Kalkboek. Het gebruik van kalk als bindmiddel voor metsel- en voegmortels in verleden en heden

[p. 80]

[p. 81]

3
Van grondstof tot mortel

1 Inleiding

In dit hoofdstuk wordt vanuit een technisch kader ingegaan op wat een kalkmortel is en hoe die tot stand komt. Kalkmortel bestaat in principe uit kalk en zand. Kalk fungeert daarbij als bindmiddel en zand als verschralingsmiddel, onder andere ter voorkoming van overmatige krimp tijdens de verharding van de specie. Het bindmiddel kalk wordt verkregen door het branden en blussen van kalksteen of schelpen. Ter voorkoming van een mogelijke spraakverwarring: het woord kalksteen (de geologische benaming voor bepaalde soorten gesteenten) mag niet verward worden met het soort bindmiddel dat hieruit wordt vervaardigd, de steenkalk.

Aan te zwakke, of niet hydraulische kalk worden puzzolanen toegevoegd, wanneer een sterkere mortel is vereist of wanneer de mortel ook afgesloten van de lucht moet kunnen verharden. In § 2 van dit hoofdstuk zullen de grondstoffen waaruit kalkmortels worden samengesteld nader uiteen worden gezet. De productie van het bindmiddel kalk uit kalksteen en schelpen wordt beschreven in § 3, waarbij ook de historische productiewijzen ruimschoots aandacht krijgen. Na § 4, waarin het blussen van kalk zal worden behandeld, wordt in § 5 de handel en de distributie van kalk belicht: de kalk moet immers op bouwplaatsen aankomen! Wanneer wer alle ingrediënten voor kalkspecie beschikt kan worden, kunnen deze gemengd worden tot een kalkspecie. In § 6 wordt uiteengezet waarop hierbij gelet moet worden en welke factoren bepalend zijn voor de prestaties van de uiteindelijk verharde kalkmortel. Het is vanzelfsprekend dat men eerst een goed beeld moet hebben van wat men van de mortel verwacht, voor men kan bepalen wat de samenstelling van de mortel moet zijn. Nadat de specie is verwerkt in het metsel- of voegwerk, zal deze gaan verharden. De processen die hiervoor verantwoordelijk zijn worden tot slot behandeld in § 7.

Gezien de aard van de grondstoffen voor kalkmortels hebben de paragrafen over kalksteen, zand en natuurlijke puzzolanen een geologisch karakter en zijn ze in het bijzonder gesteentekundig van aard. Het voert in het kader van dit boek te ver

[p. 82]

om dieper in te gaan op de verschillende ontstaanswijzen van kalksteen en zandafzettingen, of op die van de vulkanische tufsteen, de grondstof voor tras. De lezer die geïnteresseerd is in meer gedetailleerde informatie over het ontstaan van de desbetreffende gesteenten kan te rade gaan in meer gespecialiseerde literatuur.¹¹⁴

114 Pannekoek 1976, Pettijohn 1984, Reineck 1975, Tucker 1991 en Zonneveld 1977.

2 Grondstoffen van kalkmortel

2.1 Kalksteen

Het ontstaan van kalksteen

Steenkalk wordt verkregen door het bij circa 900 °C branden van de grondstof kalksteen. Bij dit branden ontstaat calciumoxide, de levende kalk, die vervolgens met water wordt geblust tot calciumhydroxide, ook wel portlandiet, of kortweg kalk genoemd. De grondstof kalksteen is een gesteente, dat ontstaan is door verharding van carbonaatafzettingen (kalkafzettingen), die in water (in een zee of een meer) zijn gevormd door anorganische of organische processen. Door hun wijze van ontstaan, namelijk de opeenvolgende sedimentatie, of accumulatie van carbonaat, behoren de kalkstenen tot de zogenoemde sedimentaire gesteenten.

Onder de anorganische processen worden alle vormen van neerslag van carbonaat verstaan, waarbij het carbonaat ten gevolge van oververzadiging uit het water neerslaat. Dit kan bijvoorbeeld optreden, wanneer koud zeewater, waarin carbonaat is opgelost, door de zon wordt opgewarmd. Omdat in warm water minder carbonaat kan oplossen dan in koud water, slaat het carbonaat neer in de vorm van zeer fijne carbonaatdeeltjes, die langzaam op de bodem van de zee neerdwarrelen. Daardoor ontstaat daar een laag kalkmodder. Kalk kan ook op of in het sediment zelf neerslaan als cement tussen de korrels of als kalkbolletjes (peloïden, oölieten). Wanneer kalk neerslaat bij warme bronnen worden gesteenten als travertijn gevormd.

Bij organische processen die het ontstaan van carbonaatafzettingen tot gevolg hebben is de kalk afkomstig uit de skeletjes van zeediertjes, zoals schelpen, koralen, kalkalgen en zeer kleine, in het water zwevende organismen. Deze organismen maken zelf hun kalkskelet door het in het zeewater opgeloste carbonaat aan het water te onttrekken. Dit wordt omgezet in calciumcarbonaat, in de vorm van de mineralen aragoniet en calciet. Zowel aragoniet als calciet zijn calciumcarbonaatmineralen, maar ze zijn in verschillende kristalroosters uitgekristalliseerd. Calciet bevat naast calcium

[p. 83]

ook meer of minder magnesium (respectievelijk hoog- of laag magnesium-calciet). De ionen van calcium-, magnesium- en bicarbonaat worden met de rivieren naar zee aangevoerd. Daarnaast neemt het zeewater ook koolzuurgas uit de lucht op. Wanneer de organismen afsterven, vergaan hun weke delen en blijven hun kalkskeletjes op de zeebodem achter. Zo kan een dik pakket van kalkskeletjes ontstaan.

De door neerslag of door accumulatie van kalkskeletjes gevormde carbonaatafzettingen zijn in eerste instantie ongeconsolideerd. Dat wil zeggen dat er geen samenhang bestaat tussen de componenten (skeletjes, schelpen, en dergelijke). De carbonaatafzettingen zijn nog niet verhard tot kalksteen. Pas na verstening (verkitting) van de carbonaatafzettingen wordt van kalksteen gesproken.

Het proces van verstening is een zeer langdurig proces. Ten gevolge van de druk van bovenliggende pakketten nog los materiaal treden veranderingen op in diepere delen van de afzetting. Daarbij worden de grove componenten (bijvoorbeeld schelpen) door een cement¹¹⁵ aaneen gekit. Dit cement bestaat ook uit carbonaat en kan bijvoorbeeld door druk gerekristalliseerde kalkmodder zijn. Bij het verhardingsproces wordt al het aragoniet en hoogmagnesium calciet omgevormd tot laagmagnesium calciet. Veel later kunnen, ten gevolge van grootschalige geologische processen, zoals gebergtevorming, de oorspronkelijk horizontaal afgezette kalksteenlagen opgeheven en geplooid worden. Hierdoor zijn gebergten ontstaan van kalksteen, zoals bijvoorbeeld de Ardennen in België en het Juragebergte in Frankrijk. Het lijkt bijna onvoorstelbaar dat deze kalksteengebergten zijn opgebouwd uit gesteenten, die miljoenen jaren geleden op de bodem van een zee zijn gevormd.

Om de verschillen in de diverse kalksteenafzettingen te kunnen begrijpen is het noodzakelijk te weten dat het aardoppervlak er gedurende de lange, geologische geschiedenis niet altijd heeft uitgezien zoals wij hem nu kennen. Continenten en oceanen groeiden aan en verplaatsten zich ten opzichte van elkaar. ‘Nederland’ en ‘België’ hebben daardoor niet altijd in de gematigde klimaatzone gelegen - voor lange perioden heerste er hier een subtropisch of zelfs tropisch klimaat. Wanneer het land dan werd overspoeld door de zee konden er bijvoorbeeld koraalriffen worden gevormd.

115 Het woord cement is hier in gesteentekundige zin gebruikt. In de geologie wordt met cement (ook matrix genoemd) het natuurlijke bindmiddel bedoeld, dat de samenstellende mineralen van een natuursteen aan elkaar kit. Dat is uiteraard een geheel ander materiaal dan de materialen die men in de bouwkunde met cement aanduidt.

[p. 84]

Tabel 4

[p. 85]

In andere perioden, zoals in het Devoon, won soms het continent terrein op de zee en soms de zee op het continent, waardoor in deze tijd afwisselingen van kleiige (invloed land) en kalkige (invloed zee) afzettingen werden gevormd. Bovendien kon dit van plaats tot plaats sterk verschillen, zodat kalkriffen lokaal omgeven konden zijn met kleirijke sedimenten. Mengsels van carbonaat en klei verstenen uiteindelijk tot kleihoudende en kleirijke kalkstenen. Een kalksteen met 25-75% klei wordt in de gesteentekunde mergel genoemd. Bij afwezigheid van klei ontstaan kleiloze carbonaatafzettingen die verstenen tot zuivere kalkstenen, zoals wit krijt.

In de periode die op het Devoon volgde, het Carboon, won het land het tenslotte langzaam van de zee. Dat zou uiteindelijk lelden tot de Carbonische steenkoolafzettingen (van landplanten), maar al in de periode daarvoor werd er nabij de kust tussen het carbonaat veel meer organisch materiaal in zee afgezet (bijvoorbeeld zeelelies: crinoïden). Dat organische materiaal bleef in het gesteente bewaard. Zo ontstonden in de overgangsfase tussen het Devoon en het Carboon de zogeheten kolenkalken. De Belgische hardsteen (crinoïdenkalk), die veel als bouwsteen wordt toegepast, behoort hiertoe.

In weer latere perioden, zoals in de Jura en het Krijt, was de zeespiegel veel hoger dan tegenwoordig. Daardoor werden grote delen van het continent overspoeld door ondiepe binnenzeeën, waarin zich omvangrijke, veelal zeer pure, kleiarme kalkstenen hebben gevormd. Deze kunnen onder andere worden teruggevonden in Zuid Limburg (de Maastrichter steen of mergel¹¹⁶ van de Sint-Pietersberg) en bij Dover en Cap Blanc Nez (de krijtkliffen). Al deze verschillende typen kalkafzettingen zijn tegenwoordig zichtbaar als geplooide kalksteengebergten.

116 NB: de benaming mergel is gesteentekundig gezien onjuist. Maastrichter steen is een vrij zuivere kalksteen, terwijl de gesteentekundige term mergel juist op onzuivere (kleihoudende) kalksteen betrekking heeft.

Onzuivere kalksteen

Wanneer kalksteen niet volledig bestaat uit pure calciumcarbonaat (geen zuivere kalksteen is), maar tevens klei of organische componenten bevat, wordt gesproken van onzuivere kalksteen.

Natuurlijke variaties in het kleigehalte van kalksteen (en mergel) blijken zeer belangrijke gevolgen te hebben voor het uithardingsgedrag van de steenkalkmortel, die uit deze kalksteen door branden en blussen is verkregen. Tijdens het branden van kleihoudende kalksteen reageren de kleimineralen met de ongebluste kalk tot nieuwe, keramische mineralen. Die reageren tijdens de verharding van de mortel met water (hydrateren, zie § 7.2) en leveren een extra bijdrage aan de uiteindelijke

[p. 86]

sterkte. Een hoger kleigehalte van de grondstof resulteert in een toenemend hydraulisch karakter van de mortel. De geologische omstandigheden tijdens de vorming van een kalksteen zijn dus bepalend voor het verhardingsproces van de mortel waarvan het bindmiddel uit deze kalksteen is vervaardigd.

Doordat kalksteen onder andere is ontstaan uit zeeorganismen, is het logisch dat kalksteen vaak organisch materiaal bevat, omdat dit niet altijd volledig is vergaan (vergelijk de carbonische kolenkalken). Het achtergebleven (relictische) organische materiaal (donker pigment) verbrandt grotendeels tijdens het brandproces. Hierdoor kunnen kalkstenen voor de productie van steenkalk zeer donker van kleur zijn (Doornikse kalksteen is zwart), terwijl de hieruit verkregen steenkalk zeer licht van kleur is (geel, licht beige tot wit).

Kalksteen in Nederland en België

Kalksteen komt in Nederland alleen voor in een groeve in Winterswijk en in Zuid-Limburg. De steen uit de groeve in Winterswijk is een dolomitische kalksteen die niet wordt gebruikt voor steenkalkproductie.

Dolomiet is een magnesiumcalciumcarbonaat en de kalk die men ervan kan branden bevat daarom veel magnesiumoxide. Magnesiumoxide blust onder normale atmosferische omstandigheden veel langzamer dan calciumoxide, waardoor het veel langer nawerkt. Het is daarom van belang dat de magnesiumkalk volledig is geblust, voordat deze wordt verwerkt.¹¹⁷

De kalksteen uit Zuid-Limburg (de zeer pure kalksteen uit de Krijtperiode) is wel voor de productie van - zeer dure - luchthardende steenkalk gebruikt, maar alleen gedurende een korte periode na de Eerste Wereldoorlog, toen de import van kalk uit België stil lag. Ook deze kalksteen gaf problemen. Niet alleen was de steen zacht bros, waardoor deze gemakkelijk in de kalkoven vergruisde en deze daardoor verstopte. Bovendien konden er, door de aanwezigheid van de vele vuursteenknolletjes en -concreties die tijdens het branden smeltpuntverlagend werkten, problemen in de oven ontstaan (verstopping door sintelvorming). Deze lokale Limburgse, tijdelijke steenkalkproductie ging, door de steeds groter wordende vraag naar cement, al snel over in cementproductie en in 1920 werd de Eerste Nederlandse Cement Industrie (ENCI) opgericht.

De kalksteen uit Zuid-Limburg wordt ook wel aangeduid met Maastrichts krijt, of Sibbesteen. De belangrijkste benamingen echter, te weten mergel en tufkrijt of tuf

117 Er is magnesium houdende kalk (dolomietkalk) op de markt die vakkundig volledig is geblust.

[p. 87]

zijn eigenlijk foutief. De Zuid-Limburgse kalksteen is geen mergel (het gehalte aan kleimineralen is zeer laag en beslist geen 25%) en het is ook geen vulkanisch gesteente, zoals de naam tuf doet vermoeden. Het is een zachte, zeer poreuze, gele rifkalksteen, opgebouwd uit fossielen, fossielfragmenten en kalkmodderbrokjes met weinig, zeer fijnkristallijne matrix. De steen bestaat voor ongeveer 96% uit calciumcarbonaat. Voor het overige bevat de steen 3% limoniet (een ijzer(oxi)hydroxide) en 1% kwarts. De aanwezige fossielen zijn karakteristiek voor een rifcomplex.

In Nederland is dus nooit veel kalk uit inheemse kalksteen vervaardigd - wel uit schelpen (de reden hiervoor zal duidelijk zijn). Steenkalk, of de grondstof kalksteen, werd geïmporteerd uit de omringende landen, omdat daar schier onuitputtelijke hoeveelheden kalksteen voorradig zijn. Vooral steenkalk en kalksteen uit België vonden in Nederland een afzetgebied en het zijn dan ook vooral deze kalkstenen die in Nederland zijn gebruikt voor de vervaardiging van de steenkalk, die in historische objecten is verwerkt. Hiervoor werd meestal de ongebluste kalk over de rivieren aangevoerd. De hydraulische Doornikse kalk kwam aan over de Schelde en Luikse luchtkalk over de Maas.

Vanaf het einde van de achttiende eeuw heeft een verschuiving plaatsgevonden van kleinschalige en lokale productie naar grootschalige en meer geïndustrialiseerde productiewijzen. Daarbij neemt met het verloop van tijd het aantal groeves en wingebieden sterk af. De belangrijkste kalkstenen voor de bereiding van Belgische steenkalk zijn de eerder genoemde Luikse kalksteen en Doornikse kalksteen. Uit oude bestekken blijkt dat vaak hydraulische Doornikse kalk is voorgeschreven. Men komt deze kalk daarin met regelmaat als cendre de Tournai tegen.

De Luikse kalksteen wordt voornamelijk tussen Maastricht en Luik (vooral bij Visé) gewonnen. Deze kalksteen is, net als de Zuid-Limburgse sibbesteen een grondstof voor luchtkalk: een pure kalksteen met weinig bijmengingen. Ook de Luikse steen is een rifkalk, vooral opgebouwd uit fossielen en kalkmodderbrokjes. Ook zijn grofkristallijne calcietdomeinen aanwezig (mogelijk gerekristalliseerde fossielen) en calcietaders. De steen dankt zijn donkere kleur aan de aanwezigheid van diffuus verspreide koolstof en (weinig) opaak erts.¹¹⁸ Ook zijn enkele koolstofstylolietjes (brandlijnen) aanwezig. Het calciumcarbonaatgehalte is bijna 100%.

De Doornikse kalksteen daarentegen is een grondstof voor hydraulische kalk. Deze steen bevat naast calciet ook klei, ijzeroxide en kwarts. Er werd een onderscheid gemaakt in drie typen, maar voor de Nederlandse steenkalk werd veelal de zogehe-

118 Metaaloxiden of -sulfiden, die in microscopische preparaten ondoorzichtig zijn.

[p. 88]

ten waterkalk (de meest hydraulische soort) gebruikt. Ook de Doornikse steen is een donkere steen, maar verder verschilt hij in alle opzichten van de Luikse steen. De Doornikse steen heeft een karakteristieke leiachtige verwering - het gevolg van talloze tender geologische omstandigheden door druk aan elkaar parallel georiënteerde glimmers (mica's) en kleimineralen.

Er is nog steeds een grote productie van steenkalk in België. Slechts een kleine fractie daarvan wordt gebruikt als bouwmateriaal. Het grootste deel wordt verwerkt in de landbouw, de chemische industrie en de metaalindustrie. De lange traditie in de ontginning van kalksteen en de fabricage van kalk in België heeft ertoe geleid dat wereldwijd de grootste kalkbedrijven in Belgische handen zijn.

Kalkgroeven in België in het begin van de twintigste eeuw

Een technische nota in het Bulletin des Métiers et d'Art¹¹⁹ van 1909-'10, geeft informatie over de kalkgroeven die in het begin van deze eeuw in België voor de kalkproductie uitgebaat werden en over de soort kalk die ermee kon worden gefabriceerd. Daaruit blijkt nog eens hoe België, door de aanwezigheid van verschillende soorten kalksteen, alle soorten kalk produceerde, van zuivere luchtkalk (vette kalk) tot sterk hydraulische kalk. In tabel 5 zijn de vindplaatsen van de grondstof voor de diverse soorten kalk op basis van die publicatie nog eens op een rij gezet.

In dezelfde publicatie zijn de definities van de verschillende kalksoorten opnieuw geformuleerd en is het verband aangegeven tussen de samenstelling van de kalkstenen en de verkregen kalksoort. Verschillende van deze groeven produceren nu nog steeds kalk.

119 Chaux 1909, pp. 344-7.

2.2 Schelpen

Schelpen zijn van oudsher de grondstof voor de productie van schelpkalk. Door de schelpen te branden en daarna te blussen met water ontstaat kalk, ofwel portlandiet. In mortels worden soms ook hele en gebroken schelpen aangetroffen. Dat geldt vooral voor mortels van zestiende en zeventiende-eeuwse, nabij de kust gelegen monumenten. Primair wijst de aanwezigheid van schelpen en schelpengruis in de mortel op een slecht gebrande schelpkalk. Ze kunnen echter ook afkomstig zijn uit (schelprijk) strandzand, dat als toeslagmateriaal gebruikt kan zijn. Schelpresten in de mortel hoeven dus niet eenduidig te wijzen op schelpkalk als bindmiddel, want schelprijk strandzand kan als verschralingsmiddel zijn toegevoegd aan bijvoorbeeld

[p. 89]

hydraulische steenkalk. Ook in recente steenkalkmortel zijn soms schelpresten te vinden, bijvoorbeeld omdat de leverancier schelpengruis heeft toegevoegd, om zo zijn product als een schelpkalk te kunnen verkopen. Die vervalsing is van alle tijden: schelpkalk is van oudsher duurder dan steenkalk en ook Van der Kloes maakt melding van deze praktijk.¹²⁰

Tabel 5
Overzicht van de vindplaatsen van de verschillende soorten kalk in België
Luchtkalk		↔		Hydraulische kalk
Vette kalk	Zwak hydraulische kalk	Matig hydraulische kalk	Hydraulische kalk	Sterk hydraulische kalk
Rhisne en omgeving	Barvaux (L)	Altert (L)	Antoing (H)	Chaudfontaine (L)
Arquennes	omgeving Durbuy	Bouvignes (N)	Baelen-lez-Limbourg (L)
		Couvin (N)		Chercq (H)
Ecausinnes	Blaton (H)	Fosses (N)	Basècle (H)	Nismes (H)
Soignies		Horion (L)	Calonne (H)	Solre-Sambre (N)
Ath (H)		Huy (L)	Chokier (L)
Boussu (H)		Lavoir (L)	Fovrières (L)	Doornik (H)
Cerfontaine (N)		Muno (L)	Frasnes (H)	Vaulx (H)
Ciney (H)			Heppignies (H)	Antoing
Forries (L)			Hollogne-aux-Pierres (L)
La Buissière (H)
Maffles (H)			La Buissière (H)
Rochefort (N)			Wazy (N)
Wépion (N)			Mevergnies (H)
Visé (L)			Oret (N)
(enz....)			Rhisne (N)
			Rossignol (L)
			Soy (L)
			Viesville (H)
(H) = Provincie Henegouwen
(L) = Provincie Luik
(N) = Provincie Namen

Schelpen werden voorts ook gebruikt als bed, waarop natuurstenen vloerplaten met een weinig kalkmortel, verdeeld in dotten, werden gesteld. Deze wijze van stellen van natuursteen is nu in onbruik geraakt. Tegenwoordig wordt de natuursteen meestal in een aarddroog speciebed van zand en cement gelegd. Omdat het contact van cementmortel met kalksteen en vooral lichtgekleurde marmers kan leiden tot plaatselijke verkleuringen tengevolge van de migratie van stoffen, waar-

120 Van der Kloes 1893, p. 38.

[p. 90]

onder metaalverbindingen, uit de mortel, is voorzichtigheid en zorgvuldige detaillering hier geboden.

De winning van schelpen

De schelpen (kleine, gladde soort: Spinula bivuda) werden tot 1960 met de hand vergaard op de stranden van de Noordzee, de Waddenzee en de - toenmalige - Zuiderzee. Vanaf 1880 worden de schelpen (grotere, gestreepte soort: Kokkel) tevens opgezogen uit schelpenbanken in de Noordzee en Waddenzee. In 1880 gebeurt dit voor het eerst met een stoomschelpenzuiger. De winplaatsen van schelpen hebben zich dus met verloop van tijd verplaatst van het strand naar de zee. Tot 1900 is de Noordzee het belangrijkste wingebied voor de schelpenvangst en daarna geldt dit voor het Waddengebied, met winplaatsen tussen Ameland en Schiermonnikoog en tussen Terschelling en Vlieland. Het wingebied De Roompot bij de monding van de Schelde in de Noordzee blijft echter belangrijk.

De expertise op het gebied van het baggeren in Nederland heeft ertoe geleid dat Nederland marktleider is voor de schelpenwinning. Op drie concessielocaties (Roompot, Waddenzee en Noordzee) worden door vijf bedrijven schelpen uit schelpbanken opgezogen. Door het inzetten van een nieuw soort zuiger, de sleephopper, is het mogelijk om ook bij grotere deining schelpen op te zuigen, waardoor de winning ook verder uit de kust kan plaatsvinden. De concessiegebieden worden door Rijkswaterstaat uitgegeven om te voorkomen dat uitputting ontstaat.

De banken waaruit de schelpen worden gezogen bestaan uit schelpen met slechts weinig organische restanten van de weke delen van deze tweekleppigen. De ouderdom van de schelpen varieert van enkele jaren tot vele millennia; de meeste zijn tussen driehonderd en vijftienhonderd jaar oud. Door het verleggen van getijdegeulen worden recente en oude schelpenbanken bloot gelegd. De aanwas van de schelpen is groot: jaarlijks sterft 70% tot 90% van de kokkelpopulatie af. De schelpen worden door de stroming in (getijde)geulen afgezet in schelpenbanken. Er wordt aangenomen dat de winning deze natuurlijke aanwas niet overschrijdt, wat betekent dat de schelpenvoorraad onuitputtelijk is. Deze regeneratie van de grondstof heeft een belangrijk positief effect op de milieuhygiënische beoordeling van het gebruik van schelpkalk in de bouw (zie hoofdstuk 1, § 3: Duurzaam bouwen met kalkmortel.

Voor de winning van schelpen moet een milieueffectrapportage (MER) worden opgesteld, waarin de effecten voor het milieu en de ecologie werden afgewogen.

2.3 Natuurlijke puzzolanen

Natuurlijke puzzolanen zijn gemalen steenpoeders of aardachtige materialen, die de eigenschap bezitten met kalk (calciumhydroxide, portlandiet) te reageren onder vor-

[p. 91]

ming van verhardende reactieproducten. Aan matige, of niet hydraulische kalkmortels toegevoegd, leveren zij een extra bijdrage aan de verharding van kalkmortels en daarmee aan hun eindsterkte. De puzzolanen zijn genoemd naar het dorpje Pozzuoli nabij Napels, waar de Romeinen de puzzolane werking van het aldaar gewonnen bodemmateriaal van vulkanische oorsprong ontdekten. Alle natuurlijke puzzolanen zijn van vulkanische oorsprong, zowel de tras uit de Eifel als bijvoorbeeld de aarde van Santorini.

Tras: een natuurlijk puzzolaan

In Vlaanderen, Nederland en Duitsland gebruikte men als natuurlijke puzzolaan vooral tras. Erg gewaardeerd was de Dordtse tras, vervaardigd uit tufsteen uit de streek van Andernach in Duitsland. De Andernachse tufsteen werd per schip over de Rijn naar Nederland vervoerd. In het aan de Merwede gelegen Dordrecht werd daaruit tras geproduceerd en daarna verhandeld.

Zelfs de tras die in Vlaanderen werd verwerkt werd via Nederland verhandeld, ondanks het feit dat deze in de Rijnvallei in Duitsland werd ontgonnen.¹²¹

Tras wordt verkregen door het malen van tufsteen, die in het Brohlerdal en het Nettedal voorkomt (Duitse Vulkaaneifel) en ook als bouwsteen werd en wordt toegepast. Deze tufsteen is ontstaan door verharding van zogenoemde ignimbritische tufafzettingen, die in het Tertiair en Kwartair door de Eifelvulkanen werden uitgestoten. Ignimbrieten zijn zeer hete wolken vulkanische as, waterdamp en vulkanische gassen, die uit de vulkaanmond worden gedreven ten gevolge van de hoge gasdruk. De wolken raasden de vulkaanhelling af en volgden daarbij vaak de beekdalen. Het fijn verdeelde tuf zakte hierbij uit de ignimbriet en werd in bijna niet gelaagde banken afgezet. Op een verse ignimbrietafzetting kunnen vulkanische bommen inslaan. Die zijn ook nu nog zichtbaar als grote blokken van lava, die met kracht in de niet samenhangende ignimbritische tuf zijn ingeslagen.

De samenstelling van het tuf in het Brohlerdal en Nettedal is trachitisch. Dat wil zeggen dat de lava - die door de enorme gasuitbarsting niet rustig kon uitstromen, maar geheel gefragmenteerd werd - bestond uit kristallen van veldspaat (sanidien), die omgeven werden door een niet kristallijne grondmassa (in tegenstelling tot peperino, een rustgig afgekoelde trachiet). Ten gevolge van de snelle afkoeling na uitbarsting van de ignimbriet verstarde deze grondmassa tot een glasachtige materie. Juist aan deze niet kristallijne, glasachtige component van de tufsteen, heeft de tras zijn reactiviteit te danken. Tras bestaat verder uit vermalen sanidienkristallen, die echter geen bijdrage

121 National s.a.

[p. 92]

leveren aan de puzzolane reactie van de tras. Dit geldt overigens voor alle vermalen kristallijne stollingsgesteenten.

De ontwikkeling van de maal- en zeeftechnieken hebben ertoe geleid dat met het verloop van de tijd de tras steeds fijner gemalen kon worden en bovendien steeds beter kon worden uitgezeefd. Zeventiende-eeuwse tras bevat daardoor nog grovere korreltjes, in tegenstelling tot de twintigste-eeuwse tras.

Tras kan separaat als los poeder aan een kalkmortel worden toegevoegd, maar de tras en kalk kunnen ook samen zijn gemalen. Daardoor zou een betere menging van beide componenten tot stand komen, die tot betere uitharding zou leiden. Tegenwoordig wordt traskalk op deze wijze vervaardigd. Of beide componenten een positieve werking op elkaar uitoefenen tijdens het malen is niet zeker, maar de werking van tras neemt in ieder geval toe naarmate dit puzzolaan fijner is gemalen. Samen malen zou mogelijkerwijs kunnen resulteren in een fijnere korrelgrootte van de tras.

Omdat tras en kalk met elkaar reageren, zijn kant en klare trasbevattende mortelmengsels onder vochtige omstandigheden maar beperkt houdbaar. De opslag van dergelijke bouwmaterialen verdient daarom extra zorg en aandacht.

De werking van de aarde van Santorini, de aarde van Pozzuoli en vulkanische bodemsoorten in Indonesië is geheel vergelijkbaar met de werking van tras. Ook bij deze puzzolanen is de glasachtige component het met kalk reactieve deel.

De reactie van puzzolanen met kalk verloopt langzamer dan de hydratatiereactie van hydraulische componenten in hydraulische kalk en cement. Daarom wordt tras ook wel - vaak ten onrechte - vervangen door cement.

2.4 Synthetische puzzolanen

Synthetische puzzolanen zijn gemalen producten die niet in de natuur zijn gevormd, maar die dezelfde puzzolane eigenschappen hebben als de natuurlijke puzzolanen, zoals die bekend zijn van tras (zie § 2.3). Dit betekent dat synthetische puzzolanen met kalk reageren onder vorming van verhardende reactieproducten, die een bijdrage leveren aan de sterkte van de kalkmortel. De grondstoffen voor de synthetische puzzolanen bestaan uit gebakken materialen, zoals baksteen en kolenas. De mate waarin gebakken klei geschikt is als puzzolane toeslagstof is afhankelijk van de temperatuur waarbij de klei werd gebakken. Ongebakken of te zacht gebakken klei heeft geen puzzolane werking. Dat geldt ook voor te hard gebakken klei, die geheel is gesinterd en een kristallijne vorm heeft aangenomen. Het gaat bij puzzolanen om amorf silica. In de amorfe (glasachtige) fase is silica uiterst reactief, een eigenschap die het grotendeels verliest als het (bij hoge temperatuur) in een kristallijne vorm overgaat. Amorf silica blijft over wanneer de kleimineralen bij het bakken hun chemisch gebonden water hebben verloren en bovendien een zekere tijd bij de in dit

[p. 93]

verband optimale baktemperatuur zijn gebleven. Het gehalte aan amorf silica is bij illitische klei optimaal bij het branden op circa 600 °C. Bij kaolinitische klei is dat omstreeks 900 °C. In Nederland wordt bij de baksteenfabricage voornamelijk illitische klei gebruikt.

Vanaf de achttiende eeuw wordt een aantal verschillende benamingen gebruikt voor synthetische puzzolanen gebaseerd op gebakken klei. Het meeste bekend in Nederland is waarschijnlijk het Amsterdams of Caziuscement. Dit is een roodachtige poeder met hydraulische eigenschappen, dat wordt verkregen door uit het IJ gebaggerde klei te bakken en na afkoelen fijn te malen (zie ook hoofdstuk 2 § 2.8). Een andere hiervoor gebruikte naam is rood cement. Een meer algemene naam voor een puzzolaan die is verkregen door gebrande klei fijn te malen - veelal redelijk harde doorbakken metselstenen¹²² - is brikkenmeel.

Niet geheel verbrande steenkool, steenkoolsintel, werd ook gebruikt als hydraulische component in kalkmortels. Soms verving het zowel het zand als het natuurlijke puzzolaan.¹²³ Volgens Van der Kloes is de toepassing ervan niet aan te bevelen. Het kan onder meer tot zoutschade leiden. Zogenaamde Doorniksche asch bestaat uit as van de steenkolen uit Doornikse kalkovens vermengd met fijngestampte gebrande kalksteen.

Het fijngemalen poeder van niet-blusbare grovere delen die na het branden en blussen in steenkalk aanwezig (kunnen) zijn, gedraagt zich ook als een puzzolane stof. Het leidt tot een zogenaamde Cementkalk (petits ciments) of ciments romains.

Alle synthetische puzzolanen bevatten, zoals ook het geval is bij alle natuurlijke puzzolanen, een niet kristallijne, glasachtige component. Deze component reageert met de kalk. De glasachtige component is het gevolg van snelle afkoeling na gehele, of gedeeltelijke smelt, geheel vergelijkbaar met het ontstaan van de glasachtige component in natuurlijke puzzolanen, die van vulkanische oorsprong zijn.

Synthetische puzzolanen worden verkregen door het vermalen van keramische producten, zoals bakstenen (brikkenmeel) en dakpannen, kolensintels, en as uit kalkovens, dus uit producten die aan grote hitte hebben blootgestaan en redelijk snel zijn afgekoeld zodat een onstabiel materiaal wordt gevormd, dat niet of nauwelijks kristallijn is. Dit materiaal verleent de synthetische puzzolanen hun puzzolane werking.

Tegenwoordig wordt ook vliegas als puzzolaan verwerkt, voornamelijk in cement. Ook vliegas is een substantie die bestaat uit zeer fijne bolletjes van amorf, glas-

122 Van der Kloes 1893.

123 Van der Kloes 1893.

[p. 94]

achtig materiaal. Ook het amorfe silicaproduct silicafume is een sterk puzzolaan materiaal. Door zijn zwarte kleur verkleurt het kalkmortels tot sterk grijs gekleurde mortels, hetgeen in de restauratiepraktijk veelal gezien wordt als een visueel gebrek.

2.5 Zand

Zand is het voornaamste toeslagmateriaal voor mortels. Ook andere toeslagen zijn bekend, zoals haar, kolengruis, gebroken schelpen en hoogovenslak, maar natuurlijk gevormd kwartszand werd en wordt in de Nederlanden het meest toegepast.

Het ontstaan van zand

Zand is een niet samenhangend (ongeconsolideerd) materiaal en bestaat uit losse korreltjes van mineralen en gesteenten met afmetingen tussen 64 µm en twee millimeter, althans volgens een classificatie in de geologie. Als bouwmateriaal komen korrelgroottes tot wel vier millimeter voor in het zand. Volgens de geologische classificatie van zand en grind behoort het materiaal tussen twee en vier millimeter tot zeer fijn grind.

De zandkorreltjes zijn door stromend water, wind of ijs getransporteerd en zijn op bepaalde locaties afgezet, op het moment dat het transportmedium te weinig energie had om de korreltjes nog verder te vervoeren. Vanwege deze wijze van ontstaan, wordt zand gerekend tot de ongeconsolideerde sedimenten, of afzettingen.

Wanneer zand onder geologische omstandigheden verhardt, ontstaat zandsteen. Zandsteen is hierdoor een samenhangend, ofwel geconsolideerd gesteente.

De mineraal- en gesteentekorreltjes zijn ontstaan uit vaste gesteenten in berggebieden, die door verwering en de inslijpende werking van stromend water, wind of ijs (erosie) gestaag afbrokkelden. De brokstukken werden vervolgens door stromend water of ijs vervoerd en hierdoor verkleind. Uiteindelijk begonnen de kleinere brokstukjes en stukken puin aan een lange reis door rivieren, die het steeds fijner wordende materiaal in de vorm van losse korreltjes naar zee transporteerden.

Stromend water en wind bezitten het vermogen het zand te sorteren, afhankelijk van de stroom- of windsnelheid. Bij lage snelheden kunnen slechts de kleinste zanddeeltjes worden getransporteerd en bij hogere snelheden tevens grotere zanddeeltjes. Wind kan nog beter sorteren dan stromend water. Hierdoor is bijvoorbeeld het door de wind afgezette duinzand goed gesorteerd. Dat wil zeggen dat alle zandkorreltjes ongeveer even groot zijn: er is weinig variatie in korrelgrootte. Stromend water heeft een minder sterke sorterende werking, maar desondanks zijn de variaties in korrelgrootte van rivierzand niet heel groot; rivierzand is dan ook in het algemeen goed tot matig gesorteerd.

[p. 95]

De verschillende soorten zand

Niet alle zandkorreltjes bereiken de zee en langs en in de rivieren worden grote hoeveelheden van het zand afgezet als rivierzand, vooral in de benedenloop van de rivieren, waar de transportsnelheid van het water het geringst is (fluviatiel zand; afgezet door stromend water).

De rivierafzettingen bevatten naast het mineraal kwarts ook andere (voor transport resistente) mineralen en gesteentefragmenten, die afkomstig zijn uit de stroomopwaarts aanwezige typen gesteenten, die in het brongebied van de rivier worden uitgesleten. Het zand van de Rijn bijvoorbeeld bevat mineralen die ontstaan zijn in de vulkanische gesteenten van de Eifel en hieruit door erosie zijn vrijgemaakt. Voor vulkanische gesteenten kenmerkende mineralen, zoals olivijn, sanidien en augiet, zijn wel in Rijn- en IJsselzanden aanwezig maar ontbreken in Maaszanden.¹²⁴ Ook fragmenten van typische vulkanische gesteenten uit de Eifel zijn niet in Maaszanden aanwezig; zij zijn typisch voor Rijnzanden. De Maalzanden bevatten daarentegen gesteentefragmenten, die kenmerkend zijn voor de Vogezen en Ardennen: graniet, lydiet, diabaas, kalksteen en schalie.

In zee wordt het zandige sediment uit de rivieren verder vervoerd door getijdenstromen, waaruit het nabij de kust naar de bodem van de zee zinkt (zeezand of marien zand.) Het zand wordt ook door golven op het strand gedeponeerd (zandstrand), waar de wind vat krijgt op de losse en drogende korreltjes.

Vanaf het strand begint een derde, doorgaans vrij korte, reis met wind als transportmedium: duinvorming. Afhankelijk van windsnelheden worden zandkorreltjes opgetild en door de wind vervoerd, waarbij veelal een springende beweging ontstaat, in de geologie salteren genoemd. De wind, met zijn sterk variabele snelheden, bepaald door lokale hindernissen (bijvoorbeeld helmgras), kan het zand slechts over korte afstanden verplaatsen. Het zand wordt zodoende in de duinen afgezet als duinzand. Alleen heel fijnkorrelig zand kan over langere afstanden door de wind worden verplaatst. Voorbeelden hiervan worden in Limburg gevonden, waar de löss door de wind is afgezet (eolisch zand). Niet alleen langs de kust ontstaan zandduinen, ook in het binnenland kan zand door de wind worden verstoven, wanneer de zandkorreltjes niet door vegetatie tegen de wind worden beschermd. Er ontstaan duinvormige stuifzandafzettingen, zoals de stuifzanden van de Veluwe en de rivierduinen die we uit de archeologie kennen als de plaatsen die in de Steentijd voor bewoning werden benut.

124 Bosch 1992.

[p. 96]

Stuwend ijs in de vorm van zich verplaatsend landijs bezit niet de mogelijkheid tot het sorteren van zand. Als een ploeg wordt de bodem omgewoeld en worden zand en stenen door het landijs gemengd. Dergelijke afzettingen worden in Nederland aangetroffen op de Utrechtse heuvelrug, die ten gevolge van deze ploegende werking van het landijs is ontstaan. In de zandafzettingen op de Utrechtse heuvelrug komt hierdoor zeer slecht gesorteerd zand voor. In zandgroeves, bijvoorbeeld in Maarssen, is dit goed te zien: grote keien en kiezels drijven in zandmassa's. Dergelijke zandafzettingen worden glaciale zanden genoemd. Zij zijn slecht gesorteerd (er is sprake van grote verschillen in korrelgrootte). Glaciale zandafzettingen komen vaak samen voor (zijn vaak geassocieerd) met fluviatiele zandafzettingen (zanden, afgezet door stromend water). Wanneer het landijs smelt, wordt zand vervoerd door het wegstromende smeltwater. Zeer dicht bij zandafzettingen met slecht gesorteerd zand (door stuwend ijs) kunnen dus zandafzettingen aanwezig zijn met goed gesorteerd zand (door stromend smeltwater). Glaciale zanden werden in Nederland ook wel bergzand genoemd, maar deze term kan beter worden gebruikt voor het zand dat met name in Duitsland wordt verkregen door het fijnmalen van donker gekleurde soorten gesteenten.

De zandkorrels nader beschouwd

Het hoofdmineraal van zand is in Nederland en in België kwarts.¹²⁵ Dit mineraal bezit geen kristallografische splijtrichtingen, waarlangs de korrels door mechanische belasting tijdens het transport kunnen breken. Bovendien is kwarts chemisch bijna niet reactief, in tegenstelling tot andere mineralen zoals veldspaat. Verkleining van de kwartskorrels tijdens het transport vindt alleen plaats ten gevolge van het afslijten van de korrels, of doordat grotere kwartskorrels tijdens het transport in stukken breken. Door het afslijten bezitten zandkorrels uit rivierafzettingen een glad, gepolijst oppervlak, ofwel: fluviatiel zand heeft een goede afronding. Doordat de zandkorrels van eolisch duinzand daarentegen tijdens het transport tegen elkaar aan stuiteren (salteren), ontstaan kleine beschadigingen in hun oppervlak. Duinzand heeft hierdoor een slechte (tot matige) afronding. De mate van afronding van de zandkorrels verschaft dus informatie over het transportmechanisme. Het behoeft geen nadere uitleg dat zandafzettingen die door landijs zijn opgestuwd slecht afgerond zand bevatten. Er is immers nauwelijks sprake geweest van transport, dus evenmin van afronden of polijsten.

125 Broothaers 2002.

[p. 97]

Niet alleen de gladheid van het oppervlak van de zandkorreltjes wordt beïnvloed door het transport, maar ook de vorm van de korreltjes. Zo neigen kwartskorreltjes na langdurig transport door water steeds bolvormiger te worden. De mate van het benaderen van de bolvorm wordt aangeduid met de term sfericiteit. Korrels met een hoge sfericiteit zijn (bijna) bolvormig en met een lage sfericiteit zijn (bijna) plat. Schaliefragmentjes (fragmentjes van leisteen), opgebouwd uit laagjes van mica's, hebben juist de neiging plat te blijven tijdens transport door water en hebben derhalve een lage sfericiteit.

Door de geografische ligging van Nederland bevinden alle rivieren zich in hun benedenloop. Dit heeft tot gevolg dat grote hoeveelheden zand door de rivieren worden aangevoerd en afgezet. Bovendien bestaat bijna de gehele kuststrook uit duinzand. Gedurende meerdere ijstijden is zand verplaatst en afgezet door enorme massa's landijs, waarvoor tevens de rivieren moesten wijken of hun loop moesten verleggen. Alle typen van zandafzettingen zijn dus in Nederland aanwezig en eigenlijk kan dit land als een - door de inwerking van het landijs verstoorde - met zand opgevulde rivierdelta worden beschouwd. De korrelgrootteverdeling, de mate van afronding en sfericiteit en de mineralogische samenstelling van de zandafzettingen in die rivierdelta worden bepaald door hun transport- en afzettingsomstandigheden, ofwel hun geologische geschiedenis.

Korrelgrootteverdeling van natuurlijk zand

Omdat zandkorrels door een transportmedium (stromend water, wind, ijs) worden voortbewogen is de energie van dat medium bepalend voor de effectiviteit van het transport. Met energie wordt hier bedoeld het vermogen om zandkorrels te transporteren. Wanneer de energie te laag is voor transport, worden de zandkorrels gedeponeerd. Energieverschillen zijn bijvoorbeeld aanwezig in een bocht van een rivier. In de binnenbocht stroomt het water langzamer, waardoor het een lagere energie heeft, in de buitenbocht sneller, waardoor het water daar een hogere energie heeft. Het gevolg is dat in de binnenbocht zand en zelfs klei wordt afgezet met een veel kleinere korrelgrootte dan het zand dat in de buitenbocht wordt afgezet, dat zelfs grind kan bevatten.

Omdat wind over het algemeen niet in kromme patronen waait, maar in een min of meer constante windrichting, is de energie van de wind over grotere afstanden gelijk. Omdat wind dus over grotere afstanden een beter sorterend vermogen heeft dan stromend water, heeft eolisch zand een evenwichtigere korrelgrootteverdeling dan fluviatiel zand (zand uit een waterstroom). Dat neemt niet weg dat een storm grotere zandkorrels kan transporteren dan een briesje, maar toch is de gelijkkorreligheid van eolisch zand een eigenschap daarvan.

[p. 98]

Met betrekking tot zeezand moet worden opgemerkt dat de zandbanken waaruit dergelijk zand wordt opgezogen zich voor de monding bevinden van rivieren die grote hoeveelheden sediment naar de zee voeren. Het zeezand bevat hierdoor een veelheid aan korrelgroottes, omdat het zand door de rivier in kwestie niet in een enkele korrelgroottefractie kon worden uitgesorteerd. Daardoor heeft de korrelgrootteverdeling van zeezand grote overeenkomsten met die van het rivierzand waaruit de zandbanken in de zee zijn ontstaan. Natuurlijk moet hierbij in ogenschouw worden genomen dat het rivierzand dat op de zeebodem wordt afgezet zich in een soort waaiervormige delta heeft verzameld, met bijbehorende flauwe hellingen richting zee. Het afgezette materiaal op deze hellingen kan de kritische hellingshoek bereiken en hierdoor verder landafwaarts glijden, met nieuwe reorganisaties van de korrelgrootteopbouw tot gevolg. Daarom wordt zeezand altijd over een aantal trilzeven gescheiden in een zandfractie en in een grindfractie.

Al met al leidt dit er dus toe, dat afhankelijk van het soort zand, er min of meer sprake is van een karakteristieke verdeling van de korrelgrootten. De korrelgrootteverdeling kan ook weer afhankelijk van het soort zand slechts weinig of soms juist tamelijk veel afwijken van die karakteristieke verdeling (denk aan de verschillen tussen rivierzand uit de binnenbocht en rivierzand uit de buitenbocht). Met die kanttekening geven we hier, in figuur 8, voorbeelden van korrelgrootteverdelingen (zeefkrommes) van zanden die vaak op Nederlandse bouwplaatsen aangetroffen worden.

De kleur van zand

Nadat zand op een bepaalde locatie is afgezet, kunnen de zandkorreltjes worden gecoat door ijzermineralen, waaronder het mineraal limoniet. Limoniet is een ijzer-oxide-hydroxide met wisselende hoeveelheden kristalwater, ook wel gele oker genoemd. Het slaat onder bepaalde omstandigheden neer uit ijzerrijke waterige oplossingen, bijvoorbeeld uit ijzerrijk kwelwater dat door een zandafzetting percoleert. Hierdoor verandert de kleur van het zand van kleurloos wit (puur kwartszand)

[p. 99]

tot okerkleurig en met alle kleurnuances daartussenin. Omdat deze kleurnuances het meest voorkomen in zanden worden zij ook wel zandkleurig genoemd.

Onder bepaalde omstandigheden kan in meren en ondiepe zeeën het groene mineraal glauconiet ontstaan in de vorm van kleine bolletjes, die ongeveer even groot

Figuur 8
< > Korrelgrootteverdeling van diverse natuurlijke zanden.

[p. 100]

zijn als de kwartskorreltjes. Door de aanwezigheid van dit mineraal wordt zand groen gekleurd. Dergelijk zand wordt glauconietzand genoemd.

Door de sorterende werking van golven en stromend rivierwater kunnen zich plaatselijk een aantal zwart gekleurde mineralen concentreren, omdat de korreltjes van deze mineralen veel zwaarder zijn dan de kwartskorreltjes. Het zand dat zo ontstaat wordt zand van zware mineralen, ofwel placerzand genoemd. We komen kleine concentraties van zwart zand bijvoorbeeld tegen op het strand.

Geologische omstandigheden, zowel in het achterland van de rivieren, als op de sedimentatielocatie, zijn dus tevens bepalend voor de kleur van het zand. De kleur van het zand kan ook gebruikt worden om mortel te kleuren.

Klei en grind

Ook kleinere deeltjes dan 64 µm worden door rivieren en door de wind verplaatst en afgezet, waardoor met name in de langzaam stromende binnenbochten van rivieren klei wordt afgezet. Maar ook grotere fragmenten worden door rivieren en werden door voormalige smeltwaterstromen getransporteerd en elders gedeponeerd, waardoor grindafzettingen ontstonden. Klei, zand en grind, de bouwstenen van de Nederlandse ondergrond en tevens de belangrijke bouwmaterialen, of grondstoffen daarvoor, zijn hier in grote hoeveelheden voorhanden.

Zandwinning voor de bouw

Historische bouwwerken werden gebouwd met lokale bouwmaterialen. Zo wordt in de kalkmortels van monumenten in de buurt van de zeekust vaak duinzand als toeslagzand aangetroffen en is het glauconietzand uit de nabijheid van Leuven (het zand van Diest) toegepast in verscheidene historische gebouwen in Brabant, zoals bijvoorbeeld in de zeventiende-eeuwse mortels van de Michielskerk te Leuven.¹²⁶

Tegenwoordig wordt zand op bepaalde concessies gewonnen, waardoor het lokale karakter van het zand verloren is gegaan. Dit behoeft geen nadeel te zijn, integendeel. Er worden specifieke eisen gesteld aan het toeslagzand van mortels, op grond van de vereisten met betrekking tot de verwerkbaarheid en het toepassingsgebied. Door het enorme aanbod aan diverse typen zand is het mogelijk de juiste keuze te maken voor specifieke toepassingen, zoals voor compatibele restauratiemortels. Zo kan men kiezen voor een zeer goed gesorteerd duinzand, of juist voor een slecht gesorteerd zand uit afzettingen die door landijs zijn opgestuwd.

126 Callebaut 1999.

[p. 101]

Zand wordt bovendien verkregen door het vermalen van gesteenten of grind. De afronding van de zandkorrels die men hiermee verkrijgt is zeer slecht, maar de sortering van het zand kan goed zijn door het uitzeven van bepaalde zandfracties. Het bergzand uit Duitsland is zeer donker, bijva zwart van kleur. In Nederlandse monumenten wordt dit bergzand niet aangetroffen. Voor het toeslagmateriaal van mortels kon men immers beschikken over een overvloed aan materiaal uit de eigen omgeving. Nabij de kust worden in monumenten naast duinzand ook gebroken schelpen als verschralingmiddel in de mortel aangetroffen. Duinzand bevat van nature gebroken schelpen; mogelijk werden ze ook bewust aan de mortel toegevoegd. Duinzand is goed gesorteerd en kent dus nauwelijks variatie in korrelgrootte. Ook is duinzand fijnkorrelig. Door het toevoegen van gebroken schelpen kan de korrelopbouw van de toeslag worden verbeterd (meer variatie in korrelgrootte en toevoeging van een grovere fractie).

3 De productie van het bindmiddel kalk

3.1 Productie van steenkalk vroeger en nu

De historische productie van steenkalk

In de Middeleeuwen kwamen twee typen kalkovens voor: de intermitterende oven en de continuoven. Bij de eerste werden de kalkstenen in de oven gestapeld waarbij de onderste laag een gewelf vormde in de oven. Hieronder ontstond dan een holte waarin brandstof werd gestookt. Het duurde afhankelijk van de grootte van de oven en de aard van de brandstof drie tot vier dagen om de kalksteen te branden en om de vulling weer genoeg te laten afkoelen om de oven leeg te kunnen maken. Daarna kon de oven weer worden gevuld. Deze werkwijze kwam in grote lijnen overeen met de werkwijze die al door Cato de Oude (234-149 voor Christus) werd beschreven.

In de continu werkende oven werden afwisselend lagen kalksteen en brandstof gestapeld. Onderaan werd een vuur gestookt waardoor de onderste laag kalksteen calcineerde en door een rooster viel. Hierdoor kon boven regelmatig kalksteen en brandstof bijgeladen worden en zo kon het proces doorgaan. De met deze oven gebrande kalk was minder zuiver en bevatte vaak restanten houtskool die nu nog aangetroffen kunnen worden in oude mortel.¹²⁷

127 Davey 1961 I.

[p. 102]

Vóór de zestiende eeuw kwamen kalkovens slechts bij uitzondering op een afbeelding voor. Vanaf de zestiende eeuw werd de kalkoven frequenter getekend of geschilderd. Eén van de oudste afbeeldingen van een kalkoven vindt men in een Siciliaans mozaïek uit de twaalfde eeuw in de Capella Palatina in Palermo.¹²⁸

Opvallend in veel afbeeldingen is de positie van de kalkovens naast water. Dit is verklaarbaar. Immers, de kalksteen en de kalk werden per schip vervoerd. In de kalkovens gelegen aan de Schelde bij Antwerpen, zoals deze zijn te zien op een prent uit 1515,¹²⁹ werd vermoedelijk kalksteen gebrand uit het Scheldebekken bij Doornik.

Kalkovens bouwde men bij (grote) bouwwerken maar ook vaste kalkovens kwamen voor. Deze werden bij voorkeur gesitueerd op plaatsen waar de geschikte kalksteen ontgonnen kon worden of waar brandstof beschikbaar was. Deze brandstof was tot het einde van de dertiende eeuw voornamelijk hout.

Voor het branden van de kalksteen was een grote hoeveelheid hout, kolen of turf nodig. Burnell¹³⁰ geeft aan, hoeveel brandstof nodig is voor het branden van vijfendertig kubieke voet kalk (ongeveer een ton) in een intermitterende oven: 60 kubieke voet (ongeveer 6,5 m³) eikenhout of 117 kubieke voet (ongeveer 13 m³) dennenhout of 9 kubieke voet (ongeveer 1 m³) turf. In een continuoven was minder brandstof nodig vanwege het groter energetisch rendement (omdat de oven niet telkens moest worden afgekoeld). Zo kon de hoeveelheid kolen verminderd worden met meer dan één vijfde.¹³¹

Om één ton gebrande kalk te produceren was de hoeveelheid hout nodig van een eik met een diameter van zesenveertig centimeter en een lengte van negen meter of twee dennen van hetzelfde formaat. Het is dan ook niet verwonderlijk dat het vinden van een dergelijke hoeveelheid hout tot problemen leidde, zodat steeds vaker andere brandstoffen, zoals kolen, werden gebruikt. Hierdoor ontstond het probleem van de luchtverontreiniging, waardoor nieuwe reglementen noodzakelijk werden geacht. In het begin van de veertiende eeuw werd het branden van kalk met kolen als brandstof verboden in Londen. Om dezelfde reden vaardigde de magistraat van Brussel in 1415-1416 maatregelen uit en in 1536 is het verboden te Am-

128 Tyghem 1966.

129 Detail uit Zicht op de rede van Antwerpen, 1515; Prentenkabinet Antwerpen; Dit is de kalkoven in Vlaanderen; Tyghem 1966, figuur 197.

130 Davey 1961 I.

131 Davey 1961 I.

[p. 103]

Figuur 9
Kalkoven (Four Brebart, Calonne bij Tournai), gebouwd rond 1914 (Foto september 1999 © Koen van Balen).

[p. 104]

sterdam te maicken ofte opstellen enighe calckovens een myle weechs rontomme an der stede.¹³²

132 Van de Walle 1959, p. 65.

De huidige productie van steenkalk

Tegenwoordig is de situatie met betrekking tot luchthardende kalk geheel anders. Kalksteen wordt niet meer op de eerste plaats gebrand en geblust ten behoeve van de bereiding van mortels. Het kalkhydraat wordt hoofdzakelijk toegepast in de industrie, zoals de papier- en staalindustrie en in de chemische industrie. Industriële rookgassen worden op grote schaal gereinigd met gebruikmaking van kalkhydraat. Ook wordt kalkhydraat ingezet in de strijd tegen de verzuring van de bodem en het oppervlaktewater ten gevolge van zure en verzurende neerslag, door deze base toe te voegen aan het verzuurde milieu. Slechts een kwart van de gebrande kalk wordt gebruikt in de bouw, maar zeker niet alleen voor de bereiding van kalkmortels: het dient ook als één van de grondstoffen voor de productie van kalkzandsteen bouwelementen, voor de productie van cement en voor het stabiliseren van leem en kleihoudende gronden.

De huidige toepassing van kalkhydraat (lees: steenkalk) is tweeledig: enerzijds wordt het aan geprefabriceerde zandcementmortels toegevoegd ter verhoging van de verwerkbaarheid van de specie en de elasticiteit van de mortel en anderzijds dient het als het bindmiddel voor werkelijke kalkmortels. Deze tweedeling in productlijnen is het gevolg van een grove tweedeling die in de bouwsector is aan te brengen: de nieuwbouw en de restauratie, waarbij de nieuwbouw een dominante rol speelt. Omdat juist in de nieuwbouw cementgebonden en bastaardmortels worden verwerkt, is het niet verwonderlijk dat de huidige productie van steenkalk als bindmiddel voor zuivere kalkmortels slechts een klein aandeel vormt van de totale mortelproductie. Desalniettemin wordt steenkalk steeds meer als bijzonder hoogwaardig (bij)product geproduceerd door de kalkindustrie en door de opleving van dit product, mede ten gevolge van verder geëvolueerde inzichten in de restauratiesector, stijgt de productie van steenkalk langzaamaan. Hierbij moet worden opgemerkt dat de grootschalige economische situatie, de conjunctuur, bepalend is voor de vraag naar (kalk)mortels in de bouwsector en dus ook voor de productie daarvan.

Zoals hierboven reeds is vermeld, worden ongebluste kalk en kalkhydraat voor diverse takken van de industrie geproduceerd. Het aandeel voor een bepaalde tak van industrie wisselt sterk van land tot land. In Scandinavië bijvoorbeeld wordt kalkhydraat grotendeels gebruikt in de papierindustrie en om verzuring van het milieu tegen te gaan. In Duitsland wordt het hoofdzakelijk gebruikt in de staalindustrie. De

[p. 105]

productie van steenkalk wordt gedomineerd door Belgische bedrijven, die veelal ook belangen hebben in de buitenlandse kalkindustrie. Dit is een gevolg van de historische ontwikkeling en de grote rijkdom aan kalksteen in België, waardoor zich hier een sterke bedrijfstak kon ontwikkelen.

De huidige situatie wijkt dus sterk af van de historische: toen produceerden kalkovens de kalk vooral als grondstof voor de (hydraulische) steenkalk en nu is deze productie relatief onbelangrijk. Bovendien werd steenkalk toen veel meer lokaal en op kleine schaal gefabriceerd en nu ten gevolge van de schaalvergroting veel minder lokaal en door de moderne grootschalige kalkindustrie.

Ten aanzien van hydraulische kalk is de situatie anders. De productie van hydraulische kalk is nog wel uitsluitend bestemd voor de productie van mortels en zelfs bijna uitsluitend voor de renovatie- en restauratiesector. Producenten van hydraulische kalk worden in diverse Europese landen, zoals Italië, Frankrijk en Engeland gevonden.

3.2 Productie van schelpkalk vroeger en nu

De historische productie van schelpkalk

Het branden van (zee)schelpen tot kalk is een zeer oude traditie. In China werden tijdens de Hsia-dynastie (2205 tot 1766 voor het begin van onze jaartelling) al schelpen gebrand.¹³³ In Europa waren de Grieken in 400 voor Christus al bedreven in het branden van schelpen tot kalk. De Romeinen zouden deze traditie van de Grieken hebben overgenomen, waardoor ook in Nederland al rond 75 na Christus zeker vier schelpkalkovens in bedrijf zijn geweest. Met het vertrek van de Romeinen verdween ook de traditie van het schelpen branden. Pas in 700 na Christus wordt deze traditie in ere hersteld, onder andere ten behoeve van de bouw van de abdij in Egmond. Tijdens de Middeleeuwen werd schelpkalk soms zelfs gefabriceerd voor en meegenomen tijdens veldtochten, ten behoeve van de bouw van vestingwerken, bijvoorbeeld door de Hollandse graaf Willem IV (rond 1345).¹³⁴

Tot aan de Eerste Wereldoorlog werd schelpkalk in ruime hoeveelheden vervaardigd, waarbij de ovens steeds meer werden gemoderniseerd. De schelpkalk werd tot die tijd tot schelpkalktrasmortels verwerkt. Na de Eerste Wereldoorlog doet cement zijn grootschalige intrede in Nederland, ten koste van die van schelpkalk, maar

133 Doon 1996.

134 Janse 1981.

[p. 106]

omdat het door deze oorlog tevens onmogelijk was om steenkalk en cement uit België en Duitsland te importeren, bloeide de schelpkalkbranderij toch sterk op. Als gevolg van de crisis in de jaren 1930 en de import van Duitse hydraulische steenkalk verminderde de productie van schelpkalk echter met bijna tweederde. In 1941 werd zelfs serieus overwogen de schelpkalkbranderijen in Nederland te sluiten, ten voordele van de Belgische, Duitse en Nederlandse steenkalkindustrie. Tijdens de Tweede Wereldoorlog was er sprake van een sterke afname in bouwactiviteit en was het winnen van schelpen op de Waddenzee en Zeeuwse wateren onmogelijk vanwege de aanwezigheid van mijnen. Pas na mei 1945 kwam de productie van schelpkalk weer moeizaam op gang en in 1946 werd er alles aan gedaan om de schelpkalkindustrie rendabeler te maken. En met succes, want in de periode 1946-1955 bereikte de productie en afzet van schelpkalk een recordhoogte (100.000 ton per jaar). Daarna ging het bergafwaarts, tot in 1991 de op een na laatste branderij in Hasselt (Ov.) werd gesloten. Sinds 1994 fungeert het complex als gemeentelijk museum.

In tegenstelling tot de productie van steenkalkhydraat (zie § 3.1), werd schelpkalk lange tijd uitsluitend vervaardigd ten behoeve van schelpkalkmortels. Tegenwoordig vindt schelpkalkbloem ook toepassing in droge rookgasreiniging, afvalwaterzuivering en in de chemische industrie.

De huidige productie van schelpkalk

De schelpkalkbranderij in Harlingen werd in 1972 opgestart om tot 1987 (met een onderbreking aan het einde van de jaren zeventig en het begin van de jaren tachtig) schelpkalk te produceren. In 1989 werd de fabriek heropend in de vorm zoals die thans bekend is.

Deze schelpkalkbranderij is ten tijde van het schrijven van dit boek voor onbepaalde tijd gesloten. Op dit moment wordt er in de Nederlanden dus geen schelpkalk geproduceerd. Schelpkalk™ is een beschermde handelsnaam van Schelpkalk Harlingen BV.¹³⁵

De moderne productie van schelpkalk is gebaseerd op de historische wijze van het branden van schelpen, waarbij als brandstof antraciet wordt gebruikt. Het brand-

135 Het motief om de soortnaam schelpkalk als handelsnaam Schelpkalk™ te beschermen was het op de markt verschijnen van steenkalkhydraten, al dan niet vermengd met schelpengruis, onder suggestieve benamingen als ware zij schelpkalk. V.m.M.L. Ouwehand, 2003. Door de bescherming als handelsnaam is er wel verwarring tussen de soortnaam en de merknaam ontstaan. Een vergelijkbaar probleem is de verwarring rond hydraulische kalkmortel. Soms wordt cement met gemalen kalksteen als zodanig verkocht.

[p. 107]

proces wordt echter wel op eigentijdse wijze gestuurd en gevolgd, maar de verbrandingsresten van de brandstof zijn nog steeds aanwezig in het gebrande product. Hierdoor is de zuiverheid van de gebrande kalk vergelijkbaar met die van de historisch gebrande mortels. De fijnheid van de gebrande kalk wordt daarentegen niet bepaald door de wijze van branden, maar door de wijze van blussen. Dat gebeurt tegenwoordig ook nog steeds handmatig. Het fijnste bindmiddel, de kalkbloem, wordt verkregen door het gebluste product machinaal te bewerken en het grofste door na het blussen de kalk niet verder te bewerken. De eigenschappen van recent gefabriceerde schelpkalk zijn hierdoor zeer goed vergelijkbaar met die van de op historische wijze vervaardigde schelpkalk.

4 Het blussen van kalk

Een veel besproken onderwerp waarover tegenwoordig veel verwarring bestaat, is het blussen van de kalk. Het blussen van de kalk is een noodzakelijke stap in het gebruik van kalk als bindmiddel voor mortel, pleister of als kalkverf.

De aard van de grondstoffen, en uiteraard de aard van de kalk, maar ook de gewenste verwerkbaarheid en het gebruik van de kalk bepalen mogelijke opties voor het blussen van kalk en voor het - eveneens veel besproken - in de rot zetten.

Bij het blussen van kalk wordt de ongebluste kalk (CaO) gemengd met een zekere hoeveelheid water. De hoeveelheid water moet minstens voldoende zijn om alle CaO om te zetten in Ca(OH)₂ en om de verliezen door verdamping te compenseren. Het blussen van kalk is immers een exotherme reactie, wat wil zeggen dat er warmte vrijkomt bij het blussen. Een deel van het toegevoegde water zal daardoor verdampen. De blusreactie is een sterk expansieve reactie, wat verklaart waarom bij het blussen de kluiten ongebluste kalk uiteenvallen. Het eindproduct is een poeder of een deeg, afhankelijk van de hoeveelheid toegevoegd water. Wanneer er een overmaat water wordt toegevoegd en een kalkdeeg ontstaat, spreken we van nat blussen, wanneer er een poeder ontstaat dan spreken we van droog blussen.

4.1 Blussen van luchthardende kalk

Bij het blussen van luchthardende kalk, of min of meer zuivere CaO, zijn er verschillende mogelijkheden. In de restauratiewereld wordt vaak benadrukt dat de kalk in de rot moet worden gezet en dat goede kalk goed boterige kalkdeeg moet zijn. Maar is dat wel altijd het geval? Laten we kort de verschillende mogelijke wijzen van blussen van luchthardende kalk bekijken en de gevolgen voor de bouwpraktijk bespreken. Uiteraard kan de redenering ook worden omgedraaid en zal blijken dat voor bepaalde toepassingen een bepaalde blustechniek meer aangewezen is dan een andere.

[p. 108]

Gebrande schelpen werden na het uit de oven halen direct warm geblust. De temperatuur heeft een grote invloed op het blussen. Per 10 graden temperatuursverhoging verdubbelt de snelheid waarmee de kalk wordt geblust.¹³⁶ Schelpen werden vrijwel nooit ongeblust geleverd. Ongebluste schelpen zijn volumineus en vergruizen tijdens transport snel en ook is blussen van afgekoelde schelpen veel moeilijker. Schelpkalk wordt in principe altijd droog geblust. In het verleden werd schelpkalk voor gebruik vaak in de rot gezet.

Tegenwoordig wordt schelpkalk geblust in speciale hydratoren volgens het overloop-principe. Tijdens het blussen wordt voortdurend geroerd, waarbij uitgeblust kalkhydraat over keerschotten loopt en zwaardere, langzamer blussende delen langer onderin de hydrator blijven. In de installatie wordt juist voldoende water toegevoegd als nodig is voor de chemische omzetting, de verdamping als gevolg van de reactiewarmte en het bereiken van een vochtigheid van het eindproduct van 0,5% water. Daarnaast wordt schelpkalk ook nog op traditionele wijze op stort droog geblust en vervolgens gezeefd. De gebluste schelpkalk wordt na het blussen zo nodig via zeven en malen nog verder bewerkt.

Steenkalk werd, in tegenstelling tot schelpkalk, veelal ongeblust geleverd. Door het blussen nemen gewicht en volume sterk toe. Bij vette kalk neemt het volume met een factor drie toe. Vanwege veiligheidsvoorschriften en arbeidswetgeving wordt ongebluste kalk thans niet meer verhandeld, tenzij als industrieel product. Steenkalk kan (afhankelijk van de hydrauliciteit) nat en droog worden geblust.

136 Viersen 1991.

Nat blussen

Vroeger werd luchtkalk meestal (maar zeker niet altijd) nat geblust. Het blussen van de kalk gebeurde vaak op de bouwplaats omdat het vervoer van de gebrande kalk(steen), die door het branden zowat één derde van zijn gewicht had verloren, gemakkelijker was dan het vervoer van het zwaardere kalkdeeg. Uit archeologische opgravingen in Pompeï bleek echter dat kalk ook in de vorm van kalkdeeg werd verhandeld in amfora's, vermoedelijk naar plaatsen waar er geen ruimte was voor het maken van een kalkput voor het blussen¹³⁷ of waar slechts kleine hoeveelheden fijne kalk nodig waren voor bijvoorbeeld werken van geringe omvang zoals het maken van fresco's of mozaïek.

Omdat noch bij het branden noch bij het blussen alle processen even homogeen in het materiaal verlopen en bij de verwerking van de kalk absoluut vermeden

137 Adam 1984, p. 78, figuur 160.

[p. 109]

moest worden dat er nog calciumoxide in de mortel zat, raadde men aan het kalkdeeg lange tijd te laten liggen alvorens het te gebruiken. Plinius (24-79 na Christus) schrijft drie jaar voor.¹³⁸ Om dezelfde reden was het goed dooreenmengen van de kalk (vaak samen met het zand) zeer belangrijk. Dit gebeurde met een kalkhouw waarmee de kalkknollen en eventuele brokken calciumoxide konden worden verbrijzeld.

Plinius heeft wellicht zijn mosterd gehaald bij Vitruvius, dus is het interessant toe te lichten wat deze laatste hierover had te zeggen. In zijn tweede boek, hoofdstuk V, § 2 en § 3, geeft Vitruvius (eerste eeuw voor Christus)¹³⁹ aan, hoe het komt dat men met kalk een mortel kan maken die hard wordt. In § 2.2 van hoofdstuk 2 hebben we deze tekst al geciteerd. Volgens Vitruvius is de uitharding en de binding van de kalkmortel het gevolg van de porositeit van de materialen waardoor ze goed aan elkaar hechten, alsof ze in elkaar worden verankerd via deze open poriën. Het branden van de kalksteen is in deze opvatting nodig om de openheid van de structuur van het materiaal te vergroten.

138 Adam 1984, ref. 108.

139 Vitruvius s.a.

In de rot zetten van kalk

Nat blussen en het bewaren van het kalkdeeg voor deze te gebruiken wordt belangrijk geacht voor werken waar de kalk(mortel) een grote smeuïgheid moet hebben (zoals voor kalkverven). Deze werkwijze wordt aangeduid met historische termen zoals het rotten van de kalk, het in de rot zetten, het putten of het inkuilen van kalk.

De kalk moet goed uitgerotte boterige, kluitkalk zijn. Over de termijn van het rotten lopen de meningen nogal uiteen. Men spreekt van vier weken¹⁴⁰ tot zes maanden¹⁴¹ en in heel oude recepten worden rottijden van vijf tot dertig jaar gehanteerd.¹⁴² Voor restaurateurs van muurschilderingen en van pleisterwerk is het rotten van de kalk dus erg belangrijk.

Cornelis Redelijkheid geeft in 1754 de voorkeur aan droog blussen boven nat blussen en putten. Volgens hem heeft het putten van kalk alleen zin wanneer het slecht geblust is en er nog ongebluste delen in de kalk aanwezig zijn. In 1775 noemt hij het putten zelfs een van de oorzaken voor slecht metselwerk.

140 Gesell 1935, p. 117.

141 Vierl 1975.

142 Jansen 198O, p. 74.

[p. 110]

Over de voordelen van het al dan niet in de rot zetten verschilde men aan het eind van de achttiende eeuw duidelijk van mening. Volgens Bommenee moet de gebrande kalksteen worden natgemaakt en op een hoop gelegd en de volgende dag worden gekeerd.¹⁴³ Vervolgens wordt de kalk in kleine partijen in houten bakken dun gemaakt met vers water. Nadat het tot dunne modder is geroerd laat men het in een grote put in de grond lopen. Die put is gemaakt van hout of steen. De voorgestelde werkwijze lijkt een combinatie te zijn van eerst droog blussen en vervolgens in de rot zetten.

Brade stelt in 1827 dat men gebluste kalk zeer lang in een kuil kan bewaren zonder dat de kalk achteruit gaat. Integendeel zullen, door het vocht, delen die bij het blussen niet zijn opgelost alsnog worden geblust. Hij schrijft ook dat als men er voor zorgt dat het blussen goed en met zorg wordt gedaan, vers gebluste kalk evengoed is als kalk die lang ingekuild is geweest. Sommige deskundigen vinden inkuilen zelfs schadelijk omdat hierdoor de kalk te sterk smelt, waardoor klonten ontstaan die niet fijn te maken zijn.¹⁴⁴

Hoewel in bestekken slechts sporadisch melding wordt gemaakt van het putten van kalk zal het toch vaak zijn gedaan. Mogelijk werd het meer in de landelijke streken gedaan dan in het westen. De traditie van het putten van de kalk is in rurale streken langer in stand gebleven dan in de stedelijke gebieden.

Meestal zal het blussen hebben plaatsgevonden in zogenaamde blusbakken. Nadat de kalk was uitgeblust liet men de kalkbrij uit de bak in een zogenaamde kalkput stromen. De zwaardere delen bezonken daar, zodat de bovenste laag in de put na verloop van enige tijd uit goed geblust kalkhydraat bestond. Soms werd het goed gebluste kalkhydraat overgeheveld naar een volgende put, waarin het kon opstijven tot een kalkdeeg. Het fijnste (lichtste) kalkhydraat gebruikte men voor pleisterwerk, het zwaardere voor het samenstellen van metselspecie.

Recent onderzoek¹⁴⁵ heeft aangetoond dat het rotten van de kalk niet alleen leidt tot de vermindering van de gemiddelde grootte van de kalkhydraatkristallen, maar ook gepaard gaat met een wijziging van het type kristallen naar meer plaatvormige kristallen. Beide fenomenen leiden tot een toename van de specifieke oppervlakte (het

143 Bommenee 1988, p. 78.

144 Brade 1827, p 57.

145 Hansen 2000 en Elert 2002.

[p. 111]

blainegetal, zie hoofdstuk 1, § 1.1) van de kalk. Dit effect is aanmerkelijk, ook als de kalk slechts één of twee weken in de rot wordt gezet.

Het gevolg is dat de waterretentie (het vermogen om water vast te houden) en de verwerkbaarheid van de kalkdeeg met de tijd toenemen. In het verleden was het blussen van kalk, met name wanneer die voor pleister- en stukadoorswerk was bedoeld, ook belangrijk omdat daarmee het nablussen van de kalk kon worden voorkomen. De nablussers waren in de kalk aanwezig, doordat tijdens het branden niet alle schelpen of alle kalksteenbrokken volledig werden gebrand en omdat er vaak nog klontjes ongebluste kalk aanwezig waren (bonen). Tegenwoordig bestaat dit bezwaar niet meer, omdat er in het gebluste product geen nablussers aanwezig zijn. Dit komt door de industriële wijze waarop de kalk thans wordt vervaardigd, waarbij zowel het branden als het blussen op gecontroleerde wijze worden uitgevoerd, maar waarbij wel de historische technieken worden toegepast.

Voor het gebruik van metselwerk is het maar de vraag of de toename aan verwerkbaarheid en waterretentie zo belangrijk is. Uit vergelijkend onderzoek¹⁴⁶ naar het effect van het vervangen van cement door kalkhydraat in bastaardmortels was immers reeds duidelijk dat kalkhydraat zelfs als droog poeder tot een belangrijke verbetering van de verwerkbaarheid van metselmortel leidt. Hieruit kunnen we afleiden dat deze winst in verwerkbaarheid niet altijd nodig was bij de opbouw van historisch metselwerk omdat deeg van vers gebluste kalk wellicht reeds voldoende verwerkbaar was. Deze conclusie staat de veronderstelling toe dat drooggebluste kalk voor het vervaardigen van (historische) metselmortels gebruikt kon worden.

146 Van Balen 1990.

Droog blussen

Traditioneel kan het droog blussen van kalk op verschillende manieren worden uitgevoerd. De meest bekende wellicht is het laten zakken van manden met kluiten gebrande (ongebluste) kalk in een waterbassin totdat de hevige exotherme reactie was afgelopen. Dit kon men zien aan het beëindigen van het bubbelen van het water. Dan worden de kluiten kalk verzameld en vermalen en vervolgens droog opgeslagen. In de moderne kalkfabrieken gebeurt het blussen van de kalk in een afgesloten mengmachine. Daar wordt net voldoende water voor de chemische reactie op de calciumoxide gesprenkeld. Uiteraard wordt daarbij rekening gehouden met het vochtverlies dat ontstaat door verdamping.

[p. 112]

Er bestaat evenwel nog een andere manier van (droog) blussen die tot voor kort aan de aandacht was ontsnapt en nochtans door wijlen Prof. R. Lemaire werd gebruikt bij de restauratie van het Groot Begijnhof in Leuven in de jaren zeventig van de vorige eeuw. Deze methode is het blussen van de kalk door het vermengen van de ongebluste kalk met nat zand.

Verschillende historische afbeeldingen van bouwplaatsen tonen ons naast de werf een grote hoop waarnaast arbeiders een mengsel van kalk en zand dooreen mengen met een kalkhouw. In veel kalkmortel gebruikt voor het metselen stellen we vast dat de kalkmortel ook nog kalkpitten bevat. We zouden dat laatste niet verwachten indien het zand gemengd zou zijn geweest met een fijn kalkdeeg. In dat geval zouden de kalkpitten immers door de zwaartekracht in de kalkput zijn gezonken en zouden kalkkluiten lang de tijd hebben gekregen om te hydrateren en uiteen te vallen. Het onderzoek van K. Callebaut¹⁴⁷ heeft aan het licht gebracht dat er aanwijzingen zijn om te veronderstellen dat kalk ook kon worden geblust door het te vermengen met nat zand en de mortel een tijdje te bewaren (afgeschermd van de koolzuur uit de lucht doordat de hoop vochtig werd gehouden).¹⁴⁸ Regelmatig omzetten zorgt voor een goede verdeling van de kalk, het water en het zand en bevordert tevens het vergruizen van de kalkkluiten. Hoe lang de kalk op deze wijze werd bewaard alvorens te worden gebruikt weten we niet. De aanwezigheid van een belangrijk deel kalkpitten in metselmortel doet vermoeden dat er niet altijd zoveel tijd aan de verwerking van de kalk voorafging. Voor de restauratie van het Groot Begijnhof van Leuven bewaarde wijlen Prof. R. Lemaire de hoop kalk met zand gedurende één jaar. Overigens bestaat het vermoeden, dat door het blussen met nat zand niet alleen calciumhydraat, maar ook (wat) calciumsilicaat ontstaat. Wellicht heeft dit een positieve invloed op de sterkte van de mortel.

Een interessante gedachte is dat op deze wijze zelfs (licht) hydraulische mortel zou kunnen ontstaan en de bouwers dit wellicht niet eens hebben opgemerkt. Immers binnen veertien dagen is de hydraulische kalk nog niet gehydrateerd. Bovendien, wat zou het gevolg zijn geweest van de hydratatie van een deel van de

147 Callebaut 2000 II.

148 Vergelijk ook Maturing in Gibbons 1995, p. 22. De kwaliteit... van traditionele kalkmortels wordt verbeterd door deze voor gebruik te laten rijpen. Indien mogelijk moet de mortel drie maanden voordat deze verwerkt wordt, worden gemengd.... In het verleden heeft men, bijvoorbeeld bij het optrekken van massieve muren, de mortel vaak niet lang laten rijpen en lijkt deze vaak direct na het mengen te zijn gebruikt. Gibbons meldt tevens dat het rijpen bijdraagt aan de hechting tussen bindmiddel en aggregaat. Wanneer de kalk, nog heet van het blussen, direct met zand wordt gemengd, dan zal het oppervlak van het anders niet reactieve zand worden geëtst (p. 21).

[p. 113]

kalk? Deze fractie zou zich voegen bij het inerte deel van de mortel, met name het zand. Wellicht is dit een antwoord op de vraag waarom sommige mortels met een rijke bindmiddelfractie toch konden worden gebruikt, zonder dat men last had van de sterke krimp die we daarvan gewoonlijk verwachten? Deze en andere vragen zullen echter een nader onderzoek vergen om met zekerheid beantwoord te kunnen worden.

In de kalkzandsteenindustrie is het blussen met nat zand vanaf de introductie van dit materiaal aan het einde van de negentiende eeuw gebezigd. Er zijn echter vooralsnog geen aanwijzingen dat deze werkwijze ook voor de mortelbereiding in Nederland grootschalig werd toegepast. De gangbare praktijk was daar het (nat) blussen in zogenaamde blusbakken (zie hiervoor).

4.2 Blussen van hydraulische kalk

Hydraulische kalk moet naargelang het aandeel vrije calciumoxide nog min of meer worden geblust. Omdat het eindproduct een hydraulisch bindmiddel is en dus met water verhardt, is duidelijk dat (gebluste) hydraulische kalk een droog poeder moet zijn dat pas gaat binden op het ogenblik dat men er water aan toevoegt bij het vervaardigen van de mortel. Het blusprocédé moet ervoor zorgen dat alle Cao wordt omgezet in Ca(OH)₂ maar dat de hydraulische reactieve stoffen niet beginnen te hydrateren. De enige optie is daarom het droog blussen van de kalk.

5 Handel en distributie van kalk

De mogelijkheid van transport van bouwstoffen en dus ook van kalk was indertijd zeer beperkt. Het water is vanouds in de Nederlanden de belangrijkste transportweg en dat heeft zeker gegolden voor bulkgoederen zoals kalk. Mede daardoor kon een belangrijke havenstad als Dordrecht uitgroeien tot een belangrijke stapelplaats voor de aanvoer van kalk vanuit het stroomgebied van de Maas. Ook uit het verspreidingsgebied van de toepassingen van bijvoorbeeld Bentheimer zandsteen blijkt dat de waterwegen de aanvoerroutes vormden en het gebied bepaalden waarin een bouwmateriaal of bouwstof kon worden afgezet.

Aanvankelijk lagen de schelpkalkbranderijen achter de Noordzeekust, in de nabijheid van de veengebieden, die de brandstof (turf) leverden. Later exploiteerde men vooral kalkovens in het noorden van Nederland, waar schelpen als retourvracht werden aangevoerd door de schepen die turf naar de Hollandse steden vervoerden. Na de overschakeling op steenkool als brandstof verplaatst de schelpkalkproductie zich voor een belangrijk deel weer naar de Hollandse kust, waar de schelpen werden gewonnen en waar zich ook een belangrijk afzetgebied voor de geproduceerde schelpkalk bevond.

[p. 114]

De middeleeuwse stadsbesturen waren bezorgd over de kwaliteit van de kalk. In 1383 werd in Brussel een inspectie op de fabricage en de verkoop van dit product ingesteld. In Amsterdam mocht in 1531 niet meer met kalk worden gemetseld als dit product niet was gekeurd door het stadsbestuur.¹⁴⁹

De reglementen van de bouwloges in Praag bevatten als belangrijkste voorwaarde voor het verkrijgen van de titel van meester metselaar, dat men moest aantonen dat men beschikte over zeven kalkputten.¹⁵⁰ Het aantal putten slaat wellicht op het aantal jaren dat de kalk moest liggen. Hiermee werd een garantie ingebouwd voor de kwaliteit van de kalk. Het kalkdeeg moest lang genoeg gelegen hebben (rotten) om er zeker van te zijn dat de kalk geen levende kalk meer bevatte. Men wilde er echter niet alleen zeker van zijn dat de kalk inderdaad volledig was geblust. Aan het rotten werd ook een verbetering van de verwerkbaarheid van de kalkmortel toegeschreven.¹⁵¹

Recente aanwijzingen in onderzoek naar mortels uit gebouwen uit verschillende perioden nopen ons er toe dit beeld wat te relativeren. Het droog blussen van de kalk door het mengen van de ongebluste kalk met nat zand zou ook een vrij courante praktijk geweest zijn.¹⁵² In dat geval heeft de kalkdeeg geen tijd gehad om te rotten alvorens te worden verwerkt in de mortel. Dit zou erop wijzen dat er verschillende kwaliteiten kalken bestonden voor verschillende doeleinden.

149 Van de Walle 1959, p. 65.

150 v.m. Prof. R.M. Lemaire, verwijzend naar de nog bestaande exemplaren van de Praagse reglementen van de Bauhütte, juni 1991.

151 Van Balen 1982.

152 Callebaut 2000 I.

6 De componenten en hun verhoudingen

6.1 Het mortelrecept

Bij iedere metselwerkrestauratie waar kalkmortel op grond van onder andere de compatibiliteit met de historische mortel en bakstenen wordt toegepast, reist de vraag naar de samenstelling van de mortel. De samenstelling wordt gegeven in een zogenaamd mortelrecept, waarin de componenten worden genoemd en hun verhoudingen. Traditioneel zijn deze recepten gegeven in volumeverhoudingen van de materialen. In dit boek zijn wij aan de gewoonte om in volumeverhoudingen te werken getrouw gebleven. In de mortelindustrie en bij meer wetenschappelijke benaderingen van de morteltechnologie is het tegenwoordig gebruikelijk om met massaverhoudingen te werken, uitgedrukt in droge stoffen (hoewel daarbij door-

[p. 115]

gaans wordt uitgegaan van vochtig zand!). Let wel, als het om de hoeveelheid kalk gaat, is het belangrijk om te weten of er sprake is van kalkpoeder of van kalkdeeg.

6.2 Historische mortels

Gegevens omtrent historische mortels kunnen worden verkregen door middel van bronnenonderzoek. Daarbij worden onder andere historische bestekken geraadpleegd, voor zover die nog beschikbaar en toegankelijk zijn. Bij restauraties wordt echter doorgaans voor een objectspecifieke benadering gekozen. Daartoe worden onderzoeken aan monsters van de gebruikte mortels en bakstenen verricht. De gegevens uit bronnenonderzoek hebben daarbij hoogstens een ondersteunende functie (hieruit blijkt bijvoorbeeld dat een normale, te verwachten samenstelling is gebruikt of juist een opmerkelijke afwijkende, en of een mortel conform bestek is gebruikt of bij de uitvoering juist voor een andere samenstelling is gekozen).

Een zeer bruikbare methode voor het objectspecifieke onderzoek is het petrografisch onderzoek (zie § 1.3 in hoofdstuk 5), waarbij circa 20 tot 30 µm dikke preparaten van een materiaal worden onderzocht met gebruikmaking van een polarisatiemicroscoop. Omdat op deze wijze ongestoorde monsters worden onderzocht, verkrijgt men informatie omtrent het soort bindmiddel, de eventueel toegevoegde puzzolanen, de verhouding tussen bindmiddel en toeslagzand en de korrelopbouw van het zand. Bovendien zijn eventuele degradatieverschijnselen van de mortels te zien. Ook natchemische onderzoeksmethoden leveren bruikbare resultaten op bij de bepaling van de samenstelling van historische mortels. De mortels moeten dan wel worden vermalen en het bindmiddel wordt opgelost met zuur, waardoor zo'n onderzoek uitgevoerd wordt aan gestoorde monsters.

Wanneer historische mortels worden onderzocht, blijkt een scala aan mengverhoudingen te worden gevonden gaande van verhoudingen van 2 delen kalk op 1 deel zand tot 1 deel kalk op 4 delen zand. Deze zijn bepaald door meer of minder bewuste keuzen van de toenmalige bouwers.

In tabel 6 zijn een aantal mortelrecepten opgesomd, die uit het handboek van kapitein Brade,¹⁵³ het bouwmaterialenboek van Van der Kloes¹⁵⁴ en historische bestekken voor de bouw van molens¹⁵⁵ konden worden verzameld.

153 Brade 1827.

154 Van der Kloes 1893.

155 Ontleend aan Groot 2002.

[p. 116]

In het algemeen bevatten mortels uit de achttiende eeuw en ouder veel meer kalk ten opzichte van tras of kalk en tras ten opzichte van zand dan mortels uit de negentiende eeuw en jonger. In de tabel is daarom een tweedeling gemaakt. De grote verschillen in mortelrecepturen hebben voor een belangrijk deel te maken

Tabel 6
Historische mortelrecepten
Type mortel	Vette steenkalk	Schelpkalk	Tras	Zand	Portlandcement	Verhouding kalk + tras: zand	Toepassing
Sterke trasmortel							Blijvend onder water, zoals kelders en waterkerende muren (waterdichte mortel)
Achttiende eeuw en ouder	1-1½		1
		1-2	1
Negentiende eeuw en jonger	1		1½
		1	1¼
Sterke basterd trasmortel							Blijvend onder water, zoals kelders en waterkerende muren (waterdichte mortel)
Achttiende eeuw en ouder	6		4	1		10:1
		6	3	1		9:1
Negentiende eeuw en jonger	1		1½	2		1¼:1
		1	1¼	1½		1½:1
Slappe basterd trasmortel							Vochtig en aan lucht blootgesteld, zoals trasraam, fundering en opgaand werk (muur op zuidwest)
Achttiende eeuw en ouder	3		1	2		2:1
		5	1	2		3:1
Negentiende eeuw en jonger	1		1½	2-4		1:1-1½
		1	1¼	2-3		1:1-1?
Kalkmortel							Droog, aan lucht blootgesteld, zoals opgaand werk
Achttiende eeuw en ouder	3			2		1½:1
Negentiende eeuw en jonger	1			2-3		1:2-3
		1		2-2½		1:2-2½
Basterd cementmortel
Negentiende eeuw en jonger	2½		2		½		Opgaand werk
			1	2	1		Blijvend onder water
			1	4	1		Opgaand werk
Verklaring van de gegevens in de tabel: De getallen geven volume delen. De notatie 1-1½ betekent dat de hoeveelheid kan variëren, afhankelijk van toepassing en/of bron (literatuur), van één tot anderhalf deel. De recepten van negentiende eeuw en jonger zijn voornamelijk uit Van der Kloes 1893 en gaan uit van droge kalkpoeder. Wanneer wordt uitgegaan van een stijf kalkdeeg wordt twee keer zoveel tras en zand toegevoegd.

[p. 117]

met het verschil in eigenschappen van de afzonderlijke mortelcomponenten. Daarbij spelen onder andere de maalfijnheid van tras, de mate waarin de kalk is gebrand, de wijze van blussen van de kalk en de zuiverheid van de componenten een rol. Een deel van de kalk of de tras moet zich bij de oudere mortels feitelijk als een inert toeslagmateriaal gedragen hebben (zie § 2.10 van hoofdstuk 2).

6.3 Het mengen van componenten voor mortels

In § 3 van hoofdstuk 5 zal nader worden ingegaan op de samenstelling van recepten van restauratiemortels: de componenten van de mortels in verschillende verhoudingen. Verschillende mengverhoudingen en de keuze van het soort bindmiddel bepalen de uiteindelijke eigenschappen van de mortels.

Het bepalen van een mortelreceptuur moet in het algemeen overgelaten worden aan deskundigen. Voor restauratiewerk geldt daarbij bovendien dat men niet kan uitgaan van vaste recepten, maar dat de mortel aan de specifieke situatie moet worden aangepast. Dat vergt het nodige onderzoek, aangezien men dan ook die specifieke situatie grondig moet kennen.

Zand en kalkpap

Beschouwen we allereerst het toeslagzand. Dit bestaat uit min of meer bolvormige korrels van mineralen en gesteentefragmenten (zie § 2.5). Laten we aannemen dat het zand droog is. De korrels zijn dan op elkaar gestapeld en tussen de korrels bevindt zich lucht. Die hoeveelheid lucht wordt uitgedrukt als het luchtgevuld poriënvolume van het zand. Dit volume kan worden bepaald door aan een bekend volume van dit droge zand water toe te voegen, waardoor de lucht wordt verdrongen en het luchtgevuld poriënvolume zich juist met water heeft gevuld. De hoeveelheid toegevoegd water is dan gelijk aan het luchtgevuld poriënvolume.

Nu wordt aan hetzelfde droge zand geen water toegevoegd, maar een dunne kalkpap en laten we aannemen dat de pap zich bijna als water gedraagt. Wanneer het volume aan toegevoegde kalkpap gelijk is aan het luchtgevuld poriënvolume van het zand en we laten deze specie verharden zonder dat het bindmiddel krimpt, dan bestaat deze mortel uit op elkaar gestapelde zandbolletjes, met daartussenin kalk. De hoeveelheid toegevoegde kalk wordt in dit geval door ons het kalkgevuld poriënvolume genoemd. Het kalkgevuld poriënvolume is dan gelijk aan het luchtgevuld poriënvolume van het toeslagzand. Dit gedachte-experiment wijkt echter af van de werkelijkheid: het volume van de kalkpap neemt tijdens het drogen af (drogingskrimp), waardoor voor deze volumeafname zou moeten worden gecorrigeerd. Voor

[p. 118]

de gedachtevorming hebben we daarom aangenomen dat de kalkpap niet krimpt en dat de specie een mortel oplevert zonder krimp van het bindmiddel.

In de vette specie die zojuist is samengesteld zijn geen open, luchtgevulde poriën meer aanwezig. (Roep hierbij in herinnering dat dit een hypothetisch experiment is; in werkelijkheid ontstaan ten gevolge van de droging wel open poriën.) Wanneer meer kalkpap wordt toegevoegd dan het luchtgevuld poriënvolume, gaan de zandkorrels in de pap drijven. Zij raken elkaar niet meer en alle korrels zijn omgeven door bindmiddel. We spreken in dit geval van een zeer vette specie. Wordt echter minder kalkpap toegevoegd dan het luchtgevuld poriënvolume, dan kunnen niet alle poriën zich geheel met bindmiddel vullen en blijven open, luchtgevulde poriën over. Dit is een schrale kalkspecie. Van een zeer schrale kalkspecie is sprake wanneer het luchtgevuld poriënvolume van de specie gelijk is aan, of groter is dan het gehalte aan bindmiddel.

In werkelijkheid gedraagt de kalkpap zich niet als water en wordt het bindmiddel intensief door het zand gemengd. Bovendien bepaalt niet alleen de hoeveelheid bindmiddel of het vochtgehalte daarvan de wijze waarop de korrels van het toeslagzand in de uiteindelijk uitgeharde mortel aanwezig zijn. Ook de wijze van mengen, de ruwheid van de zandkorrels en andere factoren zijn bepalend. Om deze reden bestaat er vaak een verschil tussen het hierboven beschreven gedachte-experiment en de werkelijkheid van de bouwpraktijk. De hiervoor omschreven indeling in vette tot zeer schrale mortels is zeer bruikbaar wanneer we verharde (en verouderende) mortels bestuderen. Op het moment van het mengen van de componenten moet de hoeveelheid kalk die nodig is om tot een zeer vette, vette, schrale of zeer schrale mortel te komen echter worden gecorrigeerd in verband met zaken zoals krimp en het verdwijnen van water.

Het luchtgevuld poriënvolume van zand wordt niet bepaald door de korrelgrootte van het zand, maar (vooral) door de korrelgrootteverdeling, de korrelopbouw van het zand. Het lijkt vreemd, maar het luchtgevuld poriënvolume van zand waarin de korrels ongeveer even groot zijn, is gelijk aan dat van bijvoorbeeld een berg erwten, pingpongballetjes, of voetballen en bedraagt in het geval van een driehoeksstapeling circa éénderde van het totale volume, bij vierkantstapeling is het poriënvolume zelfs 48%. Eenderde van het volume aan zand bestaat dus uit lucht, of in geval van een vette mortel uit kalk.

Zand waarin de korrels ongeveer allemaal even groot zijn wordt goed gesorteerd zand genoemd. Wanneer sprake is van korrels van verschillende afmetingen, dan wordt van slecht gesorteerd zand gesproken. In slecht gesorteerd zand kunnen korreltjes aanwezig zijn die zo klein zijn dat zij passen in de poriën tussen de grote korrels,

[p. 119]

waardoor het luchtgevuld poriënvolume afneemt. De korrelopbouw van toeslagzand kan worden gemanipuleerd door het zand te zeven. Zo kan bijvoorbeeld de kleine korrelfractie van slecht gesorteerd zand worden verwijderd, of kunnen juist verschillende zandfracties met elkaar worden gemengd. Al deze handelingen beïnvloeden het luchtgevuld poriënvolume van het zand. De relatie tussen de sortering van het zand en het luchtgevuld poriënvolume is geïllustreerd in figuur 10.

Laten we deze beschouwing over zand en bindmiddelvolumes vertalen naar de bouwpraktijk: aan één volumedeel (schep, emmer, kruiwagen) kalkpap worden twee volumedelen zand toegevoegd. In deze specie hebben bindmiddel en zand een volumeverhouding van 1:2. Eenderde van het totale volume bestaat uit kalk en tweederde bestaat uit zandkorrels. Dit is dus de mengverhouding van een vette mortel. We moeten ons hierbij wel een aantal dingen bedenken. Zo gaat dit alleen op met een zand dat uit exact even grote ronde zandkorrels bestaat (een zeer goed gesorteerd zand met zeer hoge sfericiteit). Ook geldt het alleen wanneer er een kalkpap wordt gebruikt en niet - zoals tegenwoordig gebruikelijk is - een droog kalkpoeder.

Omdat de korrelgrootte van het toeslagzand niet gelijk is en de zandkorrels geen ideale bolvorm hebben ligt de bindmiddel-zandverhouding van een vette mortel in de bouwpraktijk meestal tussen 1:2 en 1:3, afhankelijk van het soort zand dat wordt gebruikt. Wat die verhouding precies is, hangt onder andere af van de zeefkromme van het zand. Door het zand met verschillende zeven te sorteren en elke fractie die op een zeef achter blijft te wegen en in een grafiek op een as met zeefdiameters uit te zetten krijgt men deze zeefkromme. Is er sprake van een continue zeefkromme, die voldoet aan een ideaal verloop, dan passen kleinere zandkorreltjes precies in de ruimten die tussen de grotere zijn overgebleven. Als er daarbij voldoende zeer fijne korreltjes aanwezig zijn, is er nauwelijks meer ruimte voor een kalkpap tussen de korrels aanwezig. Het komt in de bouwpraktijk daarom zelfs voor dat bij een zand met voldoende fijne korreltjes en een continue zeefkromme al bij een bindmiddel-zandverhouding van 1:4 een vette mortel ontstaat.

Vette en zeer vette species bevatten verhoudingsgewijs meer bindmiddel dan het luchtgevuld poriënvolume van het zand. Het gaat hierbij om verhoudingen van bijvoorbeeld 1:1, maar soms zelfs van 2:1. Schrale en zeer schrale species worden verkregen door verhoudingsgewijs minder kalk toe te voegen dan het luchtgevuld poriënvolume, dus slechts in een verhouding 1:3 tot 1:5.

Wanneer historische mortels worden onderzocht, blijkt een scala aan mengverhoudingen te worden gevonden, bepaald door meer of minder bewuste keuzes van de

[p. 120]

Figuur 10
Schematische weergave met bolstapelingen van: a₁. een zeer goed gesorteerd zand, waarbij het luchtgevuld poriënvolume circa ⅓ van het totale volume bedraagt, b₁. en c₁. minder goed gesorteerde zanden, die een meer continue zeefkromme kennen en waarbij het luchtgevuld poriënvolume in b₁. circa ⅓ * ⅓ = 1/9 en in c₁. circa ⅓ * ⅓ * ⅓ = 1/27, van het volume bedraagt. In situatie d₁, waarin een zandfractie ontbreekt (de zeefkromme discontinu is) is het luchtgevuld poriënvolume groter dan in situatie c₁, namelijk weer circa ⅓ * ⅓ = 1/9 (zoals in situatie b₁).
In het tweede deel van deze figuur zijn de bijbehorende ‘zeefkrommes’ weergegeven: a₂ de kromme behorend bij a₁, b₂ de kromme behorend bij b₂ enz.

[p. 121]

bouwers. De mengverhoudingen zijn immers bepalend voor de eigenschappen van de mortels, naast de belangrijke keuze van het soort bindmiddel: hydraulische of niet hydraulische kalk. Omdat schrale en zeer schrale mortels open poriën bevatten, bezitten zij bijvoorbeeld een groter waterdoorlatend vermogen dan vette en zeer vette mortels.

Keuze van de aard van het bindmiddel kalk

Nu de bepalende rol van het toeslagzand in mortels is uiteengezet, zal aandacht worden geschonken aan het bindmiddel: hydraulische steenkalk of niet hydraulische luchthardende kalk. Niet alleen in verband met de mechanische belastbaarheid van het bindmiddel speelt de keuze van de aard van het bindmiddel en zijn aandeel in de mortel een belangrijke rol, maar ook de omstandigheden waaronder de mortel moet uitharden. Voor de uitharding van luchthardende kalk is het immers noodzakelijk dat koolzuurgas uit de lucht met de vrije kalk kan reageren. Daartoe moet de mortel nog enigszins vochtig zijn, maar vooral niet te nat Als de relatieve luchtvochtigheid (in de poriën) meer dan 90% bedraagt, verloopt de carbonatatiereactie zo traag, dat de mortel nog maar nauwelijks verhardt. Voor de uitharding van hydraulische kalk is daarentegen juist water nodig.

Uit gestandaardiseerde proeven op de druksterkte van mortel blijkt dat hydraulische mortels over een hogere druksterkte beschikken dan niet hydraulische mortels. De reactieproducten van hydraulische componenten en van puzzolanen dragen bij tot de verhoging van de eindsterkte. Hydraulische kalkmortels worden mede om deze reden dan ook aangetroffen in mechanisch zwaar belaste gebouwdelen of in constructies die sneller mechanisch (moeten) worden belast. We dienen echter te onthouden dat bij vervorming van het metselwerk als geheel niet zozeer de druksterkte van de mortel, maar wel de treksterkte van de baksteen of natuursteen bepalend is voor de druksterkte van het metselwerk. De interactie tussen de baksteen en de mortel in het metselwerk maakt dat de mortel in de voeg horizontaal samengedrukt wordt. Hierdoor neemt de druksterkte van de mortel aanzienlijk toe en wijzigt tegelijkertijd het vervormingsgedrag van het metselwerk van een bros naar een

[p. 122]

plastisch materiaal.¹⁵⁶ Ook het feit dat hydraulische bindmiddelen in de hele massa vrij snel uitharden (en niet eerst aan de oppervlakte zoals luchthardende kalk) heeft zo zijn invloed op keuze van de juiste kalksoort.

Hydraulische kalkmortels en kalkmortels die hydraulische eigenschappen hebben verkregen door bijmenging van natuurlijke of synthetische puzzolanen, hebben voor hun verharding water nodig (zie § 7). Dit water wordt aan de specie onttrokken, maar moet voor de verharding in voldoende mate aanwezig blijven. Ook na de eerste fasen van de verharding is vaak water voorhanden in het milieu waarin het werk is geplaatst: funderingen blijven vochtig door grondwater en kademuren worden bevochtigd door het water dat zij moeten keren. Als puzzolaan wordt vaak tras toegevoegd aan een vette mortel, waardoor de mortel een hoge eindsterkte bereikt en bovendien in een vochtig milieu gedijt; het in de onderste delen van opgaand metselwerk opgenomen trasraam dankt hieraan zijn naam. Hydratatie en puzzolane reacties gaan ongehinderd voort en blijven bijdragen aan de eindsterkte van het werk. Vitruvius heeft dit in de eerste eeuw na Christus al duidelijk vermeld in zijn bouwhandboek.

Luchthardende kalkmortels verharden in eerste instantie op het contact met de lucht, waaraan zij koolzuurgas (CO₂) onttrekken ten behoeve van de carbonatatie van de vrije kalk. Dit impliceert dat zij niet over hun gehele massa uitharden, zoals het geval is bij hydraulische kalkmortels. Wanneer voor luchthardende kalkmortel wordt gekozen moet daar rekening mee gehouden worden. Het koolzuurgas uit de lucht moet tot de mortel kunnen toetreden (waardoor deze mortel bijvoorbeeld ongeschikt is om onder water toegepast te worden). Doordat een mortel met luchthardende kalk langzamer en vaak onvollediger verhardt dan een mortel met hydraulische kalk kan deze mortel minder gemakkelijk mechanisch zwaar belast worden en duurt het langer voordat de mechanische sterkte is opgebouwd (waardoor er niet in enkele dagen tijd een hoge muur mee gebouwd kan worden). Luchthardende mortels kunnen zonder enig probleem worden toegepast in niet te massief metselwerk dat - liefst - tweezijdig in contact staat met lucht en dat bovendien niet te zwaar belast wordt, zoals bijvoorbeeld het geval is in inpandige gewelven van kerkgebouwen. Ook voor inboetwerk zijn deze mortels geschikt. Het optrekken van massief metselwerk, zoals gevels en muren, behoort zeker tot de mogelijkheden. Dan mag men echter niet te snel opmetselen maar moet men met de nodige tussenposen telkens enkele lagen aan het metselwerk toevoegen.

156 Schueremans 1999, Hayen 2001 I en Hayen 2003.

[p. 123]

In de hierna volgende paragraaf zal nader worden ingegaan op de wijzen waarop kalkmortels verharden.

7 Verharding van kalkspecie tot mortel

Een eerste verharding van de mortel bestaat uit verstarring van de mortel door het uitdrogen van de verse mortel. Een deel van het water wordt als damp aan de buitenlucht afgegeven, een ander deel wordt door de baksteen opgezogen. Het verdwijnen van het water leidt tot een zekere herschikking van de kalkdeeltjes (compactie). Hiermee nemen de capillaire krachten toe en compactie en capillaire krachten zorgen voor een zekere cohesie van het materiaal. Daarna start gewoonlijk de chemische binding. Kalk kan chemisch uitharden door carbonatatie (luchtkalk) of door carbonatatie en hydratatie (meer of minder hydraulische kalk). In dat laatste geval verlopen beide processen naast elkaar.

7.1 Carbonatatie of de uitharding van luchtkalk

De carbonatatie kan wellicht het best worden toegelicht aan de hand van de beschrijving van de kalkcyclus. De kalkcyclus beschrijft hoe uit kalksteen kalkhydraat wordt vervaardigd en hoe door de carbonatatie deze kalk uithardt in een chemische vorm die dezelfde is als die van de grondstof.

Wanneer de kalksteen wordt verhit tot een temperatuur van ongeveer 900 °C, wordt CaCO₃ omgezet in CaO, of ongebluste kalk. Hierbij ontsnapt koolzuurgas (CO₂). De reactie kan als volgt worden geschreven:

1 CaCO₃ → [bij 900 °C] CaO + CO₂ (↑ gas)

Door het mengen van de gebrande kalk met water wordt het CaO geblust. Dit is een sterk exotherme en expansieve reactie waardoor de kluften worden verpulverd en omgezet in kalkhydraat:

2 CaO + H₂O → Ca(OH)₂

Bij de carbonatatie van het kalkhydraat met het koolzuurgas uit de lucht wordt de cyclus gesloten. Immers de versteende kalk - zoals dat genoemd werd in oude geschriften - heeft dezelfde chemische formule als de oorspronkelijke steen. Deze carbonatatie verloopt volgens twee reacties. Tijdens de eerste reactie wordt koolzuurgas omgezet in koolzuur, bij de tweede verbindt dat koolzuur zich met de gebluste kalk. Het koolzuurgas is afkomstig uit de atmosfeer.

3a CO₂ + H₂O → H₂CO₃

3b Ca(OH)₂ + H₂CO₃ → CaCO₃ + 2 H₂O

Voer het gemak vegen we de laatste twee formules vaak samen:

[p. 124]

3 Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

Deze reactie is eveneens exotherm. Meestal gaat het carbonatatieproces in kalkmortel traag omdat de diffusie van het koolzuurgas uit de lucht, die slechts in zeer geringe concentratie aanwezig is, in de poriënstructuur van de mortel moeilijk verloopt.¹⁵⁷ De carbonatatie begint pas als de mortel het grootste deel van zijn vocht kwijt is, omdat het koolzuurgas uit de lucht pas dan de kalk kan bereiken. De eerste ‘verharding’ is dus vergelijkbaar met die van klei en ontstaat alleen door het droger worden. In het inwendige van dikke muren kan het soms letterlijk eeuwen duren, voordat de echte verharding, de carbonatatie, plaatsvindt. Maar helemáál droog mag de mortel niet zijn, want zoals we in formule 3a kunnen zien is er voor de verharding ook water nodig.

157 Van Balen 1991.

7.2 Hydratatie of de uitharding van hydraulische kalk

Met hydratatie is menigeen vandaag de dag vertrouwd aangezien het aan de basis ligt van de uitharding van portlandcement. Calciumsilicaten en andere oxiden die in hydraulische bindmiddelen voorkomen zullen, wanneer ze met water in contact worden gebracht, reageren tot gels en later tot structuren die de mortel doen verstarren en uitharden. Aangezien het water in de massa van de mortel aanwezig is, gebeurt deze reactie in de massa van de mortel overal tegelijk. Hydraulische bindmiddelen die voornamelijk bestaan uit dicalciumsilicaten zullen evenwel veel trager reageren dan deze bestaande uit voornamelijk tricalciumsilicaten, zoals portlandcement. Juist dit maakt voor een belangrijk deel het verschil uit tussen de verharding van hydraulische kalk en portlandcement.

Een hydraulische kalk bestaat voornamelijk uit CaO · SiO₂ en Ca(OH)₂. Hoe meer kalk uit de eerste stof bestaat, des te sterker hydraulisch de kalk is. CaO · SiO₂ verhardt met water:¹⁵⁸

4 2(2 Cao · SiO₂) + 4 H₂O → 3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O + Ca(OH)₂

De Ca(OH)₂ zal mogelijk met reactieve silicium-, aluminium- of ijzerverbindingen reageren (voor zover aanwezig), maar het grootste deel ervan kan alleen volgens formule 3 verharden. Onder water zal die component dus niet of nauwelijks verharden.

158 Chemische reacties volgens Karsten 1989, pp. 212-36, reactie 9b en 9c uit Ploos van Amstel 1973, p. 446. De reacties zijn hier in ‘mooie’ (stoichiometrische) formules voorgesteld, maar in werkelijkheid vormen er zich gels en complexe stoffen, die niet zo ‘zuiver’ kunnen beschreven.

[p. 125]

Voor de verharding van deze hydraulische bindmiddelen is dus water nodig. Indien dit water niet aanwezig is, verlopen deze reacties niet. Men spreekt dan van verbranden van de mortel. Onder gunstige omstandigheden kan de reactie verder verlopen als de mortel naderhand weer nat wordt. Vaak leidt verbranden echter tot verminderde samenhang.

7.3 Werking van puzzolanen

De reactie van puzzolanen met de vrije kalk in de martel levert een bijdrage aan het verhardingsproces en aan de sterkte van kalkmortels. Puzzolanen en met name tras bevatten vrije silica, die dus niet gebonden is in de kristalroosters van kristallijne mineralen. Deze vrije silica reageert met het kalkhydraat onder de vorming van calciumsilicaathydraat (C-S-H).

5a 3 Ca(OH)₂ + 2 SiO₂ · H₂O → 3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O + H₂O

In mindere mate vinden ook andere, vergelijkbare reacties plaats:

5b 3 Ca(OH)₂ + Al₂O₃ · H₂O + 2 H₂O → 3 CaO · Al₂O₃ · 6 H₂O

5c 3 Ca(OH)₂ + Fe₂O₃ · H₂O + 2 H₂O → 3 CaO · Fe₂O₃ · 6 H₂O

De volgens deze formules gevormde calciumverbindingen zijn respectievelijk tricalcium-disilicaat-hydraat, tricalcium-aluminium-hydraat en tricalcium-ferriet-hydraat.

Een andere mogelijkheid is om gebakken klei (Al₂O₃ · 2 SiO₂) te vermalen en met de gebluste kalk te vermengen. Gemalen gebakken klei is een synthetisch puzzolaan. Samen met kalk verhardt dit puzzolaan volgens de formule:

5 7 Ca(OH)₂ + 2 (Al₂O₃ · 2 SiO₂) + 2 H₂O → 2 (2 CaO · Al₂O₃ · SiO₂ · H₂O) + 3 CaO · 2 SiO₂ · H₂O + 6 H₂O

Hierbij ontstaan dus twee verschillende verbindingen, te weten dicalcium-aluminium-silicaat-hydraat 2 CaO · Al₂O₃ · SiO₂ · H₂O en tricalcium-trisilicaat-hydraat 3 CaO · 2 SiO₂ · H₂O.

Omdat hydraulische reacties in hydraulische kalkmortels eveneens hun bijdrage leveren aan het verhardingsproces, worden puzzolanen met name toegevoegd aan bindmiddelen met geringe of afwezige hydraulische eigenschappen, zoals luchtkalk. Puzzolanen zijn dus geen bindmiddel op zichzelf, ze vormen een hydraulisch bindmiddel door de reactie met kalkhydraat.

Kalkhydraat in kalkmortels waaraan puzzolanen zijn toegevoegd verhardt op twee wijzen. Ten dele vindt een puzzolane reactie plaats waarbij calciumgels ontstaan (mits de mortel voldoende lang vochtig blijft), die vervolgens uitharden en daar-

[p. 126]

naast gebeurt de uitharding door carbonatatie (mits voldoende koolzuurgas uit de lucht de vrije kalk kan bereiken) zoals bij luchtkalk.

7.4 Portlandcement

De klinker (gebrande grondstof) waaruit portlandcement wordt gemalen bestaat in hoofdzaak uit een viertal stoffen:

3 CaO · SiO2	tricalcium-silicaat (kort aangeduid als C3S),
2 CaO · SiO2	dicalcium-silicaat (kort aangeduid als C2S),
3 CaO · Al203	tricalcium-aluminaat (kort aangeduid als C3A),
4 CaO · Al203 · Fe2O3	tetracalcium-aluminaat-ferriet (kort aangeduid als C4AF).

Deze stoffen verharden wanneer er water aan wordt toegevoegd. Bij de reactie van tricalcium-silicaat en dicalcium-silicaat ontstaat, behalve silicaat-hydraten, ook calciumhydroxyde (7a en 7b). Die calciumhydroxyde kan zich vervolgens met de vrije SiO₂ · H₂O, Al₂O₃ · H₂O en Fe₂O₃ · H₂O binden (zie de reacties 5a tot en met 5c). Bij de reactie van tricalcium-aluminaat en tetracalcium-aluminaat-ferriet vormt zich geen calciumhydroxide (7c en 7d).

7a 2 (3 CaO · SiO₂) + 6 H₂O → 3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O + 3 Ca(OH)₂

7b 2 (2 CaO · SiO₂) + 4 H₂O → 3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O + Ca(OH)₂

7c 3 CaO · Al₂O₃ + 6 H₂O → 3 CaO · 2 Al₂O₃ · 6 H₂O

7d 4 CaO · Al₂O₃ · Fe₂O₃ + 2 Ca(OH)₂ + 10 H₂O → 3 CaO · Al₂O₃ · 6 H₂O + 3 CaO · Fe₂O₃ · 6 H₂O

De belangrijkste componenten van portlandcement zijn C₃S en C₃A. Cementsteen bestaat bijgevolg voor een groot deel uit tricalcium-disilicaat-hydraat (3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O) en tricalcium-aluminaat-hydraat (3 CaO · Al₂O₃ · 6 H₂O). De bestanddelen van cement vormen tijdens de verharding kleine kristallen en amorfe aandelen, die stevig aan elkaar verkit zijn. Daartussen bevinden zich vele kleine poriën. De snelle uitharding en relatief hoge sterkte van portlandcementsteen is voornamelijk te danken aan de vorming van tricalcium-disilicaat-hydraat.

Onder invloed van het koolzuurgas uit de lucht zal ook de cementsteen carbonateren. Het vrije calciumhydroxide (niet gebonden bij de verharding) dat nog in de cementsteen aanwezig is, reageert op dezelfde wijze als het calciumhydroxide in luchtkalk:

3a CO₂ + H₂O → H₂CO₃

[p. 127]

3b Ca(OH)₂ + H₂CO₃ → CaCO₃ + 2 H₂O

Maar ook de hydratatieproducten, die volgens de reacties 7a tot en met 7d zijn gevormd, kunnen carbonateren. Als voorbeeld geven we hier de carbonatatie van de belangrijkste component van portlandcementsteen (tricalcium-disilicaat-hydraat); de andere componenten carbonateren op vergelijkbare wijze.

8a CO₂ + H₂O → H₂CO3

8b 3 CaO · 2 SiO₂ · 3 H₂O + 3 H₂CO₃ → 3 CaCO₃ + 2 SiO₂ + 6 H₂O

Het C₃A verhardt heel snel en heftig en ook het C₃S verhardt snel. Zonder maatregelen zou er geen tijd zijn om portlandcement te verwerken. Daarom voegt men vaak een stof toe die de verharding van de portlandcement enigszins vertraagt, namelijk een kleine hoeveelheid (maximaal 5%) gips (CaSO₄). Het verharden van de cement wordt dankzij het gips tijdelijk geblokkeerd door de vorming van (primair) ettringiet. Het ettringiet vormt een slecht oplosbare laag om de cementkorrel, die de verharding van de cement voorkomt.

9a 3 CaO · Al₂O₃ + 3 CaSO₄ + 32 H₂O → 3 CaO · Al₂O₃ · 3 CaCO₄ · 32 H₂O

We mogen primair ettringiet niet verwarren met secundair ettringiet, een bouwschadelijke verbinding die kan ontstaan als de verharde mortel met bepaalde zwavelverbindingen in contact komt. Door de volumevergroting waarmee de vorming van ettringiet gepaard gaat, wordt de mortel kapot gedrukt.

Niet al het tricalcium-aluminaat zal met gips reageren. Een deel zit tijdens de vorming van ettringiet nog opgesloten in de cementkorrel en een ander deel hydrateert:

9b 3 CaO · Al₂O₃ + 6 H₂O → 3 CaO · Al₂O₃ · 6 H₂O

Met dit hydraat zal de ettringiet weer tot een nieuwe stof reageren, zodat de blokkade van de verharding na verloop van tijd opgeheven wordt. De binding van de mortel kan dan plaatsvinden:

9c 3 CaO · Al₂O₃ · 3 CaCO₄ · 32 H₂O + 2 (3 CaO · Al₂O₃ + 6 H₂O) → 3 (3 CaO · Al₂O₃ · CaSO₄) + 2 H₂O

7.5 Hechting van kalkmortel aan de steen

Wanneer kalkmortel toegepast wordt bij het metselen, pleisteren of voegen, dan is het voor de duurzaamheid noodzakelijk dat de mortel goed aan de steen hecht. Bij de hechting aan steen komt er een dubbele mechanische hechting tussen de mortel en de steen tot stand.

De eerste vorm van mechanische hechting of verankering aan het ruwe steenoppervlak ontstaat, wanneer de mortel voldoende plastisch is en bovendien voldoen-

[p. 128]

de bindmiddel bevat, zodat een dun laagje bindmiddel het reliëf van de steen kan volgen. Teneinde dit laagje te kunnen vormen mag de mortel niet te droog zijn. Anderzijds heeft een te natte mortel een te geringe cohesie, waardoor de stenen als het ware op de mortel gaan drijven. Ook dat komt de samenhang van de constructie niet ten goede, temeer daar in dit geval bovendien te veel drogingskrimp kan optreden.

De tweede vorm van mechanische hechting op het grensvlak tussen martel en steen ontstaat wanneer de steen op vele plaatsen kalksuspensie uit de mortel opzuigt. Na carbonatatie is er hierdoor kalk aanwezig ter weerszijden van dat grensvlak. Door deze verankerende werking van deze kalk wordt gesproken over het ontstaan van kalkankertjes. Omdat kalksuspensie een mengsel is van vrije kalk en water mag het opzuigen van deze suspensie door de steen niet te sterk zijn. Anders zal hierdoor het voor de verharding van de mortel noodzakelijke water ontbreken en de mortel in de nabijheid van dit grensvlak verbranden. Dit heeft een slechte samenhang van de mortel tot gevolg en daardoor een slechte hechting van de steen aan de mortel. Wanneer de mortel tevens puzzolanen bevat, zullen bij de reactie van de vrije kalk met de puzzolanen naaldvormige kristallen ontstaan. Die kristallen kunnen ook in de kalkankertjes aanwezig zijn, waardoor zij een positieve bijdrage leveren aan de hechting van de mortel op de steen.

Uit het bovenstaande blijkt, dat voordat wordt begonnen met de verwerking van specie en baksteen, proefondervindelijk moet worden vastgesteld wat de beste consistentie is van de specie, afhankelijk van de hoeveelheid toegevoegd water. Die hoeveelheid moet optimaal zijn voor de verharding van het desbetreffende type mortel. Uiteraard moet daarbij rekening worden gehouden met de vereiste verwerkbaarheid zodat de metselaar goed werk kan afleveren. Het capillaire gedrag van de te verwerken stenen is hierbij de meest bepalende factor. Een zachtgebakken (poreuze) steen heeft een veel sterkere capillaire werking dan een hardgebakken klinker en zal dus meer water opzuigen. Beschikbaarheid van voldoende water in de mortel en goed voorbevochtigen van de baksteen is bij zachtgebakken stenen daarom nog belangrijker dan bij hardgebakken stenen!

Doordat vette kalkmortels over het algemeen moeilijker zijn te verwerken dan even vette cementgebonden mortels, hebben metselaars die niet vaak met kalkmortel werken de neiging de kalkspecie te nat te maken. Deze werkwijze komt de consolidatie van het te realiseren werk echter niet ten goede.

Ter voorkoming van het aanmaken van niet optimaal viskeuze kalkspecies, is het noodzakelijk per werk een vast recept op te stellen, waarin tevens de toe te voegen hoeveelheid water wordt opgenomen. Hierbij kan rekening gehouden worden met de ervaring van goede vaklui die het gebruik van kalkmortel kennen. Van het optimale watergehalte mag niet worden afgeweken, behalve wanneer daar goede

[p. 129]

redenen voor zijn, zoals veranderende buitentemperaturen en dergelijke. Alleen wanneer de mortel met de juiste hoeveelheid water is aangemaakt en de stenen op de juiste manier zijn voorbevochtigd ontstaat een goede mechanische hechting van de mortel op het ruwe steenoppervlak en kunnen kalkankertjes zich optimaal ontwikkelen.

8 Besluit

In dit hoofdstuk hebben we, gebruikmakend van onze hedendaagse wetenschappelijke kennis en van historische werkwijzen die we konden afleiden uit afbeeldingen of teksten, getracht een beeld te geven hoe in de loop der tijden kalksteen of schelpen werden omgezet tot kalk om te worden aangewend in kalkmortel. Hiermee zijn tevens heel wat begrippen en praktijken die te maken hebben met de toepassing van kalk voor het metselen aan de orde geweest en verduidelijkt.

Om tot een duurzaam gebruik van kalk in de restauratiepraktijk te komen, moeten we echter eerst nog achterhalen hoe kalkmortel verweert, wat er allemaal kan misgaan wanneer kalkmortel onvakkundig wordt toegepast of verwerkt of onterecht wordt vervangen door een ander bindmiddel. Dit is aan de orde in het volgende hoofdstuk, waarin naar de degradatie van kalkmortel wordt gekeken.