4. Proeven en criteria voor het gebruik van natuursteen in de bouw
4.3 Karakteriseringsproeven
Update: juni 2013
4.3.1 Petrografische analyse
De petrografische analyse wordt uitgevoerd ter bepaling van de mineralogische samenstelling van natuursteen. Aan de hand van deze samenstelling kan men de geologische classificatie (het behoren tot een geologische familie) van het materiaal afleiden. Deze informatie is van groot belang vermits de benaming van de steensoort volgens de norm EN 12440 moet verwijzen naar de (geografische) herkomst, het (geologische) gesteentetype en de kleur van de steen. In dit kader is de correcte petrografische identificatie van de steensoort erg belangrijk, omdat ze het gebruik van verkeerde benamingen, zoals vandaag de dag wel vaker gebeurt, kan voorkomen. Bovendien dient voor het uitvoeren van sommige andere proeven het natuursteentype gekend te zijn (bv. bepalen van de weerstand tegen thermische schokken, de weerstand van marmers tegen thermische cycli en vocht, …).
Afb. 19 Microscopische foto van gipskristallen in kalksteen die verwering kunnen veroorzaken door expansie.
Dankzij de petrografische analyse is het eveneens mogelijk nuttige informatie te bekomen omtrent de eventuele verwering van de steensoort na zijn verwerking (vorming van microscheurtjes en expansieve mineralen, oxidatie van metaalhoudende mineralen, …).
Proefmethode – Referentie : NBN EN 12407 : 2007
De petrografische analyse bestaat uit een macroscopische en microscopische beschrijving. De macroscopische beschrijving gebeurt op een proefstuk met minimumafmetingen van 20 cm x 20 cm en omvat een opsomming van de karakteristieken die met het blote oog waargenomen worden zoals kleur, structuur, fossielen, … Deze beschrijving zal aangewend worden voor de naamgeving volgens de PTV 844-classificatie (zie § 2.2.2).
De microscopische beschrijving gebeurt aan de hand van slijpplaatjes, die met behulp van geavanceerde apparatuur vervaardigd worden uit het te onderzoeken materiaal. Deze slijpplaatjes, waarvan de analyseerbare oppervlakte doorgaans zo'n 10 cm² bedraagt, bestaan uit laagjes die zodanig dun zijn (0,030 +/- 0,005 mm) dat de mineralen doorschijnend worden. Het onderzoek van de slijpplaatjes gebeurt door een geoloog die hiervoor gebruik maakt van een petrografische microscoop.
4.3.2 Schijnbare volumieke massa
De schijnbare volumieke massa is een eigenschap die gewoonlijk gemeten wordt voor natuursteen. Deze weerspiegelt de graad van compactheid van het materiaal en laat toe de massa van een gegeven volume in te schatten. Ze wordt weergegeven in kg/m3 en schommelt bij benadering tussen 1500 en 3000.
Deze eigenschap wordt soms ook onder een andere vorm uitgedrukt : de schijnbare dichtheid. Deze is gelijk aan de schijnbare volumieke massa van het materiaal, gedeeld door de volumieke massa van water (m.a.w. 1000 kg/m³). Het betreft hier dus een eigenschap zonder eenheid.
Proefmethode – Referentie : NBN EN 1936 : 2007
Zes proefstukken, waarvan het schijnbaar volume – berekend aan de hand van de gemeten geometrische afmetingen (kubussen of cilinders) – meer moet zijn dan 60 ml, worden gedroogd bij een temperatuur van 70 °C en gewogen om hun droge massa (P1) te bepalen. Ze worden vervolgens in een vacuümvat onder een restdruk van 15 mmHg geplaatst. Deze druk wordt gedurende 2 uur aangehouden, waarna er gedemineraliseerd water onder dezelfde druk aan het vat wordt toegevoegd. Na deze termijn wordt de atmosferische druk hersteld en blijven de proefstukken gedurende 24 uur ondergedompeld. Vervolgens wordt elk proefstuk gewogen, en dit zowel onder water (P3) als in de lucht (P2).
De schijnbare volumieke massa (ρb) wordt uitgedrukt als de verhouding van de droge massa van het proefstuk tot zijn schijnbare volume, met behulp van de volgende formule :
Belangrijke opmerking:
Om de 5 jaar kunnen de Europese normen herzien worden en kunnen de proefmethoden gewijzigd worden, hetgeen ook geldt voor deze norm. Een wijziging in de proefprocedure kan een wijziging in de proefresultaten betekenen, maar deze verschillen zullen niet in die mate optreden dat ze het vroegere resultaat beïnvloeden.
De oude proefmethode van 1999 (referentie NBN EN 1936) verschilt van de nieuwe (2007) doordat :
- de proefstukken moeten een schijnbaar volume van minimum 25 ml hebben (kubus, cilinder of prisma)
- de proefstukken 24 uur onder een vacuüm gehouden werden vooraleer er water toegediend werd.
4.3.3 Open porositeit
De open porositeit wordt bepaald door de verhouding van de holten (poriën) in de steen, die onderling verbonden zijn en aldus toegankelijk voor water. Ze wordt doorgaans uitgedrukt in volumepercent (vol %) en vertegenwoordigt het volume open poriën in verhouding tot het totale volume van de steen. Ze schommelt tussen waarden die nagenoeg gelijk zijn aan nul (bv. voor erg compacte granietsoorten) en waarden van om en bij de 50 % (voor zeer zachte kalksteen).
De open porositeit mag niet verward worden met de waterabsorptie, die uitgedrukt wordt in massapercent (massa %). Wanneer de waterabsorptie bepaald wordt door impregnatie onder volledig vacuüm (zoals de open porositeit), bestaat er tussen beide eigenschappen een vermenigvuldigingscoëfficiënt, die overeenstemt met de schijnbare dichtheid van het materiaal (d.w.z. zijn schijnbare volumieke massa, gedeeld door 1000).
Zo wordt een natuursteen met een waterabsorptie van 20 (massa %) en een schijnbare volumieke massa van 2000 (kg/m3) gekarakteriseerd door een open porositeit van 40 (vol %).
Proefmethode – Referentie : NBN EN 1936 : 2007
De proefmethode ter bepaling van de open porositeit is dezelfde als deze die gebruikt wordt ter bepaling van de schijnbare volumieke massa (zie § 4.3.2). De open porositeit (po) wordt uitgedrukt als de verhouding tussen het volume van de open poriën en het schijnbare volume van het proefstuk (vol %), met behulp van de volgende formule :
4.3.4 Waterabsorptie
De waterabsorptie weerspiegelt het vermogen van de steen om water in zijn poriën vast te houden onder invloed van capillariteit. Deze eigenschap moet in beschouwing genomen worden voor toepassingen waarbij de steen in contact zou kunnen komen met water. Dit geldt onder meer voor alle buitentoepassingen. In dit geval is het echter belangrijk dat er geen verband gelegd wordt tussen de waterabsorptie en de duurzaamheid. De vorstbestendigheid van een natuursteen is bijvoorbeeld niet verbonden met zijn waterabsorptiewaarde.
Wat de binnentoepassingen betreft, kan men bijvoorbeeld denken aan de wand- en vloerbedekking van badkamers, keukenwerkbladen en alle tegelvloeren die met water onderhouden worden. Voor deze toepassingen moet men rekening houden met het feit dat een grote waterabsorptie kan leiden tot :
- een uitzichtsverandering wanneer de steen bevochtigd wordt
- een grotere gevoeligheid voor externe vlekvorming
- vuilafzettingen in de oppervlaktetextuur.
De waterabsorptie kan niet enkel bepaald worden door impregnatie onder vacuüm (cf. schijnbare porositeit), maar ook door de volgende twee methoden.
4.3.4.1 Waterabsorptie door capillariteit
Waterabsorptie door capillariteit is de hoeveelheid water die een steen kan opnemen indien hij met één zijde in contact komt met water. Een maat hiervoor is de zogenoemde capillariteitscoëfficiënt C, uitgedrukt in g/(m2.√s)
Proefmethode – Referentie : NBN EN 1925 : 1999
Zes kubussen met zijden van 5 of 7 cm (de norm staat ook andere vormen en afmetingen toe) worden gedroogd bij 70 °C ter bepaling van hun droge massa. Deze worden vervolgens met één van hun vlakken in 3 mm diep water gezet. De evolutie van de massa wordt op geregelde tijdstippen gecontroleerd en uitgezet op een grafiek, afhankelijk van √t. Deze evolutie is doorgaans lineair ten opzichte van √t. De capillariteitscoëfficiënt (C) wordt vervolgens berekend als de helling van de regressierechte die de eerste absorptiefase weergeeft, met behulp van de volgende formule :
waarbij :
- mi : de massa op tijdstip i
- md : de droge massa
- A : de oppervlakte in contact met water.
4.3.4.2 Waterabsorptie door onderdompeling onder atmosferische druk
Deze eigenschap weerspiegelt de hoeveelheid water die door de steen kan geabsorbeerd worden, in verhouding tot de massa van de steen in droge toestand, wanneer het element volledig in water ondergedompeld is onder atmosferische druk. Ze wordt uitgedrukt in massapercent (massa %).
Proefmethode – Referentie : NBN EN 13755 : 2008
Zes proefstukken, waarvan het schijnbaar volume – berekend aan de hand van de gemeten geometrische afmetingen (vertrekkende van een kubus, cilinder of prisma met zijden van 5 of 7 cm) – meer moet bedragen dan 60 ml, worden gedroogd bij 70 °C ter bepaling van hun droge massa (md). Vervolgens worden ze gedurende 48 uur ondergedompeld, gewogen en opnieuw ondergedompeld met perioden van 24 uur tot een constante massa (ms) bereikt wordt. De waterabsorptie Ab wordt daarna berekend met behulp van de volgende formule :
waarbij :
- ms = de constante massa
- md = de droge massa.
4.3.5 Druksterkte
Afb. 20 Dankzij de techniek van het voorspannen zijn er nieuwe structurele steentoepassingen mogelijk, zoals zuilen van meer dan 15 m hoog die een dak en een glasgevel moeten dragen.
Aan de hand van de druksterkte kan men het toelaatbare drukbelastingsniveau bepalen voor een in een bouwwerk verwerkte steen, rekening houdend met aangepaste veiligheidscoëfficiënten. Het kennen van deze eigenschap is onontbeerlijk voor structurele toepassingen waarbij de steen gebruikt wordt in de dragende elementen (zie afbeelding 20). Sierstenen worden slechts zelden aangewend voor dergelijke toepassingen : in die gevallen zal men de belasting bv. laten opnemen door gewapend beton, terwijl de natuursteen enkel de esthetische afwerking vormt.
De druksterkte wordt ook vaak gebruikt als eigenschap voor de identificatie van een steen of voor de vergelijking met referentiewaarden, als indicator voor de verwering na veroudering (cf. vorstbestendigheidsproef, § 4.5.1).
Proefmethode –Referentie : NBN EN 1926 : 2007
De proefstukken bestaan uit minstens tien kubussen van 7 cm x 7 cm x 7 cm of 5 cm x 5 cm x 5 cm of cilinders met dezelfde diameter (het aantal proefstukken moet verhoogd worden indien de steenkristallen groter zijn dan 7 mm). Indien de zijden onvoldoende vlak en haaks zijn, moeten ze bijgewerkt worden. De proefstukken worden vervolgens gedroogd en centraal op het drukplatform van een proefpers gelegd. Hierop oefent men een gelijkmatig verdeelde kracht uit die continu verhoogd wordt (1 ± 0,5 MPa/s) tot er breuk optreedt. In de regel grijpt deze kracht loodrecht op de gelaagdheid aan. De druksterkte (Rc) van elk proefstuk wordt uitgedrukt als de verhouding tussen de bezwijklast (F) van het proefstuk en de oppervlakte van zijn dwarsdoorsnede (A), met behulp van de volgende formule :
Belangrijke opmerking:
Om de 5 jaar kunnen de Europese normen herzien worden en kunnen de proefmethoden gewijzigd worden, hetgeen ook geldt voor deze norm. Een wijziging in de proefprocedure kan een wijziging in de proefresultaten betekenen, maar deze verschillen zullen niet in die mate optreden dat ze het vroegere resultaat beïnvloeden.
De oude proefmethode van 1999 (referentie NBN EN 1926) verschilt van de nieuwe (2007) doordat:
- het aantal proefstukken gelijk is aan zes
- de kracht, uitgeoefend op het proefstuk, wordt continu verhoogd met een snelheid van 1 ± 0,5 MPa/s en de maximale belasting moet weergegeven worden tot op 1 kN nauwkeurig.
4.3.6 Buigsterkte
Aan de hand van de buigsterkte kan men het toelaatbare buigbelastingsniveau bepalen voor een in een bouwwerk verwerkte steen, rekening houdend met aangepaste veiligheidscoëfficiënten. Het kennen van deze eigenschap is onontbeerlijk voor structurele toepassingen (zoals gevelbekledingen, tegels op tegeldragers, bovendrempels, …) waarbij de steen buigkrachten ondervindt. Bovendien wordt de buigsterkte, net zoals de druksterkte, vaak gebruikt als karakteristiek voor de identificatie van een steen of voor de vergelijking met referentiewaarden, als indicator voor de verwering na veroudering (cf. vorstbestendigheidsproef).
Proefmethode – Referentie : NBN EN 12372 : 2007
De afmetingen van de proefstukken worden bepaald aan de hand van hun dikte h, die moet begrepen zijn tussen 2,5 en 10 cm. De totale lengte L is gelijk aan zes maal de dikte. De breedte b is begrepen tussen 5 cm en drie maal de dikte. De gebruikelijke afmetingen zijn 5 cm x 5 cm x 30 cm. Er worden minstens 10 dergelijke proefstukken onderzocht. Deze worden op twee rollen opgelegd en in het midden ervan onderworpen aan een progressieve belasting (0,25 MPa/s) tot er breuk optreedt. De buigsterkte (met F = de bezwijklast) wordt berekend door middel van de volgende formule :
4.3.7 Dynamische elasticiteitsmodulus
De elasticiteitsmodulus van een materiaal karakteriseert de spanningstoestand die in dit materiaal gegenereerd wordt, afhankelijk van de uitgeoefende belasting. Deze kan ofwel berekend worden met vervormingsmetingen tijdens een belastingsproef (in dit geval heeft men te maken met een statische elasticiteitsmodulus), ofwel door de meting van de respons van het materiaal op opgewekte trillingen. In dit geval wordt de elasticiteitsmodulus beschouwd als 'dynamisch' en wordt deze berekend aan de hand van de resonantiefrequentie. Het grote voordeel van deze methode is haar niet-destructieve karakter. Op het gebied van natuursteen wordt de dynamische elasticiteitsmodulus doorgaans gebruikt als indicator voor de mogelijke verwering van het materiaal, door vergelijking met referentiewaarden.
Ook bij de uitvoering van vorstbestendigheidsproeven en bij de bepaling van de weerstand tegen thermische schokken wordt gebruikgemaakt van deze methode.
Proefmethode – Referentie : NBN EN 14146 : 2004
In dit geval worden minstens zes cilindrische of prismatische proefstukken onderzocht. Ze worden aan het trillen gebracht door een impulsgenerator, zodanig dat er een resonantie optreedt. Dit kan gebeuren op een van de volgende wijzen : longitudinaal, in buiging of in torsie. De resonantiefrequentie wordt bepaald met een meettoestel van het 'Grindo-sonic'-type. De formules uit de norm maken het vervolgens mogelijk de dynamische elasticiteitsmodulus te berekenen, lettend op de trillingsmodus.
4.3.8 Geluidsvoortplantingssnelheid
De geluidsvoortplantingssnelheid in natuursteen wordt bepaald door de compactheid van het materiaal, maar ook door zijn watergehalte, zijn mineralogie, de eventuele scheuren, de aanwezigheid van bepaalde zouten, …
Het gaat dus om een precieze techniek die echter afhankelijk is van een groot aantal invloedsparameters. Ze zal dus enkel nuttige informatie opleveren (bv. over de verwering van de steen) indien al deze parameters gekend en onder controle zijn.
Proefmethode – Referentie : NBN EN 14579 : 2004
Door middel van een geschikte zender wordt in de proefstukken een elektroakoestische impuls opgewekt. Dankzij een ontvanger, geplaatst aan een van de uiteinden van het proefstuk, is het mogelijk de tijd (T, in µs) te bepalen die het signaal nodig heeft om de afstand (L, in mm) door het proefstuk af te leggen en aldus de geluidsvoortplantingssnelheid (V) af te leiden. Dit gebeurt met behulp van de volgende formule :
4.3.9 Thermische uitzettingscoëfficiënt
Afb. 21 Afschilfering van graniet ten gevolge van verhinderde thermische uitzetting.
Net zoals alle materialen staat ook natuursteen bloot aan dimensionale vervormingen onder invloed van de temperatuur. Deze vervormingen worden gekarakteriseerd door de thermische uitzettingscoëfficiënt en uitgedrukt in millimeter per meter en per graad Kelvin (mm/mK). Afhankelijk van de steensoort kan deze waarde schommelen tussen 1.10-3 en 16.10-3 mm/mK.
Deze dimensionale vervormingen moeten in beschouwing genomen worden wanneer de natuurstenen kunnen blootstaan aan grote temperatuurschommelingen (gevelbekleding, buitenbetegeling, omkadering van open haarden, …). In dergelijke gevallen dient men hun omvang te bepalen (eventueel in reactie met hun ondergrond) met het oog op de dimensionering van de bewegingsvoegen (breedte en tussenafstand).
Proefmethode – Referentie : NBN EN 14581 : 2005
Er moeten minstens twee proefstukken met minimale afmetingen van 2 cm x 5 cm x 25 cm onderzocht worden. Na droging bij 70 °C worden ze in een droogstoof geplaatst om hun temperatuur te stabiliseren bij 20 °C en bij 80 °C. De dimensionale vervormingen tussen beide temperaturen kunnen ofwel bepaald worden met een mechanisch meettoestel, ofwel met een rekstrookje. Uit de aldus verkregen meetresultaten wordt vervolgens de thermische uitzettingscoëfficiënt afgeleid.