Zelfhelend beton1 2012 | onlineonline500 mZelfhelend betonBeton kan goed druk opnemen. Maar als het materi-aal onderhevig is aan trek, treedt er scheurvormingop. Deze scheuren kunnen problemen veroorzaken,bijvoorbeeld door aantasting van het beton doorstoffen van buitenaf. Het is dus van belang scheur-vorming te beperken. Beton blijkt eigenschappen tebezitten waarmee scheuren helemaal kunnenworden hersteld. In een afstudeerstudie aan deUniversiteit Gent (Belgi?) is dit fenomeen naderonderzocht.1Zelfheling door combinatie van microvezels en reactieve stoffenENCI Studieprijs 2011Dit is het derde artikel in een seriemet bijdragen van prijswinnaarsvan de ENCI Studieprijs 2011. Destudie die in dit artikel wordt beschreven, ontvingde eerste prijs in de categorie Universiteiten.Dit artikel staat samen met de overige artikelen uitdeze serie in het dossier ENCI Studieprijs opwww.cementonline.nl.Zelfhelend beton 22012 | onlinescheurvorming10,50036buigrek [%]buigsterkte[MPa]scheursterkte herbelastenop 56 dagenontlasten28 dagen curingscheursterkte belastenop 28 dagen1 Zwelgedrag van een superabsorberend poly-meer van droge naar gesatureerde toestand2 Spanning-rekdiagram met aanduiding vande scheurvorming: het rechterdeel van defiguur toont de herbelasting van een28 dagen geheeld proefstuk dat werdgescheurd op een leeftijd van 28 dagen3 Ductiel gedrag: doorbuiging van 9 mm bijeen 160 x 40 x 7,5 mm3proefstuk ondervierpuntsbuigingVormen van zelfhelingIn beton blijft steeds cement aanwezig dat nog niet is verhard.Als water in aanraking komt met dit cement, zal het verharden.Dit is verdergaande cementhydratatie. Ook vormen er zichkristallen in de scheuren. Er bevindt zich namelijk calcium inhet beton dat calciumcarbonaat (CaCO3) kan vormen door incontact te komen met CO2dat is opgelost in water.Verdergaande hydratatie en CaCO3-kristallisatie kunnen eenscheur herstellen. Deze spelen echter een kleine rol in hetherstel, aangezien enkel kleine scheuren (tot 50 ?m) zelfhelingvertonen. Bij grote scheuren zijn de bouwstenen voor totaalherstel onvoldoende aanwezig. Hoe kunnen we nu de zelfhelingtoch aanspreken om een volledig herstel te bereiken? Hetantwoord hierop is de scheurwijdte te beperken door hetinmengen van microvezels, en het voorradig maken van waterdoor het inmengen van superabsorberende polymeren.MicrovezelsMicrovezels zijn dunne vezels die door inmenging wordenverspreid in de cementmatrix. Bij het ontstaan van een scheur,bij het bereiken van de treksterkte van het beton, zullen devezels de krachten opnemen door brugvorming. De scheur zalniet verder aangroeien, maar er zal ergens anders een scheurontstaan, waar andere vezels opnieuw een brug vormen. Ditgaat door tot de vezels niet meer in staat zijn de verderekrachtstoename op te nemen, totdat ze worden uitgetrokken ofzullen breken. Hierdoor ontstaat dus meervoudige scheur-vorming: meer kleine scheuren in plaats van ??n enkele grotescheur. De scheurvorming wordt schematisch weergegeven infiguur 2. De gevormde kleine scheuren kunnen wel helingvertonen en het materiaal kan hierdoor zelfs volledig herstel-len.Onderzocht zijn twee typen polyvinyl-alcohol vezels, tweetypen polypropyleen vezels en twee typen vlasvezel, en dat inverschillende verhoudingen tot het totale volume. De met oliegecoate polyvinyl-alcohol vezels, in een verhouding van 2% v/v,gaven de beste resultaten op het vlak van scheurvorming.Een groot voordeel van vezels en meervoudige scheurvormingis de grote ductiliteit: de mogelijkheid tot vervormen van hetmateriaal (foto 3). Er werden proefstukken onderzocht metdimensies 160 x 40 x 7,5 mm3. De maximale verticale doorbui-ging bij een vierpuntsbuigproef bedroeg 9 mm. In dit gevalvormden zich, in plaats van ??n grote scheur, acht tot negenkleinere scheuren met een scheurwijdte tussen 10 ?m en36 ?m. Deze scheuren kunnen zelfheling vertonen.Superabsorberende polymerenSuperabsorberende polymeren kunnen vloeistof uit hun omge-ving opnemen en tot 500 keer hun eigen gewicht aan watervasthouden (foto 1). Ze worden vooral toegepast in hygi?nischmateriaal zoals pampers en in slimme pillen die medischestoffen met verloop van tijd afgeven. Door deze polymeren toete voegen aan het beton, wordt elke vloeistof uit de omgevingopgenomen en afgegeven aan het materiaal. Met dit vocht kanverdergaande hydratatie en dus zelfheling worden bevorderd.Na hun afgifte van vocht kunnen de superabsorberende poly-meren opnieuw vocht opnemen en afgeven, wat zorgt voor eengesloten keten. Dit is nuttig in droge regio's en perioden.ir. Didier Snoeck 1)Universiteit Gent,Laboratorium Magnel voor Betononderzoek1) Didier Snoeck is afgestudeerd met het onderzoek `Zelfhelend beton door decombinatie van microvezels en reactieve stoffen' aan de Universiteit Gent,faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur. Promotoren warenprof.dr.ir. Nele De Belie en prof.dr.ir. Lieva Van Langenhove. Begeleiders warening. Pieter Dejonghe en ing. Kim Van Tittelboom. Momenteel doet Didier Snoeckeen promotieonderzoek naar hetzelfde onderwerp.23Zelfhelend beton3 2012 | onlineonlinelage trekkrachtzware belastingweersinvloedzettingen...heling200m200mreferentienat/droog525020015010050043210referentieRV>95%referentieRV=60%1m%SAPnat/droog1m%SAPRV>95%1m%SAPRV=60%2m%SAPnat/droog4m%SAPnat/droogscheursterkte[MPa]herstelscheursterkte[%]voor na4 Dichting van een scheur van 138 ?m door helende producten in proefstukkenmet 1 m% superabsorberend polymeer5 Scheursterkte en herstel daarvan voor referentieproefstukken en proefstukkenmet superabsorberende polymeren na curing in nat/droog-cycli, een relatievevochtigheid (RV) van meer dan 95% en 60%massapercentage ten opzichte van het cementgewicht. Hoehoger de hoeveelheid, hoe lager de treksterkte. Een hoeveelheidvan 1 m% geeft echter een niet-significant verschillende trek-sterkte; een hogere waarde van 2 m% wel (fig. 5).In nat/droog-cycli kunnen referentieproefstukken zonder poly-meren 40% herstel vertonen. De proefstukken zijn namelijk indirect contact met water, wat zorgt voor zelfheling. Het toevoe-gen van superabsorberende polymeren zorgt voor een verderetoename in heling. Er is namelijk continu water voorradig omde zelfhelende mechanismen aan te spreken.Een opmerkelijk resultaat is dat de proefstukken met superabsor-berende polymeren ook in staat zijn zichzelf deels te helen in eenrelatieve vochtigheid conditie zonder direct contact met water.Waar referentiestukken zoals verwacht geen heling vertonen,kunnen proefstukken met superabsorberende polymeren tot 55%van hun sterkte terugwinnen. Dit is nagenoeg hetzelfde effect alsde nat/droog-cycli bij de referentieproefstukken. Superabsor-berende polymeren zijn namelijk in staat tot tweemaal hun eigengewicht in vocht op te nemen uit de omgeving en af te geven aande matrix. Dit zorgt voor een kleine voorraad water die verderehydratatie in de scheur kan bevorderen.ConclusieDe combinatie van microvezels en reactieve stoffen zorgt voorverbeterde zelfhelende eigenschappen van beton waardoor hetmateriaal minder onderhoud en kosten vergt. Behalve het voorradig maken van vocht kunnen de superabsor-berende polymeren ook op een andere manier zorgen voordichting van scheuren. Superabsorberende polymeren zwellenimmers na contact met een vloeistof. Hierdoor blokkeren zescheuren en verhinderen ze de indringing van ongewenste deel-tjes of vloeistoffen die het beton van binnenuit kunnen aantasten.Door het zwellend gedrag is de waterdoorlatendheid in proef-stukken met superabsorberende polymeren tot 1000 keer lagerdan in referentiestukken.Verbeterde helingMet het onderzoek werd de werking van de microvezels en desuperabsorberende polymeren aangetoond. Sommige scheurenheelden volledig en duidelijke kristalvorming (CaCO3) werdzichtbaar. Figuur 4 toont een scheur van 138 ?m. Deze scheur isduidelijk zichtbaar met het blote oog. Scheuren tot 50 ?m kunnenook zonder superabsorberende polymeren volledig herstellen.Maar geeft dit herstel ook herwonnen mechanische eigenschap-pen? Dit werd onderzocht door de proefstukken te beproevenop een leeftijd van 28 dagen met behulp van een vierpuntsbuig-proef, ze te bewaren onder een curingconditie en vervolgens naweer 28 dagen (op een leeftijd van 56 dagen) te belasten totbreuk. Dit is schematisch weergegeven in figuur 2. De curing-condities waren nat/droog-cycli, een relatieve vochtigheid vanmeer dan 95%, en een relatieve vochtigheid van 60%. De tempe-ratuur bedroeg steeds 20 ? 2 ?C. De resultaten voor de scheur-sterkte en de herwonnen scheursterkte zijn samengevat infiguur 5. Het herstel wordt relatief berekend ten opzichte vanhet punt van ontlasten met formule (1) (zie ook fig. 2).Herstel in scheursterkte =C- B_______A- B(1)Door het zwellen van de superabsorberende polymeren tijdenshet mengen en de afgifte van hun vocht gedurende de hydra-tatie vormen zich macropori?n. Deze pori?n zorgen voor eenverminderde doorsnede bij trek, en dus ook voor een vermin-derde treksterkte (punt A in fig. 2). De vermindering is afhan-kelijk van de hoeveelheid superabsorberende polymeren dieworden toegevoegd. De hoeveelheid wordt uitgedrukt in45