Zakt een steen door het ijs? Testen van vorstbestendigheid

Onder nul

In ons Belgische, gematigde zeeklimaat is het essentieel dat natuursteen, gebruikt in buitenomgevingen, tegen een stootje kan, vooral als het gaat om vorstbestendigheid. Maar wat betekent vorstbestendigheid precies voor natuursteen, en hoe wordt dit getest? Laten we deze vragen eens grondig onderzoeken.

De kracht van het ijskristal

Het is iedereen al eens overkomen: pardoes een fles water vergeten in de diepvries. Een glazen fles zal breken, een plastic exemplaar zal misschien net voldoende uitzetten. In tegenstelling tot andere vloeistoffen die krimpen, neemt water bij het bevriezen ongeveer 9% in volume toe. Toch is dit niet de oorzaak van de brekende fles - of bij uitbreiding: de brekende steen. In de vorige editie van deze rubriek lichtten we toe hoe stenen water opnemen in hun porieruimte, maar slechts bij hoge uitzondering is deze meer dan 91% verzadigd. Anders gezegd: het ijs heeft in de regel genoeg ruimte om te kristalliseren.

Wil je het mechanisme van schade door ijsvorming achterhalen, dan moet je inzoomen op de microscopische schaal. Het meeste ijs smelt bij 0°C, maar microscopisch kleine ijskristallen zullen al smelten bij een temperatuur die lager ligt dan 0°C. Door hun kleine afmeting ondervinden deze namelijk een grote impact van hun oppervlaktespanning. Bij temperaturen onder 0°C kunnen ze aan deze spanning weerstaan. Wanneer ze tegen de wand van een porie groeien, zullen ze dezelfde grootorde aan spanning kunnen overzetten op de steen. Als deze de lokale sterkte van de steen overtreft, kan dit leiden tot waaiervormige scheuren. In opeenvolgende cycli kan het leiden tot decohesie of zelfs uitgroeien tot grotere barsten.

Wat bepaalt vorstbestendigheid?

De weerstand tegen vorstschade hangt af van drie dominante factoren:

1. Aanwezigheid van water: zonder water geen ijs, geen spanningsopbouw en dus geen schade.
2. Temperatuur: hoe lager het kwik, hoe groter het risico op vorstschade, mits er voldoende water aanwezig is. Niet enkel de luchttemperatuur, maar ook andere warmtebronnen, bijvoorbeeld uit het interieur, spelen daarbij een rol en beïnvloeden de thermische massa van natuursteen.
3. Intrinsieke sterkte: sterkere stenen kunnen de druk van bevriezend water beter weerstaan. Het gaat om een vorm van splijttreksterkte, welke meestal proportioneel is met de klassieke druksterkte. Een grotere druksterkte betekent meestal ook een grotere splijttreksterkte.

Cyclisch testen

In de praktijk verloopt het testen van vorstbestendigheid door natuursteenmonsters aan een reeks vorst-dooicycli te onderwerpen. Empirisch, dus. De norm NBN EN 12371 uit 2010 beschrijft hoe deze tests worden uitgevoerd, met een vast aantal cycli en specifieke condities om de duurzaamheid van de steen tegen vorst te meten.

De stalen hebben een afmeting van 300 x 50 x 50 mm³ en worden na het doorlopen van de proeven gelabeld met Nc (Number of cycles) - in de regel beperkt tot maximaal 156 of 168. De cycli duren telkens 12 uur, waarbij voor de eerste duurhelft temperaturen tot –12 °C gelden, gevolgd door een dooifase onder water en tot maximaal 20 °C tijdens de tweede.

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen een identificatietest en een technologische test. De laatste telt 56 cycli en wordt gevolgd door de bepaling van een mechanische eigenschap (zoals druk- of buigsterkte) in vergelijking met proefstukken die geen vorstproef ondergaan hebben.

De identificatietest stelt een variërend aantal cycli voorop en gebruikt niet-destructieve karakterisatiemethodes voor het beoordelen van de proefstukken. Deze cycli houden verband met de toepassing, en dus de waarschijnlijke extrinsieke belasting.

Zo zullen vloertegels bijvoorbeeld een hoger aantal cycli moeten ondergaan dan verticale geveldelen die in contact komen met de grond en opspattend water. Op hun beurt moeten deze meer cycli kunnen weerstaan dan verticale massieve geveldelen of geventileerde gevelbekleding. Voor zulke buitentoepassingen is het dus aan te raden de technische fiche te raadplegen om te kijken of deze voldoen aan het voorgeschreven aantal cycli.