Ettringiet

In de vroege fase van de betonverharding is de vorming van ettringiet een essentieel proces. Het reguleert de binding van de cementpasta. Zonder de aanwezigheid van gips (sulfaat) zou het cement onmiddellijk 'flitsen' of te snel opstijven. De kristallen groeien in de vloeibare fase en vormen een raamwerk dat bijdraagt aan de eerste sterkteontwikkeling. Zolang het beton plastisch is, kan de volumetoename van deze kristallen probleemloos worden opgevangen. Het gevaar schuilt echter in de late vorming. Wanneer ettringiet zich pas ontwikkelt in een reeds uitgeharde, starre betonmatrix, fungeert het als een expanderend krachtenveld. De interne spanningen die hierbij vrijkomen overstijgen de treksterkte van het beton, wat leidt tot onherstelbare structurele schade.

De vorming van ettringiet start op het moment dat aanmaakwater in contact komt met de cementklinker. Er ontstaat een directe chemische reactie. Opgeloste sulfaten, afkomstig van het toegevoegde gips, reageren met de calciumaluminaten uit het cement. Tijdens deze vroege hydratatiefase slaan microscopisch kleine, naaldvormige kristallen neer in de vloeibare fase van de cementpasta. Deze kristallen vormen aanvankelijk een dunne laag rond de cementkorrels, een proces dat de hydratatiesnelheid tijdelijk vertraagt en de verwerkbaarheid van de specie garandeert.

Het proces werkt als een natuurlijk remmechanisme. Zonder deze reactie zou de cementpasta direct verstijven door een ongecontroleerde reactie van de aluminaten. Terwijl de hydratatie vordert, vullen de ettringietnaalden de poriënruimte, wat bijdraagt aan de initiële structuuropbouw van de jonge betonmatrix. Zolang het beton plastisch is, vindt deze volumetoename plaats zonder interne schade aan te richten. De kristallen groeien simpelweg in de beschikbare ruimte tussen de overige bestanddelen.

Een kritiek punt in het proces ontstaat bij afwijkende thermische omstandigheden of latere sulraatinfiltratie. Indien de kerntemperatuur van het beton tijdens de verharding boven circa 65 tot 70 graden Celsius stijgt, wordt de vorming van primair ettringiet onderdrukt of valt het mineraal zelfs uiteen. Na afkoeling kunnen de componenten zich in een later stadium, soms pas na jaren, opnieuw samenvoegen tot ettringiet. Omdat het beton op dat moment een starre, uitgeharde structuur heeft, leidt de groei van deze nieuwe kristallen tot een enorme expansiedruk. De matrix wordt van binnenuit ontwricht. Micro-scheuren ontstaan. De structurele integriteit neemt af door deze interne spanningen die de treksterkte van het materiaal overstijgen.

De primaire oorzaak van schade door ettringiet ligt in thermische overbelasting tijdens de vroege hydratatiefase. Wanneer de kerntemperatuur van vers beton boven de kritieke grens van circa 70 graden Celsius stijgt, bijvoorbeeld door de massiviteit van een constructie of een te intensieve stoomverharding in de prefab-industrie, wordt de stabiele vorming van primair ettringiet verhinderd. De aanwezige sulfaten worden dan chemisch gebonden aan de calcium-silicaat-hydraten (C-S-H) of blijven achter in de porievloeistof. Dit legt de kiem voor latere problemen. Pas maanden of jaren later, wanneer het beton is afgekoeld en blootgesteld wordt aan vocht, komen deze sulfaten weer vrij om alsnog met de calciumaluminaten te reageren. Dit proces staat bekend als vertraagde ettringietvorming (DEF).

De gevolgen zijn ingrijpend. Omdat het mineraal zich pas ontwikkelt in een volledig uitgeharde en starre betonmatrix, kan de gepaard gaande volumetoename nergens heen. De kristalgroei genereert een enorme interne expansiedruk die de beperkte treksterkte van het beton al snel overstijgt. Het resultaat is destructief. Er ontstaan karakteristieke microscheuren rondom de grove toeslagmaterialen, waardoor de hechting tussen de cementpasta en de granulaten verloren gaat. Op macroscopisch niveau uit dit zich vaak in een typerend patroon van netwerkvormige scheurvorming aan het oppervlak. De structurele integriteit neemt af. Door de ontstane openingen krijgt de indringing van water en schadelijke stoffen zoals chloriden bovendien vrij spel, wat andere degradatieprocessen versnelt. De matrix verliest haar samenhang en de constructieve veiligheid komt op termijn in het gedrang.

Primair versus secundair ettringiet

In de betontechnologie maken we een scherp onderscheid tussen de gewenste formatie en de destructieve varianten. Primair ettringiet is de architect van de vroege fase. Het is onmisbaar. Een vliegensvlugge reactie die de verwerkbaarheid redt. Zonder deze vroege kristallen zou de specie direct 'verbranden'. Timing bepaalt hier de functie. Terwijl de constructeur rekent op de vroege sterkte die deze naalden bieden, schuilt het gevaar in de latere omzetting van de stabiele fasen naar expansieve kristallen door externe sulfaatinfiltratie of interne instabiliteit.

Secundair ettringiet ontstaat vaak veel later in de levensduur van een constructie. Het is geen ander mineraal qua chemische formule, maar de context is totaal anders. Het vormt zich in de poriën van reeds uitgehard beton. Soms onschuldig, als witte uitslag in holtes, maar vaak fungeert het als de motor achter scheurvorming. Wanneer men spreekt over Delayed Ettringite Formation (DEF), doelt men specifiek op deze secundaire vorming die wordt uitgelokt door een thermische schok tijdens de vinitiale verharding.

Chemische nuances: AFt- en AFm-fasen

De specialist kijkt voorbij de naam ettringiet en classificeert het mineraal binnen de AFt-fase. Dit staat voor Aluminaat-Ferriet-tri-sulfaat. Het kenmerkt zich door de drie sulfaatgroepen in de kristalstructuur. Wanneer de sulfaatvoorraad in de porievloeistof opraakt, kan ettringiet instabiel worden. Het zet zich dan om in de AFm-fase (monosulfaat). Dit is een volkomen normaal proces in de hydratatie-estafette van cement. Echter, zodra er weer extra sulfaten van buitenaf binnendringen — denk aan zeewater of verontreinigd grondwater — keert dit proces om. De AFm-fase zwelt weer op tot de volumineuze AFt-fase. Interne expansie is het onvermijdelijke gevolg. Het beton bezwijkt onder eigen spanning.

Onderscheid met thaumasiet

Vaak treedt er verwarring op met thaumasiet. Hoewel de naaldvormige kristallen onder de microscoop uiterlijk sterk op ettringiet lijken, is de chemische basis fundamenteel anders. Thaumasietvorming vereist silicaat en carbonaat. Het is een veel agressievere vorm van aantasting. Waar ettringiet vooral spanning opbouwt en de matrix doet scheuren, vreet thaumasiet de C-S-H-bindingen — de lijm van het beton — direct op. De constructie verliest dan niet alleen haar samenhang, maar verandert letterlijk in een zachte, brijige massa zonder enige reststerkte. Een destructieve metamorfose. Verwarring tussen beide is gevaarlijk voor de juiste diagnose van betonrot.

Een massieve funderingspoer vormt een klassiek risico. Tijdens de verharding loopt de kerntemperatuur op tot boven de 75 graden Celsius door de enorme hydratatiewarmte. Aan de buitenkant oogt het beton na ontkisting perfect. Echter, na een jaar of zes in een vochtige omgeving begint de schade. Er ontstaat een fijnmazig netwerk van scheuren, het zogenaamde 'craquelé-effect', doordat de verlate kristalgroei de matrix van binnenuit letterlijk uit elkaar drukt.

In de prefab-industrie komt men ettringiet tegen bij geforceerde uitharding. Denk aan betonnen liggers die via stoomverharding snel op sterkte worden gebracht. Wordt de stoomcyclus niet nauwkeurig gemonitord en schiet de temperatuur door? Dan wordt de kiem gelegd voor Delayed Ettringite Formation (DEF). De liggers kunnen na montage in een viaduct, blootgesteld aan regen en temperatuurwisselingen, na enkele jaren tekenen van expansie vertonen. De constructieve veiligheid komt dan direct in het geding.

Kijk naar een rioolbuis in sulfaatrijk grondwater. Hier komt het proces van buitenaf. Het beton is niet uitgevoerd met sulfaatbestendig cement (HSR). Het binnendringende grondwater reageert met de cementsteen. Een inspecteur ziet dan vaak witte, wollige kristallen in de poriën en langs de randen van het toeslagmateriaal. Het beton voelt op die plekken brokkelig aan; de samenhang tussen de grindkorrels en de pasta is door de interne expansiedruk simpelweg verbroken.

Een ander beeld is te zien bij de overgang van ettringiet naar thaumasiet in koude, vochtige kelders. Waar ettringiet zorgt voor harde expansie en scheuren, transformeert de betonstructuur bij thaumasiet-aantasting in een zachte, papachtige substantie. Je kunt het materiaal dan met een schroevendraaier zonder moeite wegschrapen. Het is het eindstadium van chemische degradatie waarbij de vroege 'helper' ettringiet de weg heeft vrijgemaakt voor totale destructie.

Normen bewaken de integriteit. In de Nederlandse betonbouw fungeert de NEN-EN 206, in combinatie met de nationale aanvulling NEN 8005, als het bindende kader voor de materiaalsamenstelling. Deze normen specificeren de milieuklassen XA1, XA2 en XA3. Ze zijn essentieel voor constructies die in contact komen met sulfaatrijk grondwater of agressieve chemische omgevingen. Het Besluit bouwwerken leefomgeving (BBL) stelt fundamentele eisen aan de constructieve veiligheid en duurzaamheid. Naleving van deze NEN-normen geldt daarbij als de technische onderbouwing om aan de wet te voldoen.

Voor de uitvoering op de bouwplaats is NEN-EN 13670 de leidraad. Deze norm stelt indirect eisen aan de warmtehuishouding tijdens de hydratatiefase van vers beton. Vooral bij massieve constructies of prefab-elementen is temperatuurbewaking cruciaal. Men moet voorkomen dat de interne temperatuur de kritieke grens overschrijdt die vertraagde ettringietvorming (DEF) triggert. Hoewel er geen specifieke 'ettringietwet' bestaat, verplicht de Eurocode 2 de constructeur om rekening te houden met alle invloeden die de duurzaamheid aantasten. Het gebruik van gecertificeerde cementsoorten volgens NEN-EN 197-1, specifiek de aanduiding HSR voor hoge sulfaatbestendigheid, is in agressieve milieus vaak een contractuele en technische noodzaak. Zo wordt aan de wettelijke zorgplicht voldaan. De regels dwingen beheersing af.

Ettringiet dankt zijn naam aan Ettringen. Een kleine plaats in de Duitse Eifel. Daar werd het mineraal in 1874 voor het eerst beschreven door de mineraloog J. Lehmann, die het aantrof in holtes van vulkanisch gesteente. Destijds was het een geologische curiositeit. De link met de bouwsector ontstond pas later, toen de chemie van Portlandcement werd ontrafeld. Onderzoekers zoals Henry Le Chatelier ontdekten rond de eeuwwisseling dat de vorming van deze kristallen dé sleutel was tot het beheersen van de bindingstijd van beton. Zonder de reactie tussen gips en calciumaluminaten bleef de specie onbeheersbaar. Het 'flitsen' van cement werd door deze chemische ontdekking getemd.

Lange tijd werd ettringiet uitsluitend als een positieve factor beschouwd. Een nuttig raamwerk voor de vroege sterkte. Dit perspectief kantelde drastisch in de tweede helft van de twintigste eeuw. In de jaren tachtig van de vorige eeuw doken onverklaarbare schades op bij betonnen spoorbielzen en gestoomde prefab-elementen. De term Delayed Ettringite Formation (DEF) deed zijn intrede in de technische literatuur. Wetenschappers ontdekten dat de thermische geschiedenis van het beton de stabiliteit van het mineraal beïnvloedde. Wat een stabiele factor leek, bleek een tikkende tijdbom bij verkeerde procescondities. Deze historische verschuiving in inzicht leidde direct tot de huidige strikte temperatuurnormen tijdens de betonverharding en de ontwikkeling van specialistische, sulfaatbestendige cementen (HSR).

• https://www.betoniek.nl/artikelen/vijf-vinkjes-voor-thaumasiet
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Ettringiet
• https://www.encyclo.nl/begrip/Portlandcement
• https://af.wikipedia.org/wiki/Ettringiet