Oorzaken en preventie van betonschade : Ontmenging / Krimp en scheurvorming

19 Augustus 2019
 

Ontmenging

Vormen van ontmenging

Ontmenging (of segregatie) is een scheiding van de bestanddelen van vers beton die kan optreden telkens wanneer het beton wordt vervoerd of in beweging wordt gebracht (overslag, verpompen, storten, verdich-ten) of gewoon onder invloed van de zwaartekracht wanneer het beton in rust is.

Ontmenging heeft altijd belangrijke gevolgen voor het uitzicht van het beton en heel dikwijls ook voor zijn sterkte en duurzaamheid. De ontmenging kan het ge-volg zijn van de scheiding van :

  • de verschillende fracties van de granulaten
  • de granulaten en de cementpasta
  • de fijne deeltjes en het aanmaakwater.

De meest voorkomende vormen van ontmenging zijn :

  • "grindnesten" : plaatselijke concentraties van grove granulaten (fig 4.1.1)
  • "zandlopers" : over tollig of afgescheiden water dat tijdens de verdichting opstijgt langs de verticale bekistingswanden (fig 4.1.2)
  • "bleeding" (of uitzweten) : accumulatie van overtollig of afgescheiden water op de horizontale oppervlakken van het beton. Dit leidt tot onregelmatige, stofferige of poreuze oppervlakken (fig 4.1.3)
  • "micro-ontmenging" van cement en/of fijne deeltjes : deze zijn doorgaans meer hinderlijk voor het oog dan voor de kwaliteit (fig 4.1.4).

Oorzaken

De belangrijkste oorzaken van de verschillende soorten ontmenging zijn :

  • te vloeibaar beton
  • te hoge dosering plastificeerder of superplastifi-ceerder
  • foutieve verwerking van het beton (overdreven trillen, geen stortbuis voor grote hoogtes, stor-ten van beton tegen een verticale bekisting (fig 2.7.2))
  • onaangepaste betonsamenstelling (slechte ver-houding van de granulaatfracties, onvoldoende fijne deeltjes, te hoog watergehalte)
  • te grote maximale korreldiameter ten opzichte van de afmetingen van het te betonneren ele-ment en de betondekking (fig 2.1.3)
  • te korte mengtijd slechte dichting van de bekistingnaden, verlies van cementmelk (filtereffect) te dichte wapening (zeefeffect).
1nl

Krimp en scheurvorming

Algemeen

Het is erg moeilijk om scheuren te voorkomen in het materiaal beton. De treksterkte van beton is immers erg laag in vergelijking met de druksterkte. Uit voor-zichtigheid leggen de normen voor de berekening van betonconstructies in de meeste gevallen op dat er geen rekening gehouden mag worden met de treksterkte. Het is dan ook onvermijdelijk dat er scheuren ontstaan vanaf het ogenblik dat de trekspanningen in het beton de waarde van de treksterkte (2 à 3 N/mm2 voor nor-maal beton) bereiken of overschrijden.

Deze trekspanningen en het risico op scheurvorming dat daaruit voortvloeit, kunnen het gevolg zijn van één of meer van de volgende factoren :

krimp van het beton

zettingen van de funderingen

temperatuurseffecten

belastingen (eigengewicht, verkeer, ...)

vorst

chemische reacties (wapeningscorrosie, alkali-silica reactie, sulfaataantasting ...).

Scheuren hebben zelden een nadelige invloed op de stabiliteit van een constructie, op voorwaarde dat ze beperkt blijven dankzij de hulp van aangepaste maat-regelen.

Echter, naast de negatieve weerslag op het uitzicht van het betonoppervlak, kunnen scheuren toch nadelig zijn voor de duurzaamheid van de constructie : agressieve stoffen kunnen via de scheuren gemakkelijker het be-ton binnendringen en zo het beton en de wapening aantasten.

Dankzij bepaalde maatregelen is het evenwel moge-lijk om het risico en de omvang van de scheurvorming sterk te verminderen of zelfs helemaal te voorkomen. Afhankelijk van de oorzaak van de scheurvorming kun-nen min of meer doeltreffende maatregelen genomen worden op het vlak van :

het ontwerp, de dimensionering en de constructieve schikkingen van het bouwwerk

de keuze van de constructie- en betonneerfasen

de samenstelling en de nabehandeling van het beton.

2nl

Ontwerp, dimensionering en constructieve schikkingen van het bouwwerk

De keuze van het statisch systeem, het aantal en de plaats van de voegen hebben een grote invloed op de trekspanningen die worden opgewekt in het beton door krimp, kruip of de vervormingen ten gevolge van de belastingen.

De toepassing van voorspanning kan scheurvorming voorkomen doordat de drukspanningen, opgewekt door de voorspanning, de trekspanningen compense-ren.

Het voorzien van een (minimale) passieve wapening (volgens de normen) voorkomt in geen geval het optre-den van scheuren, maar laat wel toe de scheuropening te beperken tot een aanvaardbaar niveau, dat afhan-kelijk is van de hoeveelheid gebruikte wapening. De normen voor de dimensionering van betonconstructies (Eurocode 2) laten toe de minimale passieve wapening te ontwerpen in functie van de toegelaten scheurope-ning (doorgaans 0,3 mm).

Scheurvorming van beton is vaak ook het gevolg van weinig doordachte of zelfs foutieve keuzes met be-trekking tot het ontwerp, de dimensionering of de con-structieve schikkingen, bijvoorbeeld :

  • onvoldoende draagvermogen
  • verkeerde schikking van de wapeningen
  • slechte plaatsing of afwezigheid van voegen (fig 4.2.1)
  • optreden van onverwachte of uitzonderlijk hoge spanningen door de keuze van het draagsysteem, zetting van de funderingen of bodemverzakkingen.

Constructie- en betonneerfasen

3nl

Voor constructies die niet door voegen onderbroken kunnen worden, speelt de keuze van de constructie- en betonneerfasen eveneens een rol in het beheersen van het scheurrisico.

De krimp van het beton verloopt niet lineair in de tijd, maar neemt sterk toe in het begin en vermindert ver-volgens in de loop van de tijd. Daarom is het raadzaam om de verschillende betonneerfasen van een door-lopende betonconstructie met een minimum aan tus-sentijd te laten verlopen om de nadelige gevolgen van de differentiële krimp tussen de fasen zo veel mogelijk te beperken. Dit is typisch het geval voor het storten van wanden op een vooraf gestorte funderingsplaat, waar de differentiële krimp (groter voor de wand dan voor de vloer die reeds een deel van zijn krimp heeft ondergaan), verhinderd door de vloerplaat, doorgaande scheuren kan veroorzaken (fig 4.2.2)

Het is voorts aangewezen om de betonneerfasen van wanden met een zekere lengte te verzorgen (fig 4.2.3 boven).

Voor omvangrijke werken kan het risico op scheur vor-ming aanzienlijk worden beperkt door smalle stroken of "sluitmoten" niet te betonneren en deze te laten wer-ken als tijdelijke krimpvoegen door ze pas nadien – in-dien mogelijk zelfs maanden later – dicht te betonneren (fig 4.2.3 onder en 4.2.4).

 

 

 

 

 

4nl
5nl

 

Samenstelling en nabehandeling van het beton

De samenstelling van het beton en de nabehandeling hebben een zeer grote invloed op de krimpvervormin-gen en bijgevolg op het risico op scheurvorming. De verschillende soorten krimp en de bijhorende preven-tieve maatregelen worden hierna behandeld.

Het is belangrijk om het onderscheid te maken tussen de verschillende soorten krimp en de gevolgen ervan (type scheuren en het tijdstip waarop ze verschijnen), om voor elk geval de juiste preventieve maatregelen te kunnen nemen (tab 4.2.1).

Soorten krimp

In het algemeen beschouwt men als krimp de vermin-dering van het volume van beton, veroorzaakt door de zetting van vers beton (krimp door plastische zetting), het verlies van water uit het beton (plastische krimp en drogingskrimp), de hydratatie van cement (endogene krimp) of nog als gevolg van thermische fenomenen (thermische krimp).

 

6nl

Plastische zetting

7nl

De zetting (of zakking) van vers beton wordt veroorzaakt door de bezinking van vaste deeltjes en de gelijktijdige opstijging van water naar het oppervlak onder invloed van verschillen in volumieke massa (zie hoofdstuk 4.1). Dergelijk fenomeen doet zich voor direct na de plaatsing en de verdichting van het beton en voor de binding van het cement.

In het slechtste geval kan de zetting tot 1% van de hoogte van het constructie-element bedragen. Het nog jonge be-ton dat nauwelijks enige stijfheid bezit kan scheuren ter hoogte van wijzigingen in de dikte of de geometrie van het element of ter hoogte van de wapeningen, zeker als de betondekking klein is (fig 4.2.5).

Preventieve maatregelen

Scheurvorming door de zetting van vers beton kan worden vermeden of beperkt door volgende maat-regelen :

  • kiezen voor een lagere consistentie van het vers beton
  • de hoeveelheid aanmaakwater verminderen
  • het gehalte aan fijne deeltjes verhogen en/of een fijner cement gebruiken om het watervast-houdend vermogen te vergroten en bleeding te verminderen
  • (half-)gebroken grof granulaat gebruiken
  • omvangrijke elementen traag betonneren of in verschillende lagen (nat in nat)

Dergelijke scheuren in het vers beton kunnen terug gesloten worden door een bijkomende (latere) ver-dichting en afwerking, die echter op het goede mo-ment d.w.z. voor het begin van de binding dient uitge-voerd te worden.

 

Plastische krimp

Plastische krimp, ook capillaire krimp of vroegtijdige krimp genoemd (omdat deze optreedt vóór het einde van de binding) is te wijten aan het snelle verlies van water, onmiddellijk na het storten van het beton.

Dit waterverlies is te wijten aan een buitensporige ver-damping of aan een sterke opslorping door de bekisting of de ondergrond. Daaruit volgt een aanzienlijke krimp (tot wel 4 mm/m in extreme gevallen) in de lagen waar het waterverlies groot is, terwijl de rest van het beton minder getroffen wordt. Daardoor ontwikkelen zich interne trekspanningen tussen de lagen die onderwor-pen zijn aan deze krimpverschillen. Als deze spannin-gen de treksterkte van het beton (die in het nog jonge beton zéér laag is) overschrijden, ontstaan er scheuren van enkele centimeter diepte, dus meestal niet door-gaand, die tot 1 mm of meer breed kunnen zijn.

Horizontale elementen (funderingsplaten, vloeren, ver-hardingen, druklagen, ...) zijn het meest gevoelig aan plastische krimp (fig 4.2.6).

Het risico op plastische krimpscheuren is des te groter naarmate de kwaliteit van het beton toeneemt door de keuze van een lage W/C-factor : hoe minder water het beton bevat, hoe gevoeliger het is aan vroegtijdige uit-droging.

Naast esthetische schade kunnen plastische krimp-scheuren ook leiden tot andere betonschade, bijvoor-beeld door waterinsijpeling gevolgd door vorst.

Het verlies van water kan bovendien een goede hydra-tatie van het cement verhinderen. Het betonoppervlak zal dan minder sterkte en een hoge porositeit hebben. In ongunstige omstandigheden zal dergelijk beton wei-nig voldoening geven : waterinfiltratie, loskomen van grove granulaten, stoffig oppervlak en afschilferingen.

Tijdens het polieren van het beton worden eventuele plastische krimpscheuren aan het oppervlak dichtge-wreven, hetgeen op esthetisch vlak voldoening geeft. In de diepte blijven de scheuren echter bestaan en vor-men ze vaak de aanzet voor latere scheurvorming bv. door drogingskrimp

Preventieve maatregelen

De volgende maatregelen laten toe om plastische krimpscheuren te voorkomen :

  • Het beton onmiddellijk na het storten nabe-handelen, zoals beschreven in hoofdstuk 2.8, om de verdamping maximaal te beperken.
  • Wateropslorping door de bekisting of de on-dergrond vermijden door deze vooraf te verza-digen.
  • Zo mogelijk vermijden om te betonneren bij ongunstige weersomstandigheden (te hoge temperaturen en/of te veel wind), zoniet de aanbevelingen van hoofdstuk 2.9 volgen.
  • Polypropyleenvezels toevoegen (zie hoofdstuk 1.5).
8nl

Uitdrogingskrimp

9nl

Uitdrogingskrimp, ook hydraulische krimp genoemd, wordt veroorzaakt door de volumevermindering die ont-staat door het langzame uitdrogen van het beton. Hoe groter de hoeveelheid niet-gebonden water verdampt, hoe groter de krimp van beton. Dit uitdrogingsproces, en de krimp die erdoor ontstaat, neemt toe naarmate de luchtvochtigheid van de omgeving lager is.

De uitdrogingskrimp neemt toe en treedt sneller op in-dien de hoeveelheid niet-gebonden water hoog is. De grotere porositeit en doorlatendheid van het beton ver-snellen immers het uitdrogingsproces. De uiteindelijke waarde van de uitdrogingskrimp ligt gewoonlijk tussen 0,3 en 0,8 mm/m. De beheersing van deze vorm van krimp beroept zich dan ook voornamelijk op een beper-king van de hoeveelheid water in beton. Een compacte korrelverdeling van het inert skelet bevordert eveneens de beperking van de uitdrogingskrimp

Preventieve maatregelen

De volgende maatregelen laten toe om scheuren door uitdrogingskrimp te voorkomen :

  • Een aangepaste continue korrelverdeling kiezen om de holle ruimten in het betonmengsel te mi-nimaliseren en de waterbehoefte zoveel mogelijk te beperken.
  • De W/C-factor beperken tot een optimaal ni-veau met behulp van een superplastificeerder (W/C≤ 0,50).
  • Hetzij onderbrekingen van het betonelement aanbrengen door middel van krimpvoegen (fig 4.2.1 en 4.2.7), hetzij een voldoende minimum-wapening en/of staalvezels voorzien. Deze wa-pening zal de scheurvorming niet vermijden maar wel beheersen (de verschijning van vele micro-scheuren is meestal minder schadelijk dan één of enkele zeer grote scheuren).
  • De betonneerfasen weldoordacht plannen (fig 4.2.2 en 4.2.3).
  • De nabehandelings-maatregelen toepassen en de nabehandelingsduur respecteren, zoals aan-bevolen in hoofdstuk 2.8

Endogene krimp

Zelfs wanneer er geen enkel contact en dus ook geen vochtverlies is met de omgeving, kent beton nog een "endogene krimp". Deze heeft een dubbele oorsprong.

De chemische krimp (ook Le Chatelier krimp genoemd) is een volumevermindering die plaatsvindt tijdens de hydratatie van het cement omdat het volume van de gevormde hydraten kleiner is dan het volume van de originele producten (cement en water). Deze volume-vermindering bedraagt zo’n 8 à 12% en ligt met name aan de basis van de poreuze structuur van beton.

De voortschrijdende hydratatie bindt het vrije water chemisch. Wanneer er geen vrij water meer beschik-baar is in de capillaire poriën, wordt het water in de gelporiën verbruikt, waardoor hun relatieve vochtig-heid daalt. Deze "interne uitdroging" leidt ook tot in-terne spanningen en krimp.

De endogene krimp is afhankelijk van de W/C-fac-tor. Hoe lager de W/C-factor, hoe hoger de endoge-ne krimp. Voor courante betons met een W/C-factor ≥ 0,45 bedraagt deze zo’n 0,04 à 0,1 mm/m dus zo goed als verwaarloosbaar. Voor HSB, en meer nog voor UHPC, kan de endogene krimp oplopen tot 1 mm/m.

Thermische krimp

De warmte die vrijkomt wanneer het cement hydra-teert, veroorzaakt temperatuur-gradiënten in beton. Hoge omgevingstemperaturen versnellen de hydrata-tie en leiden tot nog grotere gradiënten.

Na de duidelijke temperatuurstijging die gepaard gaat met de binding en het begin van verharding, koelt het jonge beton in contact met de omgeving af en, zoals voor de meeste andere materialen, neemt zijn volume af naarmate de betontemperatuur daalt. Aangezien het beton sneller zal afkoelen aan het oppervlak dan in de massa, zullen er interne spanningen ontstaan tus-sen de interne zone die minder krimpt en de externe zone die meer krimpt (fig 4.2.9). Deze spanningen kun-nen oppervlakkige scheuren veroorzaken .

Wanneer het betonelement voorts in zijn langsrichting niet onbelemmerd kan krimpen (bv. een wand op een reeds gekoelde vloer), kan de krimp die te wijten is aan de langzame afkoeling, net zoals de uitdrogingskrimp, aanleiding geven tot doorgaande scheuren

Preventieve maatregelen

  • Cement met een lage hydratatiewarmte (type LH) gebruiken en/of het cementgehalte beper-ken (eventueel de druksterkte op een hogere ouderdom dan 28 dagen specifiëren).
  • Temperatuur-gradiënten vermijden tijdens de opwarming van het beton (houten bekisting of thermische bescherming).
  • Thermische schokken vermijden door niet te ontkisten op het moment dat de temperatuur in het beton maximaal is (en deze aan het oppervlak bruusk zou afkoelen door het ont-kisten). Temperatuursondes kunnen gebruikt worden om het verschil kern-buitenzijde op te volgen.
  • Betonneerfasen weldoordacht plannen (fig 4.2.3).
  • Grote vrije oppervlakken isoleren.

Praktische regels

  • Scheuren door temperatuur-gradiënten (door-gaans oppervlakkig) zijn te vrezen indien het temperatuurverschil tussen de kern en de buitenzijde van het element 15°C overschrijdt.
  • Scheuren door verhinderde afkoeling (door-gaans doorgaand) zijn te vrezen bij tempera-tuurverschillen vanaf 20°C.
  • Een passieve wapening voorzien en deze ontwerpen/detailleren in de zones met het hoogste risico. In het bijzonder dient de hori-zontale wapening het dichtst bij de bekisting te worden geplaatst (met inachtname van de re-gels voor betondekking). Het wapeningspercen-tage wordt ook best verdeeld over kleinere staaf-diameters.
10nl
11nl