Nieuwe architectonische toepassingen van high-tech-beton
Innovatieve betontechnologie biedt een waaier aan mogelijkheden
Decennialang kon de term ‘beton’ genoegzaam gebruikt worden voor de meeste toepassingen waarbij een mengsel van cement, granulaten en water gebruikt werd. Veel mensen associëren beton dan ook nog steeds met zware en massieve structuren. Gaandeweg werd het echter duidelijk dat, wanneer men de basisingrediënten van beton aanvulde met andere stoffen, de eigenschappen sterk verbeterden. Zo ontstonden betonsoorten die makkelijker verwerkbaar werden en ook hogere sterkte-eigenschappen hadden. Het lag dan ook voor de hand dat het eenvoudige begrip ‘hogesterktebeton’ hiervoor gebruikt werd. Vandaag is de betontechnologie zo ver gevorderd dat men gerust kan spreken over een high-tech-product dat mogelijkheden kan bieden voor het ontwerpen van zelfs zeer fragiele structuren met een aparte architectonische waarde.
Terminologie
De term 'hogesterktebeton' wordt dikwijls gebruikt, hoewel het niet altijd duidelijk is wat onder deze vlag schuilgaat. De Nederlandse CUR-aanbeveling 97 (2004) gaf een eerste duidelijk stramien weer met de sterkte-eigenschappen waaraan dit beton moest voldoen. Hierin stelt men dat 'traditioneel' beton een druksterkte haalt tot 65 MPa. Hogesterktebeton (HSB) zou dan tot 105 MPa uitlopen, terwijl de grens voor zeer-hogesterktebeton (ZHSB) en ultra-hogesterktebeton (UHSB) respectievelijk op 150 en 200 MPa ligt.
Deze indeling hield alleen rekening met de kubusdruksterkte en de grenzen werden eerder arbitrair vastgelegd. Daarenboven is het verschil tussen de verschillende soorten niet echt voor iedereen duidelijk. Verder moet ook gezegd dat vandaag, door een sterk veranderde betontechnologie, beton kan worden geproduceerd met een druksterkte die veel hoger is dan de 200 MPa in deze indeling.
Terwijl beton oorspronkelijk samengesteld werd met de 'klassieke' ingrediënten, grof granulaat, zand en cement, evolueerde dit in de negentiger jaren tot een materiaal met toevoeging van een zeer fijne fractie. In veel gevallen nam deze fijne fractie ook actief deel aan een sterkteontwikkeling. Dit opende zeker mogelijkheden voor een hogere druksterkte. Vandaag kan in de betontechnologie ook de nanofractie opgenomen worden, wat een geheel andere benadering van het mengselontwerp impliceert. Tevens worden nu ook veelal fijne vezels toegevoegd aan het HSB-mengsel waardoor ook een hogere ductiliteit kan worden gewaarborgd. Het spreekt voor zich dat zo niet alleen de druksterkte kan worden beïnvloed, maar dat ook alle andere mechanische en fysische eigenschappen sterk zullen afwijken in vergelijking met die van een klassiek (hogesterkte) beton.
Rekening houdend met de eigenschappen van 'modern' HSB is het misschien beter dit materiaal te omschrijven met de Engelse termen High Performance Concrete (HPC) en Ultra High Performance Concrete (UHPC). De term 'performance' geeft duidelijk aan dat het om meer gaat dan druksterkte alleen.
Het onderscheid tussen de twee is voornamelijk te zoeken in het feit dat een UHPC een hoge ductiliteit bezit, terwijl dit voor een HPC eerder beperkt is. In de literatuur duiken heel wat varianten op van deze naamgeving die een bepaalde eigenschap of ingrediënt sterker benadrukken, maar in wezen blijft het steeds een UHPC. Men spreekt bijvoorbeeld over een UHPFRCC (Ultra High Performance Fibre Reinforced Cementitious Concrete) als men het heeft over een UHPC waar men de toevoeging van vezels en cement wil benadrukken.
Grondstoffen
Naast de klassieke componenten van beton worden dus ook reactieve fijne stoffen gebruikt in een UHPC. Cement blijft een belangrijke rol vervullen als hydraulisch bindmiddel (wat reageert met water en verhardt en na verharding niet meer oplost in water). Daarnaast kan worden gebruikgemaakt van vliegassen en metakaoliniet die beide in hoofdzaak puzzolaan (een puzzolaan is een bindmiddel dat niet met water reageert, maar wel met water plus kalk) werken en een korrelgrootte hebben in dezelfde orde als die van cement. De gebruikte vliegassen zijn in principe poederkoolvliegassen, afkomstig van elektriciteitscentrales. Metakaoliniet is een amorf aluminosilicaat bekomen door een warmtebehandeling van kaoliniet, een zuivere kleisoort. Extreme verbeteringen van de eigenschappen kunnen echter pas gehaald worden door toevoeging van de zogenaamde microsilica. Deze poeders zijn ongeveer 40 keer fijner dan cement. Ze ontstaan als restpoeder bij de productie van silicium-producten. Zij reageren puzzolaan en zijn door hun vorm en grootte ook interessant als vulmateriaal tussen de grotere korrels.
Het toevoegen van fijne poeders aan beton zal er zeker voor zorgen dat met het korrelmateriaal een dicht 'skelet' gevormd wordt. Dit product zal echter nog altijd vrij bros breken. Om een hogere ductiliteit te geven aan het materiaal kan men fijne vezels toevoegen. Deze zorgen ervoor dat bij een breuk in het steenachtige deel van het beton, de scheuren overbrugd worden met de sterke vezels zodat het zijn vorm kan blijven houden. Op dit nanoniveau moet men microvezels inzetten. Veelal zijn dit kunststofvezels met een lengte van 5 tot 25 mm. De zeer korte vezels verhogen de treksterkte en de iets langere zorgen dan weer voor een beter plastisch gedrag.
Mixontwerp
Bij het ontwerp van een betonmengsel wordt veelal gestart van een soort ‘ideale’ korrelopbouw, uitgezet in een 2D grafiek. De achtergrond is dat een stevig opgebouwd skelet bestaande uit grof en fijner granulaat, een garantie kan inhouden op een hogere sterkte en een beperkte krimp. Louter werkend op het skelet van het beton is zo een druksterkte haalbaar tot ca.150 Mpa.
Met een UHPC wil men verder gaan en is deze (klassieke) manier van mengselontwerp niet meer afdoend. Hier ligt het accent op het zoeken naar een optimale pakking van de fijne betonmortel, waarin veelal geen grove korrels meer voorkomen. Daartegenover worden dus grote hoeveelheden reactieve poeders toegevoegd, samen met inerte vulstoffen zoals kwartspoeder en ook vezels. Om tot een recept te komen werden rekenmodellen ontwikkeld op basis van onder andere driedimensionale simulaties. Het spreekt voor zich dat ook een extreem lage water-cementfactor zal worden gebruikt; precies voldoende om het cement te laten reageren.
Premix
Door de complexiteit van het mixontwerp zal het zelf samenstellen van een UHPC zeker geen garantie bieden op extreme eigenschappen. Men moet immers alle parameters van alle componenten zeer goed kennen en onder controle hebben. In de praktijk is het meestal zo dat deze cruciale gegevens ontbreken voor de modale gebruiker. Vandaar dat een UHPC veelal aangeleverd kan worden als een premix. Deze (bijna) kant-en-klare mengsels worden industrieel aangemaakt en bezitten ook gegarandeerde eigenschappen.
Naast het gebruik van een goede premix is het mengen en storten uiteraard ook gebonden aan randvoorwaarden. Om alle fijne deeltjes op hun plaats te krijgen is het evident dat de mengenergie veel groter zal zijn dan voor klassiek beton. In vele gevallen is een klassieke menginstallatie dan ook ontoereikend en moet eventueel geïnvesteerd worden in intensieve mengers.
Eventueel moet zelfs een vacuüm-mixtechnologie overwogen worden. Verder is het ook noodzakelijk om een UHPC een nabehandeling te geven, al was het maar om de krimp binnen de perken te houden. Een warmtebehandeling is hier meestal aangewezen.
Eigenschappen
Door de optimale pakking van de korrels, gecombineerd met een groot gehalte aan reactieve poeders, zijn de mechanische eigenschappen van UHPC uitermate goed in vergelijking met die van klassiek beton. Niet alleen de druksterkte stijgt, maar ook de buigtreksterkte en de elasticiteitsmodulus zijn veel hoger. Een afgeleide mechanische eigenschap is dat de slijtweerstand ook vele keren hoger ligt dan deze van traditioneel beton. Door het feit dat gestreefd wordt naar een zo klein mogelijk poriënvolume in de massa, is de permeabiliteit voor lucht en water dan ook zeer laag. Men creëert zo dus ook een duurzaam beton, met minder kans op betonrot. Meteen is ook een grote weerstand opgebouwd tegen vorst-dooicycli.
UHPC moet als betonmateriaal niet langer geassocieerd worden met zwaar en log
Toepassingen
Door de hoge mechanische eigenschappen is UHPC in eerste instantie ook daar toegepast waar de mechanische belastingen hoog waren. Het is dan ook niet verwonderlijk dat dit beton oorspronkelijk in een aantal bruggen en andere grote kunstwerken gebruikt werd. Door deze hoge mechanische eigenschappen is men echter ook in staat om met dit product dunne betonnen elementen te maken die esthetisch gezien heel wat perspectieven bieden. UHPC moet als betonmateriaal niet langer geassocieerd worden met zwaar en log, maar kan dus zeker gebruikt worden voor structuren die zeer fragiel ogen en toch voldoende sterk zijn. Structureel kan UHPC bijvoorbeeld ingezet worden voor membraanstructuren. Een andere mogelijkheid is het produceren van uiterst dunne zelfdragende panelen, die ontegensprekelijk kunnen leiden tot een elegante vormgeving van structuren en zeker een alternatief vormen voor natuursteen of keramiek. Het materiaal leent zich zelfs uitstekend om een betonnen wand als een soort filigraanwerk op te bouwen.
In het domein van de binnenhuis-architectuur liggen ook heel wat mogelijkheden. Uiterst dunne UHPC-traptreden bijvoorbeeld kunnen zeker concurreren met andere materialen zoals hout en metaal. Binnen- en buitenmeubilair in UHPC oogt zeker even stijlvol als in een ander materiaal.
Naast de sterkte-eigenschappen is een bijkomende troef dat UHPC ook een zeer slijtvast materiaal is, waardoor het ook kan worden gebruikt als werkblad in een keuken. Bovendien is de indringing van vloeistoffen bijna uitgesloten, zodat het ook moeiteloos de tand des tijds weerstaat en dit zowel binnen als buiten.
Qua kleur en afwerking zijn de mogelijkheden legio. Door het toepassen van pigmenten kan een groot kleurenpalet aangeboden worden, terwijl door de zeer fijne korrel van de UHPC eigenlijk bijna elke textuur haarzuiver kan worden gegoten.
Ontwerpen en werken met UHPC is dus duidelijk een ander verhaal dan 'beton gieten'. Misschien is het zelfs goed om de relatie met beton los te laten om zo de nog ongekende mogelijkheden van UHPC ongeremd te kunnen exploreren.
Met medewerking van Aalborg Portland, Enjoy Concrete, Ergon, Luum en Ney & Partners
