Bepalen betondruksterkte van een (weg)constructie

Kwaliteitscontrole op betonwerk is er vooral op gericht om vooraf een betrouwbare uitspraak te kunnen doen over de uiteindelijke eigenschappen van beton. Daartoe beschikken we over een uitgebreid instrumentarium. Er kan echter ook behoefte zijn aan beoordeling achteraf, zoals bijvoorbeeld bij het beoordelen van een (cement)betonverharding of het beoordelen van de staat van een bestaande betonconstructie. Welke methoden staan ons dan ter beschikking? En hoe moeten we daarmee omgaan?

In veruit de meeste gevallen is er vertrouwen dat de druksterkte van het beton in een nieuw vervaardigd constructiedeel voldoet aan de benodigde druksterkte. Dat vertrouwen is terecht als het beton is gemaakt en geleverd volgens de betonnorm, en de verwerking en nabehandeling zijn gedaan volgens de uitvoeringsnorm. Maar er zijn ook situaties waarbij twijfel ontstaat. Die twijfel kan verschillende oorzaken hebben. Wat moeten we in die gevallen doen?

De druksterkte is voor beton één van de belangrijkste eigenschappen. Je kunt die sterkte op verschillende manieren uitdrukken: de karakteristieke waarde, de gemiddelde waarde of de rekenwaarde. De sterkte kan ook op verschillende manieren worden vastgesteld, bijvoorbeeld aan de hand van proefkubussen of -cilinders, eventueel aangevuld met de methode van gewogen rijpheid. Voor één en hetzelfde beton kunnen al deze waarden flink anders uitvallen. In de praktijk bestaat er nog wel eens verwarring over welke waarde van de sterkte het nu gaat.

De sterkte van beton wordt doorgaans uitgedrukt in een sterkteklasse. Dit is een statische waarde en zegt iets over de minimale sterkte na 28 dagen verharden onder geconditioneerde omstandigheden. De sterkteklasse zegt dus niets over de sterkteontwikkeling en ook niet hoe hoog de sterkte in een constructie werkelijk is.

De sterkteklasse heeft betrekking op de minimale karakteristieke waarde van de druksterkte. Met het begrip karakteristiek wordt rekening gehouden met de spreiding in de sterkte. Onder de karakteristieke waarde van een betonsterkteklasse wordt verstaan: die waarde die door niet meer dan 5% van alle te verwachten uitslagen van drukproeven wordt onderschreden. Deze waarde wordt bepaald door de betonproducent aan de hand van de gemeten sterkten en standaardafwijking van proefstukken (figuur 1).

De sterkteklasse van beton wordt uitgedrukt in een notatie C (concrete) met twee getallen, bijvoorbeeld C30/37. Het eerste getal staat voor de minimale karakteristieke cilinderdruksterkte (f_ck), het tweede voor de karakteristieke kubusdruksterkte (f_{ck cube}). Beide waarden worden bepaald na 28 dagen verharden, onder voorgeschreven omstandigheden: het beton is gestort in gestandaardiseerde mallen, verdicht op een triltafel, verhard bij een temperatuur van 20 ± 2 °C en een relatieve vochtigheid van minimaal 95%, en heeft zonder schokken en trillingen kunnen verharden. Deze voorgeschreven omstandigheden zijn er om de druksterkten van verschillende betonsamenstellingen onderling te kunnen vergelijken. Maar het zijn ook omstandigheden die ervoor zorgen dat het beton na 28 dagen een relatief hoge druksterkte bereikt.

In een werkelijke constructie is de situatie anders. Zelfs als beton wordt verwerkt en nabehandeld conform de uitvoeringsnorm, is de karakteristieke druksterkte van beton in de constructie (f_ck,is,28 / f_{ck,cube,is,28}) normaal gesproken wat lager dan de karakteristieke druksterkte van hetzelfde beton bepaald in het laboratorium. Redenen hiervoor zijn onder andere dat de plaatsing, de verdichting, de temperatuur tijdens de verharding en de nabehandeling in de praktijk anders zijn dan de optimale omstandigheden in het laboratorium.

Ook kan het beton in een constructie in de eerste stadia van verharden te maken krijgen met schokken en trillingen door bijvoorbeeld bouwwerkzaamheden of verkeer, die een negatieve invloed hebben op de druksterkteontwikkeling.
Daar tegenover staat dat beton in een constructie minder vochtig kan zijn dan het beton in het laboratorium hetgeen juist een positief effect heeft op de druksterkte. Bij een vergelijking tussen de druksterkte in het laboratorium en in de constructie gaan we altijd uit van beton met een vergelijkbare ouderdom.

Het verschil tussen cilinderdruksterkte en kubusdruksterkte zit hem in de proefstukken waarmee de druksterkte wordt vastgesteld: met cilinders of met kubussen. Hetzelfde beton zal bij een beproeving op kubussen een hogere sterkte geven dan bij een beproeving op cilinders. Dit komt door de afwijkende geometrie van het proefstuk (figuur 2).

Bij een kubus zijn alle riblengten gelijk aan elkaar, bij een cilinder bedraagt de hoogte 2x de diameter van de cilinder. Kortom: in het geval van een cilinder is de hoogte/breedteverhouding 2, bij een kubus is deze 1.
In Nederland wordt de sterkteklasse doorgaans bepaald aan de hand van kubussen met een riblengte van 150mm. Er wordt dan dus een karakteristieke kubusdruksterkte bepaald (waarde voor y in de sterkteklasseaanduiding Cx,y).

Bij de beoordeling van de betondruksterkte in een constructie is het praktisch niet mogelijk om een beoordeling te doen aan de hand van een kubus. De beoordeling kan hierbij enkel worden gedaan aan de hand van een uit de constructie genomen boorkern. Betekent dit dan automatisch dat de betondruksterkte in een constructie automatisch getoetst wordt aan de cilinderdruksterkte(f_ck,is)?

Voor de beoordeling van de betondruksterkte in een constructie bestaat er een verschil in benadering tussen wegconstructies en van een reguliere constructie zoals gebouwen en viaducten

NEN-EN 13791 geeft verschillende methoden als er twijfel is over de druksterkte van het beton in een nieuw vervaardigde constructie. Allereerst moet worden gekeken of de betoncentrale aangeeft dat de door hun gemeten 28-daagse karakteristieke betondruksterkte voldoet aan de druksterkteklasse (conformiteit). Als dit het geval is, kan worden gekozen uit de volgende drie methoden:

• Indirecte testmethode, zoals de terugslagwaarde of de ultrasone pulssnelheid. Deze methode geeft slechts een indicatie of de druksterkte van het beton in de constructie voldoet, waarbij de kalibratie van de apparatuur bepaalt hoe goed deze indicatie is.
• Geboorde kernen, waaruit proefstukken worden gemaakt waarvan de druksterkte wordt bepaald.
• Een combinatie van een indirecte testmethode en geboorde kernen. Vanwege het gebruik van de indirecte testmethodehoeven minder kernen te worden geboord dan bij de methode met alleen geboorde kernen.

In dit artikel wordt enkel de methode met de geboorde kernen behandeld.

NEN-EN 13791 heeft als uitgangspunt dat de druksterkte van een geboorde betonnen kern overeenkomt met de druksterkte van dat beton in de constructie. In werkelijkheid is dat niet vanzelfsprekend. De volgende factoren hebben namelijk invloed op de gemeten druksterkte van de geboorde kern:

• vochtgehalte van de kern (hoe droger, hoe hoger de druksterkte)
• wapening loodrecht op de boorrichting (negatieve invloed)
• wapening evenwijdig aan de boorrichting (positieve invloed)
• lengte-diameterverhouding (l : d) van de kern (hoe hoger de verhouding, hoe lager de druksterkte)
• diameter van de kern in relatie tot de grootte van het toeslagmateriaal (dit heeft met name invloed op de variatie in druksterkteresultaten: hoe kleiner de diameter, hoe groter de variatie)
• vlakke zijden van de kern (tweevoudige invloed: hoe ruwer het oppervlak, hoe lager de druksterkte, en hoe groter de afwijking van de parallelle vlakken, hoe lager de druksterkte)
• het boren zelf (kan negatieve invloed hebben)
• scheuren en relatief grote holten (negatieve invloed)

De norm stelt daarom voorwaarden aan de kernen. Als hieraan wordt voldaan, geldt het genoemde uitgangspunt dat de druksterkte van een geboorde betonnen kern overeenkomt met de druksterkte van dat beton in de constructie. Deze voorwaarden zijn:

• De kernen moeten worden verkregen, bewaard, voorbereid en getest volgens NEN-EN 12504-1, waarbij ze moeten worden bewaard in afgesloten containers zodat het vochtgehalte aansluit bij het vochtgehalte in de constructie
• Kernen mogen geen wapening evenwijdig aan de boorrichting en bij sterke voorkeur geen wapening loodrecht op de boorrichting bevatten.
• NEN-EN 13791 gaat uit van cilinderdruksterkten en daarom ook van kernen met een verhouding van 2:1(l:d). Het is toegestaan kernen met een verhouding van 1:1(l:d) te testen; de gemeten druksterkte wordt dan vermenigvuldigd met de factor 0,82 (bij normaal en zwaar beton). Andere verhoudingen zijn niet toegestaan.
• De diameter van de kern is minimaal 75 mm. Als dit onmogelijk is vanwege wapening, is een diameter van minimaal 50 mm toegestaan (bij een (l : d)-verhouding van 1 : 1) maar moeten meer kernen worden getest.

Als er kernen met scheuren of relatief grote holten zijn, moet dit worden vermeld bij het testresultaat. In de praktijk wordt van dit soort kernen normaal gesproken geen druksterktebepaald. Verder is het verstandig van elk proefstuk de volumieke massa te bepalen voordat de druksterkte wordt bepaald. Een volumieke massa die lager is dan verwacht, kan namelijk een indicatie zijn voor een druksterkte die lager is dan verwacht.
Ten slotte moeten de geboorde betonnen kernen op het moment van testen een ouderdom hebben die minimaal vergelijkbaar is met de ouderdom na 28 dagen onder de eerdergenoemde voorgeschreven omstandigheden (in het laboratorium).

Beoordeling van beton in een betonverharding is van oudsher anders georganiseerd dan bij overige betonconstructies. Dit heeft met name te maken met een afwijkend uitgangspunt bij het berekenen van de constructie en het feit dat vrijwel alle opdrachten binnen de (beton)wegenbouw zijn opgezet volgens de Standaard RAW Bepalingen, of hier direct of indirect naar verwijzen.

Hoewel het proces voor de beoordeling van een betonverharding anders is ingericht komen de onderliggende normen voor het grootste deel overeen. Ondanks deze overeenkomsten zijn er, zoals ook eerder genoemd, een aantal significante verschillen.

Om te beginnen wordt bij het ontwerp van een betonverharding door de constructeur niet de karakteristieke cilinderdruksterkte (waarde voor x in de sterkteklasseaanduiding Cx,y) als uitgangspunt genomen maar gaat deze uit van de karakteristieke kubusdruksterkte (waarde y in de sterkteklasseaanduiding Cx,y). Rekenprogramma’s als Vencon 2.0, Floor 3.0 en PAVERS hebben dan ook allen een karakteristieke kubusdruksterkte als uitgangspunt.

Binnen de (beton)wegenbouw wordt het overgrote deel van de uitvragen uitgewerkt in bestekken welke worden opgesteld en uitgevraagd volgens de Standaard RAW Bepalingen. In de Standaard RAW Bepalingen is hoofdstuk 82 ‘Betonverhardingen’ specifiek ingericht met alle onderdelen die betrekking hebbende op de aanleg van verhardingen van cementbeton. Binnen dit hoofdstuk staat beschreven op welke momenten in het proces welke eisen gesteld zijn. Zo is het uitgangspunt van de constructeur opgenomen als eis aan de betonspecie zoals deze dient te worden toegepast in de constructie maar is deze eis ook opgenomen als eis aan de uiteindelijke betondruksterkte van de betonverharding.

Het voldoen aan de topeis van een betonverharding, draagkracht/levensduur, en functionele eigenschappen van een betonverharding zijn  hier niet geborgd met enkel de (productie)controle van de te leveren betonmortel. Acceptatie van de toe te passen betonmortel geeft enkel aan dat het toe te passen betonmengsel de eigenschappen bevat om te kunnen voldoen aan de uitgangspunten van de constructieve berekeningen en overige gestelde eisen. Ten aanzien van het eindresultaat heeft verwerking (verdichting, afwerking en weersomstandigheden) en verhardingsomstandigheden van de betonmortel een relatief grote invloed bij wegverhardingen.  Om het eindresultaat, na verwerking en initiële uitharding, te kunnen toetsen zijn binnen een bestek volgens de Standaard RAW Bepalingen ten aanzien van het eindresultaat voor de druksterkte een aantal specifieke zaken opgenomen.

De druksterkte van een betonverharding dient te worden bepaald aan de hand van uit het werk geboorde kernen volgens NEN-EN 12504-1. De kernen dienen te worden genomen met een diameter van 102 mm volgens RAW 82.17.72 lid 72.
Vervolgens dient, volgens RAW 82.17.10 lid 04, de druksterkte van het beton te worden bepaald met een proefstuk uit het midden van de te beproeven laag van de cilinder, waarbij de hoogte van het proefstuk gelijk moet zijn aan de diameter van de cilinder. Hierbij ontstaat dus een cilinder als proefstuk met een hoogte gelijk aan de diameter.

Als we bovenstaande afzetten tegen NEN-EN 12390-1 dan lijkt hier iets vreemds te ontstaan: is het proefstuk dat is ontstaan nu een cilinder of een kubus?

Op basis van de definitie van een kubus en een cilinder binnen NEN-EN 12390-1 (figuur 2) lijkt het niet mogelijk om het ontstane proefstuk te toetsen aan een druksterkte volgens Cx,y of CC, het voldoet immers aan geen van beide definities.
Hier brengt NPR-CEN-TR 17086: 2020 uitkomst: binnen deze norm wordt gesteld dat ‘De sterkte van een geboorde kern met een diameter en hoogte van 100 mm (l/d = 1) komt overeen met de sterkte van kubusmonsters met een zijdelengte van 150 mm’. De geboorde cilinders uit een wegverharding dienen dus te worden beschouwd als een kubus en worden dan ook getoetst aan de waarde voor de karakteristieke kubusdruksterkte (waarde y in de sterkteklasseaanduiding Cx,y).

Binnen hoofdstuk 82 van de RAW zijn met betrekking tot de beoordeling van de betondruksterkte van een betonverharding twee toetswijzen aangegeven:

• Indien de betonsterkteklasse is aangegeven volgens NEN-EN 206-1 / NEN 8005 (Cx,y) dient de kubusdruksterkte van het beton te worden bepaald en getoetst aan de karakteristieke kubusdruksterkte volgens deze norm. Het bestek vermeldt de betonsterkteklasse waaraan het beton moet voldoen.
• Indien de betonsterkteklasse is aangegeven volgens NEN-EN 13877-2 middels een CC-waarde (CCxx)(figuur 4), gemeten aan cilinders geboord uit de betonverharding, moet in afwijking van het bepaalde in NEN-EN 13877-2, de druksterkte van het beton van de cilinders, bepaald na een verhardingstijd van 28 dagen, voldoen aan de relatie:

Waarin:

    =    gemiddelde druksterkte van 12 proefstukken uit de cilinders
    =     standaardafwijking berekend uit de druksterkten van de 12  proefstukken uit de                                cilinders
  =   karakteristieke druksterkte, na een verhardingstijd van 28 dagen, behorend                                        bij de in het bestek voorgeschreven sterkteklasse (CC-waarde) volgens                                              NEN-EN 13877-2 voor het beton van cilinders geboord uit de verharding.

Het berekenen van de karakteristieke betondruksterkte van een serie proefstukken voor reguliere constructies of productiecontroles staat nader beschreven in NEN-EN 206, Beton + NEN 8005. Voor het berekenen van de karakteristieke betondruksterkte van een serie proefstukken voor wegconstructies kan worden verwezen naar RAW 82.12.05.

Voor een geautomatiseerde berekening van de karakteristieke betondruksterkte vanuit een serie proefstukken biedt BetonInfra de BetonCheck tool. Deze tool berekent de karakteristieke betondruksterkte voor een project of productiecontrole op basis van NEN-EN 206, Beton + NEN 8005 of RAW 82.12.05. De output bevat tevens de conclusie of de betondruksterkte van de serie proefstukken voldoen aan de gestelde eis t.a.v. druksterkte.
Meer informatie over de BetonCheck tool:  https://www.betoninfra.nl/kennisportaal/tools

Betoniek 8/19, Sterk werk?

Betoniek vakblad 2,2018, Sterkte? Welke sterkte?

Betoniek 17/02, Boren voor druksterkte

NEN-EN 206, Beton + NEN 8005, Nederlandse invulling van NEN-EN 206

NEN-EN 12390-1, Beproeving van verhard beton – Deel 1

NPR-CEN/TR 17086 Further guidance on the application of EN 13791:2019 and background to the provisions

Standaard RAW Bepalingen, RAW 2020, release september 2024