themaZelfreparerend beton met poreus netwerk4201328themaZelfreparerendbeton metporeus netwerk1Door verhinderde vervorming of belasting ontstaanscheuren in beton. Deze scheuren kunnen een probleemvormen bij waterkerende constructies of waterdichteaansluitingen. Ook wapeningscorrosie als gevolg vanindringen van chloride-ionen door deze scheuren, kan deduurzaamheid aantasten. Er is nu een nieuwe methodeontwikkeld om de achteruitgang van de constructiestegen te gaan: het realiseren van betonconstructies diezichzelf kunnen repareren door toepassing van poreusnetwerk beton en een `healing agent'.Scheuren gedicht door healing agentZelfreparerend beton met poreus netwerk 42013 29dichte laag gevormd en is de scheur verdwenen.Het cre?ren van een poreuze laag in een betonconstructie omdeze later in een dichte laag te veranderen, lijkt op het eerstegezicht onlogisch. Maar het is bekend dat het een tijdje duurtvoordat beton zijn eigenschappen en materiaalstructuurontwikkelt. Gedurende dit proces vervormt het materiaal,treden er zettingen op, zwelt, krimpt en scheurt het. Dus is hetmisschien wel slimmer om het maken van de dichte laag(zonder scheuren) uit te stellen.De kern kan worden gevuld met een healing agent die niets meeris dan een cementpasta of slurry. In het onderhavige onderzoekwordt een epoxy gebruikt om beter in staat te zijn te visualiserenwat er zich afspeelt binnen in het materiaal en de scheur.Het voorgestelde poreuze netwerk beton [11] is ook econo-misch haalbaar, omdat de productiemethode relatief eenvoudigis. De poreuze laag of kern kan worden gemaakt in verschil-lende vormen en afmetingen en kan op de benodigde plaats inde constructie (waar scheuren worden verwacht, of zelf onver-mijdelijk zijn) worden aangebracht. Het injecteren van deporeuze laag kan ook worden geautomatiseerd.Het ideeLeren van de natuurIn dit onderzoek is gekeken naar de morfologie en herstel vanbotten. Constructief gezien kunnen botten worden omschrevenals een complex hi?rarchisch composietmateriaal dat bestaatuit cellen, vezels en verschillende weefsels waarin collageen debelangrijkste constructieve bouwsteen vormt. Morfologischgezien kan een bot worden gesplitst in twee delen, een compacten een sponsachtig deel. Als bot breekt, treedt over het alge-meen herstel op in drie fasen: ontstekingsreactie (onmiddel-lijk), cel-proliferatie (secundair), en herstel van de matrix(lange termijn).Werking poreus netwerk betonHet is niet de bedoeling het complexe helingsproces van bottenvolledig na te bootsen in beton. Het idee is bot te imiteren engebruik te maken van de vorm die het transporteren van eenvloeibare healing agent door de interne structuur naar degescheurde zone mogelijk maakt. De morfologie van bot wordtnagebootst met geprefabriceerde, poreuze, cilindrische beton-IABSE-congres 2013Dit artikel is gebaseerd op de paper`Development of self-repai-ring concrete structures by means of porous network'van hetIABSE-congres 2013 dat in mei in Rotterdam plaatsvond.Infrastructuur gebouwd in de laatste helft van de vorige eeuwlaat steeds vaker problemen zien als gevolg van achteruitgangvan het materiaal. De kosten van reparatie en herstel wordendaardoor steeds hoger [1]. De totale kosten zijn soms zelf hogerdan de kosten voor een nieuwe constructie.Degradatie van een constructie verloopt geleidelijk tot hetmoment dat de eerste reparatie nodig is [1]. De prestatiecapaci-teit wordt dan tijdelijk weer verhoogd, maar zal geleidelijk weerafnemen tot het moment dat een tweede reparatie nodig is(fig. 2). Hierbij moet nog in het achterhoofd worden gehoudendat reparaties zelf vaak maar een korte levensduur hebben.Door het maken van iets hogere kosten in het begin wordtinitieel een betere kwaliteit gerealiseerd. Dit zal zich op termijnterugbetalen. De onderhoudsvrije periode is langer, waardoorer in totaal ook minder onderhoud nodig zal zijn.Zelfherstellend betonVeel onderzoekers en ontwerpers zijn momenteel op zoek naarde beste manier voor het ontwerpen van duurzame construc-ties met een langere, onderhoudsvrije levensduur. Er is echtereen alternatief om de achteruitgang van de constructies tegente gaan: het realiseren van betonconstructies die zichzelfkunnen repareren. Er wordt op dit moment gewerkt aanverschillende methoden om beton zelfherstellend te maken.Het autogene zelfherstel van beton is al langer bekend, maar iswel beperkt tot kleine scheuren. Andere onderzoekers zijnbezig met capsules, buisjes of kanalen met lijm. Dit wordttoegepast in uiteenlopende materialen als kunststoffen,coatings en keramiek, maar ook in beton [3, 5, 8, 9, 10]. Jonkersen Schlangen [6] hebben een methode ontwikkeld die gebruik-maakt van door het beton gemengde bacteri?n die kalksteenafzetten in scheuren en deze als het ware dichtmetselen.Gebaseerd op dit werk is er door Wiktor e.a. [7] een vloeibaarreparatiesysteem met bacteri?n ontwikkeld, dat kan wordenaangebracht op bestaande constructies om scheuren te sealen.Poreus netwerk betonEr is nu een alternatief ontwikkeld waarbij een geprefabriceerdporeus betonelement intern in de betonconstructie wordtgeplaatst. Als er een scheur ontstaat, wordt een `healing agent',een vloeibaar reparatiemiddel, automatisch ge?njecteerd in hetporeuze netwerk. Na uitharding van het reparatiemiddel is eenSenot Sangadji MSc,prof.dr.ir. Erik SchlangenTU Delft, fac. CiTG1 Proefstuk na de tweede belasting-stap met ge?njecteerde eerste scheuren openstaande tweede scheurthemaZelfreparerend beton met poreus netwerk4201330benodigde sterktetijdzelfherstelzelfherstellend materiaalkosten?prestatiebenodigde sterktetijd1ereparatieB hoge kwaliteit materiaalkosten?prestatie2ereparatieA normaalB hoge kwaliteitA normaalom de grove toeslagkorrels te coaten en aan elkaar te lijmen.Hierdoor kunnen vloeistoffen door het materiaal stromen meteen veel hogere snelheid dan in gewoon beton.Prisma's in de afmeting van 55 ? 55 ? 295 mm3van poreusnetwerk beton zijn als volgt gemaakt. Een 40 ? 40 ? 295 mm3poreuze betonkern met toeslagkorrels in de range tussen 2 en4 mm is eerst voorzien van een PVA-film die water-oplosbaaris. Deze kern is geplaatst in het hart van een houten bekisting(foto 6). Een 2 mm draadeind is gebruikt als wapening aan dekernen (of andere vormen) die binnen in een betonconstructiezijn aangebracht. Dit poreuze netwerk beton biedt vervolgensde mogelijkheid in een later stadium een healing agent te trans-porteren naar de zone waar de scheuren zitten en de poreuzelaag weer dicht te maken (foto 3 en 4).Nishiwaki e.a. [10] defini?ren zelfherstel als een systeem,waarbij ? in het geval er een scheur ontstaat in het beton ? hetmateriaal zichzelf kan herstellen zonder menselijke interventie.Door het inbouwen van drie aspecten in het systeem is door deauteurs het zelfherstellend mechanisme in beton gerealiseerd:herkennen, actie nemen en gecontroleerd sturen.Figuur 5 toont het concept van de informatiestroom in het zelf-herstellende (engineered zelfreparerende) betonsysteem.Schade in het beton als scheuren op locaties waar deze niet ofnauwelijks toegankelijk zijn, worden gedetecteerd door vervor-mingssensoren (LVDT's, rekstroken of optische vezels). Dedata worden verzameld (I/O-kaart) en geanalyseerd door eenCPU/microcontroller die vervolgens een signaal stuurt naar deactuator. De actuator (motor/klep) schakelt de pomp in dievervolgens de healing agent vanuit een reservoir injecteert inhet poreuze kanaal. Resultaat is dat de scheuren wordengeseald en het poreuze kanaal gedicht. Het injectieproces stoptautomatisch als de druk in het kanaal bijvoorbeeld eenbepaalde, vooraf ingestelde waarde bereikt [14].ProefopstellingPoreus beton wordt ook wel genoemd `no-fines, gap-graded,pervious of enhanced porosity' beton. Het is een speciaal soortbeton met weinig of geen fijne toeslagkorrels, waardoor hetmengsel zeer open is en een hoge porositeit heeft. Deze eigen-schap wordt verkregen door een in hoge mate verbondenporiestructuur. Het materiaal wordt gerealiseerd door hettoepassen van een hoeveelheid cementlijm die net genoeg is2 Conceptuele levenscycluskostenvan een constructie (a) en de kos-ten van infrastructuur met inge-bouwd zelf-herstel (b)3, 4 Poreus netwerk beton [11]5 Autonoom systeem6, 7 Proefstukpreparatie van poreusnetwerk beton2b2a34Zelfreparerend beton met poreus netwerk 42013 31beton met sensorbelastingscheur gesealed, kracht/stijfheid hersteldactuator I/O-kaartCPU/microcontrollerklepDC motorinputoutputon/offalgorithmshiervan is de scheur gerepareerd en de poreuze kern opgevuld.Eigenlijk is een composietprisma gevormd van beton en epoxy.Bij een tweede belasting (fase C) is de piekbelasting verdubbelden ook de stijfheid voor opnieuw scheuren is hoger dan tijdensde eerste belastingsstap.Tijdens de tweede belastingsstap (fase C) ontstaat een tweedescheur op een andere locatie ongeveer 2 cm naast de oudescheur. De locatie waar de eerste scheur was ontstaan, is dooronderzijde van de poreuze kern. Hierna is zelfverdichtendbeton rond de poreuze kern gestort. Verharding heeft voor tenminste 28 dagen plaatsgevonden bij ? 20 ?C en ? 95% RV.Hierna zijn twee holle aluminiumcilinders met schroefdraadaan de kopse kanten van het prisma gelijmd en voorzien vaneen connector als afgebeeld in foto 7.Een driepuntsbuigproef is uitgevoerd om een scheur te cre?renin het midden van het prisma. De scheurwijdte is gemeten meteen LVDT met een meetbereik van ? 500 m en een nauwkeu-righeid van 1 m. Twee LVDT's zijn gebruikt aan weerszijdenaan de onderkant van het proefstuk (foto 8 en 9). Het gemid-delde van beide opnemers is gebruikt om de test te sturen en descheuropening te controleren.Bij het bereiken van een van tevoren gedefinieerde scheurope-ning (250 ?m) stopt de vervormingstoename en stuurt deregelcomputer een signaal naar de injector om een voorgemixtetweecomponentenepoxy in de poreuze kern te persen. Bij hetbereiken van een bepaalde vooraf ingestelde druk stopt deinjector. Het systeem wordt stabiel gehouden in deze positiegedurende 24 uur om de epoxy te laten uitharden. Hierna is hetprisma onderworpen aan een tweede belasting (vervor-mingstoename) om te bekijken wat het effect van de heling is.TestresultatenIn figuur 10 is de belasting uitgezet tegen de scheuropening.Drie fasen kunnen worden onderscheiden in de grafiek. Fase Avoor injectie van de healing agent, fase B direct na injectie engedurende de 24 uursuitharding van de epoxy, en fase C waarinde belasting (vervormingstoename) is voortgezet.In fase A is de eerste scheur gecre?erd met een maximalekracht van 1,3 kN, gevolgd door een softening-fase waarbij debuigspanning wordt overgenomen door de wapeningsstaaf. Nahet injecteren van de tweecomponentenepoxy en het uitharden576themaZelfreparerend beton met poreus netwerk42013320 50 100 150 200 250 300 350012345678400 450scheuropening [?m]2,521,510,50belasting[kN]aan-uit-signaalvanmotorbelastingCsignaalABde epoxy gerepareerd en versterkt. Het is verder aannemelijkdat de epoxy ook in de pori?n van het beton net naast descheurvlakken dringt en ook hier het beton versterkt. Hierdoormoet de tweede scheur een ander pad kiezen en de nieuwe,zwakste schakel opzoeken.ToekomstDe eerste resultaten zijn positief zoals is weergegeven in figuur10 en foto 1 en 11. Dit is een proof-of-concept. Vervolgonder-zoek wordt momenteel uitgevoerd waarbij verschillendehealing agents worden getest. Een van de healing agents is eenreparatievloeistof met bacteri?n zoals ontwikkeld door Wiktore.a. [7]. Deze vloeistof bevat bacteri?n die calsiet afzetten,voedingsstoffen voor de bacteri?n en enkele, andere ingredi?n-ten. De eerste resultaten met dit middel zijn ook veelbelovend.Voordeel van deze methode van injecteren van bacteri?n is, datdeze geconcentreerd op de plek terechtkomen waar ze nodigzijn (waar scheuren zitten en/of worden verwacht) en ze nietdoor het gehele beton hoeven te worden gemengd. Voordeel isook dat de bacteri?n opnieuw hun werk kunnen doen als deconstructie een tweede keer scheurt. Dit is met epoxy natuur-lijk niet mogelijk, omdat het kanaal dan al is gevuld. Oplossingbij vullen met epoxy zou kunnen zijn om meerdere poreuzekanalen aan te brengen.Er zijn verschillende toepassingen te bedenken voor poreusnetwerk beton, waaronder waterkerende constructies alsopslagtanks, kelderwanden, industrievloeren, tunnels of aqua-ducten. Ook zou met dit systeem gedacht kunnen worden aanhet cre?ren van een dichte laag (barri?re) net naast de wape-ning voor het stoppen van indringen van chloriden. Alsdemonstratie is ook een model gemaakt van een vloer-wandaansluiting (foto 12 en fig. 13) die binnenkort zal wordengetest. Hier treedt vaak lekkage op. Een plaatvormig poreuselement kan hier worden geplaatst in de aansluiting en na8 910uitharden van de wand worden ge?njecteerd. Dit zou een alter-natief kunnen zijn voor injectieslangen die ook voor dit doel-einde worden gebruikt, maar waarvan de gaatjes vaak dichtblijken te zitten na het storten.ConclusiesPoreus netwerk beton is ontwikkeld, ge?nspireerd door destructuur van botten. In dit concept wordt een poreuze, gepre-fabriceerde kern geplaatst in de betonconstructie. De porie-structuur in de poreuze kern kan worden gebruikt voor hettransport van healing agents. De healing agent kan scheurenrepareren. Het proof-of-concept is geleverd met een set vanexperimenten in het laboratorium. Scheuren kunnen op dezemanier worden geseald en de waterdichtheid wordt hersteld.Ook kan het indringen van chemicali?n in zeewater of dooi-zouten worden verminderd, waardoor de wapening langerwordt beschermd en corrosie wordt tegengegaan.Voor het vertalen van dit concept zijn uiteraard nog enkeleaanpassingen nodig. Zo zullen er meerdere injectiepuntennodig zijn. Sensoren moeten worden aangebracht om scheurenZelfreparerend beton met poreus netwerk 42013 338 Driepuntsbuigproef met injector9 Ge?njecteerde scheur met fluores-cerende epoxy; in het aluminiumbakje aan de onderzijde zijn enkeledruppels epoxy te zien die uit descheur zijn gelopen10 Grafiek met belasting uitgezettegen scheuropening11 Proefstuk met epoxy in scheuronder uv-licht12, 13 Modellen van een vloer-wandaansluiting met eenporeuze laagte detecteren als het systeem volledig moet worden geautomati-seerd. Het type healing agent waarvoor er vele mogelijkhedenzijn, zal moeten worden afgestemd op het type constructie ende te verwachten scheuren.Geconcludeerd mag worden dat het systeem potentie heeft ener zeker situaties en constructies te bedenken zijn waarbij deeconomische voordelen groot zullen zijn. LitEratuur1 Breugel, K., van, Is there a market for self-healing cement basedmaterial?, Proc. of the 1st Intl. Conf. on Self-Healing Materials, TheNetherlands, 2007.2 VISION 2020, Vision for the Concrete Repair, Protection and Streng-thening Industry, The Strategic Development Council (SDC),http://www.concretesdc.org.3 Tittelboom, K., van, Belie, N., de, Loon, D., van, Jacobs, P., Self-healingefficiency of cementitious materials containing tubular capsulesfilled with healing agent, Cement and Concrete Composites, vol. 33,2011, pp. 497-505.4 Mather, B., Warner, J., Why do concrete repairs fail?,http://epdweb.engr.wisc.edu, May 2nd, 2012.5 Blaiszik, B.J., Kramer, S.L.B., et al., Self-Healing Polymers and Composi-tes, Annual Review of Materials Research, Vol 40, 2010,pp. 179-211.6 Jonkers, H.M., Schlangen, E., Crack Repair by Concrete-ImmobilizedBacteria, Proc. of the 1st Intl. Conf. on Self-Healing Materials, TheNetherlands, 2007.7 Wiktor, V., Thijssen, A., Jonkers, H., Development of a liquid-basedrepair system for aged concrete structures. In Alexander, M.G.,Beuhaussen, H., Dehn, F., Moyo P. (Eds), Proceedings of 3rd Internati-onal Conference on Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting,September 2012, pp. 345-346.8 Li, V.C., Feasibility of passive smart healing cementitious composite,Composites Part B 29B, 1998, pp. 819-827.9 Dry, C.M., Three designs for the internal release of sealants, adhesives,and waterproofing chemicals into concrete to reduce permeability,Cement and Concrete Research 30, 2000, pp. 1969-1977.10 Nishiwaki, et al., Development of Self-Healing System for Concretewith Selective Heating around Crack, J. of Adv. Concrete Technology,v.4, no 2, 2006, p 267-275.11 Sangadji, S., Schlangen, E., Self-Healing of Concrete Structures ?Novel Approach Using Porous Network Concrete, J. of Adv. ConcreteTechnology, v.10, 2012, p 185-194.12 Benyus, M.J., Biomimicry; Innovation inspired by Nature, HarperPerrenial, 1997.13 Bhushan, B., Biomimetics: lessons from nature-an overview, Philo-sophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physicaland Engineering Sciences, vol. 367, 2009, pp. 1445-1486.14 Glisic, B., Inaudi, D., Fibre optic methods for structural health monito-ring, Chicester, John Wiley & Sons, 2007.111213