auteur dr. Henk Jonkers TU Delft, fac. CiTG Eerste praktijkprojecten van start Zelfherstellend beton, nuttig of noodzaak? TU Delft is ruim tien jaar bezig met de ontwikkeling van een bio-based technologie voor zelfherstellend beton. De technolo- gie is gebaseerd op kalksteenvormende bacteriën die samen met benodigde grondstoffen worden toegevoegd aan beton en reparatiemortel. Hoe werkt de technologie precies? Wat zijn de ontwikkelingen geweest in de afgelopen tien jaar? Wat zijn de praktische toepassingen en waarom juist daar? Tijd voor een update! S cheurvorming in beton is een geac- cepteerd fenomeen en hoeft niet tot problemen te leiden als het 'binnen de perken' blijft. Deze perken zijn vast- gelegd in normen waarin wordt beschreven wat acceptabele scheur- wijdten zijn voor betonconstructies in specifieke milieus (tabel 1). Afhankelijk van de mengselsamenstelling en de hoeveelheid toegepaste wapening, kan de constructie zodanig worden ont- worpen dat optredende scheurvorming aan die eisen voldoet. 1 Tank WBL in opbouw 26 VAKBLAD I 2 2018 26-Bacterien.indd 26 02-07-18 12:29 het toepassen van beton met een hoog scheurhelend vermogen: zelfherstel- lend beton. Zelfherstellend beton Onder bepaalde omstandigheden kun- nen kleine scheurtjes in het beton zich- zelf herstellen. We hebben het dan over passief of autogeen zelfherstellend beton. Dit zelfherstellend vermogen kan worden verhoogd door het toepas- sen van additieven. In dat geval gaat het om actief zelfherstellend beton.Autogeen zelfherstellend beton Elk betonmengsel draagt een zekere mate van scheurherstel in zich mee. Dit gebeurt voornamelijk door een combi- natie van vier verschillende processen: kalkvorming, dichtslibben, voort- gaande hydratatie van aanwezige cementkorrels en zwellen van de cementsteen. Onderzoek in het verle- den heeft aangetoond dat de capaciteit van dit zogenoemde 'autogene' scheurherstel afhankelijk is van het gehalte aan portlandklinker en met Toch zien we in de praktijk dat scheur- vorming kan leiden tot onvoorziene lekkageproblemen of voortijdige corro- sie van de wapening. Dit maakt ingrij- pen nodig, vaak tegen hoge reparatie- kosten achteraf. Het verschil in scheurvorming tussen theorie en prak- tijk wordt veroorzaakt door een aantal factoren die vaak buiten de macht van de ontwerper liggen. Een strategie om het risico op onvoor- ziene scheurvorming te 'managen', is Tabel 1 Aanbevolen scheurwijdten versus milieuklassen volgens NEN-EN 1992-1-1 NB: Nationale Bijlage bij Eurocode 2 milieuklasse elementen met betonstaal en/of voorspanstaal zonder aanhechting elementen met een combinatie van betonstaal en voorspanstaal met aanhechting frequente belastingscombinatie frequente belastingscombinatie X0, XC1 W max ? 0,4 mm* W max ? 0,3 mm XC2, XC3, XC4 W max ? 0,3 mm W max ? 0,2 mm XD1, XD2, XD3, XS1, XS2, XS3 W max ? 0,2 mm W max ? 0,1 mm * Voor milieuklasse X0 en XC1 heeft de scheurwijdte geen invloed op de duurzaamheid; deze grens is gesteld om een in het algemeen aanvaardbaar uiterlijk te verkrijgen. Bij afwezigheid van voorwaarden ten aanzien van het uiterlijk mag deze beperking zijn afgezwakt. 27 VAKBLAD I 2 2018 26-Bacterien.indd 27 02-07-18 12:29 name de deeltjesgrootte van het cement. Hoe grover het cement, hoe hoger de scheurherstellende capaciteit van het beton is [1][2][3]. Dit is dus precies tegengesteld aan de ontwikkelingen die de laatste decennia en zeker in Nederland op het gebied van mengselsamenstelling plaatsvin- den. Immers, een laag CO 2-profiel en beton met snelle sterkteontwikkeling vraagt om een bindmiddelsysteem met laag klinkergehalte en fijne maling. De trend die al jaren zichtbaar is in Neder- land ? vervangen van klinker voor steeds hogere hoeveelheden slak en/of vliegas ? kan daarom leiden tot steeds minder autogene scheurherstellende capaciteit. Vraag die daarbij zijdelings kan worden gesteld is of de huidige en zeker toekomstige mengsels met (zeer) laag klinkergehalte normtechnisch nog wel dezelfde prestatie leveren als vroe- gere mengsels waarop de scheurwijd- tetoleranties zijn gebaseerd. Los van deze laatste vraag staat het vast dat het zeer wenselijk is dat ook CO 2-arme en snelle betontypen over een voldoende mate van scheurherstellend vermogen beschikken. Gevraagd is dus extra scheurherstellende capaciteit zonder het CO 2-profiel te verhogen of de sterk- teontwikkeling van het beton te verlagen. Zelfherstel door kalksteenvormende bacteriën Sinds ruim tien jaar is nationaal en internationaal onderzoek gaande dat beoogt beton met een verhoogd zelf- herstellend vermogen te ontwikkelen. De TU Delft is koploper in deze ontwik- kelingen en heeft een technologie voor zelfherstellend beton ontwikkeld. Sinds 2014 wordt deze door Green Basilisk, een spin-off van de TU Delft, gespe- cialiseerd in producten die zelfher- stellend beton mogelijk maken, nati- onaal en internationaal in de praktijk toegepast. Dit in vorm van een addi- tief voor zelfhelend beton maar ook als ready mix zelfherstellende reparatie- mortel. De technologie is gebaseerd op bacteriën en toegevoegde bio-based grond stoffen. Werking zelfherstel Bacteriën Vergelijkbaar met planten die zaden vormen, is er een bepaalde groep bac- teriën die sporen maakt. Deze sporen zijn zelf eigenlijk ook bacteriën, die zich in een soort van slapende toestand bevinden. Het enige wat ze, net als plantenzaden, nodig hebben is voedsel en water waarna ze ontkiemen en actieve bacteriën worden. Afhankelijk van het voedsel dat ze opgediend krijgen, vormen ze tijdens hun groei ook afvalstoffen. In sommige gevallen is dat kalksteen (fig. 3). Dit kalksteen, in chemische termen 'calciumcarbonaat' genoemd, is een betoneigen materiaal dat uitstekend geschikt is om scheuren in beton te vul- len. Gevulde scheuren zorgen ervoor dat het beton weer waterdicht wordt en dat de wapening beter wordt beschermd tegen binnendringende chemicaliën. Dit zorgt er weer voor dat de wapening minder snel gaat roesten en 'betonrot' minder snel optreedt, waardoor de constructie ook veel langer meegaat. Van de grote hoeveelheid bacteriën die voorkomen in de natuur zijn er maar een beperkt aantal soorten die het 'meestorten' in beton overleven. Deze bacteriën zijn gewend aan sterke alkali- sche omstandigheden. De sporen die deze bacterie vormt, zijn bestand tegen veel vormen van stress zoals hoge druk, agressieve chemicaliën en uitdroging. 2 Veelvoorkomende scheurpatronen als gevolg van niet-constructieve oorzaken. Zie ook Betoniek 8/25 1991 3 ESEM-foto van kalksteen met bacteriën en een van actieve bacteriën Oorzaken scheurvorming A t/m D sedimentatie zetting E t/m F plastische krimp H, I thermische krimp in jong beton J uitdrogingskrimpK, L craquelé M wapeningscorrosie 28 VAKBLAD I 2 2018 26-Bacterien.indd 28 02-07-18 12:29 Voedsel Zoals gezegd is het soort afvalstoffen dat bacteriën vormen afhankelijk van het voedsel. Voor de vorming van kalk- steen in beton is het dan ook nodig dat de bacteriën het juiste voedsel voor- geschoteld krijgen. Niet alle voedsel is geschikt: het mag niet iets zijn dat de normale werking van beton, zoals sterk- teontwikkeling en duurzaamheid, nega- tief beïnvloedt. Een goede kandidaat is calciumlactaat, een stof die in grote hoeveelheden in melk voorkomt, maar door specifieke bacteriën gemakkelijk ook uit suikerhoudende industriële afval- stromen kan worden gemaakt. Aanwe- zigheid van calciumlactaat zorgt ervoor dat bacteriën veel kalksteen kunnen vormen. In de juiste vorm en hoeveel- heid toegevoegd aan het betonmeng- sel, heeft het geen negatieve invloed op andere betoneigenschappen. Technologie werkt In het laboratorium is aangetoond dat de technologie werkt (fig. 4, 5). Afhan- kelijk van de dosering van bacteriën en voedingsstoffen kunnen scheuren tot 1 mm wijdte autonoom worden gedicht. Daarvoor is wel een dosering van 15 kg zelfherstelmiddel per m 3 betonmengsel (bacteriën plus voedingsstoffen in vorm van calciumlactaat) nodig. Minder kan ook, een dosering van 5 kg/m 3 leidt tot het autonoom waterdicht maken van 0,4 mm wijde scheuren. Zelfherstelmiddel Handig dus om kalksteenvormende bacteriën en calciumlactaat aan het betonmengsel toe te voegen. Wel moeten de bacteriën dan pas kalksteen gaan vormen als het nodig is, dus pas als er een scheur ontstaat. Tien jaar onderzoek aan de TU Delft was er nodig voor ? het vinden van de juiste kalksteenvormende bacteriën en deze samen met calciumlactaat leverende stoffen zodanig te verpakken in vorm van ? een 'zelfherstelmiddel' (healing agent), dat pas actief wordt in beton wanneer dat echt nodig is. De techno- logie is nu zover dat het zelfherstellende additief in de praktijk al succesvol is toegepast in vorm van zelfherstellend beton voor prefab en in-situbeton, maar ook als zelfherstellende reparatiemortel. Het tweede-generatie-zelfherstelmiddel bestaat uit tot korrels geperste bacterie- sporen en calciumlactaat leverende stoffen (fig. 6b). In de eerste-generatie- versies werd nog gebruikgemaakt van poreuze kleikorrels als dragermateriaal (fig. 6a). Nadeel van deze eerste versie is dat grotere hoeveelheden nodig zijn voor voldoende zelfherstel. Hierdoor neemt tegelijkertijd ook de sterkte van het beton af. De tweede generatie van 6 4 2 0 0 0 - 0,2 0,2 - 2 > 2 4 3 2 1 0 0 0 - 0,2 0,2 - 2 > 2 33% Healed 100% Healed a b aantal proefstukken permeabiliteit bij 0,51 bar [ml/h] permeabiliteit bij 0,51 bar [ml/h] aantal proefstukken 6 4 2 0 0 0 - 0,2 0,2 - 2 > 2 3 2 1 0 0 0 - 0,2 0,2 - 2 > 2 100% Healed b permeabiliteit bij 0,51 bar [ml/h] permeabiliteit bij 0,51 bar [ml/h] aantal proefstukken 4 Selfhealing van proefstukken (met 0,2 mm scheurwijdte) met (a) en zonder (b) zonder toevoeging van zelfherstelmiddel. Van de zes controleproefstuk- ken zonder toevoeging zijn er twee waterdicht terwijl alle zes proefstukken met toegevoegd zelfherstelmiddel waterdicht zijn [5] 5 Foto's zelfherstel scheuren in beton [5] a b 6 Healing agents: eerste generatie (geëxpandeerde klei als dragermateriaal (a)) en tweede generatie (calciumlactaat derivaat pellets (b)) 29 VAKBLAD I 2 2018 26-Bacterien.indd 29 02-07-18 12:29 het zelfherstelmiddel heeft geen drager- materiaal meer nodig, bestaat uit 100% bio-based actieve ingrediënten en ver- laagt ? indien juist gedoseerd ? de sterk- teontwikkeling van het beton niet. Het enige wat nu nog nodig is om het scheurherstel te laten plaatsvinden, is de vorming van een scheur en de aan- wezigheid van binnendringend water. Het water vormt de 'trigger' waardoor de bacteriesporen gaan ontkiemen en het aanwezige calciumlactaat gaan omzetten in scheurvullend kalksteen. De toepassing Waar kan zelfherstellend beton meer- waarde opleveren? Ook al is een con-structie van tevoren goed uitgerekend op juiste hoeveelheid wapening en dekking, het kan zoals eerder gezegd in de praktijk toch nog voorkomen dat scheuren ontstaan die groter zijn dan vooraf gedacht. Binnendringend water en meekomende agressieve chemica- liën, zoals chloriden in zeewater en dooizouten, leiden niet alleen tot lek- kageproblemen maar ook tot snellere corrosie van de wapening. Constructies in een natte omgeving hebben dus vooral baat bij zelfherstel van scheuren. Ook is het handig als de hoeveelheid wapening tot een minimum kan wor- den beperkt omdat het niet alleen goedkoper is maar ook het storten van beton eenvoudiger maakt. Een grover wapeningsnetwerk stelt lagere eisen aan de verwerkbaarheid van het beton- mengsel dan een fijnmazig netwerk (fig. 7). Het werkt in principe dus snel- ler en verlaagt bovendien het risico op vorming van grindnesten en holle ruimten in de constructie. Zelfherstellende betontoepassingen Prefab toepassing ? afvalwaterzuiverings- tank WBL De eerste grootschalige toepassing van zelfherstellend beton werd uitgevoerd in samenwerking met het Waterschaps- bedrijf Limburg (WBL). Vraag van het WBL was of toepassing van zelfherstel- lend beton kan leiden tot verlagen van 'cost-of-ownership', de kosten die wor- den gemaakt over de hele levensduur van een constructie. Met name onder- houd en reparatiekosten zijn hoog en toepassing van zelfherstellend beton kan deze verlagen door minder nood- zaak van reparatie met bijkomstig een langere levensduur van constructies. Om deze vraag beantwoord te krijgen, werd besloten tot het uitvoeren van een demonstratieproject in de vorm van een waterzuiveringstank. De tank, bestaande uit prefab elementen gemaakt door de firma Bestcon, werd geplaatst in maart 2016 op het proef- terrein van het WBL in Simpelveld en in bedrijf genomen in augustus 2016 (fig. 8). Een op de vijf van de toegepaste elementen is voorzien van zelfherstel- middel om vergelijk in prestatie met traditioneel beton mogelijk te maken. Nu, na twee jaar in bedrijf, is nog geen teken van scheurvorming of andere vormen van aantasting aan beide type elementen zichtbaar en kan dus nog geen conclusie worden getrokken of toepassing van zelfherstel qua kosten en baten technisch gezien gunstig is. In-situtoepassing ? bluswaterreservoir Hoogvliet Naast prefab is zelfherstellend beton recentelijk (oktober 2017) nu ook in een in het werk gestorte constructie 7 Foto van een zeer fijn- mazig wapeningsnet- werk uit de praktijk 8 Tank WBL in bedrijf 30 VAKBLAD I 2 2018 26-Bacterien.indd 30 02-07-18 12:29 toegepast. Het betreft een bluswater- reservoir voor het Havenbedrijf Rotter- dam en is uitgevoerd door BAM Infra. Het reservoir is een betonnen bak van 47 m lang, 5 m hoog en 5,5 m breed (fig. 9). Om ook hier de effectiviteit van het aan het mengsel toegevoegde zelf- herstelmiddel te beproeven, zijn twee wanden van zelfherstellend beton gemaakt en twee van traditioneel beton. De conform ontwerp hoeveel- heid toegepaste wapening in deze con- structie moet scheurvorming beperken tot een wijdte van maximaal 0,1 mm. Omdat het een waterdicht ontwerp betreft, is in dit geval de zelfherstel- technologie als extra voorzorgmaatre- gel toegepast om eventueel toch voor- komende scheurtjes autonoom te laten herstellen. Hierdoor is achteraf injecte- ren niet meer noodzakelijk. In de zomer van 2018 zal het bluswa- terreservoir in gebruik worden geno- men en zal een monitoringspro- gramma uitgevoerd door Green Basilisk inzicht moeten verschaffen of toepas- sing van de zelfhersteltechnologie in dit geval meerwaarde oplevert. Zelfherstellende reparatie- mortel Eerdergenoemde toepassingen van zelfherstellend beton zijn mogelijk voor nieuwe constructies. Het zelfherstel- middel moet immers aan het mengsel worden toegevoegd. Het toepassen van zelfherstel in bestaande verouderde of constructief beschadigde construc- ties is echter ook mogelijk in vorm van een zelfherstellende reparatiemortel. TU Delft heeft een mortel ontwikkeld die naast een hoog zelfherstellend ver- mogen ook beschikt over een andere bijzondere eigenschap: hoge strain- hardening-vervormingscapaciteit. Deze laatste eigenschap leidt ertoe dat onder hoge trekkrachten de mortel niet bros breekt maar uitrekt tijdens vorming van zeer veel en zeer kleine (< 0,1 mm wijde) scheuren. Het strain-hardening- effect wordt bereikt door aanwezigheid van kleine maar sterke vezels waarvan de treksterkte hoger is dan die van de mortelmatrix. Hierdoor ontstaan er onder trekbelasting op steeds weer nieuwe plaatsen kleine scheuren (fig. 10). In het geval van de vezelversterkte reparatiemortel leidt kalksteenvorming in de scheuren door zelfherstel tot een hogere sterkte van de mortelmatrix. Dit is duidelijk zichtbaar omdat na opnieuw belasten van een herstelde mortel zich een scheur vormt vlak naast een herstelde scheur. De originele mor- telmatrix is dus zwakker dan de her- stelde matrix (fig. 11). Door toepassing van deze vezeltechno- logie bedraagt de rek van deze mortel 3 tot 5% ten opzichte van minder dan 0,3% voor traditionele reparatiemor- tels. De combinatie met bio-based zelf- herstelmiddel zorgt ervoor dat de ont- stane scheurtjes na trekbelasting zeer snel weer dichtgaan. Hierdoor blijft de onderliggende wapening beter beschermd tegen indringend water en corrosie versnellende chemicaliën. 9 Bluswaterreservoir voor het Havenbedrijf Rotterdam in aanbouw 10 Strain-hardening zelfherstellende reparatiemortel [6]. In deze grafiek is te zien dat onder toenemende buigbelasting (flexural stress) de mortel niet bros breekt maar vervormt. Bij elk dipje in de curve ontstaat een microscheur die door de sterke vezelwerking niet groter wordt, waardoor de mortel verder kan worden belast 11 Een nieuwe scheur (deviated crack) vormt zich naast een zelfherstelde scheur (healed crack) na opnieuw belasten van een reparatiemortel na zelfherstel 31 VAKBLAD I 2 2018 26-Bacterien.indd 31 02-07-18 12:29 Door de vorming van een duurzame hechting ook tijdens vervorming heeft deze mortel zich in de praktijk bewezen als toepasbaar voor constructieve repa- raties maar ook voor het duurzaam repareren van watervoerende scheuren (fig. 12 en 13). Scheuren 'managen' in plaats van voorkomen Waterdichte constructies vragen om geen risico op scheurvorming of in ieder geval slechts heel kleine scheuren van 0,1 mm wijd of liefst nog kleiner. Hoe kleiner de beoogde scheuren, hoe meer scheurwijdte-controlerende wapening moet worden toegepast. Hierdoor stroomt het betonmengsel minder eenvoudig door de fijne mazen van de wapening, wat het risico op onvolkomenheden in de uitvoering ver- groot. Nu bestaat er dus ook een alter- natieve strategie, waarmee voorko- mende scheuren worden 'gemanaged': het toepassen van voldoende zelfher- stellend vermogen. Een waterdichte constructie zou daarmee met minder scheurwijdte-controlerende wapening kunnen worden uitgevoerd. Dit levert niet alleen materiaalkostenbesparing op maar ook voordelen in de uitvoering, doordat bij een minder fijnmazige wapening makkelijker kan worden gestort en dus met minder risico op uitvoering gerelateerde problemen. Zelfherstel van 0,2 tot 0,4 mm wijde scheuren zal zorgen voor een water- dichte constructie. Wat betreft kosten is de zelfherstellende betontechnologie ook veelbelovend. De extra kosten voor toevoeging van zelfherstelmiddel aan beton bedragen tussen de ? 20,- en ? 24,- per m 3 beton. Een bedrag dat zich snel terug- verdient door verminderd noodzakelijk onderhoud, een langere levensduur van de constructie, en sneller kunnen werken zonder verhoogd risico op uit- voeringsproblemen op de bouwplaats. Ook de prijs van de reparatiemortel valt binnen de range van de huidige op de markt verkrijgbare reparatiemortels. Dankzij de zelfhelende technologie kunnen nu scheuren worden 'gema- naged' in plaats van proberen die te voorkomen. Of deze alternatieve strate- gie daadwerkelijk de genoemde voor- delen oplevert, zullen nieuwe projecten moeten bewijzen. Literatuur 1 Neville, A. M., Autogenous healing ? A concrete miracle? Concrete Int, 2002. 2 Edvardsen, C. Water permeability and autogenous healing of cracks in concrete .ACI Materials Journal, 1999. 3 Ter Heide, N., Schlangen, E. and van Breugel, K., Experimental Study of Crack Healing of Early Age Cracks, Technical University of Denmark, 2005. 4 iDriel, J. van, Jonkers, J., Zelfherstel bewezen in de praktijk, Cement 2016-1 5 Jonkers, H. M. & Mors, R., Full scale application of bacteria-based self-healing concrete for repair pur- poses. Concrete Repair, 2012. 6 Sierra-Beltran M. G. et al., Character- ization of sustainable bio-based mor- tar for concrete repair. Construction and Building Materials, 2014. 12 Toepassing reparatiemortel Chemelot Limburg 13 Toepassing reparatiemortel Groninger Forum 32 VAKBLAD I 2 2018 26-Bacterien.indd 32 02-07-18 12:29