Zelfhelend beton: fictie of realiteit?

Een snee in je vinger en gebarsten beton hebben op zich weinig gemeenschappelijk: het eerste zal na enkele dagen genezen, het laatste niet en kan zelfs leiden tot het instorten van een brug. De complexiteit en functionaliteit van de natuur liggen aan de basis van het biologisch geïnspireerd idee om zelfhelende eigenschappen toe te kennen aan beton. Dit heeft als potentieel de levensduur van onder andere bruggen en gebouwen te verhogen, met als gevolg een lagere CO2-uitstoot. Daarbij gepaard gaan ook een vermindering van inspectie en onderhoud, wat alles samen leidt tot een lagere kost.

De performante druksterkte, weerstand tegen hoge temperaturen en relatief lage kost maken van beton hét bouwmateriaal bij uitstek. De treksterkte is weliswaar laag, waardoor betonnen elementen gevoelig zijn voor scheuren. Daarom wordt beton versterkt met stalen wapening (staven en wapeningsnetten) om ook trekkrachten te kunnen opvangen. Deze wapening limiteert de scheurbreedte, maar kan het ontstaan van scheuren niet voorkomen. Agressieve substanties alsook water kunnen via deze weg het beton binnendringen en corrosie van de wapening veroorzaken. Het is daarom van cruciaal belang om scheuren tijdig te dichten en zo de levensduur van de gehele constructie te verhogen.

Onderhoud van structuren is prijzig en meestal maar doeltreffend op korte termijn: een reparatie blijft niet intact, maar zal na verloop van tijd opnieuw hersteld moeten worden. Een bijkomend aspect is de productie van beton zelf, wat gepaard gaat met de uitstoot van broeikasgassen.

De oplossing voor bovenstaande problemen ligt in het zelfhelende vermogen van beton. De inspectie- en onderhoudskost zal verlagen en de constructie kan in gebruik blijven terwijl herstelling optreedt. Implementeren van zelfhelende eigenschappen gaat gepaard met een hogere initiële kost, maar is rendabeler op lange termijn.

Vasculair netwerk, de aders van het beton

Het onderzoek bestaat erin om het concept van zelfhelend beton een stap dichter bij de industrialisatie te brengen. Dit wordt gedaan vanuit drie invalshoeken: eerst de overlevingskans van het vasculair systeem vergroten tijdens het betonstorten, daarnaast de kosten van zowel materiaal als productie verlagen en tenslotte de efficiëntie van de heling kwantificeren.

Het vasculair systeem bestaat uit twee onderdelen: de holle buisjes -de aders- en het reservoir.

                  Figuur 1: Vasculair systeem

Het reservoir, dat de helende vloeistof zal opslaan, is gemaakt uit polyamide en wordt vervaardigd aan de hand van 3D-printen. Het is zo ontworpen dat men kan kiezen hoeveel buisjes (maximaal drie) gekoppeld kunnen worden aan het reservoir.

Voor de holle buisjes werden twee materialen gekozen: Inorganic Phosphate Cement (IPC) en klei. IPC buisjes worden gemaakt met behulp van mallen, gezien de vloeibare toestand bij kamertemperatuur. Het proces is vrij arbeidsintensief, omdat luchtbellen volledig verdwenen moeten zijn. Klei biedt in verscheidene opzichten een voordeel ten opzichte van IPC. Ten eerste kunnen buisjes in klei gemaakt worden aan de hand van een extrusieproces.

Door het gebruik van een hydraulische persmachine, kunnen buisjes makkelijk en snel worden vervaardigd. Een bijkomend voordeel van klei is dat de prijs van het materiaal lager is dan deze van IPC.

Wanneer beton over het vasculair systeem gestort wordt, bestaat de kans dat de holle buisjes breken onder de impact. Er dient in dit geval op zoek te worden gegaan naar de ideale dwarsdoorsnede van een buisje die de weerstand tegen de stroom minimaliseert. Aan de hand van een theoretisch model werd een rugbybalvorm ontwikkeld die deze eigenschap bezit. Om de theorie aan de praktijk te koppelen, werden verschillende dwarsdoorsneden (figuur 2) getest onder een stootbelasting, gesimuleerd door een neerdalende lading zand.

       Figuur 2: Dwarsdoorsnedes van buisjes

Met behulp van een rekstrookje, bevestigd op de holle buisjes, kon de doorbuiging gemeten worden. Nadien werd de doorbuiging gelinkt aan de last die door de impact op het buisje werd uitgeoefend. Het buisje met de kleinste last is dan het best bestand tegen de stortingsimpact. Het resultaat van de test bevestigde de theoretische achtergrond: de rugbybalvorm verlaagt de weerstand ten opzichte van de andere geteste vormen.

De testfase

       Na de verbetering van het vasculair systeem kon deze in beton geplaatst worden. Om de efficiëntie van de heling na te gaan, werden balken met afmeting 65cm x 10cm x 10cm getest onder vierpuntsbuiging.

De balken werden eenieder drie maal belast, met een periode van 24 uur tussen elke belasting zodat heling kon optreden.

Figuur 3: Samenvatting van de resultaten op balken met klei buisjes

De referentiebalken bevatten geen vasculair systeem, waardoor hun stijfheid bij de eerste belasting hoger is dan van de balken met vasculair systeem. Bij herbelasting kunnen we echter observeren dat de stijfheden van de referentiebalken lager zijn dan deze van de balken met vasculair systeem. Hieruit kan geconcludeerd worden dat heling heeft plaatsgevonden. Wanneer we de resultaten van een tweede en derde belasting bekijken, zien we dat de stijfheden opnieuw zijn afgenomen bij deze derde belasting. We kunnen dus niet met zekerheid stellen dat heling opnieuw heeft plaatsgevonden. De hogere stijfheid bij de derde belasting (in vergelijking met de referentiebalken) is mogelijk nog te wijten aan de eerste heling, gezien het insijpelen van de helende vloeistof in de scheuren niet visueel werd vastgesteld de tweede keer. Zowel met vasculair netwerk van klei als IPC werd heling dus minstens 1 keer geobserveerd; meervoudige heling bleek voorlopig niet mogelijk te zijn. Bij het vergelijken van de resultaten tussen IPC en klei werd geen noemenswaardig verschil gevonden. Klei kan dus met zekerheid gebruikt worden als geleider van helend agens, daar deze verschillende voordelen bezit ten opzichte van IPC.

De grens tussen fictie en realiteit is soms erg klein, en zal vaak nóg verkleinen naarmate de tijd vordert. Zo hopelijk ook voor zelfhelend beton. Het principe is er, maar zonder meervoudige heling is de efficiëntie te klein om echt toe te passen. Doch, de tijd tikt sneller dan je denkt.