Als beton te snel uitdroogt, loopt de levensduur ervan flink terug. Hoe meer kans beton krijgt om uit te harden, hoe langer het meegaat. „Cement droogt niet op, zoals veel mensen denken, maar reageert met water; het vormt calciumsilicaathydraten die het beton zijn stevigheid geven”, legt professor Stephen Picken, polymeer- en coatingexpert van de TU Delft, uit.

Uitharden is een proces dat 28 dagen in beslag kan nemen. Als beton tijdens het uitharden uitdroogt, ontstaan er scheuren waardoor water en zout naar binnen kunnen komen. Daardoor zou betonrot kunnen beginnen. „Het is dus zaak de verdamping van water uit het beton te voorkomen.”

Gewoonlijk wordt er extra water op het beton gespoten of het wordt afgedekt met plastic folie. Een andere manier is er een ondoordringbare polymeerlaag op te spuiten die zich aan het beton hecht. Vaak wordt daarvoor polyester of een ander materiaal uit de aardolie-industrie gebruikt.

Geurtjes

Jure Zlopasa, die volgend jaar bij Picken en Van Breugel, hoogleraar civiele techniek, aan de TU Delft hoop te promoveren, zocht echter naar een afbreekbaar bioplastic. Hij kwam op zijn zoektocht terecht bij professor Picken, die hem wees op alginaat als mogelijke kandidaat (zie kader ”Erwtensoep als inspiratiebron”).

Een week later meldde de promovendus dat het materiaal als biopolymeer op beton werkt.„De binding van het alginaat aan het beton is zo sterk dat het er niet zomaar afregent”, aldus de promovendus.

In die tijd komt Zlopasa in contact met Mark van Loosdrecht, hoogleraar biotechnologie aan de TU Delft. „Die is bezig met technieken om bruikbare stoffen uit het slib van rioolwater te halen. Een van de afvalproducten is natriumalginaat. Vanwege allerlei herkenbare geurtjes is dat onbruikbaar voor de voedingsmiddelenindustrie. Het is daarom veel goedkoper verkrijgbaar dan de synthetische polymeren uit de olie-industrie.”

Het goedkope alginaat zou op grote schaal kunnen worden toegepast in de betonindustrie, stelt Eduard Koenders, universitair hoofddocent aan de faculteit civiele techniek van TU Delft, die de promovendus begeleidt. „Wereldwijd wordt er elk jaar 6 miljard kubieke meter beton gestort. In potentie bestaat er dus een heel mooie afzetmarkt voor. Het is bovendien een natuurproduct en 100 procent biologisch afbreekbaar.”

Vooral in warme landen kan het biopolymeer volgens Picken een uitkomst zijn bij het storten van beton. „Het uitdrogen van beton in warme landen is een groot probleem. Water is er schaars; in de Sahara loopt niemand met een tuinslang rond. Het beton van de wolkenkrabber Burj Khalifa in Dubai moest zelfs ’s nachts worden gestort. Overdag is het daar 53 graden.”

Praktijk

Biopolymeren zijn over het algemeen niet zo duurzaam als hun synthetische evenknie, weet Picken. „Ze zijn eetbaar; schimmels en ongedierte lusten ze graag.” Tijdens de reactie van natriumagninaat met calcium in het beton ontstaat het biopolymeer calciumalginaat. Dat is behoorlijk resistent tegen invloeden van buitenaf. „Natriumalginaat wordt in de natuur afgebroken door het enzym alginase; maar calciumalginaat, dat stevig aan het beton hecht, vrijwel niet”, aldus de hoogleraar.

Inmiddels ligt de Zlopasa’s ontdekking bij het Valorisatiecentrum van de TU, licht Koenders toe. „Dat regelt de patenten en verstrekt licenties aan bedrijven die de vinding willen gebruiken.” Inmiddels is er al een groot bedrijf geïnteresseerd in de toepassing van alginaat. Hij houdt de naam daarvan liever nog even achter de kiezen.

De promovendus gaat samen met het bedrijf werken aan de opschaling van zijn vinding. Zlopasa: „We hebben alles in het lab getest. Maar hoe werkt het in de praktijk? Op korte termijn is de aanvoer van alginaat nog beperkt. We zijn voorlopig afhankelijk van de hoeveelheid alginaat die prof. Van Loosdrecht kan leveren.”

Volgens prof. Picken staat de ontwikkeling van biologisch afbreekbare polymeren nu nog in de kinderschoenen. „Er is nog heel veel niet ontdekt. Momenteel zijn de meeste biopolymeren vier keer zo duur als de synthetische. Als de chemische industrie echter kan overstappen op goedkope biopolymeren zoals alginaat, kan een hele sector ineens een stuk groener worden.”

Lees ook

Betonrot bedreigt bruggen en viaducten, Reformatorisch Dagblad (26 juni 2013)

Bacteriën tegen betonrot, Reformatorisch Dagblad (12 augustus 2008)

Erwtensoep als inspiratiebron

Promovendus Jure Zlopasa ontdekte dat een biologisch afbreekbaar polymeer met nanokleideeltjes heel goed dienst kan doen als afdeklaag om uitdrogen van vers gestort beton te voorkomen. Nanoklei bestaat uit minuscule schijfjes klei van een nanometer dik en met een diameter tussen de 100 en de 500 nanometer, ongeveer honderd keer kleiner dan de dikte van een haar.

Op zijn zoektocht naar het juiste materiaal kwam hij terecht bij Stephen Picken, polymeer- en coatingsexpert van de TU. Picken: „Coatings zijn meestal gebaseerd op materialen uit de olie-industrie. Maar waarom zouden we geen biopolymeer gebruiken?”

Biopolymeren worden momenteel gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie, vervolgt de hoogleraar. „We gebruiken een principe uit het moleculaire koken. Restaurants die deze culinaire truc toepassen, dienen bijvoorbeeld erwtensoep op als gelbolletje. Verpakt in zo’n gellaag ziet de soep er ineens heel anders uit. De gellaag wordt gemaakt van natriumalginaat uit zeewier. Natriumalginaat, dat oplosbaar is in water, reageert bij moleculair koken met calciumchloride tot een calciumalginaatgelhuidje dat niet in water oplosbaar is.”

Dezelfde truc voert Zlopasa uit op het calciumrijke beton. Hij mengt natriumalginaat met nanokleiplaatjes. Het mengsel gaat een reactie aan met calcium uit beton. Daardoor ontstaat er aan het oppervlak van het beton een calciumalginaatgellaag, een water- en luchtdicht bionanocomposiet van tientallen micrometers dik. De biopolymeren van alginaat gaan een sterke chemische binding aan met het beton.

„Het mengsel dat we opbrengen bestaat vooral uit water: slechts 3 procent is alginaat met klei. Of dit de optimale samenstelling is, weten we nog niet. Dat moet worden getest. Misschien is een mengsel met 5 procent biopolymeren beter. Maar dan is het dikker en minder gemakkelijk te verwerken”, aldus Zlopasa.

Alginaat hecht ook prima aan meervoudig geladen deeltjes van andere metalen dan calcium, weet Picken. „Dezelfde coatingstruc kun je dus uithalen aan oppervlakken van roestig ijzer en geoxideerd aluminium. We hebben onlangs de helft van een roestig plaatje ijzer gecoat met alginaat en de andere helft niet. Aan het deel met de coating verliep het roestproces veel langzamer dan aan het deel zonder beschermlaag. In theorie zou aangetast wapeningsstaal dus ook met alginaat kunnen worden behandeld.”

Levensduur oprekken

De levensduur van betonnen bouwwerken is sterk afhankelijk van de beoogde ontwerpleeftijd. De meeste infrastructurele werken zijn ontworpen voor vijftig jaar. Tegenwoordig moeten bouwwerken steeds vaker honderd jaar meekunnen, liefst zonder veel onderhoud en extra kosten. De nieuwe Coentunnel bijvoorbeeld is ontworpen voor 100 jaar, de hsl voor 150 jaar. De oude Coentunnel, die inmiddels veertig jaar oud is, was ontworpen voor vijftig jaar. Maar deze zakt over tien jaar echt niet plotseling in elkaar, aldus Eduard Koenders van TU Delft. „Sterker, hij moet bij voorkeur nog zestig jaar mee. Om hem die tijd te laten overbruggen, wordt de tunnel stevig aangepakt.”

Of neem bijvoorbeeld de Franse kerncentrales. „Deze zijn ontworpen voor een levensduur van veertig jaar. Maar de exploitanten zijn daar nu bezig om ze nog tien jaar in bedrijf te houden”, weet Koenders.

Opdrachtgevers hebben er dus belang bij dat betonnen bouwwerken met geringe meerkosten veel langer kunnen meegaan. Daarvoor is het voorkomen van het verdampen van water uit het beton tijdens het uitharden van groot belang.