De Delftse Leerlijn Scheikunde: module 4: Zelfherstellend beton 2013

Colofon

Zelfherstellend beton

De module “Zelfherstellend Beton” van de Delftse Leerlijn is gebaseerd opde module “Zelfherstellend Beton” van de auteurs Jannie Manders,Peellandcollege Deurne, Karin Visser, ’t Rijks Bergen op Zoom, EvelineWijbenga, Luzac College Hilversum en Leo Kwakernaat, Willem de ZwijgerCollege Papendrecht. Coach van het ontwikkelteam: Jan de Gruijter, FontysLerarenopleiding Tilburg.De aangepaste versie “Zelfherstellend Beton” is ontwikkeld door Jan vanRossum, Juleke van Rhijn en Aonne Kerkstra, auteurs van de DelftseLeerlijn.

SamenwerkingDe module “Zelfherstellend Beton” is tot stand gekomen in samenwerkingmet:

Prof. Dr. Ir. S. van der Zwaag, TU Delft. Deze versie is mogelijk gemaaktdoor de Technische Universiteit Delft en de VNCI.

Met dank aan: IOP Self Healing Materials

VormgevingT2 Ontwerp, Den Haag (www.t2ontwerp.nl)

© 2010 De Vereniging van de Nederlandse Chemische Industrie (VNCI),

Den Haag.

Het auteursrecht op dit onderwijsmateriaal voor Nieuwe Scheikunde berust bij deVNCI te Den Haag.De VNCI is derhalve de rechthebbende zoals bedoeld in de hieronder vermeldecreative commons licentie.

VNCI en door hen ingehuurde auteurs hebben bij de ontwikkeling van de modules

gebruik gemaakt van materiaal van derden. Bij het verkrijgen van toestemming, het

achterhalen en voldoen van de rechten op teksten, illustraties, enz. is de grootst

mogelijke zorgvuldigheid betracht. Mochten er desondanks personen of instanties

zijn die rechten menen te kunnen doen gelden op tekstgedeeltes, illustraties, enz.

van een module, dan worden zij verzocht zich in verbinding te stellen met de VNCI.

Hoewel het materiaal met zorg is samengesteld en getest is het mogelijk dat deze

onjuistheden en/of onvolledigheden bevatten. VNCI aanvaardt derhalve geen enkele

aansprakelijkheid voor enige schade, voortkomend uit (het gebruik van) dit

materiaal. Voor dit onderwijsmateriaal geldt een Creative Commons

Naamsvermelding-Niet-Commercieel-Gelijk delen 3.0 Nederland licentie

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/nl/

Aangepaste versies hiervan mogen alleen verspreid worden indien het in het colofon

wordt vermeld dat het een aangepaste versie betreft, onder vermelding van de naam

van de auteur van de wijzingen.

Bij deze aangepaste versies mag geen gebruik gemaakt worden van de opmaak van

de Delftse Leerlijn.

Voorburg, januari 2013.

1. Inleiding 4

1.1 Geschiedenis 5

1.2 Beton 6

1.3 Eindopdracht 7

2. Beton maken 9

2.1 Experiment 1: Het opnemen van water door cement 10

2.2 Experiment 2: Het verharden van cement 11

2.3 Experiment 3: Beton maken en testen 11

3. Zouten 16

3.1 Herhaling 17

3.2 Verhoudingsformules 18

3.3 Oplosbaarheid 21

3.4 Neerslagreacties 23

3.5 Experimenten 24

3.6 Molariteit 27

3.7 Kristalwater en hydraten 29

3.8 Dubbelzouten 30

3.9 Oefenopgaven 31

4. Aanmaakwater en betonhydraten 33

4.1 Kwaliteitseisen aanmaakwater 34

4.2 Analyse aanmaakwater 35

4.3 Beton en hydraten 36

5. Toepassing bepaalt de samenstelling van beton 41

5.1 Bepalen van de samenstelling beton 42

5.2 Opdracht 45

6. Zelfherstellend Beton 49

6.1 Opdracht 50

6.2 Verschillende soorten zelfherstellende materialen 51

6.3 De zelfherstellende werking van beton 54

6.4 Spelen met ingrediënten 56

6.5 Speuren naar verbeteringen 61

7. Afsluiting 64

7.1 Eindopdracht 65

1. Inleiding

Zelfherstellend Beton 5

Ze spreken erg tot de verbeelding, materialen die zich zelf kunnen

herstellen. Terwijl de natuur toch bol staat van soortgelijke

verschijnselen. Denk maar aan de wondjes die schijnbaar uit

zichzelf stoppen met bloeden, of een gebroken sleutelbeen dat na

enige tijd vanzelf geneest. Het enige wat je moet proberen is deze

‘reparatie trucs’ uit de natuur over te brengen naar materialen die

door mensen gemaakt kunnen worden.

1.1 Geschiedenis

Materialen die in staat zijn zich zelf te repareren bestaan al langer dan je in

eerste instantie denkt. Zo zullen de oude Romeinen er in hun tijd niet bij

hebben stil gestaan dat hun bouwwerken, zoals de aquaducten en het

Colosseum in Rome, na 2000 jaar nog te bewonderen zijn. Een waar staaltje

van duurzaamheid. Het geheim zit hem in het cement – op basis van

vulkanische as en kalk – dat de oude Romeinen gebruikten om stenen op

elkaar te metselen. En juist deze kalk in het cement gaf – en geeft nog

steeds – aan de bruggen en aquaducten zelfherstellende eigenschappen

mee. Want deze kalk lost op in regenwater en kan zo naar een andere

plaats sijpelen. Bijvoorbeeld naar een scheurtje in het bouwwerk dat het

kalk bevattende water aanzuigt. Als het water verdampt, dan vormt zich

kalkafzetting in het scheurtje. Dit gaat net zo lang door tot het scheurtje

helemaal is opgevuld en het bouwwerk dus is gerepareerd.

Hoewel het ‘Romeinse cement’ mechanisch gezien zwakker is dan het

cement van nu, zorgt het er toch voor dat bouwwerken er na 2000 jaar nog

steeds staan. Overigens functioneren oude stadsbruggen in Amsterdam,

Utrecht en Delft, die slechts enkele honderden jaren oud zijn, nog goed

dankzij hetzelfde mechanisme.

Figuur 1: Colosseum in Rome uit de eerste eeuw na Christus

Figuur 2- Leeuwenbrug in

Delft uit 1668


1.2 Beton

Beton zie je overal. Kijk maar eens om je heen dan vind je veel producten

die van beton zijn gemaakt. Bijvoorbeeld huizen, flats, monumenten,

bruggen, wegen en tunnels. Maar beton is er ook als je het niet kunt zien.

Bijvoorbeeld heipalen, funderingsbalken en riolering. Het is duidelijk dat

beton niet meer uit onze maatschappij is weg te denken. De voordelen van

beton zijn duidelijk; je kunt sneller bouwen dan met bakstenen en

bovendien is het een sterk bouwmateriaal.

Beton bestaat uit een mix van een bindmiddel met één of meerdere

zogeheten toeslagmaterialen, meestal zand en grind. Door toevoeging van

water verhardt dit mengsel en ontstaat een composiet van grindsteen en

zandkorrels die door het bindmiddel aaneen worden gehecht. Het

bindmiddel is meestal cement, dat door toevoeging van water verhardt.

Betonspecie is de nog onverharde pasta van cement, water en

toeslagmaterialen.

Cement bestaat voornamelijk uit calciumsilicaten en calciumaluminaten.

Andere bindmiddelen zijn bijvoorbeeld kalk (calciumcarbonaat, CaCO3) of

gips (calciumsulfaat, CaSO4).

Bakstenen zijn andere belangrijke bouwmaterialen die worden gebakken

van klei, een natuurlijk gesteente dat bestaat uit een groot aantal

verschillende mineralen. Bakstenen worden tijdens de bouw aaneen

gemetseld met specie of mortel. Dit is in feite een fijn type beton, dat

bestaat uit cement, zand en water. Soms wordt wat kalk toegevoegd om de

mortel smeuïger te maken waardoor het materiaal gemakkelijker is te

verwerken. Specie/ mortel wordt ook gebruikt bij het voegen en stuken van

wanden.

Figuur 3 - Voor de Snepbrug bij Gent zijn 54 van deze brugliggers

ontworpen.

Figuur 4 – Uitvergroot deel van

beton.

Figuur 5 – Bakstenen metselen.


Artikel 1

Twee doden na instorten appartementen-gebouw in Maastricht

MAASTRICHT 25 april 2003Bij een instorting van een deel van een appartementengebouw in Maastricht zijngisteravond twee bewoners om het leven gekomen.De instorting van het één jaar oude complex is waarschijnlijk te wijten aan eenconstructiefout, zo heeft de gemeente meegedeeld. Het openbaar ministerie stelteen onderzoek in naar “de oorzaak en de omstandigheden” waaronder hetongeval heeft plaatsgevonden. Aan het onderzoek nemen ook de politieLimburg-Zuid en het Nederlands Forensisch Instituut deel.

Even voor zeven uur gisteravond stortten vijf boven elkaar gelegen terrassen in,aan de zijkant van het complex Patio Sevilla, vlak naast het Bonnefantenmuseumin de prestigieuze nieuwbouwwijk Céramique langs de Maas. Twee bewonersvan de vierde verdieping, een man en een vrouw, werden onder vijftig ton beton,hout en glas bedolven. Ze waren volgens de brandweer vrijwel op slag dood. Eenuur na de instorting konden hun lichamen geborgen worden.

De alarmbellen rinkelden bij ingenieursbureau Arcadis toen alle verschillendedeelonderzoeken naar het instorten van de balkons in Maastricht bij elkaarwerden gevoegd. Daarbij viel direct op dat er een verschil was tussen dedetailtekeningen van de breedplaatvloeren en die van de balkonbouwer. Debreedplaatvloeren met een wapening van 6 mm dik om de 160 mm warenvoorzien van 19 cm beton, maar dat is niet zwaar genoeg om ook nogbalkonplaten aan op te hangen. Arcadis nam direct contact op met de gemeente,die aannemer Smeets op de hoogte bracht die op zijn beurt constructeursinschakelde van Verbossen en Corsmit. Drie uur lang rekenden zij zich suf, maaruiteindelijk slaagden ze er volgens Van Baalen niet in de constructie ‘recht terekenen’.De conclusie moest helaas zijn dat de balkons opgehangen waren aan te lichtevloeren. Daarnaast was de ophanging zelf onvoldoende en de wapening van debalkons te licht. Zowel de hoofdconstructeur, de constructeur en de aannemerzijn veroordeeld tot geldboetes

Vraag

1. Probeer in je eigen woorden uit te leggen wat de oorzaak van deze

instorting was.

1.3 Eindopdracht

Het in de inleiding genoemde zelfherstellende vermogen van de Romeinse

bouwwerken wordt tegenwoordig ook toegepast bij beton. Scheuren in

beton die tot betonrot kunnen leiden kunnen van zelf worden gedicht

voordat de aantasting van het beton ontstaat. De eindopdracht van deze

module gaat over zelfherstellend beton.

Figuur 6 – De appartementen

voor en na de instorting


Met een groepje van vier leerlingen maak je een artikel voor de schoolkrant

over zelfherstellend beton.

Artikel voor de schoolkrant over zelfherstellend beton

Het is de bedoeling dat je een beeld krijgt van de nieuwe ontwikkelingen op

het gebied van zelfherstellend beton.

Verwerk in het artikel ook de antwoorden op de contextvragen.

Contextvragen

Hoe kun je de materiaaleigenschappen van beton beïnvloeden?

Waar kun je beton allemaal voor gebruiken?

Als je kijkt naar de duurzaamheid, verwerkbaarheid en sterkte van

beton, welke nieuwe toepassingen liggen dan in het verschiet?

Om de eindopdracht te kunnen uitvoeren hebben jullie eerst kennis nodig

van:

De grondstoffen van beton (hoofdstuk 2).

Zouten (hoofdstuk 3).

Aanmaakwater en betonhydraten (hoofdstuk 4).

Hoe de samenstelling van beton samenhangt met de

toepassing(hoofdstuk 5).

Het zelfherstellend vermogen van beton (hoofdstuk 6).

2. Beton maken


Beton is niets anders dan een mengsel van grind, zand, cement,

water en hulpstoffen.

De eigenschappen worden bepaald door de aard en de verhouding

van de basiscomponenten en de keuze van de hulpstoffen.

Hulpstoffen beïnvloeden de verwerkbaarheid, de krimp, de

waterdichtheid en de chemische weerstand van het beton.

2.1 Experiment 1: Het opnemen van water door cement

Onderzoeksvraag

Is het opnemen van water door cement een chemisch proces?

Benodigdheden 2 plastic bekertjes

roerstaaf

10 mL maatcilinder

thermometer

weegschaal

25 g snelcement

25 g metselzand

20 mL leidingwater

Uitvoering

Deel 1: Het maken van een zand + water mengsel

1. Weeg met de weegschaal ca. 25 g zand af en doe dit in een plastic

bekertje.

2. Meet daarna met de maatcilinder ca. 10 mL leidingwater af.

3. Meet de temperatuur van het leidingwater en noteer deze in de

tabel bij het onderdeel “resultaten”.

4. Voeg daarna het water bij het zand en roer het mengsel rustig door

met de roerstaaf.

5. Lees na ongeveer 2 minuten opnieuw de temperatuur af en noteer

deze.

Deel 2: Het maken van een cement + water mengsel

1. Herhaal bovenstaande proef, maar vervang het zand door evenveel

snelcement.

2. Veiligheid: Weeg het snelcement af in de zuurkast.

Resultaten

Neem onderstaande tabel over en noteer de resultaten.

Temperatuur (°C) Deel 1: zand + water Deel 2: cement +

water

begin

na 2 minuten

Figuur 1 – Snelcement

Figuur 2 - Metselzand


Conclusie

Beantwoord in je conclusie de onderzoeksvraag.

2.2 Experiment 2: Het verharden van cement

Onderzoeksvraag

Wordt al het water gebruikt bij het verharden?

Benodigdheden 2 plastic bekertjes

roerstaaf

25 mL maatcilinder

weegschaal

2 plastic boterhamzakjes

50 g snelcement

50 g metselzand

40 mL leidingwater

Uitvoering

Deel 1: Het maken van zand & water mengsel

1. Weeg met de weegschaal ca. 50 g zand af en doe dit in een plastic

bekertje.

2. Meet daarna met de maatcilinder ca. 20 mL water af.

3. Voeg nu het water bij het zand en roer het mengsel rustig door met

de roerstaaf.

4. Bind daarna het bakje af met het plastic zakje. Zorg er voor dat het

zakje goed dicht is.

Deel 2: Het maken van een cement & water mengsel

1. Herhaal bovenstaande proef, maar vervang het zand door evenveel

cement.

2. Laat beide bakjes ongeveer een week staan.

Conclusie


2.3 Experiment 3: Beton maken en testen

Dit experiment bestaat uit twee deelexperimenten:

Experiment 3a: Verschillende soorten beton maken

Experiment 3b: De verschillende soorten beton testen op breekbaarheid

Experiment 3a: Verschillende soorten beton maken

Benodigdheden per groepje mengbak of emmer

500 mL bekerglas

Figuur 3 – Bakjes met

zelfgemaakt beton


200 mL bekerglas

frikandellenbakjes

boterhamzakje

grote lepel of plamuurmes

druppelpipet

markeerstift

plateau

plastic bekertje

1000 g Beamix (is een mengsel van cement, zand en grind)

Extra benodigdheden per groepje

groep 3: 500 g zand

groep 4: 15 g suiker

groep 5: 3 druppels afwasmiddel

groep 6: volièregaas/ kippengaas

Uitvoering

1. In totaal ga je met je klas 6 verschillende soorten beton maken.

2. Verdeel onderstaande 6 mengsels dus over de groepjes in de klas.

3. In de tabel staan de stoffen die je per groep moet mengen.

4. Markeer de frikandellenbakjes met je naam en nummer!!

mengsel samenstelling

1 (standaard) 1000 g Beamix + 100 mL water

2 (extra water) 1000 g Beamix + 200 mL water

3 (met zand) 500 g Beamix + 500 g zand + 100 mL water

4 (met suiker) 1000 g Beamix + 100 mL water + 15 g suiker

5 (met afwasmiddel) 1000 g Beamix + 100 mL water + 3 druppels

afwasmiddel

6 (met volièregaas) 1000 g Beamix + 100 mL water + volièregaas of

kippengaas

5. Weeg de stoffen af die jouw groep nodig heeft. Veiligheid: Weeg de

Beamix af in de zuurkast.

6. Voeg de Beamix en het water bij elkaar. Let op: giet het water er

voorzichtig bij, want het cement zal omhoog stuiven!

7. Je moet ongeveer een minuut lang goed roeren om te zorgen dat

alles gemengd is.

8. Vul twee frikandellenbakjes tot de rand. De kans is groot dat er nog

luchtbellen in het mengsel zitten. Wil je de luchtbellen eruit halen,

dan kan je het de lucht eruit ‘kloppen’. Doe dat als volgt:

9. Laat het bakje zachtjes een paar keer op de tafel vallen. Zo verdeelt

al het materiaal zich goed in het bakje.

10. Zet de frikandellenbakjes op plek waar ze minimaal twee dagen

kunnen ‘drogen’. Het mengsel gaat nu hydrateren, er ontstaat

beton!

Figuur 4 – Omgekeerd bekertje

met beton


11. Doe de rest van het mengsel in een plastic bekertje. Keer het plastic

bekertje om op een door de docent aangewezen plek.

Extra voor groep 6

1. Knip het volièregaas/kippengaas zodat het in het frikadellenbakje

past.

2. Giet het frikandellenbakje voor de helft vol met het mengsel.

3. Leg het gaas erop en druk dit goed aan.

4. Giet vervolgens het bakje verder vol.

Resultaten

Neem onderstaande tabel over en noteer de resultaten.

Mengsel in plasticbekertje

Hoe ziet het eruit?Te denken valt aan: vochtig, droog, korrelig,glad, ingezakt etc.

1 (standaard)

2 (extra water)

3 (met zand)

4 (met suiker)

5 (met afwasmiddel)

6 (met volièregaas)

Verwerking

De hoeveelheid water dat in beton wordt verwerkt heeft grote invloed op de

consistentie (verwerkbaarheid). Hoe meer water des te vloeibaarder de

specie. Meer water betekent ook dat het beton minder sterk wordt. De

verwerkbaarheid wordt onderverdeeld in 6 consistentieklassen

Consistentieklassen

0 = droog (bijna geen vocht zichtbaar)1 = aardvochtig (beetje vochtig)2 = halfplastisch (specie is sterk vochtig)3 = plastisch (specie kan matig uitlopen)4 = zeer plastisch (specie kan redelijk goed uitlopen5 = zeer vloeibaar (specie vloeit zeer goed)

Geef in de tabel op bladzijde 14 aan, welke consistentieklasse elk mengsel

uit de plastic bekertjes heeft? Gebruik hierbij de resultaten van je proef.Figuur 5 – De betonpers


Mengsel Consisten-tie klasse

Mengsel Consisten-tie klasse

1 (standaard) 4 (met suiker)

2 (extra water) 5 (met afwasmiddel)

3 (met zand) 6 (met volièregaas)

Experiment 3b: Verschillende soorten beton testen

Na minimaal twee dagen is het beton nog lang niet ‘uitgehard’, dit duurt

namelijk 28 dagen. Toch is het voldoende uitgehard om verschil in sterkte te

kunnen meten tussen de verschillende soorten beton.

Onderzoeksvraag

Welk mengsel leidt tot de sterkste betonsoort?

Uitvoering Meet na 48 uur de treksterkte.

Volg de instructies bij de pers.

Meet de treksterkte van beide betonstaven.

Noteer beide waardes in de tabel en bereken het gemiddelde.

Neem de tabel over en vul met de hele klas de tabel verder in.

Resultaten

Mengsel Treksterkte 1(kg)

Treksterkte 2(kg)

Treksterkte ge-middeld (kg)

1 (standaard)

2 (extra water)

3 (met zand)

4 (met suiker)

5 (met afwasmiddel)

6 (met volièregaas)

Conclusie


Vragen bij experiment 3b

1. De treksterkte van beton is de kracht die aangeeft wanneer het

materiaal bezwijkt, uitgedrukt in N mm−2.

Reken de gemeten waarden in kg om naar N mm−2.

2. De druksterkte van beton is ruim tien maal groter dan de treksterkte.

Leg uit hoe dit komt?

De betonpers met aflees

venster


Figuur 6 – Werken met de betonpers op het Ashramcollege

Wat je nu moet weten

Beton is een mengsel van grind, zand, cement, water en

hulpstoffen.

Hydrateren van cement is een chemisch proces waarbij water

één van de reagerende stoffen is.

Wat de functie is van de consistentieklassen.

Welke betonsoort de grootste treksterkte geeft.

3. Zouten


Grotten kennen we allemaal. En we hebben ze wel eens bezocht,

meestal op vakantie. Maar zo mooi als Naica in Chihuahua in

Mexico zie je ze nooit. De mijn in Noord-Mexico staat bekend om

zijn reusachtige kristalformaties. De grootste werden er pas in

2000 gevonden bij toeval, door twee mijnwerkers. De kristallen in

deze grot zijn enorm groot: sommige zijn 11 meter lang met een

diameter van 2 m. En een gewicht van ongeveer 55 ton. Deze

kristalformaties zijn zouten.

De belangrijkste grondstof voor cement is kalksteen, of wel

calciumcarbonaat, een zout. Om het verhardingsproces van cement

te versnellen worden hulpstoffen als soda of kaliumhydroxide

gebruikt, ook dat zijn zouten.

3.1 Herhaling

In de module ECOreizen zijn de zouten al geïntroduceerd. Dit wordt hier kort

herhaald.

In vaste toestand geleiden de zouten geen elektrische stroom, zouten

bevatten in vaste toestand dus geen vrij bewegende geladen deeltjes. In

gesmolten toestand geleiden zouten wel.

Soms kan een atoom een elektron afstaan of opnemen. Natrium en chloor

zijn daar voorbeelden van. Het natriumatoom heeft één elektron in zijn

buitenste schil en zal er dus één afstaan om zo de gewenste

edelgasconfiguratie te verkrijgen. Daartegenover zal het chloor atoom er

een opnemen, het bezit immers 7 elektronen in zijn buitenste schil.

Figuur 2 – een Na atoom en een Cl atoom

Als een atoom een elektron, dat negatief is, verliest krijgt het hele atoomeen positieve lading. Andersom krijgt een atoom dat een extra elektronopneemt een negatieve lading.

Figuur 1 – Selenietkristallen in

de Naicamijn

Dit is een zeer extreme mijn,

die je niet zomaar kunt

bezoeken. Een team van

internationale wetenschappers

ging er recent kijken. De

temperatuur was gemiddeld

48.8 graden, terwijl de

luchtvochtigheid meer dan 80

procent is. Deze mijn is één van

de gevaarlijkste ter wereld.

Zonder speciale pakken en

apparatuur ben je binnen

enkele minuten dood.


Figuur 3 - natriumatoom staat een elektron af aan het chlooratoom,

er ontstaat de stof natriumchloride

Ionen zijn atomen die niet elektrisch neutraal zijn, maar positief of

negatief geladen zijn.

Deze ionen kunnen zich vrij in de vloeistof bewegen. Een positief geladen

atoom noemen we een positief ion, een negatief geladen atoom noemen we

een negatief ion.

Het aantal elektronen dat een atoom kan opnemen of afstaan noemen we

de elektrovalentie. Voor de elektrovalentie geldt, net als bij de covalentie,

dat een atoom ‘streeft’ naar een edelgasconfiguratie.

De ionen zijn in de vaste stof netjes gerangschikt in een ionrooster.

Zouten hebben een hoog smeltpunt, dit wijst erop dat de ionbinding een

sterke binding is.

3.2 Verhoudingsformules

Zoutformules zijn verhoudingsformules, ze geven de kleinste verhouding

aan waarin de ionen in het ionrooster voorkomen. Als je weet welke

ionsoorten in een zout aanwezig zijn kan je de formule van een zout

opstellen. Een stof, dus ook een zout, moet altijd elektrisch neutraal zijn. De

verhouding tussen de positieve en de negatieve ionen moet zo zijn, dat de

positieve lading door de negatieve lading wordt gecompenseerd.

Voorbeeld

Naam Ion verhouding Verhoudingsfor-

mule

natriumchloride Na+ : Cl− = 1 : 1 NaCl

calciumbromide Ca2+ : Br− = 1 : 2 CaBr2

aluminiumoxide Al3+ : O2− = 2 : 3 Al2O3

Figuur 4 – een Na+-ion, een

natriumion.

Figuur 5 – een Cl—ion, een

chloride-ion


Figuur 6 - vorming van een ionrooster van natriumionen en chloride-ionen

Veel voorkomende enkelvoudige positieve ionen van metalen zijn vermeld in

tabel 1.

Veel voorkomende enkelvoudige negatieve ionen staan in tabel 2.

Tabel 1 – Enkelvoudige positieve ionen

naam ion formule naam ion formule

lithium Li+ koper(I) Cu+

natrium Na+ koper(II) Cu2+

kalium K+ kwik(I) Hg+

magnesium Mg2+ kwik(II) Hg2+

calcium Ca2+ lood(II) Pb2+

zink Zn2+ lood(IV) Pb4+

barium Ba2+ mangaan(II) Mn2+

aluminium Al3+ mangaan(IV) Mn4+

chroom(III) Cr3+ nikkel Ni2+

chroom(VI) Cr6+ tin(II) Sn2+

ijzer(II) Fe2+ tin(IV) Sn4+

ijzer(III) Fe3+ zilver Ag+

goud(I) Au+ zink uraan(III) U3+

goud(III) Au3+ uraan(VI) U6+

Tabel 2 – Enkelvoudige negatieve ionen


oxide O2− chloride Cl−

sulfide S2− bromide Br−

fluoride F− jodide I−

Naamgeving

Bij sommige metalen zijn er meerdere ionen mogelijk, bijvoorbeeld Cu+ en

Cu2+.


Om deze ionen van elkaar te onderscheiden wordt er gebruik gemaakt van

Romeinse cijfers.

CuCl heet dan koper(I)chloride;

CuCl2 heet dan koper(II)chloride.

Vragen

1. Geef de formules van de volgende ionen:a. bariumion f. zinkion

b. magnesiumion g. tin(IV)ion

c. fluoride-ion h. jodide-ion

d. sulfide-ion i. calciumion

e. aluminiumion j. oxide-ion

2. Geef de verhoudingsformules van de volgende zouten:a. natriumsulfide

b. lood(IV)chloride

c. nikkelbromide

d. chroom(III)oxide

e. aluminiumjodide

f. zilverfluoride

g. ijzer(II)oxide

h. ijzer(III)oxide

i. magnesiumchloride

j. mangaan(IV)oxide

Naast enkelvoudige ionen bestaan er ook samengestelde ionen. Dit zijn

ionen die uit twee of meer atoomsoorten zijn opgebouwd.

Veel voorkomende samengestelde ionen van niet-metalen zijn vermeld in

tabel 3.

Tabel 3 – Samengestelde ionen


ammonium NH4+nitriet NO2

−

acetaat CH3COO− sulfaat SO42−

carbonaat CO32− sulfiet SO3

2−

fosfaat PO43− waterstofcarbonaat HCO3

−

hydroxide OH− silicaat SiO32−

nitraat NO3−

Vragen3. Geef de verhoudingsformules van de volgende zouten:

a. aluminiumsulfide

b. tin(IV)bromide

c. ammoniumfosfaat

d. zilverjodide

e. ijzer(III)sulfaat

Betonrot

In het hele land zijn in

bepaalde woningen, gebouwd

tussen 1965 en 1981,

betonvloeren gelegd van het

type Manta of het type

Kwaaitaal. Door het gebruik

van het zout Calciumchloride

in het beton kan roestvorming

ontstaan op de metalen

wapening. Op den duur kunnen

door de roestvorming stukken

beton afbreken, waardoor de

sterkte en daarmee de

veiligheid van de vloer

afneemt..

Eerst verschijnt er put corrosie,

te zien aan de bruine roestige

vlekken in het beton.

Het beton gaat scheuren

doordat het betonijzer uitzet.

Doordat het betonijzer door het

corrosieproces steeds verder

uitdijt springt het beton er zelf

af. Nu hebben we het al over

een ernstige betonschade.


f. calciumwaterstofcarbonaat

g. lood(II)nitraat

h. kaliumcarbonaat

i. magnesiumhydroxide

j. koper(I)sulfaat

4. Geef de namen van de volgende zouten:

a. MgO

b. Na2SO4

c. CaBr2

d. Ba(OH)2

e. Pb(NO3)2

f. Al2(CO3)3

g. SnI4

h. Zn3(PO4)2

i. Mg(HCO3)2

j. K2SO3

3.3 Oplosbaarheid

Hoewel alle zouten zijn opgebouwd uit ionen, lossen ze toch lang niet

allemaal op in water. Een aantal zouten is echter vrij goed oplosbaar in

water. Met behulp van een oplosvergelijking is dit oplossen weer te geven.

Hieronder staan de oplosvergelijkingen van een aantal zouten in water:

2

2MgCl s Mg aq 2 Cl aq

2

2 4 4Na SO s 2 Na aq SO aq

2+ -

2Ba OH s Ba (aq) + 2 OH (aq)

In Binas tabel 45A staat in een overzicht welke combinatie van ionen een

goed of slecht oplosbaar zout vormen. De oplosbaarheid van de zouten is

aangegeven met goed (g), matig (m) of slecht (s) oplosbaar zijn in water.

Vraag5. Geef de vergelijking voor het oplossen in water van de volgende zouten:

a. kaliumfosfaat

b. ammoniumnitraat

c. calciumwaterstofcarbonaat

d. natriumcarbonaat

e. ijzer(III)bromide

Oplossingen van hydroxiden worden vaak met een triviale namen

aangeduid, Binas tabel 66A. Deze triviale namen moet je goed kennen, ze

worden veel gebruikt in de scheikunde. In tabel 4 staan deze triviale namen.


Tabel 4 – Triviale namen

triviale naam naam van de

opgeloste stof

ionen in de oplossing

Natronloog Natriumhydroxide Na+(aq) + OH− (aq)

Kaliloog Kaliumhydroxide K+(aq) + OH− (aq)

Kalkwater Calciumhydroxide Ca2+(aq) + 2 OH− (aq)

Barietwater Bariumhydroxide Ba2+(aq) + 2 OH− (aq)

Metaaloxiden

De meeste metaaloxiden zijn slecht oplosbaar in water. Maar er zijn vier

metaaloxiden die reageren met water, zie Binas tabel 45A.

Een voorbeeld:+ -

2 2Na O(s) + H O(l) 2 Na (aq)+2 OH (aq)

Er ontstaat natronloog.

Vraag

6. Geef de oplosvergelijkingen van de overige drie metaaloxiden. Vermeld

ook de triviale namen van de oplossingen die ontstaan.

Hydratatie van ionen

Het oplossen van zouten is een ander verschijnsel dan het oplossen van

moleculaire stoffen. Zouten bestaan uit ionen en de ionbinding is een sterke

binding. Als de zouten oplossen, splitsen zij in ionen en wordt de ionbinding

verbroken. Om het verbreken van de ionbinding te compenseren, moet er

een andere sterke binding tussen de ionen en de watermoleculen ontstaan.

Deze bindingen zijn krachten tussen de losse ionen en de dipolen van de

watermoleculen: de ion-dipoolkrachten. De losse ionen worden omgeven

door watermoleculen. Deze omhulling noemen wij hydratatie. In figuur 7 is

zowel een gehydrateerd Na+ -ion als een gehydrateerd Cl− -ion in een

natriumchloride-oplossing afgebeeld. Verkort worden deze ionen geschreven

als Na+(aq) en Cl− (aq).

Sommige zouten kunnen ook in andere oplosmiddelen oplossen, zoals

ethanol, C2H5OH, of vloeibaar ammoniak. Deze stoffen hebben ook

dipoolmoleculen. Gebruik deze kennis om met de waarnemingen bij

experiment 7 de onderstaande vragen te beantwoorden.

Vragen

7. Geef de vergelijking voor het oplossen van koperchloride en

kobaltchloride in water.

8. Het Cu2+(aq)-ion en het Co2+(aq)-ion veroorzaken de kleur van de

oplossingen. Teken een gehydrateerd Cu2+-ion.

9. Teken het deeltje dat de kleur veroorzaakt in de oplossing van

koperchloride met alcohol.

Figuur 7 – Gehydrateerd

natriumion en chloride-on


10. Verklaar de kleurveranderingen die optreden bij het toevoegen van

enkele druppels water aan de alcoholoplossing.

11. Sommige zouten zijn niet oplosbaar in water. Geef hiervoor een

verklaring

3.4 Neerslagreacties

Sommige zouten lossen goed op in water en andere slecht. Als je twee

zoutoplossingen bij elkaar doet kan je een troebeling krijgen en zakt de

gevormde vaste stof naar beneden. Er is dan een nieuw slecht oplosbaar

zout ontstaan. We zeggen dat er een neerslag is ontstaan. In Binas tabel

45A kun je kijken welke combinatie van ionen een goed of slecht oplosbaar

zout geven.

Voorbeeld

Wanneer oplossingen van natriumchloride en zilvernitraat bij elkaar gevoegd

worden, ontstaat er een neerslag van zilverchloride. Je kunt als hulpmiddel

een klein oplosbaarheidstabelletje maken.

Tabel 5 – Oplosbaarheidstabelletje

Cl− (aq) NO3− (aq)

Na+ (aq) g g

Ag+ (aq) s g

De vergelijking van de neerslagreactie ziet er als volgt uit:

+ -Ag aq + Cl aq AgCl s

Vragen

12. De volgende zoutoplossingen worden bij elkaar gevoegd. Geef de

reactievergelijking van de optredende neerslagreactie voor:

a. lood(IV)nitraat en kaliumbromide

b. ijzer(II)acetaat en ammoniumsulfiet

c. kaliloog en magnesiumjodide

d. zinkbromide en natriumsulfide

e. aluminiumsulfaat en barietwater

13. We voegen een oplossing van bariumnitraat bij een oplossing van

natriumcarbonaat in de juiste molverhouding.

a. Geef de reactievergelijking van de neerslagreactie die optreedt.

Het mengsel wordt gefiltreerd.

b. Beredeneer welke ionen na de filtratie van het neerslag in het

filtraat aanwezig zijn.

c. Geef het indampen van het filtraat in een reactievergelijking weer.


3.5 Experimenten

Met behulp van proeven met neerslagreacties is het mogelijk om:

Een neerslagtabel te maken.

Een ionsoort uit een oplossing te verwijderen.

Ionsoorten aan te tonen.

Een verontreiniging aan te tonen.

Een onbekend zout vast te stellen.

Experiment 4: Een neerslagtabel maken

Je gaat uitzoeken welke combinaties van positieve en negatieve

ionen een neerslag geven als je twee zoutoplossingen bij elkaar

voegt.

We gebruiken hiervoor steeds twee druppeltjes van elke

zoutoplossing in een druppelplaat.

De oplossingen met de verschillende positieve ionen bevatten steeds

nitraationen als negatief ion.

De oplossingen met de verschillende negatieve ionen bevatten

steeds natriumionen als positief ion.

Uitvoering

Doe twee druppels van een oplossing die Na+(aq) bevat in de

buisjes van kolom 1.

Doe twee druppels van een oplossing die K+(aq) bevat in de buisjes

van kolom 2.

Doe de andere positieve ionen op dezelfde manier in de andere

kolommen.

Doe twee druppels van een oplossing die NO3−(aq) bevat in de

buisjes van rij A.

Doe de andere negatieve ionsoorten op dezelfde manier in de

andere rijen.

Figuur 9 – Een druppelplaat met neerslagen

Figuur 8 – Reageerbuis met

druppeldop


Tabel 6 – Oplosbaarheidstabel

Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Al3+ Fe2+ Fe3+ Zn2+ Cu2+ Ba2+ Pb2+ Ag+

NO3− 1

A

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

CH3COO−B

Cl− C

I−D R

SO42−

E

OH−F

CO32−

G R RPO4

3−H

Experiment 5: Het verwijderen van ionen uit een oplossing

a. Verwijder door middel van een neerslagreactie de calciumionen uit de

calciumnitraatoplossing. Bedenk eerst welke zoutoplossing je kunt gebruiken.

Schrijf de reactievergelijking op.

Doe een druppel calciumnitraatoplossing in een leeg buisje van de

buisjesplaat en voeg een druppel van de andere oplossing toe.

Als je het experiment in een reageerbuis uitvoert kan je het neerslag laten

bezinken en na filtreren hou je een oplossing over die geen calciumionen

meer bevat.

b. Grondwater kan door gebruik van kunstmest verontreinigd zijn met

fosfaten. Bedenk een methode om fosfaationen uit een oplossing te

verwijderen.


Voer de neerslagreactie uit met de natriumfosfaatoplossing.

c. In een bloedstelpend middel komen ijzer(III)ionen voor. Bedenk een methode om deze te verwijderen.

Schrijf de reactievergelijking op en voer de proef uit.

Experiment 6: Het aantonen van ionsoorten

a. Wrattenmiddel bevat zilvernitraat. Onderzoek of de vloeistof in het

buisje 'Wrattenmiddel?' echt wrattenmiddel is of een zinknitraat-

oplossing.

Welke zoutoplossing ga je aan 'wrattenmiddel?' toevoegen?



b. Onderzoek een oplossing van onkruidbestrijder op de aanwezigheid van

sulfaat- of fosfaationen.

Welke zoutoplossing ga je aan de onkruidbestrijder toevoegen?


c. Onderzoek of een oplossing van badzout natriumcarbonaat of

calciumchloride bevat.

Welke zoutoplossing ga je aan de badzoutoplossing toevoegen?


Experiment 7: Water en ethanol als oplosmiddel.

a. Los een spatelpuntje koperchloride op in een reageerbuis met ongeveer

5 cm water. Los in een andere reageerbuis een spatelpuntje

koperchloride op in ongeveer 5 cm alcohol. Schenk de helft van de

oplossing in alcohol in een schone en droge reageerbuis en voeg een

paar druppels water toe. Schenk vervolgens bij de oplossing in water

een aantal mL ammonia.

b. Herhaal onderdeel a maar nu met kobaltchloride.

Neem onderstaande tabel over en zet de kleuren die je waarneemt bij deze

proef overzichtelijk bij elkaar.

Tabel 7 – Waarnemingen experiment 7

naam stof water ethanol water/

ethanol

ammonia

koperchloride

kobaltchloride

Experiment 8: Het aantonen van een verontreiniging

Broxomatic is een onthardingszout voor vaatwasmachines. Broxomatic

bestaat voornamelijk uit natriumchloride. Onderzoek of de broxomatic

verontreinigd is met soda (natriumcarbonaat).

Los een beetje broxomatic op in een 'epje'. Deze oplossing kun je voor

onderzoek in de druppelplaat druppelen met een druppelpipetje of

reageerbuis met druppeldop.

Welke zoutoplossing ga je aan de broxomatic-oplossing toevoegen?


Experiment 9: Welk zout is het?

De buizen 9a, 9b, 9c en 9d bevatten oplossingen van natriumnitraat,

natriumsulfaat, natriumcarbonaat en natriumchloride.

Ga met zo weinig mogelijk proeven na welke oplossing in welke buis

zit.

Bedenk eerst hoe je het probleem gaat aanpakken.

Schrijf de reactievergelijkingen op.

Broxomatic wordt toegevoegd

aan het water in de vaatwasser

om te voorkomen dat er

kalkaanslag ontstaat.


Experiment 10: Analyse van tien stoffen

Je krijgt nu 10 onbekende stoffen en 10 namen. Het zijn niet alleen zouten,

er zitten ook metalen en moleculaire stoffen bij. In een groepje van 2

leerlingen gaan jullie de stoffen analyseren: welke stof zit in welk buisje?

De buisjes 1 t/m 10 bevatten in willekeurige volgorde: suiker, kaliumjodide,

calciumfosfaat, glycerol, magnesium, koperchloride, natriumcarbonaat,

water, aluminium en ammoniumsulfaat.

Werkplan

Maak een uitvoerig werkplan waarin jullie aangeven hoe je stap voor stap de

analyse denkt uit te voeren. Verwerk de onderstaande punten in je

werkplan.

Geef de formules van alle stoffen en geef aan tot welke groep van

stoffen ze behoren.

Zoek van de onbekende stoffen een aantal stofeigenschappen op.

Verklaar de verschillen in gevonden eigenschappen m.b.v. de

theorie over atoombouw en chemische binding.

Maak een schema waarin jullie systematisch aangeven hoe je de

analyse van de 10 stoffen gaat uitvoeren.

Jullie mogen pas met de analyse van de 10 onbekende stoffen beginnen

nadat jullie docent/ toa jullie werkplan heeft goedgekeurd.

3.6 Molariteit

In de module ECOreizen heb je al het begrip molariteit geleerd. Voor de

concentraties van zoutoplossingen gebruiken we ook de molariteit, de

eenheid is mol L−1.

Voorbeeld

We hebben een oplossing die per liter 0,15 mol calciumchloride bevat dan is

de notatie niet [CaCl2], want CaCl2 is in opgeloste toestand gesplitst in

ionen.2+ -

2CaCl (s) Ca (aq) + 2 Cl (aq)

De juiste notatie is dan:

[Ca2+] = 0,15 mol L−1 en [Clˉ] = 2 ⨯ 0,15 = 0,30 mol L−1

De molariteit van ionen wordt ook wel de concentratie van ionen genoemd.

Vragen

14. Bereken de molariteit van de volgende zoutoplossingen:

a. 1,75 g ammoniumnitraat opgelost tot 1,5 liter

b. 10,5 g bariumhydroxide opgelost tot 2,5 liter

het aantalmolstof het aantal mmolstofmolariteit(M)

het aantal liter oplos sing het aantal mL oplos sing

Welke stof in welk potje?


c. 6,5 g kaliumwaterstofcarbonaat opgelost tot 175 mL

d. 15 mg natriumfosfaat opgelost tot 250 mL

e. 88,5 mg aluminiumbromide opgelost tot 0,50 liter

15. Bereken de molariteit van de ionen in de zoutoplossingen van vraag 14

a t/m e.

16. Bereken hoeveel mol van welke ionen er in de volgende zoutoplossingen

aanwezig zijn. Geef eerst de vergelijking voor het oplossen en voer

daarna de berekening uit.

a. 25 mL 2,5∙10−2 M bariumchloride oplossing

b. 165 mL 3,5∙10−3 M aluminiumsulfaat oplossing

c. 500 mL 2,0∙10−1 M kalkwater

d. 2,0 L 0,10 M natriumcarbonaat oplossing

e. 2,5 L 2,0 M kaliloog

17. Gegeven: 30 ml 0,30 M calciumchloride.

a. Bereken de molariteit van zowel de calcium als de chloride ionen

De oplossing wordt met water aangevuld tot een volume van 100 mL.

b. Bereken opnieuw de molariteit van zowel de calcium als de chloride

ionen.

Component EenheidSpa

blauwComponent Eenheid

Spa

blauw

Soort water fles Lood µg/l Pb

Zuurtegraad pH 6 Magnesium mg/l Mg 1.3

Aluminium µg/l Al Mangaan mg/l Mn

Ammonium mg/l N Natrium mg/l Na 3

Cadmium µg/l Cd Nitraat mg/l N 1.9

Calcium mg/l Ca 4.5 Nitriet mg/l N

Carbonaatmg/l

CO3

Silicaat mg/l Si 7

Chloride mg/l Cl 5 Sulfaat mg/l SO4 4

Fluoride mg/l FWaterstof-

carbonaatmg/l HCO3 15

IJzer mg/l FeZuurstof,

opgelostmg/l O2

Kalium mg/l K 0.5

Koper µg/l Cu

Figuur 10 – Samenstelling van Spa blauw

18. Bekijk de samenstelling van Spa blauw bronwater in figuur 10.

a. Geef de juiste formules van de aanwezige ionen in het bronwater

op het etiket

Spa bronwater


b. Reken de concentraties van de Ca, Cl en de Mg ionen om in mol L−1

19. Bereken hoeveel gram neerslag maximaal kan ontstaan door het bij

elkaar voegen van twee zoutoplossingen. Geef eerst de vergelijking

voor de neerslagreactie en voer daarna de berekening uit.

a. 50 mL 0,10 M zilvernitraat toevoegen aan 50 mL 0,10 M

natriumchloride

b. 50 mL 0,15 M bariumbromide toevoegen aan 50 mL 0,20 M

natriumsulfaat

3.7 Kristalwater en hydraten

Als je een zoutoplossing indampt kan soms water in het ionrooster van een

zout worden ingebouwd. Het water is dan chemisch gebonden. Het kristal-

rooster van dat zout bevat dan kristalwater.

Zouten die kristalwater bevatten noemen we hydraten. In de derde klas

heb je geleerd dat er wit koper(II)sulfaat en blauw koper(II)sulfaat bestaat.

Als er op het eerste zout wat water komt, wordt het blauw. Wit koper(II)sul-

faat is een reagens op water.

Blauw koper(II)sulfaat is een hydraat. Dit is ook af te lezen aan de formule.

Let op: de stof is ondanks het water nog steeds een vaste stof!

Wit kopersulfaat CuSO4 (s)

Blauw kopersulfaat: CuSO4∙5H2O (s); de systematische is

kopersulfaatpentahydraat

Wit koper(II)sulfaat bindt per mol, 5 mol kristalwater.

Door blauw koper(II)sulfaat te gaan verwarmen, verdampt het water en er

ontstaat wit koper(II)sulfaat. Doe je daar weer water bij, dan wordt het wit

koper(II)sulfaat weer blauw enz.

Vraag

20.

a. Noteer de vergelijking van de reactie van het verwarmen van blauw

kopersulfaat.

b. Noteer ook de vergelijking van de reactie van wit kopersulfaat met

water.

c. Leg uit welke reactie endotherm en welke reactie exotherm is.

d. Bereken de molaire massa van blauw kopersulfaat.

21. Als je gipspoeder (calciumsulfaat) mengt met water ontstaat hard gips.

Dit is een hydraat dat per mol calciumsulfaat 2 mol water bevat.

Geef de formule en de naam van dit hydraat.

Blauw kopersulfaat

Wit kopersulfaat

Wit kopersulfaat waar wat

water aan toegevoegd is.


Demonstratie-experiment 11: Bevat soda kristalwater?

Benodigdheden wit kopersulfaat

kristalsoda

erlenmeyer

reageerbuis

stop met een gat erin, die past op de erlenmeyer

stop met twee (!) gaten die past op de reageerbuis

slangetje die in het gat van de stop past

bunsenbrander

driepoot

lucifers

houten reageerbuishouder

Uitvoering Bouw de opstelling van hiernaast.

Breng in de erlenmeyer ongeveer 5 gram kristalsoda.

In de reageerbuis doe je een schep wit koper(II)sulfaat.

Doe daarna beide doorboorde stoppen met de slang op de

erlenmeyer en de reageerbuis.

Houd de reageerbuis vast met een reageerbuishouder, zodat je je

vingers niet kunt branden.

Verwarm nu voorzichtig de soda.

Verwerking

Zoek de formule van kristalsoda op en schrijf deze op.

3.8 Dubbelzouten

Bij een dubbelzout is er sprake van een combinatie van twee positieve ionen

met één negatief ion. Het omgekeerde kan ook waarbij twee negatieve

ionen een zout vormen met één positief ion.

Voorbeelden hiervan zijn mineralen zoals:

Chalcopyriet, CuFeS2

Hydrozinciet, Zn5(OH)6(CO3)2

Ilmeniet, FeTiO3

Aluin, KAl(SO4)2∙12H2O

Andere dubbelzouten vind je in cement, bijvoorbeeld:

Ca3Al2O6 en Ca4Al2Fe2O10.

Vraag

22. Wat zijn de ladingen van de koper en ijzer ionen in chalcopyriet?

23. Wat is de lading van het ijzer-ion in ilmeniet, als gegeven is dat de

valentie van titaan 4+ is?

Figuur 11 – opstelling demo-

experiment 11

Hydrozincietkristallen

Chalcopyrietkristallen


24. Beantwoord de onderstaande vragen over het dubbelzout Ca4Al2Fe2O10

in beton.

a. Leg uit wat de lading is van het Fe-ion in dit dubbelzout?

b. Bereken het massapercentage Al in het dubbelzout.

3.9 Oefenopgaven

Vragen

25. Pyromorfiet is een loodverbinding die in de aardkorst voorkomt. De

formule van pyromorfiet is Pb5Cl(PO4)n. In deze verbinding komen

loodionen uitsluitend als Pb2+-ionen voor.

Leg uit welke waarde n in de formule van pyromorfiet heeft.

26. De voorraadpot met zinknitraat is mogelijk verontreinigd met

lood(II)nitraat.

a. Geef de formule van beide stoffen.

b. Beschrijf zo volledig mogelijk je plan van aanpak om aan te tonen

of zinknitraat wel of niet verontreinigd is met lood(II)nitraat. Geef

hierbij duidelijk aan welke stoffen je gaat gebruiken en welke

handelingen je gaat verrichten. Maak hierbij ook een kleine

oplosbaarheidstabel.

27. Het komt wel eens voor dat je een bepaald zout wilt maken.

Bijvoorbeeld omdat de voorraadpot van dat zout net leeg is. In ons

geval is het zout magnesiumfosfaat op.

a. Geef de formule van magnesiumfosfaat.

b. Beschrijf zo volledig mogelijk je plan van aanpak om het zout

magnesiumfosfaat te maken. Geef hierbij duidelijk aan welke

stoffen je gaat gebruiken en welke handelingen je gaat verrichten.

Maak hierbij ook een kleine oplosbaarheidstabel.

c. Geef de vergelijking van de reactie die plaatsvindt.

28. Er staan vier reageerbuisjes klaar met daarin de zouten:

ijzer(III)fosfaat

zilvernitraat

calciumchloride

magnesiumsulfaat

Ieder buisje bevat maar één stof.

Beschrijf zo volledig mogelijk je plan van aanpak om uit te zoeken welk

zout in welk buisje zit.

29. Een leerling lost 14,1 gram natriumsulfaat op in water tot een volume

van 250,0 mL. Er ontstaat een heldere kleurloze oplossing.

a. Bereken de molariteit van de ontstane oplossing.

b. Geef de reactievergelijking voor het oplossen van natriumsulfaat(s).

c. Bereken hoeveel mol van welke ionen in de oplossing aanwezig

zijn.

Pyromorfiet komt voor in gele,

groene of bruine tinten. Het

mineraal wordt gevonden in de

buurt van loodhoudende ertsen

en werd vroeger wel “groen

lood” genoemd.


d. Bereken de molariteit van de natriumionen.

e. Bereken het aantal mg sulfaationen dat zich in 25,0 mL oplossing

bevindt.

De oplossing van 25,0 mL wordt nu met water verdund tot een volume

van 1,25 liter.

f. Beredeneer het aantal mol sulfaationen dat nu in de oplossing

aanwezig is.

g. Bereken opnieuw de molariteit van de natriumionen.


Wat een ion is, een ionrooster en een verhoudingsformule.

De formules en namen van de ionen uit de tabellen 1, 2 en 3.

Hoe je verhoudingsformules van zouten maakt.

Hoe je een oplosvergelijking opstelt.

Hoe je een reactievergelijking van een neerslagreactie opstelt.

Berekeningen met molariteit kunnen uitvoeren.

Wat een hydraat is en wat kristalwater is.

Wat dubbelzouten zijn.

Figuur 12 – Om hout beter te beschermen tegen wegrotten werd gebruik gemaakt

van Wolmanzouten. Deze zouten bevatten arseen, chroom en koper. Vanwege de

grote giftigheid mogen ze niet meer worden gebruikt.

4. Aanmaakwater enbetonhydraten


Beton wordt niet alleen toegepast in constructiewerken maar ook

in de kunst. Het indrukwekkende Joods gedenkteken in Berlijn is

daar een voorbeeld van. Of je nu bouwwerken of kunst maakt,

onmisbaar voor het maken van beton is water. De kwaliteit en de

hoeveelheid water spelen een grote rol; zonder aanmaakwater kan

er immers geen hydratatie van beton plaatsvinden; beton zou dan

simpelweg niet verharden.

4.1 Kwaliteitseisen aanmaakwater

Als aanmaakwater komen verschillende soorten water in aanmerking. Hierbij

wordt er wel een aantal kwaliteitseisen aan het water gesteld. Rioolwater is

bijvoorbeeld niet geschikt als aanmaakwater voor beton. Drinkwater is wel

heel geschikt om als aanmaakwater te gebruiken, maar heeft als nadeel dat

het relatief duur is.Hieronder volgen enkele voorbeelden van verschillende soorten water die als

aanmaakwater gebruikt kunnen worden:

drinkwater

oppervlaktewater

bronwater

industrieel water

spoelwater

zeewater (alleen voor ongewapend beton).

De gebruikte soort aanmaakwater mag absoluut geen negatieve invloed

hebben op zowel het hydratatieproces van het cement als op de

duurzaamheid van het beton. Daarom is er van een aantal stoffen

vastgelegd wat de maximale toegestane hoeveelheid is, die in het

aanmaakwater aanwezig mag zijn.Het gaat hier o.a. om de volgende ionsoorten of groepen van stoffen:

chloriden

nitraten

fosfaten

sulfaten

suikers

zinkverbindingen

zuren (pH<7)

Het onderzoek naar de kwaliteit van het aanmaakwater is vooral van belang

als er geen gebruik gemaakt wordt van drinkwater als aanmaakwater.

Onderzoek en analyse gebeuren vaak op basis van normen. Deze normen

zijn verkrijgbaar bij de organisatie NEN in Delft. Het uitgangspunt voor

onderzoek naar het aanmaakwater van beton is de Nederlandse norm NEN-

EN 1008.

Op het knooppunt van de A27

en de A6 staan langs de kant

van de weg 5 betonnen

olifanten van kunstenaar Ton

Claassen.


4.2 Analyse aanmaakwater

Aangezien het onmogelijk is om al het aanwezige aanmaakwater te

onderzoeken, wordt er een gedeelte van het beschikbare water onderzocht.

Dit deel wordt een analysemonster genoemd. Dit analysemonster moet

natuurlijk wel representatief zijn voor al het beschikbare aanmaakwater.

Volgens NEN-EN 1008 moet er van het aanmaakwater een monster van

minimaal 5 liter genomen worden. Vervolgens moet het analysemonster

binnen twee weken onderzocht zijn.

Figuur 1 - Als geen kraanwater wordt gebruikt is controle van de waterkwaliteit

noodzakelijk.

Met uitzondering van gedestilleerd water zijn er in water altijd wel ionen

aanwezig. Met behulp van een neerslagreactie is kwalitatief na te gaan of

deze ionen aanwezig zijn in het gebruikte aanmaakwater.

Experiment 12: Onderzoek aanmaakwater en leidingwater

Onderzoeksvraag

Zijn in het verkregen aanmaakwater en in leidingwater de ionsoorten Cl−(aq)

en SO42−(aq) aanwezig?

Werkplan

Om de kwaliteit van het verkregen aanmaakwater en leidingwater te testen

ga je een kort werkplan opstellen hoe je het onderzoek gaat uitvoeren. Leg

het ter goedkeuring voor aan je docent of TOA.

Voer het onderzoek daarna uit.

Vraag

1. Wat is de invloed van een te hoog gehalte aan chloride- en sulfaationen

op de duurzaamheid van het beton? Bij het formuleren van je antwoord


kun je gebruik maken van informatie die o.a. te vinden is op de

volgende websites:

http://www.cementenbeton.nl/lexicon-links/ en

http://www.ervas.nl/?id=259

4.3 Beton en hydraten

De productie van betonspecie start met het ontwerpen van de samenstelling

ervan. Voor de juiste samenstelling houdt de betontechnoloog rekening met

de gewenste materiaaleigenschappen van het verharde beton. Ook de

omstandigheden voor het verwerken van de betonspecie zijn van belang.

Figuur 2 - De molenbaas regelt computergestuurd de kwaliteit van de betonmortel in

de mengers.

Een belangrijke grondstof van beton is portlandcement dat vooral uit

cementmineralen bestaat. Deze cementmineralen ontstaan door de reactie

van calciumoxide met silicium(IV)oxide, aluminiumoxide en ijzer(III)oxide bij

een temperatuur van ongeveer 1600 °C. Het calciumoxide is afkomstig van

kalksteen en/ of mergel. Zand en klei zijn de leveranciers van

silicium(IV)oxide en aluminiumoxide. Door middel van een ijzerhoudende

toeslag wordt ijzer(III)oxide aan het geheel toegevoegd.

Vraag

2. De cementindustrie levert een belangrijke bijdrage aan de CO2-uitstoot

bij de vorming van cement.

a. Zoek de chemische formule van kalksteen of mergel op.

b. Geef de reactievergelijking van de vorming van calciumoxide uit

kalksteen.

Cementmortel fabrieken in

Nederland


In tabel 1 staat een overzicht van de gebruikte cementmaterialen.

Tabel 1: Overzicht formules van cementmineralen

formule alternatieve notatie afkorting in de

cementindustrie

Ca3SiO5 3CaO · SiO2 C3S

Ca2SiO4 2CaO · SiO2 C2S

Ca3Al2O6 3CaO · Al2O3 C3A

Ca4Al2Fe2O10 4CaO· Al2O3 · Fe2O3 C4AF

Tijdens het aanmaken van het beton vormen cement, zand en grind met

water een plastische massa. Hierdoor is het mengsel goed te verwerken.

Vervolgens reageren de zouten (de cementmineralen) uit het cement met

het water tot hydraten. Bij het hydrateren van beton nemen de zouten

water op in hun kristalrooster. Dat noemen wij ook wel het verharden

(uitharden) ven beton. Dit leidt uiteindelijk tot kristalroosters met een grote

hardheid en het gevormde beton is dan ook zeer hard.

Bij de reactie van de cementmineralen uit tabel 1 met water ontstaan dus

hydratatieproducten. Hierbij ontstaat er ook calciumhydroxide (gebluste

kalk).

Het reactieschema ziet er als volgt uit:

cement + water → cementsteen + calciumhydroxide

De bijbehorende reactievergelijking in het geval van de hydratatie van C3S

is:

3 5 2 3 2 7 2 22 Ca SiO ( ) 6 H O(l) Ca Si O ·3H O(s) 3 Ca OH ( )s s

Vragen

3. Wat is de zoutformule van C3S?

4. Stel de reactievergelijking op voor de hydratatie van C2 S. Hierbij

ontstaat hetzelfde reactieproduct als in het voorbeeld.

5. Bij de hydratatie van portlandcement ontstaan verschillende vormen

cementsteen als hydratatieproduct. Stel dat portlandcement voor 100%

uit het cementmineraal C2S bestaat.

Bereken hoeveel ton cementsteen met formule Ca3Si2O7·3H2O er

maximaal kan ontstaan bij de hydratatie van 5,00 ton portlandcement.

Bij het uitharden van beton wordt het calciumsilicaat, Ca3SiO5, en kalk, CaO,

omgezet in calciumsilicaattrihydraat, Ca3Si2O7·3H2O en calciumhydroxide,

Ca(OH)2. Daarbij ontstaan grote kristallen, met een draderige structuur.

Door de vorm kunnen deze kristallen veel water binden, want de kristallen

hebben een grote oppervlakte/ inhoud verhouding. Daardoor ontstaat de

sterke structuur zoals we die van beton kennen. Zie figuur 3.

Figuur 3 – De draderige

structuur van cement die

ontstaat bij uitharden


Vraag

6. Leg uit waarom er voldoende water aanwezig moet zijn bij de hydratatie

van cement?

Mesostructuur van beton

De reactie tussen cement en water resulteert in het ontstaan van calcium-

silicaathydraat, afkorting CSH met als algemene formulex y z 2

Ca Si O aH O

en de draderige structuur. In figuur 4 staat een beeld van zo’n structuur

gemaakt met een elektronenmicroscoop.

Figuur 4 – Vezels van CsH, opgenomen met een elektronenmicroscoop

De CSH-vezels in figuur 4 hebben een diameter die kleiner is dan 1 µm

(duizend maal kleiner dan 1 millimeter). De vezels zijn met een gewone

microscoop niet te zien.

Het cementsteen bestaat naast CSH verder ook nog uit niet-gereageerd

cement, calciumhydroxide en water.

En als we spreken over beton dan is er sprake van een steenachtig

toeslagmateriaal dat bij elkaar gehouden wordt door cementsteen.

Figuur 5 is een modelvoorstelling van de groei van cementsteen.

Bij a. is er nog geen sprake van enige groei, er is grind, zand, cement en

water. Het water (blauw) en het grind (geel) zijn alleen weergegeven.

Bij b. is er reactie van cement met water. Houd er rekening mee dat niet alle

cement met water heeft gereageerd, want cementsteen (roze) is minder

poreus dan de omgeving die nog niet heeft gereageerd. Het water moet

door het minder poreuze cementsteen opgenomen worden om niet

gereageerd cement alsnog te laten reageren.

Figuur 5 – modelvoorstelling

van het uitharden van beton


Bij c. gaat de groei van cementsteen nog verder; de lege plaatsen (blauw)

bevatten water met daarin opgelost calciumhydroxide, een reactieproduct bij

de hydratatie.

Bij d. is het beton zo ongeveer uitgereageerd. Daar waar geen water meer is

(of een te hoge concentratie) zal het calciumhydroxide uitkristalliseren.

Calciumhydroxide vormt hexagonale kristallen.

Meer vormen van kristalstructeren vind je op

http://nl.wikipedia.org/wiki/Kristalstructuur

Als beton sterk uitvergroten wordt met behulp van een

elektronenmicroscoop ontstaan plaatjes die hieronder en hiernaast te zien

zijn. In de figuren zijn de overblijvende cementdeeltjes te zien met de

hydratatiering er omheen. in de rechterfiguur is ook het calciumhydroxide te

zien.

Figuur 6 – beelden van beton met een elektronenmiccroscoop.

Vraag

7. Hieronder is een tekening opgenomen van de microstructuur van beton.

a. Leg uit of beton altijd water bevat.

b. Leg uit of calciumhydroxide altijd in beton voorkomt.

c. Wat is het verschil tussen cementdeeltjes en cementsteen?

d. Noem twee voorbeelden van toeslagmateriaal.

e. Welke fouten zijn gemaakt in de tekening als je naar de

kristalstructuren kijkt? Licht je antwoord toe.

Figuur 8 – Microstructuur van beton

Figuur 7 – Een luchtledig deel

in beton met de naaldvormige

kristallen van

(CaO)3(Al2O3)(CaSO4)3·32H2O

en de zeshoekige kristallen van

calciumhydroxide.


8. Beton is een veelgebruikt bouwmateriaal. Het is een mengsel van

voornamelijk cementpoeder, zand, grind en water. Cementpoeder wordt

gemaakt van mergel en klei dat na drogen en mengen sterk verhit

wordt tot ongeveer 1600 °C. Het gevormde product wordt klinker

genoemd. De klinker wordt gemalen. Het bevat o.a. de elementen

calcium, silicium, aluminium, zuurstof en ijzer.

Tijdens het verhitten treden diverse reacties op waarbij een kristallijn

mengsel ontstaat dat o.a. de stoffen calciumsilicaat en calciumaluminaat

bevat.

a. Geef de formule van calciumsilicaat.

Calciumaluminaat heeft als formule Ca3(AlO3)2.

b. Geef de formule van het aluminaat-ion.

Na toevoegen van gipspoeder aan het kristallijne mengsel wordt het

geheel vermalen. Het zo verkregen product is het zogeheten

Portlandcementpoeder. Gips is een ander veelgebruikt bouwmateriaal

naast beton. De officiële naam is calciumsulfaatdihydraat.

c. Geef de formule van gips.

Figuur 9


Wat de kwaliteitseisen van aanmaakwater zijn.

Wat de relatie is tussen hydraten en beton.

Wat cementmineralen zijn.

Hoe de meso/microstructuur van beton er uitziet.

Figuur 9 - De knikkergrote

portlandcementkorrels (klinker)

vormen de basis voor alle

cementsoorten. Het materiaal

bestaat uit ca. 65% alite

(tricalcium silicaat, 3CaO.SiO2);

ca. 15% belite (dicalcium

silicaat, 2CaO.SiO2); ca. 7%

aluminaat (tricalcium aluminaat

(3CaO.Al2O3); ca. 8% ferriet

(tetracalcium ferriet,

4CaO.Al2O3.Fe2O3); ca. 5%

kleine onzuiverheden (sulfaten,

titanium, mangaan, fosfor en

chroom). De sterkte van beton

ontstaat door de reactie van de

silicaten met water. In wit

beton is het ferriet eruit

gehaald.

5. Toepassing bepaalt desamenstelling vanbeton


De basiselementen zijn: cement, zand, grind, water en vulstoffen

en soms superplastificeerders. Maar de verhouding waarin deze

basiselementen aanwezig zijn, dus de samenstelling, hangt af van

waar het beton voor gebruikt gaat worden. Het beton dat wordt

gebruikt voor een stuwdam zoals de Hoover dam op de grens van

Arizona en Nevada in Amerika zal van een andere samenstelling

zijn dan het beton voor de Khalifa toren in Dubai. Het beton staat

bij de stuwdam aan heel andere krachten bloot dan bij de toren.

5.1 Bepalen van de samenstelling beton

Afhankelijk van de toepassing van het beton wordt de samenstelling

bepaald. Het beton moet ook voldoen aan de Nederlandse norm (NEN):

hierin staan de eisen beschreven waar beton aan moet voldoen voor de wet.

Als de toepassing bekend is wordt bepaald wat de samenstelling van het

beton moet zijn aan de hand van onderstaande zeven stappen:

Stap 1: sterkteklasse

De sterkteklasse is een maat voor de sterkte van het beton en wordt

bepaald door de constructeur. Daarvoor wordt gekeken naar de druksterkte

dat het beton moet hebben. De druksterkte is de mate waarin een

materiaal weerstand kan bieden aan drukkrachten zonder dat er deformatie

plaatsvindt. Bij deformatie verliest het materiaal door spanningen zijn

interne samenhang en zal gaan vervormen. Als de spanning een kritieke

waarde bereikt stort het beton in.

De druksterkte wordt uitgedrukt als kracht gedeeld door oppervlakte

(Newton/mm²). De indeling in sterkteklasse is gebaseerd op de druksterkte na 28

dagen. Er zijn een aantal sterkteklassen, die genummerd zijn. De klassen

lopen uiteen van C12/15 t/m C100/115.

Stap 2: de milieuklasse

De omgeving waarin het beton gebruikt gaat worden is van belang voor de

samenstelling. Beton dat met zeewater in aanraking komt moet van betere

kwaliteit zijn dan een betonnen wand die alleen met weersinvloeden te

maken heeft. Daarom zijn er een aantal milieuklassen opgesteld en voor

elke milieuklasse geldt een andere samenstelling van het beton. Deze

milieuklassen zijn verdeeld in 6 hoofdgroepen die gebaseerd zijn op de

mogelijke aantasting van het beton:

De Khalifa toren in Dubai.

Het grondplan van de toren is

gebouwd in de vorm van de

Hymenocallis, een

veelvoorkomende

woestijnbloem in de regio. De

toren is opgebouwd uit drie

elementen rond een centrale

kern. Het betonnen lichaam van

het gebouw is ruim 575 meter

hoog. De schattingen over de

uiteindelijke hoogte liepen ver

uiteen. De betrokken bedrijven

hielden dit eerst angstvallig

geheim uit angst dat de hoogte

van de Burj Khalifa in korte tijd

zou worden overtroffen.

Uiteindelijk bleef de teller staan

op 828 meter.

De hoogste nachtclub van de

wereld bevindt zich op de 143e

verdieping en op de 158e

verdieping is 's werelds hoogste

moskee te vinden.


Tabel 1 – Milieuklassen beton

groep/code risico

geen aantasting 1 XO geen risico op aantasting of corrosie

(zero = 0)

aantasting

wapening

2 XC corrosie ingeleid door carbonatie*

3 XD corrosie ingeleid door chloriden anders

dan uit zeewater (deicing salts)

4 XS corrosie ingeleid door chloriden

(seawater)

aantasting beton 5 XF aantasting door vorst/ dooiwisselingen

(frost)

6 XA chemische aantasting (agressief)

*de reactie tussen koolstofdioxide en calciumhydroxide in het beton waardoor

calciumcarbonaat ontstaat.

Stap 3: consistentieklasse (verwerkbaarheid)

De consistentieklasse zijn we al tegengekomen bij de experimenten in

hoofdstuk 2. De consistentieklasse is een maat voor de verwerkbaarheid van

beton. De hoeveelheid water dat in beton verwerkt wordt heeft grote

invloed op de consistentie. Hoe meer water hoe vloeibaarder de specie.

Meer water betekent ook wel dat het beton minder sterk wordt. Hierin

worden 7 consistentiegebieden onderscheiden:0 droog1 aardvochtig2 halfplastisch3 plastisch4 zeer plastisch5 vloeibaar6 zeer vloeibaar

Stap 4: korrelgrootte

Hier gaat het om de grootte van de grindkorrel. Als de grindkorrel groter is

kan op andere grondstoffen worden bespaard als er veel betonoppervlak is.

De keuze van de grindkorrel wordt bepaald door de dikte van het beton: de

regel is dat de dikte van de betonlaag minstens drie keer groter is dan de

diameter van de grindkorrel. De korrelgrootte is ook van belang voor de

verwerkbaarheid van de betonspecie.

Stap 5: chlorideklasse

Chloriden kunnen de wapening aantasten. Er zijn drie chlorideklassen, voor

beton zonder wapening, voor beton met wapening en ingestort metaal en

voor beton met voorspanningswapening. In voorgespannen beton zijn stalen

kabels aangebracht die opgespannen worden voor er beton gestort wordt.

Na verankering van de staaldraden in de uiteinden van bijvoorbeeld een

betonnen balk kunnen eventuele trekspanningen in de balk geëlimineerd

worden.Betongrind van verschillende

afmeting


Stap 6: gewenste cementsoort

Er zijn verschillende soorten cement te verkrijgen. Ook is het mogelijk een

vulstof toe te voegen, bijvoorbeeld vliegas, voor onderwaterbeton of zelf

verdichtend beton.

Portlandcement bevat gemalen klinker en gips; gips regelt de

binding in cement;

Hoogovencement bestaat naast klinker ook uit gemalen

hoogovenslak. Dit verhardt minder snel;

Portlangvliegascement bevat extra vliegas.

Stap 7: overige toevoegingen en/of bijzonderheden

In deze stap wordt bepaald welke extra toevoegingen er nodig zijn in relatie

met de toepassing. Mogelijke hulpstoffen zijn: Vertragers: om het verharden van de betonspecie uit te stellen;

Luchtbelvormers: zorgen voor kleine luchtbelletjes in het beton,

waardoor het beter bestand is tegen vorst en dooizouten;

Plastificeerders: zorgen voor een hogere vloeibaarheid en daarom

een betere verwerkbaarheid;

Superplastificeerders: hebben een groter effect dan

plastificiceerders;

Pigmenten: om het beton een kleur te geven;

Vliegas: draagt bij aan de sterkte van het beton omdat dit ook met

water reageert;

Silica: heel fijne deeltjes, die bijzonder vloeibare mengsels mogelijk

maken waardoor sterk en dicht beton ontstaat;

Kalksteenmeel: toevoeging voor zelf verdichtend beton.

Nadat alle stappen door de constructeur zijn doorlopen wordt de

samenstelling bepaald en kan de bestelling voor die specifieke opdracht

doorgegeven worden aan de betonfabrikant.

Maak nu onderstaande opdrachten.

Vragen

1. Bij het bepalen van de samenstelling van beton moet eerst de vraag

worden beantwoord waar het beton voor gebruikt gaat worden.

Waarom is het zo belangrijk eerst deze vraag te beantwoorden?

2. Waarom zijn de normen voor goed beton in een NEN rapport

vastgesteld?

3. Om de samenstelling te bepalen worden er 7 verschillende aspecten

bepaald. Waarom is zo belangrijk om van te voren goed die aspecten te

bepalen?

4. De druksterkte van beton wordt pas na 28 dagen bepaald. Leg uit

waarom de druksterkte niet eerder goed bepaald kan worden.

Vliegas is as die bij de

verbranding van onder andere

steenkool meegaat met de

rookgassen. Het deel van de as

die niet met het rookgas

meegaat, maar blijft liggen heet

bodemas.

Vliegas veroorzaakt

luchtvervuiling, vandaar dat het

tegenwoordig moet worden

afgevangen. Kleinere deeltjes

worden voor 99% afgevangen

door een elektrostatisch

vliegasfilter: De samenstelling

van vliegas hangt sterk af van

de brandstof (type steenkool,

biomassa) en het

verbrandingsproces. Vliegas dat

afkomstig is van steenkool (en

een beperkt aandeel biomassa)

wordt poederkoolvliegas

genoemd. Deze vliegas wordt in

Nederland 100 % hergebruikt

en verwerkt in cement, beton,

straatklinkers en asfalt. Het

verdicht namelijk de structuur

van het beton, waardoor het

beter beschermd wordt tegen

invloed van buitenaf.

Opname van vliegas met een

elektronenmicroscoop.


5. Om goed te kunnen gieten is vloeibaar beton makkelijker te verwerken

dan droog beton. Leg uit wat het nadeel is van te nat beton.

6. Waarom wordt er grind toegevoegd aan beton?

7. Als men grind gebruikt van 16 mm, hoe dik moet de muur dan minimaal

worden?

8. Wat is het voordeel van de nieuwe polymeer vezelmaterialen die

gebruikt worden in plaats van ijzervezels?

9. Wat is de functie van cement in beton?

10. Er zijn verschillende hulpstoffen die toegevoegd worden in beton. Kies

drie hulpstoffen uit en beschrijf de functie van alle drie.

5.2 Opdracht

Dit is een stukje bouwtekening van een architect met aangeven de

milieuklassen.

De specificaties van het kelder dak zijn anders dan die van de borstwering.

De uitvoerder, dit is de man/vrouw die het woongebouw gaat bouwen,

vraagt zich af waarom.

a. Geef de uitvoerder antwoord met behulp van tabel 2a, 2b en 2c.

De firma Kroon heeft heel veel last van de autosnelweg die vlak langs het

kantoorpand loopt. Firma Kroon vraagt aan de gemeente of zij een

geluidswal kunnen plaatsen.

b. Noem twee eigenschappen waar het beton van een geluidswal aan

moet voldoen.

Een tunnel van Frankrijk naar Engeland moet aan veel eisen voldoen. Ook

het beton moet een aantal eigenschappen hebben.


c. Noem 4 van deze eigenschappen waar het beton aan moet voldoen.

Bij het bouwen van een bunker, waarin de komende honderden jaren

radioactief afval moet worden opgeslagen, moet het beton ook een aantal

belangrijke eigenschappen hebben.

d. Noem 5 eigenschappen waar deze bunker aan moet voldoen.

e. Bepaal de milieuklassen voor en de codering van de bovenstaande

projecten, de geluidswal, de tunnel en de bunker.. Maak daarbij gebruik

van tabel 2a, 2b en 2c op de volgende pagina’s. (Er zijn meerdere

coderingen per project mogelijk.)

Tabel 2a en 2b


Tabel 2c


Vragen

Lees het artikel over het instorten van de balkons in Maastricht op bladzijde

7 nog een keer door en beantwoordt dan de volgende vragen.

figuur 1 – Ingestorte balkons in Maastricht

11. Wat was de oorzaak van deze instorting waarbij twee mensen zijn

omgekomen?

12. De aannemer in Maastricht heeft de volgende grondstoffen gebruikt:

Portlandcement, zand met korrelgrootteverdeling van 0-4mm, kalk en

water. De water-cementfactor was 0,80. Zoek op wat onder de water-

cementfactor wordt verstaan en wat is het probleem als deze zo hoog is

(0,80)?

13. Ontwerp zelf twee verschillende samenstellingen van beton die beter

zijn dan de aannemer destijds in Maastricht heeft gebruikt. Geef bij

iedere grondstof aan waarom deze betere eigenschappen heeft. Tevens

moet de samenstelling een aantal hulpstoffen bevatten en er moet bij

iedere samenstelling een water-cementfactor zijn gegeven.


Wat de functie is van cement in beton.

Wat de functie is van de consistentieklassen.

Wat de invloed is van de korrelgrootte op beton.

Wat de invloed is van chloride ionen op de wapening van beton.

Wat de invloed is van het toevoegen van hulpstoffen op de

samenstelling van beton. Geef een aantal voorbeelden.

6. Zelfherstellend Beton


Als je beton zelfherstellend wilt maken moet je er voor zorgen dat

bijvoorbeeld scheuren min of meer zelf verdwijnen. Je laat de

scheur opvullen met ‘reparatiemateriaal’ dat zorgt dat het beton

weer net zo goed is als voor de beschadiging. Maar dat

‘reparatiemateriaal’ moet het beton zelf aanmaken. Wat moet je

aan het betonmengsel toevoegen voor het storten om ervoor te

zorgen dat later optredende scheuren weer gerepareerd worden?

6.1 Opdracht

In dit hoofdstuk ga je in je groepje van 4 personen onderzoek doen. De

onderzoeken staan beschreven in de paragrafen 6.2 t/m 6.5.

6.2 Verschillende soorten zelfherstellende materialen. Artikel 2

"Zelfherstellende materialen" lezen en experiment 13 uitvoeren.

6.3 De zelfherstellende werking van beton. Artikel 3 lezen en experiment 14

uitvoeren.

6.4 De invloed van verschillende ingrediënten op het zelfherstellend

vermogen van beton. Artikel 4 " Spelen met ingrediënten" lezen en een

eigen onderzoek doen naar de invloed van:

a. de hoeveelheid ongebluste kalk (experiment 15)

b. de temperatuur (experiment 16)

c. de zuurgraad (experiment 17)

d. de hoeveelheid cementpoeder (experiment 18)

e. de hoeveelheid chloride ionen (experiment 19)

6.5 Speuren naar verbeteringen. De artikelen 5 en 6 lezen en bestuderen.

Verdeel je groep in twee duo's. Het ene duo is groep A, het andere duo

groep B. Alle bovenstaande opdrachten en onderzoeken worden verdeeld

onder groep A en groep B. Elke groep maakt een korte samenvatting van de

artikelen en een verslag van de experimenten. Deze resultaten worden


gebruikt in hoofdstuk 7 bij het schrijven van het artikel voor de schoolkrant

over zelfherstellend beton en bij het beantwoorden van de contextvragen.

Taakverdeling

6.2 6.3 6.4 6.5

groep A artikel 2 artikel 4 artikel 6

experiment 13 3 exp. naar keuze

groep B artikel 3

experiment 14

artikel 4

3 exp. naar keuze

artikel 5

Je spreekt in je groepje af wie welk experiment doet en welke artikelen

gelezen en samengevat moeten worden. Voor dit onderzoek krijg je 4 lessen

de tijd, dus plan de werkzaamheden goed.

6.2 Verschillende soorten zelfherstellende materialen

Lees artikel 2 heel goed door en maak er een korte samenvatting van.

Artikel 2

Zelfherstellende materialenAls kapotte brugdekken zichzelf nou eens zouden herstellen. En alsafbladderende verf, loszittende heupprothesen, bekraste treinruiten en barstendasfalt dat ook zouden doen. We zouden jaarlijks al snel miljoenen euro’sbesparen aan reparatie- en vervangingskosten. Dit toekomstbeeld lijkt utopisch,maar is wel het doel van de verschillende Nederlandse onderzoeksprojecten naarzelfherstellende materialen.

OnderzoekHet onderzoek vindt plaats binnen het nationale InnovatiegerichteOnderzoeksprogramma (IOP) Self Healing Materials, door het ministerie vanEconomische Zaken gesubsidieerd met tien miljoen euro, verspreid over achtjaar. De toepassingsgebieden variëren van wegenbouw tot beschermendecoatings en medische technologie. Zo richt een van de onderzoeksprojecten zichop het zelfherstellend vermogen van botcement. Dat is een soort plexiglas datmet lijmvloeistof uithardt in het lichaam. Het zorgt ervoor dat de pen van eenheupprothese niet van het bot losraakt. Helaas vertoont het cement na verloopvan tijd kleine barstjes en brokkelt het langzaam af. De prothesepen laat daaromna een jaar of vijftien los, waarna de patiënt opnieuw moet worden geopereerd.

Botcement met lijmcapsules“Een derde operatie is problematisch, dus bij jonge mensen met heupproblemenwordt zo lang mogelijk gewacht met het inbrengen van een nieuwe heup”, vertelthoogleraar Jan van Hest van het Institute for Molecules and Materials van deRadboud Universiteit Nijmegen. “We willen de levensduur van een prothese zoveel mogelijk rekken, zonder dat de patiënt daar pijn van ondervindt.

Heupprothese


Het instituut ontwikkelt daarom, samen met de afdeling orthopedie van hetUniversitair Medisch Centrum in Nijmegen, botcement waarin minusculelijmcapsules zijn verwerkt. Zodra zich een scheurtje vormt in het cement,knappen de capsules en vult de vrijkomende lijm de scheur op. “Het is een soorttweecomponentenlijm”, legt Van Hest uit. “Zolang de lijm in de capsule blijft,gebeurt er niets. Maar als de lijm in aanraking komt met een stofje dat standaardin het cement zit, hardt de lijm uit.”

Nanotechnologie Silly Putty tegen inslagschadeKent je het nog: het kleiachtige spul dat breekt als je eraan rukt, maar langedraden vormt als je er langzaam aan trekt? Silly Putty, al in 1950 in de VerenigdeStaten op de markt gebracht als kinderspeelgoed, blijkt zeer geschikt alsgrondstof voor zelfherstellend kogelwerend materiaal, of zelfhelendescheenbeschermers.Silly Putty is gemaakt van siliconenolie met boorzuur. De uiteinden van deboorzuurgroepen kruipen naar elkaar toe en klitten aan elkaar vast. Dat maakt hetpolymeermateriaal omkeerbaar: leg twee losse delen tegen elkaar aan en na enigetijd vormen ze weer één klomp Silly Putty. Door de polymeren met behulp vanzeepachtige moleculen te binden aan nanodeeltjes (kristaldeeltjes opnanogrootte), ontstaat een zeer stijve Silly Putty, die niettemin zijn zelfhelendeeigenschappen behoudt. ‘Nano Putty’ noemen onderzoekers van de afdelingNanostructured Materials van de Technische Universiteit Delft hun uitvinding.‘Een plaat Nano Putty blijkt bij een harde inslag te scheuren’, vertelt hoogleraarStephen Picken. ‘Maar zodra de belasting eraf is, groeien de delen weer aanelkaar.’

Interesse van bedrijfslevenHet pioniersgehalte van veel onderzoeksprojecten is groot. Toch is debetrokkenheid van het bedrijfsleven bij het onderzoeksveld aanzienlijk. Naastverschillende universiteiten zijn zo’n zestig bedrijven bij de projecten betrokken.Firma’s als Daf Trucks, TNO, DSM, Akzo Nobel, Stork Fokker en KLM toneninteresse in de resultaten.Die interesse van het bedrijfsleven is begrijpelijk, gezien de winst die grotereduurzaamheid van allerlei materialen kan opleveren. Neem asfaltwegen enbetonnen bruggen. De onderhoudskosten daar bedragen vaak de helft van deaanlegkosten. Onderzoeker Henk Jonkers van de Delftse faculteit CivieleTechniek en Geowetenschappen werkt daarom aan een alternatieve methode ombeton zelfherstellend te maken. Bacteriën spelen de hoofdrol. “We hebbenmiljarden sporen van kalksteen producerende bacteriën toegevoegd aan hetbeton”, vertelt Jonkers. “Tijdens het mengen en het uitharden bevinden ze zich ineen slapende toestand. Zodra zich microscheurtjes in een brug of een gebouwvormen en water binnendringt, ontstaat er een perfect leefmilieu voor de sporen,die hierdoor ontkiemen.”

LuchtvaartSamen met de Technische Universiteit Delft, Akzo Nobel en de Australischeonderzoeksinstantie CSIRO werkt TNO aan een coating die vliegtuigen langertegen corrosie beschermt. De coating bevat ceriumionen: geladen metaaldeeltjesdie corrosie afremmen. Bij aantasting van de lak stromen die deeltjes naar deschadeplek. Daar ontstaat, door een reactie tussen de deeltjes en vocht uit delucht, een beschermend oxidelaagje. Een tweede laag afdekmateriaal vloeit hierop een later moment vanuit de coating overheen.

Silly Putty


“De ceriumionen zitten ingekapseld in een soort schil”, licht onderzoekerHartmut Fischer van TNO toe. “Deze schil gaat alleen onder specifiekeomstandigheden stuk, waardoor de ionen de coating in overige omstandighedenniet verlaten.” Ook het materiaal dat de schadeplek definitief dichtkit, isingekapseld in een capsule. Deze gaat later stuk dan die om de ceriumionen.

Winst en verliesDe Amerikaanse ingenieur Scott White schreef in 2001 al over zelfherstellendplastic met lijmbolletjes. Toch werd destijds lauw gereageerd op een artikel overhet onderwerp in het wetenschappelijke tijdschrift Nature. “Dat onderzoek islang als academisch speelgoed terzijde gelegd”, zegt Sybrand van der Zwaag,directeur van het Delft Centre for Materials. “Dat komt omdat we tot dan toeschade probeerden te voorkomen door materialen sterker en stijver te maken.Lijmcapsules maken een materiaal iets minder sterk en stijf.” Toch valt eengering verlies aan sterkte ruimschoots goed te maken met zelfherstellendeeigenschappen. Onze eigen huid is een goed voorbeeld. Delftse wiskundigenwerken daarom aan modellen die het zelfherstellend systeem van onze huidbeschrijven.De coating is vooral veelbelovend voor bescherming van de aluminiumlegeringaan de binnenzijde van een vliegtuig. Deze wordt maar één keer gelakt, terwijlhet oppervlak veel te lijden heeft onder lucht, vocht en eventueel lekkenderemvloeistoffen. De nieuwe coating kan de onderhoudsvrije leeftijd van eenvliegtuig met meerdere jaren opschroeven.Bron: Financieel Dagblad

Experiment 13: Borstplaat

Borstplaat, ook wel suikerwerk genoemd, is een snoepgoed, gemaakt uit

water of melk, suiker en een smaakstof, zoals vanille of cacao.

Borstplaat wordt voornamelijk gegeten in de periode rond Sinterklaas.

Onderzoeksvraag

Wat gebeurt er met de aangebrachte krassen in beide soorten borstplaat?

Benodigdheden Borstplaat op grootmoeders wijze

Aangezuurde borstplaat

Mes of scherp voorwerp

Uitvoering

Van je docent krijg je een stuk borstplaat gemaakt op grootmoeders

wijze en een stuk aangezuurde borstplaat.

Pak een mes of een ander scherp voorwerp en maak een kras in

beide stukken borstplaat. Probeer dit een aantal keren.

Bekijk na 5-10 minuten wat er gebeurt met de krassen in beide

soorten borstplaat.

Noteer de waarnemingen.

Conclusie


Zelfherstellende lak

Stel je voor: kleine krasjes in je

auto verdwijnen als sneeuw

voor de zon, zonder dat je er

iets voor hoeft te doen. Dat lijkt

werkelijkheid te worden met

zelfherstellende autolakken,

waar zowel autofabrikant

Nissan als chemiereus Bayer

aan werken. De Scratch Guard

Coat van Nissan is een

combinatie van een zeer

elastische hars. Daarmee zou

een scheur binnen zeven dagen

hersteld zijn – afhankelijk van

de buitentemperatuur en de

scheurdiepte

Borstplaat


6.3 De zelfherstellende werking van beton

Al jarenlang wordt er onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om beton zo

te maken dat eventuele scheuren die ontstaan zichzelf repareren. Je kan dat

doen door wat meer cement toe te voegen dan voor het uitharden

noodzakelijk is. Als er dan een scheurtje ontstaat kan het binnendringende

water met het nog aanwezige cement reageren en bij het uitharden de

scheur dichten. Dit kan maar beperkt omdat te veel niet gereageerd cement

de stevigheid van beton nadelig beïnvloed.

In 2001 verscheen al eens een artikel waarin een ander idee werd

beschreven om beton zelfherstellend te maken.

Lees artikel 3 en beantwoord de vragen.

Artikel 3

Zelfreparerend Beton

Planten en dieren herstellen hun eigen wonden. Geen gek idee, vinden technici.Ze werken aan zelfherstellende materialen voor onverwoestbare autoruiten,koffiekopjes, bruggen en vliegtuigonderdelen. Zo is er ook zelfreparerend betonontwikkeld.Beton is een hard, steenachtig materiaal. Als het te zwaar wordt belast, ontstaaner haarscheuren (heel kleine scheuren) die steeds groter kunnen worden. Als dehaarscheuren tijdig worden gerepareerd, scheurt het beton niet verder. Bijzelfreparerend beton zijn de benodigde stoffen al in het beton aanwezig. Aan hetbetonmengsel zijn gelbolletjes met daarin bacteriën toegevoegd en ureum, eenvoedingsstof voor de bacteriën.Het herstelproces van beton verloopt via een aantal deelstappen, die in hetschema in figuur 1 onder dit artikel zijn weergegeven. De eerste stap is deomzetting van het aanwezige ureum in ammoniak en koolstofdioxide. Ditgebeurt met bacteriën.Bron: Intermediar

Figuur 1 – De zelfreparerende werking van beton.

Een herstelde scheur in beton


Vragen

1. Wat is er nog meer nodig om de eerste stap van de omzetting te doen

verlopen?

2. Ureum heeft als formule NH2-CO-NH2. Ureum reageert met water tot

ammoniak en koolstofdioxide. Geef de omzetting van ureum in de

genoemde stoffen in een reactievergelijking weer.

3. Geef de vergelijking van de reactie die bij het laatste plaatje hoort.

4. Waarom stopt de productie van ammoniak en koolstofdioxide als de

scheur in het beton gedicht is?

Experiment 14: Zelfherstellende werking van beton

In dit experiment ga je kijken wat de invloed van de samenstelling van het

betonmengsel is op de zelfherstellende werking.

Achtergrondinformatie

Als beton wordt gemaakt, zijn er heel veel aspecten waarop gelet moet

worden. Behalve het soort materiaal, cement, zand, grind en water, dat

gebruikt wordt, moet ook gelet worden op de vochtigheid van de omgeving

of de temperatuur. Zal de omgeving in de woestijn te droog zijn? Zou het op

de Noordpool te koud zijn? Je gaat nu onderzoeken wat goede

omstandigheden zijn voor cement om uit te harden.

Onderzoeksvraag

Welke samenstelling heeft een groter zelfherstellend vermogen en heeft de

luchtvochtigheid invloed?

Benodigdheden

500 mL bekerglas

emmer of mengbak

4 frikandellenbakjes

plastic boterhamzakjes

lepel of plamuurmes

elastieken

cement

zand

water

Uitvoering

Er zijn twee soorten mengsels die gemaakt worden.

In de taakverdeling staat aangegeven dat groep B experiment 14 doet. Deze

groep doet allebei de experimenten.



X 700 gram cement, 370 gram zand en 200 ml water

Y 720 gram cement, 380 gram zand en 200 ml water

Schrijf op de 4 frikandellenbakjes mengsel x of Y en jullie namen.

Weeg de stoffen heel nauwkeurig af!

Veiligheid: Weeg het cement af in de zuurkast.

Voeg de stoffen samen en meng goed.

Verdeel het mengsel over de 5 frikandellenbakjes.

Zet 2 van de 4 bakjes in een boterhamzakje.

Zet de andere 2 bakjes in de open lucht.

Laat de mengsels 3,5 - 4 uur hydrateren. Als de mengsels nog te

nat en dus niet echt breekbaar zijn, laat ze dan iets langer staan.

Na ca. 4 uur:

Maak een snee in de betonstaven in de bakjes

Voeg bij alle 4 de betonstaven een klein beetje water toe.

Zorg dat het water voornamelijk in het snijvlak komt.

Doe een elastiek om het frikandellenbakje

Laat de betonstaven een week rusten/reageren.

Waarnemingen

Bekijk welke betonstaven zijn hersteld van de breuk, en welke nog steeds

gebroken zijn.

Conclusie

Beantwoord in je conclusie de onderzoeksvraag en verwerk in je conclusie

onderstaande vragen.

a. Is de samenstelling belangrijk om beton ‘zelfherstellend’ te maken?

b. Heeft zelfherstellend beton een bepaalde vochtigheid nodig tijdens het

harden?

c. Is de breukgrootte belangrijk?

6.4 Spelen met ingrediënten

Lees artikel 4 heel goed door en maak er een korte samenvatting van.

Artikel 4

InleidingHet belangrijkste bestanddeel van beton is cement, het bindmiddel dat letterlijkkeihard wordt dooreen reactie met water. Betonspecie is het vloeibare en nog nietuitgeharde materiaal dat bestaat uit cementpasta (water en cement) en zogehetentoeslagmaterialen, meestal zand en grind.

De bovenste scheuren zijn

voldoende gedicht, de onderste

niet.

Een elastiekje om het frikandel-

lenbakje


De cementpasta omhult de grindkorrels, die na verharding aan elkaar kleven. Het(fijnere) zand is bedoeld om de holtes tussen de korrels zo volledig mogelijk tevullen. Dankzij het grind en zand is beton wat duurzaamheid en hardheid betreftvergelijkbaar met natuurlijk steen.

CementchemieDe bekende ENCI-groeve in Maastricht levert de belangrijkste grondstof voorcement: mergel ofwel kalksteen. Deze steensoort bestaat voornamelijk uitcalciumcarbonaat (CaCO3). De grote brokken kalksteen worden gedroogd,vermalen en gezeefd. Om de gewenste samenstelling te krijgen mengt men hetmateriaal met silicium-, aluminium en ijzeroxides, waarna het wordt verhit tot1450 °C. Bij deze hoge temperatuur valt calciumcarbonaat uiteen inkoolstofdioxide (CO2) en vrije of ongebluste kalk (CaO) dat met de oxidesreageert tot calciumsilicaten, calciumaluminaat en calciumaluminaatferriet.Door het verhittingsproces – de sintering – ontstaan korrels, ongeveer zo grootals knikkers. Dit materiaal heet portlandcementklinker of kortweg klinker envormt de basis voor alle cementsoorten. Door het te vermalen tot uiterst fijnedeeltjes (0,5 - 80 µm) ontstaat portlandcement.De combinatie van klinker met hoogovenslakken, een bijproduct van deijzerproductie, leidt na mengen en malen tot hoogovencement.Portlandcement is een snelbindend cement en wordt veel toegepast bij deproductie van prefab beton. Omdat dit cement vooral in het begin vrij sneluithardt kunnen betonnen delen soms al binnen een dag ontkist worden. Eenandere eigenschap van portlandcement is dat bij de reactie met water relatief veelwarmte vrijkomt. Daardoor heeft het ’s winters bij gebruik buiten voordelenboven hoogovencement, dat bij lage temperaturen (te) langzaam uithardt.In Nederland gebruiken we overigens veel hoogovencement. Beton methoogovencement verschilt qua sterkte niet van beton met portlandcement; welreageert hoogovencement trager, maar bij de reactie met water wordt ook minderwarmte gevormd. Dat is soms een voordeel, want het voorkomt dat tijdens hetuitharden te grote temperatuurverschillen ontstaan die later tot scheuren kunnenleiden. Voor dikke lagen beton, waaruit de warmte moeilijk weg kan, kiest mendaarom vaak voor hoogovencement. Bovendien kan deze soort beter tegenaantasting door chemicaliën zoals sulfaten en chloriden uit zeewater.

Water-cementfactorEr zijn weliswaar verschillende soorten cement, maar de werking ervan alssnelhardend bindmiddel berust op hetzelfde principe. Cement behoort tot dezogeheten hydraten. Dat zijn zouten die water kunnen opnemen in hunkristalrooster, hetgeen leidt tot roosters met een grotere hardheid.Bij het aanmaken van beton reageren de zouten uit het cement met watertot hydraten, een chemische reactie die uiteindelijk zorgt voor de hardheid vanbeton. Eerst zal het fijngemalen cement na mengen met water een min of meerplastische massa vormen, waardoor het materiaal prettig verwerkbaar is.Vervolgens vindt de reactie met water plaats, waarbij het cement verhardt en detoeslagmaterialen (zand en grind) stevig aaneen worden gekit tot een stabielemassa.Cruciaal voor allerlei betoneigenschappen is de water-cementfactor: degewichtsverhouding tussen de hoeveelheid water en cement in de betonspecie.Die moet minimaal 1 op 3 bedragen om alle poeder nat te kunnen maken. Deprecieze verhouding hangt af van de soort cement, maar te veel water geeftproblemen.Dichtheid, sterkte en duurzaamheid gaan merkbaar achteruit als een te waterigespecie wordt gebruikt. Door de juiste soort cement te kiezen en te variëren met

“Het gat van de ENCI”, een

enorme mergelafgraving bij

Maastricht.

Ingangen van oude

mergelgroeves bij Maastricht

Een helder blauw meer is

ontstaan op de bodem van een

mergelgroeve door opborrelend

grondwater


de verhoudingen tussen water, cement en zand en grind kunnen gespecialiseerdebetonproducenten nauwkeurig de eigenschappen van het beton regelen.

HulpstoffenBehalve de aard en de verdeling van de basisgrondstoffen worden ook hulpstof-fen gebruikt om de gewenste eigenschappen verder te sturen. Het gaat omverbindingen die bijvoorbeeld de verwerkbaarheid, krimp, waterdichtheid enchemische weerstand beïnvloeden. Fabrikanten voegen ze in kleine hoeveel-heden toe tijdens het mengen van de specie.Zo worden bijvoorbeeld metaalchloriden, soda en kaliumhydroxide gebruikt omhet verhardingsproces te versnellen. Stoffen als fosforzuur, nitraten, koolhydra-ten en zinkoxide worden in massabeton toegepast om te grote warmteontwik-keling bij het uitharden tegen te gaan.Verdichtingsmiddelen, bijvoorbeeld zeer fijngemalen zand, moeten ervoorzorgen dat er minder poriën ontstaan – waardoor de druksterkte van het betontoeneemt.Uitdrogingswerende middelen worden gebruikt om verdamping van aanmaak-water tegen te gaan. Vaak gaat het om hars- of paraffinehoudende preparatendie men als een dunne laag op vers gestort beton spuit.Om de verwerkbaarheid van betonspecie te verbeteren voegt men plastificeer-middelen toe, die ervoor zorgen dat het beton vloeibaarder wordt zonder datmeer water nodig is. Daardoor vloeit het beter in alle hoeken van de bekisting enkan men het makkelijker verpompen, zodat ook op hogere verdiepingen vangebouwen beton kan worden gestort. Een klassiek plastificeermiddel is hetpolymeer lignosulfonaat, dat vrijkomt bij de papierproductie.Maar inmiddels zijn veel effectievere ‘superplastificeerders’ ontwikkeld,waaronder polymeren van naftaleen- en melamineformaldehyd. Een bijkomendvoordeel van plastificeerders is dat ze de vorming van luchtbelletjes in het betonvoorkomen. Luchtbellen verlagen de dichtheid en maken zo de constructieminder stevig. De gangbare methode om beton luchtbelvrij te maken is trillennadat het gegoten is.Overigens ontwikkelden Japanse onderzoekers onlangs een idiot proof beton-soort. Voor dit zelfverdichtende beton gebruikten ze een nieuwe generatieplastificeerders, de polyacrylaat-copolymeren. Deze zorgen voor een goededispersie (menging), waardoor een stabiele specie ontstaat die niet ontmengt. Hetmengen van zand en grind met cement luistert daardoor minder kritisch.

Bron: CF243 Beton

Experimenten

In deze reeks experimenten ga je onderzoek doen naar de verandering in

het zelfherstellend vermogen van beton, als je de samenstelling verandert.

Lees onderstaande experimenten goed door, kies er drie uit en maak

daarvoor een werkplan. Formuleer per experiment een onderzoeksvraag,

maak een lijst met benodigdheden en beschrijf hoe je de proef gaat

uitvoeren. Geef tevens aan wanneer je de proeven wilt uitvoeren.

Laat het werkplan door je docent of TOA beoordelen en voer vervolgens de

experimenten uit. Maak per proef een kort verslag.

Na 8 – 10 dagen bekijk je of de krassen zijn hersteld en in welke mate dat is

gebeurd.

Polymeerbeton: beton waaraan

een bepaalde hoeveelheid

kunststof is toegevoegd.

Bruikbaar als klimwand.


Let op!! Maak steeds foto's met je mobiel of met een digitale camera en

verwerk deze foto's in je verslag. Je hebt de resultaten van de experimenten

nodig voor de eindopdracht.

Benodigdheden

Voor de benodigdheden kan je gebruik maken van de lijst bij experiment 14

aangevuld met de benodigdheden voor je eigen experimenten.

Uitvoering

Er wordt uitgegaan van een basismengsel voor de experimenten 15 t/m 19.

Uitgaande van dit basismengsel verander je de samenstelling afhankelijk van

de door jullie gekozen experimenten.


basis 700 gram cement, 100 gram zand en 200 ml water

Uitgaande van je eigen experimenten voeg je stoffen toe aan dit

basismengsel.

Schrijf op de frikandellenbakjes de gegevens van je mengsel.

Weeg de stoffen heel nauwkeurig af!

Veiligheid: Weeg het cement af zonder te veel cement stof op te wervelen.

Voeg de stoffen samen en meng goed.

Verdeel het mengsel over de frikandellenbakjes.

Doe een elastiek om het frikandellenbakje / betonstaven.

Laat de bakjes 2 dagen uitharden.

Breng vervolgens diepe, meetbare krassen aan op het uitgeharde

mengsel. Maak een foto per bakje.

Vul de frikandellenbakjes met water tot aan de rand.

Om de twee dagen kom je de krassen bekijken en fotograferen,

bovendien vul je de bakjes opnieuw tot aan de rand met water.

Na 8 - 10 dagen meet en fotografeer je het eindresultaat.

Waarnemingen

Bekijk welke betonstaven zijn hersteld en welke nog niet

Experiment 15

Onderzoek naar het optimaliseren van de samenstelling van beton door

meer ongebluste kalk toe te voegen.

Toevoegen extra CaO: 0 gram – 25 gram – 50 gram.

Experiment 16

Onderzoek naar de invloed van de temperatuur op het zelfherstellend

vermogen van beton.

Temperatuurverschillen bijvoorbeeld: koelkast – kamertemperatuur –

droogstoof op 40 °C.

München

Duurzaam hergebruik van

beton

Met korte stroom-pulsen laat

het Duitse Fraunhofer Institut

composietmaterialen uit elkaar

spatten.

Beton wordt zo teruggebracht

tot schoon grind en zand dat zo

weer ingezet kan worden bij de

productie van nieuw beton. De

stroompulsen van 180 kV die

ongeveer 150 nanoseconden

aanhouden, wekken onder

water een plasmastroom op.

Deze stroom kiest niet het

water als weg van de minste

weerstand, maar de

scheidingsvlakken tussen de

grindkorrels en de

cementsteen. Plaatselijk

ontstaan daardoor heel hoge

drukken die de materialen van

binnen uit elkaar drukken.

Op de vakbeurs BAU 2013 in

München gaven de

onderzoekersdemonstraties met

een kleine proefopstelling


Experiment 17

Onderzoek naar het verband tussen de zuurgraad van de betonmortel en het

zelfherstellend vermogen van beton (niet te zuur, anders lost het beton op).

Bedenk zelf de verschillende hoeveelheden zuuroplossing die je toevoegt

i.p.v. het water aan de basis samenstelling. Je gaat uit van zoutzuur (HCl)

met een concentratie van 1 Molair.

Je kiest en maakt zelf een verdunning hiervan en je gebruikt minimaal 3

verschillende concentraties.

Experiment 18

Onderzoek naar de invloed van de hoeveelheid cementpoeder op het

zelfherstellend vermogen van beton.

Je bepaalt in dit experiment zelf de hoeveelheid cement in het basismengsel.

Experiment 19

Onderzoek naar de invloed van chloride-ionen op het zelfherstellend

vermogen van beton.

Bedenk zelf de hoeveelheid chloride-oplossing die je toevoegt i.p.v. het

water aan de basis samenstelling. Je gaat uit van een natriumchloride

oplossing van 5%. Je kiest en maakt zelf een verdunning hiervan en je

gebruikt minimaal 3 verschillende concentraties.

Figuur 2 – Boor Noortje die een van de tunnels heeft geboord voor de Noord-Zuidlijn

van de Amsterdamse metro. De tunnelboormachine is 83 meter lang en heeft een

doorsnede van bijna zeven meter. De voorzijde van de boormachine wordt gevormd

door het boorschild dat ongeveer acht meter lang is met op de kop het graafwiel.

Achter het schild komen zes volgwagens. De tunnelboormachine weegt 870.000 kilo.

Er werd gemiddeld 8-10 meter per dag geboord. De boorders en de tunnelboor-

machine bouwen dan 5 tot 7 betonnen tunnelringen.


6.5 Speuren naar verbeteringen

Bestudeer één van de hierna volgende artikelen (5 of 6)en maak er een

korte en duidelijke samenvatting van.

Artikel 5

Speuren naar verbeteringenBijna de helft van de zeker 70 miljard euro die in de bouw omgaat is bestemdvoor reparaties en onderhoud van onder andere de betonnen constructies.Kleine verbeteringen in beton waardoor een bouwwerk langer meegaat of minderreparaties vergt, kunnen leiden tot forse besparingen – zeker bij constructies opmoeilijk bereikbare plekken. Alle reden dus om veel onderzoek te doen naar hetverbeteren van beton.Voor wetenschappers is beton interessant omdat het om een composiet gaat. Jekunt er bij wijze van spreken alles in stoppen om de eigenschappen te verande-ren. Maar het is wel een complex materiaal: het vergt veel onderzoek om preciesde juiste ingrediënten in de juiste hoeveelheden toe te voegen. De universiteitenvan Delft en Twente concentreren hun research naar betere betonsoorten op hetmaken van sterkere en duurzamere varianten.

Taaie vezelsBeton wordt sterker door er vezels aan toe te voegen. Vaak zijn dat staalvezels.Deze verbeteren de treksterkte, taaiheid en schokbestendigheid. Ook vindtonderzoek plaats naar het toevoegen van houtvezels of zelfs koolstof nano-buisjes, de sterkste vezels die tot nu toe bekend zijn. Dit zou het materiaal nietalleen sterker maken, maar vooral ook taaier.Probleem is dat die nanobuisjes qua grootte lijken op de reactieproducten vancement met water, waardoor het lastig is om ze netjes georiënteerd in te bouwenin de microstructuur van cement. Men zoekt nog naar technieken om dezeoriëntatie te manipuleren. Overigens zijn nanovezels van koolstof op dit momentook nog veel te duur om ze grootschalig toe te passen in bouwmaterialen.Ondanks extra versterking kan beton op den duur toch gaan scheuren. Normaalgesproken repareert men dit met cement, lijm (bijvoorbeeld van acryl of latex) ofeen epoxycement. Bovendien is beton enigszins zelfherstellend. Scheurtjes vanminder dan een micrometer vullen zich met overgebleven ongereageerd cementen dankzij restvocht wordt dat vervolgens hard. Onderzoekers willen dit procesverbeteren en sturen, zodat ook grotere scheuren zichzelf kunnen repareren.De houtvezels die voor het versterken van beton worden toegevoegd, zijnwellicht prima geschikt voor het maken van zelfhelend beton. Deze vezels zijnhol, waardoor er een verbinding in kan worden opgenomen die scheuren kandichtplakken. Hars bijvoorbeeld, of gewoon weer achtergebleven cement dat nietgereageerd heeft met water. De kalk die de Romeinen vroeger als bindmiddelgebruikten, blijkt achteraf uitgerekend op deze manier zelfherstellend te hebbengewerkt. In plaats van in vezels wordt zo’n ‘betonmedicijn’ ook wel in bolletjesverpakt en aan het betonmengsel toegevoegd. Nadeel van deze methoden is datonbekend is wat er met de vezels en de bolletjes gebeurt bij het mengen en ver-werken van het beton. De bolletjes kunnen bijvoorbeeld makkelijk kapot gaan.

MilieuvriendelijkMaar hoe sterk ook, uiteindelijk zullen zelfs constructies van deze hoogwaar-dige betonsoorten onder de slopershamer komen. Daarbij moet het bouwmate-riaal zoveel mogelijk worden hergebruikt.

Koolstof nanobuisjes

De koolstof nanobuisjes kennen

de grootste treksterkte van alle

bekende materialen: in theorie

150 GPa, in de praktijk 60 GPa

(Pa = N/m2). Dit laatste getal

betekent dat een draadje van

een vierkante millimeter

doorsnede zes ton aan gewicht

kan dragen. Dat is een

complete mannelijke Indiase

olifant. Een draadje zo dik als

een gemiddelde mensenhaar

kan ongeveer een mens

dragen. Hiermee worden staal

en kevlar met twee ordes van

grootte geklopt. Er bestaan ook

dubbelwandige

koolstofnanobuisjes, die deze

eigenschappen nog iets

overtreffen. Vezels van kool-

stof nanobuisjes toevoegen aan

beton heeft dan ook enorme

voordelen.


Belangrijk bij alle innovaties is dus de mogelijkheid om de grondstoffen van hetbeton te recyclen. Er mogen geen giftige of milieuverontreinigende verbindin-gen in voorkomen. Met houtvezels en bacteriën zitten de onderzoekers wel goedqua milieuvriendelijkheid, en verder bestaat beton op zichzelf uit natuurlijkematerialen.Wel komt er bij de productie van cement behoorlijk veel van het broeikasgasCO2

vrij: per ton cement ongeveer een ton. Het gebruik van beton draagt hierdoorwereldwijd bij aan 5 tot 8 procent van de uitstoot van koolstofdioxide. Om deCO2-emissie van de cementindustrie te beperken, wordt portlandcementklinkergemengd met vliegas (vliegascement) of hoogovenslakken (hoogovencement). InNederland maakt het hoogovencement zo’n 60 procent van de markt uit,waardoor de productie van cement in ons land iets milieuvriendelijker is dangemiddeld.

Bron: CF243 Beton

Artikel 6

Zelfherstellend beton met behulp vancalciumcarbonaat producerende bacteriën

Het repareren van scheuren in betonnen bouwwerken is een bewerkelijke enkostbare maar helaas noodzakelijke aangelegenheid. De TU Delft doet onderzoeknaar het zelfherstellende vermogen van betonstructuren. Onderzocht wordt hoebetonstructuren kunnen worden verbeterd met behulp van calciumcarbonaatproducerende bacteriën en onder welke leefomstandigheden dergelijke bacteriënhet beste gedijen.

ScheurpreventieBeton is het meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld maar heeft één grootnadeel: onder druk kunnen er gemakkelijk scheuren ontstaan. Worden dergelijkescheuren te groot, dan leidt dat tot roest van de stalen wapening. Betonrot is nietalleen een lelijk gezicht maar gaat ook ten koste van de mechanischeeigenschappen van het bouwwerk. Daarom wordt in de bouw vaak meerwapening gebruikt dan nodig om te voorkomen dat de scheuren in eenconstructie te groot worden. Dit extra staal heeft echter geen structureel nut en ismet de hoge staalprijzen een dure oplossing. Een andere oplossing is de scheurente repareren. In ondergrondse of vochthoudende constructies stuit dat echter opgrote problemen. De beste oplossing is zonder twijfel zelfherstellend beton, endat is precies waar de onderzoekers van de TU Delft aan werken.

BacteriënZe zijn opzoek naar een heel nieuwe methode voor het zelfherstel van beton.Bacteriën moeten daarbij voor doktertje gaan spelen. Bepaalde bacteriesoortenscheiden tijdens hun groei kalk af, dat zou kunnen worden gebruikt om scheurente dichten in beton. Deze aanpak kent twee hordes.Ten eerste moeten de bacteriën natuurlijk niet continu kalk uitscheiden, maaralleen wanneer er een scheur ontstaat. Daarom worden ze als sporen aan hetbeton toegevoegd – in een soort slapende toestand. Ze worden pas ‘wakker’ als

Monsters van beton met sporen

van bacteriën en niet

gehydrateerd cement.


er water in een scheur loopt. Vervolgens moeten ze gaan groeien om kalk(calciet) uit te scheiden en daarvoor hebben ze voedsel nodig. De onderzoekerslosten dit op door het vereiste voedsel te mengen met het beton. Deze aanpakblijkt een betonsoort op te leveren die zo’n 20 procent sterker is dan gewoonbeton. Hoe dat komt is nog de vraag.Tweede probleem is dat de meeste bacteriën van een zure omgeving houden. Ineen basisch milieu, zoals in beton, sterven ze. Vandaar dat men speurt naarbacteriën die wél bij een pH van 12 tot 13 kunnen overleven. Onder andere destammen Bacillus cohnii, Bacillus pseudofirmus en Sporosarcina pasteuriiblijken tegen zo’n hoge zuurgraad bestand. De Delftse onderzoekers bekijkenmomenteel ofdeze opzet daadwerkelijk haalbaar is in de praktijk. Dergelijk beton zou sowiesorelatief duur zijn, en daarom alleen worden toegepast op plaatsen waar reparatievan scheuren zeer kostbaar is.

Praktische toepassingenIn theorie kan beton met bacteriën aanzienlijke besparingen opleveren, vooral inhet geval van gewapend beton. Problemen met betrekking tot de duurzaamheidkunnen al in de ontwerpfase van betonnen constructies op een nieuwe manier entegen lagere kosten worden opgelost. Biologisch beton is uiterst geschikt alsbouwmateriaal voor ondergrondse opslagfaciliteiten van gevaarlijk afval omdateventuele scheuren niet meer door mensen hoeven te worden gerepareerd.In de woningbouw blijft traditionele reparatie echter voorlopig nog devoordeligste oplossing.

Ons onderzoek richt zich momenteel enerzijds op het scheppen van eenleefomgeving voor de bacteriën waarin deze zoveel mogelijk calciumcarbonaatproduceren en anderzijds op de optimale manier van voedseldistributie voor debacteriën. Daarbij bekijken we ook in hoeverre het zelfherstellende vermogenvan biologisch beton standhoudt onder de diverse afbraakmechanismen, zoals hetbinnendringen van sulfaat en temperatuurschommelingen. Alle onderzoek wordtuitgevoerd in het Microlab van de TU Delft. Met de daar aanwezige apparatuurkunnen breukproeven worden uitgevoerd, kan structuurinformatie wordenverkregen en kunnen breukmodellen worden gemaakt.

Het project Self Healing Concrete is onderdeel van het onderzoek naarzelfherstellende materialen door de TU Delft in het Delft Center for Materials(DCMat). Verder wordt samengewerkt met de sectie Biotechnologie van defaculteit voor Technische Natuurwetenschappen en de South Dakota School ofMines in de Verenigde Staten.

Zelfhelend bio-beton winnaar Design & Engineering Award 2009Wetenschapper Henk Jonkers heeft in november 2009 de Delft Design &Engineering Award ontvangen voor zijn ontwerp voor zelfhelend beton. Hijkreeg € 25.000,- om zijn project te verwezenlijken.Bron: http://www.citg.tudelft.nl/onderzoek/projecten/zelfherstellend-beton/

Zelfherstellend?

7. Afsluiting

Titel van de module 65

Ook onder water kan beton gestort worden zoals voor de metro inAmsterdam en de nieuwe spoortunnel in Delft. Er wordt eenspeciaal soort beton gebruikt waaraan een superplastificeerder istoegevoegd. Die moet er voor zorgen dat het beton onder water bijelkaar blijft en kan uitharden.Zoals jullie na bestudering van de vorige hoofdstukken hebbengezien zijn de toepassingen en de mogelijkheden van beton zeergroot en gevarieerd.

In de hoofdstukken 1 t/m 6 hebben jullie uit de theorie en de experimentenkennis verzameld die je nu nodig hebt voor de eindopdracht.

7.1 Eindopdracht

Maak met een groepje van vier leerlingen een artikel voor de schoolkrant

over zelfherstellend beton.

Artikel voor de schoolkrant over zelfherstellend beton

Het is de bedoeling dat je een beeld geeft van de nieuwe ontwikkelingen op

het gebied van zelfherstellend beton. Gebruik ook en vooral alle informatie

die je als groep gevonden hebt in hoofdstuk 6. Verwerk in het artikel ook de

antwoorden op de hieronder geformuleerde contextvragen. Het artikel moet

tussen de 700 en 1000 woorden zijn.

Contextvragen

Hoe kun je de materiaaleigenschappen van beton beïnvloeden?

Waar kun je beton allemaal voor gebruiken?

Als je kijkt naar de duurzaamheid, verwerkbaarheid en sterkte

van beton, welke nieuwe toepassingen liggen dan in het

verschiet?

De Delftse Leerlijn Scheikunde: module 4: Zelfherstellend beton 2013

Education

Transcript of De Delftse Leerlijn Scheikunde: module 4: Zelfherstellend beton 2013