Het juiste mengsel; ZELFVERDICHTEND BETON KRUIPT DOOR WAAR GEWOON BETON STOPT

Zelfverdichtend beton is duurder dan gewoon beton, maar het biedt veel voordelen. Mechanisch trillen hoeft niet meer. 'Als onze betonwagen nu in de file zit, is dat geen enkel probleem.'

ZELFVERDICHTEND beton is een revolutionaire Japanse vondst. Dit superkneedbare materiaal maakt mechanisch trillen van betonconstructies overbodig - het verse beton kruipt moeiteloos in lastige hoekjes en kieren en vult alle gaatjes op. De grote plasticiteit is te danken aan speciale toeslagstoffen, zoals viscositeitsmiddelen en superplastizisers.

Ingewikkelde betonconstructies met complexe vormen worden eenvoudiger te realiseren, lastige reparatieklussen, bijvoorbeeld onder een metrotunnel die aan corrosie lijdt, worden gemakkelijker uitvoerbaar zonder veel breek- en sloopwerk. Japanners gebruiken zelfverdichtend beton al voor dwarsbalken en pijlers van bruggen, torens en verankeringen, damwanden rond LPG-tanks als bescherming tegen lekkage, tunnels en duikers. Uitvinder is prof. H. Okamura van de Universiteit van Tokio. Hij liet zich inspireren door de technologie voor het maken van anti-washout beton. Dat wordt toegepast onder water, waarbij een hoge dosis viscositeitsmiddel ontmenging tegengaat.

“Ook het Nederlandse bedrijfsleven heeft grote belangstelling voor zelfverdichtend beton,” zegt prof. J.C. Walraven, hoofd van de sectie Betonconstructies van het Stevinlaboratorium van de TU Delft. “Zelfverdichtend beton is op dit moment nog ruwweg 50 procent duurder dan gewoon beton, maar het biedt grote voordelen. Ik verwacht dat het uiteindelijk hooguit 10 tot 20 procent duurder zal zijn.”

Bij het storten van gewoon beton zijn trillers nodig om de mortel in alle hoeken en gaten te laten vloeien. Maar dat mechanisch trillen is arbeidsintensief en ongezond werk. Werknemers krijgen er vaak witte, gevoelloze vingertoppen van. Ook het lawaai is een probleem. Als beton slecht wordt getrild, kunnen grindnesten ontstaan: pleksgewijze ophopingen van losse grindkorrels, waar het cement en het water tussenuit zijn gelopen. Op zo'n slechte plek roest de wapening snel. Zelfverdichtend beton lijkt al deze problemen op te lossen.

Veel know-how werd de afgelopen twee jaar bij de Delftse vakgroep ingebracht door gastmedewerker ir. Kazunori Takada van het grote Japanse bouwbedrijf Kajima. Takada: “Ons uitgangspunt voor het zelfdichtend beton zijn de gewone materialen - zand, water, grind en cement - aangevuld met speciale toeslagstoffen om het verse beton zo kneedbaar mogelijk te houden zonder dat het gaat ontmengen. Extra water kan de kneedbaarheid verhogen, maar maakt het beton ook minder sterk. In plaats daarvan gebruiken we een superplastiziser. Om te zorgen dat het beton niet ontmengt, zou men er juist zo min mogelijk water aan toe moeten voegen. Als alternatief dient een viscositeitsmiddel.”

WELAN GUM

De groep van Walraven experimenteert met Welan gum, een plastiziser die de betonmortel een kauwgumachtige structuur geeft. Walraven: “Als onze betonwagen in de file zit, is dat geen enkel probleem. Zelfverdichtend beton blijft veel langer vloeibaar. De juiste chemische samenstelling luistert echter bijzonder nauw. Je krijgt te maken met droog- en hardingskrimp en ook de dichtheid van het materiaal na het uitharden is van belang.”

Takada erkent dat het maken van zelfdichtend beton nauw luistert. Er kunnen grote schommelingen in kwaliteit ontstaan, met name door het wisselende vochtgehalte van het gebruikte zand en grind. Takada: “Op laboratoriumschaal, in een 50 liter-bak, kan men de kwaliteit van het zelfverdichtend beton nauwgezet bewaken. Bij productie op praktijkschaal is er echter een voortdurende toevoer van grondstoffen. Nu eens krijgt de mixer nat zand en dan weer veel droger zand te verwerken. Dit luistert veel nauwer dan bij gewoon beton, waar de operator veel meer op zijn intuïtie en ervaring afgaat.”

In 1996 kreeg Walravens groep geld van de Stichting Technische Wetenschappen (STW) voor nader fundamenteel onderzoek naar de aard van het materiaal. “Als je goed begrijpt waaròm zelfverdichtend beton langer vloeibaar blijft, kun je die ontwikkeling beter begeleiden”, aldus Walraven. Dit onderzoek wordt uitgevoerd door dr.ir. Galia Pelova, toegevoegd onderzoekster van Bulgaarse afkomst en in Kiev gepromoveerd op betonconstructies. “Je moet heel creatief zijn”, zegt ze. “Beton ontwerpen houdt het midden tussen kunst en wetenschap!” De afgelopen anderhalf jaar is ze vooral bezig geweest om de juiste methoden en gereedschappen te vinden, vervolgens wil ze de resultaten beter theoretisch onderbouwen. “Tot nog toe was ons werk een kwestie van trial and error met een beetje hocus pocus”, vult Walraven aan. “Maar we willen naar een beschrijvend model. Op den duur wil je elke gewenste kwaliteit beton op bestelling kunnen leveren.” Hij voorziet een trend naar tailor made beton, gemaakt naar de wens van de klant.

STERKTEKLASSEN

Volgens Galia Pelova richtten onderzoekers zich tot nog toe vooral op hoge sterkte beton. “Persoonlijk zie ik het als een grote uitdaging om ook lagere sterkten zelfverdichtend beton te gaan maken. Want veel elementen voor simpele toepassingen hebben die hoge sterktes helemaal niet nodig. We willen een hele range van verschillende sterkteklassen, met druksterkten van B15 tot B105, gaan ontwerpen. En ook vezelversterkt zelfverdichtend beton, bijvoorbeeld met staal- of polypropyleenvezels.”

Een interessante toepassing van zelfverdichtend beton in lage sterkten is het ondergronds bouwen. Bij het boren van tunnels, zoals de Heinenoordtunnel, moet de boorkop door een betonwand die als tijdelijke waterstop dient. Dit beton moet uiteraard sterk genoeg zijn, anders loopt de tunnel onder water, maar het mag ook vooral niet te sterk zijn, want anders kost het te veel moeite de boorkop er doorheen te krijgen. Ook voor allerlei funderingen van buizen en wegconstructies is lage sterkte beton een goede oplossing. Heel andere eisen stelt de prefab-fabricage. Daar is vooral een snelle uitharding van het beton gewenst. Walraven: “Het is efficiënt om de mallen elke dag opnieuw te gebruiken. Het beton moet dus in minder dan een etmaal voldoende gehard zijn om het uit de mal te kunnen halen en weer een volgend element te storten.”

In het Delftse recept wordt naast cement ook vliegas gebruikt. Deze afvalstof heeft zo'n fijne structuur, dat een zeer compact betonskelet ontstaat. Bovendien heeft het een zekere bindende werking tussen water en grind. Daarom is het een zeer geschikt vulmiddel, en goedkoop bovendien. “Alleen kan de samenstelling nogal variëren, afhankelijk van de oven en het filter van herkomst”, zegt Walraven.

Als eerste stap begonnen Pelova en Walraven met fundamentele verwerkbaarheidsmetingen aan commerciële betonsoorten met behulp van een viscositeitsmeter. Takada introduceerde een eenvoudiger methode om de rheologische (stromings-) eigenschappen van het verse beton te testen. Hij liet zien hoe een kleine plastic trechter kan worden gevuld met een van de betonmengsels. Vervolgens laat men de trechter met een bepaalde snelheid leeglopen, zodat het beton uitvloeit tot een plas. Hoe breder die plas uitvloeit, hoe vloeibaarder het beton. Soms ook wordt vers beton gegoten in mallen met allerlei buisjes erin, als model voor gewapend beton. Juist daar kan zelfverdichtend beton voor een enorme kwaliteitsverbetering zorgen.

Op een studentenexcursie naar Hongkong zag Walraven een demonstratie van zelfverdichtend beton, toegepast in gebouwen met extra zware, dichte wapening als bescherming tegen aardbevingen. “Tussen de staven was hooguit 25 millimeter ruimte, en omdat die staven maar een beperkte lengte hebben, zijn overlappingszones nodig, die nog eens extra dicht gepakt zijn. Juist daar zou gewoon beton heel moeilijk te storten zijn.” Ook worden de mengsels getest op vervormingsgedrag, sterkte-ontwikkeling en kruip van het verharde beton. Kruip is het verschijnsel dat eenmaal uitgehard beton onder belasting geleidelijk korter wordt. Het kan er toe leiden dat bruggen na een jaar of twintig jaar doorgebogen zijn.

Samen met de firma Betonbouw in Zoeterwoude wordt de stap naar de praktijkschaal gezet. In Nederland worden nu eenmaal andere betonmixers gebruikt dan in Japan.

Inmiddels zijn in samenwerking met Takada kubussen van diverse zelfverdichtende mengsels gestort. Uit die kubussen worden schijfjes gezaagd die onder de elektronenmicroscoop worden geanalyseerd. Galia Pelova: “Dan kun je de microstructuur zien, korreltjes omringd door een schil van zachtere stoffen zoals cement. Afhankelijk van de mate van de verdichting van het beton, moet je een bepaald patroon van luchtbelletjes kunnen zien. Dit instrumentarium is nog maar net aangeschaft, maar het belooft een heel nuttig onderzoek te worden.”