fib Bulletin 107 over de geschiedenis van beton 1 Pantheon in Rome, foto: Beppe Castro via Shutterstock 1 fib Bulletin 107 42? CEMENT 2 2024 fib Bulletin 107 is het eerste deel van een serie van drie over de ge- schiedenis van constructief beton. In het voorwoord staat de aanleiding mooi verwoord: "De analyse van ontwerpen uit het verleden is essentieel voor het conceptuele ontwerp van nieuwe constructies. Bovendien is historische kennis essentieel wanneer ingenieurs bestaande constructies beoorde- len: een kritische analyse van de historie is essentieel voor de juiste constructieve beoordeling." Het doel van de driedelige serie is het vormen van een studieboek voor een semes- ter van tien blokken van 1,5 uur. Hiertoe zijn tien hoofdstukken voorzien, waarbij elk hoofdstuk de lesstof voor een blok behandelt. De hoop van fib Task Group 1.6, die verant- woordelijk is voor de inhoud, is dat universi - teiten een vak op het gebied van de geschie- denis van constructief beton gaan opnemen in hun curriculum. Opbouw Dit bulletin is chronologisch opgebouwd en bestaat uit vier hoofdstukken: 1 Het begin 2 Van de Romeinen tot de Renaissance 3 Bindmiddelen en cementen tijdens de achttiende en negentiende eeuw 4 Betonconstructies in de achttiende en negentiende eeuw De bedoeling van de Taks Group is dat er nog twee fib bulletins (met elk drie hoofd - stukken) worden uitgegeven voor de periode van de twintigste eeuw tot het heden. Het begin In verschillende delen van de wereld hebben onze voorouders vanaf ongeveer 10.000 voor Christus handgemaakte zongedroogde ste- nen gemaakt, op basis van de klei die volop aanwezig was bij de rivierbeddingen waar zij verbleven. Op veel plekken worden deze adobe stenen (in de zon gebakken klei) nog steeds gemaakt en toegepast. De stenen kon - den los worden gestapeld, maar werden vaak met 'modder' gestapeld en met een leemlaag afgesmeerd. Tussen 9000 en 7000 voor Christus werd, waarschijnlijk bij toeval, gips (calcium- sulfaat CaSO4-2H 2O) ontdekt. Door verwar- ming verliest gips water en vervalt het in poedervorm. Door toevoeging van water ontstaat een substantie die je kunt bewer- ken. Na droging wordt dit hard. Door deze ontdekking werd gips steeds vaker als mor- tel en/of pleisterwerk (bekleding) toegepast. Zo'n 10 tot 20 millennia geleden werd ook ontdekt dat kalksteen (CaCO3) bij ver- warming (circa 1000 °C) overgaat in zoge- noemde ongebluste kalk (CaO). Door toevoe- ging van water ontstaat calciumhydroxide (gebluste kalk Ca(OH)2). Door reactie met CO2 uit de lucht verhardt dit weer tot kalk - steen (dit kennen we als de kalkdriehoek). Vanwege de beperkte hoeveelheid CO2 in de lucht verloopt deze reactie traag. Maar toch werd kalk al in de vroege oudheid (zie Oude Testament ? Deuteronomium 27 vers 2) en bij de Romeinen gebruikt. De Feniciërs (rond Libanon en Syrië) zijn waarschijnlijk de uitvinder van hy - IR. ROB VERGOOSSEN Expert Bruggen Royal HaskoningDHV Voorzitter Stufib vaste commissie fib auteur In maart 2023 is fib Bulletin 107 verschenen. Dit rapport geeft een overzicht van de ontwikkeling van cement en beton van de oudheid tot de 19e eeuw. Het bevat nuttige informatie, ook voor de huidige constructeurspraktijk. CEMENT 2 2024 ?43 draulische kalk. Hydraulische kalk ontstaat door toevoeging van onder andere vulkani - sche as en gemalen gebakken klei aan onge- bluste kalk. Hiermee ontstaat een betonach - tig materiaal dat veel sneller uithardt en, in tegenstelling tot kalk, ook onderwater verhardt. Vulkanische as kwam in eerste instantie van het Griekse eiland Santorini, waar de Feniciërs rond 800 voor Christus kwamen. Hierdoor werd dit materiaal be- kend als Santorini-soil. Via de Grieken is deze techniek waarschijnlijk aan de Romei - nen overgedragen. Bij het plaatsje Puzzuoli, in de buurt van Napels in Italië, waren even - eens veel vulkanische assen beschikbaar, onder andere vanuit de vulkaan Vesuvius. Dit materiaal werd bekend als pozzolana. Tegenwoordig zijn natuurlijke puzzolanen vrijwel synoniem voor vulkanisch as. Rondom Napels en Rome komt ook tufsteen voor. Als tufsteen gemalen wordt tot poeder, wordt dit tras genoemd. Tras heeft dezelfde hydraulische eigenschappen als vulkanische as. Op deze wijze zijn de eerste mortels en betonsoorten ontstaan. Van de Romeinen tot de Renaissance In het Romeinse rijk werd veel opus caemen - titium toegepast, gebaseerd op kalk en puz - zolanen. Onder andere Vitruvius beschreef de productiewijze in zijn 'De architectura, libra decem' tussen 33 en 22 voor Christus. Zowel kalk (de calce) als puzzolanen (de pul - vere puteolano) worden in zijn boek beschre- ven. Dit opus caementitum lijkt meer op be- tonnen metselwerk. Blokken (tuf )steen van een decimeter groot werden met hydrauli - sche kalk aan elkaar gehecht. In eerste in - stantie vooral voor muren en torens. Later zijn er ook bruggen, aquaducten, koepels en gewelven mee gebouwd. Diverse voorbeel - den van zijn nog (deels) intacte constructies worden gegeven in het bulletin. Waaronder een mooie beschrijving van het Pantheon (118 ? 125 na Christus), dat uit zes verschil - lende soorten opus caementitium is opge- bouwd (foto 1). Opus caementitium werd ook toegepast in wegen en in maritieme con - structies. Dit laatste was mogelijk omdat het ook onderwater verhardt. Veelal werd het aangemaakt met zeewater, wat mogelijk was bij afwezigheid van wapening. In het bulletin wordt diverse malen naar het ROMACONS-project [1] verwezen waar de bouwtechnieken van de Romeinen zijn nagemaakt. In de renaissance is hernieuwde inte- resse in Vitruvius-boeken ontstaan. Door uitvinding van de boekdrukkunst zijn de technieken verder verspreid (fig. 2). Bindmiddelen en cementen tijdens de 18e en 19e eeuw Na een hernieuwde introductie van hydauli - sche kalk gebaseerd op Vitruvius-beschrij- vingen, werd vanaf 1756 voor het eerst on - derzoek gedaan naar het gedrag van dit materiaal en waarom dit onder water ver- hardt. Dit onderzoek werd uitgevoerd door John Smeaton. Hij ontdekte dat, in tegen - stelling tot wat tot dan werd gedacht, juist een onzuivere kalksteen (met 6% tot 20% klei) betere resultaten gaf dan pure kalk - steen. Ook ontdekte hij dat een combinatie van puzzolanen en tras tot betere resultaten dan alleen puzzolanen leidde. Tot 1867 werd de mengverhouding van het Eddystone Lighthouse (1759, fig. 3) voorgeschreven door de Britse regering. James Parker ontdekte en patenteerde zijn Roman cement, een gemalen poeder van gecalcineerde klei (verhit tot 800-1000°C) met sterke hydraulische eigenschappen, in 1796. Nadat zijn patent in 1810 afliep, ontstond een 2 Vertaling van Vitruvius' De architectura, libri decem: De bouwkunst, in tien delen De Feniciërs zijn waarschijnlijk de uitvinder van hydraulische kalk FIB BULLETINS Een aantal maal per jaar publiceert fib international een fib Bulletin. Dit zijn verschillende rapporten met bijvoor- beeld aanbevelingen, ontwerphandlei- dingen of state-of-the-art kennis over een specifiek onderwerp. Van de voor Cement-lezers meest relevante rapporten publiceren we een samenvatting, in samenwerking met de vaste commissie fib van Stufib. 2 fib Bulletin 107 44? CEMENT 2 2024 in onderzoek en praktische experimenten. Louis Joseph Vicat kreeg als jonge ingenieur de opdracht om een brug over de Dordogne te bouwen. Vanwege de uitdaging heeft hij vele onderzoeken op 15 verschillende kalk - steenmortels uitgevoerd en gepubliceerd. Dit leidde tot de uitvinding van kunstmatige hydraulische kalksteen, een mengsel van gebrande kalksteen en gebluste kalk met klei. In 1824 (dit jaar 200 jaar geleden) ver- kreeg Joseph Aspdin een patent voor port- landcement, waarbij kalksteen met klei tot hoge temperaturen werd verhit en vervol - gens afgekoeld. De samenstelling was anders dan het huidige portlandcement. De zoon van Aspdin verbeterde het portlandcement. Rond dezelfde tijd vond Isaac Johnson van concurrerend bedrijf J.B.White & Sons per ongeluk het geheim van portlandcement uit. Beide bedrijven lagen naast elkaar en door concurrentie en claims over en weer zorgde dit voor een verbetering van het cement. Deze portlandcementen waren ruim 2,5 keer zo sterk als het Romeinse opus caementitium. Vanaf het midden van de 19e eeuw, verspreid - de dit portlandcement zich over Europa en Amerika. De grote doorbraak kwam bij bouw van The London Main Drainage (1850-1860) en de Thames Embankments (1869-1871) (fig. 4 en 5). 3 Doorsnede van Eddystone Lighthouse, uit: 'Our seamarks; a plain account of the lighthouses, lightships, beacons, buoys, and fog-signals maintained on our coasts for the guidance of mariners' door Edward Price Edwards 4 Bouw van de London Main Drainage, bron: Penta Springs Limited via Alamy Stock Photo 3 4 levendige handel in dit materiaal en werd dit het bouwmateriaal van de eerste helft van de 19e eeuw. Tijdens de Franse Revolu - tie en de Verlichting ontstond veel interesse In 1824 verkreeg Joseph Aspdin een patent voor portlandcement VASTE COMMISSIE FIB Om de link tussen Stufib en fib te stimuleren is binnen Stufib in 2022 de vaste commissie fib opgericht. Deze commissie volgt de ontwik- kelingen binnen fib en informeert de Stufib-leden daarover. Ze inventariseert en selecteert onderwerpen waarvoor samen- werking kan worden opgezocht. Ook bewaakt ze de samenwerking tussen Stufib-studiecellen en fib Task Groups. Zitting in de commissie hebben: - dr.ir. Agnieszka Bigaj-Van Vliet - ing. Ab van den Bos - ir. Henco Burggraaf (namens bestuur Stufib) - ir. Jasper Doorgeest (secretaris) - ing. Ronald Klein-Holte - ir. Thijs Pierik - ir. Rob Vergoossen (voorzitter) - dr. Mauro Poliotti CEMENT 2 2024 ?45 5 6 5 Bouw van Thames Embarkments, bron: Lordprice Collection via Alamy Stock Photo 6 De rotary kiln, een roterende oven, werd uitgevonden door Frederick Ransome, foto: Wikimedia fib Bulletin 107 Voor verdere ontwikkeling was vooral de kwaliteitscontrole gedurende het productie- proces van belang. Vooral door de Duitse invloed is een grote verbetering van de sterkte in enkele decennia mogelijk gewor- den. Een belangrijk jaar voor portlandce- ment bleek 1887. Niet alleen werd de rotary kiln (een draaioven, foto 6) uitgevonden door Ransome, ook werd de Duitse standaard voor portlandcement gepubliceerd die tot in de 20e eeuw de standaard bleef. Francois Coignet legde de fundering voor monoliet, verdicht beton. Hij verkreeg meerdere patenten en ontwierp onder an - dere meerdere huizen volledig uit monoliet beton (Stationsmaster's house in Suresnes 1856), gevolgd door de kerk Le Vesinet in Parijs (1864) en het Aquaduc de la Vanne (1866-74, foto 7). Voor studenten en jonge con - structeurs is de informatie uit dit bulletin essentieel voor een goed begrip van de ontwik - keling van materialen en constructies 46? CEMENT 2 2024 Joseph Tall patenteerde een verplaatsbare bekisting waarmee wanden van huizen kon - den worden gebouwd. Na twee huizen in Kent (1866), verkreeg hij opdracht van Napoleon III om 40 huizen te bouwen aan de Avenue Daumesnil. Eugen Dyckerhoff, de zoon van Wilhelm Gustav die een cementfabriek bezat, kwam in dienst bij de betonproducent Lang & cie, een dochteronderneming van Dyckerhoff, die tanks, buizen en bestrating maakte van Dyckerhoff-cement. Samen met zijn schoon - vader Gottlieb Widman veranderde hij de naam in Dyckerhoff & Widmann. Zij ont- wikkelden het stampbeton, een stijf onge- wapend beton, in lagen van 6 inch (15 cm) aangestampt. Dit bedrijf groeide sterk en bouwde diverse constructies. Betonconstructies in de 18e en 19e eeuw In het bulletin worden vele voorbeelden van vaak nog bestaande constructies gegeven, met diverse referenties en voorzien van beeldmateriaal. Review Voor studenten en jonge constructeurs is de informatie uit dit bulletin ? en de volgende delen ? essentieel voor een goed begrip van de ontwikkeling van materialen en construc- ties. Ook voor constructeurs, architecten en uitvoerenden die betrokken zijn bij de beoor- deling van bestaande constructies bevat dit document waardevolle informatie. In Nederland zijn vrij weinig bouw - werken aanwezig uit de periode dat dit deel behandelt. De volgende delen zijn hierdoor waarschijnlijk interessanter voor de Neder- landse praktijk. Zeker met het oog op nieuwe duurza - mere cementen is de historie van de ontwik - keling van het huidige beton interessant. Immers de 'betonsoorten' voor het port- landcement kenden een veel lagere CO2-footprint. 7 7 Aquaduct de la Vanne, foto: Wikimedia FIB BULLETIN 107 fib bulletin 107 'An Introduction to the History of Structural Con- crete; Vol. 1: From Antiquity to the 19th Century' (maart 2023) is geschreven door fib Task Group 1.6 (Manfred Cubach, Michel Moussard e.a.). Het bulletin is te koop op de website van fib: https://doi.org/10.35789/fib.BULL.0107 CEMENT 2 2024 ?47