "polycarboxylaten" (PCP) en "polycarboxylaat-ethers" (PCE) nieuwe mogelijkheden gecreeerd voor de verwerking van beton. Hun gebruik dient steeds vergezeld toe worden van een juiste hoeveelheid fijne deeltjes in het beton. De werkingswijze van deze hulpstoffen kan als volgt worden beschreven (fig 1.4.1) :
  • Bij een constante W/C-factor verbeteren superplastificeerders de verwerkbaarheid van het beton (A). Deze werking is vooral van belang voor de verlenging van de verwerkingstijd of om te betonneren bij warm weer. Het gebruiksgemak en dus ook de kwaliteit van het werk worden sterk verbeterd wanneer superplastificeerders op deze manier worden gebruikt.
  • Bij eenzelfde verwerkbaarheid laten superplastificeerders toe om het aanmaakwater te verminderen en dus ook de W/C-factor (B). Met plastificeerders kan deze met tenminste 5% worden verminderd en met superplastificeerders met tenminste 12%. Het gevolg hiervan is een toename van de sterkte, de dichtheid en de duurzaamheid van het beton. Zowat alle eigenschappen van beton worden verbeterd wanneer superplastificeerders worden gebruikt om de hoeveelheid water te verminderen.
  • In de praktijk wordt meestal een gecombineerde werking (C) toegepast, min of meer uitgesproken in de eerste of tweede zin.

 

Effect van een superplastificeerder
Fig 1.4.1 Effect van een superplastificeerder
Superplastificeerders zijn vooral van belang om de factoren kost, verwerkbaarheid en kenmerken van het beton te optimaliseren. Ze zijn onmisbaar geworden voor de realisatie van gewone betons en meer nog voor hogesterktebeton en zelfverdichtend beton. 
 
Als neveneffecten van superplastificeerders moet de bindingsvertraging die optreedt bij een te hoge dosering vermeld worden alsook de moeilijkheid het luchtgehalte te regelen bij gebruik van luchtbelvormers. Een hoge dosering aan superplastificeerder kan ook leiden tot een belangrijke en ongewenste verhoging van de viscositeit van het beton.
 
Het is erg belangrijk om de compatibiliteit tussen de gebruikte cementen (en in mindere mate de granulaten) en de hulpstoffen na te gaan, vooral bij een hoge dosering of wanneer verschillende hulpstoffen gelijktijdig worden gebruikt.
 
Tot slot is het belangrijk om de werkingsduur van superplastificeerders goed te kennen. Deze vermindert normaal gezien wanneer de temperatuur stijgt. Bij het stortklaar beton is het in België gebruikelijk om de superplastificeerder (gedeeltelijk) te doseren bij aankomst op de bouwplaats. In dat geval dient de precisie van het doseersysteem op de truckmixer bewaakt te worden, net zoals het respect van de mengtijd na toevoeging van de hulpstof (1 minuut/m³).
 

Versnellers

Versnellers, soms onterecht antivriesmiddelen genoemd, zorgen voor een vroeger begin van de binding waardoor de hydratatiewarmte van het cement sneller vrijkomt. De meeste versnellers versnellen ook de verharding van het beton.
 
Ze laten dus toe om het beton sneller te ontkisten, te belasten of bloot te stellen aan vorst. Het effect van versnellers is sterk afhankelijk van hun chemische samenstelling en die van het gebruikte cement. De allereerste versnellers, op basis van chloriden, worden vandaag alleen nog gebruikt in ongewapend beton omwille van hun corrosieve inwerking op de wapening.
 
Aangezien hun effect moeilijk te beheersen is, worden versnellers alleen nog gebruikt in bijzondere gevallen :   
  • spuitbeton
  • betonstorten bij koud weer
  • zeer korte ontkistingtijden
  • betonstorten in contact met stromend water
  • verankeringen
  • herstelwerken
  • afdichten van waterinfiltraties en waterlekken.
 
Vertragers
Deze hulpstoffen vertragen het begin van de binding van het cement en verlengen daardoor de verwerkingsduur van het beton. Vertragers worden vooral toegepast in de volgende gevallen : 
  • betonneren bij warm weer
  • vervoer over lange afstanden
  • betonneren van grote volumes of grote oppervlakken
  • vermijden van stortnaden bij geplande stortonderbrekingen (geen discontinuïteit tussen de stortfasen)
  • spreiding in de tijd van het vrijkomen van hydratatiewarmte in massief beton.

 

Beton met vertrager verhardt minder snel op jonge leeftijd maar de druksterkte na 28 dagen is doorgaans hoger dan bij beton zonder vertrager. Omwille van de vertraagde verharding in de aanvangsfase moet bijzondere aandacht worden besteed aan de nabehandeling.
 
Omdat het beoogde effect sterk afhangt van het soort vertrager, maar ook van het gebruikte cement en de omgevingstemperatuur, moeten er altijd voorafgaande proeven worden uitgevoerd bij verschillende temperaturen.
 
Luchtbelvormers
de luchtbellen vervullen de rol van expansievat
Fig 1.4.2 De luchtbellen vervullen de rol van expansievat
Luchtbelvormers zorgen voor een dicht netwerk van stabiele micro-luchtbellen in beton. Op die manier wordt de bestandheid van het beton tegen vorst en dooizouten sterk verbeterd (zie hoofdstuk 4.5). Het beton is daardoor ook beter verwerkbaar. Een ongewenst effect van luchtbelvormers is het verlies aan druksterkte.

De luchtbellen die in het vers beton worden ingebracht, blijven ook aanwezig in het verhard beton. Bij vorst nemen ze een deel van het water op dat in beweging wordt gezet in de capillairen. Het risico dat het beton gaat afschilferen door de druk van het ijs, wordt daardoor verminderd (fig 1.4.2). De micro-luchtbellen onderbreken daarnaast de continuïteit van de capillairen in het beton en beperken zo het wateropslorpingsvermogen.
 
In de meeste gevallen volstaat een zeer kleine hoeveelheid hulpstof voor het gewenste luchtgehalte. Het luchtgehalte hangt niet alleen af van de soort en de dosering van de hulpstof, maar ook van een ganse reeks andere factoren : cementsoort, aard en korrelverdeling van het zand, consistentie, temperatuur, intensiteit en duur van het mengen, transporttijd, ... De compatibiliteit van nieuwe betonmengsels moet zeker worden gecontroleerd aan de hand van geschiktheidsproeven.
 

Praktische regel

1% ingebrachte lucht in het beton stemt overeen met een vermindering van de hoeveelheid aan- maakwater met ongeveer 5 liter per m³ en heeft hetzelfde effect op de verwerkbaarheid als 10 tot 15 kg fijne deeltjes.
1% ingebrachte lucht boven de 2% stemt overeen met een vermindering van ongeveer 5% van de druksterkte na 28 dagen.
Local à adjuvants d'une centrale à béton
Fig 1.4.3 Lokaal voor de opslag van hulpstoffen

 

Algemene regels voor het gebruik van hulpstoffenAlhoewel hulpstoffen toelaten om interessante eigenschappen te bekomen, mag men nooit uit het oog verliezen dat ze het systeem cement-water-granulaten complexer maken. Daarom vereist het gebruik van hulpstoffen extra aandacht van de betrokkenen :

  • De combinatie van bepaalde hulpstoffen kan ongewenste reacties veroorzaken (het risico neemt bovendien toe bij gebruik van hulpstoffen van verschillende fabrikanten).
  • Behalve wanneer anders opgegeven, moeten hulpstoffen in de menger worden toegevoegd na het aanmaakwater, wanneer het mengsel reeds voldoende bevochtigd is.
  • De opslag van hulpstoffen dient te gebeuren in een lokaal dat beschermd is tegen vorst en zonne- straling. De gebruiksdatum dient gerespecteerd te worden en hulpstoffen waarbij ontmenging is opgetreden mogen niet meer gebruikt worden.

Samenvatting

Synthese van het effect van hulpstoffen
Tab 1.4.2 Synthese van het effect van hulpstoffen