nieuws

Onderzoek op nanoniveau leidt tot ontwikkeling beton

bouwbreed

De fundamentele onderzoeken van beton op het niveau van nanometers (duizendsten van micrometers) leveren kennis en inzichten op, die tot nieuwe producten zullen leiden. Voorbeelden zijn geopolymeerbeton (met ketens van calciumsilicaten) en beton met nanotubes als wapening.

“Ik verwacht over vijf tot tien jaar wezenlijk nieuwe producten”, stelt Gert van der Wegen, managing director van SGS Intron in Sittard. “Crisis of niet, het aantal wetenschappelijke publicaties over beton neemt sterk toe. Betontechnologen krijgen in de toekomst zoveel alternatieve materialen en grondstoffen ter beschikking, dat het mogelijk wordt om beton te ontwerpen voor bepaalde prestaties, in het bijzonder met nanomaterialen. Met eenvoudige ingrepen ontstaat een waaier van mogelijkheden. We zijn nieuwe grondstoffen aan het ontwikkelen die een boost zullen geven op alle facetten.” Van der Wegen heeft in Eindhoven scheikunde gestudeerd, hij promoveerde vervolgens in Groningen in de materiaalkunde op fouten in kristalroosters van metaallegeringen. De kennis over staal staat op een hoog niveau. Staal is wereldwijd hetzelfde, maar bij beton is sprake van een grote variatie in grondstoffen. “Betontechnologie is altijd empirisch geweest, bijna honderd jaar was beton gebaseerd op een deel cement, twee delen zand, drie delen grind en water. Maar de afgelopen twintig jaar is veel nieuws ontwikkeld. En dit is nog maar het begin”, verwacht Van der Wegen.

“Beton is een mengelmoes van materialen, lastig om uniform te beschrijven. Het gaat altijd om een korrelskelet met lijm. Grind, grof zand, fijn zand, cement. Maar ik zie ook toekomst voor zwavelbeton, met zwavel als bindmiddel”, aldus Van der Wegen. Hij laat een vaktijdschrift zien zo dik als een boek, Construction and Building Materials . Daarin staan steeds meer artikelen over beton. Er bestaan wereldwijd tientallen tijdschriften over beton, waarvan vele met wetenschappelijke artikelen, in toenemende mate digitaal. De bibliotheek van SGS Intron omvat literatuur van de afgelopen veertig jaar.

Volgens Van der Wegen zijn de wetenschappelijke ontwikkelingen afhankelijk van personen in sociale netwerken. “Het hangt af van of zij elkaar mogen, of zij contact hebben. Er zijn LinkedIn-groepen over duurzaam en selfhealing beton. De nanotechnologie leidt tot nieuwe facetten. We krijgen begrip van wat op submicro-niveau gebeurt. We kunnen bijvoorbeeld zien hoe silicafume de open ruimten van 10 tot 20 micrometer vult. Op nanoniveau zien we de reacties tussen water en cement. Watermoleculen zijn een nanometer groot. Cement bestaat uit een spectrum van materialen, calciumsilicaten.”

“Een cementkorrel heeft een doorsnede van zo’n 20 micrometer. Maar er bestaat al een fijn cement met korrels met een diameter van zo’n 2 micrometer (2000 nanometer). Dat wordt heel snel hard en produceert daarbij veel warmte. Die cementsoort is gewoon te bestellen”, aldus Van der Wegen. “Naarmate de korrels kleiner worden, neemt het oppervlak per massa en dus de reactiviteit snel toe. Het oppervlak van een tien keer zo kleine bol is 100 keer kleiner. Nu al wordt in het buitenland geëxperimenteerd met een korrelgrootte van 0,2 micrometer (200 nanometer), met interessante resultaten”, aldus Van der Wegen.

Geringe trillingen

“Mortels met nanocement hebben bijzondere vloei-eigenschappen. Onder invloed van geringe trillingen gedraagt het mengsel zich als zelfverdichtend beton, in rust als aardvochtig beton.” Andere grondstoffen kunnen ook tot op nano-niveau worden bekeken. “Silicafume (microsilica) bestaat uit korrels met een doorsnee van zo’n 0,2 micrometer. Zij vullen plekken op tussen de cementkorrels. Het beton wordt daardoor sterker en dichter van structuur. Het is ook mogelijk om kalksteen tot op nanoniveau te vervaardigen. Door de fijnheid en kristalstructuur neemt de hydratatiesnelheid van cement flink toe. Het is dus een versneller zonder chloride of andere voor de stalen wapening schadelijke stof.”

Een en ander heeft wel consequenties, benadrukt Van der Wegen. “Het vullen van de open ruimten leidt tot gladder beton. Sterker cement vraagt om hardere toeslagstoffen, bijvoorbeeld gebroken basalt in plaats van gewoon zand en grind. Verdichten en nabehandelen worden belangrijker. Maar dankzij de nanotechnologische kennis kunnen betontechnologen met computermodellen de eigenschappen van hun mengsels voorspellen. Beton wordt steeds minder een empirisch materiaal. Het laboratorium van de toekomst bestaat dan ook uit een mix van fysieke en virtuele apparaten.”

“Het onderzoek op nanoniveau draagt fors bij aan de kennisontwikkeling. Bijvoorbeeld over de hulpstoffen, zoals polycarboxylaat ethers (pce), waarmee met minder water en minder cement eenzelfde betonsterkte bereikt kan worden. Ook in opkomst zijn de carbon-nanotubes. Ze zijn vijf tot tien keer zo sterk als de sterkste staalsoort. Tot nu toe kunnen ze slechts enkele millimeters lang geproduceerd worden, maar als dat verandert en ze worden toegepast in beton, kun je beton buigen zonder dat het breekt”, aldus Van der Wegen.

“Een van de leukste ontwikkelingen is het vormen van geopolymeren, lange moleculen van alkali(alumino)silicaten met bijzondere eigenschappen. Door onderzoek op nanoniveau beginnen we dat beter te begrijpen. Daardoor kunnen de eigenschappen van beton veranderen. Cement is een reactief materiaal. Andere materialen zoals poederkoolvliegas en hoogovenslak dragen aan de reactie bij. Onderzoek op nanoniveau zorgt voor nieuwe inzichten. Het heeft bijvoorbeeld geleid tot pyrament, beton dat in drie uur een sterkte van 15 N/mm 2 bereikt.”

Maar het traditionele cementbeton blijft ook bestaan, verwacht Van der Wegen. “Het is goedkoop. Het is met een kubieke meter per mens per jaar het meest toegepaste materiaal ter wereld. Beton is makkelijk te maken, sterk, duurzaam. Het is mogelijk warmte op te slaan in beton en weer af te geven. Dat effect wordt nog vergroot door paraffinebolletjes in het beton op te nemen. Ze smelten en stollen. Daarmee kan een installatie voor topkoeling worden uitgespaard. Maar de betontechnologie zal de komende jaren een enorme ontwikkeling doormaken. Ook voor het repareren en wapenen bestaan nieuwe technieken. Bijvoorbeeld het onderzoek naar selfhealing van materialen aan de TU Delft”, aldus Van der Wegen. Het is een spannende tijd voor betontechnologen.

Reageer op dit artikel
Lees voordat u gaat reageren de spelregels