0

publicatie: Spanningen in tegel- en natuursteenvloeren door vocht- en temperatuursinvloeden

1 Spanningen door vocht- en temperatuurbelastingen

1 Spanningen door vocht- en temperatuurbelastingen

1.1 Spanningen door tegengewerkte vervormingen

Veranderingen in temperatuur of vochtgehalte hebben tot gevolg dat een materiaal een lengteverandering wenst te ondergaan:

  • lengte-afname bij temperatuurdaling of droging;
  • lengtetoename bij temperatuurstijging of vochtopname.

De lengteverandering door een temperatuurbelasting wordt uitgedrukt in de lineaire uitzettings- coëfficiënt (α) (zie tabel 1). Dit is de lengteverandering in mm’s die een staaf van één meter lengte van dat materiaal ondergaat bij een bij verwarming of afkoeling met 1K. De lengteverandering wordt als volgt bepaald:

Δ l = α ∙ Δ T ∙ l[1]

waarin:

Δl = lengteverandering [mm] van de materiaallaag;
α = thermische uitzettingscoëfficiënt [mm/mK];
ΔT = temperatuurverandering [K];
l = oorspronkelijke lengte van de materiaallaag [m].

De lengteveranderingen door vochtbelastingen zijn niet met eenvoudige formules te berekenen.

Indien een lengteverandering wordt tegengewerkt, ontstaan spanningen. Dit wordt geïllustreerd in figuur 2 en het rekenvoorbeeld.

Rekenvoorbeeld

Een vloerveld is 10 m lang en de temperatuurverandering bedraagt 20 K. De tegels (met een thermische uitzettingscoëfficiënt van 0,006 tot 0,0085 mm/mK) streven naar een lengteverandering van 1,2 tot 1,7 mm. De dekvloer (met een thermische uitzettingscoëfficiënt van 0,01 tot 0,0125 mm/mK) streeft naar een lengte- verandering van 2 tot 2,5 mm. Het verschil in nagestreefde lengteverandering is dus 0,3 tot 1,3 mm.

1.2 Grootte van temperatuur- en vochtbelastingen

Keramische en natuurstenen vloerafwerkingen kunnen in de praktijk worden blootgesteld aan sterk wisselende temperatuur- en vochtbelastingen.

Temperatuurbelastingen
Temperatuurbelastingen kunnen snel optreden. Snelle belastingen zijn veel kritischer dan zeer langzame, omdat het materiaal zich bij snelle belastingen stijver gedraagt. Het heeft dan een hogere elasticiteitsmodulus.

Extreme omstandigheden gelden vooral voor buitentegelwerk, zowel op terrassen als gevels. Op een zonnige, zomerse dag kunnen de temperaturen aan het oppervlak snel oplopen tot ruim boven de 30 °C. Indien de tegels zijn aangebracht op isolatiemateriaal, bijvoorbeeld bij betegelde buitengevelisolatiesystemen, dan kunnen temperaturen zelfs oplopen naar 60 (lichte tegels) tot 65 °C (bij donkere tegels). In de winter kan de temperatuur langdurig dalen naar -15 °C, soms afgewisseld met zachte perioden met veel regen.

Tabel 1. Thermische uitzettingscoëfficiënt van enkel materialen.

materiaal thermische uitzettingscoëfficiënt α [mm/m ºK]
cementgebonden dekvloer 0,012
calciumsulfaatgebonden gietvloer 0,0112 tot 0,0025
beton 0,010 tot 0,0125
keramische vloertegel volgens NEN-EN 176 B1 0,006 tot 0,0085
marmer 0,0014 tot 0,011
graniet 0,008 tot 0,010
zandsteen 0,007 to 0,016

Figuur 2a.
Tegengewerkte vervorming veroorzaakt spanning. Hier wnest een glijdend opgelegde dekvloer uit te zetten door verwarming, maar dat wordt verhinderd door kolommen of wanden

Figuur 2b.
Tegengewerkte vervorming veroorzaakt spanning. Hier krimt een dikbed doordat het droogt; de tegels op het dikbed houden deze krimp tegen.

Figuur 2c.
Tegengewerkte vervroming veroorzaakt spanning. Hier warmt een vloer door bezonning aan één zijde op; De bovenkant wenst een lengteverandering te ondergaan die door de onderste (niet opgewarmde lagen) wordt verhinderd.

De temperaturen kunnen zeer snel wisselen: overdag sterke zon na een nacht met nachtvorst, een eerste zonnetje na een koude periode, of een regenbui na een warme of koude periode.

In de gemiddelde woonkamer zijn de omstandigheden relatief constant. Grote temperatuurwisselingen kunnen ontstaan door bezonning van tegelwerk via een raam of daklicht.

In de utiliteitsbouw komen alle mogelijke omstandigheden voor: van zeer constant tot sterk wisselend. Soms zijn de omstandigheden bijna altijd constant, op incidentele gebeurtenissen na, zoals bij het plegen van onderhoud. Juist die zijn dan maatgevend.

Voorbeeld

Een vriescel, met een gebruikstemperatuur van -20 °C, wordt gereinigd. Direct na het ontdooien wordt met reinigen begonnen, om de vriescel weer snel in gebruik te kunnen nemen. De vloer is dan nog zeer koud. Het reinigen gebeurt met veel heet water. Dit heeft een snelle, sterke, eenzijdige opwarming van de vloer tot gevolg. De bovenste laag wil uitzetten maar wordt daarin gehinderd door de koude lagen daaronder. Daardoor ontstaat schade aan de tegels. Voorbeeld Aan de apparatuur in de brouwruimte van een bierbrouwerij wordt éénmaal per jaar groot onderhoud uitgevoerd, tussen Kerst en nieuwjaar. Dit jaar is het buiten zeer koud: -14 °C. Normaal is het in de ruimte ongeveer 35 °C, door de warmteproductie van het proces. De ruimte wordt dan sterk geventileerd met buitenlucht om de temperatuur beperkt te houden, en heeft geen verwarming. Tijdens het onderhoud koelt de ruimte in korte tijd zeer sterk af. De bovenste laag wil daardoor krimpen maar wordt daarin gehinderd door de lagen daaronder, die niet zijn afgekoeld. Daardoor ontstaat schade aan de tegels.

Voorbeeld

Aan de apparatuur in de brouwruimte van een bierbrouwerij wordt éénmaal per jaar groot onderhoud uitgevoerd, tussen Kerst en nieuwjaar. Dit jaar is het buiten zeer koud: -14 °C. Normaal is het in de ruimte ongeveer 35 °C, door de warmteproductie van het proces. De ruimte wordt dan sterk geventileerd met buitenlucht om de temperatuur beperkt te houden, en heeft geen verwarming. Tijdens het onderhoud koelt de ruimte in korte tijd zeer sterk af. De bovenste laag wil daardoor krimpen maar wordt daarin gehinderd door de lagen daaronder, die niet zijn afgekoeld. Daardoor ontstaat schade aan de tegels.

Vochtbelastingen
Vochtbelastingen treden over het algemeen zeer langzaam op. Vooral droging van een ingesloten materiaallaag verloopt traag.

Vocht kan moeizaam ontwijken uit een begane grondvloer die aan de onderzijde is afgedicht met een enigszins dampremmend isolatiemateriaal en aan de bovenzijde is afgewerkt met een dekvloer, een lijmlaag en dampdichte, grootformaat keramische tegel met smalle voegen. Ook de vrij dichte structuur van beton belemmert snelle droging. Droging is dan een proces van vele, vaak tientallen jaren.

Bij dekvloeren, afgewerkt met natuurstenen of keramische tegels, kan droging enige jaren duren. De snelheid hangt af van de mate waarin de tegels in combinatie met de voegen dampremmend zijn.

Vochtbelastingen worden niet alleen veroorzaakt door water in vloeibare vorm, maar ook door wisselingen in de luchtvochtigheid. Is de relatieve vochtigheid van de omgevingslucht hoger of lager dan van een materiaal, dan zal dit materiaal respectievelijk vocht opnemen of drogen. Dat gebeurt heel geleidelijk.

Voorbeeld

Boven een vochtige kruipruimte ligt een dampopen tegelvloer van cotto of marmercomposiet. Deze vloer is al jaren zonder schade in gebruik. Op deze tegelvloer worden nieuwe tegels gelijmd: sterk dampremmende, groot formaat tegels met een smalle voeg. De vochthuishouding in de vloer verandert, waardoor de ondergrond van de nieuwe tegellaag vervormt. Dit leidt tot onverwachte spanningen.