Oorzaken en preventie van betonschade: Aantasting door vorst en dooizouten

1 Oktober 2019
 

Aantasting door vorst

De aantasting van beton door de opeenvolging van vorst en dooi is hoofdzakelijk te wijten aan de transformatie in ijs van het water dat zich bevindt in de capillairen van de cementsteen of in de granulaten. Door de omzetting in ijs neemt het volume van water met ongeveer 10% toe. Deze volumetoename en de migratie van het nog niet bevroren water in de capillairen veroorzaken een aanzienlijke interne hydraulische druk. Indien de trekspanningen die daardoor ontstaan de treksterkte van het beton overschrijden ontstaat interne schade. De herhaalde opeenvolging van vorst-dooicycli veroorzaakt dan een zeer dicht netwerk van micro- scheurtjes in de oppervlaktelaag van het beton. Dit netwerk ontwikkelt zich min of meer snel tot een afschilferend oppervlak (fig 4.5.1).

Temperatuurdalingen van het beton onder het vriespunt van water zijn des te nadeliger wanneer ze snel en frequent optreden.

fig 4 5 1 2nl

Aantasting door dooizouten

Schade aan beton veroorzaakt door dooizouten (ook smeltmiddelen genoemd) kan verschillende oorzaken hebben :

  • Waterverzadiging aan het oppervlak : de smeltmiddelen doen de sneeuw of het ijs smelten. Er ontstaat dus een laag water op het oppervlak dat het beton verzadigt. Er zijn daardoor geen "expansievaten" meer voor het opvangen van de zwelling wanneer het water opnieuw bevriest.
  • Thermische schok, veroorzaakt door deze middelen, in de bovenste lagen van het materiaal : het zout onttrekt aan het beton de warmte die nodig is om de sneeuw en het ijs te doen smelten. Zij veroorzaken daardoor een bruuske daling van de temperatuur in het betonoppervlak, waardoor hoge spanningen ontstaan tussen de oppervlaktelaag en de daaronder liggende lagen (waarvan de temperatuur niet gedaald is). Dit kan zeer snel leiden tot het afspatten of afschilferen van het oppervlak (fig 4.5.2).
  • Osmotische druk : het water in het beton dat bevriest is eigenlijk een zoutoplossing. Tijdens het bevriezen ontstaat er een scheiding in enerzijds ijs, met een lagere concentratie zout dan het oorspronkelijke water, en anderzijds een meer geconcentreerde zoutoplossing. Er ontstaat dan ook een flux om deze zoutconcentraties opnieuw in evenwicht te brengen. Deze flux veroorzaakt een druk in het materiaal die kan leiden tot scheuren of afschilferingen, afhankelijk van de diepte waarop deze druk plaatsvindt.
  • Bevriezing in lagen : bij een welbepaalde temperatuur bevriezen de bovenste en onderste lagen onder de invloed van de koude. De tussenlaag met de grootste concentratie aan chloorzouten bevriest niet. Indien de temperatuur nog verder daalt, begint ook deze laag te bevriezen. Het bevriezende water heeft geen mogelijkheid meer om vrij uit te zetten en duwt de bovenste laag omhoog.
    schemanl

     

 

De aantasting door dooizouten is gevaarlijker dan deze door vorst alleen, maar is wel beperkter in omvang : alleen de oppervlakken die in contact komen met de dooizouten (direct of meegevoerd) lopen gevaar.

Bijkomende effecten van dooizouten

De meest gebruikte dooizouten zijn calcium- of natriumchloride. Eens opgelost in het gesmolten ijs of de gesmolten sneeuw, dringen deze chloriden binnen in het beton over een diepte die afhankelijk is van de porositeit van het beton. Zodra de chloriden de wapening bereiken, zelfs alleen maar plaatselijk (bijvoorbeeld ter hoogte van een scheur), vormen ze een ernstig risico op corrosie (zie hoofdstuk 4.3).

Bovendien kunnen de zouten alkaliën bevatten. Hiermee dient men rekening te houden bij het beoordelen van het risico op alkali-silica reactie (zie hoofdstuk 4.9).

Gebruik van luchtbelvormers

Wanneer beton bevriest, is de belangrijkste parameter de afstand die het water door de capillairen moet afleggen om een plek te vinden waar het onbelemmerd kan uitzetten.

Het inbrengen van minuscule luchtbellen vermindert deze afstand. Daartoe wordt aan het beton een luchtbelvormer toegevoegd bij het mengen. De doeltreffendheid van luchtbelvormers wordt bepaald door het vermogen om, voor een gegeven volume lucht, vele kleine belletjes te vormen.

De ruimtelijke verdeling van de luchtbellen wordt gekenmerkt door de "afstandsfactor" (ook "spacing factor" genoemd in het Engels). Dit is de gemiddelde halve afstand tussen twee luchtbellen. Een waarde lager dan 200 µm is doorgaans voldoende om het beton vorstbestand te maken. De beoordeling van de verdeling van de luchtbellen en de bepaling van de afstandsfactor gebeurt door beeldanalyse van slijpplaatjes uit het verhard beton (fig 4.5.3. en 4.5.4).

De verhoging van het luchtgehalte veroorzaakt wel een daling van de druksterkte van het beton : elke extra % ingebrachte lucht boven 2% leidt tot een daling van 5% van de druksterkte na 28 dagen.

Deze daling kan opgevangen worden door cement te gebruiken van een hogere sterkteklasse of door de W/C-factor te verminderen. Per percent ingebrachte lucht kan immers ongeveer 5 liter aanmaakwater per m3 beton bespaard worden, zonder negatieve invloed op de verwerkbaarheid.

Bij het aanmaken en verwerken van beton met ingebrachte lucht wordt best bijzondere aandacht geschonken aan volgende punten :

  • precieze dosering van de luchtbelvormende hulpstof (zeer kleine hoeveelheden)
  • consistentie van beton
  • duur en intensiteit van het mengen
  • bij verpompen : type betonpomp en pompdruk
  • verdichtingmethode en -duur (de luchtbellen mogen niet vernietigd worden).

Bovendien moet met behulp van voorafgaande proeven bepaald worden of het beton met ingebrachte lucht geschikt is voor gebruik en moet dit verder worden gecontroleerd tijdens de uitvoering.

 

fig 4 5 3 4nl

Samenstelling van beton dat blootgesteld is aan vorst en dooizouten

Preventieve maatregelen

Het basisprincipe voor beton dat bestand moet zijn tegen vorst, is het volgende : het beton bezit voldoende mechanische sterkte, is voldoende dicht om te verhinderen dat er water binnendringt, en heeft een fijn verdeeld netwerk van luchtbellen. In de praktijk betekent dit :

  • hoog cementgehalte
  • lage W/C
  • ingebrachte lucht (luchtbelvormer)
  • gebruik van vorstbestendige granulaten.

De minimale eisen voor de betonsamenstelling worden opgelegd door de norm NBN B15-001 (omgevingsklassen EE2, EE3 of EE4 ; in zeeomgeving ES2 of ES4). Het gebruik van luchtbelvormer dient expliciet voorgeschreven te worden.

Om beton te bekomen dat bestand is tegen dooizouten moet de huid van het beton, die als eerste aangetast zal worden door de zouten, met zorg behandeld worden. Dit wil zeggen :

  • bijzondere aandacht voor nabehandeling
  • bleeding en afscheiding van cementpap vermijden.

Voor de afwerking van betonoppervlakken onderworpen aan dooizouten worden best de aanbevelingen van hoofdstuk 3.1 gevolgd (bv. borstelen). Minder belaste oppervlakken kunnen gespaand worden om de betonhuid goed te sluiten. Een te intensieve bewerking (bv. polieren) moet vermeden worden omdat deze cementpap naar het oppervlak brengt.


Wegenbeton

Het spreekt voor zich dat de weerstand tegen vorst en dooizouten van het grootste belang is voor betonwegen. Daarom voorzien de standaardbestekken van de regionale wegenadministraties (Standaardbestek 250 in Vlaanderen, Qualiroutes in Wallonië en Typebestek van het Brussels Hoofdstedelijk Gewest) bijkomende eisen voor de samenstelling en de prestaties van het verhard beton, met name voor wat de wateropslorping en de afschilfering betreft.

Nazicht door proeven

De weerstand van beton tegen vorst kan worden nagegaan via de proef voor "interne vorst" (CEN/TR 15177, fig 4.5.6) en de "afschilferingsproef" in aanwezigheid van dooizout (CEN/TS 12390-9, fig 4.5.7). De bepaling van de wateropslorping door onderdompeling (WAI, voor "Water Absorption by Immersion" volgens NBN B15-215) is een goede algemene indicator van de duurzaamheid.

fig 4 5 5nl
fig 4 5 6nl
fig 4 5 7nl