O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l encement 2000 1 51Met tussenpozen van enkelejaren wordt vanuit Brussel geldvoor onderzoek ter beschikkinggesteld. Onderzoekvoorstellenkunnen worden ingediend doorconsortia, waarin zowel het be-drijfsleven als universiteiten par-ticiperen. In 1996 werden vanuitEuropa 1180 voorstellen inge-diend voor onderzoek op materi-aalkundig gebied. Met deze voor-stellen was een bedrag gemoeidvan 5,5 miljard gulden. Van deze1180 voorstellen werden er uit-eindelijk218gehonoreerd,samengoed voor 900 miljoen gulden.Bij de voorbereiding van de 962voorstellen die werden afgewe-zen, waren meer dan 7000 onder-zoeksgroepenbetrokkengeweest.Uit deze cijfers blijkt dat er bijonderzoeksgroepen veel belang-stelling is voor materiaalkundigonderzoek. Voor deze belangstel-ling kunnen verschillende oor-zakenwordengenoemd.Inditver-band is het interessant te weten,dat een groot aantal banen in deindustrie direct of indirect isgekoppeld aan het fabriceren vanmaterialen. Het produceren vanmaterialen is `big business'. InAmerika zou het gaan om 40%van alle banen. In dat land wordt90% van de private R&D budget-tengespendeerddoorindustrie?ndie actief zijn in de fabricage vanmaterialen. In toenemende mategaat het daarbij om onderzoeknaar nieuwe en gemodificeerdematerialen, kwaliteitsverbetering,`fitness for use', duurzaamheid,milieu-aspecten en levensduur-analyses.Wat als een rode draad door al ditmateriaalkundig onderzoek loopt,is de behoefte aan verklarendemodellen, waarmee het materi-aalgedragkanwordenbeschreven.Zonder deze modellen blijvenontwikkelingen op materiaalkun-dig gebied een zaak van trial anderror. In dit artikel wordt eenkorte schets gegeven van ontwik-kelingen in het materialenonder-zoek, over de rol van modellendaarin en hoe de resultaten die ditonderzoekkanopleveren,wordeningezet in de bouwpraktijk.O n t w i k k e l i n g e n i n h e tm a t e r i a l e n o n d e r z o e kIn de geschiedenis van de materi-aaltechnologie zien we tot halver-wege de negentiende eeuw eenlangzame ontwikkeling. Vanafdie tijd komt alles in een stroom-versnelling.Eerstisereenenormevooruitgang op het gebied van demetaalfysica. In de jaren 1940-1950 maken wetenschappelijkeactiviteiten op het terrein van dekeramische materialen en depolymeren een geweldige bloei-tijd door.Wat in die jaren aan concepten enidee?n is ontwikkeld, kan zondermeer indrukwekkend wordengenoemd.Het vertrekpunt voor onderzoekop betongebied is tot op de dagvan vandaag het werk van Powersc.s.[1].Baanbrekendiszijnonder-zoek naar de microstructuur vancementsteen en de vochthuishou-ding in beton. Inmiddels zijn wemet moderne technieken veelbeter dan destijds in staat om `inhet materiaal te kijken' [2]. Ditlevert verfijningen van Powers'modellen op, want van echt grotewijzigingen in zijn modellen isnauwelijks sprake. Als het gaatom stappen voorwaarts, danhebben die vooral betrekking ophet operationeel maken van reedsverworven kennis. Dit operatio-naliseren van kennis is mogelijkgeworden door de stormachtigeontwikkelingen op computerge-bied. Elk jaar neemt de snelheidvan computers ruwweg met eenfactor twee toe [3]. Dit leidt er-toe, dat men voor het beschrijvenvan het materiaalgedrag naar eensteeds lager niveau kan afdalen.En dat opent nieuwe mogelijk-heden voor het `constructiefontwerpen' van materialen metspecifieke eigenschappen.M o d e l l e n v o o rc e m e n t s t e e nDe ontwerper van een gebouwmoet beschikken over kennis vande materialen waaruit zijn ge-bouw is samengesteld. Zo moetook de ontwerper van materialenkennis bezitten van de `bouwste-nen' waaruit een materiaal be-staat. Voor beton geldt dat het isopgebouwd uit toeslagmateriaalen cementsteen. Cementsteenbestaat uit hydratatieproducten,de zogenoemde gel, ongehydra-teerd cement en een capillairpori?nsysteem. De gel bestaat uiteen skelet van hydratatieproduc-ten. Circa 28% van het gelvolumebestaat uit pori?n. Deze pori?n,met een diameter tussen 20 en40 ? (1 ? = 10-1100m), zijn ondernormale omstandigheden volle-dig met water gevuld. De capil-Materiaalonderzoek: kansenvoor innovatie in de bouwprof.dr.ir. K. van Breugel, TU DelftDe bouw mag een traditionele takvan nijverheid worden genoemd, hetaantal nieuwe materialen dat zijnintrede doet, is groot. Om nieuwe enverbeterde materialen succesvol tekunnen ontwikkelen en inzetten, zijngeavanceerde onderzoekstechnie-ken nodig, waarbij modelonderzoekniet meer weg te denken is. De ont-wikkelingen op dit gebied gaan bij-zonder snel en de bouw zal daar dekomende jaren ongetwijfeld het eenen ander van gaan merken.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l encement 2000 152laire pori?n zijn deels gevuld metwater en deels met waterdamp.De belangrijkste hydratatiepro-ducten zijn calciumhydroxide encalciumsilicaathydraten. Het cal-ciumhydroxide heeft een kristal-achtige structuur. De silicaathy-draten vertonen een meer amorfestructuur. Schematisch wordenze wel voorgesteld als ketens, dieop verschillende plaatsen met el-kaar zijn verbonden. Deze keten-structuur vinden we terug inhet veel geciteerde model vanFeldman e.a. [4] (fig. 1a). Eenander bekend model is dat vanWittmann [5], die het M?nchenermodel ontwikkelde (fig. 1b). In ditmodel wordt cementgel voorge-steld als een conglomeraat vangeldeeltjes, xero-gel genoemd,waartussen zich het gelwaterbevindt. Het M?nchener modelheeft vooral veel goede dienstenbewezen hij het verklaren van hetvormingsgedrag van cement-steen bij wisselend vochtgehalte.B e t o n a l s ` k u n s t s t o f 'Het `ketenmodel' van Feldmane.a. vertoont op verschillendepunten gelijkenis met de struc-tuur van polymeren. Tamas [6]spreekt zelfs nadrukkelijk overpolymerisatie van silicaathydraten.Dat hier het woord polymerisatieopduikt, is wel verrassend. Om??nofandereredendenkenwebijpolymeren vrijwel onmiddellijkaan plastics of kunststoffen. Maarwatiseenkunststofeigenlijk?Hetwoord `kunststof' blijkt typischNederlands te zijn. Een goedEngels equivalent kennen weeigenlijk niet. Kunststof wordtvertaald met synthetic material.De Engelse omschrijving van syn-thetic in de Dictionary of Scienceluidt vertaald: kunstmatig ver-vaardigd van componenten ofeenvoudiger materialen; nietdirect verkrijgbaar uit natuurlijkebronnen.Geen woord over polymeren!Volgens deze Engelse omschrij-ving van kunststof vallen zowelpolymeergebondenalscementge-bonden materialen onder de syn-thetische materialen. Beton is eenkunststof! Fabricage van materia-len is niet alleen `big business',maar het is ook kunst!V o r m e n e v e n w i c h tNaast `big business' en `kunst' ishet ontwerpen van een materiaalvooral een zaak van techniek.Daarbij heeft de ontwerper tenminste twee pijlen op zijn boog:vorm en evenwicht. Dit gaat opvoor zowel het alledaagse civieleingenieurswerk als het meestelementaireniveauvanmateriaal-onderzoek.Aan de hand van een aantal func-tionele randvoorwaarden zal deontwerper van een gebouw eenoptimale vorm zoeken waarmeeaan vooraf gestelde eisen kanworden voldaan. Het zo ontwor-pen gebouw zal echter nooitverder dan de tekentafel komenals de componenten die samenhet gebouw vormen, niet in zich-zelf en met elkaar in evenwichtzijn. Vorm en evenwicht zijnonlosmakelijk met elkaar verbon-den (fig. 2a).Een voorbeeld `buiten de deur' isdat van de vorm van de banen vande aarde en de planeten rond dezon. Door Newton is beschrevenhoe de zwaartekracht verantwoor-delijk is voor de vorm van dezebanen. Deze interactie tussenvorm en evenwicht is de basisvoorveelmodelleringsactiviteitenop zowel macro-, micro-, meso-als nano-niveau. Wel zien we bijgeavanceerd onderzoek nieuweactoren verschijnen, namelijk1 | Modellen voorhydratatieproducten(c = capillaire porie)2 | Vorm en evenwicht: pijlen op de boog van de constructief ontwerpera. Boogbrug (Vitruvius, 1e.eeuw v.Chr. [8]) b. Atoommodellenb. M?nchener model [5]a. gelaagde ketenstructuur [4]O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l encement 2000 1 53massa en energie. In de astrono-mie zien we dat uit de waargeno-men banen van hemellichamentheorie?nontstaanoverdeaan-enafwezigheidvanmassaenenergiein de ruimte.Dit spel tussen vorm en energietreffen we ook aan in de wereldvan de kwantummechanica, waarverschijnselen worden beschre-ven op het niveau van atomenen de daar nog onder liggendeniveaus (fig. 2b).Een voorbeeld van een werkelijktoegepastmodelopatomairniveauis het `schilmodel' (shell model)[7]. Dit model kan worden toege-past voor het beschrijven van hetgedrag van keramische materia-len, die kunnen worden voorge-steld als een samenstel van niet-overlappende bollen die doorCoulombse aantrekkingskrach-ten bij elkaar worden gehouden.De bollen bestaan uit een buiten-schil die wordt beschreven doorde elektronen en een positievekern. Plaatst men dit materiaal ineen elektrisch veld, dan zal dekern ten opzichte van de schil ver-plaatsen en ontstaat een locaaldipoolmoment. Deze `polariseer-baarheid' van een materiaal is eenbelangrijke eigenschap die in desensortechniek een grote rolspeelt.Bent u er nog? Inderdaad, hetging even over niet-alledaagsonderzoek.Studiesvandezesoortworden echter wel uitgevoerd,ondermeeraandeuniversiteitvanPrinceton en het MassachusettsInstitute of Technology, beide indeVerenigdeStatenvanAmerika.Het is onderzoek dat deels op eenhoog abstractieniveau plaatsheeften waarvoor lang niet elk mate-riaal zich onmiddellijk leent.Succesvolle toepassingen zien webijmaterialendieeenregelmatigestructuur vertonen voor watbetreft de ruimtelijke plaatsingvan de atomen (fig. 3a). Voor eenheterogeenenamorfmateriaalalscementsteen (fig. 3b) zijn derge-lijke exercities een stuk gecom-pliceerder. Toch hebben ook opdit terrein het numeriek simule-ren van materiaalgedrag en het`constructief ontwerpen' vanmaterialen hun intrede gedaan.C e m e n t g e b o n d e nm a t e r i a l e n : m o d e l l e r e ne n s i m u l a t i e sE?n van de eerste onderzoekersdie zich heel gericht heeftbeziggehouden met het ontwik-kelenvansimulatiemodellenvoorcementgebonden materialen isFrohndorf [11]. Op zijn initiatiefis omstreeks 1970 een onderzoekgestart dat uiteindelijk heeftgeresulteerd in het zogenoemdepixel-model [12]. In dit modelwordt aan pixels ter grootte vancirca 1 m33een aantal eigen-schappen meegegeven van hetmateriaal dat ze voorstellen. Zokan een pixel gips voorstellen, of??n van de klinkercomponentenwaaruit portlandcement is opge-bouwd.Deze pixels kunnen samen metandere pixels reageren tot eenhydratatieproduct en zo eenmicrostructuur vormen. Figuur4a toont de uitgangspositie van decementkorrels in een cement-pasta aan het begin van een simu-latie. Figuur 4b geeft een gesimu-leerde microstructuur weer vancementsteennaverhardingonderverzegelde omstandigheden. Hetsterke punt van het pixel-model isde flexibiliteit en gedetailleerd-heid. Wel loopt de rekentijd vanvooral3-Dsimulatiesheelsnelop.Door de lange rekentijd kan hetmodel voor routinematig gebruikonaantrekkelijk worden. Simula-ties met het aan de TU Delft ont-wikkelde simulatieprogrammaHYMOSTRUC [13] duren veelkorter. De geringe rekentijd gaatnu echter ten koste van de gede-tailleerdheid. Een model verge-lijkbaar met HYMOSTRUC isontwikkeld door Navi e.a. [14] inLausanne.Recent heeft Stroeven [15] eenmodel het licht doen zien waarinde nadruk ligt op het stereologi-sche aspect van de microstruc-tuurontwikkeling. Wat al dezemodellen gemeen hebben, is datde vorming van de microstruc-tuur van cementsteen explicietwordt gemodelleerd. En dat isbelangrijk, aangezien de micro-structuur kan worden gezien alsde drager van vrijwel alle materi-aaleigenschappen. Dit betreft desterkte en stijfheid, maar ook deporositeit, de permeabiliteit enhet tijdafhankelijk gedrag. Langsnumerieke weg kan met dezemodellen worden nagegaan wathet effect is van het toevoegen vanfijne vulstoffen op de korrelpak-king en vervolgens op de sterkte.Uit experimenten weten we dathet effect heel groot kan zijn. MetDSP (Densified with Small Parti-3a | Quasi-kristallijn aluminium-lithium-koper legering(SEM-opname) [9]3b | SEM-opname van cementsteen, gemaakt vanportlandcement [10]O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l encement 2000 154cles) mengsels zijn druksterktesbereikt tot 200 MPa en meer. Methet zogenoemde Reactive PowderConcrete (RPC) worden sterktestot 800 MPa gerealiseerd. Zeerhoge sterktes worden ook bereiktmet MDF-materialen (Macro-Defect-Free). Deze materialenbestaan uit een combinatie vancement en een polymeer. Metdeze materialen zijn buigtrek-sterktes te bereiken van 100 tot250 MPa [16].Numerieke simulatiemodellenkunnen bij het onderzoek naar ditsoort materialen ondersteunenden soms sturend werken. Onder-steunend en ook van praktischbelang zijn numerieke simulatiesvan de pori?nstructuur en de per-meabiliteit van beton. Met dezesimulaties is een belangrijkestap gezet naar de mogelijkheidvan preventief duurzaamheidson-derzoek.Degradatieprocessen, als gevolgvan het binnendringen van agres-sieve stoffen, kunnen numeriekworden nagebootst uitgaande vaneen gesimuleerd pori?nsysteem.M o n i t o r i n g v a nm a t e r i a a l - e nc o n s t r u c t i e g e d r a gHet feit dat de ontwikkelingvan de microstructuur langsnumerieke weg kan worden gesi-muleerd, heeft een geweldige sti-mulans gegeven aan onderzoeknaar de relatie tussen microstruc-tuur en materiaaleigenschappen.Deze onderzoeken resulteren indatabanken, die naar wens ge-raadpleegd kunnen worden.Maar de praktijk vraagt om meerdan alleen databanken. Vaak wilmen beschikken over de moge-lijkheid om na te gaan of eenmateriaal of een constructie dege?iste prestatie levert. Liefstzal men deze controlemetingenniet-destructief willen uitvoeren.Voor niet-destructieve metingenkunnen moderne sensortechnie-ken worden gebruikt. De ver-wachting is dat in de nabije toe-komst de sensortechnologie in debouw een steeds grotere rol zalgaanspelen.Alswekijkennaardeautomobielindustrie, dan heeftde bouw op dit punt nog heel watin te halen. In een goede mid-denklasser, die tien jaar meemoet, treft men gemiddeld eenvijftigtal sensoren aan.In de draagconstructie van eentwintig verdiepingen hoog ge-bouw,dathonderdjaarmeemoet,vinden we hoogstens een paarthermokoppels die tijdens debouw zijn ingestort om de beton-temperatuur tijdens het verhar-den te meten. Meer niet. Nu valter aan een draagconstructie vaneengebouwmisschienooknietzoveel te meten. Voor constructies,waarvan veel wordt ge?ist intermen van functionaliteit enduurzaamheid,kanhetechterweldegelijk interessant zijn om teweten hoe de constructie er naverloop van tijd bijstaat. Om daar-over informatie te verkrijgen,heeft de moderne sensortechno-logie ons veel te bieden.Interessant zijn in dit verbandsensoren die informatie verschaf-fenoverdetemperatuur,devocht-huishouding en spanningen enrekken in het beton. Voor hetmonitoren van het vervormings-gedrag van constructies in de tijdzijn interessante ontwikkelingengaandeophetgebiedvandevezel-technologie. Het in ZwitserlandontwikkeldeSOFO-systeemishiereen aansprekend voorbeeld van.SOFO staat hier voor Surveillanced'Ouvrages par Fibres Optiques.Het systeem is met succes toe-gepast bij het monitoren vanvervormingen van bruggen endammen [17].N i e u w e v r a g e n , n i e u w ea n t w o o r d e nVan Charles F. Kettering is theuitspraak: `The world hateschange, yet it is the only thing thathas brought progress'. Stelligbevat deze uitspraak twee waar-heden die ook in de bouwpraktijkopgelddoen.Elkeveranderingdiein de bouw wordt doorgevoerd,draagt het risico in zich dat inhet kielzog ervan nadelige effec-ten meekomen die een deel vande beoogde winst teniet doen.Daarom worden veranderingengehaat.Omantwoordtekunnengevenopnieuwe vragen, zal men echterook nieuwe wegen moetendurveninslaan.Denieuwevragenkomen op uit milieu- en arbo-overwegingen, de grondstoffen-problematiek en hogere prestatie-eisen. Het zoeken naar de balanstussen beproefde methoden en4 | Simulatie van microstruuctuurontwikkeling met pixelmodel (Bentz) [12])a. Microstructuur pixelmodel, wcf = 0,4; Initiale fase:rood C3S, blauw C2S groen C3A, oranje C4AFb. Microstructuur met pixelmodel, wcf = 0,4;blauw: met water gevulde capillaire pori?n,zwart: lege pori?nO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eMater ia l encement 2000 1 55innovatie is een zaak van alle bijde bouw betrokken disciplines.Dit mag een clich? wordengenoemd,maardaaromishetnietminder waar.In deze multidisciplinaire activi-teitenkandeinbrengvandemate-riaalkundige en van de beton-technoloog uit pure empirischekennis bestaan. Bij de zoektochtnaar nieuwe en verbeterdematerialen zullen geavanceerdeonderzoekstechnieken een steedsgrotere rol gaan spelen. Daarbijkanhetgaanomzeergeavanceerden futuristisch onderzoek, maarook om onderzoek met een korteslag van ontwerp naar toepassingin de praktijk.Zondermodellenisditonderzoekondenkbaar geworden. De wegvan het numeriek modelleren vannieuwe en verbeterde materialen,die omstreeks 1980 werd ingesla-gen, is onomkeerbaar. Bewust ofonbewust hebben modellenbou-wers het eeuwenoude advies vanMichaelangelo opgevolgd: `Abuilders most blessed money isthe money spent on models'.Deze modellen kunnen betrek-king hebben op bulkmaterialen,waaronder de meeste bouwmate-rialen vallen, maar ook op de`smart materials' voor sensor-technieken en het ontwerpen van`smart buildings'.Ontwikkelingen op dit gebiedgaan bijzonder snel. We kunnenerop rekenen dat daar in dekomende decennia ook in bouwwat van te merken zal zijn.R e f e r e n t i e s1. Powers, T.C. e.a. (1946/47)`Studies of the physical pro-perties of hardened Portlandcement paste'. ACI-Journal,negen artikelen.2. Sujata, K., Jennings, H.M.(1991) `Advances in scanningelectron microscopy'. MRSBulletin, Vol. 16, No. 1,pp.41-45.3. Voter, A.T., 1996. `Interato-mic potentials for atomisticsimulations', MRS Bulletin,Vol. 21, No. 2, pp. 17-18.4. Feldmann, R.F., Sereda, P.J.,1968, `A model for hydratedPortland cement paste asdeduced from sorption-length change and mecha-nical properties', Mat. etConstructions, Vol. 1, No. 6,pp. 509-520.5. Wittmann, F.H., 1976.`The structure of hardenedcement paste- A basis forbetter understanding ofmaterials properties'. Proc.Hydraulic cement paste: Theirstructure and properties,Cement & Concrete Ass.,Slough, U.K.6. Tamas, F.D., 1991. `Chemi-cal methods of studying thepolymerisation of silicateanions during cementsetting/hydration', Proc. 16of Int. Workshop onHydration and Setting ofCements, pp. 45-64.7. Stoneham, M., Harding,J., Harker, T., 1996. `Theshell model and interatomicpotentials for ceramics',Vol. 21, No. 2, pp. 29-35.8. Vitruvius, 1e eeuw v.Chr.`Handboek Bouwkunde', ver-taling T. Peters, Athenaeum? Polak & Van Gennep.1999, 393 p.9. Allen, S.M., Thomas, E.L.,1998, `The Structure ofMaterials'. John Wiley &Sons Inc. 447 p.10. Bournazel, J.P. e.a., 1991,`Early age concrete strength:A phenomenologicalapproach to physico-chemicalprocesses', Proc. 16 of Int.Workshop on Hydration andSetting of Cements.pp. 307-314.11. Frohnsdorff, G., 1989,`Integrated knowledgesystems for concrete scienceand technology'; Materialsscience of concrete, Ed. J.P.Skalny, pp. 315-332.12. Bentz, D.P. 1997, `Threedimensional computersimulation of Portlandcement hydration and micro-structure development',J. Am. Ceram. Soc., Vol. 80,No. 1, pp. 3-21.13. Van Breugel, K., e.a.1995/1996, `Het grijze ge-bied van het jonge beton',overdrukken uit Cement,pp. 43.14. Navi, P., Pignat, C., 1996,`Simulation of effects ofsmall inert grains on cementhydration and its contactsurfaces'. The modelling ofmicrostructure and its potentialfor studying transport proper-ties and durability, Ed. H.M.Jennings e.a., pp. 227-240.15. Stroeven, M., 1999, `Discretenumerical modelling ofcomposite materials',disseratie TU Delft, 224 p.16. Young, J.F., 1991, `Micro-structural development invery high strength cementpastes', Proc. 16 of Int.Workshop on Hydration andSetting of Cements,pp. 381-392.17. Inaudi, D., e.a., 1998, `SOFO:Monitoring of concretestructures with fiber opticsensors' Durable reinforcedconcrete structures, Ed.Schwesinger e.a.,pp. 495-51418. Rowe, R.E., 1981, `Markingthe most of models', Con-crete Intermational, Febru-ary, pp. 7-12. s