Opstellen van interactiekrommen ter verificatie van het compressible packing model

Tom Bosmans Jolien Van Der Putten
De kunst van het stapelen: een aanzet tot een betere betontechnologiedoor Tom Bosmans & Jolien Van Der PuttenHet 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.

Opstellen van interactiekrommen ter verificatie van het compressible packing model

De kunst van het stapelen: een aanzet tot een betere betontechnologiedoor 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.

 

 

Bibliografie

Abreu, C.R.A., Tavares, F.W. & Castier, M. (2003) Influence of particle shape on the packing and on the segregation of spherocylinders via Monte Carlo simulations. Powder Technology, 134(2013), pp. 167-180.

Belgische BetonGroepering (2009). Betontechnologie. Dilbeek: De Bouwkroniek.

Bleeck, T.H. (2011). Particle packing; An Effective Approach to Optimized Design of Ultra High Strength hand Self Compacting Concretes. Thesisrapport, University of New South Wales at the Australian Defence Force Academy, School of Engineering and Information Technology.

Breye, S. & De Vos, B. (2013). Optimalisatie van de samenstelling van ultra hoge sterkte beton. Masterthesis, Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur.

Coppola, L., Troli, R., Cerulli, T. & Collepardi, M. (1996). The influence of materials on the performance of reactive powder concrete. In International Congress on High-Performance Concrete, and Performance and Quality of Concrete Structures, pp. 502-513.

Cyr, M. & Tagnit-Hamou, A. (2001). Particle size distribution of fine powders by LASER diffraction spectrometry. Case of cementitious materials. Materials and Structures, 34, pp. 342 – 350.

De Reu, F. & Van Compernolle, W. (2014). De waterbehoefte van poederachtige materialen. Validatie van het Compressible Packing Model. Masterthesis, Katholieke Universiteit Leuven, Faculteit Industriële Ingenieurswetenschappen.

De Ruyck, S. & Eeckhout, M. (2006). Etude et caractérisation d’une composition d’un béton à ultra hautes performances à l’aide de matériaux disponibles sur le marché belge. Masterthesis, Université catholique de Louvain, Faculté des Sciences appliquées.

Dils, J. (2013). Vacuum mixing a useful tool or not?

 

Dils, J., Boel, V. & De Schutter, G. (2013). Influence of cement type and mixing pressure on air content, rheology and mechanical properties of UHPC. Construction and Building Materials, 41(2013), pp. 455-463.

Fennis, S.A.A.M. (2010). Design of Ecological Concrete by Particle Packing Optimazation. Doctoraatsthesis, Technische Universiteit Delft, Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen.

Fennis, S.A.A.M. (2011). Measuring water demand or packing density of micro powders – comparison of methods.

Fennis, S.A.A.M. & Walraven, J.C. (2011). Ecological concrete and workability: a marriage with future? In 36th Conference on Our World Concrete & Structures.

Fennis, S.A.A.M., Walraven, J.C. & Nijland, T.G. (2008). Measuring the packing density to lower the cement content in concrete. In J.C. Walraven & Stoelhorst (Eds.), Tailor Made Concrete Structures, pp. 419-424. Londen, Verenigd Koninkrijk: Taylor & Francis Group.

Fennis, S.A.A.M., Walraven, J.C. & Uijl, J.A. den (2009). The use of particle packing models to design ecological concrete. HERON, 54(2), pp. 185-204.

Fennis, S.A.A.M., Walraven, J.C. & Uijl, J.A. den (2013). Compaction-interaction packing model: regarding the effect of fillers in concrete mixture design. Materials and Structures, 46(2013), pp. 463-478.

Flatt, R.J. (1999). Interparticle Forces and Superplastisizers in Cement Suspension. PhD thesis, Ecole Polytechnique Federale Lausanne.

Haleerattanawattana, P. & Limsuwan, E. (2004). Strength-Based Gradation of Coarse Aggregates for Ultra-High-Strenght Concrete. In M. Schmidt, E. Fehling & C. Geisenhanslüke (Eds.), Structural Materials and Engineering Series: No. 3. Ultra High Performance Concrete, pp. 239-249.

HeidelbergCement Group (2007). Productblad: Portlandcement CEM I.

Hunger, M (2010). An integral design concept for ecological Self-Compacting Concrete. Doctoraatsthesis, Technische Universiteit Eindhoven.

Kjeldsen, A.M. (2007). Consolidation behaviour of cement-based systems. Influence of inter-particle forces. Doctoraatsthesis, Technical University of Denmark, Department of Civil Engineering.

Kjeldsen, A.M., Bergström, L. & Geiker, M. (2004). Centrifugal Consolidation of MgO-Suspensions – The Influence of Superplasticizers on Particle Packing. In S.L. Mason (Ed.), Annual Transactions – The Nordic Rheology Society, 12(2004), pp. 31-39.

Kjeldsen, A.M. & Geiker, M. (2005). Modelling Inter-Particle Forces and Resulting Agglomerate Sizes in Cement-Based Materials. In The Second North American Conference on the Design and Use of Self-Consolidating Concrete and the Fourth International RILEM Symposium on Self-Compacting Concrete, 1(2005), pp. 105-113.

Kjeldsen, A.M., Stang, H. & Geiker, M. (2006). Relating inter-particle forces in fresh cement-based materials to packing and mean pore size. Paper ingediend ter publicatie in Cement and Concrete Research.

Kwan, A.K.H. & Mora, C.F. (2001). Effects of various shape parameters on packing of aggregate particles. Magazine of Concrete Research, 53(2), pp. 91-100.

Kwan, A.K.H & Wong, H.H.C. (2008). Packing density of cementitious materials: part 2 – packing and flow of OPC + PFA + CSF. Materials and Structures, 41(4), pp. 773-784.

Larrard, F. de (1989). Ultrafine particles for the making of very high strength concretes. Cement and Concrete Research, 19 (1989), pp. 161-172.

Larrard, F. de (1999). Concrete mixture proportioning: a scientific approach. Londen, Verenigd Koninkrijk: Routledge, Taylor & Francis Group.

Larrard, F. de & Sedran, T. (1994). Optimization of ultra-high-performance concrete by the use of a packing model. Cement and Concrete Research, 24(6), pp. 997-1009.

Lesage, K. (2014). Interactions between cement and combined concrete admixtures. The influence on cement paste rheology. Doctoraatsthesis, Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur.

Mangulkar, M. N. & Jamkar, S. S. (2013). Review of Particle Packing Theories Used For Concrete Mix Proportioning. International Journal Of Scientific & Engineering Research, 4(5), pp. 143-148.

Miller, K.T., Melant, R.M. & Zukoski, C.F. (1996). Comparison of the Compressive Yield Response of Aggregated Suspensions - Pressure Filtration, Centrifugation, and Osmotic Consolidation. Journal of the American Ceramic Society, 79(10), pp. 2545-2556.

Mindess, S. (2006). Advanced concrete for use in civil engineering. In H. C. Wu (Ed.), Advanced civil infrastructure materials, pp. 1 – 29. Boca Raton, Verenigde Staten: CRC Press LLC.

Sedran, T. (1999). Rheologie et rheometrie des bétons. Apllication aux bétons autonivalants. Doctoraatsthesis, Université Laval.

Staquet, S. & Espion, B. (2002). Influence of Cement and Silica Fume Type on Compressive Strength of Reactive Powder Concrete. In 6th lnternational Symposium On High Strength/High Performance Concrete, 1(2002), pp. 1421-1436.

Stovall, T., Larrard, F. de & Buil, M. (1986). Linear Packing Density Model of Gran Mixtures. Powder Technology, 48(1986), pp. 1-12.

Suzuki, M., Shinmura, T., Iimura, K. & Hirota, M. (2008). Study of the Wall Effect on Particle Packing Structure Using X-ray Micro Computed Tomography. Advanced Powder Technology, 19(2008), pp. 183-195.

Wille, K., Naaman, A.E. & Parra-Montesinos, G.J. (2011). Ultra-High Performance Concrete with Compressive Strength Exceeding 150 MPa (22 ksi): A Simpler Way. ACI Materials Journal, 108-M06, pp. 46-54.

Yajun, J. & Cahyadi, J.H. (2003). Effects on densified silica fume on microstructures and compressive strength of blended cement pastes. Cement and Concrete Research, 33(2003), pp. 1543-1548.

Yu, A.B., Feng, C.L., Zou, R.P. & Yang, R.Y. (2003).On the relationship between porosity and interparticle forces. Powder Technology, 130(2003), 70-76.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Civil Engineering
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden
Share this on: