naar top
Menu
Logo Print
13/09/2018 - MELS DEES

VAN A NAAR B, EN VERDER …

Nieuwe coating op basis van biopolymeren kan de levensduur van beton met minstens 20 jaar verlengen

Jure Zlopasa
promovendus Jure Zlopasa

Er zijn veel wegen die naar verduurzaming leiden - maar de meeste ervan zijn bezaaid met schijnoplossingen en andere valstrikken. En het gebeurt al helemaal niet vaak dat een innovatie twee milieuontwikkelingen zo naadloos bij elkaar laat aansluiten als de vinding van de Kroatische promovendus Jure Zlopasa.

“Ik was op zoek naar een coating die het verdampen van water uit pas gestort beton kon tegengaan. Onvolledige uitharding maakt beton kwetsbaar en kort de levensduur sterk in."

 

PROBLEEM A: CO2-VOETAFDRUK BETON

Beton is het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld. Er wordt elk jaar zo'n 6 à 9 miljard m³ van gestort. Geen wonder: de grondstoffen zijn overal aanwezig en het materiaal is goedkoop en veelzijdig.

Het grote nadeel is dat voor de productie van het benodigde cement energie nodig is, véél energie. En dat levert een enorme carbon footprint op - de betonindustrie is verantwoordelijk voor 8,6% van de totale CO2-productie. Die kan wel iets worden verkleind door de inzet van CO2-neutrale biomassa (zoals gedroogd slib uit RZWI's) als brandstof, door injectie van CO2 in het beton en door het gebruik van alternatieve grondstoffen (hoogovenslak, bijvoorbeeld). Toch blijft de CO2-emissie van het productieproces groot. Hergebruik van beton en het ongebonden cement erin wordt belangrijker, maar ook dat kost weer energie.

 

betoncorrosie
Goed uitgehard beton is ondoordringbaar voor gassen en vloeistoffen, die in slecht uitgehard beton kunnen doordringen tot de wapening

WAARDOOR VEROUDERT BETON?

In het voordeel van beton werkt dat de levensduur van een betonnen constructie in potentie zeer groot is. In theorie zou gewapend beton honderden jaren mee kunnen - wat de emissies over evenzovele jaren uitspreidt. Maar in de praktijk blijken veel betonconstructies al na enkele tientallen jaren onderhevig aan betonrot: door het binnendringen van agressieve stoffen (CO2 uit de lucht, bijvoorbeeld, of Cl-ionen uit strooizout) gaat de wapening roesten. De daarmee gepaard gaande uitzetting veroorzaakt barsten in het beton en versnelde corrosie. Ook hier zijn oplossingen (reparaties) en preventieve maatregelen (zoals kathodische bescherming) mogelijk, maar die zijn niet goedkoop.

 

Nereda-alginaat
Bij het Nereda-proces wordt alginaat geproduceerd door aërobe bacteriën die in compacte slibkorrels groeien

PROBLEEM B: NEO-ALGINAAT

Op een heel ander terrein doen zich al jaren snelle ontwikkelingen voor. De Nereda-afvalwatertechniek is zó succesvol, dat de uitbreiding ervan eigenlijk alleen beperkt wordt vanwege de tergend langzame groei van de werkzame organismen (het korrelslib). Het succes van Nereda hoeft niet te verbazen; het proces kost nauwelijks energie en kan zelfs energie genereren. Bovendien kunnen er waardevolle biopolymeren en andere grondstoffen uit gewonnen worden.

Op termijn dient zich dan ook een probleem aan: wat te doen met het belangrijkste product van het Nereda-proces, ALE (Alginate-like Exopolymer), dat ook wel NEO-alginaat wordt genoemd (door NEreda Opgewekt Alginaat), als dat eenmaal in grote hoeveelheden op de markt komt? De eerste in aanbouw zijnde fabriek in Zutphen zal al direct 1,25% van de wereldproductie leveren.

 

alginaat-fabriek
De alginaatfabriek in Zutphen (Schoots Architecten) zou al direct 1,25% van de wereldproductie leveren

 

WAT IS ALGINAAT?

Alginaat zoals we dat kennen is een bindmiddel dat tot op heden vooral uit zeewier wordt gemaakt en dat voor voedingsmiddelen, maar ook voor bijvoorbeeld afgietsels van biologische vormen wordt gebruikt. ALE wordt met behulp van natriumcarbonaat opgelost in het bewerkte afvalwater uit een Nereda-reactor en vervolgens met een zuur geprecipiteerd. Na centrifugering rest er NEO-alginaat in gelvorm, dat van gewoon alginaat verschilt doordat het niet alleen hygrofiel maar ook hygrofoob kan zijn. Vanwege de herkomst kan het niet aan de strenge eisen voor de voedingsmiddelenmarkt voldoen (denk aan hygiëne en geur) en de verwachte toepassingen liggen in de landbouw- en papierindustrie. Zo is het een efficiënt bindmiddel voor bijvoorbeeld meststoffen.

 

A EN B

De Kroatische promovendus Jure Zlopasa was een van de eersten die de twee problemen stevig aan elkaar koppelde. “Ik was op zoek naar een coating die het verdampen van water uit pas gestort beton kon tegengaan. Onvolledige uitharding maakt beton kwetsbaar en kort de levensduur sterk in. Idealiter zou het wel een maand lang moeten kunnen reageren met water en calciumsilicaathydraten vormen. Dat kun je globaal op drie manieren bereiken: afdekken met plastic, continu besproeien met water of een dampdichte coating aanbrengen. Het laatste is natuurlijk het meest praktisch, maar dan kom je al gauw uit op polyester, siliconen of andere (petrochemische) kunststoffen, in combinatie met grote hoeveelheden oplosmiddelen. Duur en milieuonvriendelijk."

“De plaatjes zijn maar 1 nm dik, bij een diameter van 250 nm. Gassen kunnen er niet doorheen. Als het zou lukken om het beton daarmee in te pakken, zou de verdamping van het water effectief kunnen worden gestopt."

Kwarts met Montmorilloniet
Kwarts met insluitingen van het roze Montmorilloniet
Montmorilloniet
Montmorilloniet is een gelaagd mineraal (fylosilicaat)

NANO-KLEI

Onder leiding van professor Stephen Picken, polymeer- en coatingexpert van de TU Delft, kwam Jure uit op Montmorilloniet, een smectiet klei die bestaat uit microscopisch dunne kleiplaatjes. “Die plaatjes zijn maar 1 nm dik, bij een diameter van 250 nm. Gassen kunnen er niet doorheen. Als het zou lukken om het beton daarmee in te pakken, zou de verdamping van het water effectief kunnen worden gestopt." Het probleem was een geschikte, goedkope drager te vinden die de nano-klei deeltjes stevig aan het beton kon hechten, ook - of juist - in vochtige toestand en in de juiste oriëntatie."

 

DE MATRIX

In een gesprek met Mark van Loosdrecht, hoogleraar biotechnologie aan de TU Delft, werd Zlopasa op het idee van ALE gebracht, een stof die allerlei voordelen bleek te hebben. “Om te beginnen is het goedkoop, we zeggen wel eens dat de prijs op termijn negatief dreigt te worden. Ten tweede is het een natuurproduct dat volledig biologisch afbreekbaar is en ten slotte vormt het samen met het calcium in het beton een heel stabiele, onoplosbare verbinding, Calcium ALE."

 

NETWERK

De optimale hoeveelheden klei en ALE bleken zeer klein te zijn. Van beide is niet veel meer dan 3 gewichtsprocenten nodig, de rest is water. Bij het opbrengen van de suspensie zweven de kleideeltjes vrij rond, aanwezige natriumionen zorgen ervoor dat het ALE in oplossing blijft. Naarmate er water verdampt, ontstaat er een sterkere interactie met de kleideeltjes, die aan de randen positief geladen zijn. Er vormt zich een gel, waarin de klei-plaatjes een netwerk vormen met het alginaat en allemaal dezelfde oriëntatie krijgen.

 

klei-alginaatstructuur
Elektronenmicroscoopopname van het ‘lasagnelaagje’ dat wordt gevormd door de nieuwe coating

LASAGNE

Zlopasa: “Het wordt een soort lasagne. Met een elektronenmicroscoop hebben we er foto's van gemaakt, die laten zien hoe regelmatig het gevormde laagje is. Het is extreem dun: in de orde van de dikte van een mensenhaar."Alle nuttige eigenschappen van het klei/alginaatlaagje vloeien dan ook voort uit de extreem anisotrope structuur ervan. Het laat geen gassen door, en is enorm stijf. Maar tegelijk is het volkomen transparant. Opvallende lichtstralen worden gebroken, niet verstrooid, zoals in een suspensie met vrij ronddwarrelende microscopische poederdeeltjes.

 

vlambestendig klei-alginaat
Een bijzondere eigenschap van het klei/alginaatlaagje is de vlambestendigheid ervan; het kleurverschil tussen voor- en achterzijde van het plaatje verraadt een groot temperatuurverschil

TOEKOMSTIGE ONTWIKKELINGEN

Inmiddels wordt het nieuwe, milieuvriendelijke curing compound voor beton en andere cementgebonden materialen al op commerciële basis geproduceerd. De verwachtingen zijn hoog, maar Jure Zlopasa is nog niet klaar met zijn vinding: hij heeft ontdekt dat het dunne klei/alginaatlaagje ook vlamvertragende en isolerende eigenschappen heeft. “Omdat het geen gassen doorlaat - en dus ook geen zuurstof - kan het substraat eronder geen vlam vatten. Bovendien kunnen er enorme temperatuurverschillen optreden aan weerszijden van het laagje - een temperatuurgradiënt van zo'n 600-900 °C in een film van 1 mm dik. Hoe dat precies zit, moeten we nog uitzoeken."