Lichter, sterker en intelligenter 12 Vitrine Vitrine: beton Lichter, sterker en intelligenter De ontwikkelingen in de betontechnologie spitsen zich toe op het samenstellen van steeds intelligentere combinaties van cement, vulstoffen en toeslagstoffen. Er worden verschillende strategie?n gevolgd om constructief belastbare betonproducten sterker en lichter te maken. Denk hierbij bijvoorbeeld aan plastic bollen, lichte toeslagstoffen, nieuwe typen wapeningsvezels en een betere pakking van de betondeeltjes. In dit artikel een overzicht van verschillende ontwikkelingen in de betonwereld. Foto:Liapor Lichter, sterker en intelligenter 13 Vitrine beton Jeroen van Nieuwenhuizen Jeroen van Nieuwenhuizen is directeur/ architect van MoveYou, doceert, publi- ceert en is bezig met promotieonder- zoek aan de TU Eindhoven. dige randvoorwaarden wordt voldaan ? om wanddikten van boortunnels die ontworpen zijn met de vuistregel diameter/20 met UHSB uit te voeren vol- gens diameter/60. De wanddikte kan dus wel drie keer zo dun worden [1]. Hogesterktebeton Hogesterktebeton impliceert dat het sterker is dan `standaard' beton, maar hoe ligt nu de onderlinge verhouding? De sterkte wordt uitgedrukt in `B klassen' die de karakteristieke kubusdruksterkte weergeven in N/mm? na 28 dagen. op basis van de VBC en de CUr-aanbeveling 97 en in lijn met de internationale literatuur heeft `standaard beton' een sterkte tot B65, hogesterktebeton van B65 tot B105, zeer-hogesterktebeton van B105 tot B150 en ultra-hogesterktebeton van B150 tot B200. in laboratoria zijn ech- ter al betonsoorten gemaakt met een druksterkte van 800 N/mm2. Er is een toenemende belangstelling voor lichtgewicht betonconstructies. Dit komt voort uit het toenemende besef dat we zuinig moeten omspringen met natuurlijke grondstoffen, maar vooral vanwege het feit dat gewichtsbe- sparing in beton een kettingreactie van voordelen op gang brengt. immers, het lagere gewicht is gunstig bij de productie, het transport en de toepas- sing. Bovendien kan een lager gewicht betekenen dat er minder zware machines en lichtere of minder vrachtwagens kunnen worden ingezet. Er zijn verschillende mogelijkheden om het gewicht van een betonconstruc- tie te reduceren. Dit kan door grind en zand in het beton te vervangen door lichtgewicht grondstoffen, maar ook door de hoeveelheid gebruikt beton te beperken. Zo kunnen hogesterktebeton (HSB), zeer-hogesterktebeton (ZHSB) en ultra-hogesterktebeton (UHSB) de hoeveelheid materiaal van een betonconstructie reduceren. Het is bijvoorbeeld mogelijk ? mits aan de no- De wenteltrap van het Tuborg 15 project in Kopenhagen ontworpen door Arkitema is zelfdragend. De verschillende onderdelen zijn geprefabriceerd en ter plaatse stijf aan elkaar gegoten met Compact Reinforced Composite. KLaUSBaNg 14 Vitrine beton UHSB maakt slanke constructies en nieuwe vormen mogelijk. Het is duur- der dan minder sterke betonsoorten, maar er is minder van nodig en de onderhoudskosten kunnen ook omlaag. Hierdoor kan er op een nieuwe manier worden nagedacht over betonconstructies. Een voorbeeld waar UHSB is toegepast is de folly op het terrein van Sanatorium Zonnestraal in Hilversum, maar er kunnen ook koepels met dubbelschalige membramen worden gemaakt. Dit gebeurt door het membraam met binnendruk op te blazen en de ruimte tussen het binnenste en buitenste membraam te vullen met hogesterktebeton. Hierdoor is een slanke betonconstructie mogelijk met grote overspanningen. De Universiteit van Kassel acht een besparing van 70 procent op het betonvolume mogelijk. Hogesterktebeton bevat andere granulaten en hulpstoffen die een aan- zienlijk kleinere korrelgrootte hebben dan `standaard' betonsoorten. Door- dat de oppervlakte van kleinere deeltjes tezamen groter is, ontstaat een goede binding. Het UHSB is duurzamer dan ?standaard? beton doordat het oppervlak gladder is en er minder snel scheurtjes in ontstaan. De slankheid is echter een nadeel met betrekking tot de brandwerendheid, omdat deze ondermeer afhankelijk is van de afmetingen van het bouwdeel, de grootte van de betondekking en de positie van de wapening. tegenover het nadeel dat trillen bij UHSB noodzakelijk is, staat het voordeel dat er eerder ontkist kan worden. Vezels in beton De eigenschappen van beton kunnen verbeteren door de toevoeging van staal- en/of kunststofvezels. Deze worden in beton toegepast om enerzijds het cement te versterkten (microniveau) en anderzijds om als wapening te functioneren (macroniveau). Dit kan het ontmengingsrisico verminderen en een positieve invloed hebben op de gevoeligheid van de betonspecie voor plastische krimp. De vezels verdelen de spanningen gelijkmatiger, zodat er grotere aaneen- gesloten vloervlakken kunnen worden gemaakt. De buigsterkte neemt toe in vergelijking met traditionele betonmengsels. omdat hierdoor de vloeren dunner kunnen worden uitgevoerd, compenseert dit de hogere productie- kosten. Een vraag is nog wel hoe de vezels bij sloop uit de beton gehaald kunnen worden. De polypropyleenvezels die in beton worden toegepast zijn over het alge- meen zeer dun en circa 10 tot 20 mm lang. Ze zijn vooral effectief in be- tonspecie als een grote hoeveelheid vezels wordt ingebracht. De doserin- gen vari?ren in de praktijk van circa 500 tot 2500 gram per m? betonspecie, afhankelijk van diameter en lengte. propyleenvezels hebben niet alleen een positieve invloed op het gebied van de sterkte, ze maken beton ook minder gevoelig voor afspatten bij hoge temperatuurbelastingen zoals bij brand. Holle vloeren op het gebied van vloeren zie je ook dat de kwaliteit belangrijker wordt en de prijs minder belangrijk. redenen zijn de vraag naar flexibel aan te passen vloeren, de opkomst van prefab betonproducten en de vraag naar ?just in time? leveringen. Deze dwingen bouwers en ontwikkelaars de vloeren sterker en lichter te maken. Voorbeel- den zijn de poly-plaatvloer, de Wingvloer, de appartementenvloer, de infra+ vloer, de Bubbledeckvloer (zie foto pagina 18) en de airdeckvloer. in deze laatste twee zijn kunststof bollen of rechthoekige elementen verwerkt tussen de bovenwapening en de breedplaat. Daardoor hebben deze vloertypen ongeveer een 35 procent lager eigengewicht dan een traditionele betonvloer of bekistings- plaatvloer van gelijke dikte. tezamen met de gewichtsreductie van ondersteunings- constructies en de fundering, kan dit leiden tot een totale gewichtsbesparing van wel vijftig procent op de totale gebouwconstructie. Een nadeel van de ?bollen- en dozen- vloeren' is dat er in het werk moet worden gestort. Foto:Liapor Woning in Chur (Zwitserland) vervaardigd van lichtgewicht Liapor-isolatiebeton. Lichter, sterker en intelligenter 15 Vitrine beton De snel wegsmeltende vezeltjes cre?ren ontsnappingskanaaltjes voor de stoom die bij snel oplopende temperaturen ontstaan uit het in beton aan- wezige vocht. Staalvezels Staalvezels kunnen goed (buig)trekspanningen opnemen die in beton ont- staan. Het zijn meestal koudgetrokken staaldraden met een lengte van 30 tot 60 mm en een diameter van 0,4 tot 1,0 mm. De voornaamste toepas- sing van dit product zijn industri?le bedrijfsvloeren die op een zand- of puinbed worden aangelegd. ook voor funderingen voor woningen op staal, die in bepaalde delen van Nederland mogelijk zijn, zijn er voordelen. De in die funderingsbalken vaak toegepaste lichte onderwapening kan worden vervangen door staalvezels, met als voordeel dat zowel negatieve als posi- tieve momenten kunnen worden opgevangen. Bovendien bespaart het vlechtwerk en daarmee kostbare tijd. Staalvezels zijn er in talloze varianten op de markt. Het functioneren wordt vooral bepaald door de keuze van de vezel (lengte, diameter en vorm), de hoeveelheid vezels per m? beton en de samenstelling van de betonspecie. tenslotte is het uiteraard belangrijk dat de vezels goed homogeen over de betonspecie zijn verdeeld. De doseringsgrootte ligt meestal tussen 25 en 50 kg/m?. Voor speciale toepassingen zijn echter veel hogere doseringen mogelijk. opmerkelijk in dit kader is promotieonderzoek van ivan Markovic aan de tU Delft naar de verbetering van de treksterkte en de taaiheid (duc- tiliteit). Door korte (13 millimeter) en lange (60 millimeter) staalvezels in ??n betonmengsel toe te passen bewees Markovic dat de kwaliteit van vezel- beton omhoog kan. De lange vezels zorgen voor een hogere ductiliteit en de korte voor een hogere treksterkte. Compact Reinforced Composite (CrC) is door het gebruik van staalvezels een taai beton. Het bestaat al sinds 1986. Voor structurele applicaties kan daar conventioneel wapeningsstaal aan worden toegevoegd. Het leent zich uitstekend voor dunne balkons, trappen en kolommen en kan zowel in het werk als geprefabriceerd worden toegepast. CrC technology aps uit ?stermarken in Denemarken brengt CrC op de markt. Voorbeeld is het `tuborg 15 project' ontworpen door arkitema. Een opval- lend element in het atrium is de wenteltrap (zie foto pagina 13), een zelfdra- gende trap met een dunne doorsnede. De verschillende onderdelen zijn geprefabriceerd en ter plaatse stijf aan elkaar gegoten met CrC. Glasvezelversterkt beton glasvezels in beton kunnen naast een constructieve functie ook een licht- doorlatende functie hebben. Een voorbeeld is Litracon met 4 procent glas- Foto:Liapor Polyesterbeton Bij polyesterbeton is niet cement maar polyesterhars het bindmiddel. De eerste toe- passingen in Nederland, in de agrarische sector, zijn zo?n veertig jaar oud. Het bezit een grotere bestendigheid tegen chemicali?n dan cementgebonden beton, waardoor zuren uit ma?s en kuilvoer de troggen niet aantasten. Net als bij ?standaard? beton kunnen aan polyesterbeton verschillende toeslagstoffen, zoals kwartskorrels, natuur- steen, glas of pigmenten worden toegevoegd. ook kan het in mallen met een textuur worden gestort, en vervolgens worden gepolijst of gezandstraald. Het materiaal komt op steeds grotere schaal in gebouwen terug als gevelbekleding, gevelelement, ko- zijndorpel, paneelvulling of dakrandafwerking. polyesterbeton concurreert met glasvezelversterkt beton en cementgebonden beton. Het heeft een buigsterkte van 25 N/mm?, en een druksterkte van 90 N/mm?. Het oppervlak kan veel gladder worden afgewerkt dan dat van ?standaard beton' en de bestendigheid tegen waterindringing kan 99 procent bedragen. Het gewicht van de gevelelementen kan uiteen lopen van 30 kg/m? tot 115 kg/m? en dat is licht. Lichter, sterker en intelligenter Lichter, sterker en intelligenter 16 Vitrine beton vezels en 96 procent beton (zie foto pagina 17). Het kan worden geleverd in geprefabriceerde blokken met een maximale afmeting van 600 bij 300 mm en 25 tot 500 mm dik. Volgens de hongaarse leverancier heeft het een druksterkte van 50 N/mm? en een buigsterkte van 7 N/mm?. De Britse architecte Zaha Hadid heeft voor het 275 meter lange ?Zaragoza Bridge pavillon? voor de Expo 2008 in het Noord- Spaanse Zaragoza, voor fibre C gekozen, ook een glasvezelversterkt beton. Het ontbreken van wa- peningsstaal maakt dunne betonelementen mogelijk die licht van gewicht, maar ondertussen toch erg sterk zijn. Via een extrusieproces kunnen lagen glasvezels in het beton worden gebracht. Dat kan als losse vezels, maar ook in de vorm van vezelmatten. Dankzij de glasvezels is het materiaal brandwerend en licht van gewicht. Het materiaal kan gerecycled worden en is geheel gebaseerd op organische grondstoffen. De buitenhuid van de Zaragoza Bridge wordt met 29.000 verschillende driehoekige platen van dit met glasvezel versterkte beton bekleed. Lichte toeslagstoffen argexkorrels zijn lichte onbrandbare ge?xpandeerde kleikorrels met een hoog isolatievermogen. Er wordt een gamma aan kleikorrels aangeboden met verschillende korrelgrootten en oppervlaktestructuren. Volgens de le- verancier zijn ze ook nog eens duurzaam, milieuvriendelijk en eenvoudig te verwerken. Een samenwerking tussen arval en argex maakt een staal- plaatbetonvloer mogelijk met een aanzienlijke gewichtsbesparing en met goede thermische en akoestische eigenschappen. Dankzij het lage eigen- gewicht, laat argex lichtbeton op de Cofraplus staalplaatvloer een grote overspanning toe tijdens de stortfase zonder tijdelijke ondersteuning. in vergelijking met een volle plaatvloer van beton met een normale dichtheid weegt deze staalplaatbetonvloer de helft minder. Minpunt is dat er bruin- kool wordt gebruikt om de kleikorrels te bakken. De kleikorrels be?nvloeden de geluidsabsorptie van betonnen producten, de isolatiewaarde en het ei- gengewicht. Ze kunnen ook in zelfverdichtend en in hogesterktebeton wor- den toegepast. Liapor en Misapor Helemaal nieuw zijn ze niet, de lichtgewicht producten Liapor en Misapor. Een gedeelte van het grind en zand in het betonmengsel wordt vervangen door respectievelijk ge?xpandeerde kleikorrels of geschuimd glas. Daar- door isoleert het beter en wordt het beton lichter. Door het isolerend ver- mogen van het lichtgewicht beton blijft de overgang van wanden en vloe- ren van binnen naar buiten mogelijk zonder koudebrugonderbrekingen. Het lagere gewicht heeft voordelen bij de productie, het transport en bij de toepassing. Liapor en Misapor zijn onbrandbaar, drukvast, licht en inzetbaar voor het realiseren van monoliete gebouwvolumes. Hoewel beide producten in een hoge prijsklasse zitten vergeleken met standaardbeton, levert het mo- noliet storten zonder isolatie ook financi?le voordelen waardoor de vierkante meterprijzen ten opzichte van standaardbeton aanvaardbaar kunnen zijn. Tolerant beton Zelfverdichtend beton is een betonmengsel met superplastificeerders om de vloeibaarheid en daarmee zelfverdichting te stimuleren. Bij tolerant be- ton zijn geen hoge gehaltes aan fijne vulstoffen nodig, zoals gebruikelijk bij zelfverdichtend beton. in tolerant beton worden kleimineralen in zelfver- dichtend beton gebruikt, waardoor de kans op microscheuren kleiner wordt. Het is erg vloeibaar en heeft geen trilmiddelen nodig. tolerant beton zou ook een uitkomst kunnen zijn om de prestaties van hogesterktebeton in de praktijk te verbeteren. Deze evenaren niet altijd de laboratoriumwaar- den vanwege poreuze zones rondom grind en wapening, macro- of micro- scheuren, niet homogeen cement en ontmenging. Akoestische betonvloer, ontwikkeld door DP6 en Geelen beton. Lichter, sterker en intelligenter 17 Vitrine beton Microvezels, opgebouwd uit het kleimineraal attapulgiet, spelen een sleu- telrol bij tolerant beton. Hun aanwezigheid verhindert ontmenging. De ve- zels richten zich bij externe druk, waardoor het vloeigedrag verbetert. Ver- der verlenen ze tolerant beton een eigen vochtregulerend vermogen. De duurzaamheid is aangetoond door testen van vorstbestandheid, chloride- penetratie en carbonatatie. Het is gepatenteerd door een consortium van ondermeer intron en Dansk Beton. Beton met natuurlijke vezels De Universiteit van Michigan heeft buigbaar beton gemaakt met pE en pVa vezels. Sierra Beltran, die een promotieonderzoek doet aan de tU Delft, wil hetzelfde doen met houtvezels, want dat is goedkoper [2]. Bovendien zijn vezels als vlas, sisal en hout hernieuwbare grondstoffen. ook in Mexico zijn soortgelijke onderzoeken gaande, in dit geval met vezels van de Lechu- guilla. De eerste onderzoeken tonen aan dat het beton een hogere taaiheid (ductiliteit) krijgt en een hogere treksterkte. Wel moeten de vezels met pa- raffine beschermd worden en wordt aan het cement vliegas toegevoegd. Reductie van cement Beton is een verzamelnaam. ruim opgevat zouden alle mengsels van kor- relachtige materialen die met cement zijn gebonden tot een steenachtig materiaal, beton kunnen worden genoemd. Een zinvolle en bruikbare afba- kening is een indeling naar volumieke massa. Veel betoneigenschappen zijn direct of indirect gekoppeld aan de volumieke massa. De betonnorm NEN-EN 206-1 onderscheidt op basis van (kunstmatige, ovendroge) volu- mieke massa de volgende betonsoorten: lichtbeton 800 - 2000 kg/m?, normaal beton 2000 - 2600 kg/m? en zwaarbeton > 2600 kg/m?. De vari- atie in volumieke massa ontstaat door (gedeeltelijke) vervanging van het gebruikelijke zand en grind door licht of juist zwaar toeslagmateriaal. Beton is na zand het meest toegepaste bouwmateriaal. De productie van cement veroorzaakt echter een behoorlijk percentage van de wereldwijde Co2-uitstoot. Het beperken van de hoeveelheid cement levert daarom een wezenlijke bijdrage aan een beter milieu. Het beperken van de hoeveelheid materiaal en het gewicht betekent een minder grote aanslag op de be- schikbare grondstoffen en minder sloopafval. overigens wordt er beweerd dat er Co2-neutraal beton of groen beton op de markt is, maar hierbij wordt de uitgestoten hoeveelheid Co2 gecompen- seerd met de aanschaf van Co2-rechten. Momenteel wordt aan de tU Delft onderzoek gedaan naar beton met een lage hoeveelheid cement. Dit gebeurt door het cement te vervangen door een vulmateriaal en de dichtheid van het betonmengsel te verbeteren door de pakking van de microdeeltjes te optimaliseren. Phase Change Materials Beton geleidt relatief eenvoudig warmte en is door zijn massa zeer geschikt om warmte of koude op te slaan en het later weer af te geven aan de ruimte. Hierdoor warmt een betonnen gebouw bijvoorbeeld niet zo snel op. Dit kan veranderen door de toepassing van Phase Change Materials (pCM). Deze materialen, zoals bijvoorbeeld paraffine, ondergaan bij kamer- temperatuur een faseverandering. Voor het smelten van het materiaal is warmte nodig, waardoor er meer warmte nodig is om het beton op te war- men en de ruimte waar het beton zich naast bevindt langer koel blijft. Dit kan de koellast van gebouwen aanzienlijk beperken. omgekeerd werkt het ook. probleem is dat pCM?s, moeilijk te verenigen zijn met beton. Een van de oplossingen is (micro)inkapseling van de pCM [3]. in Spanje zijn twee testhuisjes met een pCM met een smelttemperatuur van 26 graden Celcius getest. Hoewel de proeven volgens de onderzoe- kers niet geheel zijn geslaagd zijn de resultaten, maximaal 3 graden Celsius Akoestisch beton Kenniseenheid `plant' van de Universiteit van Wageningen bevat laboratoria, werkplekken en een servicezone. in dit zeer compacte gebouw wordt betonkernactivering toegepast om het energieverbruik voor verwarming en koeling te beperken. Consequentie is dat er geen of slechts plaatselijk systeemplafonds mogen worden toegepast, opdat de over- dracht van energie van de vloer naar de on- derliggende ruimte niet wordt belemmerd. De oplossing levert een enorme besparing van afwerkingsmaterialen op, maar stelt hoge esthetische eisen aan de onderzijde van de betonvloer, die moet als schoon beton wor- den uitgevoerd. tegelijk is er wel behoefte aan geluidabsorberende voorzieningen. geelen Beton heeft samen met Dp6 architec- tuurstudio voor dit gebouw een akoestische breedplaatvloer ontwikkeld, waarin tevens de leidingen van de betonkernactivering zijn opgenomen. De onderste laag van de plaat wordt gemaakt van `open' beton, een zeer poreus beton dat ontstaat door een beton- mengsel te maken zonder zand. Litracon: dit lichtdoorlatend beton bevat 4 procent glasvezels en 96 procent beton. Lichter, sterker en intelligenter 18 Vitrine verschil in de temperatuurpieken, significant. De pCM moet wel dusdanig ingekapseld zijn dat het de eigenschappen van het beton niet kan be?n- vloeden, ook niet op de lange termijn. Bij de proeven is de Micronal pCM van BaSF gebruikt. aandachtspunten voor verder onderzoek bij dit type constructief beton zijn de prijs, de brandwerendheid en de duurzaamheid. Reinigend beton Verwering en vervuiling tasten de esthetische kwaliteiten van beton aan. Door gebruik van het fotokatalytisch materiaal titaandioxide (tio2) kunnen echter zelfreinigende betonoppervlakken worden gemaakt. Fotokatalyse houdt in dat UV-licht de benodigde energie levert voor het initi?ren van chemische reacties die de vervuilende stoffen afbreken. Hierbij is het ti- taandioxide de katalysator die de reactie versnelt. Het maakt bovendien het oppervlak hydrofiel waardoor de afgebroken vervuilingsproducten door (regen)water kunnen worden weggespoeld. aan de tU twente wordt momenteel onderzocht hoe met de fotokatalyti- sche eigenschappen van beton de lucht gezuiverd kan worden. Het gaat om een zelfverdichtend beton, waaraan een nieuwe mix van puin is toege- voegd die elementen bevat die op een organische manier met vervuilingen in de lucht reageren. Er bestaan reeds straatstenen die Nox ?uit de lucht kunnen halen?, maar voor gevels is deze techniek nog nieuw. Zelfherstellend beton Een andere intelligente manier om gewicht te beperken en de duurzaam- heid van beton te verhogen is zogenaamd zelfherstellend beton. Dit beton bevat `vrije kalk' die met waterdamp en Co2 uit de lucht kan reageren tot calciumcarbonaat dat eventuele scheuren in het beton kan dichten. Dit werkt alleen bij kleinere scheuren. Daarom worden er polyvinyl-alcoholve- zels in het beton verwerkt die zorgen voor een fijner scheurpatroon. Dit type beton is in Japan toegepast bij een brugdek en bij een centrale kolom van een flatgebouw. De laatste wordt in het geval van een aardbeving met een sprinklerinstallatie bevochtigd om het herstel in gang te zetten. De tU Delft werkt momenteel aan zelfherstellend beton waarin bacteri?n zijn verwerkt. Deze bevinden zich in een soort winterslaap. als er een scheur in het beton ontstaat en de bacteri?n in aanraking komen met de buitenlucht scheiden ze calciumcarbonaat uit dat de scheur dicht. Doordat zelfherstellend beton zelf scheuren kan dichten blijft het beton langer intact, waardoor de constructie slanker kan worden uitgevoerd. Lichter, sterker en intelligenter dus. Noten: (1) reductie liningdikte boortunnels, ir. t.W. groeneweg, dr. ir. C.B.M. Blom, prof.dr. ir. J.C. Walraven, Cement, nr. 5, 2007, blz. 76 ? 80; (2) reader, Het 9th phD Symposium, Joost Walraven, Mick Eekhout et al, 19 december 2007, tU Delft, blz. 66-67; (3) isoleren met phase change materials, ir. E. Bijsterbosch, ir. r. Leppers, Cement, nr. 5, 2006, blz. 4 - 7. Meer informatie is te vinden op de volgende websites: www.rieder.cc, www.argex.be, www.cementenbeton.nl, www.crc- tech.dk, www.liapor.com, www.osbouw.nl en www.intron.nl. Bubbledeckvloer : door kunststof bollen in de vloer te verwerken is een gewichtsbesparing van het eigen gewicht van ongeveer 35 procent mogelijk (vergeleken met een traditionele betonvloer of bekistingsplaatvloer van gelijke dikte). Vezels in beton kunnen de eigenschappen verbeteren waaronder de buigsterkte. Hier een beeld van de wedstrijd betonbuigen van 2007. CEMENt&BEtoNCENtrUM