O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i e78 cement 2008 4In een aantal recente studies ishet v??rkomen van een zekeremate van zelfherstellend vermo-gen van beton aangetoond [2, 3].Kleine, 0,1-0,2 mm grote, scheur-tjes blijken vanzelf weer te kun-nen dichtgroeien [4, 5]. Het zelf-herstellend mechanisme dathieraan ten grondslag ligt isvooral afhankelijk van de samen-stelling van het beton- of mortel-mengsel. Zo blijkt dat vooral demortel van eeuwenoude stenenmuren van bijvoorbeeld Amster-damse grachtenpanden een grootscheurherstellend vermogenheeft [6]. Het door water opge-loste kalksteen blijkt op andereplaatsen weer neer te slaan. Ookde nog aanwezige ongeblustekalkdeeltjes (calciumoxide) rea-geren met binnendringend wateren koolstofdioxide uit de luchttot nieuw kalksteen. Dit proceskan worden beschreven door devolgende reactievergelijkingen:CaO+H2O Ca(OH)2(1)Ca(OH)2+CO2 CaCO3+H2O (2)In reactie (1) reageert ongeblustekalk met water tot calciumhy-droxide, wat volgens reactie (2)met kooldioxide verder reageerttot calciumcarbonaat. Dit nieuw-gevormde kalksteen kan neer-slaan op het oppervlak vanscheuren, waardoor deze geheelof gedeeltelijk kunnen dicht-groeien. Dit proces leidt tot eenafname in doorlaatbaarheid (per-meabiliteit) van het materiaal.Hoe meer ongebluste kalk nogaanwezig, hoe groter het scheur-herstellend vermogen van demortel in feite zal zijn. Voormoderne betonconstructies,gebaseerd op portlandcementmet of zonder vliegas, silica-fume of hoogovenslak toevoegin-gen, geldt eigenlijk hetzelfde.Ook hier wordt het zelfherstel-lend vermogen grotendeelsbepaald door de hoeveelheid aan-wezige, nog niet gehydrateerdecementdeeltjes. Vooral betongebaseerd op een lage water-cementfactor zoals hogesterkte-beton of hogeprestatiebetonwordt om die reden gekenmerktdoor een zekere mate vanscheurherstellend vermogen,vooral dus door het grote aantalaanwezige, niet-volledig gehydra-teerde cementdeeltjes [6].Zelfherstellend vermogen isbelangrijk omdat dit het materi-aal niet alleen sterker, maar voor-al veel duurzamer maakt. Hetbehoud van lage permeabiliteit,vooral door het snel dichttrekkenvan oppervlaktescheurtjes, zorgtOntwikkeling vanzelfherstellend beton metbehulp van bacteri?ndr. H.M. Jonkers, A. Thijssen en dr.ir. E. Schlangen, TU Delft, Microlab /Faculteit CiTGScheuren in beton die vanzelf weer verdwijnen; dit zelfherstellend fenomeenkan in beperkte mate in betonconstructies worden waargenomen. Vooralmicroscheurtjes blijken zich weer te sluiten, meestal onder wisselende natteen droge omstandigheden. In het Microlab van de TU Delft wordt op verschil-lende manieren geprobeerd dit zelfherstellend vermogen van beton te verbe-teren. In een van de onderzoeksprojecten, gefinancierd door het Delft Centrefor Materials (DCMat), wordt onderzocht of bacteri?n kunnen dienen alskatalysator voor het dichten van scheuren [1]. Water dat door nieuwgevorm-de scheuren binnendringt, activeert de bacteri?n waardoor deze kalksteengaan maken. Bedoeling is dat dit kalksteen scheuren afsluit, waardoor depermeabiliteit van het beton afneemt. Dit verhindert het binnendringen vanwater en andere chemicali?n, waardoor de betonmatrix en wapening beterbeschermd zullen zijn tegen aantasting en corrosie.1 |Sporenvorming, zicht-baar als oplichtende bol-letjes, in cellen van debacterie B.cohnii; licht-microscopische opname(1000x)2 |Close-up opname (ESEM15000x) van B.cohniisporen 10m 1mO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2008 4 79ervoor dat water en andere agres-sieve chemicali?n veel mindersnel de betonmatrix kunnen bin-nendringen. Dit zal het risico opvroege aantasting van de beton-matrix en corrosie van de stalenwapening sterk verminderen.Er is echter ook een keerzijde:hogesterktebeton is relatief duuren wordt daarom niet standaardtoegepast, ondanks het relatiefhoge zelfherstellend vermogen.Ook het hoge cementaandeel indit type beton is vooral vanuitoogpunt van milieuduurzaam-heid minder gewenst.Zowel vanuit kosten als milieu-perspectief kan beton met een zolaag mogelijk cementaandeel duswenselijk zijn [7, 8]. Uit het voor-afgaande is echter duidelijk datbeton met een laag cementaan-deel slechts een zeer laag zelfher-stellend vermogen heeft. Ditomdat vrijwel al het aanwezigecement reeds in een vroeg sta-dium volledig gehydrateerd zalzijn. De uitdaging is dus eentype beton te ontwikkelen datzowel relatief goedkoop is, wei-nig cement bevat, maar tochgekenmerkt wordt door een hoogzelfherstellend vermogen. Derge-lijk beton zal dus over een geheelander zelfherstellend mecha-nisme moeten beschikken.In het hier beschreven onder-zoeksproject bestuderen we demogelijkheid kalksteenproduce-rende bacteri?n te gebruiken omhet zelfherstellend vermogen vanbeton te verbeteren. Dat bacte-ri?n niet alleen een negatieveinvloed op beton hebben, zoalsvroeger algemeen werd aangeno-men, is ook al aangetoond ineerdere studies, waarin bacteri?nwerden gebruikt om het opper-vlak van beton te reinigen of terepareren [9, 10].D e b a c t e r i ? nKalksteenproducerende, niet-pathogene bacteri?n komen vannature voor in grond, zand, be-paalde natuurlijke mineralen enalkalische sodameren. Vooralvertegenwoordigers uit de laatstetwee groepen lijken op het eerstegezicht veelbelovend voor toepas-sing in beton. Immers, beton kanworden beschouwd als kunstma-tig steen met een sterk alkalischematrix. Dergelijke alkali-resisten-te bacteri?n komen voor in cul-tuurcollecties, en voor dit onder-zoek zijn daarom van de DSMZ(Deutsche Sammlung vonMikroorganismen und Zellkultu-ren GmbH, Braunschweig) driesoorten bacteri?n behorende tothet genus Bacillus bestudeerd:Bacillus cohni, Bacillus haloduransen Bacillus pseudofirmus. Een inte-ressante eigenschap van dezesoorten is dat ze in staat zijnsporen te maken. Dit zijn cellenmet een zeer dikke celwand, be-stand tegen mechanische stressen uitdroging. Van een aantalsoorten is bekend dat ze voorko-men in natuurlijke mineralen endat de sporen droge periodes vantot wel 200 jaar kunnen overle-ven. Dergelijke bacteriesporenzullen waarschijnlijk ook hetproces van mengen, storten enlangdurig verblijf in de betonma-trix kunnen overleven.Sporenvorming en kalksteenproduc-tie in bacterieculturesAlvorens de bacteri?n als zelfher-stellend middel in beton te ver-werken, werd eerst onderzochtonder welke omstandigheden devorming van sporen en kalksteenin vloeistofcultures het besteplaatsheeft. Alle drie de soortenbleken in vloeistofcultures hetaangeboden voedsel (natriumci-traat) om te kunnen zetten inkalksteen (calciumcarbonaat) enbovendien hoge aantallen sporente vormen (foto 1, 2).I n v l o e d o p s t e r k t e o n t -w i k k e l i n g c e m e n t s t e e nOm in beton als zelfherstellendmiddel te kunnen functionerenmoeten niet alleen de bacterie-sporen maar ook het voedsel wor-den ge?ntegreerd in de betonma-trix. Het toegevoegde voedseldient niet alleen voor de groeivan de bacteri?n, maar ook alsuitgangsmateriaal voor het teproduceren kalksteen. Hoewel invloeistofcultuur sterke groei enkalksteenproductie optraden nabacteri?le omzetting van natri-umcitraat, kan dit niet aan hetbetonmengsel worden toegevoegdin hogere concentraties omdat dithet uithardingproces te sterkvertraagt.Een belangrijke andere vraag isof de toevoeging van bacteri?n ensporen de sterkteontwikkelingvan beton niet al te negatief zalbe?nvloeden. Om dit mogelijkeeffect te bestuderen werd desterkteontwikkeling van cement-steen met en zonder toevoegin-gen, bacteri?n en verschillendeorganische stoffen (voedsel),bestudeerd. Hiervoor werden de3, 7 en 28 dagen druksterkte vansteeds zes proefstukken (40 x 40x 40 mm) met 6x105B.pseudofir-mus sporen per mm3cement-steen getest. Om ook een eersteindruk te krijgen van het effectvan toegevoegde organische stof-fen op de sterkteontwikkeling3 |Calcietvorming dooromzetting van natriumci-traat in B.halodurans cul-tuur; lichtmicroscopischeopname20mO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i e80 cement 2008 4van cementsteen werd een reekscementsteencylinders (?22 mm;h = 30 mm) op 28 daagse splijt-treksterkte beproefd. De toege-voegde hoeveelheid organischestof bedroeg 0,5% van hetcementgewicht. Alle proefstuk-ken werden gemaakt van port-landcement (ENCI CEMI 42,5N)met een water-cementfactor van0,4 en 0,5 voor respectievelijk deproefstukken met bacteri?n enmet organische stoffen.De resultaten van deze experi-menten zijn weergegeven in defiguren 4 en 5. Hieruit blijkt dattoevoeging van een zeer hoogaantal bacteri?n leidt tot eendruksterkteverlies van slechts10%. Hoewel ook de toevoegingvan organische stoffen in eeneffect resulteerde, bleek dit voor-al afhankelijk van de specifiekeverbinding. Zes van de elf onder-zochte stoffen (gistextract, pep-ton, zetmeel, ureum, natrium-poly-acrylaat en natrium-aspar-taat) resulteerden in een verliesvan de splijttreksterkte, terwijlgeen sterkteverlies optrad bij devijf andere stoffen (natrium- encalcium-glutamaat, calciumfor-maat, calciumacetaat en calcium-lactaat). Hierbij moet wel wordenopgemerkt dat dit slechts kanworden geconcludeerd uit degemiddelde sterkteontwikkelingvan de proefstukken. Door deheterogeniteit in sterkte was destandaardafwijking relatief hoogen moet uit nader onderzoek blij-ken welke organische stoffen ?het voedsel voor de bacteri?n ?tot het minste sterkteverlies lei-den. Op basis van deze resulta-ten kunnen we concluderen dathet toevoegen van bacteri?n ende juiste organische stoffen aanbeton tot een acceptabel, onge-veer 10%, verlies aan druksterkteleidt, zeker wanneer dat kan wor-den gecompenseerd met eensubstanti?le toename in zelfher-stellend vermogen.K a l k s t e e n v o r m i n g i nb i o - b e t o nEen belangrijke vraag in hetbegin van dit onderzoek was ofaan cementsteen toegevoegdebacteriesporen levensvatbaarblijven en bovendien in staatblijken, wanneer nodig, kalk-steen te maken waarmee scheu-ren kunnen worden gedicht. Omdit te onderzoeken werdencementsteencilinders gemaaktzonder extra toevoegingen (serieA: controle), met calciumlactaat(0,5% van het cementgewicht:serie B) en met zowel calcium-lactaat (0,5%) als met 1x105permm3B.cohnii bacteriesporen(serie C).Na zeven dagen uitharden wer-den de cilinders in 5 mm dikkeschijven gezaagd en vervolgensonder water (kraanwater)bewaard. Tien dagen later werdende proefstukken met gedestil-leerd water afgespoeld en werdhet zaagoppervlak bestudeerd opkalksteenafzetting met behulpvan een Philips XL30 Environ-mental Scanning ElectronMicroscope (ESEM).Hieruit bleek dat op het opper-vlak van controleproefstukken(serie A) en proefstukken metalleen toegevoegd calciumlactaat(serie B) zich zowel clusters vankleine (2-5 m) calciumcarbo-naatkristallen als draadvormigecalciumsilicaathydraat (C-S-H)producten hadden gevormd (fig.6). Op het oppervlak van proef-stukken gemaakt met zowel calci-umlactaat als bacteri?n blekenzich echter naast C-S-H veelmeer en vooral veel grotere (tot100 m) calciumcarbonaatafzet-tingen te hebben gevormd (fig.8). Het duidelijke verschil inkalksteenproductie tussen deverschillende typen proefstukkenkan worden toegeschreven aan deactiviteit van de bacteri?n. Detoegevoegde bacteriesporen over-leven in beton en worden actiefwanneer voldoende water nieuw-gevormde scheuren binnen-dringt. De bacteri?n zetten het inpori?nwater opgeloste voedsel omin kalksteen, beschreven door devolgende reactievergelijking:Ca(CHO2)2+ Ca(OH)2+ O22CaCO3+ 2 H2OIn dit voorbeeld wordt het even-eens aan beton toegevoegde cal-ciumformaat met het in decementsteenmatrix aanwezigecalciumhydroxide en het in het4 |Druksterkteontwikkelingvan cementsteen met enzonder (controle) bacte-ri?n5 |Splijttreksterkte vancementsteen met en zon-der (controle) toevoe-ging van verschillendeorganische stoffen na 28dagen uitharden20304050600 5 10 15 20 25 30zonder bacteri?nmet bacteri?nnabehandelingstijd [dagen]druksterkte[N/mm2]024681012diverse organische stoffensplijttreksterkte[N/mm2]O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2008 4 81water aanwezige zuurstof omge-zet in het hardere calciet (calci-umcarbonaat). Dit proces is metbehulp van ESEM-microscopiezichtbaar gemaakt. In figuur 9,10 en 11 is en goed te zien hoede zeshoekige calciumhydroxide-plaatjes worden omgezet in cal-cietkristallen. Bedoeling is dathet nieuwgevormde kalksteenafgezet op het scheuroppervlakde scheur uiteindelijk geheelafsluit, waardoor de permeabili-teit van het beton sterk afneemten de matrix beter beschermd zalzijn tegen binnendringendeagressieve chemicali?n.C o n c l u s i e sDe resultaten van dit onderzoekzijn veelbelovend. Er is nu eengroep alkali-resistente bacteri?ngevonden waarvan de sporen nietalleen het insluiten in cement-steen overleven maar ook na con-tact met voldoende water actiefkalksteen kunnen afzetten. Ombeton werkelijk zelfherstellend temaken moet, behalve de bacte-ri?n, ook een geschikte voedsel-bron worden ingesloten. In ditonderzoek is aangetoond dat dittwee-componentensysteem veelmeer en grotere calcietmineralenproduceert dan cementsteen metslechts een of geen van deze bei-de componenten.Volgende stap in het onderzoekis aan te tonen dat dit op bacte-ri?n gebaseerde zelfherstellendemechanisme ook werkelijk nieu-we scheuren afsluit, en dus depermeabiliteit aanzienlijk ver-laagt. Dan kan ook een inschat-ting worden gemaakt hoeveelkostenbesparing dit systeem oponderhoud en reparatie van be-tonconstructies kan opleveren. nL i t e r a t u u r1. Jonkers, H.M., Self healingconcrete: a biologicalapproach. In: S. van derZwaag (ed.) Self healing mate-rials - An alternative approachto 20 centuries of materialsscience. Springer, 2007.2. Neville, A.M., Autogenoushealing - A concrete miracle?Concrete Int 24(11), 2002.3. Reinhardt, H.W. & M. Jooss,Permeabilitiy and self-healingof cracked concrete as a func-tion of temperature and crackwidth. Cement and ConcreteRes 33, 2003.4. Li, V.C., & E. Yang, Self healingin concrete materials. In S. vander Zwaag (ed.) Self healingmaterials - An alternativeapproach to 20 centuries of mate-rials science. Springer, 2007.5. Edvardsen, C., Water permea-bility and autogenous healingof cracks in concrete. ACIMaterials Journal 96(4), 1999.6. Nijland, T.G., J.A. Larbi,R.P.J. van Hees, B. Lubelli &M. de Rooij, Self healing phe-nomena in concretes andmasonry mortars: a microsco-pic study. Proceedings of theFirst International Confer-ence on Self Healing Materi-als 18-20 April 2007, Noordwi-jk aan Zee.7. Gerilla, G.P., K. Teknomo &K. Hokao K., An environmen-tal assessment of wood andsteel reinforced concrete hou-sing construction. Buildingand Environment 42, 2007.8. Peris Mora, E., Life cycle,sustainability and the trans-cendent quality of buildingmaterials. Building and Envi-ronment 42, 2007.9. De Graef, B., W. De Windt, J.Dick, W. Verstraete & N. DeBelie, Cleaning of concretefouled by lichens with the aidof Thiobacilli. Materials andStructures 38(284), 2005.10. De Muynck, W., N. De Belie& W. Verstraete, Improve-ment of concrete durabilitywith the aid of bacteria. Pro-ceedings of the First Interna-tional Conference on SelfHealing Materials 18-20 April2007, Noordwijk aan Zee.6 |C-S-H en calcietvormingaan oppervlak van con-troleproefstuk (cement-steen zonder toevoegin-gen)7 |Oppervlak van proefstukmet lactaat8 |Oppervlak van proefstukmet lactaat en bacteri?n(B.cohnii)9, 10 |Calcietvorming aanoppervlak van calci-umhydroxideplaatjes11 |Detailopname calciet-mineralen10m 100m10m20m 20m 2m6 7 89 10 11