Beton wordt heel veel gebruikt in de bouw vanwege talloze voordelen. Maar het heeft ook enkele nadelen, zoals een hoog energiegebruik tijdens de productie en het uithardingsproces van gestort beton is een kritische factor voor de levensduur ervan. Op de TU Delft is nu een coating ontwikkeld die het uithardingsproces optimaliseert, waardoor de levensduur van het beton naar schatting met zestig procent toeneemt. Het product waarmee dit bereikt wordt, bestaat voor honderd procent uit natuurlijke materialen.
Prof. dr. Stephen Picken is verbonden aan de faculteit Toegepaste Wetenschappen van de TU Delft. Enkele jaren geleden ging onder zijn leiding een werkgroep aan de slag om te zoeken naar een oplossing voor het uithardingsvraagstuk van gestort beton. Beton verhardt door een chemische reactie tussen cement en water. Maar hier gaat het vaak mis. Het beton moet het water zo lang mogelijk vasthouden en het water moet het beton niet verlaten door verdamping. Als het beton uitdroogt in de verhardingsfase ontstaan er scheuren en zeer poreuze zones. Om dit te voorkomen, moet het dus langzaam uitharden. De beste methode is om beton onder water te laten uitharden of hermetisch af te sluiten, maar dat kost tijd en het oppervlak is dan niet begaanbaar. In de praktijk heeft of neemt men die tijd niet, of het waait hard of de zon staat erop, of er zijn andere redenen waardoor de uitharding in de knel komt.
Op de TU Delft is nu een tijdelijke coating bedacht, die als een soort gel op het vers gestorte beton functioneert en resulteert in een uitharding die gelijk is aan uitharding onder water. De coating Thema Bouw, infrastructuur en staalconstructies heeft de naam Delft Green en die naam is niet zonder betekenis. De coating bestaat namelijk voor honderd procent uit volledig natuurlijke ingrediënten, te weten een alginaat-polymeer en klei. Het gaat om alginaat dat wordt gewonnen uit bruine algen die rijkelijk in de oceaan voorkomen en ook bekendheid genieten als zeewier. De coating is gebaseerd op een alginaatpolymeer en kleimengsel met een uitzonderlijk hoog gehalte aan klei. Die heeft dan ook een heel belangrijke functie.
UITHARDING
Stephen Picken: “Bij aanvang van dit project in 2015 was meteen duidelijk dat de coating die we in gedachten hadden vroeg of laat in de natuur terecht zou komen. Daarom wilden we iets wat bioafbreekbaar is en geen organische oplosmiddelen bevat, zodat het voor mensen op de bouwplaats ook prettig is om mee te werken. Beton bestaat in hoofdzaak uit cement, grind, zand en water die bij elkaar worden gemengd. Beton moet je voor een optimale sterkte en compactheid/dichtheid vochtig houden tijdens het uitharden. Daar zijn verschillende manieren voor, die allemaal wel bekend zijn, maar in de praktijk blijkt het toch best lastig. Normaal gesproken gaat beton 50 jaar mee, maar door wat wij hebben bedacht, schatten wij de levensduur op 80 jaar.”
De levensduur van beton wordt bepaald door corrosie van de wapening. Naarmate beton een hogere dichtheid/compactheid heeft, duurt het langer voordat corrosieve bestanddelen bij de wapening komen. Goed uitgehard beton is minder poreus en heeft minder microscheuren, waardoor de constructie langer meegaat. Een goede uitharding is dus zeer essentieel en dat betekent dat de ontwatering van het beton heel goed gecontroleerd moet worden. En hier komt klei als vulmiddel om de hoek kijken. Delft Green wordt gemaakt met speciaal geselecteerde kleideeltjes die heel goed mengbaar zijn met water en die ongeveer één nanometer dik zijn en pakweg 250 nanometer in diameter. Je hebt dan dus veel losse kleideeltjes, die als een soort lasagne op elkaar gestapeld op het beton liggen en een labyrint vormen voor het water dat uit het beton wil ontsnappen. Dat water heeft hierdoor een lang pad af te leggen en blijft dus lang genoeg in het beton.
IONISCHE BRUG
Stephen Picken: “Een veel gebruikte samenstelling van beton is CEM III met hoogovenslakken als onderdeel van de cementformulering. Dat levert een goede betonsoort op die zeer dicht is voor de indringing van schadelijke stoffen zoals chloride (zeewater en strooizout), maar nogal gevoelig is voor onvolledige of slechte uitharding. Iedereen weet wel dat zo’n uitharding de levensduur van betonconstructies sterk verkort, maar toch komt dat vaak voor. We hebben ontdekt dat het alginaat-polymeer heel interessant is, omdat het calcium bindt. Alginaat is een wateroplosbaar biopolymeer en bestaat uit negatief geladen alginaatketens en positieve natrium tegenionen als zout van het alginaat-polymeer. Natriumalginaat lijkt een beetje op behangplaksel. Als je alginaat blootstelt aan calciumionen krijg je een ionische brug tussen de alginaatpolymeerketens en het calcium. Je krijgt dan een gel, een soort puddinkje, met een uitstekende hechting op vers beton. Er zit per definitie heel veel vrij calcium in nog uithardend beton. Dan breng je de vloeistof met natriumalginaat en klei aan. Het calcium uit het beton dringt in de coating en de coating wordt meteen een gel die mooi blijft zitten en niet in het beton dringt.”
Dat is heel belangrijk, want daardoor krijg je geen negatieve verandering van de betoneigenschappen, zoals vettig worden of aantasting van de hechtingseigenschappen. Bij traditionele curing compounds wordt het beton geïmpregneerd met de curing compound en verlies je bepaalde eigenschappen, zoals hechting. Delft Green zit voldoende vast op het beton, maar ook weer niet zo vast dat je het er nooit meer afkrijgt. Dat laatste is niet zonder betekenis. In onze branche zijn we gewend te denken in coatings die zo lang mogelijk op het product blijven zitten. Maar hier gaat het juist om een coating die een maand na het aanbrengen weer verwijderd moet worden, meestal met een hogedrukspuit. Dan is het grootste deel van de cementhydratatie-reactie achter de rug. Na verwijdering wordt een harde en compacte betonstructuur zichtbaar die zich prima leent voor volgende bewerkingen, zoals het aanbrengen van kleur of belijning.
MEERDERE TOEPASSINGEN
Dat klinkt allemaal hartstikke mooi, maar hoe werkt het in de praktijk? Zie daarvoor het kader over het bedrijf NGCM. Stephen Picken wijst erop dat ze daar bij de TU Delft natuurlijk ook over nagedacht hebben en daarom hebben ze ook zelf een bedrijf opgericht onder de naam Slimy Green Stuff. Dit bedrijf beheert het intellectuele eigendom van de biopolymeren voor nieuw te ontwikkelen toepassingen. Want waarom zou je bij biopolymeren alleen denken aan alginaat en waarom zou een toepassing alleen geschikt zijn voor beton? “Collega Mark van Loosdrecht doet onderzoek naar zuivering van afvalwater, zoals rioolwater en industrieel afvalwater. Daarvoor gebruik je micro-organismen en om die bij elkaar te houden, gebruiken de micro-organismen een biopolymeer dat heel erg lijkt op alginaat. Toen werden we helemaal enthousiast, want daarmee heb je een perspectief op biopolymeren vanuit afvalwaterzuivering die erg goedkoop en makkelijk te winnen zijn.”
Verder is door de toepassing van Delft Green bij NGCM komen vast te staan dat een mengverhouding van 50% klei en 50% alginaat-polymeer uitvoerbaar is. Zo’n hoog gehalte aan nanoklei is buitengewoon. Deze ontdekking betekent iets bijzonders voor de materiaaleigenschappen, want daarmee beginnen biopolymeren te concurreren met glasvezelversterkte composieten. Oftewel, je begint met spotgoedkoop milieuvriendelijk afvalmateriaal om op het gebied van materiaaleigenschappen in de buurt te komen van koolstof- en glasvezel tegen een fractie van de prijs! Door diverse soorten kennis toe te passen en te combineren, wordt nu onderzocht of met polymeren uit afvalwater nuttige producten gemaakt kunnen worden.
DELFT GREEN IN DE PRAKTIJK
Henkjan Gilbers, directeur van NGCM in Waalwijk, werkt sinds enkele jaren aan de praktische toepassing van Delft Green in de markt. “Bij onze zoektocht naar een product om beton te verbeteren, kwamen we via een relatie uit bij Stephen Picken, die meteen over Delft Green vertelde. Wij werden direct enthousiast en zijn in 2015 begonnen met een aantal proefjes. Het jaar daarop werd een overeenkomst met de TU Delft gesloten, waardoor wij wereldwijd het recht kregen om het product te gaan vermarkten. Wij zijn enthousiast over het product, omdat het zeer milieu- en arbovriendelijk is en gewoon heel goed functioneert. Toen we ermee begonnen, was het product nog nooit eerder in grote hoeveelheden gemaakt. Dus dat moesten we even onder de knie krijgen. Ook moesten we een manier bedenken hoe we Delft Green zouden opbrengen. Dat is dus een karretje geworden met twee spuitarmen. Daarmee kunnen we honderd vierkante meter per minuut aanbrengen in de juiste hoeveelheid. In de bouw is men redelijk conservatief, dus er moet wel wat zendingswerk verricht worden. Probleem is dat je nog geen keihard bewijs hebt voor de verlengde levensduur. Maar langzaam maar zeker krijgen we steeds meer referentieprojecten. Inmiddels hebben we honderdduizend vierkante meter beton met Delft Green behandeld, op verschillende bouwlocaties. Daar was men erg onder de indruk van de hardheid en compactheid van het beton dat eronder vandaan komt. Ook blijkt Delft Green juist geen vertraging te veroorzaken en is het aangenaam van geur. Er zijn ook al enkele contacten gelegd in de ons omringende landen. Ik verwacht nog ongeveer een jaar in de luwte te werken. Daarna verwacht ik een groeispurt, vanwege de zichtbare kwaliteit en omdat het een prettig middel is om mee te werken.”