Deel 2: Materiaal

1. Wat is beton?
In algemene zin is beton het meest gebruikte bouwmateriaal van de wereld. Beton is goed in staat om drukkrachten op te nemen. De kwaliteit van beton wordt daarom vaak gekarakteriseerd door druksterktecijfers en ingedeeld in sterkteklassen (zie verder in dit hoofdstuk). De treksterkte eigenschap van beton is maar 10% van de druksterkte. Als in een betonconstructie een hogere treksterkte nodig is wordt gebruik gemaakt van wapening, voorspanning of vezels. Staal heeft ongeveer dezelfde lineaire uitzettingscoëfficiënt en hecht daarom uitstekend aan beton. Beton kan bijna niet zonder staal, zo lijkt het, maar ook het omgekeerde is het geval: wapening moet tegen corrosie en aantasting worden beschermd door een laagje beton. Is de dekking op de wapening te klein dan gaat de wapening corroderen. Ten onrechte wordt in dat geval gesproken van betonrot. Eigenlijk zou men moeten spreken van staalrot, omdat immers het beton niet kan rotten maar de constructie wordt aangetast door het roestende wapeningsstaal.

2. Betonspecie en beton
Betonspecie bestaat uit een onverhard mengsel van:

• Cement
• Zand
• Grind
• Water

Zodra de betonspecie verhard is, spreken we van beton. Door de samenstelling van de componenten te variëren kunnen de eigenschappen van betonspecie en beton worden aangepast aan de gebruiksomstandigheden waarin het product wordt toegepast.

3. Cement
Cement is een essentieel onderdeel van beton. Het is een hydraulisch bindmiddel. Dat wil zeggen, dat het verhardt, als het met water wordt vermengd, tot een steenachtige lijm, waardoor zand- en grindkorrels aan elkaar worden gekit en holle ruimten ertussen worden opgevuld.

Cement wordt gemaakt door mergel fijn te malen en te verhitten in een cementoven tot 1450 graden Celsius. Na afkoeling ontstaat een korrelvormig product: portlandcementklinker. Deze klinker dient als basis voor praktisch alle cementsoorten. De belangrijkste zijn:

• Portlandcement
• Hoogovencement
• Portlandvliegascement

Voor rioolleidingsystemen wordt vrijwel altijd hoogovencement als bindmiddel toegepast. Om die reden beperken we ons op deze plaats tot het bespreken van de eigenschappen van deze cementsoort.

Hoogovencement
Hoogovencement bestaat voor een belangrijk deel uit hoogovenslak. Dit komt vrij bij de productie van staal. In gemalen toestand blijkt het slak hydraulische eigenschappen te bezitten. Deze eigenschappen komen echter pas op gang, door als katalysator portlandcementklinker te gebruiken.

Door, zoals gezegd, een groot percentage hoogovenslak te mengen met portlandcementklinker en dit fijn te malen, ontstaat hoogovencement. Afhankelijk van het percentage slak wordt hoogovencement ingedeeld in 3 klassen:

• CEMIII/A: 36-65% hoogovenslak
• CEMIII/B: 65-80% hoogovenslak
• CEMIII/C: 80-95% hoogovenslak

Daarnaast worden cementsoorten, en dus ook hoogovencement, ingedeeld in sterkteklassen overeenkomend met de aanvangssterkte, respectievelijk:

• 32,5 MPa
• 42,5 MPa
• 52,5 MPa

De indeling in klassen gebeurt door een drukproef na 28 dagen. Op die manier kan een hoogovencement bijvoorbeeld worden aangeduid als CEMIII/A 42,5. Meer informatie over de Europese aanduidingen is te vinden in de norm NEN-EN 197.

Hoe hoger het percentage hoogovenslak, hoe meer resistent de beton is tegen aantasting, maar hoe langzamer ook de aanvangssterkte van de beton wordt bereikt. Voor de prefabbetonindustrie is het snel bereiken van de aanvangssterkte belangrijk om tijdig te kunnen ontkisten en het product te kunnen bewerken of te kunnen transporteren.

4. Zand
Over het algemeen is zandafkomstig uit het achterland van rivieren als de Maas en de Rijn. Het gesteente wordt meegenomen door het water en onderweg “gepolijst” tot ronde of wat hoekige korrels. In de loop der eeuwen is dit zand afgezet in de beddingen en langs de oevers. Het wordt in deze afzetgebieden in Limburg en Gelderland gewonnen door natte winning (baggeren) of droge winning (afgraven).

In de betonindustrie wordt zogenaamd betonzand 0-4 toegepast. Dat wil zeggen dat de kleinste korrels 0 mm. en de grootste een doorsnede van 4 mm. hebben. Daarnaast moet verdeling van de korrelafmetingen voldoen aan een bepaalde gecertificeerde zeefkromme. Daarnaast heeft elke fabrikant eigen voorkeuren over de korrelopbouw. Sommige producten vragen om meer “fijn” materiaal, andere om een wat meer “grove” zandfractie. Ook het productieproces en de productiemachines spelen daarbij een belangrijke rol. Voor een betonfabrikant met een automatisch productie proces is een zo constant mogelijke korrelopbouw van groot belang. Ook is het van belang dat er geen resten van hout, steenkool of humus in het zand aanwezig zijn.

Als alternatieven voor rivierzand kunnen breekzand en zeezand worden toegepast. Deze alternatieven zouden nodig kunnen blijken als rivierzand in de toekomst schaars zou worden. Zeezand moet zorgvuldig worden gewassen om bruikbaar te zijn voor de betonindustrie.

De eisen die aan zand worden gesteld staan beschreven in de norm NEN-EN 12620:2002 NL.


5. Grind
Ook grind is een afzetmateriaal van de rivieren Door de massa is het meer stroomopwaarts afgezet dan het zand. Grind wordt alleen in natte winning geproduceerd en meestal in combinatie met zandwinning. Het grind wordt gespoeld en van hout en humus ontdaan. Daarna wordt het in diverse fracties gezeefd. De kleinste korrels die tot het grind worden gerekend zijn 4 mm. In de betonindustrie wordt als grootste korreldiameter 32 mm. als grind gebruikt. Voor veel productiemachines voor betonbuizen is 16 mm. de maximale maat. Men spreekt dan van grind 4-16. Ook hiervoor geldt een korrelverdeling volgens een gestandaardiseerde zeefkromme.

Als alternatief voor grind kan ook gebroken materiaal worden gebruikt. Uit rotsen worden stukken kalksteen, porfier of basalt met hulp van springstof losgemaakt en daarna in een breker verpulverd tot bruikbare afmetingen. Naast het gebroken grind komt er breekzand vrij als fijne fractie. Gebroken materiaal is wat hoekig en heeft daardoor een grotere haakweerstand tussen de korrels. Ook van gebroken materiaal wordt in de betonindustrie veel de fractie 4-16 gebruikt.

Een ander alternatief is het gebruik van gerecycled materiaal. Beton afkomstig van sloop of restproducten wordt gebroken en in de juiste fracties gezeefd. In het mengsel kan de grindfractie geheel of gedeeltelijk door hergebruikt materiaal worden vervangen.

De norm NEN-EN 12620:2002 NL geeft nadere informatie over de eisen aan toeslagstoffen als grind en gebroken materialen.

6. Water
Water is nodig om in het cement de chemische reactie op gang te brengen zodat het van een van een poederachtige substantie verhardt tot een steenachtig lijm tussen de zand- en grindkorrels. Het aanmaakwater mag geen verontreinigingen bevatten en/of stoffen die invloed uitoefenen op het verhardingsproces of op de duurzaamheid van het verharde beton.

Aanmaakwater kan afkomstig zijn uit:

• Bronwater
• Oppervlaktewater
• Drinkwater

Ook het spoelwater uit mengers en transportsystemen kan worden hergebruikt nadat het ontdaan is van het cementslib

De norm NEN-EN 1008:2002 geeft nadere informatie over de eisen die internationaal aan het aanmaakwater worden gesteld.

7. Wapening
Wapening is nodig als in een betonconstructie te hoge trekspanningen ontstaan. Door vezels aan de specie toe te voegen ontstaat een beton met aanzienlijk hogere treksterkte eigenschappen. Meestal worden hiervoor staalvezels toegepast. In de kleinere betonbuizen met een geringe wanddikte is deze oplossing meestal ruimschoots voldoende
Als de trekspanningen nog groter worden is constructieve wapening nodig. Veelal wordt een kooi of korf gevlochten met doorlopende wapeningsstaven in de trekzone. De dekking op de wapening wordt door afstandhouders verzorgd. Bij grotere diameters betonbuizen maakt men een doorlopende spiraalwapening als hoofdwapening.
Bij voorspanning wordt er voor het storten spanning op de speciale wapening gezet. Na uitharding van de beton wordt deze spanning losgelaten en ontstaat er druk in de trekzone. Deze constructie is het best te vergelijken met een rijtje boeken. Door er met twee handen aan de uiteinden horizontaal voldoende druk op uit te oefenen kan men het rijtje oppakken zonder dat er boeken tussenuit vallen.

8. Korrelopbouw
Hoe minder holle ruimte in beton aanwezig is hoe groter de sterkte. Daarom moet worden getracht om zoveel mogelijk de holle ruimten tussen de grindkorrels met zandkorrels te vullen en op hun beurt de ruimte tussen de zandkorrels door cement. Daarbij dient elke grind- en zandkorrel omhult te zijn met een dun laagje lijm in de vorm van cement. Op zich is in het beton de grindkorrel het sterkst en de cement het zwakst. Veel ruimte gevuld met cementpasta zonder zand- of grindkorrels verzwakken dus de constructie. Aan de andere kant moet ook daadwerkelijk elke korrel van het toeslagmateriaal van een laagje lijm zijn voorzien om zich aan de omringende korrels te kunnen hechten.

9. Watercementfactor
De watercementfactor (wcf) is de verhouding tussen de hoeveelheid water en de hoeveelheid cement in een mengsel. Om alle cement te laten binden is een wcf van ongeveer 0.40 voldoende. Een dergelijke lage wcf wordt bijvoorbeeld gebruikt bij de productie van betonbuizen. Voor veel andere productie vormen worden een hogere wcf gebruikt omdat dat voor de verwerkbaarheid nodig is.
Betonfasen

Van betonspecie naar beton doorloopt het materiaal vier fasen.

• Plastisch
• Groene sterkte
• Jong beton
• Verhard beton

In de plastische fase wordt beton verwerkt en in een mal gestort. Verdichting vindt plaats met trilnaalden, bekistingtrillers of door zelfverdichting (ZVB). Ingewikkelde bekistingen vereisen daarbij een hogere plasticiteit dan de vervaardiging van betonnen buizen met “aardvochtig” beton.

Zelfverdichtend beton wordt vaak toegepast voor de vervaardiging van putten. Door de bijzondere samenstelling vloeit de specie dusdanig goed dat trillen overbodig is.

10. Nieuwe ontwikkelingen
Er ontstaan steeds nieuwe ontwikkelingen in de beton. Recentelijk is ontdekt dat beton goede eigenschappen heeft om kleine scheurtjes uit zichzelf te herstellen. Ook heeft iemand ontdekt dat er bacteriën zijn die dit herstelproces bevorderen.

11. Consistentieklassen
In de Europese norm NEN-EN-206-1 en de Nederlandse annex NEN 8005 wordt beton in de plastische fase ingedeeld in consistentieklassen als maat voor de verwerkbaarheid. De klassen worden aangeduid door een letter, afhankelijk van de meetmethode en een cijfer voor de maat zelf.

• Verdichtingsmaat C (Compaction)
  loopt van C0 (droog) tot C3 (plastisch)
• Zetmaat S (Slump)
  loopt van S1 (aardvochtig) tot S5 (vloeibaar)
• Schudmaat F (Flowtable)
  loopt van F1 (aardvochtig) tot F7 (zelfverdichtend)

12. Groene sterkte
Men spreekt van groene sterkte als beton direct nadat de betonspecie in de bekisting is verdicht. Voor aardvochtig beton is deze groene sterkte ruim voldoende om direct te ontkisten. De betonproductenindustrie maakt van deze eigenschap gebruik bij de vervaardiging van bijvoorbeeld buizen, stenen, banden en tegels.

13. Sterkteklassen
De eindsterkte wordt volgens de norm NEN-EN 206 aangegeven door een letter C (Concrete) gevolgd door twee getallen. Het eerste getal geeft de karakteristieke cilinderdruksterkte aan, het tweede getal heeft betrekking op de karakteristieke kubusdruksterkte. Laagste klasse is
C 12/15, de hoogste klasse is C 100/115.

14. Milieuklassen
Het woord milieu roept associaties op over de mate van belasting (duurzaamheid) door beton op onze leefomgeving (milieu). De invloed wordt bepaald aan de hand van Levens Cyclus Analyses.
In het woord Milieuklasse wordt met milieu de gebruiksomstandigheden van een betonproduct bedoeld. Duurzaamheid heeft dan de betekenis van de mate waarin een product weerstand kan bieden aan de agressieve omstandigheden waarin het wordt toegepast. Samenstelling en dichtheid van de beton worden afgestemd op dit milieu.

Er zijn zes milieuklassen variërend van een droog tot een agressief milieu. Binnen deze klassen is er veelal weer een onderverdeling die samenhangt met de vochtigheid en agressiviteit van de gebruiksomstandigheid. Beton zonder enige risico op aantasting is klasse X0 (0= zero risk), beton in een sterk agressieve omgeving is klasse XA3 (A= aggressive).

Milieuklassen stellen eisen aan watercementfactor, dekking op de wapening, cementsoort, hoeveelheid cement per m3, dichtheid van de beton en dergelijke. Betonbuizen voldoen in Nederland aan de klasse XA3.