Een beton dat 17 keer sterker is dan traditioneel beton: de ontdekking die de gebouwen van de toekomst kan transformeren

De afdeling Civiele en Milieutechnische Ingenieurswetenschappen van de Universiteit Princeton heeft onder leiding van Reza Moini een baanbrekende techniek ontwikkeld. Die draait om het verlengen van het pad van scheuren in cementcomposieten, waardoor meer energie wordt afgevoerd. Daardoor is het materiaal minder vatbaar voor plotselinge breuken.

Waarom cement en keramiek zo breekbaar zijn

Cement en keramiek staan bekend om hun broosheid. Het onderzoeksteam van de Universiteit Princeton wil precies begrijpen waarom deze materialen breken. Ze keken naar het ontwerp van het materiaal, in het bijzonder de microstructuur en de rangschikking van de onderdelen.

In het laboratorium deden ze buigtests met een klein betonnen balkje als proefmonster. Een inkeping zorgde voor scheurvorming, maar in plaats van een plotselinge breuk ontwikkelde de scheur zich trapgewijs. Dat fenomeen, waarbij het materiaal energie opneemt, geeft een veel veiligere manier van falen.

Inspiratie uit de natuur: moederparel

Een belangrijk uitgangspunt voor deze techniek is de microstructuur van moederparel. Dat natuurlijke materiaal is beroemd om zijn sterkte; het bestaat uit lamellen van aragoniet, verbonden door een zacht biopolymeer (aragoniet is een vorm van calciumcarbonaat). Die opbouw zorgt ervoor dat energie wordt gedempt en dat catastrofale breuken worden voorkomen.

Shashank Gupta, onderzoeker in het team, legde uit: “Deze synergie tussen de harde en zachte componenten is fundamenteel voor de buitengewone mechanische eigenschappen van moederparel.” Door die principes toe te passen op een cementcomposiet hopen de ingenieurs een vergelijkbaar effect te bereiken.

Hoe het composiet is opgebouwd

Het nieuwe composiet berust niet op nieuwe cementchemie maar gebruikt gewone, eenvoudige ingrediënten. De harde fase is een cementpasta; de zachte fase is een elastisch polymeer, polyvinylsiloxaan. In plaats van één homogeen mengsel brachten ze het polymeer in dunne lagen aan.

Door dit ontwerp worden scheuren als het ware gedwongen om energie te verspreiden, waardoor de scheur langer voortschrijdt. Die keuze kan leiden tot een veel veiliger toepassing van cement in de bouw.

Wat dit voor de bouw kan betekenen

De manier waarop harde en zachte fasen nu gecombineerd worden, geeft conventionele bouwmaterialen een nieuwe dimensie qua duurzaamheid. Bio-geïnspireerde technieken maken materialen als cement en keramiek minder broos en veiliger.

Onderzoeker Shashank Gupta denkt dat als beton op een soortgelijke manier wordt ontworpen, we beton sterker, veiliger en duurzamer kunnen maken. Deze ontdekking zou een belangrijke stap vooruit betekenen voor bouwtechnologie en materiaalwetenschap.

De innovatieve methodes van het team van de Universiteit Princeton openen de deur naar een toekomst waarin gebouwen en andere constructies niet alleen langer meegaan, maar ook veiliger zijn voor de gebruikers. De implementatie van zulke technologieën zou de norm kunnen worden in moderne bouwpraktijken die streven naar efficiëntie, duurzaamheid en veiligheid.