Van vers beton tot verhard beton: Samenstelling en formulering van beton

25 April 2019
 

Inleiding

Beton wordt vervaardigd door het homogeen mengen van de bestanddelen cement, water, fijne en grove granulaten, al dan niet met hulpstoffen, toevoegsels en/of
toevoegingen. De mogelijkheden tot variatie van deze bestanddelen en hun kenmerken zijn nagenoeg ongelimiteerd, hetgeen toelaat zowel de eigenschappen van het
vers beton als deze van het verhard beton doelbewust te beïnvloeden.

compo1

 

Normatief kader

In relatie tot de classificatie van beton definieert de Europese norm NBN EN 206 de minimale eisen voor de samenstelling van beton opdat het beton zou kunnen weerstaan aan de aantastingsmechanismen van de omgeving.
Het merendeel van de Europese landen hebben deze voorschriften aangevuld met nationale eisen. In België wordt de norm NBN EN 206 aangevuld met normatieve eisen in functie van de Belgische ervaringen en informatieve commentaren, opgenomen in de norm NBN B 15-001 (zie hoofdstuk 2.1).

Zoals toegelicht in hoofdstuk 2.1, introduceert de Belgische norm omgevingsklassen ter vervanging van de milieuklassen uit de Europese norm en voegt daar bepaalde
eisen ten aanzien van de betonsamenstelling aan toe. Het betreft meer bepaald de hoeveelheid cement of bindmiddel, de hoeveelheid (effectief) water en de sterkteklasse van het beton (tab 2.1.3).

Belang van de water-cement-factor (W/C)

De verhouding water-cement of water-cement-factor (afgekort W/C-factor of W/C) is zonder twijfel één van de kenmerken die van doorslaggevende invloed is op
het geheel van de eigenschappen van beton (fig 2.3.2).

Het is dan ook logisch dat de voorschrijver, via de geschikte keuze van de omgevingsklasse, de W/C-factor begrenst.

In de praktijk is het echter tijdrovend om het watergehalte van elk beton precies te meten. De beheersing van de W/C-factor tijdens de productie van beton gebeurt dan ook voornamelijk via de kennis van de vochtigheid van de bestanddelen - continu gemeten door een sonde of punctueel bepaald door droging (pan,
oven, microgolfoven) - en de regelmatige controle van de water-weegschaal.

Men baseert zich eveneens op de meting van de consistentie. Voor een gegeven samenstelling staat deze in nauwe relatie tot het watergehalte. Op basis van de
nodige ervaring geeft deze werkwijze een voldoende benadering, maar vervangt geenszins de regelmatige bepaling van het werkelijke watergehalte van het beton,
zoals trouwens voorzien in de BENOR-certificatie van beton.

compo2
compo3

Keuze van de W/C-factor

De keuze van de W/C-factor is afhankelijk van 2 belangrijke
beschouwingen :

  • De omgevingsklasse: de betonnorm NBN B15-001 legt voor elke omgevingsklasse een maximale W/C op (tab 2.1.3). De betonproducent zal bijkomend nog een kleine marge voorzien (0,01 à 0,02) om rekening te houden met de variatie van deze parameter.
  • De mechanische belastingen die het verhard beton zal ondergaan. Zoals aangegeven in figuur 2.3.3 wordt de druksterkte van beton sterk beïnvloed door de W/C-factor. Voor een gewenste gemiddelde richtsterkte van het beton, kan men de maximale W/C-factor bepalen door middel van empirische formules zoals deze van Walz, indien de gemiddelde sterkte van het gebruikte cement gekend is :

ƒcm, 28 = 0,46 . ƒcm, 28,cem . (C/E - 0,06)
met :
ƒcm, 28 gemiddelde druksterkte* v/h beton op 28d
ƒcm, 28,cem gemiddelde druksterkte v/h cement op 28d
C/E het omgekeerde van de W/C-factor

*de betonproducent zal een hogere gemiddelde druksterkte
nastreven aan de karakteristieke waarde van de sterkteklasse
om rekening te houden met de spreiding op de resultaten.

De laagste W/C volgend uit beide beschouwingen zal weerhouden worden. In het geval van stortklaar beton zal de W/C-factor volgend uit de omgevingsklasse in de meeste gevallen maatgevend zijn.

Het kan steeds gebeuren dat op een specifieke werf nog strengere eisen ten aanzien van de W/C-factor worden voorgeschreven. Voor projecten met dergelijke bijzondere eisen loont het de moeite tevens bijkomende voorzorgsmaatregelen te nemen op het vlak van de verwerking.


Effectief watergehalte
In de W/C-factor beschouwt men het effectief watergehalte. Dit wordt als volgt gedefinieerd :

  • effectief watergehalte = totaal watergehalte – het water geabsorbeerd door de granulaten
  • totaal watergehalte = aanmaakwater + water in en aan het oppervlak van de granulaten + water van de hulpstoffen en vloeibare toevoegingen

Gehalte aan water en cement

Een voldoende cementgehalte vormt een effectieve bescherming van de wapening tegen corrosie. Deze bescherming wordt verzekerd door de hoge basiciteit/alkaliniteit van het calciumhydroxide dat gevormd wordt tijdens de hydratatie en door een lage porositeit van het beton.

Opdat deze voorwaarden steeds vervuld zouden zijn, voorziet de norm NBN B15-001 een minimaal cementgehalte in functie van de voorgeschreven omgeving. Zo zal een gewapend beton dat geplaatst wordt in een omgeving type EE3 (buitenomgeving, blootgesteld aan regen en vorst), minstens 320 kg cement per m3 beton bevatten.

De betonproducent zal echter in de regel een grotere hoeveelheid cement of equivalent bindmiddel (zie onder) voorzien. Dit kan het geval zijn wanneer hij het fijngehalte van het beton wenst te verhogen. Het zal echter vaker gebeuren in die situaties waarbij de combinatie van Cmin en W/Cmax zou leiden tot een watergehalte dat onvoldoende is voor het "bevochtigen" van het beton en het vermijden van een te hoge viscositeit. De hiervoor benodigde hoeveelheid water kan berekend worden op basis van de "waterbehoefte" van de verschillende bestanddelen van het beton of bepaald worden op basis van ervaring (in de sector van het stortklaar beton worden doorgaans waarden van 170 à 175 liter/m3 gehanteerd).

Equivalent bindmiddel
Indien behalve cement ook een toevoegsel type II aan het beton wordt toegevoegd (zie hoofdstuk 1.5), kan het k-waarde concept worden toegepast :

Equivalent bindmiddel = Cement + k . Toevoegsel. De te gebruiken k-waarden vindt men terug in de normen NBN EN 206 en NBN B15-001 (tab 1.5.1).

Het equivalent bindmiddel kan in rekening worden gebracht voor de beoordeling van het minimaal cementgehalte en de maximale W/C-factor.

Korrelopbouw

De samenstelling van het "granulair skelet" of "inert skelet" op basis van de kenmerken van de beschikbare fijne en grove granulaten (korrelverdeling en vorm) heeft tot doel het volume aan holle ruimte in het beton te beperken. Op die manier wordt een lage porositeit bekomen die het beton een hoge duurzaamheid zal geven (fig 2.3.4 en 2.3.5).

In het algemeen kan men stellen dat een continue korrelopbouw zal resulteren in een beton met een betere verwerkbaarheid, een hoge samenhang en een beperkte neiging tot segregatie.

De praktijk heeft wel aangetoond dat voor courante betons ook een discontinue korrelopbouw kan leiden tot economische samenstellingen met goede prestaties op het vlak van uitzicht en druksterkte. Echter, gezien de grotere gevoeligheid van dergelijke samenstellingen voor variaties in de korrelopbouw van de granulaten en het risico op segregatie en uitzweten (bleeding), worden ze steeds minder toegepast.

Praktisch voorbeeld

In de praktijk zal het samenstellen van beton (bepalen van de gewichten van de samenstellende delen) op de volgende manier gebeuren :
A. Bepaling van de hoeveelheden water en cement
Zoals gezien in de paragraaf "Keuze van de W/C-factor" wordt de W/C-factor vastgelegd op basis van de omgevingsklasse, de te bereiken druksterkte of nog de specifieke eisen van de werf.

Zoals eveneens aangehaald in de vorige paragraaf kan het minimaal cementgehalte, opgelegd door de norm, aangepast worden om een grotere hoeveelheid (effectief)
water te verkrijgen zonder de gekozen W/C-factor te verhogen. Onderstaand voorbeeld illustreert deze werkwijze.
Gegevens :
Gewapend beton (GB) in een buitenomgeving, in aanwezigheid van water en vorst --> omgevingsklasse EE3.
De norm NBN B15-001 vereist een betontype T(0,50) voor EE3, en bijgevolg :

  • Cmin = 320 kg/m3
  • W/Cmax = 0,50
  • Minimale druksterkteklasse = C30/37.

De ontwerper van de betonsamenstelling wenst een gemiddelde richtsterkte van 45 N/mm2 te bekomen (37 N/mm2 met een gebruikelijke marge van 8 N/mm2) en gebruikt een cement waarvan de gemiddelde druksterkte op 28 dagen 56 N/mm2 bedraagt.

Bepaling van de W/C-factor :
De toepassing van de formule van Walz (daarbij een marge van 0,01 op de W/C hanterend dus 0,49) leidt tot een verwachte druksterkte van 51 N/mm2, hoger dan de richtsterkte. De W/Cmax van 0,49 volgend uit de omgevingsklasse is strenger en bijgevolg maatgevend.

Bepaling van het cementgehalte :
De toepassing van Cmin (320 kg/m3) met een W/C van 0,49 zou leiden tot een effectief watergehalte van 159 liter/m3. Echter, gezien zijn ervaring met de gebruikte grondstoffen zal de ontwerper van de betonsamenstelling 170 liter water nodig hebben om een voldoende lage viscositeit en een goede verwerkbaarheid van het beton te verkrijgen. Het cementgehalte zal bijgevolg verhoogd worden tot 170/0,49 ≈ 345 kg/m3.

B. Luchtgehalte
Voor beton zonder ingebrachte lucht kan een gemiddeld luchtgehalte van 1,5 à 2,5% in rekening gebracht worden.

compo4

 

C. Bepaling van het volume van de granulaten
1 m3 vers beton dient een volume (volumetrisch rendement) in te nemen van 1 000 liter. Het volume van de granulaten hierin kan bepaald worden op basis van de volumes ingenomen door het cement, het water en de lucht (tab 2.3.1).

Het volume cement kan afgeleid worden van de massa cement gebruik makend van de absolute volumieke massa (ρa) van het cement (zie technische fiche van de producent). Het resterend volume (699 liter in ons voorbeeld) dient gevuld te worden door het geheel van de granulaten.

D. Bepaling van het aandeel van de verschillende granulaatfracties
De granulometrische samenstelling van het beton (hoeveelheid van elke granulaatfractie) kan bepaald worden volgens 3 benaderingen :

  • Grafische benadering op basis van de methodes van Füller, Bolomey, Faury of Dreux. Al deze methodes streven naar een maximale compactheid.
  • Kleinste-kwadraten methode : zoeken naar een zo klein mogelijke afwijking van het samen te stellen beton met een gekende ideale korrelverdeling.
  • Empirische benaderingen gebaseerd op de ervaring van de producent en doorgaans gebruik makend van verhoudingen G/Z (grof granulaat/zand) alsook verhoudingen  tussen de zanden (bijvoorbeeld 50% rond zand, 50% breekzand) en tussen de grove kalibers (bijvoorbeeld 15% steenslag 2/6 en 85% steenslag 6/20).

Deze benaderingen worden meestal volumetrisch uitgevoerd ; de omvorming naar massa’s (kg/m3) gebeurt aan de hand van de "oven-dried" volumieke massa (ρrd) van elk individueel granulaat (zie technische fiche van de producent).

E. Bepaling van de hoeveelheid hulpstof
De producent bepaalt de hoeveelheid te gebruiken hulpstof(fen) om de voorgeschreven consistentieklasse te bereiken, hetzij op basis van de berekening van de aterbehoefte, hetzij op basis van ervaring.

F. Controles en eventuele aanpassingen
Eens de theoretische formule bepaald is, worden volgende punten geverifieerd :

  • Is het gehalte aan fijne deeltjes voldoende (zie kader hier onder en tab 1.3.4)? Indien dit niet het geval is, kan de toevoeging van een correctiezand of een toevoegsel worden overwogen.
  • Is de korrelopbouw continu? Indien dit niet het geval is, kan het gebruik van een tussenliggend kaliber, type 2/6 of 4/8, worden overwogen.
  • Voldoen de alkali- en de chloorbalansen?

De formule kan voorts worden bijgestuurd in functie van de resultaten van initiële typeproeven (ITT) uitgevoerd in het laboratorium of in de productie-eenheid.

De belangrijkste verificaties betreffen de verwerkbaarheid (consistentie, neiging tot segregatie en bleeding), de druksterkte en het volumetrisch rendement.

 

compo5