Een beton dat 17 keer sterker is dan traditioneel cement: de ontdekking die de gebouwen van de toekomst kan veranderen
Wetenschappers zoeken voortdurend naar manieren om intrinsiek broze materialen zoals beton en keramiek sterker, veiliger en duurzamer te maken. Een recente ontdekking, geïnspireerd op de structuur van parelmoer, heeft geleid tot een betoncomposiet dat niet alleen scheuren beter kan weerstaan, maar die scheuren ook dwingt een langere route te nemen. Deze ontwikkeling kan de manier veranderen waarop toekomstige gebouwen worden gebouwd.
Hoe ze dit ontdekten
De doorbraak kwam aan de Princeton University, binnen het Department of Civil and Environmental Engineering. Onder leiding van Reza Moini onderzoekt de groep waarom broze bouwmaterialen breken en hoe ontwerp dat breekgedrag kan beïnvloeden.
In een labtest kregen ze een kleine betonnen balk een buigproef. Door een gerichte insnijding in het monster te maken ontstond er een scheur. In plaats van één nette breuk begon de balk geleidelijk te vervormen. Die observatie laat zien dat de scheur een minder destructieve route volgde en meer energie absorbeerde dan normaal.
Het voorbeeld uit de natuur: parelmoer
De inspiratie kwam van de binnenste laag van schelpen, beter bekend als parelmoer. Die laag bestaat uit harde aragonietlamellen, verbonden door een zachtere biopolymeerlaag. Die combinatie levert bijzondere mechanische eigenschappen: de harde aragoniet geeft stevigheid, terwijl de zachte laag voorkomt dat breuken volledig uit de hand lopen. Volgens onderzoeker Shashank Gupta is die samenwerking van groot belang.
Op microschaal kunnen de harde platen verschuiven onder belasting, waardoor scheuren gecontroleerd uitwijken en er meer energie wordt opgenomen. Die samenwerking tussen harde en zachte lagen maakt parelmoer zo robuust.
Van natuur naar beton: het cementcomposiet
De toepassing op beton kwam niet door een doorbraak in cementchemie, maar door te letten op kalk als basiselement en op de interne ordening van harde en zachte lagen. Het betoncomposiet is opgebouwd uit gewone ingrediënten: cementpasta voor de harde fase en het polymeer polivinilsilossano voor de zachte fase. In plaats van één homogeen mengsel werd het polymeer in dunne lagen aangebracht.
Het idee is dat zo voortschrijdende scheuren gedwongen worden hun snelheid en richting aan te passen, waardoor ze meer energie verliezen en een minder destructieve weg volgen.
Wat dit kan opleveren
Het doel van dit betoncomposiet is om de voortplanting van scheuren in beton te wijzigen. De veronderstelde voordelen zijn een grotere weerstand tegen scheurpropagatie, meer sterkte, betere veiligheid en een langere levensduur. Gupta benadrukte: “Als we erin slagen het beton zo te ontwerpen dat het scheuren weerstaat, kunnen we het sterker, veiliger en duurzamer maken.”
Voor de bouwsector betekent dit de mogelijkheid om constructies steviger en duurzamer te maken en nieuwe normen voor veiligheid en levensduur te hanteren. De onderzoeksresultaten bieden een kans om de manier waarop we gebouwen ontwerpen en bouwen te veranderen. Met verder onderzoek en ontwikkeling kan deze aanpak een belangrijke rol spelen in duurzaam bouwen, zowel voor de structurele integriteit van gebouwen als voor het verminderen van de milieubelasting van de bouwsector.