Zelfhelend beton door combinatie van microvezels met reactieve stoffen

Zelfhelend beton maakt reparaties overbodig

Beton kan je de dag van vandaag niet zomaar wegcijferen uit het dagelijkse leven. De grootste bouwwerken zijn namelijk opgetrokken uit beton en dat geeft ons een gevoel van zekerheid en stevigheid. Beton is echter bros. Beton kan namelijk goed druk opnemen maar als het onderhevig is aan trek, treedt er scheurvorming op. Deze scheuren zijn gevaarlijk als je het materiaal niet tijdig herstelt en daardoor kunnen de kosten torenhoog oplopen. Betonnen wegen bijvoorbeeld zullen na een harde winter verscheidene scheuren vertonen die leiden tot putvorming. Deze putten zijn de oorzaak van schade aan je auto. Maar hoe kan je dit oplossen? Een antwoord vind je bij jezelf. De mens heeft namelijk de eigenschap zichzelf te herstellen. Een wonde zal na verloop van tijd helen en achteraf zie je geen schade meer. Ook beton kan deze eigenschap hebben.


Beton bestaat voornamelijk uit cement, zand en water. Het water zorgt voor de verharding van het cement. Er blijft echter steeds cement in het beton aanwezig dat nog niet verhard is. Als regenwater hiermee in aanraking komt, zal het cement verharden en het beton herstellen. Dit is verdergaande cement-hydratatie.
Ook vormen er zich kristallen in de scheuren. Er bevindt zich namelijk calcium in het beton dat calciumcarbonaat (CaCO3) kan vormen door in contact te komen met CO2-gas dat opgelost is in water. Het mineraal CaCO3 kan je vinden in eierschalen en in de schelpen van weekdieren.
Verdergaande hydratatie en CaCO3 als zelfheling kunnen een scheur herstellen. Het speelt echter een kleine rol in het herstel aangezien enkel kleine scheuren zelfheling vertonen. Bij grote scheuren zijn de bouwstenen voor totaal herstel onvoldoende aanwezig. Hoe kunnen we nu de zelfheling toch aanspreken om een volledig herstel te bereiken? Het antwoord hierop is een kleine scheurwijdte door het inmengen van microvezels, en het voorradig maken van water door het inmengen van superabsorberende polymeren.

Microvezels zijn dunne vezels, dun zoals mensenharen, die je kan inmengen in het beton. Dit geeft een soort van 3D wapeningsnet, maar dan met synthetische vezels in plaats van staal. Door de microvezels zal er zich geen grote nadelige scheur vormen. Bij de start van een scheur, bij het bereiken van de treksterkte van het beton, zullen de vezels namelijk de krachten opnemen door brugvorming. Dit kan je inzien als volgt. Als je een vinger in je handpalm steekt en dan trekt, zal je door wrijving hard moeten trekken. Dit principe is hetzelfde in beton waar vele vezels als vingers dienen om de scheur te overbruggen. Doordat de vezels de kracht opnemen, zal het beton ergens anders scheuren en vormen opnieuw andere vezels een brug. Dit gaat door totdat je zo hard aan je vinger trekt dat je deze uit je hand trekt. In beton heb je dan meervoudige scheurvorming waarbij meerdere kleine scheuren ontstaan in plaats van één enkele grote scheur. De gevormde kleine scheuren kunnen wel heling vertonen en het materiaal kan volledig herstellen.
Een groot voordeel van vezels en meervoudige scheurvorming is de grote ductiliteit; de buiging en rek van het beton. Deze eigenschap is heel handig om aardbevingen op te nemen zonder een direct bezwijken van het gebouw. Het beton kan zo meer krachten opnemen zonder een plots en direct falen.
Een maximale verticale doorbuiging van 9 mm was mogelijk op een 160x40x7,5 mm³ proefstuk dat krachten ondervond van een vierpuntsbuigproef. In dit geval vormden zich in plaats van één grote scheur, acht tot negen kleinere scheuren met een scheurwijdte tussen 10 µm en 100 µm. Deze scheuren kunnen zelfheling vertonen.

Superabsorberende polymeren kunnen vocht uit hun omgeving opnemen en tot 500 keer hun eigen gewicht aan water vasthouden. Hun gebruik situeert zich in hygiënisch materiaal zoals pampers en in slimme pillen die medische stoffen met verloop van tijd afgeven. De ziekte in dit onderzoek is niet menselijk, maar is de scheurvorming van het beton door de opgelegde lasten. De superabsorberende polymeren nemen eender welk vocht op uit de omgeving en geven dit af aan het beton. Het vocht dient voor de zelfheling van het materiaal. Na hun afgifte van vocht kunnen de superabsorberende polymeren opnieuw vocht opnemen en afgeven, wat zorgt voor een gesloten keten. Dit is nuttig in droge regionen waar het weinig regent, maar ook in regionen waar het veel regent. In de droge tussenperioden in België is er namelijk zo water voorradig.
Door overmatige scheurvorming kunnen ongewenste deeltjes of vloeistoffen via de scheuren naar binnen treden en zo het beton van binnenuit aantasten. Superabsorberende polymeren zwellen na contact met een vloeistof en blokkeren de scheur waardoor ze de indringing van deeltjes verhinderen.

Dit wetenschappelijk onderzoek toonde een duidelijke meervoudige scheurvorming en een stimulans van de zelfheling door het inmengen van superabsorberende polymeren aan. Sommige scheuren heelden volledig en duidelijke kristalvorming (CaCO3) is zichtbaar. Het voorbeeld in de figuur toont een 138 µm scheur. Deze scheur is duidelijk zichtbaar met het blote oog. Scheuren van 50 µm kunnen ook zonder superabsorberende polymeren volledig herstellen. De superabsorberende polymeren helpen het dichten van grotere scheuren waardoor het materiaal sneller en beter herstelt. Ze zwellen na het in contact komen met een vloeistof, geven de opgenomen vloeistof af aan het nog niet verharde cement en realiseren zo een herwonnen dichtheid van het beton.


De combinatie van microvezels en reactieve stoffen zorgt voor verbeterde zelfhelende eigenschappen waardoor het materiaal minder onderhoud en kosten vergt.