Het speelhoekje van civiel

Traditioneel betononderzoek roept het beeld op van civielers die grote stukken beton met veel geweld slopen. Niets van dat alles in het nieuwe Microlab van de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen. Het laboratorium is speciaal op de zesde verdieping gehuisvest zodat meetresultaten niet worden verpest door gedreun en getril uit andere laboratoria.

In één zin legt prof.dr. Jan van Mier, hoofd van het nieuwe Microlab, uit wat het belang is van zijn onderzoek: ,,Een microscheur in beton kan uitgroeien tot een macroscheur en dat kan leiden tot zware beschadiging of zelfs instorting.”

Microscheuren treden vooral op aan de randen van het beton en op de grenslaag tussen grindkorrel en cement. Onderzoek aan deze scheurvorming was tot voor kort een moeilijke aangelegenheid: scannen van proefstukken kon alleen wanneer al het vocht eruit was gezogen. Maar uitdroging is juist een belangrijke oorzaak van scheurvorming: door uitdroging krimpt het cement.

Met een nieuwe environmental scanning electron microscope kan Van Mier nu ook vochtige proefstukken scannen. ,,Tot nu toe moesten we schatten welk deel van de scheur werd veroorzaakt door uitdroging tijdens het prepareren van het proefstuk.”

Een andere nieuwigheid is dat het proefstuk tijdens het uitharden onder de microscoop kan worden belast. Een infraroodcamera schiet daarbij één miljoen plaatjes per seconde waarmee Van Mier scheursnelheden kan berekenen. ,,Er bestaan wel modellen die pretenderen scheurpatronen te voorspellen, maar wij zien hier iets heel anders op het beeldscherm verschijnen. Uiteindelijk willen we uit deze informatie rekenregels afleiden, een stuk wetenschappelijker dan het gebruikelijke trial-and-error.”

De nieuwe microscoop is niet de enige in Nederland. In Eindhoven staat een vergelijkbaar apparaat voor polymerenonderzoek en Groningen heeft er een voor onderzoek aan metalen. Het nieuwe Microlab kon worden gebouwd dankzij zes miljoen gulden subsidie van Technologiestichting STW en het NWO-prioriteitenprogramma Materialenonderzoek.

Hobby

Het nieuwe lab stort zich niet volledig op de wetenschap. Zo’n tien tot vijftien procent van het onderzoek zal in opdracht van bedrijven worden verricht, maar de wetenschap heeft voorrang. ,,Dit wordt het speelhoekje van civiel”, stelt Van Mier zich voor ,,Wij gaan hier lekker zitten hobbyen.”

Behalve onderzoek op microniveau houden de onderzoekers zich bezig op de grovere schaalgebieden van korrelniveau en macroniveau. Macroniveau houdt in dat een heel blok beton onder een kijker wordt gezet en belast. ,,Wat we onderzoeken is het krimp-scheurpatroon op de oppervlakte. Betonvloeren worden bijvoorbeeld snel lelijk doordat stukjes afknappen.”

Voor onderzoek op korrelniveau wordt een blokje beton geïnjecteerd met felgekleurde epoxyhars en vervolgens vacuüm gezogen. De hars trekt in de scheuren waarna dunne plakjes beton, 30 tot 40 micrometer, onder de microscoop worden bestudeerd.

Beton vormt het voornaamste onderzoeksgebied maar niet het enige. Zo onderzocht Van Mier ook al glas en waarbij hij constateerde dat vochtig glas eerder breekt. ,,De watermoleculen dringen tussen het silicium en verlagen daarmee de breukenergie. Ik heb me laten vertellen dat glassnijders het glas eerst nat maken voordat ze snijden. Het breukpatroon is wel apart: daar waar de breuk begint is het breukvlak glad en in een soort waaierpatroon wordt het steeds ruwer. En dat terwijl glas toch een betrekkelijk homogeen materiaal is.”

De meeste civielers zullen moeten wennen aan het lage schaalniveau denkt hij. ,,Dit onderzoek neigt naar materiaalkunde, een civieler sloopt nog altijd het liefst metersgrote stukken beton.”

Traditioneel betononderzoek roept het beeld op van civielers die grote stukken beton met veel geweld slopen. Niets van dat alles in het nieuwe Microlab van de faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen. Het laboratorium is speciaal op de zesde verdieping gehuisvest zodat meetresultaten niet worden verpest door gedreun en getril uit andere laboratoria.

In één zin legt prof.dr. Jan van Mier, hoofd van het nieuwe Microlab, uit wat het belang is van zijn onderzoek: ,,Een microscheur in beton kan uitgroeien tot een macroscheur en dat kan leiden tot zware beschadiging of zelfs instorting.”

Microscheuren treden vooral op aan de randen van het beton en op de grenslaag tussen grindkorrel en cement. Onderzoek aan deze scheurvorming was tot voor kort een moeilijke aangelegenheid: scannen van proefstukken kon alleen wanneer al het vocht eruit was gezogen. Maar uitdroging is juist een belangrijke oorzaak van scheurvorming: door uitdroging krimpt het cement.

Met een nieuwe environmental scanning electron microscope kan Van Mier nu ook vochtige proefstukken scannen. ,,Tot nu toe moesten we schatten welk deel van de scheur werd veroorzaakt door uitdroging tijdens het prepareren van het proefstuk.”

Een andere nieuwigheid is dat het proefstuk tijdens het uitharden onder de microscoop kan worden belast. Een infraroodcamera schiet daarbij één miljoen plaatjes per seconde waarmee Van Mier scheursnelheden kan berekenen. ,,Er bestaan wel modellen die pretenderen scheurpatronen te voorspellen, maar wij zien hier iets heel anders op het beeldscherm verschijnen. Uiteindelijk willen we uit deze informatie rekenregels afleiden, een stuk wetenschappelijker dan het gebruikelijke trial-and-error.”

De nieuwe microscoop is niet de enige in Nederland. In Eindhoven staat een vergelijkbaar apparaat voor polymerenonderzoek en Groningen heeft er een voor onderzoek aan metalen. Het nieuwe Microlab kon worden gebouwd dankzij zes miljoen gulden subsidie van Technologiestichting STW en het NWO-prioriteitenprogramma Materialenonderzoek.

Hobby

Het nieuwe lab stort zich niet volledig op de wetenschap. Zo’n tien tot vijftien procent van het onderzoek zal in opdracht van bedrijven worden verricht, maar de wetenschap heeft voorrang. ,,Dit wordt het speelhoekje van civiel”, stelt Van Mier zich voor ,,Wij gaan hier lekker zitten hobbyen.”

Behalve onderzoek op microniveau houden de onderzoekers zich bezig op de grovere schaalgebieden van korrelniveau en macroniveau. Macroniveau houdt in dat een heel blok beton onder een kijker wordt gezet en belast. ,,Wat we onderzoeken is het krimp-scheurpatroon op de oppervlakte. Betonvloeren worden bijvoorbeeld snel lelijk doordat stukjes afknappen.”

Voor onderzoek op korrelniveau wordt een blokje beton geïnjecteerd met felgekleurde epoxyhars en vervolgens vacuüm gezogen. De hars trekt in de scheuren waarna dunne plakjes beton, 30 tot 40 micrometer, onder de microscoop worden bestudeerd.

Beton vormt het voornaamste onderzoeksgebied maar niet het enige. Zo onderzocht Van Mier ook al glas en waarbij hij constateerde dat vochtig glas eerder breekt. ,,De watermoleculen dringen tussen het silicium en verlagen daarmee de breukenergie. Ik heb me laten vertellen dat glassnijders het glas eerst nat maken voordat ze snijden. Het breukpatroon is wel apart: daar waar de breuk begint is het breukvlak glad en in een soort waaierpatroon wordt het steeds ruwer. En dat terwijl glas toch een betrekkelijk homogeen materiaal is.”

De meeste civielers zullen moeten wennen aan het lage schaalniveau denkt hij. ,,Dit onderzoek neigt naar materiaalkunde, een civieler sloopt nog altijd het liefst metersgrote stukken beton.”