Opstellen van interactiekrommen ter verificatie van het compressible packing model

De kunst van het stapelen: een aanzet tot een betere betontechnologie

door Tom Bosmans & Jolien Van Der Putten

Het maken van een goede betonsamenstelling is zoals het vormen van een goede regering, het vraagt de nodige inspanning en kan soms ook een hele tijd duren. Het aanbrengen van de gepaste componenten op de juiste plaats, zorgen dat alles zijn functie op een correcte manier vervult, het vraagt allemaal de nodige inzet. Maar om het met een citaat van een gekend politicus te zeggen, nil volentibus arduum, of met andere woorden niets is onmogelijk voor zij die willen.

Met het oog op de hedendaagse en toekomstige toepassingen van beton, wordt in de betontechnologie naar nieuwe oplossingen gezocht die voldoen aan de gestelde mechanische en structurele eisen. High performance concrete, of afgekort HPC, wint de laatste jaren aan populariteit. Niet alleen omwille van zijn sterkte die hoger, is dan 120 MPa, maar omdat het ook op andere vlakken sterke prestaties levert. Deze goede eigenschappen zijn te danken aan de zeer lage water/cementverhouding die in deze betonsamenstellingen wordt toegepast.

Het kleine broertje van bovenstaande betonsoort wordt ultra high performance concrete genoemd, of afgekort UHPC, en haalt sterktes hoger dan 150 MPa. Deze betonsoort vergt evenzeer een lage water/cementfactor. Het nadeel van deze voorwaarde is dat de verwerkbaarheid zeer snel daalt, waardoor het aanwenden van deze betonsamenstellingen in praktijk nog niet alledaags is. Het creëren van een betonsamenstelling met een lage water/cementfactor in combinatie met een hoge verwerkbaarheid vergt daarom het optimaliseren van het korrelskelet.

Het combineren van de juiste fijne en grove granulaten speelt hierbij een belangrijke rol. Om die reden worden verschillende combinaties van granulaten gemaakt. Zo wordt een afgezeefde fractie zand telkens samengevoegd met een bepaalde fractie basalt, rolgrind en porfier. Met elke combinatie van granulaten worden vervolgens twee proeven uitgevoerd waarvan de resultaten worden samengebracht in interactiekrommen. Met behulp van deze interactiekrommen wordt het mogelijk uit te maken welke combinatie van granulaten de hoogste pakkingsdichtheid levert, of met andere woorden welke combinatie van granulaten de basis vormt voor het meest optimale korrelskelet.

Een goede betonsamenstelling is natuurlijk meer dan granulaten alleen. Het van belang niet alleen de mechanische en structurele eisen in acht te nemen. In de huidige maatschappij moet, sinds de economische crisis, ook steeds meer rekening worden gehouden met de kosten die het productieproces met zich meebrengen. Daarnaast wordt er ook meer en meer aandacht geëist voor de heersende milieuproblematiek. Bij het maken van beton is cement immers verantwoordelijk voor meer dan 50 % van de CO2-uitstoot. Door een gedeelte van cement te vervangen, wordt het mogelijk zowel het energieverbruik als de CO2-uitstoot te verminderen. De samenstelling van het betonmengsels aanpassen door de hoeveelheid cement te verminderen en de hoeveelheid granulaten te verhogen is echter niet wenselijk. Hierdoor zou de samenstelling niet meer voldoen aan de gestelde eisen op het vlak van sterkte en zou de verwerkbaarheid van het verse beton in het gedrang komen. Daarom worden rest- of bijproducten van andere industrieën toegevoegd omwille van hun gunstig gedrag in combinatie met cement en hun effect op de binding met de granulaten. Dergelijke restproducten worden ook wel omschreven als fillers, wat een verzamelnaam is voor onder meer silica fume en vliegas.

Het ontwikkelen van een goed ultra-hogesterktebeton vraagt naast het vinden van een goed korrelskelet ook een optimaal bindmiddel op pastaniveau. Om dit te verwezenlijken worden combinaties gemaakt van cement en verschillende soorten fillers. Het afleiden van de beste combinatie, deze met andere woorden aanleiding geeft tot de hoogste pakkingsdichtheid, gebeurt opnieuw door het opstellen van interactiekrommen. In tegenstelling tot de interactiekrommen die opgesteld worden met combinaties van fijne en grove granulaten, is op pastaniveau een natte pakkingsmethode verreist om de interactiekrommen op te stellen. Deze natte pakkingswijze vermijdt enerzijds het samenklitten van de kleine deeltjes in de cementpasta en anderzijds het verkrijgen van een onrealistische pakkingsdichtheid voor de gegeven combinatie van poeders.

Om de pakkingsdichtheden, die verkregen worden door het opstellen van de interactiekrommen aan de hand van de uitgevoerde proeven te verifiëren, en de mechanische eigenschappen van dergelijk beton te kunnen voorspellen, worden pakkingsmodellen gebruikt. Deze pakkingsmodellen bieden, in een later stadium, als voordeel dat het mogelijk wordt een zo goed mogelijke betonsamenstelling te bekomen, in functie van de gestelde eisen, zonder dat deze mengsels eerst effectief gemaakt en beproefd worden.

Een laatste belangrijke eis bij het produceren van een ultra-hogesterktebeton is het duurzaamheidsaspect. De duurzaamheid van een betonmengsel is zeer afhankelijk van de dichtheid van de cementmatrix. Deze eigenschappen hangen in sterke mate af van het gebruikte fijn materiaal. Het is dus met andere woorden noodzakelijk de duurzaamheidseigenschappen van een beton voor elke samenstelling afzonderlijk te evalueren.

Bij het aanwenden van ultra-hogesterktebeton moet dus telkens worden afgewogen of het economische, ecologische of het duurzaamheidsaspect de prioriteit krijgt.