Speciale betonsoorten: Hogesterktebeton

10 Juli 2019
 

Eigenschappen

Hogesterktebeton (HSB) onderscheidt zich van traditioneel beton door zijn zeer hoge druksterkte. Meestal wordt de term HSB gebruikt voor een sterkteklasse hoger dan C50/60.
 
De voornaamste eigenschappen van dit betontype zijn :
  • hogere mechanische eigenschappen zowel op jonge ouderdom als op lange termijn (druk- en treksterkte, elasticiteitsmodulus)
  • zeer lage porositeit, leidend tot een betere weerstand tegen agressieve stoffen, vorst-dooicycli of afslijting.
     
Meestal worden deze betonsoorten met een hoge vloeibaarheid gemaakt. Het gebruik van HSB laat toe, in functie van de gewenste karakteristieken, de dwarssectie van betonelementen te verkleinen, de overspanning te verhogen (fig 3.6.1) of de duurzaamheid van de ermee vervaardigde bouwwerken te verhogen (fig 3.6.2).
 

De wedloop naar prestaties

De zoektocht naar steeds hogere druksterktes vereist de volgende ingrepen :
  • verhoging van het cementgehalte
  • verlaging van de W/C-factor
  • verfijning van de korrelopbouw.
     
De verhoging van het cementgehalte (gecombineerd met de lichte daling van de W/C-factor), laat toe druksterktes te bekomen van 40 tot 50 N/mm2. De verdere reductie van de W/C-factor beneden 0,40 biedt de mogelijkheid de druksterkte te laten toenemen boven 80 N/mm2. 
 
De toevoeging van ultrafijne deeltjes, die de micro-holten in de korrelopbouw verder vullen, laat toe om de dichtheid van beton verder te verhogen. Deze ultrafijne deeltjes, gecombineerd met performante superplastificeerders, leiden tot een verbetering van de verwerkbaarheid en een verdere daling van de W/C-factor tot 0,35 hetgeen toelaat druksterktes te bekomen van 100 N/mm2 en meer.
 

Bestanddelen van HSB

Cement
Alle cementtypes komen in principe in aanmerking, doch in de praktijk zal meestal een cement van het type CEM I gebruikt worden met een sterkteklasse 52,5. De cementgehaltes kunnen hoger dan 400 kg/m3 liggen.
 
Toevoegsels
Als toevoegsels gebruikt worden, dan is silica fume het meest toegepast voor de productie van HSB. Het gebruik ervan laat immers een sterke stijging toe van de dichtheid van het beton. Silica fume heeft een extreem hoge fijnheid (ongeveer 100 keer fijner dan cement) en heeft bovendien puzzolane eigenschappen.
 
Bij de hydratatie van een traditioneel beton blijven er steeds (capillaire) poriën bestaan tussen de granulaten en de cementhydraten. Silica fume vult deze holtes gedeeltelijk op. Door de puzzolane reactie van silica fume met kalkhydraat (portlandiet) afkomstig van de hydratatie van Portlandklinker, zullen zich hydraten vormen die deze poriën opvullen en leiden tot een zéér lage porositeit.
 
Meestal bedraagt het gehalte silica fume in HSB zo’n  6 tot 10% van het cementgewicht.
 
Granulaten
Een traditioneel beton zal tijdens de drukproef bezwijken onder invloed van transversale trek in de contactzone granulaat-cementsteen of in de cementsteen zelf  (fig 3.6.3 boven). 
 
Bij hogesterktebeton wordt de cementsteen en de contactzone versterkt door de lagere capillaire porositeit en door de verlaging van de W/C-factor. De breuk zal zich dus niet meer voordoen in de contactzone maar door het granulaat zelf gaan (fig 3.6.3 onder). Het gebruik van granulaten afkomstig van een hard gesteente (bijvoorbeeld porfier) heeft dan ook de voorkeur bij de samenstelling van HSB.
 
Om de waterbehoefte van hogesterktebeton te beperken, zal bijzondere aandacht besteed worden aan de zuiverheid van het zand. Het zand zal bovendien een continue korrelopbouw moeten hebben, een grote regelmaat en een beperkt gehalte aan fijne deeltjes.
 
De maximale korreldiameter wordt doorgaans beperkt tot 16 mm. De elasticiteitsmodulus van de grove granulaten is immers groter dan die van de cementsteen. Er is dus een groot verschil in modulus in de overgangszone tussen het grof granulaat en de cementsteen, wat tot spanningsconcentraties kan leiden. Door kleinere korrels te gebruiken, kunnen deze spanningsconcentraties beter verdeeld worden in het beton. De maximale korrelgrootte mag echter niet te sterk dalen omdat dan de hoeveelheid water, nodig om alle korrels te omhullen, te sterk zou toenemen.

Superplastificeerders
De hoeveelheid superplastificeerder zal doorgaans vrij hoog liggen. Hierdoor kan de hoeveelheid water in het beton sterk gereduceerd worden en kunnen W/C-factoren worden bekomen ruim onder 0,40 en zelfs tot ongeveer 0,25 mét behoud van een hoge vloeibaarheid. Deze hoge doseringen aan superplastificeerder verhogen echter ook de kleverigheid (viscositeit) van het mengsel en geven het beton een thixotroop karakter.
 

Eigenschappen van het vers beton

Verwerkbaarheid
De grote hoeveelheid pasta en een hoog gehalte aan superplastificeerder laten toe een beton te bekomen met een hoge consistentie. Een zetmaat van 180 à 200 mm is zeker niet uitzonderlijk voor dit type beton.
 
Warmte-ontwikkeling
Door het hoge cementgehalte in een hogesterktebeton is de warmte-ontwikkeling, inherent aan de hydratatie van het cement, hoger dan voor een traditioneel beton. Deze grote warmtetoename moet reeds bij het ontwerp in rekening worden gebracht, waarbij de risico’s verbonden aan scheurvorming door krimp en thermische werking dienen geëvalueerd te worden. Indien nodig moeten maatregelen genomen worden om verhinderde thermische krimp te vermijden evenals te grote temperatuurverschillen (zie hoofdstuk 4.2). De risico’s op de ontwikkeling van interne sulfaataantasting (zie hoofdstuk 4.7) moeten beperkt worden.
 
Om de maximum temperatuur, die in het beton ontwikkeld wordt, te beperken, kunnen de volgende maatregelen overwogen worden : 
  • De dwarssectie van massieve elementen tot het minimum beperken en uitsparingen voorzien die warmte kunnen afvoeren.
  • Een deel van het CEM I-cement vervangen door een cement op basis van hoogovenslak.
  • Vermijden beton te storten op het warmste moment van de dag en het storten zo snel mogelijk na aankomst van de truckmixer starten.
     

Eigenschappen van het verhard beton

Druksterkte
Op jonge ouderdom zal de druksterkte van HSB reeds hoog zijn door hun hogere hydratatiegraad via de gecombineerde werking van een hoog cementgehalte en een lage W/C-factor.
 
Op hogere ouderdom, wanneer een beton met normale sterkte aan druk wordt belast, ontstaan hechtingsscheuren in de contactzone tussen de mortel en de granulaten. Deze scheuren verspreiden zich vervolgens over de rest van de mortelfractie. Het beton bezwijkt onder invloed van een ononderbroken netwerk van interne scheuren in de mortel terwijl de granulaten intact blijven.
 
Hogesterktebeton kenmerkt zich door een grotere hechtsterkte van de mortel aan de granulaten. Scheuren in de aanhechtingszone zullen dus minder snel optreden. Bovendien is de sterkte van de cementsteen en het granulaat van dezelfde grootteorde. Het beton zal dus bezwijken door scheurvorming die doorheen de mortelfractie en de granulaten gaat. Maar vanaf het bereiken van de (hogere) bezwijklast zal het draagvermogen onmiddellijk terug op nul vallen. Men spreekt van een brosse breuk (meer uitgesproken dan bij normaal beton). 
 
Treksterkte
In het algemeen is de treksterkte van beton gerelateerd aan zijn druksterkte. De winst van de treksterkte is bij een HSB echter kleiner. Een beton C30/37 zal bijvoorbeeld een treksterkte hebben die ongeveer 1/10 bedraagt van de druksterkte terwijl dat voor een beton C80/95 slechts ongeveer 1/15 zal zijn.
De toevoeging van vezels in het beton kan de (residuele) treksterkte verhogen (zie hoofdstuk 3.3).
 
Elasticiteitsmodulus
Door de grote compactheid en de kleine hoeveelheid poriën zal de elasticiteitsmodulus van HSB beduidend hoger zijn dan die van traditionele betontypes.
De elasticiteitsmodulus bedraagt 37 000 à 45 000 N/mm2  tegenover 32 000 à 33 000 N/mm2 voor beton met normale sterkte.
 
Krimp en kruip
De evolutie in de tijd van het vervormingsgedrag van hogesterktebeton wordt beïnvloed door zijn geringe porositeit, zijn elasticiteitsmodulus en zijn hoge densiteit. De volgende fenomenen worden vastgesteld in vergelijking met beton met een normale druksterkte :
  • de endogene krimp is beduidend hoger
  • de uitdrogingskrimp neemt af naarmate de sterkte toeneemt
  • de kruipvervorming vermindert naarmate de sterkte toeneemt maar bereikt sneller zijn eindwaarde.
     
De endogene krimp van hogesterktebeton is hoger dan die bij beton met normale sterkte. De uitdrogingskrimp zal daarentegen lager zijn. De globale krimp zal voor hogesterktebeton uiteindelijk lager zijn dan die voor traditioneel beton (zie hoofdstuk 4.2 voor de definities van de verschillende soorten krimp).
 
De snellere sterkte-ontwikkeling van hogesterktebeton leidt tevens tot een snellere warmte-ontwikkeling. Constructie-elementen die belemmerd zijn in hun beweging zullen dus op jongere ouderdom de invloed ondervinden van de hydratatiewarmte in combinatie met de endogene krimp. Het risico op scheurvorming op jonge ouderdom is dus groter bij hogesterktebeton.
 
Brandweerstand
Door zijn zeer lage porositeit kan de dampdruk, die in het beton ontstaat bij temperaturen hoger dan 100°C, moeilijk worden beperkt. De stoom kan immers niet snel genoeg naar de buitenkant worden afgeleid. Ten opzichte van conventioneel beton zal de druksterkte bij hogesterktebeton dus sneller afnemen bij temperaturen hoger dan 100°C.
Bovendien bestaat er, door de interne spanningsopbouw, een risico op (bruusk) afspringen (ook "afspatten" genoemd) van het oppervlaktebeton voor beton met zeer hoge sterkte (≥ C80/95).
 
Om dit risico te beperken heeft de toevoeging van micro-vezels in polypropyleen een gunstig effect (fig 3.6.4). Bij hoge temperatuur zullen deze vezels immers smelten waardoor kleine evacuatiekanaaltjes ontstaan die de interne dampdruk sneller kunnen doen afvoeren.
 

Duurzaamheid

Door zijn lage porositeit kan HSB beter weerstand bieden aan de inwerking van uitwendige aantastingen. Het grootste deel van de aantastingsmechanismen wordt immers veroorzaakt door de opname door het beton van water of agressieve stoffen zoals chloriden, sulfaten, zuren, koolstofdioxyde … Door zijn lage porositeit zullen water en andere stoffen in HSB trager binnendringen waardoor de aantastingsmechanismen ook trager zullen verlopen. De slijtweerstand alsook de weerstand tegen vorst van dit betontype is ook sterk verhoogd.
 

Productie, transport en verwerking

De productie, het transport en de verwerking van HSB gebeurt met middelen die ook voor traditioneel beton worden gebruikt.
 
De menger dient over voldoende vermogen te beschikken omwille van de hogere schuifkrachten in het mengsel (hogere viscositeit). Door het hoge gehalte aan poeder en zeker in het geval van toevoeging van silica fume, zal de mengtijd in vergelijking met die voor traditioneel beton moeten verlengd worden. Dit betontype wordt best gemengd totdat een volledige stabilisatie van de vermogensmeter van de motor is bereikt.
 
Voor stortklaar beton zal het transport gebeuren in truckmixers. Deze moeten gecontroleerd worden vóór het laden zodat geen restanten van spoelwater meer aanwezig zijn. Hogesterktebeton zal, bij aankomst op de werf, nog worden doorgemengd alvorens te worden gelost.
 
Hogesterktebeton zal meestal, bij gelijke verwerkbaarheid, een meer thixotroop gedrag vertonen dan beton met normale sterkte. Hierdoor is er meer energie nodig bij het verwerken. Als dit beton moet verpompt worden, zal de pompsnelheid lager zijn, zeker als er gebroken granulaten worden gebruikt.
 
In de prefabindustrie komt het frequent voor dat HSB als zelfverdichtend beton wordt uitgevoerd, zodat moeizame plaatsings- en verdichtingsoperaties kunnen vermeden worden. Het verwerken van HSB kan verder via de klassieke methodes gebeuren.
 

Ultra-hogesterktebeton (UHPC)

Er bestaan ook betontypes waarvan de kenmerken nog veel extremer zijn dan bij HSB. De druksterkte situeert zich tussen 150 en 200 N/mm2. De samenstelling van deze betontypes, ook wel UHPC (Ultra-High Performance Concrete) genoemd, lijkt nog in weinig op die van traditioneel of zelfs hogesterktebeton, in het bijzonder op de volgende punten :

  • zéér fijne korrelopbouw (maximum 0/2 of 0/4)
  • gebruik van grote hoeveelheden minerale toevoegsels
  • zéér lage W/C-factor (≈ 0,25).


De toevoeging van een hoge dosering van korte staalvezels transformeert de - extreem brosse - cementsteen in een composietmateriaal met een uitzonderlijke ductiliteit dat UHPFRC (Ultra-High Performance Fiber Reinforced Concrete) wordt genoemd. Dit betontype maakt de uitvoering mogelijk van zeer slanke elementen die de ontwerper een grote architecturale vrijheid bieden (fig 3.6.5). Zonder de sterke reductie van de dwarsdoorsnede zouden deze toepassingen anders in staal worden uitgevoerd.


Toepassingen

Hogesterktebeton biedt tal van toepassingsmogelijkheden. Naast prestigeprojecten getuigen talrijke viaducten en snelweg-overgangen van de mogelijkheden van HSB om grotere overspanningen en een sterke verbetering van de duurzaamheid te bekomen, hetgeen de onderhoudskosten sterk reduceert.
 
Bij de constructie van gebouwen wordt belangrijke plaatswinst gerealiseerd door te werken met grotere overspanningen en gereduceerde secties. In de prefabsector wordt HSB ook gebruikt voor de productie van betonnen buizen die daardoor een veel grotere duurzaamheid vertonen voor agressief (huishoudelijk of industrieel) afvalwater.
 
poutres longues portees en bhp
Fig 3.6.1 Balken met grote overspanning in HSB

 

ouvrage cotier en beton
Fig 3.6.2 Betonnen brug in een kustzone, met een gemiddelde druk- sterkte van 65 N/mm2 op 28d en 80 N/mm2 op 90d (cylinders). Ontworpen voor een levensduur van 100 j.

 

surface de rupture du beton a resistance normale
Fig 3.6.3 Beeld van het breukvlak van beton met normale sterkte (boven) en HSB (onder)

 

element en bhp sans fibres polypropylenes
Fig 3.6.4 Element in HSB zonder polypropyleen- vezels (boven) en met (onder) na een brandproef. (Bron: GMPB, Leipzig GmbH)

 

ouvrage en bfup
Fig 3.6.5 Bouwwerk in UHPFRC