De bestanddelen van beton: Toevoegsels en toevoegingen

22 Maart 2019
 

Algemeen

Toevoegsels
Cendres volantes, photo prise au microscope électronique à balayage
Fig 1.5.1 Beeld van vliegas onder een electronenmicroscoop
Zoals gezien in het hoofdstuk cement kunnen tijdens de productie ervan bepaalde hoofdbestanddelen een deel Portlandklinker vervangen en zo bijzondere karakteristieken geven aan het cement (verbeterde duurzaamheid, lage hydratatiewarmte …). In de cementfabriek worden ze aan het cement toegevoegd hetzij door gezamenlijke maling hetzij door menging met gemalen klinker. Op die manier wordt niet enkel een precieze en constante dosering gerealiseerd maar ook een homogene verdeling van de bestanddelen in het cement.
 
Van de reeks hoofdbestanddelen in cement kunnen sommigen worden gebruikt als toevoegsel tijdens de productie van beton. Men heeft dan de mogelijkheid om de verhoudingen van het mengsel cement-toevoegsel vrij te kiezen en aan te passen aan de precieze eisen van de samenstelling. Dit voordeel komt echter niet zonder een aantal nadelen. Vooreerst zijn bijkomende silo’s, doseerinstallaties en controles nodig voor de toevoegsels. Vervolgens hebben bepaalde toevoegsels de neiging om klonters te vormen tijdens een lange opslag. Tot slot vergt de homogene menging van de verschillende poeders soms een langere mengtijd.
De norm NBN EN 206 definieert 2 soorten toevoegsels :
  • toevoegsels van het type I (quasi inert)
  • toevoegsels van het type II (latent hydraulisch of puzzolaan).
     
Toevoegsels van het type II mogen in rekening gebracht worden in het bindmiddelgehalte volgens het "k-waarde" concept. De k-waarde is afhankelijk van het type toevoegsel en zijn chemische reactiviteit (tab 1.5.1). 
Andere concepten worden in de norm NBN EN 206 beschreven om rekening te houden met het puzzolaan of latent hydraulisch karakter van bepaalde toevoegsels (zie hoofdstuk 4.11).
 
Toevoegingen
Toevoegingen zijn producten die worden verwerkt in het beton en die geen cement, granulaten, aanmaakwater, hulpstoffen of toevoegsels zijn. Het gaat bijvoorbeeld over vezels, producten die de viscositeit of de thixotropie verhogen, kleurstoffen … Voor toevoegingen mag het k-waarde concept niet worden toegepast.
 

Eigenschappen van reactieve toevoegsels

Vliegas
De eigenschappen en voordelen van vliegas werden besproken in hoofdstuk 1.1.
De eisen met betrekking tot vliegas voor beton worden bepaald in de norm NBN EN 450-1. Vliegas kan worden gebruikt als een toevoegsel type II. De k-waarde is afhankelijk van het gebruikte cement en varieert van 0 tot 0,4.
 
Gemalen hoogovenslak
De eigenschappen en voordelen van hoogovenslak werden besproken in hoofdstuk 1.1. De eisen met betrekking tot gemalen hoogovenslak voor beton worden bepaald in de norm NBN EN 15167-1. Gemalen hoogovenslak kan worden gebruikt als een toevoegsel type II met een k-waarde op voorwaarde dat deze beschikt over een technische goedkeuring ATG volgens de regels gedefinieerd in de goedkeuringsleidraad "Gemalen hoogovenslak - LMA". Het gebruik van gemalen hoogovenslak is beperkt tot beton op basis van CEM I van klasse 42,5 of hoger.
 
In rekening brengen van toevoegsels type II volgens NBN EN 206 en NBN B15-001
Tab 1.5.1 In rekening brengen van toevoegsels type II volgens NBN EN 206 en NBN B15-001

 

Silica fume 
Door zijn extreme fijnheid en hoog siliciumgehalte beschikt silica fume (ook "micro-silica" of "silicarook" genoemd) over een zeer hoge puzzolane activiteitsindex. De k-coëfficiënt is 1 of 2, afhankelijk van het geval (zie NBN EN 206). Silica fume moet voldoen aan de eisen van de norm  NBN EN 13263-1.
 
Omdat silica fume ongeveer 100 maal fijner is dan cement, kan de dosering of de homogeniteit bij het aanmaken van beton problemen opleveren. 
 
Silica fume is beschikbaar in de volgende twee vormen  :
  • in poedervorm : vraagt een langere mengtijd
  • in watersuspensie : eenvoudig te doseren (opgelet voor vorst en sedimentatie tijdens de opslag)

Een dosering van 5 à 10% silica fume (in verhouding tot het cementgewicht) geeft een aanzienlijke verbetering van bepaalde eigenschappen van het beton : 
  • verhoging van de cohesie en het watervasthoudend vermogen van vers beton en dus een vermindering van het risico op ontmenging  
  •  voor spuitbeton : belangrijke vermindering van de "rebound" (terugkaatsen van granulaten tijdens het spuiten)
  • sterke vermindering van de porositeit van de cementsteen met als gevolg een aanzienlijke toename van de duurzaamheid  
  •  aanzienlijke toename van de druksterkte. De toevoeging van silica fume laat toe hogesterktebeton te vervaardigen.
 

Eigenschappen van inerte toevoegsels

Pigments minéraux utilisés pour colorer le béton
Fig 1.5.2 Minerale kleurstoffen voor gebruik in beton
Kalksteen- en siliciumhoudende vulstoffen
Deze inerte toevoegsels, ook "fillers" of "vulstoffen" genoemd, kunnen de korrelopbouw van het beton verbeteren wanneer zand met weinig fijne deeltjes wordt gebruikt en geen correctiezand beschikbaar is. 
 
Ze worden ook gebruikt om zelfverdichtend beton te maken, meer bepaald om de hoeveelheid cementpasta van het beton zodanig te verhogen dat het beton zonder trillen kan geplaatst worden. 
 
Vulstoffen voor beton moeten voldoen aan de norm NBN EN 12620 en behoren tot de toevoegsels type I.

 

Eigenschappen van minerale kleurstoffen

Pavés en béton coloré
Fig 1.5.3 Gekleurde betonstraatstenen
Minerale kleurstoffen (fig 1.5.2) of pigmenten worden gebruikt om beton en mortel te kleuren (fig 1.5.3). In de praktijk voldoen alleen pigmenten op basis van oxiden aan de eisen qua korrelgrootte en stabiliteit. De eisen met betrekking tot kleurstoffen voor beton zijn vastgelegd in de norm NBN EN 12878.
 
Kleurstoffen hebben geen chemisch effect op het beton, maar door hun hoge waterbehoefte moet in het algemeen de water-cement-factor (W/C) worden verhoogd of moet gelijktijdig een superplastificeerder worden gebruikt.
De kleurstofdosering wordt in de regel bepaald door de intensiteit van de gewenste kleur (enkele procenten in verhouding tot het cementgewicht), maar de normale en maximale doseringen worden ook opgegeven in de productdocumentatie van de producenten.
 
Om contaminatie te vermijden moeten de menger, transportvoertuigen, overslaginrichtingen en alle gereedschappen voor en na het aanmaken van gekleurd beton zorgvuldig worden gereinigd. Met de tijd gaat de kleurintensiteit van gekleurd beton onvermijdelijk verminderen, zelfs met de beste kleurstoffen.
 

De realisatie van betonconstructies of -elementen in gekleurd beton vergt een zekere ervaring en een bijzondere aandacht voor : 

  • een perfect homogene menging van het beton
  • het gebruik van zand met een lichte kleur
  • het gebruik van helder of wit cement
  • een precieze dosering van de kleurstof

zijn maar enkele van de onmisbare basisvoorwaarden om zichtbeton in een heldere en gelijkmatige kleur te bekomen. De kleur van de grove granulaten speelt daarentegen maar een beperkte rol.

 

Eigenschappen van vezels

Fibres métalliques longues
Fig 1.5.4 a Lange staalvezels
Inleiding
Vezels van verschillende aard en vorm kunnen aan beton toegevoegd worden. Men maakt onderscheid tussen constructieve vezels (gebruikt als wapening, die het beton een bepaalde sterkte-na-scheurvorming en een verhoogde vervormingscapaciteit geven) en vezels voor andere toepassingen (bv. weerstand tegen brand, beperking van de plastische krimp). 
 
De vezels worden bij voorkeur in de betoncentrale toegevoegd voor een goede verdeling en oriëntatie. Hoofdstuk 3.3 beschrijft meer in detail de kenmerken van vezelversterkt beton.
 
Fibres métalliques courte
Fig 1.5.4 b Korte staalvezels
Staalvezels
Indien staalvezels (fig 1.5.4 a en b) goed verdeeld zijn, verbeteren ze bepaalde mechanische eigenschappen van het beton, in het bijzonder het nascheurgedrag. Het gebruik ervan vergt enige specialistische kennis, aangezien de doeltreffendheid van de staalvezels afhankelijk is van hun lengte, hun diameter en hun vorm, die gekozen moeten worden in functie van de voorziene toepassing. De dosering ervan schommelt meestal tussen 20 en 70 kg per m³ beton, maar kan eventueel tot 150 kg/m³  oplopen. Voor hoge doseringen is het nodig om bij het mengen over een aangepaste toevoerinstallatie te beschikken teneinde een homogene verdeling te garanderen zonder gevaar voor "vezelnesten". Het gebruik van staalvezels vraagt in het algemeen een hogere cement- en zanddosering en leidt tot een verlies van verwerkbaarheid

Kunststofvezels De verschillende soorten kunststofvezels (of synthetische vezels, fig 1.5.4 c en d) onderscheiden zich door hun chemische samenstelling en de eigenschappen die er uit voortvloeien. 

Zij worden bij voorkeur gebruikt voor de volgende toepassingen :

  • beperking van de scheurvorming door vroegtijdige uitdroging/krimp
  • beperking van de "rebound" bij spuitbeton
  • verhoging van de brandweerstand bij hoge- of ultrahogesterktebeton
  • verhoging van de druksterkte van jong beton
  • verbetering van het watervasthoudend vermogen.
Polypropyleenvezels (PP) worden gebruikt om scheurvorming door vroegtijdige krimp te beperken. Zij verhogen het watervasthoudend vermogen en zijn in staat scheurvorming van de cementsteen van jong beton te vermijden of de scheuropeningen te beperken. 
 
Hun smeltpunt situeert zich om en bij 165°C. Daardoor worden ze ook gebruikt om de weerstand bij brand van hoge- of ultrahogesterktebeton te verhogen. Ingeval van brand wordt een netwerk van fijne poriën gevormd die de druk van de gevormde waterdamp vermindert. Op die manier wordt afspatten van het beton vermeden. 
 
Fibres polypropylènes courte
Fig 1.5.4 c Korte polypropyleenvezels
Polypropyleenvezels worden gedoseerd tussen 0,5 en 1 kg/m³ om scheurvorming te vermijden en tussen 2 en 4 kg/m³ voor de verbetering van de brandweerstand.
Polyethyleenvezels (PE) worden toegepast als structurele wapening dankzij hun goede mechanische eigenschappen. Door hun hoge kostprijs worden ze echter weinig gebruikt. 
 
Polyvinyl-alcohol vezels (PVA) werden in sommige toepassingen gebruikt om asbestvezels te vervangen. Hun goede mechanische eigenschappen worden voornamelijk gebruikt om de (buig-)treksterkte van beton te verbeteren.
 
Koolstofvezels
Koolstofvezels presteren beduidend beter dan staalvezels op het vlak van treksterkte en elasticiteitsmodulus. Hun productie is echter bewerkelijk en duur.
 
Fibres polypropylènes longue
Fig 1.5.4 d Lange polypropyleenvezels
Glasvezels
Glasvezels bereiken hoge treksterktes (1 500 à 4 000 N/mm²) en een elasticiteitsmodulus die 2 à 3 maal groter is dan deze van beton. 
 
Gewoon glas is echter niet bestand tegen het alkalisch milieu van beton. Door de toevoeging van zirconiumdioxyde en een speciale coating is het mogelijk om de alkali-weerstand van glasvezels te verhogen zodat ze hun eigenschappen in beton ook op lange termijn behouden. Hun gevoeligheid ten aanzien van beschadigingen van het oppervlak bv. tijdens de menging, kan deze weerstand evenwel in het gedrang brengen. Afhankelijk van de toepassing gebruikt men tussen 0,5 en 15 kg/m³ glasvezel.