Hydratatie

Beton droogt niet, het hydrateert. Dit is een cruciaal onderscheid voor iedereen op de bouwplaats. Zodra water in contact komt met de cementdeeltjes, start een onomkeerbaar proces waarbij vloeibare pasta verandert in een steenachtige massa. Er ontstaan microscopische kristallen, voornamelijk calcium-silicaat-hydraten (C-S-H), die als een fijnmazig netwerk in elkaar groeien. Deze structuur overbrugt de ruimte tussen de toeslagmaterialen zoals zand en grind. Het proces begint razendsnel. Binnen enkele uren is de eerste binding een feit, maar de volledige sterkteontwikkeling is een zaak van de lange adem. De eerste 28 dagen zijn maatgevend voor de constructieve berekeningen, al kan de reactie in de kern van een massieve constructie nog jarenlang zeer traag voortduren. De balans tussen water en cement is hierbij heilig. Te weinig water stopt de reactie voortijdig, terwijl een overschot aan water leidt tot capillaire poriën die de dichtheid en daarmee de vorstbestendigheid van het beton ondermijnen.

Water ontmoet cement. De reactie start onmiddellijk in de mengtrommel. In de praktijk blijft de specie verwerkbaar tijdens de inductieperiode, de korte rustfase vlak na het mengen. Daarna versnelt de kristalvorming. De vloeibare massa verstijft en de hydratatiewarmte komt vrij. Deze temperatuurstijging is vooral bij omvangrijke betonstorten een kritiek gegeven. Warmte moet weg. Of de koeling moet gecontroleerd verlopen om thermische spanningen te beperken. Om de chemische reactie te voltooien, is de aanwezigheid van water gedurende de eerste uithardingsfase essentieel. In de praktijk wordt de verdamping van het aanmaakwater daarom geblokkeerd door het afdekken van de constructie of door het nevelen van water. Dit garandeert dat de cementkorrels volledig kunnen reageren. De dichtheid van de betonmatrix neemt hierdoor gestaag toe. De sterkteontwikkeling is in de beginfase het meest intensief, waarna de reactiesnelheid logaritmisch afneemt.

Niet elke hydratatie verloopt volgens hetzelfde chemische script. Bij Portlandcement spreken we van een directe hydraulische reactie. Water ontmoet klinker. De reactie is direct en intens. Maar bij hoogovencement (CEM III) ligt dat genuanceerder. Daar is sprake van een latente hydraulische werking van de slakken. De slak wacht. Hij heeft een activator nodig, meestal de calciumhydroxide die vrijkomt bij de hydratatie van het aanwezige Portlandklinker-deel. Een vertraagde start met een vaak hogere uiteindelijke dichtheid.

Puzzolane reacties

Puzzolane reacties vormen een specifieke variant. Materialen zoals vliegas of silicafume zijn op zichzelf niet hydraulisch. Ze doen niets met water alleen. Deze stoffen reageren pas in tweede instantie met de vrije kalk (calciumhydroxide) die als bijproduct ontstaat tijdens de primaire hydratatie. Dit proces vult de microscopische gaatjes in de cementsteen. Het resultaat is een beton met een lagere permeabiliteit.

Terminologische verwarring

In de praktijk worden termen vaak door elkaar gehaald. Een overzicht van de nuances:

• Binding (Initial set): De overgang van vloeibare pasta naar een stijve massa. De specie is niet meer verwerkbaar.
• Verharding (Hardening): De fase na de binding waarbij de mechanische sterkte toeneemt.
• Carbonatatie: Geen hydratatie, maar een reactie met CO2 uit de lucht. Dit verlaagt de pH-waarde van het beton, wat riskant is voor de wapening.

Soms spreekt men van 'valse binding'. Een vervelend fenomeen. De specie lijkt hard te worden door de kristallisatie van gips, maar door door te mengen wordt het weer vloeibaar. Echte hydratatie laat zich niet terugdraaien door een menger. Het is een eenrichtingsweg naar sterkte.

Zon op een vers gestorte betonvloer. De uitvoerder rolt direct PE-folie uit over het oppervlak. Dit is geen bescherming tegen regen, maar tegen de hitte. De hydratatie heeft elk molecuul water nodig om de kristalgroei te voltooien. Verdampt het water te snel? Dan stopt de chemische reactie voortijdig en blijft de toplaag bros en stoffig achter. De constructieve sterkte wordt dan simpelweg niet gehaald.

Denk aan een massieve funderingspoer voor een windturbine. Een dag na de stort voelt de bekisting handwarm aan. Soms zelfs heet. Dat is de exotherme energie van de hydratatie in actie. Bij zulke enorme volumes is de warmteontwikkeling een serieus risico; de kern zet uit terwijl de buitenkant afkoelt, wat leidt tot thermische scheuren. Hier wordt soms gekoeld met koudwaterleidingen midden in het beton om de reactiesnelheid en de temperatuurgradiënt beheersbaar te houden. De chemie werkt hier bijna té enthousiast.

Een metselaar die zijn specie te lang laat staan. De kuip wordt stijf. Even wat extra water erbij en flink doorroeren lijkt de oplossing, maar het is een constructieve valkuil. De eerste hydratatieproducten zijn al gevormd. Door het extra water vergroot je de afstand tussen de cementdeeltjes. De uiteindelijke verbinding tussen de stenen wordt zwakker omdat de kristalstructuur letterlijk wordt 'verdund'. De chemische weg van cement is immers eenrichtingsverkeer; wat eenmaal gereageerd heeft, laat zich niet meer herstarten door simpelweg te mengen.

Nabehandeling is geen luxe, het is een normatieve verplichting. NEN-EN 206-1 laat weinig ruimte voor interpretatie. Wie de hydratatie verwaarloost, overtreedt direct de technische voorschriften voor betonuitvoering. De Nederlandse invulling hiervan, vastgelegd in NEN 8005, koppelt de duur van de nabehandeling aan de snelheid waarmee het cement reageert. Zonder vocht geen kristalgroei. Een gestopte hydratatie leidt onherroepelijk tot een inferieure toplaag.

De Eurocode 2 (NEN-EN 1992) hanteert de 28-daagse druksterkte als juridisch en constructief ijkpunt. Deze termijn is onlosmakelijk verbonden met de chemische voortgang van de hydratatie. Voor de feitelijke uitvoering op de bouwplaats is NEN-EN 13670 de leidraad. Hierin staan de regels voor het voorkomen van voortijdige uitdroging. Het proces moet beschermd worden. Zon, wind en lage luchtvochtigheid zijn de vijanden van een gezonde reactie.

Beheersing van warmte

Bij omvangrijke betonstorten zijn specifieke richtlijnen van kracht om de exotherme reactie te beteugelen. De hydratatiewarmte mag niet leiden tot onaanvaardbare temperatuurverschillen tussen de kern en de buitenkant van het beton. CUR-Aanbevelingen bieden hier praktische kaders voor het berekenen van koelsystemen of isolatiemaatregelen. Het doel? Thermische scheurvorming voorkomen. Een scheur door warmtespanning is immers een direct falen van de zorgplicht die in het Besluit Bouwwerken Leefomgeving (BBL) besloten ligt ten aanzien van de constructieve veiligheid.

Norm	Relevantie voor Hydratatie
NEN-EN 197-1	Definieert bindmiddelen en hun reactiesnelheid.
NEN-EN 206 / NEN 8005	Eist nabehandeling om hydratatie te waarborgen.
NEN-EN 13670	Stelt eisen aan de uitvoering en bescherming van vers beton.
NEN-EN 1992 (Eurocode 2)	Rekent met de sterkte die voortkomt uit de hydratatiegraad.

De Romeinen wisten het al, al snapten ze de moleculen niet. Ze mengden vulkanische as uit Pozzuoli met kalk en water, een recept dat de basis legde voor wat we nu puzzolane hydratatie noemen. De echte technische doorbraak kwam echter pas toen John Smeaton in 1756 de Eddystone-vuurtoren moest herbouwen. Hij zocht naar een bindmiddel dat niet oploste in de beukende golven van het Kanaal. Smeaton ontdekte dat kleihoudende kalksteen cruciaal was voor de hydraulische eigenschappen; het beton werd onder water harder dan in de lucht. Een revolutionair inzicht.

In 1824 patenteerde Joseph Aspdin zijn Portlandcement. Hij bakte kalksteen en klei tot een klinker, maar de exacte chemische interactie met water bleef nog decennia een zwart gat voor de wetenschap. Het was een proces van vallen en opstaan op de bouwplaats. Pas aan het eind van de 19e eeuw bracht Henry Le Chatelier de wetenschappelijke ratio. Hij identificeerde door zijn microscoop de kristalvorming en bewees dat hydratatie geen simpele droging was, maar een complexe chemische kristallisatie. Deze ontdekking veranderde beton van een empirisch mengsel in een technisch bouwmateriaal.

De twintigste eeuw markeerde de overgang naar beheersing. Waar men vroeger simpelweg wachtte tot het hard was, ontstond na de Tweede Wereldoorlog de behoefte aan snelheid en voorspelbaarheid. De introductie van hoogovencement in Nederland, rond de jaren '30, dwong constructeurs anders te kijken naar de reactiesnelheid. Latente hydraulische eigenschappen vroegen om geduld en andere nabehandelingstechnieken. Sinds de jaren '70 verschoof de focus naar de microscopische schaal; de ontwikkeling van superplastificeerders en silicafume maakte het mogelijk de hydratatie op de vierkante micrometer te beïnvloeden. De chemie is nu leidend, de uitvoering volgt.

• https://nl.wikipedia.org/wiki/Cement_(bouwmateriaal
• https://www.becosan.com/nl/wat-is-cement-in-de-bouwwereld/
• https://www.joostdevree.nl/shtmls/hydratatie.shtml
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Hydratatie
• https://mcb-techniek.nl/beton-uitharding-monitoring-2/
• https://www.febelcem.be/fileadmin/user_upload/nl/pdf/4_legendes_nl.pdf
• https://www.joostdevree.nl/bouwkunde2/jpgb/beton_warmteontwikkeling_hydratatie_www_enci_nl.pdf