Bacteriebeton leeft langer

Beton raakt beschadigd als er water in sijpelt. Bij de bouw toegevoegde bacteriën kunnen dreigende betonrot voorkomen. Zo ontstaat het zelfhelende beton. Michiel van Nieuwstadt

28/1/2008 Foto Freddy Rikken Prof.Dr.Ing. van der Zwaag TU DElft Rikken, Freddy

Zo krom en toch zo solide. Nog maar anderhalf jaar geleden realiseerde de Delftse hoogleraar Sybrand van der Zwaag zich dat Middeleeuwse en Romeinse gebouwen hun ouderdom vooral aan zelfherstel te danken hebben. Ze hadden onmogelijk kunnen blijven staan, als de onvermijdelijke scheurtjes in stenen en metselwerk zich niet op een of andere manier hadden hersteld. De mortel die de stenen in deze gebouwen bijeenhoudt is een oeroud voorbeeld van een zelfhelend materiaal. Het idee bestond al, maar werd pas onlangs onderwerp van een vakgebied.

“Regenwater lost stukjes kalksteen op en het materiaal rekristalliseert in de scheurtjes’’, zegt Van der Zwaag. “Voor de Romeinen was het een toevalstreffer dat de mortel die zij toepasten in hun bouwwerken zichzelf repareert. Wij proberen materialen bewust met dat doel te ontwerpen.”

In 2006 gaf het ministerie van Economische Zaken tien miljoen euro voor de ontwikkeling van het vakgebied en sindsdien hebben zo’n veertig wetenschappers aan vijf Nederlandse universiteiten zich gespecialiseerd in zelfhelende materialen. Zij ontwerpen en testen beton, plastic, composieten, keramiek en zelfs metalen die best een barstje kunnen velen. Als het materiaal zichzelf maar weer op tijd herstelt.

kinderspeelgoed

Franse onderzoekers publiceerden vorige week over rubberachtige veters die even rekbaar zijn als voorheen als je ze na een breuk een kwartiertje tegen elkaar houdt (Nature, 21 februari). De Fransen zien voorlopig alleen zelfhelend kinderspeelgoed als een mogelijke toepassing voor hun veters, maar voor veel andere zelfhelende materialen liggen gebruiksmogelijkheid in de grote-mensenwereld klaar. Dat blijkt ook uit het overzicht van het vakgebied dat Van der Zwaag en tientallen mede-auteurs eind vorig jaar voltooiden (Self Healing Materials, Springer 2007). Autolakken en skibrillen die kleine krasjes zelf repareren zijn al op de markt. Concrete ideeën bestaan voor turbines in vliegtuigmotoren met een zelfhelende keramische bekleding. Verder weg, maar spectaculair zijn toepassingen zoals een ruimtestation dat gaten van ingeslagen ruimtepuin zelf weer dichtmaakt, opslagtanks voor radioactief afval die met zelfreparatie hun levensduur verlengen en treinramen die na een nachtje rust de krassen van vandalen zelf hebben weggepoetst.

Vooral enthousiast is Van der Zwaag over zelfhelend beton. Dit nieuwe bouwmateriaal herstelt zichzelf en kan bovendien beter tegen een stootje dan zijn zelfhelende Romeinse voorgangers. Het staat dus rankere bouwwerken toe. Microbioloog Henk Jonkers is in Delft aangesteld om de zelfheling van beton met bacteriën te versnellen. Bacteriën die koolstofdioxide uitscheiden en zo de kristallisatie van kalksteen bevorderen, worden al gebruikt bij het herstel van monumenten. Maar dat mag geen zelfheling heten, want restaurateurs brengen de bacteriën en hun voedingsstoffen pas aan nadat schade is ontstaan.

Jonkers en Van der Zwaag willen de bacteriën al bij de bouw in het beton sluiten, of eigenlijk: de sporen die sommige bacteriën vormen om uitdroging te overleven. Toepassing van sporen is elegant, omdat de sporen weer ‘tot leven’ komen op het moment dat er water voorhanden is. In dit geval gaat het om water dat een betonscheur binnensijpelt en de wapening kan beschadigen.

Jonkers gebruikt bacteriesoorten die leven in sterk basische meren, bijvoorbeeld in Egypte (Wadi Natrun) en Californië (Mono Lake). De leefomstandigheden in deze milieus lijken op die in beton. In nog ongepubliceerd onderzoek heeft hij aangetoond dat de sporen van Bacillus pseudofirmus na zes maanden opsluiting in beton nog levensvatbaar zijn. Ook belangrijk: de 0,5 tot 2 massaprocent aan bacteriële voedingsstoffen die Jonker in het beton mengde verstoorden de sterkte nauwelijks.

Zelfhelend beton werkt misschien tegen betonrot, de belangrijkste vijand van betonnen gebouwen. Scheurtjes zijn funest als de stalen betonwapening daardoor vochtig wordt en gaat roesten. De bacteriën die Jonkers toepast kunnen leven van voedingsstoffen die hij in het beton verwerkt (calciumglutamaat, een verbinding van een aminozuur en calcium), maar ook van stoffen die in een betonnen fundering worden aangevoerd met het grondwater. Uit de voedingsstoffen en koolstofdioxide produceren de bacteriën calciumcarbonaat: kalksteen. Dat is minder sterk dan calcium-silicaat hydraten, het hoofdbestanddeel van modern beton, maar houdt wél het water buiten.

Grondlegger van de zelfherstellende materialen is Scott White. Deze hoogleraar aan de universiteit van Illinois publiceerde in 2001 in Nature over een plastic met vloeistofbolletjes. Bij scheuring van het oppervlak breken de bolletjes open. De vloeistof, dicyclopentadieen, stroomt naar het breukoppervlak en hardt uit dankzij contact met een katalysator die ook in het plastic is aangebracht. Carolyn Dry, ook van de universiteit van Illinois, publiceerde al in 1994 over een vergelijkbaar mechanisme in beton, maar de publicatie van White was volgens Van der Zwaag het startschot voor een stroom aan studies. White realiseerde zich dat je metalen of plastics iets beweeglijks moet geven om ze zelfhelend te maken. “In ons lichaam vervult de bloedstroom die functie”, zegt Van der Zwaag. “Als je die stilzet, dan herstelt je lichaam zich ook niet meer.” In het poreuze beton kunnen bestaande kanaaltjes worden gebruikt voor transport, andere materialen moeten zélf bewegen.

Van der Zwaag pakt zijn kopje koffie. “Als ik hier een cent in laat vallen dan is de schade aan het oppervlak in een minuut spoorloos verdwenen, want vloeistof is beweeglijk. Mijn doel is om vaste stoffen óók zoiets beweeglijks te geven. Materialen met zelfhelende eigenschappen vind je niet zo maar. Je moet de bouwstoffen voor het herstel van de schade zo ontwerpen dat ze zich na verstoring willen terugplooien op hun plaats tussen de andere moleculen. Voor materiaalkundigen betekent het een totaal nieuwe manier van denken. Als je ziet dat beton of metselspecie snel scheurtjes vertoont, dan zou je het normaal gesproken direct weggooien. Zelfhelend materiaal moet je op de plank laten liggen om te kijken of het herstelt.”

kogelgaten

Beton is een concrete toepassing. Verder in het verschiet liggen bijvoorbeeld de zelfhelende kogelgaten. Van der Zwaag: “Rondvliegend ruimtepuin veroorzaakt ook een soort kogelgaten. Het zou interessant zijn om het International Space Station van binnen met een zelfhelend folie te bekleden.”

De zelfhelende materialen die voor deze toepassing in aanmerking komen heten ionomeren. Het zijn ketenvormige moleculen die voor meer dan 20 procent zijn opgebouwd uit elektrisch geladen groepen. Tegengesteld geladen groepen trekken elkaar aan en kunnen in principe weer razendsnel bij elkaar komen nadat ze – niet al te ver – gescheiden zijn. Commerciële materialen als Surlyn en Nucrel, ontwikkeld door het Amerikaanse DuPont, zijn op grond van dit principe ontwikkeld. Golfballen en verpakkingen worden ervan gemaakt.

Sommige varianten van Surlyn en Nucrel hebben zelfhelende eigenschappen. Surlyn wordt nu al verwerkt in React-A-Seal een materiaal dat wordt toegepast achter en rondom schietschijven. Kogelinslagen tot een diameter van 10 millimeter worden in minder dan 100 milliseconden weer gedicht. Misschien kunnen coatings van ook een door kogels gepenetreerde brandstoftank helen, maar zover is het nog lang niet.

Van der Zwaag: “Experimenten tot nu toe tonen aan dat een lege benzinetank zichzelf kan herstellen, maar het moet ook werken in een volle tank met de bijbehorende druk. En dan moet zo’n laag óók nog dertig jaar meegaan.”

De Amerikaanse strijdkrachten zijn geïnteresseerd in ionomeren. “Hoe het met deze ontwikkelingen staat weten we eigenlijk niet”, zegt Van der Zwaag. “Sommige van mijn Amerikaanse collega’s die hieraan onderzoek doen publiceren er niet over. Misschien is het onderzoek stukgelopen, maar het kan ook zijn dat het enorm goede resultaten oplevert en met het oog op militaire toepassingen strikt geheim blijft.”

Dichter bij huis zijn de verven en de coatings. Automakers als het Japanse Nissan maken al reclame met de zelfhelende autolak (Scratch Guard), door Nippon Paint gemaakt met grondstoffen van het Duitse Bayer. Kleine beschadigingen van een wasborstel zouden binnen een paar weken moeten verdwijnen.

In de Bayerverven gaat het nog niet om herstel van lagen die zijn doorgescheurd, maar dat is wel het ultieme doel. Denk aan de schade van een kras met de sleutel.

autolak

Rolf van Benthem, hoogleraar coating technologie aan de TU Eindhoven, gelooft niet dat de verfindustrie er op korte termijn in zal slagen coatings te maken die zichzelf herstellen nadat ze geheel zijn doorgescheurd. In de Bayercoating gaat het om herstel van deukjes in de autolak vergelijkbaar met het terugveren van een elastisch netwerk. “De kunst is dat het netwerk van polymeren dat de gestolde verflaag vormt zeer veel crosslinks heeft”, zegt Van Benthem. “Als de coating opwarmt [in de zon bijvoorbeeld] dan worden deze kruispunten, covalente bindingen tussen de polymeren, elastischer en veren ze terug.”

Als de lak scheurt, is er iets heel anders aan de hand. “Er ontstaat ruimte tussen de gescheurde oppervlakken”, zegt Van Benthem. “Er is dan nieuw materiaal nodig om die ruimte op te vullen. Dat moet uit de rest van de coating komen.” Dat is in een dunne verflaag lastig te realiseren. De microcapsules van White bieden geen oplossing, omdat ze maar één keer bruikbaar zijn en met een diameter vanaf 50 micrometer alleen geschikt voor dikke verflagen. In principe zou je het herstel een handje kunnen helpen door de coating iets te verwarmen, maar dat moet onder gecontroleerde omstandigheden, wat betekent dat de auto terug moet naar de garage. Als je een koelkast of een auto ontwerpt met een coating die je thuis met de föhn kunt repareren dan moet je oppassen dat die laag niet óók smelt als het strijkijzer er per ongeluk op staat.

Eenvoudiger is het herstel van andere eigenschappen in een coating dan het uiterlijk. Afgelopen woensdag promoveerde Tamara Dikic bij Van Benthem op onderzoek naar een zelfreinigend én zelfhelend oppervlak. Van Benthem: “Met siliconen en fluorgroepen kun je een oppervlak creëren waar vuil met regenwater vanzelf vanaf spoelt. In principe kun je van deze moleculen, de siliconen en fluorgroepen, een reservevoorraad aanleggen die iets dieper in de coating verborgen ligt. Als je de oorspronkelijke laag weg schuurt dan kunnen deze moleculen naar het oppervlak bewegen aan rekbare ketenvormige moleculen die wij spacers noemen.”

Van der Zwaag waarschuwt in zijn boek dat het tientallen jaren heeft geduurd voordat nieuwe materialen zoals Glare of aramidevezels werden toegepast in vliegtuigrompen of kogelwerende vesten. Toch denkt hij dat voor zelfhelend beton binnen drie jaar de eerste demoprojecten op de markt kunnen komen: “Glare en aramide waren geheel nieuwe materialen. Daar moest je totaal anders mee gaan bouwen. De technologie om het beton te maken, te storten en de constructies door te rekenen verandert niet wezenlijk met zelfhelend beton.”

zelfhelende hangbrug

In Japan wordt zelfhelend beton gebruikt in een verkeershangbrug en een aardbevingsbestendige kantoortoren. Nadeel van dit materiaal is volgens microbioloog Jonkers dat er kunstvezels in zitten (in plaats van een stalen wapening) en een overschot aan cement (dat met water in een scheurtje kan reageren). “Het Japanse zelfhelende beton is duur en milieu-onvriendelijk”, zegt hij. “Die nadelen willen wij in Delft ondervangen.”

Van der Zwaag is in gesprek met Pembroke House Technologies, een risicofinancier in Oxford die onderzoekers helpt de overstap te maken naar de markt. “Zelfhelende materialen zullen voorlopig duurder zijn dan bestaande materialen”, zegt hij, “maar die kosten kunnen wegvallen tegen besparingen in onderhoud als de reparatiekosten hoog zijn. Denk aan ondergrondse leidingen, tunnels, installaties op zee of hoge gebouwen. De huidige trend, waarbij de bouwonderneming of producent verantwoordelijk is voor later onderhoud is voor de zelfhelende materialen een gunstige ontwikkeling.”

De conservatieve bouwbranche zal dan wel een forse omslag moeten maken. Van der Zwaag: “Nu wordt een gebouw ontworpen op een maximale belasting, de zogeheten nulsterkte. Maar je houdt ook rekening met slijtage in de loop van zeg veertig jaar. Dat betekent dat je een bepaalde veiligheidsfactor dikker bouwt om schade te ondervangen. Als ik bouw met zelfhelend materiaal dan kan die marge omlaag, maar we zullen eerst in een groot demonstratieproject moeten aantonen dat je met zelfhelend beton veilig kunt bouwen.”

    • Michiel van Nieuwstadt