Wat met scheuren in beton?

In gewapende betonconstructies die onderhevig zijn aan directe belasting, verhinderde of opgelegde vervormingen ondergaan, is scheurvorming normaal. Op het moment dat het beton scheurt zal de wapening in het beton de trekspanningen opnemen en de scheurwijdte beperken. De hoeveelheid wapening die hiervoor nodig is, wordt berekend door de ontwerpend ingenieur. De voorschriften van NBN EN 1992-1-1 + ANB kunnen als basis dienen. Bij een juiste berekening zouden scheurwijdtes zich moeten beperken tot de waarden in voornoemde norm. De toegelaten scheurwijdtes doen niets af aan het uiterlijk en de duurzaamheid van de betonconstructies.

Een andere kwestie zijn onverwachte scheuren. Die zijn onbeheerst en onbedoeld en manifesteren zich vaak al enkele uren tot enkele dagen na het storten van het beton. Er zijn verschillende types te onderscheiden.

Sedimentatie

In pas gestort beton zullen onder invloed van de zwaartekracht en het verdichten van het beton de zwaardere bestanddelen in de waterige cementpasta zakken. Dit noemt men sedimentatie. Het water wordt hierdoor omhoog geduwd waardoor zich op het betonoppervlak een waterfilm vormt. Deze waterafscheiding wordt ook wel ‘bleeding’ genoemd. Een beperkte waterafscheiding heeft een gunstige invloed op het beton. De waterfilm biedt immers bescherming tegen uitdroging. Een ander gevolg van de sedimentatie zijn zettingen. Zolang het beton voldoende vervormbaar is zullen die zettingen niet tot scheuren leiden. Vinden die zettingen plaats wanneer het beton minder vloeibaar is, is dat wel het geval. Zettingsscheuren boven wapeningsstaven komen het meest voor. Boven de wapening is de speciehoogte minder, waardoor de sedimentatie daar eerder stopt. Hierdoor ontstaan schuifspanningen in het beton, met scheurvorming als gevolg. Ook op de plaats waar een doorsnede van hoogte verandert kunnen zettingsscheuren optreden. Scheurvorming ten gevolge van sedimentatie zal doorgaans plaatsvinden binnen ongeveer twee uur na het storten.

De ontwerpend ingenieur heeft geen middelen om zettingsscheuren te voorkomen. De betontechnoloog daarentegen, kan bij de samenstelling van de betonspecie een aantal maatregelen nemen om de kans op sedimentatie te verminderen: geen hogere consistentie voorzien dan strikt noodzakelijk, beperken van het watergehalte met behulp van een waterreducerende hulpstof, waterbehoefte beperken door een continue korrelgradering, samenhang verbeteren door voldoende fijn materiaal en/of luchtbelvormer, toevoegen van polypropyleen- of staalvezels om de neiging tot sedimentatie te verminderen. Dat laatste is niet aan te raden bij architectonisch beton en zichtbeton.
Lage omgevingstemperaturen verlengen de bindingstijd en bijgevolg ook de tijdsduur waarin sedimentatie kan optreden. Het opstijven van het beton versnellen door een lage water-cementfactor of een cement met een lagere bindingstijd zijn daarom ook efficiënte maatregelen.

Scheuren ten gevolge van sedimentatie kunnen veelal hersteld worden door de betonspecie opnieuw te trillen tot onder de wapening. Dat mag niet te vroeg en niet te laat gebeuren. Een goed tijdstip is wanneer de trilnaald net nog geen sporen achterlaat. Een andere mogelijkheid is het oppervlak tijdens het opstijven mechanisch of met de hand dicht te schuren.

Plastische krimp

Plastische krimp treedt op wanneer aanmaakwater uit de oppervlaktelaag van pas gestort beton verdampt. De verdwijning van het water resulteert in een volumevermindering. Vloeibare betonspecie kan nog vervormen zonder te scheuren. Eenmaal de specie begint op te stijven, wordt de krimp verhinderd door het toeslagmateriaal en de wapening, met scheurvorming als gevolg. Die treedt meestal op in de periode van één tot vier uur na het storten van het beton en vertoont meestal een willekeurig scheurpatroon. De mate van krimp is afhankelijk van de verhardingssnelheid en de uitdrogingssnelheid van het beton. Een beton dat traag verhardt en snel uitdroogt zal een grotere krimp vertonen dan een snel verhardend beton dat langzaam uitdroogt. De verhardingssnelheid wordt beïnvloed door de water-cementfactor, het soort cement, het gebruik van hulpstoffen en de luchttemperatuur. De uitdrogingssnelheid wordt bepaald door de relatieve vochtigheid van de lucht, de windsnelheid en het temperatuurverschil tussen lucht en beton. Dat laatste maakt dat plastische krimp niet alleen in de warme periodes optreedt, maar ook tijdens de winter. Wanneer een sterke wind uit één bepaalde richting de oorzaak is van plastische krimp spreekt men ook wel eens van windscheuren. Het scheurpatroon vertoont dan min of meer evenwijdige scheuren, loodrecht op de windrichting. Opgelet met tocht in fabriekshallen. Dit kan namelijk ook resulteren in een versnelde uitdroging.

Plastische krimpscheuren kunnen ook ontstaan wanneer het aanmaakwater opgezogen wordt door een sterk absorberende ondergrond. Dat is onder andere het geval bij onderliggend droog beton en droge, waterabsorberende bekistingen. Daarom moeten oppervlakken voldoende bevochtigd worden vooraleer het beton te storten, om de absorptie te reduceren. Let dus op bij het opstorten van bijvoorbeeld holle vloerelementen en breedplaatvloeren. Deze elementen zuigen, indien ze op voorhand niet bevochtigd worden, het water uit het stortbeton waardoor onzichtbare scheuren kunnen ontstaan aan de onderkant van de opstortlaag. Die kunnen een negatieve impact hebben op de aanhechting van de opstortlaag.

Een goede nabehandeling voorkomt voortijdige uitdroging van het betonoppervlak en vormt daardoor een zeer effectieve bescherming tegen plastische krimpscheuren. De tijd die verstrijkt tussen het storten van het beton en de nabehandeling moet zo kort mogelijk zijn. Vormen van nabehandeling zijn
het afdekken met een plastic folie of vochtig gehouden doeken, het verstuiven van een curing compound, het vernevelen van water en het uitstellen van ontkisten. In dit laatste geval moet het niet-bekiste oppervlak ook steeds nabehandeld worden. Het verstuiven van een curing compound op basis van hars of paraffine gebeurt op het ogenblik dat eventueel bleedingwater verdwenen is, omdat de beschermende film zich niet kan vormen op een wateroppervlak. In dat opzicht is een watergedragencuring compound op basis van silicaat of acrylaat een beter alternatief. Bij toepassing van een plastic folie of vochtig gehouden doeken moeten voorzieningen worden getroffen om het betonoppervlak niet te beschadigen en om het opwaaien door de wind te voorkomen.De duur van de nabehandeling hangt af van de verhardingssnelheid en de uitdrogingssnelheid van het beton. Richtlijnen over de duur van de nabehandeling zijn terug te vinden in de NBN EN 13369 + NBN B 21-600 en de NBN EN 13670 + NBN B 15-400. Na ontkisting moet het beton in sommige gevallen nog enkele dagen nabehandeld worden. Bijzonder aandacht moet
geschonken worden aan de nabehandeling van hogesterktebeton en zelfverdichtend beton met hogere sterkte. Deze bevatten namelijk veel fijn materiaal en weinig water, waardoor nauwelijks bleeding zal optreden en de toplaag snel kan uitdrogen.

De ontwerpend ingenieur kan het ontstaan van plastische krimpscheuren niet voorkomen. De betontechnoloog kan bijkomende voorzorgen nemen door polypropyleenvezels toe te voegen aan de betonsamenstelling. Indien alsnog scheuren ontstaan, zullen ze talrijker zijn, maar ook fijner. Sowieso blijft een nabehandeling absoluut noodzakelijk bij gebruik van polypropyleenvezels. Tijdens het opstijven van het beton kunnen de scheuren hersteld worden door het mechanisch of manueel dichtschuren van het oppervlak. De dag na het optreden van de scheurvorming, op een ogenblik dat de scheuren nog niet vervuild zijn, is het inborstelen van droog cement of het dichtsmeren met cementpasta ook dikwijls een geschikte methode om de scheuren af te dichten.

Verhardingskrimp

Water en cement reageren met elkaar en vormen cementsteen. Dit proces noemen we hydratatie. Het volume van de cementsteen is kleiner dan het volume van het water en cement voor de reactie. Deze volumevermindering noemen we chemische krimp of hydratatiekrimp. Door deze krimp ontstaan in de cementsteen microscheurtjes waardoor het gehalte aan poriën in de cementsteen vergroot. Uitwendig is er nauwelijks enige vormverandering meetbaar. Deze krimp draagt dus niet bij aan de scheurvorming aan het oppervlak van de betonconstructie.

Als er geen water van buiten wordt aangetrokken, zal door de voortgaande hydratatie het nog beschikbare water in de poriën van de cementsteen langzaam worden verbruikt. Dit leidt tot het uitdrogen van het poriënsysteem. Er ontwikkelt zich een steeds fijner poriënsysteem en de hoeveelheid water in de poriën neemt verder af. Hierdoor zal de cementsteen samentrekken. We noemen dit verschijnsel autogene krimp. Door de verharding van het beton zal de krimp van de cementsteen worden verhinderd. Dat resulteert in kleine scheurtjes in de betonmassa zelf. Bij mengsels met een lage water-cementfactor (≤ 0,40) en een hoog cementpastagehalte (bv. hogesterktebeton en zelfverdichtend beton met hogere sterkte) kan de autogene krimp aanzienlijk zijn omwille van de zeer fijne poriënstructuur van de cementsteen. Bij dit soort mengsels heeft het afdekken met een plastic folie of het aanbrengen van een curing compound geen enkel nut meer voor het beperken van de autogene krimp, wanneer het risico op plastische krimp is verdwenen. Dit kan zelfs schadelijk zijn omdat het doordringen van water verhinderd wordt terwijl dit juist de autogene krimp zal beperken. De beste manier om autogene krimp bij deze betons te beperken is het besproeien van het oppervlak met water of het afdekken met vochtig gehouden doeken.

Uitdrogingskrimp

Het water uit de betonspecie zal voor een groot deel worden gebruikt voor het hydratatieproces. De rest van het water kan uit het beton verdwijnen door uitdroging. Hoewel plastische krimp ook een vorm van uitdrogingskrimp is, wordt de term toegeschreven aan de krimp van verhard beton. Is de relatieve vochtigheid van de lucht kleiner dan die van het beton, dan zal het beton drogen, met het krimpen van de cementsteen tot gevolg. Uitdrogingskrimp, soms ook hydraulische krimp genoemd, is minder sterk dan plastische krimp en verloopt ook langzamer. Dat komt omdat de poriënstructuur fijner wordt naarmate het beton ouder wordt. Uitdrogingskrimp is het grootst aan het oppervlak, omdat die wordt blootgesteld aan de omgevingslucht. Hoe lager de relatieve vochtigheid van de lucht, hoe sneller het beton uitdroogt en hoe meer het zal krimpen. Ook de water-cementfactor, het cementgehalte en de cementsoort spelen een rol, want deze bepalen namelijk de fijnheid van de poriënstructuur. Een hoge water-cementfactor geeft een snellere uitdroging en een grotere krimp. Daarnaast beïnvloedt ook de vorm van de constructie de uitdroging. Een lange, slanke vorm zal sneller uitdrogen dan een massieve vorm. Ongeveer 25% van de totale krimp vindt plaats in de eerste twee weken na het storten van het beton. In de eerste drie maanden zal de krimp ongeveer 60% van de totale krimp bedragen. Uitdrogingskrimp is niet volledig omkeerbaar. Wanneer het beton na uitdroging weer nat wordt zal de mate van zwelling niet gelijk zijn aan de eerdere krimp.

De ontwerpend ingenieur kan maatregelen nemen door het voorzien van voldoende wapening op de juiste plaats en het aanbrengen van krimpvoegen om ongecontroleerde krimpscheuren te voorkomen. Inzagen is de meest gebruikte methode om krimpvoegen te realiseren in ter plaatse gestorte vloeren, maar het kan ook door middel van voegprofielen. Door het aanbrengen van voldoende wapening wordt de afstand tussen de scheuren en de scheurwijdte beperkt, op voorwaarde dat de wapening goed verdeeld is over de doorsnede (beter meer dunne staven dan minder dikke staven). Om de scheurvorming te verdelen over een groot aantal microscheurtjes kunnen ook staalvezels gebruikt worden. Polypropyleenvezels daarentegen dragen weinig of niets bij. De betontechnoloog kan door de hoeveelheid aanmaakwater te reduceren het risico op krimpscheuren beperken. De benodigde hoeveelheid aanmaakwater is immers kleiner bij het het gebruik van toeslagmaterialen met een continue korrelverdeling en een grote maximale korreldiameter. De water-cementfactor kan laag gehouden worden door het gebruik van waterreducerende hulpstoffen. Een goede nabehandeling heeft slechts weinig invloed op de uiteindelijke uitdrogingskrimp.

Thermische krimp in jong beton

Bij de reactie tussen water en cement ontstaat warmte. Hierdoor zal de temperatuur in het verhardende beton oplopen, waardoor jong beton wil uitzetten. Als deze uitzetting verhinderd wordt veroorzaakt dit drukspanningen. Deze blijven echter beperkt omdat het jonge beton bijna geen stijfheid bezit. Na verloop van een aantal dagen zal de warmteontwikkeling afnemen en zal het beton afkoelen en willen krimpen. Als deze krimp verhinderd wordt kan dit aanleiding geven tot scheurvorming. Er kan sprake zijn van inwendige en uitwendige verhinderde vervorming. Een klassiek voorbeeld van uitwendige verhinderde vervorming is een betonwand die gestort wordt op een reeds verharde vloer. Omdat de wand ter plaatse van de vloer niet vrij kan bewegen bestaat het risico dat tijdens het afkoelen de treksterkte van het beton wordt overschreden. Inwendige verhinderde vervorming komt vooral voor bij massieve constructies. De temperatuurstijgingen door de hydratatiewarmte zijn in dat geval vaak aanzienlijk. Zolang de bekisting blijft staan zullen temperatuurverschillen in de doorsnede beperkt blijven. Wanneer de bekisting wordt verwijderd zal de buitenkant van het beton afkoelen en willen krimpen. Deze krimp wordt verhinderd door het binnenste van de constructie. Een maximaal temperatuurverschil van 20°C tussen kern en de buitenkant van de betonconstructie is wenselijk. Een soortgelijk fenomeen kan zich voordoen onder zomerse omstandigheden wanneer door uitdroging de buitenste laag een lagere temperatuur bezit dan het beton daaronder. Deze temperatuurgradiënt veroorzaakt trekspanningen in het oppervlak die aanleiding kunnen geven tot scheurvorming. Hetzelfde effect wordt veroorzaakt door de daling van de temperatuur in een verhardende betonconstructie in de eerste nacht na het storten. Kritische periodes hiervoor zijn vooral het voor- en najaar, waarin de verschillen tussen de dag- en nachttemperatuur groot kunnen zijn. Ook bij versnelde verharding in de prefab industrie moet men rekening houden met mogelijke temperatuurgradiënten in het beton.

Het beperken van temperatuurgradiënten en temperatuurdaling in jong beton kan gebeuren door het gebruik van een isolerende bekisting. Het aanbrengen van een isolerende afdekking over pas gestorte betonoppervlakken kan noodzakelijk zijn in de kritische periodes. Het tijdstip waarop de bekisting wordt verwijderd is ook belangrijk. Identiek als bij de uitdrogingskrimp kan de ontwerpend ingenieur de scheurvorming beperken door voldoende wapening te voorzien of door krimpvoegen op de juiste plaatsen voor te schrijven. De betontechnoloog van zijn kant kan ervoor zorgen dat de warmteontwikkeling beperkt blijft. Factoren die een belangrijke rol hierbij spelen zijn de aanvangstemperatuur van de betonspecie, het cementgehalte en de cementsoort.

Craquelé

De water-cementfactor van het betonoppervlak kan plaatselijk veel hoger zijn door geringe ontmenging , bijvoorbeeld door sedimentatie. Maar ook een onzorgvuldige verdichting, bijvoorbeeld tegen de binnenkant van een stalen bekisting, kan resulteren in een plaatselijke overmaat aan cementpap waardoor de kwaliteit van het beton minder is in vergelijking met de rest van de constructie. De kwaliteit zal in dit geval zeker achterwege blijven bij onvoldoende nabehandeling. Temperatuurverschillen en uitdroging kunnen leiden tot een grillig scheurpatroon. Hoewel visueel minder aantrekkelijk zijn de ondiepe scheurtjes van weinig betekenis.

De ontwerpend ingenieur kan weinig doen om craquelé te voorkomen. De betontechnoloog kan het risico op craquelé verminderen door de consistentie van het beton zo laag mogelijk te houden. Hierdoor reduceert hij het risico op ontmenging. Om dezelfde reden kan hij de samenhang van het mengsel verhogen door een optimale korrelgradering en het toepassen van luchtbelvormer. Tijdens de uitvoering moet men zorgen voor een goede en correcte verdichting en nabehandeling. Een houten bekisting is minder gevoelig voor craquelé dan een dichte, gladde stalen bekisting. Wanneer een stalen bekisting door trilnaalden plaatselijk in trilling wordt gebracht kan dat aanleiding geven tot ontmenging aan het oppervlak.

Scheurvorming door corrosie

Wanneer een betonconstructie goed ontworpen en uitgevoerd is zal de betondekking de wapening voldoende beschermen tegen carbonatatie (het indringen van koolstofdioxide – CO2) en de indringing van chlorides. In het andere geval kan op termijn de wapening corroderen. Deze corrosievorming gaat gepaard met volumevermeerdering, waardoor scheurvorming zal ontstaan, gevolgd door het afdrukken van de betondekking.

Om scheurvorming door wapeningscorrosie te voorkomen moet de ontwerpend ingenieur weten in welke omgeving of milieu de constructie dienst zal doen. Op basis hiervan kiest hij de geschikte milieu- of omgevingsklasse. Hierdoor legt hij de minimale betondekking op de wapening vast, alsook de maximale water-cementfactor, het minimale cementgehalte , de minimale betonkwaliteit en het maximale chloridegehalte van de betonsamenstelling. Tijdens de productie zal de betontechnoloog waken over deze toelaatbare waarden. De waarden met betrekking tot de betonsamenstelling worden vastgelegd in de NBN EN 206 en NBN B 15-001, terwijl de betondekking vast gelegd wordt in de NBN EN 1992-1-1 + ANB. Tijdens de uitvoering moet in de eerste plaats de minimum betondekking gerespecteerd worden. Verder moet een goede nabehandeling van het beton zorgen voor een betondekking met een dichte structuur.

Trekscheuren

Deze scheuren kunnen ontstaan wanneer betonconstructies of betonelementen worden vervaardigd door middel van een glijbekisting. Wanneer de wrijving tussen de betonspecie en de glijbekisting aanleiding geeft tot trekspanningen die groter zijn dan de treksterkte van het jonge plastische beton, zal de betonspecie uit elkaar getrokken worden (Afbeelding 9).

Om een goede glijlaag te bekomen moet het aardvochtig beton voldoende cementpasta bevatten. Te veel pasta kan echter resulteren in een grote kleef tussen het mengsel en de bekisting, wat het risico op trekscheuren vergroot. Een vuile glijbekisting zorgt voor een grotere wrijving tussen bekisting en betonspecie en een te snelle opstijving van het beton kan ervoor zorgen dat de betonspecie zich aan de bekisting hecht.

Trekscheuren hebben soms een aanzienlijke opening. Herstellen van de scheuren is vaak niet mogelijk. Stoppen met storten en de oorzaak verhelpen is meestal de enige remedie, plus het vervangen van de slechte stroken.

Herstellen of niet?

Zichtbare, onverwachte scheuren roepen nogal eens de vraag op: “Is reparatie noodzakelijk?”. De beslissing om over te gaan tot herstelling is gebaseerd op het onderscheid tussen constructieve veiligheid, gebruiksfunctie en esthetische functie. Is de constructieve veiligheid nog gewaarborgd? Is de gebruiksfunctie onvoldoende geworden? Voldoet de esthetische functie niet meer aan de eisen? Duurzaamheid is voor elk van deze drie categorieën van belang.

Indien door de scheurvorming een deel van de wapening ‘bloot’ komt te liggen kan de constructieve veiligheid op termijn in gedrang komen en is een herstelling meestal aan de orde. Dit risico bestaat - binnen de scheuren behandeld in dit artikel - enkel bij scheuren veroorzaakt door corrosie van de wapening, op voorwaarde dat voldoende maatregelen genomen werden om de andere soorten van scheurvorming te voorkomen of te beperken. Indien door de scheurvorming niet meer aan de eisen van waterdichtheid kan voldaan worden, is de gebruiksfunctie ontoereikend en zal een herstelling ook nodig zijn. Scheuren die de constructieve veiligheid en de gebruiksfunctie van de constructie niet aantasten verminderen vaak de esthetische waarde ervan. Zeker in een buitenomgeving wordt de scheur vaak vervuild door meegevoerde verontreinigingen of opgeloste kalk uit het beton. Bovendien kunnen vuil en algen zich hechten op de voortdurend vochtige plaats rond de scheur. In deze gevallen is het daarom ook soms aangewezen om tot herstelling over te gaan. Opgelet, het herstellen van scheuren kan vaak niet onzichtbaar worden uitgevoerd. Dit is belangrijk bij zichtbeton en geprefabriceerde elementen van architectonisch beton. Voor dit soort constructies is een scheurwijdte van 0,2 mm aanvaardbaar. Een herstelling zal meestal niet leiden tot een beter resultaat.

Afhankelijk van de situatie moet een hersteladvies duidelijk onderscheid maken tussen maatregelen gericht op constructief herstel en maatregelen gericht op het afdichten van de scheur. In beide gevallen kunnen scheuren hersteld worden door ze op te vullen of te injecteren. Het opvullen gebeurt met krimpvrije herstelmortel. Voor reparaties door middel van injecteren komen cementgebonden producten en een groot scala aan kunstharsen (op basis van polyurethaan, epoxy of een combinatie van beide) in aanmerking. Zeer fijne oppervlaktescheurtjes kunnen niet opgevuld of geïnjecteerd worden. Hier is het afdichten van de scheuren door middel van een beschermende coating aangewezen indien dit nodig is voor de duurzaamheid. De meeste herstelproducten op de markt beantwoorden aan de voorschriften van de normenreeks NBN EN 1504 - Producten en systemen voor het beschermen en herstellen van betonconstructies. Bij de keuze van herstelmateriaal is het aangewezen om advies in te winnen bij de producenten van deze producten.

We moeten ons niet laten afschrik­ken door alle hierboven genoemde vormen van scheurvorming. Kiezen voor geprefabriceerde betonelemen­­ten geeft de aannemer meer zekerheid omdat de maatregelen voor de beperking van de scheurenvorming in een fabriek beter beheerst worden. Het zijn namelijk allemaal ‘gewone’ chemische en fysische processen die onlosmake­lijk verbonden zijn aan de keuze voor het materiaal beton. Het ontstaan van scheuren in een beton­constructie vormt in de meeste gevallen geen gevaar voor de constructieve veiligheid, scheurvorming door over­ belasting buiten beschouwing gelaten. Afhankelijk van aspecten met betrekking tot duurzaamheid en esthetiek dient wel altijd beoordeeld te worden of een herstelling aangewezen is of niet.