27

3 MATERIAALKUNDE 3.1 Inleiding Bij het werken aan onze bebouwde omgeving maken we gebruik van een groot aantal bouwmaterialen, hetzij in korrelvorm dan wel vormgegeven tot een bepaalde vorm. De ingenieur rekent aan de constructies en de mechanica is een belangrijk onderdeel van het ter beschikking staande instrumentarium. We starten met een beknopt overzicht van eni-ge mechanica aspecten. Vervolgens wordt een aantal belangrijke bouwmaterialen behan-deld. Aan de orde komen de productie van de materialen, eigenschappen en milieuaspec-ten die een rol kunnen spelen in de gehele levenscyclus van het bouwmateriaal. De materiaalkunde heeft de taak de relaties te zoeken tussen de manier van het maken -en de opbouw van het materiaal- en de eigenschappen ervan. De heterogeniteit1) van een materiaal moet in de gebruikte waarden tot uitdrukking komen. Zo moet van beton bekend zijn o.a.: * De invloed van de grondstoffen waarmee beton gemaakt wordt (cementsoort, zand,

grind). * De invloed van toevoegingen (vulstoffen en hulpstoffen) bij verschillende soorten ce-

ment. * De invloed van mengen, verdichten en opslag. * De invloed van temperatuur en druk waarbij beton vervaardigd wordt. * De invloed van omstandigheden bij het verharden (nabehandeling, temperatuur, voch-

tigheid, windsnelheid). De materiaalkunde moet trachten modellen (formules) op te stellen waarmee bijvoorbeeld de temperatuur-, druk- en vochtafhankelijkheid van de materiaaleigenschappen berekend kunnen worden. Daarbij dienen ook de effecten op het materiaal bij gelijktijdige verande-ringen van temperatuur, spanning of vochtgehalte aangegeven te worden. De materiaal-kunde mag daarom niet volstaan met alleen de druksterkte op te geven die bij een belas-tingsproef is gevonden, die slechts enkele minuten heeft geduurd, maar moet tevens de invloedsfactoren weergeven die voor de tijdsduur gelden waarin de constructie moet dienst doen. Dit geldt eveneens voor alle andere grootheden. De materiaalkunde moet dus trachten om kwantitatief de achteruitgang van materialen in de loop van de tijd te voor-spellen als functie van de gekozen beschermingsmaatregelen. Dit maakt een reductie in kosten mogelijk; constructies die "gewaagder" lijken, kunnen worden gebouwd (hoger, slanker). Maar ook een minimalisatie in de milieubelasting van het bouwen is het gevolg. Slank construeren kan de milieudruk van producten verminde-ren. De uitvoering van het milieubeleid vormt een belangrijke prikkel tot duurzaam bou-wen, waarbij in een snel tempo andere bouwwijzen (meer op recycling gericht, minder energieverbruik in gebruiksfase van gebouwen) en andere bouwmaterialen toegepast wor-den. Inzicht in materiaalgedrag is dan eens te meer essentieel, omdat de "veilige normen" dan vaak niet ter beschikking staan. Van materiaalstructuur naar materiaalgedrag Het opstellen van materiaalmodellen in de vorm van formules kan louter gebaseerd zijn op empirie; bijvoorbeeld de eigenschappen van hout worden bij verschillende vochtgehalten gemeten en het resultaat vastgelegd in een formule. 1) Materialen kunnen homogeen zijn, dan wel heterogeen. In het laatste geval is het materiaal opgebouwd uit diverse componenten.

28

Dit is meestal een omslachtige weg omdat dan niet duidelijk wordt of er nog andere in-vloedsfactoren aanwezig zijn en hoe belangrijk die zijn. Bij veranderingen in het materiaal moet dan bovendien weer een nieuwe meetserie worden uitgevoerd. Een efficiëntere weg is de materiaalstructuur te bestuderen en te bezien of aan de hand hiervan eigenschappen c.q. materiaalgedrag, voorspeld kunnen worden. Een belangrijke opgave van de materiaalkunde bestaat dan ook uit een kwantitatieve be-schrijving van de opbouw van de materialen (we spreken over de materiaalstructuur), en van de wetmatigheden, die het verband aangeven tussen de structuur en de waarden van de eigenschappen waar we gebruik van willen maken. Anderzijds moeten we weten hoe door samenstelling en fabricagemethode de structuur bepaald wordt; zie tabel 3.1.1. Tabel 3.1.1. Verband tussen samenstelling en fabricagemethode versus materiaal-

structuur, en tussen materiaalstructuur versus eigenschappen.

Verband I

Verband II

samenstelling en fabricageme-thode

materiaalstructuur

eigenschappen als sterkte, vervorming, waterkering, isolatie

De materiaalstructuur staat dus in de materiaalkunde centraal. De kennis ervan is niet van belang omwille van haarzelf, maar in relatie tot de eigenschappen. Zo is de beschrijving van de poriestructuur van beton voor de civiele techniek pas interes-sant, als bijvoorbeeld bekend is: * hoeveel de sterkte van een materiaal er per procent poriën op achteruitgaat; * welke poriën een “kracht” op/in het materiaal gaan uitoefenen als ze uitdrogen, enz. In principe zullen deze wetmatigheden ook gelden voor hout of andere poreuze materialen zoals bijvoorbeeld baksteen, gips en natuursteen. Ook de vraag in hoeverre een materiaal homogeen (één component, in iedere richting ge-lijk) of heterogeen (meerdere componenten) is, is op zich niet interessant voor de civiel technicus, maar wel indien dit de eigenschappen in de constructie beïnvloedt. Wel van di-rect belang is of een materiaal isotroop (in alle richtingen gelijke eigenschappen) of anisotroop (in verschillende richtingen verschillende eigenschappen) is; dit slaat immers direct op het materiaalgedrag. Hout is een duidelijk voorbeeld van een anisotroop materi-aal. Bij het construeren wordt daar (als vanzelfsprekend) rekening mee gehouden. Beton (een heterogeen materiaal) wordt in het algemeen als een isotroop materiaal beschouwd (op macroscopisch niveau), hoewel dat strikt genomen meestal niet het geval is.

29

3.2 Mechanische, fysische en chemische aspecten 3.2.1 Mechanische aspecten Bouwmaterialen worden tijdens hun levensduur belast door het milieu (weer, wind, zon, regen, vorst enz.) en door mechanische belastingen (krachten die lengte- en volume ver-anderingen veroorzaken). In beide gevallen kan dit leiden tot falen van het bouwmateriaal of schade aan de constructie. We moeten dus inzicht hebben in het gedrag van een bouwmateriaal bij mechanische, fysische en chemische belastingen. We richten ons nu eerst op het gedrag bij mechani-sche belastingen en kijken naar een trek- dan wel drukproef. We gaan even uit van een trekproef waarbij aan het proefstuk getrokken wordt, zie fig. 3.2.1. Fig. 3.2.2 geeft een drukbank weer waarbij een drukbelasting op het proefstuk wordt aangebracht. De trekproef en de begrippen spanning en rek Het resultaat van een trekproef op gewoon constructiestaal (dus waar we kolommen en balken van maken) is weergegeven in fig. 3.2.3. De toegepaste belasting in Newton (N) is op de Y-as vermeld (Engels: load). De bij de belasting behorende verlenging in mm is op de X-as weergegeven (Engels: extension).

In dit geval is een zogenaamde “spin-del”-machine getoond waarbij via de spindel uiterst nauwkeurig een bepaalde verlengingssnelheid kan worden inge-steld. We spreken hier van een “ver-vorminggestuurde” trekbank. De opge-brachte rek is dus een vooraf ingestelde functie van de tijd. De in het proefstuk aanwezige trekkracht wordt gemeten met de zogenaamde “drukdoos” (de “load cell”). De rek in een deel van het proefstuk wordt gemeten met de “ex-tensometer”.

Fig. 3.2.1 De trekbank.

30

Proefstuk Cilinder met zuiger: de zuiger komt omhoog tijdens de drukproef door het inpompen van olie

Belasting F (N)

Verlenging L (mm)O

In dit geval is een drukbank ge-tekend met een via oliedruk (p) aangestuurde zuiger waarbij een bepaalde belastingsnelheid kan worden ingesteld. We spreken hier van een “krachtgestuurde” drukbank. De opgebrachte druk-kracht is dus een vooraf inge-stelde functie van de tijd (je kunt de oliedruk snel dan wel lang-zaam laten toenemen). De in het proefstuk aanwezige drukkracht wordt berekend via de oliedruk. De rek in een deel van het proefstuk kan weer worden ge-meten met een “extensometer”.

Fig. 3.2.2 De drukbank. Fig. 3.2.3 Belasting-vervormingdiagram bij een trekproef op gewoon constructie-

staal. De vraag is nu wat je krijgt als je proefstukken van hetzelfde materiaal maakt maar met verschillende afmetingen. Het onderstaande plaatje, fig. 3.2.4, is voor een trekproef op een legering van aluminium:

31

2 2o

2 62

o

kracht in N Nspanning (stress) σ =

oorspronkelijke oppervlakte A in mm mm

Nwaarbij 1 N/mm = 1 MPa met 1 Pa = 1 en 1 MPa = 10 Pa

mA = doorsnede bij de start van de trekproef.

Fig. 3.2.4 Belasting-vervormingdiagram bij een trekproef op een constructieve alu-

miniumlegering waarbij van hetzelfde materiaal drie proefstukken zijn gemaakt van verschillende afmetingen. (Figuur uit: Pascoe, An Introduc-tion to The Properties of Engineering Materials, 3rd edition, p.193. 1978).

Het is duidelijk dat we dan drie verschillende last-verlengingfiguren zullen vinden omdat de proefstukken immers verschillende afmetingen hebben. Dit is op zich niet zo handig om de fundamentele eigenschap van het materiaal (de “trek-rek-stuk” eigenschappen van de aluminiumlegering) zichtbaar te maken. We moeten proberen onafhankelijk van de afme-tingen te worden. Dit betekent dat we de belasting en de vervorming naar afmeting-onafhankelijke waarden moeten transformeren. Hiertoe transformeren we de kracht in (N) naar een spanning en we definiëren de span-ning als: We noemen de op deze manier gedefinieerde spanning ook wel de “engineering stress”. De kracht bij deze trekproef staat loodrecht op de doorsnede van de staaf en daarom spreken we bij de berekening van dergelijke spanningen over de normaalspanning σ. We transformeren vervolgens de verlenging van het proefstuk naar een rek en definiëren de rek (Engels: strain) als:

32

o

0

o

ΔL mmrek (strain) ε = dus ε is dimensieloosL mm

Ook gebruikt men wel de uitdrukking:ΔLrek ε = x100% %L

met ΔL = verlenging en L = oorspronkelijke lengte bij start trekproef.

2maxtrek

o

max

Fσ = (N/mm )

A

met F = maximale belasting (N).

De rek is in de lengterichting van de staaf en men noemt deze rek de “specifieke rek”. In de Engelstalige literatuur gebruikt men de naam “engineering strain”. Bij een drukproef spreekt men over “stuik” in plaats van rek. Uiteindelijk vinden we voor de aluminiumlegering fig. 3.2.5 en we noemen deze figuur het σ-ε diagram of spanning-rek diagram waarbij we onafhankelijk van de proefstukafmetin-gen (als we even niet letten op de verschillen ten aanzien van de uiteindelijke breukrek), inzicht krijgen in het trek-rek gedrag van de legering. Bij de standaardbepaling van de breukrek is men gebonden aan standaard proefstukvormen (zie hieronder). Fig. 3.2.5 Spanning-rekdiagram bij een trekproef op een constructieve aluminiumlege-

ring waarbij van hetzelfde materiaal drie proefstukken zijn gemaakt van ver-schillende afmetingen. (Figuur uit: Pascoe, An Introduction to The Properties of Engineering Materials, 3rd edition, p.194. 1978).

Bij metalen is het spanning-rek diagram op trek gelijk aan dat op druk. Voor beton is dat beslist niet het geval. De treksterkte van beton is ruwweg σdruk / 10. De breukrek en de treksterkte Staal dat in roodgloeiende toestand wordt gewalst tot de gewenste vorm, noemt men warm gewalst staal. Het σ-ε diagram van dat staal (dat men uiteraard bepaalt bij kamer-temperatuur) heeft de vorm als fig. 3.2.3, dus met een vloeigrens (het gebied BC in de figuur). Vaak tekent men voor het gemak het punt B op de positie van A). De hierbij be-horende spanning noemt men σvloei (Engels: yield stress). In het gebied OA is staal lineair elastisch (zie hieronder). Bij gewoon constructiestaal kan de breukrek oplopen tot 30%, dit in grote tegenstelling tot de breukstuik van beton die in de orde van grootte van 5 tot 7o/oo ligt. In fig. 3.2.3 is punt D het punt waar men de “treksterkte” berekent, dus:

33

loodrecht op trekrichting evenwijdig trekrichtingε = - .ε

met = dwarscontractiecoëfficiënt

na breukbreuk

0

ΔLε = x 100%

L

In fig. 3.2.3 zal men bij belasten tot punt A een elastische vervorming vinden. Haalt men de belasting weg, dan veert de staaf gewoon terug tot zijn oorspronkelijke startlengte L0. Belast je voorbij B, dan zal de staaf blijvend verlengen: men spreekt dan van plastische deformatie. Tegelijkertijd wordt de staaf over zijn gehele lengte blijvend ietsje dunner. Een dergelijke taaie staalsoort breekt met een insnoering (zoals alle taaie metaallegerin-gen) en deze start ongeveer als de curve weer naar beneden gaat buigen. Deze insnoe-ring is echter lokaal (zie fig. 3.2.6). Aangezien de breukrek berekend wordt volgens: is het duidelijk dat deze uitkomst sterk afhangt van de meetlengte L0 omdat veel van de blijvende vervorming in de insnoeringzone C’-D’ (zie fig. 3.2.6) te vinden is. Voor een ade-quate bepaling van de breukrek maakt men gebruik van gestandaardiseerde staafvormen met een vastgelegde Lengte/Diameter verhouding L/D, bijvoorbeeld L/D = 10.

Fig. 3.2.6 Metalen trekstaaf met een markering aangebracht vóór de trekproef (bo-

venste plaatje) en de positie van de markeringen na de trekproef (onder-ste plaatje). (Figuur uit: Pascoe, An Introduction to The Properties of En-gineering Materials, 3rd edition, p.195. 1978).

De dwarscontractiecoëfficiënt (Engels: Poisson’s ratio) Ook in het gebied van de elastische vervorming, de lijn OA in fig. 3.2.3, zal de staaf iets dunner worden, maar als de belasting wordt weggehaald zal de staaf weer de oorspronke-lijke dikte aannemen. Er geldt, zie ook fig. 3.2.7: Voor moeilijk samendrukbare materialen, zoals bitumen en kunststoffen wordt een waarde van ongeveer 0,5 gevonden. Zie ook tabel 3.2.1.

34

2

Lineair elastische vervorming volgens

de wet van Hooke:

N = E.

mm

of:

dE = tg =

d

Belasten

Ontlasten

Fig. 3.2.7 Elastische vervorming bij een trekstaaf: langer en dunner. Tabel 3.2.1. Enkele materialen met hun dwarscontractiecoëfficiënten (verhoudingsgetal van Poisson).

Materiaal

Waarden van dwarscontractiecoëfficiënten

lood

0,43

aluminium

0,33

koper

0,33

tin

0,33

staal

0,28

glas

0,24

natuursteen

0,1 à 0,3

beton

0,10 - 0,25

kunststoffen

0,4 - 0,5

De elasticiteitsmodulus E (Engels: Young’s modulus) Voor lineair elastische materialen geldt een gedrag zoals in fig. 3.2.8. Het verband tussen spanning en vervorming volgt de wet van Hooke:

σ = E.ε (N/mm2) Aangezien de rek als dimensie (mm/mm) heeft, is de dimensie van de E-modulus gelijk aan die van een spanning, dus ook N/mm2. α Fig. 3.2.8 Lineair elastisch gedrag en de elasticiteitsmodulus E.

35

evenwijdig doorsnede

20

F Nτ =

A mm

æ ö÷ç ÷ç ÷÷çè ø

Voor staal vinden we Econstructiestaal = 210 GN/m2 = 2,1x105 N/mm2 en Eroestvast staal = 193 GN/m2. Voor aluminium: Ealuminum = 72,5 GN/m2. Voor keramische producten vinden we waarden tot ongeveer 1000 GN/m2. Kunststoffen: ongeveer 3,5 GN/m2. Eglas = 72 GN/m2. Niet altijd vinden we echter zo’n mooi lineair verband als in fig. 3.2.8, zie bijvoorbeeld fig. 3.2.9. Belangrijk is ook hoever de mogelijkheid van elastische vervorming reikt (de elastische vervormingscapaciteit). Bij beton is zoals vermeld de maximale vervorming onder druk (stuik) niet meer dan enkele promillen, de rekcapaciteit bij trekbelasting is nog een weinig lager! Bij metalen, kunststoffen en hout kan de maximale rek enkele procenten bedragen, bij sommige rubbers wel een paar honderd procent (N.B. het gaat hierbij echter niet meer om lineaire elasticiteit). De rek waarbij nog sprake is van elastische vervorming bij staal is ongeveer 0,1%. Daar voorbij vervormt het metaal plastisch, dus blijvend. Fig. 3.2.9 Niet-lineair gedrag en de elasticiteitsmodulus E. In het geval van fig. 3.2.9 (links) berekenen we de E-modulus op een bepaald spannings-niveau uit de helling van de raaklijn aan de curve ter plekke. We spreken dan van de tan-gentmodulus. De secantmodulus wordt bepaald uit de helling van de lijn OA in de rechter figuur. Bepalen we de helling van de raaklijn aan het spanning-rekdiagram in de oor-sprong, dan vinden we de initiële tangentiale modulus. Deze E-modulus ligt dicht bij de zogenaamde dynamische E-modulus die bepaald wordt via snelle belasting-trillingen (dus via een dynamische meting). De verklaring is dat bij zeer snelle trillingen het materiaal geen tijd heeft om de zogenaamde kruipvervorming te vertonen. Kruip is het verschijnsel dat bij langdurige belasting er een extra vervorming in de loop van de tijd optreedt bo-venop de instantane elastische vervorming. Afschuiving, schuifspanning en glijdingsmodulus G Als de belasting evenwijdig aan het materiaaloppervlak aangrijpt, spreekt men van een afschuifspanning. We definiëren i.h.a. de schuifspanning als zijnde een spanning in het vlak van een bepaalde doorsnede en dan geldt (zie ook fig. 3.2.10):

A

O

36

2

Nτ = G.γ

mm

æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø

EG =

2.(1+υ)

ΔV 3(1-2υ) = - .Δp

V Emet p = drukverhoging

ECompressiemodulus K =

3.(1-2 )

Fig. 3.2.10 De vervorming van een proefstuk door een schuifspanning τ in het geval

van lineaire elasticiteit. In fig. 3.2.10 heerst er op het bovenvlak van een kubusvormig proefstuk een schuifspan-ning en daardoor vervormt de kubus een beetje. De vervorming is weergegeven met de hoek γ (in radialen, dus [m/m]). Als het materiaal lineair elastisch is, geldt: met G = glijdingsmodulus. Aangezien de afschuifhoek γ in radialen wordt weergegeven, dus dimensieloos (mm/mm) is, heeft de glijdingsmodulus eveneens de dimensie van een spanning. Uiteraard is er een verband tussen de elasticiteitsmodulus, de glijdingsmodulus en de dwarscontractiecoëfficiënt: als je er twee kent, kan je de derde uitrekenen. Er geldt: De compressiemodulus Bij een alzijdige drukbelasting, zoals bij een betonnen fundering in diepzee, zal het mate-riaal een kleiner volume krijgen als de dwarscontractiecoëfficiënt kleiner dan 0,5 is (en als het materiaal in alle richtingen dezelfde eigenschappen heeft). Deze volumeverandering volgt uit: Men definieert de compressiemodulus K als:

37

o o o

o o o

2L - L LΔLε = = = = 1 dus ε = 100%

L L L

2waar true

waar2

waar

Fσ = σ = (N/mm )

A

met F = kracht in N en A = de werkelijke doorsnede (in mm ) bij belasting F.

o o o

o o o

L /2-L -L /2ΔLε = = = = -0,5 dus ε = -50%

L L L

Als de dwarscontractiecoëfficiënt gelijk is aan 0,5 wordt K oneindig groot en dat betekent dat het materiaal dan onsamendrukbaar is. Voldoen onze definities van spanning en rek in het geval van extreem grote vervormingen? De normaalspanningen en specifieke rekken zijn gebaseerd op de afmetingen van het proefstuk bij de start van de belastingproef (Lo resp. Ao). In de civiele techniek is dit voor de meeste constructies een geoorloofde en nuttige werkwijze omdat Ao niet extreem zal veranderen en de meeste rekken slechts gering zijn (in de orde van promillen). Vraag 3.2.1 (Trek- en drukproef bij geringe vervorming):

a) Neem een trekstaaf met A0 = 100 mm2 en L0 = 1000 mm. Stel E= 2,1x105 N/mm2 (het gaat dus om staal). De treksterkte van het proefstuk is 500 MPa. De vloei-grens σvloei = 250 MPa. Belast deze staaf met een trekkracht van 21 kN. Bereken de “engineering stress” en de “engineering strain”. Breekt het proefstuk? Ant-woord: σ = 210 MPa, ε = 1 o/oo, de staaf breekt niet en zal alleen elastisch ver-vormen.

b) Idem, maar pas nu een drukkracht van 21 kN toe. Antwoord: σ = -210 MPa, stuik ε = -1 o/oo, de staaf vloeit noch breekt.

Bij deze geringe vervormingen zien we dat de absolute waarden van rek en stuik gelijk zijn. Bij onze civieltechnische constructies dimensioneer je de constructie op dergelijke kleine rekniveaus dus de “engineering strain” en “engineering stress” zijn uitstekende ma-ten voor berekening van de constructie. Vraag 3.2.2 (Trek- en drukproef bij extreme vervorming):

Wat nu echter als we een staaf nemen van een uitzonderlijk uitrekbaar materiaal (bijvoorbeeld een gevulkaniseerde rubber) met lengte Lo en oppervlakte Ao en we het materiaal uitrekken tot een lengte van 2L0? Hoe groot is de “engineering strain” en is dat dan nog wel zo’n geschikte maat? Antwoord: Als we de rubberstaaf zo extreem uitrekken, kan je voorspellen dat de doorsnede bij die grote vervorming eveneens extreem is afgenomen, dus Anieuw << Ao. Als we nu de “engineering strain” uitrekenen, vinden we voor de rek een waarde van

Als we er even vanuit gaan dat je het rubber ook extreem in kan drukken, bijvoor-beeld tot een nieuwe hoogte van Lo/2, vinden we voor de stuik:

Hier geldt dus niet meer dat |εdruk| gelijk is aan εtrek. De "werkelijke (ware) spanning" en "de werkelijke (ware) rek" Voor de extreem grote vervormingen in vraag 3.2.2 zal men de rekken en de spanningen anders moeten definiëren. Men gaat dan over op de ware spanning (“true stress”) en de ware rek (“true strain”):

38

w 0

kracht Fware spanning: σ = σ (1+ε)

ware doorsnede tijdens de proef

0

L0

w0 0L

L +ΔLdL L"ware" rek = η = ε = = ln = ln = ln(1+ε)

L L L

ε = specifieke rek

0

L0

w0 0L

2LdL L"ware" rek op trek = η = ε = = ln = ln =

L L L

ln(2) = +0,693 of 69,3%

0

L

w0L

0

0

dL L"ware" rek (op druk) = η = ε = = ln =

L L

L / 2ln = ln(1/2) = -0,693 of -69,3%

L

Vraag 3.2.3 (Verband tussen ware spanning en ingenieursspanning):

Geef het verband (bij benadering) tussen de ware spanning (stel: σw) en de engi-neering stress (stel: σo = F/Ao). Hint: neem aan dat het volume niet veel veran-dert. Antwoord:

Fig. 3.2.11 geeft als voorbeeld het spanning-rek diagram van koper uitgedrukt in de ware spanning en de ingenieursspanning. Fig. 3.2.11 Spanning-rek curven voor koper. De “engineering strain” voldoet in wezen niet meer bij extreem grote rekken en daarom definieert men dan de “werkelijke rek” (true strain) η: Vraag 3.2.4 (De ware rek en de specifieke rek):

Wat zijn nu de ware rekken in het geval van vraag 3.2.2? Antwoord:

We zien nu dat wel geldt: |ηdruk| = ηtrek.

waarwerkelijk

Ftrue stress = σ =

A

oo

Fengineering stress σ = σ =

A

maxtrek

o

Ftreksterkte σ =

A

39

xx

ΔA 0

x

A

ΔFσ = lim

ΔA

Normaalkracht op de totale staafdoorsnede N = σ dx

Bij het uitrekenen van constructies baseren we ons in het algemeen op vervormingen in de materialen die gering zijn. Zoals vermeld gaat het dan om rekken in de orde van groot-te van promillen. Bij de elasticiteitstheorie maakt men gebruik van lineair elastisch gedrag van de materialen en daar geldt als formele definitie van de normaalspanning en de nor-maalkracht N (zie fig. 3.2.12): Fig. 3.2.12 Trekstaaf (in gedachten doorgesneden). Het rechter deel van de staaf is

niet getekend, maar oefent een kracht uit op het wel getekende linker-deel. Op een klein oppervlakje ΔA werkt een krachtje ΔF waarvan de hori-zontale component ΔFx loodrecht staat op dat vlakje.

Buiging Een plank over een sloot buigt door als je er op gaat staan, zie fig. 3.2.13. Fig. 3.2.13 Buiging. Links: overdreven getekend. Rechts: de doorbuiging is nauwelijks

zichtbaar. Als de plank niet breekt, moet er sprake zijn van een zeker evenwicht: Spanningen inwen-dig in de plank zorgen er voor dat de belasting van jouw gewicht, F (N) naar de steunpun-ten wordt afgedragen. In ieder geval moet er momentenevenwicht zijn van het uitwendig moment (kracht keer afstand) met het door de plankspanningen opgeroepen inwendig moment in de plank op ieder punt van de plank tussen punt A en B. Op punt C is het uit-wendig moment maximaal en geldt M =½F x ½L (Nm). In de linkerfiguur is te zien dat dit koppel met de klok meedraait bij het staafdeel AC. Bij mechanicaberekeningen maken we gebruik van de hypothese van Bernouilli die stelt dat bij buiging vlakke doorsneden vlak blijven. Denk je in gedachten het rechterdeel van de plank weg, dan zullen er boven in het linkerdeel van de plank horizontale drukspanningen heersen (de pijlen naar links) die

L/2

A B

P

Q

40

F

σ

ε

2vloeiσ = 250 N/mm

Het ontstaan van een plas-tisch scharnier

overgaan naar trekspanningen onder in de plank (de pijlen naar rechts). Over de plank-doorsnede heerst dus nu een moment dat tegen de klok indraait en dat even groot moet zijn als (maar tegengesteld aan) het uitwendig moment ter plekke. Ergens in de plank is er een zone waar geen spanningen heersen en waar de plank noch langer noch korter wordt: dit is de neutrale lijn. Als bij punt A in fig. 3.2.13 de staaf ver-hinderd wordt om naar links of rechts te schuiven, zal volgens Bernouilli geen enkel punt van de neutrale lijn horizontaal verschuiven en alleen maar vertikaal kunnen verplaatsen. Voorwaarde is dat de ligger slechts gering doorbuigt. Zie het rechter deel van fig. 3.2.13. Bij deze figuur is het spanningenniveau dus nog niet zodanig dat er sprake is van niet-elastische vervormingen, dus de wet van Hooke gaat hier nog steeds op. Bij de linker fi-guur kan je dit wel in twijfel trekken. Vraag 3.2.5 (Plastische scharnieren):

Stel nu eens dat de plank van een taaie staalsoort is en dat het vereenvoudigde σ-ε diagram er uitziet als fig. 3.2.14.

Fig. 3.2.14 Een plastisch scharnier bij een plank van staal met een vloeigrens (zie ook

fig. 3.2.15 rechts).

Stel dat de stalen plank 10 mm dik is, een breedte heeft van 20 cm en een lengte heeft van 3 m. Bij welke belasting zou er een zogenaamd plastisch scharnier kun-nen ontstaan waarbij de doorbuiging van de plank sterk zou kunnen toenemen en de wet van Hooke niet meer opgaat? We gaan er even van uit dat de belasting midden op de plank staat, dus in punt C van fig. 3.2.13. Antwoord: Bij een volledig tot ontwikkeling gekomen plastisch scharnier geldt de spanningsverdeling van het onderste plaatje van fig. 3.2.14 en fig. 3.2.15 (rechts) laat dergelijke plastische scharnieren zien. Boven de neutrale lijn heerst er in de middendoorsnede in de plank een horizontale drukspanning van -250 MPa (dus de vloeispanning die een drukkracht veroorzaakt van -250x5x200 = -250000 N). On-der de neutrale lijn heerst een horizontale trekspanning van +250000 N, (immers, ΣH=0). Het inwendig moment (tegen de klok in) is dan 250000x50 = 12500000 Nmm (50 mm is de momentarm = dikte/2). Het uitwendige moment ter plekke C (met de klok mee) in fig. 3.2.13 is gelijk aan FL/4 = ½Fx1500 Nmm = 750xF en er geldt: Minw + Muitw = 0. Dus F = 12500000/750 = 17000 N. Dit betekent dat de plank een massa kan dra-gen van 17000/g (met g = de zwaartekrachtsversnelling = 10 m/s2), dus 1700 kg.

41

(1N is per definitie qua dimensie gelijk aan 1 kg x 1 m/s2. Er geldt: Kracht = mas-sa x versnelling, dus met versnelling = g = 10 m/s2 betekent dit dat een massa van 1700 kg een belasting van 17000 N op de plank uitoefent).

Taaie en brosse breuk Dit kan je met taaie metalen doen:

Fig. 3.2.15 Wat je ziet als je een koperdraadje om je vinger wikkelt (links) en rechts

een ijzerdraadje van “zacht koolstofstaal” waar plastische scharnieren te zien zijn. (Uit: Pascoe, An Introduction to the Properties of Engineering Materials, 3rd edition, p. 193. 1978).

“Mild steel” is ongeveer hetzelfde als “low-carbon steel” en dan gaat het om staal met een laag koolstof gehalte (< 0,25 %). Hoe meer koolstof aanwezig is hoe harder het staal wordt. Dit gaat echter wel ten koste van de taaiheid. Het koolstof in staal bij temperaturen onder 730 oC vindt men voor het grootste gedeelte terug in de chemische verbinding Fe3C (ijzercarbide, ook wel cementiet genoemd). Een carbide is hard en bros. Maakt men staal met meer koolstof, dan wordt het staal dus harder omdat er meer ce-mentiet ontstaat. Bij nog hogere koolstofgehalten spreekt men niet meer van staal maar van gietijzer. Hierin komt de overmaat aan koolstof voor als grafiet. Gietijzers zijn veel brosser dan staal, maar makkelijker te smelten, vandaar de naam gietijzer. Gaat men het gewone constructiestaal (dat bij het verkrijgen van zijn vorm warm dus roodgloeiend bij ongeveer 1100 oC gewalst is) bij kamertemperatuur belasten tot voorbij de vloeigrens (zie B-C in fig. 3.2.3), dan vervormt men het blijvend: het staal wordt dus permanent langer en dunner. Gaat men van dat vervormde staal het σ-ε diagram bepalen (dus ook weer bij kamertemperatuur) dan vindt men geen vloeigrens meer. Men krijgt dan een diagram als fig. 3.2.3 maar dan met een scherpere overgang tussen het elastische gebied en het gebied waar men blijvende vervorming aantreft. Uiteindelijk zal ook een taai metaal breken en zoals vermeld, gaat dat gepaard met in-snoering: er wordt bij een trekstaaf een zogenaamde kop- en schotelbreuk gevonden, zie fig. 3.2.16.

42

toevallig aanwezig kerfje (inwendig

danwel aan het oppervlak)

Vlakke breuk, geen

blijvende vervorming

Fig. 3.2.16 De kop- en schotelbreuk bij een trekproef op een taai metaal, in dit geval

staal. Brosse breuk: Dit is een breuk zoals bij glas waarbij geen sprake is van blijvende vervorming en insnoe-ring. Dergelijke materialen zijn zeer gevoelig voor toevallig aanwezige krasjes en kerfjes, zie fig. 3.2.17. Fig. 3.2.17 Brosse breuk. Pas op: in bepaalde omstandigheden kan een taai metaal wel degelijk bros breken (bij-voorbeeld als je het “mishandelt” in plaats van op de juiste manier toe te passen). Ons gewone constructiestaal zal bij zeer lage temperaturen ook bros kunnen breken. Gebruik voor onze constructies dus nooit een staalsoort die bros kan breken vlak bij het vriespunt maar gebruik staalsoorten die pas bros kunnen gaan breken bij temperaturen lager dan bijvoorbeeld -30 oC. Men toetst staal op kerfgevoeligheid en brosse breuk met de kerf-slagproef. Deze wordt in het tweede studiejaar behandeld. Een bros brekend stuk staal zal evenals glas meestal breken zonder waarschuwing en zonder blijvende vervorming.

43

3.2.2 Grootheden en enige fysische aspecten Grootheden, eenheid, dimensie en afhankelijkheid van toestandspara-meters. Bij het construeren moeten we uiteindelijk de afmetingen berekenen van een constructie. Om dit te kunnen doen moeten we: a. de belastingen schatten b. de materiaaleigenschappen kennen c. aan de hand van de belastingen de spanning- en rektoestanden in de constructie uit-

rekenen Bij ad. a weten we dat er niet één belasting is maar een kans op een bepaald belastingni-veau. Dit geldt evenzeer voor ad. b; er is niet één bepaalde sterkte, maar het gaat om spreidingen in sterkten. We hebben hier dus statistiek en kansberekening nodig om de zaak goed te interpreteren. Bij ad. b gaat het o.a. om het verband tussen spanning- en rektoestanden; de constitutie-ve vergelijkingen. We maken hier dus gebruik van fysische/mechanische wetmatigheden. Het vak materiaalkunde levert ons de kennis over de materiaaleigenschappen. Bij ad. c maken we gebruik van wetten en indien nodig van modellen om onze voorspellin-gen te doen. In alle gevallen komt er veel rekenwerk en wiskunde aan te pas. De wiskun-de- en mechanicavakken en het vak modelvorming zijn hierbij belangrijke toeleveranciers van de noodzakelijke kennis en hulpmiddelen. De materiaaleigenschappen en de diverse belastingen zullen uiteindelijk via metingen vastgelegd en gecontroleerd moeten worden. De eigenschappen karakteriseren we door grootheden (zoals druksterkte, permeabiliteit, uitzettingscoëfficiënt, warmtegeleiding, etc.). Een materiaal moet dus een bepaalde functie vervullen, bijvoorbeeld een “draagfunctie”. Hiertoe moet het bepaalde eigenschappen be-zitten, zoals sterkte, en die sterkte moet een bepaalde waarde bezitten. Zie tabel 3.2.2. Tabel 3.2.2 Van functie naar eigenschappen naar grootheden en waarden.

(1) (2) (3) (4) Functie Eigenschappen Grootheden Waarden

draagfunctie sterkte druksterkte x (MPa)

afsluitende functie waterdichtheid permeabiliteit x (m/s) Grootheden bezitten dus een dimensie. We kunnen immers niets anders doen dan de za-ken te vergelijken met bepaalde standaarden. Dus grootheid = getalwaarde * eenheid. Een meting levert een getal op dat de verhouding is tussen de waarde van een fysische grootheid en de eenheid waarin deze wordt uitgedrukt. We maken sinds 1960 gebruik van het internationale stelsel van eenheden (het S.I.-stelsel). In tabel 3.2.3 wordt een overzicht gegeven van de basisgrootheden, hun symbool, de S.I.-eenheid die daarbij hoort en het symbool van de eenheid. We drukken de in de techniek gebruikte grootheden uit in de grondeenheden. Hierbij ma-ken we gebruik van fysische betrekkingen tussen de diverse grootheden. We spreken dan ook van afgeleide grootheden, zie tabel 3.2.4.

44

Bij de berekeningen kunnen zeer grote of juist zeer kleine getallen ontstaan. We gebruiken in dit geval voorvoegsels die een vermenigvuldigingsfactor betekenen, bijvoorbeeld deci, micro, etc. De regel is dat van decimale veelvouden gebruik wordt gemaakt, dus van machten van 10, bijvoorbeeld 2,8106 (zie tabel 3.2.5).

Tabel 3.2.3 Overzicht van grondgrootheden en grondeenheden van het S.I. eenheden-stelsel.

Grootheid Symbool van de grootheid

Eenheid van de grootheid

Symbool van de eenheid Dimensie

Lengte 1 meter m [L] Massa m kilogram kg [M] Tijd t seconde s [T]

Temperatuur T Kelvin K [] Elektrische stroom-

sterkte I ampère A [I]

Hoeveelheid lichtsterk-te I candela cd [I]

Vlakke hoek 1) Ruimtehoek 1)

Hoeveelheid materie

n

radiaal steradiaal

mol

rad sr

mol [ - ]

1) aanvullende grootheden. Tabel 3.2.4 Afgeleide eenheden.

Grootheid Eenheid van de afgeleide grootheid

Symbool van de eenheid Definitie

Frequentie Hertz Hz 1 Hz = 1 s-1

Kracht Newton N 1 N = 1 kg.m/s2 Energie Joule J 1 J = 1 Nm

Vermogen Watt W 1 W = 1 J/s Elektrische lading Coulomb C 1 C = 1 A.s

Elektrische potentiaal Volt V 1 V = 1 J/C Elektrische weerstand Ohm 1 = V A-1 Elektrische capaciteit Farad F 1 F = 1 C/V Elektrische geleiding Siemens S 1 S = 1 -1

Magnetische flux Weber Wb 1 Wb = Vs Zelfinductie Henry H 1 H = V.A. -1 s = Wb/A

Magnetische inductie Tesla T 1 T = 1 Wb/m2 = 1 Vsm –2 Lichtstroom (flux) lumen lm 1 lm = 1 cd.sr Verlichtingssterkte lux lx 1 lx = 1 lm/m2

Druk Pascal Pa 1 Pa = 1 Nm2 Radioactiviteit Becquerel BQ aantal splitsingen per seconde

45

Tabel 3.2.5 Erkende voorvoegsels.

Voorvoegsel Symbool Factor Voorvoegsel Symbool Factor yotta Y 1024 deci d 10-1 zetta Z 1021 centi c 10-2

exa E 1018 milli m 10-3

peta P 1015 micro 10-6

Tera T 1012 Nano N 10-9

Giga G 109 Pico p 10-12

Mega M 106 Femto F 10-15

Kilo k 103 atto a 10-18

Hecto H 102 Zepto Z 10-21

Deca da 101 yocto y 10-24

Afhankelijkheid van toestandsparameters: De materiaaleigenschappen zijn helaas niet altijd constant. Ze hangen bijvoorbeeld af van de temperatuur (zie bijvoorbeeld fig. 3.2.18 voor het gedrag van staal), de tijd (veroude-ring), vochtgehalte, belastinggeschiedenis, straling (bijvoorbeeld het “verschieten” van kleurpigmenten door UV-straling) en allerlei chemische en biologische invloeden. Zoals vermeld bepalen we de eigenschappen via beproevingen, maar de meetuitkomst is vaak toch afmetingafhankelijk ondanks het “normeren” naar spanningen en rekken. Dit speelt heel sterk bij de sterktebepaling van beton op kubussen dan wel cilinders. De uitkomst is voor hetzelfde betonmengsel afhankelijk van de proefstukvorm, de proefstukafmetingen en de belastingsnelheid en de wijze van het plaatsten van het proefstuk in de trek-/drukbank (plaats je beton “koud” tussen stalen platen, dan vind je een andere sterkte dan wanneer je er laagjes rubber tussen het beton en het staal van de drukbank legt). Daar-door moeten we sterkte- en stijfheidbepalingen in principe verrichten op gestandaardi-seerde proefstukken. Fig. 3.2.18 Trekkrommes van staal bij verschillende temperaturen. De nulpunten van de

krommes zijn telkens voor de leesbaarheid naar rechts verschoven, maar ho-ren uiteraard alle in de oorsprong van het assenstelsel te beginnen.

500

400

300

200

100

46

o

1 ΔL dε 1α = . =

L ΔT dT K

æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø

2

ΔT Wwarmtestroom q = -λ.

Δx m

Wwarmtegeleidingscoëfficiënt = λ ,

K.m

temperatuur T in (K) en dikte wand = Δx (m)

é ùê úê úë û

é ùê úê úë û

Thermische uitzetting Door warmte-invloeden zullen de atomen in de materialen sneller gaan trillen waardoor het materiaal uitzet. De uitzetting leggen we vast via de (lineaire) uitzettingscoëfficiënt α, zie tabel 3.2.6. Er geldt: Tabel 3.2.6 Uitzettingscoëfficiënten α van enige materialen. Materiaal α x 10-6 (1/K) Materiaal α x 10-6 (1/K) Glas 8 Aluminium 20,8 Staal 12 Lood 29,4 Beton 12 Glasvezel gewapende polyester 25 – 100 zink 26,3 PVC 60 - 90 Is bij een temperatuurverandering uitzetting niet mogelijk, dan zullen zogenaamde thermi-sche spanningen ontstaan. Dit is bijvoorbeeld het geval bij ingeklemde materialen of con-structiedelen. Ook kan een constructiedeel of materiaal zelf de vervorming verhinderen (eigenspanning). Dat is het geval wanneer de buitenkant van een materiaal afkoelt, maar de binnenkant nog warm is. Er ontstaan dan trekspanningen in de buitenlaag, zie fig. 3.2.19. Bij verhinderde vervorming door temperatuurverandering geldt voor de opgebouwde spanning: Δσ = -E.α.ΔT.

Spanning-rek lijnen bij de temperaturen T en T+1. Het verschil in vervorming bij constante spanning is gelijk aan α. Het verschil in spanning bij rek = constant is gelijk aan E.α.

Fig. 3.2.19 Spanningen, vervormingen en invloed temperatuur. Warmtetransport Als twee ruimten met verschillende temperaturen worden afgescheiden door een wand, zal er een warmtestroom plaatsvinden van de warme ruimte naar de koude volgens de relatie:

47

toegevoerde warmte of ontwikkelde warmte = ΔQ = c.ΔT (J/kg)

Jmet c = soortelijke warmte en T in (K)

K.kg

æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷çè ø

Fig. 3.2.20 Warmtegeleidingcoëfficiënt als functie van de dichtheid met spreiding tussen

droog en vochtig materiaal. Fig. 3.2.20 laat de warmtegeleidingcoëfficiënt zien als functie van de dichtheid van diverse materialen. Het is duidelijk dat hoe massiever en dichter hem materiaal, des te beter de warmte door het materiaal geleid wordt. De schuimmaterialen, materialen met een zeer lage dichtheid, geleiden de warmte niet goed omdat de combinatie van een wandenstelsel met (opgesloten) stilstaande droge lucht een slechte warmtegeleider is (als er geen warm-tetransport via straling en convectie plaats vindt). Schuimmaterialen zijn op de markt verkrijgbaar als kunststofschuimen en glasschuimen. Sinds kort kan men ook aluminiumschuimen kopen. Vaak worden isolatieplaatmaterialen toegepast waarbij de wanden “dicht” zijn en de kern een schuimmateriaal is. In plaats van vaste schuimen maakt men ook wel van vezelmateriaal gebruik, zoals glaswol en steenwol of natuurlijke vezels waar de combinatie van vezels en stilstaande lucht de warmtestroom belemmert. Warmtecapaciteit Warmte kan in een materiaal worden opgeslagen. In sommige gevallen genereert het ma-teriaal warmte, zoals bij verhardend beton waar de hydratatiereactie tussen cement en water exotherm is. Als water condenseert in een capillair van een poreus materiaal, komt er eveneens warmte vrij (de condensatiewarmte). De toename in temperatuur volgt uit: Huizen in woestijngebieden met massieve zware muren zullen overdag binnen relatief koel blijven omdat ze veel energie absorberen en minder snel warm worden. S’-nachts als het koud wordt, stralen ze die warmte weer uit en daarmee wordt de afkoeling in het huis af-gedempt. In koude gebieden waar gedurende een lange periode een lage temperatuur heerst, kan men beter een wand maken met voldoende isolatie (van een schuimmateriaal) om de warmte binnen te houden (of de warmte buiten in geval van koelcellen). De soorte-lijke warmte speelt hier dus geen rol.

48

2 2

J Nm Nγ = surface energy = =

mm m

é ù é ù é ùê ú ê ú ê úê ú ê ú ê úë û ë û ë û

Oppervlakte energie Bij de treksterkte van materialen speelt het begrip “oppervlakte energie” een grote rol. Trekt men een bros materiaal kapot, dan creëert men twee nieuwe oppervlakken, zie fig. 3.2.17. De energie die men moet toevoegen om deze twee oppervlakken te creëren is de breukarbeid W = 2.Oppervlak.γ. Men noemt γ de oppervlakte energie of ook wel: oppervlaktespanning: Neem als voorbeeld het oppervlak van een stukje materiaal van fig. 3.2.21. Fig. 3.2.21. Interactie tussen deeltjes (atomen, moleculen). Het aan de buitenkant ge-

legen deeltje heeft minder buren, dus minder nabuurinteracties. Aan het (scheur)oppervlak wordt niet aan alle kanten even hard getrokken, zoals bij de meer naar binnen gelegen atomen het geval is. Men kan het ook zo formuleren dat de atomen aan het (scheur)-oppervlak een tekort aan bindingsenergie ondervinden ten op-zichte van de naar binnengelegen atomen. Dit tekort, uitgedrukt per eenheid van opper-vlak, heet dus de oppervlakte-energie. We zeggen dat het oppervlak een hogere energie heeft dan het inwendige. De dimensie van de oppervlakte energie, (N/m), geeft aan dat het ook kan worden beschouwd als een lijnspanning: de oppervlaktespanning genaamd. Adsorptie Gassen en vloeistoffen streven naar een zo klein mogelijk oppervlak bij een zo groot mo-gelijk volume en dat bereiken ze bij de bolvorm. Ook vaste stoffen streven hiernaar, maar kunnen deze bolvorm niet realiseren. Nu zien we in de praktijk dat steenachtige materialen gemakkelijk met water bevochtigd kunnen worden. Vanuit het oogpunt van oppervlakte energie kan men stellen dat: - de hoge oppervlakte energie van steenachtige materialen gereduceerd wordt bij

contact met water - de energiewinst groter is dan het verlies aan energie bij het verlaten van de drup-

pelvorm van het water. De verbinding van de vaste stof met water wordt veroorzaakt door de Van der Waalskrach-ten, dit zijn secondaire bindingskrachten en men noemt dit verschijnsel adhesie. Vermindering van oppervlakte energie blijkt in veel gevallen wel te kunnen optreden als twee oppervlakken met elkaar in aanraking worden gebracht (ook van verschillende stof-fen), bijvoorbeeld tussen een vaste en een vloeibare component, er geldt dan:

49

vloeistof

2γh =

r.ρ .g

γA + γB γAB

De binding en de continuïteit worden weer enigermate hersteld. Hiertoe is wel een zeer goed contact nodig tussen de componenten! Met een vloeistof lukt dat natuurlijk meestal beter dan met twee vaste stoffen, zie fig. 3.2.22. Praktische toepassingen zijn hier de composieten en materiaalverbindingen waarbij de ma-terialen aan elkaar gelijmd worden. Ondanks dat het nooit mogelijk zal zijn om het gehele oppervlak te laten hechten aan een ander materiaal, is er een geweldige ontwikkeling ge-weest in de lijmverbindingtechnieken.

Fig. 3.2.22 Contact tussen twee vaste oppervlakken op nanometerniveau. Er zijn

slechts incidentele contactpunten aanwezig. Capillaire indringing Het verschijnsel dat water via de poriën van een materiaal naar binnen dringt, is zoals vermeld veroorzaakt door de afname van de oppervlakte energie. De wateropzuiging hangt overigens sterk af van de grootte van de capillairen, in kleine capillairen kan het wa-ter veel hoger opstijgen dan in grote: Fig. 3.2.23 Bevochtiging en capillaire opzuiging. Bij gekromde oppervlakken op het grensgebied van twee fasen (zoals bij luchtbelletjes in water, waterdruppeltjes in lucht en de meniscus in het capillair van fig. 2.2.23), zal er altijd een drukverschil optreden bij deze grensvlakken in het ene medium ten opzichte van het andere medium. In fig. 3.2.23 rechts is de druk boven de holle meniscus (dus de luchtfa-se) groter dan onder de meniscus (de waterfase). Dit is de drijvende kracht achter de ca-pillaire stijghoogte en de neiging van water om in een poreus bouwmateriaal te dringen. Bij een luchtbelletje in water, zal de luchtdruk groter zijn dan de waterdruk volgens:

vaste stof sv vloeistof sl

vloeistof lv

γ = γ = γ .cosθ + γ

met γ = γ

h

50

water2γΔp =

r

water4γΔp =

r

Hetzelfde geldt voor een waterdruppeltje in lucht: de oppervlaktespanning veroorzaakt een overdruk in het bolletje. Bij een zeepbel heeft men een buiten- en een binnenoppervlak en dan geldt: Het binnendringen van water in een poreus bouwmateriaal kan men tegengaan door een waterafstotende vloeistof te impregeneren waardoor men de oppervlaktespanning van de poriën zodanig verandert dat water niet meer het oppervlak kan bevochtigen, dus niet meer kan binnendringen. Ook de cohesie van een halfvochtige zandmassa kan men mede veroorzaakt zien door de-ze onderdruk onder hol gekromde vloeistofoppervlakken, die dan overal in de zandmassa aanwezig zijn, zie fig. 3.2.24. De zogenaamde plastische krimp van betonspecie en de droogkrimp van verhard beton hangen hier eveneens mee samen.

A) cohesie van water (vloeistof); B) terugtrekking waterfront, ontwikke-

ling van capillaire krachten, cohesie neemt toe;

C) verdere toename cohesie; D) cohesie neemt weer af omdat con-

tactvlak afneemt.

Fig. 3.2.24 Cohesie van zand. Bouwmaterialen en vocht Capillaire condensatie: De dampdruk boven een gekromd vloeistofoppervlak (indien in evenwicht met de vloeistof; verzadiginsdampdruk) is lager dan boven een vlak oppervlak. Het gevolg is condensatie (H2O wordt immers naar de plek met de lagere dampdruk toegedreven). Hoe kleiner de poriediameter, des te lager de dampdruk en dit betekent dat kleine poriën altijd als eerste met water gevuld worden bij bevochtiging en als laatste hun water afstaan bij uitdroging. Beïnvloeding van materiaaleigenschappen: Vocht in bouwmaterialen beïnvloedt de mechanische eigenschappen. Droog beton is 20% sterker dan nat beton. Bij hout kan dit verschil oplopen tot 100%. Nat hout heeft een lage-re elasticiteitsmodulus dan droog hout en zal sneller aangetast worden door schimmels. Droog beton zal niet kapotvriezen terwijl bij nat beton er een kans op vorst-dooi(zout) schade is. Hoe kleiner de poriën in een poreus bouwmateriaal, des te lager is het vriespunt

51

en daarom zal een beton met een lagere water/cementverhouding beter bestand zijn te-gen vorst en dooi dan een beton aangemaakt met een hogere water/cementverhouding. Vochtcapaciteit: Een poreus bouwmateriaal dat in vochtevenwicht is met zijn omgeving (de omgevingslucht zal altijd waterdamp bevatten, dus een bepaalde relatieve vochtigheid bezitten), zal altijd water bevatten, hetzij in de vorm van gecondenseerd water, dan wel in de vorm van wa-terdamp. De hoeveelheden H2O hangen af van de porositeit, poriënverdeling en permeabiliteit van het bouwmateriaal. De porositeit in metalen is zo gering dat daardoor geen vocht aanwe-zig zal zijn. Kunststoffen zullen meestal geen water doorlaten, maar waterdamp kan wel door de kunststof heen diffunderen. Nylons zwellen daardoor in een vochtige omgeving. Poreuze bouwmaterialen zullen bij plaatsing onder water na een bepaalde tijd een verzadi-gingsgraad van 100% kunnen bereiken. In de open lucht zal zich een bepaalde vochtig-heidsgraad in het bouwmateriaal instellen, zie fig. 3.2.25 voor beton. De relatieve vochtigheid van de buitenlucht in Nederland varieert tussen 40 en 100%. Dit betekent dat ook de allerfijnste poriën in beton (de zogenaamde gelporiën op nanometer-niveau) en een deel van de capillaire poriën (op micrometerniveau) altijd gevuld zullen zijn met water. Bij een relatief vochtgehalte van 83% vindt men in beton ongeveer 7% (vol/vol) vocht. Fig. 3.2.25 Vochtgehalte van beton in evenwicht met de omgeving als functie van de

relatieve vochtigheid. Het gemak waarmee water uit een porie kan ontsnappen, hangt af van de poriegrootte en dit heeft weer te maken, zoals vermeld, met het effect dat boven een gekromd oppervlak een lagere waterdampspanning ontstaat waardoor waterdamp naar dat oppervlak toe wordt gedreven en daar condenseert. Tabel 3.2.7 geeft de relatieve verzadiginsdampdruk als functie van de porieafmeting en het “type” water dat men in een bepaalde porie aan kan treffen. Op atomair niveau, dus bij uitzonderlijk kleine poriën, zal water nauwelijks kunnen ontsnappen, en daar spreekt men van kristalwater. Pas bij grote verhitting, zal ook het kristalwater verdampen. Uit de gebruikte formules met betrekking tot oppervlaktespanning en verlaging van de ver-zadigingsdampspanning laat zich het volgende verband afleiden (de formule is geen ten-tamenstof overigens) tussen verzadigingsdampspanning en de straal (r) van de poriënbe-rekeningen:

52

molV2γcosθ- .

r RTΔp

1 - = ep

Δp/p = de relatieve vermindering van de verzadigingsdampspanning. γ = oppervlaktespanning r = straal porie Bij een randhoek θ van 20 (cos θ = 0,9), welke geldt voor de meeste steenachtige mate-rialen, laat zich dan de in tabel 3.2.7 gegeven relatieve verzadigingsdampspanning als functie van de straal van de poriën berekenen (fig. 3.2.23 toont de randhoek θ bij een wa-terdruppel op een oppervlak). Tabel 3.2.7 Relatieve verzadiginsdampdruk als functie van de porieafmeting. Water type Relatieve verzadiginsdampdruk Vrij water, vlakke meniscus 1 Capillair water, grotere poriën (microns - mm) > 0.8 Capillair water, kleinere poriën (> 10 nm - microns) 0,5 – 0,8 Gelporiën (nm) 0,1 – 0,5 Intrakristallijn ≤ 0,1

Droogkrimp en vochtzwelling: Vochtige bouwmaterialen krimpen bij uitdrogen en zwellen bij bevochtigen. Bij hout is dit overduidelijk zichtbaar. Als het vocht dat zich in de celwanden bevindt, verdampt, zal er contractie voorkomen, dus merkbare krimp. In de betonnormen en de betreffende hout-normen wordt met het verschijnsel krimp rekening gehouden. De krimp van beton ligt in de grootteorde van 0,5o/oo en bij hout 0,1 – 6% afhankelijk van de houtsoort en de oriën-tatie van het houtblok t.o.v. de oorspronkelijke positie in de boom (hout is niet isotroop: dus heeft in verschillende richtingen verschillende eigenschappen). Uitdrogend beton kan scheuren en men brengt bij vloeren boven in de vloer een wapeningnet aan om krimp-scheuren tegen te gaan, de zogenaamde krimpwapening. Onder in de vloer, in de trekzone heeft men al de hoofdwapening (trekwapening), dus die belemmert krimpscheuren aan de onderkant. Transportverschijnselen Als er tussen twee punten in de ruimte temperatuurverschillen en concentratieverschillen optreden, zal er transport plaatsvinden, van warmte (in het eerste geval) en van vloeistof-fen, lucht, damp, moleculen en ionen bij concentratieverschillen. Zie fig. 3.2.26. links van de muur rechts van de muur

Als xrechts<xlinks dan vindt transport plaats van links naar rechts Fig. 3.2.26 Transport treedt altijd op bij verschillen in concentratie, druk etc.

links

links

links

links

links

T

p (bijvoorbeeld luchtdruk)

p (bijvoorbeeld waterdampdruk)

c (bijvoorbeeld chloride concentratie)

h (bijvoorbeeld waterkolom hoogte)

rechts links

rechts links

rechts links

rechts links

rechts li

T T

p (bijvoorbeeld luchtdruk) p

p (bijvoorbeeld waterdampdruk) p

c (bijvoorbeeld chloride concentratie) c

h (bijvoorbeeld waterkolom hoogte) h

¹

¹

¹

¹

¹ nks

53

hydraulisch

3

Δh mQ = -k .

Δx s

mQ = massa doorgestroomd water in

s

æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø

2m

Δh = verschil in waterkolom hoogte

Δx = dikte muur

( )

3intrinsiek

2

2int rinsiek

2

k dp m mQ = - . =

η dx ss.m

k = permeabiliteitscoëfficiënt m

Np = druk en x = richting drukverval met dx in m

m

η = viscositeitscoëfficiënt van de doorstrom

æ ö÷ç ÷ç ÷ç ÷çè ø

æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø

2

hydraulisch int rinsiek

2 3

Nsende vloeistof

m

ρ.gk = .k

η

m kgmet g = 10 en ρ = soortelijke massa vloeistof

s m

æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø

æ ö æ ö÷ ÷ç ç÷ ÷ç ç÷ ÷ç çè ø è ø

Bij waterdrukverschillen volgt het watertransport door de muur de wet van Darcy: Men spreekt ook wel over de “waterdoorstroomsnelheid” v in plaats van Q. De hydraulische permeabiliteit khydraulisch dient hier uitgedrukt te worden in m/s. Voor beton is de grootteorde voor k ongeveer 10-11 m/s. Wordt de waterdruk uitgedrukt in N/m2 dan geldt voor willekeurige vloeistoffen de formu-le: In oude handboeken wordt k vaak gegeven in darcy’s: 1 darcy = 10-12 m2. Bij bijzonder kleine poriën gaan de vermelde relaties niet altijd op. Er zijn bijvoorbeeld kleitypen waarbij grondwaterstroming alleen optreedt als een bepaalde waterdruk wordt overschreden. Bij het bevochtigen van poreuze materialen zien we een sterkte wateropzuiging vanwege de capillaire onderdrukken die verband houden met vloeistofmeniscussen. Dit proces gaat veel sneller dan transport dat gedreven wordt door waterdrukverschillen. Bij poreuze ma-terialen is de wateropzuigsnelheid vaak een functie van de wortel van de tijd. Bij diffusiegestuurde processen is er sprake van concentratieverschillen die transport van ionen en moleculen veroorzaken. Hier gebruikt men bij stationaire processen de eerste wet van Fick en de in de formule optredende factor noemt men de diffusiecoëfficiënt D:

54

2

3

2

dc kggetransporteerde massa per oppervlakte en s = g = -D.

dx m .s

kgc = concentratie van de gediffundeerde stof

m

dc = concentratie gradiënt

dx

mD = diffusiecoëfficiënt

s

æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø

æ ö÷ç ÷ç ÷çè ø

æ ö÷ç ÷ç ÷ççè ø÷

Tabel 3.2.8 geeft voor een aantal materialen ordes van grootten van de diffusiecoëfficiën-ten van waterdamp. De diffusiecoeëfficiënt van O2 en CO2 door water is ruwweg 2x10-9 m2/s en dat is een fac-tor 10-4 kleiner dan door lucht. Tabel 3.2.8 Diffusiecoëfficiënten van waterdamp. Materiaal D (10-6 m2/s) Materiaal D (10-6 m2/s) metselwerk 2,5 minerale wol 10 - 20 pleisterlagen 1,5 – 2,5 bitumenvilt 0,075 beton 0,8 - 1 aluminiumfolie 0,0002 lichtgewicht beton met poreu-ze toeslagmaterialen

5 dakbedekkingfolie 0,0002

schuimbeton 3,6 – 4,2 houtwol platen 3,6 – 4,2 stationaire lucht 25 Vraag 3.2.6 Water(damp) en plastic:

Een fabrikant maakt van twee halve doorzichtige plastic bollen een speel-tje waarbij een plastic vis in het water zwemt. Zal na een aantal jaren de vis nog ronddobberen? Antwoord: Door diffusie van water(damp) door het plastic heen zal de bol water verliezen.

55

+ -3

22

[ ][ ]O OHHK = = evenwichtsconstante[ O]H

3.2.3 Enige chemische aspecten Deze paragraaf is bedoeld voor studenten die hun scheikundekennis willen opfrissen en kan door degenen met voldoende parate kennis op het gebied van scheikunde overgesla-gen worden. Het molgewicht: Water is: H2O. De massa van 1 mol water volgt uit het atoomgewicht van waterstof en dat van zuurstof, dus: 2x1 + 16 = 18 en dat betekent dat 1 mol water een massa heeft van 18 gram. Eén mol van een bepaalde verbinding bevat 6,0225x1023 moleculen. Water en de pH schaal: Water is voor een zeer klein gedeelte gesplitst in H2O H+ + OH-, of naar modernere inzichten: 2H2O H3O+ + OH- omdat het “hydronium ion” H3O+ (= gehydrateerde proton) snel ont-staat uit: H+ + H2O H3O+. De hoeveelheid H3O+ en OH- is in zuiver water slechts zeer gering. Er geldt:

Men stelt: Kw = K [H2O]2 = 1x10-14 bij 25 C. De teksthaken geven molaire concentraties weer (mol per liter). Als we uitgaan van een vaste hoeveelheid water (zuiver water bevat 55 mol H2O per liter hetgeen vele malen groter is dan wat we vinden voor [H3O+] en [OH-]), dan geldt dus: Kw = [H3O+][OH-] = constant = 1x10-14 (bij 25 C). We noemen Kw het ionenproduct van water of dissociatie constante van water. Per definitie stelt men de pH gelijk aan: pH = -log[H3O+] In neutraal water is er evenveel OH- als H3O+, dus dan geldt: [H3O+] = 10-14 = 10-7 met: pH = -log(10-7) = 7. Bij het toevoegen van bijvoorbeeld 0,001 mol NaOH (natronloog) gebeurt er: NaOH Na+ + OH waardoor [OH-] eveneens gelijk wordt aan 10-3. Er volgt met: [H3O+][OH-] = 10-14 dat [H3O+] = 10-11. De pH wordt dan: pH = -log(10-11) = 11 > 7. Een grotere pH betekent dus een basische oplossing. Een zure oplossing geeft een pH < 7. Het begrip base en “alkalisch” materiaal: ­ Een base opgelost in water geeft een bittere smaak en voelt aan als een zeep in water ­ Een base opgelost in water neutraliseert een opgelost zuur tot een zout:

NaOH (= natriumhydroxide) + HCl (= zoutzuur) NaCl (= keukenzout) + H2O waarbij optreedt: H+ + OH- H2O en vanwege de grote oplosbaarheid van keukenzout: NaCl Na+ + Cl-.

­ Een base kan ontstaan uit de reactie van een metaaloxide met water: CaO + H2O Ca(OH)2 + warmte ­ Een base in water kleurt lakmoes blauw en geleidt elektriciteit goed. ­ Het begrip alkalisch materiaal is komt van het Arabische “alkali” wat betekent: “as van

een plant”.

56

- Een base is een substantie die hydroxide ionen OH- produceert in water (volgens Arrhe-nius, 1884): NH3 + H2O NH4

+ + OH- dus NH3 is een base. ­ Een base is een substantie die protonen kan accepteren (Brønsted - Lowery definitie,

1923). In: NH3 + HCl NH4

+ + Cl- neemt NH3 een proton op en is dus een base. base zuur zuur base

­ Een base zorgt er voor dat er uit het oplosmiddel een anion (= negatief ion) ontstaat doordat het molecuul van het oplosmiddel een proton afstaat.

­ Een base bevat een electronenpaar dat een covalente binding aan kan gaan met een atoom, molecuul of ion (dus ook een proton). (Lewis concept, 1938).

Het begrip zuur: ­ Een zuur opgelost in water geeft een zure smaak (acidus = zuur). Niet alle substanties

met een zure smaak zijn echter zuren. ­ Een zuur verliest zijn karakter wanneer het in contact komt met een base. ­ Een zuur in contact met kalksteen produceert koolzuurgas CO2:

2HCl(aq) + CaCO3(s) CaCl2(aq) + H2O(l) + CO2(g) aq: waterige oplossing; s: solid (vast); l: liquid (vloeistof); g: gas.

­ Een waterige oplossing van een zuur in contact met onedele metalen zoals Mg en Zn produceert H2 gas: 2HCl(aq) + Mg(s) MgCl2(aq) + H2(g)

­ Een waterige oplossing van een zuur kleurt lakmoes rood en geleidt elektriciteit goed. ­ Een zuur brengt protonen (H+) in het water (Arrhenius definitie, 1884): HCl H+ + Cl-. ­ Een zuur is een substantie die protonen doneert ook zonder de aanwezigheid van wa-

ter (Brønsted-Lowery definitie): NH4+ + Cl- HCl + NH3

Hierbij is NH4+ een Brønstedzuur omdat het een proton doneert aan Cl-.

­ Een zuur is een substantie die in een oplosmiddel een kation (positief ion) produceert. Dit kation is dan een “geprotoneerd” (= gekoppeld met een proton) molecuul van het oplosmiddel: HCl + NH3 NH4

+ + Cl- In dit geval is het oplosmiddel NH3. ­ Een zuur is een substantie die een covalente binding kan vormen door een electronen-

paar van een base te accepteren (Lewis concept, 1938). Niet ieder “Lewis zuur” is een “Brønsted zuur”.

Het begrip zout: ­ Een zout is een verbinding tussen een kation (positief ion) anders dan H+ en een anion

(negatief ion) anders dan OH- en O2-. Alle zouten opgelost in water geven een goede elektrische geleiding.

­ Een zout ontstaat uit een reactie tussen een zuur(anhydride) en een base(anhydride). Ook ontstaat een zout als reactieproduct bij een reactie tussen een geschikt zuur en een onedel metaal of een ander zout. Een base plus een zout levert eveneens een an-der zout op (en een andere base). Tenslotte kunnen twee verschillende zouten ont-staan uit de reactie van een bepaald zout met een ander zout.

De begrippen oxidatie en oxide, reductie en redoxreacties: ­ Een oxide is een verbinding van een element met zuurstof: 2Ca + O2 2CaO (hierbij is het metaaloxide CaO een base anhydride).

Zuurvormende oxiden (of zuuranhydriden = zuren zonder water) zijn oxiden die met water zuren vormen.

­ Indifferente oxiden reageren slecht met water (NO, CO, N2O, MnO2). ­ Amfotere oxiden kunnen O2- ionen afstaan én opnemen (ZnO, Al2O3, As2O3). ­ Oxideren is het afstaan van elektronen:

57

In het geval Na Na+ + e- is natrium geoxideerd. ­ Door oxidatie (= afstaan van elektronen) stijgt het “oxidatiegetal”. ­ Reduceren is het onttrekken van zuurstof uit een oxide (oude definitie, zie hieronder

voor de definitie van reductie). Het vrijmaken van ijzer uit ijzeroxiden gebeurt via reductieprocessen.

­ Reductie is het opnemen van elektronen (nieuwe officiële definitie): De reactie Na+ + e- Na is een reductiereactie.

­ Een reductiereactie kan niet optreden zonder de erbij horende oxidatiereactie en omge-keerd.

­ Door reductie (opnemen van elektronen) daalt het oxidatiegetal. ­ Een oxidator zorgt er voor dat een andere stof geoxideerd wordt en wordt zelf geredu-

ceerd vanwege het accepteren van elektronen. Het oxidatiegetal van een oxidator daalt dus.

­ Een reductor zorgt er voor dat een andere stof gereduceerd wordt en wordt zelf geoxi-deerd omdat hij een elektron afstaat. Het oxidatiegetal van een reductor stijgt dus.

­ Een redoxreactie is een reactie waarbij elektronen uitgewisseld worden. Cohesie en adhesie: ­ Cohesie is de krachtwerking tussen moleculen van één stof - Adhesie is de krachtwerking tussen moleculen van verschillende stoffen. Elektriciteit, anode, kathode, stroomsterke: - De stroomsterkte I = dQ/dt [1 Coulomb/seconde = 1 Ampère] met Q = elektrische la-

ding [Coulomb]. ­ De stroomdichtheid i (of soms uitgedrukt als j om geen verwarring te krijgen met het

complexe getal i = -1 ) is gelijk aan I/oppervlak dus is uitgedrukt in Ampère/m2 = A/m2.

­ De stroomrichting van een elektrische stroom is van de pluspool naar de minpool (van bijvoorbeeld een batterij) indien de stroom gedragen wordt door transport van elektro-nen (door een koperdraadje bijvoorbeeld). De elektronen zelf lopen echter van de min-pool naar de pluspool, dus de elektronenstroom is tegengesteld aan I. Wordt de stroom in een oplossing voortgezet, dan is de stroomrichting I die van het transport van kationen (positieve ionen) in de oplossing naar de kathode (de minpool). Een kation is positief van lading en heet kation omdat hij aangetrokken wordt door de kathode (= negatieve pool).

­ Anode = positieve elektrode; de kathode is de negatieve elektrode. ‘Ezelsbrug’: knap (k = kathode, n = negatief, a = anode, p = positief). Een anion is negatief geladen, zodat het in een oplossing naar de positieve (= anode) elektrode gedreven wordt.

­ Een metalen anode in een oplossing produceert elektronen, of anders gezegd: heeft een relatief tekort aan elektronen (en is daarom de pluspool). Dus een metalen anode in een waterige oplossing is een elektronengenerator via de reactie: Me Men+ + ne- (Me= metaal, n = waardigheid of valentie van het metaal = aantal elektronen). Dit betekent dat bij de anode een oxidatiereactie optreedt. “Ezelsbrug”: een anode gaat er “an” (lost op in water).

­ Een kathode in een oplossing accepteert elektronen, of anders gezegd: heeft een over-schot aan elektronen (en is daarom de minpool). Dus een kathode is een elektronenac-ceptor. Bij de kathode treedt de kathodische reactie op waarbij een elektron gebonden wordt, dit is dus een reductiereactie. Voorbeelden van reductiereacties bij elektroche-mische corrosieprocessen zijn:

58

Men+ + ne- Me 2H+ + 2e- H2 O2 + 4H+ + 4e- 2H2O O2 +2H2O + 2e- 2(OH)-

Corrosie In onze constructiepraktijk is de bestrijding van “natte corrosie” van belang. Bij natte cor-rosie spelen water en zuurstof een grote rol. Bij corrosie treden de zogenaamde redox-reacties op die, als ze alsmaar doorgaan, het metaal zullen laten verdwijnen. Reactie 1: de oxidatiereactie Me → Men+ + ne- Het kation Men+ verdwijnt in het water en de elektronen gaan door het metaalrooster heen naar een plek aan het oppervlak van het metaal waar ze in een reductiereactie wor-den “geconsumeerd”. Reactie 2: de reductiereactie Voorbeeld 1: 2H+ + 2e- → 2H → H2 ↑ De pijl naar boven geeft aan dat het H2 als gasbelletjes verdwijnt. Dit gebeurt bij zure re-gen. Voorbeeld 2: O2 + H2O + 4e- → 4OH- Bij ijzer zal nu samen met het Fe2+ en de OH- ionen ijzerroest ontstaan. Dit gebeurt in een neutraal milieu met veel zuurstof in het water. Voorbeeld 3: Cu 2+ + 2e- → Cu ↓ Als ijzer en koper met elkaar in contact komen, zal het edelere koper er voor zorgen dat het onedeler ijzer in oplossing gaat.

Plafondplaat op de zesde ver-dieping van het gebouw van Civiele Techniek. Het plafond is na een lekkage opengewerkt en de plaat hangt hier vertikaal.

Fig. 3.2.27 Staal roest in contact met water en zuurstof. (In dit geval: kunst of ramp?).

59

metselwerk26%

asfalt20%

divers puin6%

niet-steenachtig BSA6%

beton42%

3.3 Enige bouwmaterialen (van de wieg tot het graf) 3.3.1 De materiaalketen. Van materiaal tot materiaal: Recycling Belangrijke constructiematerialen zijn staal, beton en betonwaren, bakstenen, asfalt en hout. Kunststoffen worden op grote schaal toegepast als raamkozijnen, dakgoten, regen-pijpen, buizen, isolatiemateriaal, verven, lijmen en coatings. Als lichtdoorlatende materia-len gebruikt men glas en kunststoffen. Metalen zoals koper en zink worden toegepast als dakbekledingsmateriaal evenals kunststoffen en bitumina. Aluminium is in opkomst als constructiemateriaal en gevelbekleding. Materiaalcombinaties, bijvoorbeeld als sandwich-panelen bij gevels worden veelvuldig toegepast. Bij de productie van materialen maakt men gebruik van ruwe grondstoffen, men heeft energiedragers nodig om de grondstoffen te transporteren, te verwerken, om het bouw-materiaal te vervaardigen en te transporteren enz. Bij deze (be)handelingen treedt vervui-ling op, uitputting, natuur- en landschapsaantasting, geluids- en stankhinder, enz. Bij het bouwen ontstaat bouwafval. Vroeger werd bouwafval gedumpt maar tegenwoordig wordt dit soort afval veelvuldig in de productieketen van bouwmateriaal teruggebracht. Bij de sloop van het gebouw ontstaat sloopafval. Ruwweg gaat het om 16.106 ton bouw- en sloopafval per jaar in Nederland. Een kwart hiervan is bouwafval. Ter vergelijking: Het huishoudelijk afval is jaarlijks ruwweg 5,5x106 ton. Fig. 3.3.1 geeft de samenstelling van het bouw- en sloopafval en fig. 3.3.2 geeft de herkomst van dit afval. Na verwerking van sorteerders en puinbrekers kan veel van dit materiaal weer hergebruikt worden in de bouwketen. Fig. 3.3.1 De samenstelling van het bouw- en sloopafval in %. Er is consensus in het streven om zo weinig mogelijk afval te dumpen of te verbranden en zo veel mogelijk afval opnieuw terug te brengen in de keten. Zie fig. 3.3.3.

60

woningbouw25%

utiliteitsbouw40%

grond-, weg- en waterbouw

35%

Fig. 3.3.2 De afkomst van het bouw- en sloopafval (in %). Fig. 3.3.3 De materiaalcyclus. De Rijksoverheid heeft haar doelstellingen ten aanzien van preventie en hergebuik gepu-bliceerd in het “Implementatieplan Bouw- en Sloopafval”. Het streven is te komen tot 90% hergebruik en dit betekent dat de overheid hiertoe bepaalde maatregelen heeft moeten nemen. Een voorbeeld is het stortverbod dat in is gegaan in 1997 voor herbruikbaar bouw- en sloopafval. Een instrument is hierbij de verhoging van de prijs die men moet betalen aan de poort van de stortplaats (de “gate fee”) om puin te mogen storten. In de praktijk leidt de recycling van beton- en metselwerkpuin tot toepassing in wegfunde-ringen. In veel gevallen is er sprake van “downgrading”. Zolang de brekers het puin kun-nen verkopen aan de wegenbouwers, is dit niet zo’n probleem maar als er in de toekomst minder wegen worden gebouwd, moet men toch andere markten aanboren. Fig. 3.3.4 laat de afzetgebieden van gerecycled bouwpuin zien. Door het hergebruik van bouw- en sloopafval neemt de behoefte aan te delven grondstoffen af. Fig. 3.3.5 laat de besparing zien op toepassing van nieuwe grondstoffen vanwege de toepassing van gerecycled bouwpuin. De besparing is het grootst op ophoogzand, een materiaal waar in Nederland echter geen schaarste aan is. De overheid voert een beleid om ons landschap te sparen en dat houdt in dat men niet te veel nieuwe zandputten wil. De overheid wil ook een rem zetten op nieuwe grindputten en men hoopt dat in 2015 de besparing op natuurgrind is opgelopen tot 7,5.106 ton.

61

funderingen49%

ophogingen27%

beton20%

stortsteen4%

grind; 4

betonzand; 1stortsteen; 0,5

ophoogzand; 15,4

kalksteen; 0,1

Fig. 3.3.4 De afzet van gerecycled bouwpuin. Fig. 3.3.5 De besparing van nieuwe grondstoffen in Nederland in miljoen ton/jaar

vanwege de toepassing van gerecycled bouwpuin. De idee is om zoveel mogelijk terug te brengen in de eigen materiaalketen waardoor er minder sprake zal zijn van “down grading”. Bij het “terugrecyclen” in de eigen materiaalketen zullen de materialen een tweede, derde en volgende keer gebruikt worden. Bij staal en aluminium gebeurt dit altijd al maar voor beton kan dit problemen opleveren (verdere vergruizing). Bij PET-flessen is recycling zeer lastig omdat er zeer hoge eisen aan de grondstoffen gesteld moeten worden. Een zeer kleine verontreiniging leidt al tot het falen van de fles.

62

0102030405060708090

100

staal

alum

inium

kope

rzin

kloo

d

nikke

l tin

mag

nesium

over

ige

3.3.2 Metaallegeringen In de bouw worden staal, aluminiumlegeringen, lood, koper en zink veelvuldig toegepast. De laatste jaren verschijnt het zeer duurzame, sterke maar ook dure titanium op de markt. Het voordeel van titanium, koper, lood, aluminium en zink is dat deze metalen min of meer bestand zijn tegen een niet te extreem vervuild buitenklimaat. Ze hoeven dus niet geschilderd of gecoat te worden. Er zijn echter vele aluminiumproducten op de markt met een oppervlaktelaag (anodiseren). Metalen komen in de aardkorst voor als oxiden en zouten in de vorm van ertsen. De ert-sen worden vaak in open mijnbouw gedolven, getransporteerd en gereinigd omdat ze ontdaan moeten worden van verontreinigingen zoals zwavel. Aluminium komt in de vorm van bauxiet in grotere hoeveelheden voor dan ijzererts maar is moeilijker te reduceren dan ijzer, zie fig. 3.3.6. Daarom is het vrijmaken van aluminium eeuwen later ontwikkeld dan bij koper en ijzer (dat zelf weer eeuwen later dan koper en brons werd toegepast). Nog steeds is wat betreft de metalen het ijzer qua productiehoeveelheden het belangrijk-ste metaal, zie fig. 3.3.7. Zo dichtte Rudyard Kipling:

Gold is for the mistress – silver for the maid Copper for the craftsman cunning at his trade

“Good!” said the Baron, sitting in his hall, “But Iron – Cold Iron – is master of them all.”

Fig. 3.3.6 De samenstelling van onze aardkorst. Fig. 3.3.7 De productie van metalen.

Vergelijking t.o.v. staal-productie

63

Metaallegeringen worden vanuit een smelt gefabriceerd en stollen tot bepaalde kristal-vormen. Afhankelijk van de afkoelsnelheid worden per samenstelling verschillende eigen-schappen gevonden, een verwerkingsmogelijkheid waar de metallurg dankbaar gebruik van maakt. Metalen zijn goed in staat om warmte en elektriciteit te geleiden en hebben een min of meer glimmend uiterlijk vanwege vrije elektronen die door het kristalsysteem kunnen bewegen. Deze vrije elektronen zijn er de oorzaak van dat het materiaal niet doorzichtig kan zijn. Veel metaallegeringen zijn sterk en taai, maar soms kunnen metalen toch bros breken. De soortelijke massa varieert van metaal tot metaal. Staal heeft een dichtheid van ongeveer 7870 kg/m3. Aluminium van 2700 kg/m3. Men maakt soms wel onderscheid tussen zware metalen met een hoge soortelijke massa en lichte metalen met een lage soortelijke massa. In de literatuur wordt de grens gelegd bij 5000 kg/m3. In de volksmond wordt het begrip “zwaar metaal” gebruikt om uit te drukken dat bij uitlo-ging het grondwater wordt vervuild door deze metalen. Een mens heeft ongeveer 5 gram van het zware metaal ijzer in zijn bloed nodig voor zijn zuurstofhuishouding. Wij kunnen dus absoluut niet zonder het “zware metaal” ijzer. In de metaalindustrie hanteert men een grijze lijst van metallische en niet-metallische potentieel gevaarlijke elementen en een zwarte lijst van elementen die zeer gevaarlijk zijn voor onze gezondheid. We onderscheiden ijzerlegeringen zoals staal en gietijzers en niet-ijzerlegeringen zoals aluminium, koper, enz. Zie fig. 3.3.8 en 3.3.9. Fig. 3.3.8 IJzerlegeringen.

64

Fig. 3.3.9 Niet-ijzerlegeringen. Een belangrijke eigenschap van vele metalen is dat ze gelast en/of gesoldeerd kunnen worden. Andere verbindingsmogelijkheden zijn bouten, klinken en lijmen. Staal Grondstoffen voor de productie van staal zijn ruwijzer en schroot via het oxistaal proces. Het is ook mogelijk om alleen uit schroot weer nieuw staal te smelten, dit is het zoge-naamde elektrostaal uit de elektro-ovens. De recyclinggraad van staal in de eigen keten is dan ook hoog. Grondstoffen voor de productie van ruwijzer zijn (zie fig. 3.3.10) ijzererts, steenkool, dat wordt omgewerkt tot kooks (ook wel: “cokes” genoemd), en kalk. Fig. 3.3.11 geeft een overzicht van de hoogovenprocessen. Fig. 3.3.10 De grondstofbehoefte van staal.

65

Fig. 3.3.11 De hoogoven. In de kooksfabriek wordt eerst de steenkool gemalen en vervolgens wordt uit steenkool kooks gefabriceerd door verhitting met uitsluiting van lucht. De eisen die aan metallur-gisch kooks worden gesteld zijn o.a. een grote hardheid, sterkte, slijtvastheid, laag zwa-velgehalte, niet te hoog asgehalte. Tijdens de kooksvorming ontstaat kooksovengas en dat bevat methaan, waterstof, CO en ammoniakgas. Dit kooksovengas kan als energie-drager elders worden hergebruikt. Het ijzererts dat naar de hoogoven gaat, bestaat uit ijzeroxide. Er bestaan ook ertsen van ijzercarbonaat, maar die moeten eerst geoxideerd worden voor ze bruikbaar zijn in het hoogovenproces. IJzerertsen waarin veel ijzersilicaten voorkomen, worden in het hoog-ovenproces niet gereduceerd en moeten daarom afgescheiden worden van de ijzeroxiden. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van een scheiding op soortelijke massa of magneti-sche eigenschappen. Zwavelijzer (Fe2S) moet eveneens eerst geoxideerd worden, waarbij de zwavel wordt omgezet in SO2. Tegenwoordig is het aanbod van stoferts groter dan van groferts. Om grotere gasdoorlatendheid in de hoogoven te krijgen, kunnen zeer fijne ert-sen door pelletiseren tot grote hard gebakken knikkers gegranuleerd worden. Dit gebeurt in de pellefabriek. Ook wordt van ijzerterts wel sinter gemaakt: ertskoek. De kooks, ijzertertspellets en kalksteen worden in lagen boven in de hoogoven gebracht. Een deel van de steenkool wordt als poederkool ingeblazen onder in de hoogoven samen met hete lucht van ongeveer 900 oC. De hete lucht wordt door windverhitters voorver-warmd. De hete lucht levert warmte en zuurstof aan de hoogoven. Onder in de oven heerst een windsnelheid van windkracht zeven. De kalk wordt toegevoegd om ongewens-te elementen zoals zwavel uit de kolen en het erts te binden, zie fig. 3.3.11 t/m 3.3.13. In moderne fabrieken levert de energiecentrale elektriciteit via het opwekken van stoom én de hete lucht voor de poederkoolinjectie. Een deel van de brandstof van de centrale is CO afkomstig van de hoogovengassen.

66

1) menging van erts,

kooks en kalk 2) lading naar de hoog-

oven 3) hoogovengas naar

luchtverhitters 4) hoogovengas naar

energiecentrale 5) afvoergassen 6) idem 7) koude luchttoevoer in

windverhitters 8) hete luchttoevoer en

poederkoolinjectie 9) aftappen ruwijzer 10) transport naar gietzij-

zerfabriek dan wel staalfabriek

11) en 12) hoogovenslak als grondstof voor cementproductie en toeslagmateriaal Fig. 3.3.12 Productieproces van ruwijzer. In de hoogoven verbrandt het kooks en wordt vergast tot CO en CO2 onder ontwikkeling van grote hitte; van boven in de oven tot de bodem stijgt de temperatuur. Het gevormde gasmengsel bereikt een temperatuur van ongeveer 1800 oC terwijl het in de oven naar boven stijgt en bestaat voor 65% uit N2 en voor 33% uit CO. Door de hoge temperatuur smelt het ijzeroxide en vindt er reductie plaats van ijzer in een aantal stappen: 3Fe2O3 (hematiet) + CO 2Fe3O4 (magnetiet) + CO2, boven in de oven bij temperaturen tussen 400 oC en 500 oC. Fe3O4 + CO 3FeO (wustiet) + CO2, FeO + CO Fe(vloeibaar) + CO2, bij 1000 oC en hoger, verder naar beneden in de hoog-oven. Als ijzer geen koolstof bevat is het smeltpunt 1538 oC en het vloeibare ijzer sijpelt door de kookslading omlaag maar wordt daarbij verzadigd met koolstof omdat bij deze hoge tem-peraturen koolstof gemakkelijk in het ijzer kan diffunderen. Het koolstofgehalte neemt toe tot ongeveer 4,3%. Het smeltpunt is nu het laagst, namelijk 1150 oC. Fig. 3.3.13 laat zien wat er in de hoogoven gebeurt. De breedte in de kolommen is evenredig met de per tijds-eenheid doorstromende massahoeveelheid. Onzuiverheden zoals SiO2, zwavel, Al2O3, MgO binden aan kalksteen (CaCO3) en zakken als gesmolten slag naar beneden, de hoogovenslak. De slak bevat ruwweg 10% SiO2, 50% (CaO+MgO) en 10% Al2O3. De vloeibare slak is lichter dan het vloeibare ijzer (ruwij-zer) en kan daardoor boven het vloeibare ijzer afgetapt worden, zie fig. 3.3.11 en 3.3.12. Vervolgens wordt de slak snel met (zee)water afgeschrokken waardoor een zeer glasach-tig materiaal ontstaat, de gegranuleerde hoogovenslak. Dit materiaal kan als ophoogmate-riaal gebruikt worden, maar ook als grondstof voor de fabricage van cement. Fig. 3.3.14 laat een elektronenmicroscopische opname van de slak zien.

67

Fig. 3.3.13 De processen in de hoogoven. Fig. 3.3.14 Links: Elektronenmicroscopische opname van gegranuleerde hoogoven-

slak. Rechts: Staalslak afkomstig uit staalconverter van fig. 3.3.16. Het vloeibare ruwijzer (Engels: pig iron) wordt na aftappen in een rijdende menger ge-bracht en bevat nog verontreinigingen zoals 0,3-1,3% Si, 0,5-2% Mn, 0,1-1% P, 0,02-0,08% S en een weinig stikstof (100 ppm). In de menger wordt calciumcarbidepoeder ge-injecteerd met stikstofgas om het zwavel te binden: CaC2 + S(&Fe) CaS + 2C(&Fe) De ontwikkelde slak moet uit de menger verwijderd worden. Het verder verwijderen van zwavel uit het ruwijzer gebeurt met magnesium. De globale samenstelling van ruwijzer en constructiestaal is weergegeven in tabel 3.3.1. Vervolgens wordt een deel van het ruwijzer verder geraffineerd tot gietijzer maar het grootste deel van het ontzwavelde ruwijzer wordt in de staalfabriek in de oxi-staal-converter geraffineerd tot staal. Dit bereikt men door in de staalfabriek het koolstof uit het ruwijzer te verwijderen door het blazen met zuivere zuurstof, zie de linker figuur van fig. 3.3.15. De grens tussen staal en gietijzer is voor de praktijk ongeveer 2% koolstof. Fig. 3.3.16 laat de oxi-staalconverter zien waar zuurstof met een lans boven op het bad wordt geblazen. Voor een goede menging wordt onderin de converter stikstof en argon gebla-zen. Tijdens het inblazen van zuurstof verbrandt een groot gedeelte van het in het ijzer-bad opgeloste koolstof volgens 2C + O2 2CO↑ en ontstaat er een mengsel van CO en

68

CO2 dat wordt afgezogen en als energiedrager verder kan worden gebruikt. Tevens oxi-deert dan nog aanwezige silicium, titaan en fosfor. De laatste oxiden vormen een vloeiba-re slak op het metaalbad en worden gebonden via een toevoeging van gebrande kalk (CaO). Zonder deze toevoeging zou het gevormde SiO2 onmiddellijk de vuurvaste bemet-seling van de staalconverter aantasten. Tabel 3.3.1 Globale samenstelling (in %) van een ruwijzersoort, een gietijzer en een

constructiestaalsoort (het hoofdelement Fe vult de getallen aan tot 100%).

Fig. 3.3.15 Van ruwijzer en schroot naar staal (Uit folder van Corus IJmuiden). Fig. 3.3.16 De converter. Dit verbrandingsproces is exotherm (levert warmte) waardoor het staalbad alsmaar heter wordt en het schroot kan smelten. Dit moet ook wel omdat het smeltpunt van ijzer stijgt als er minder koolstof in het ijzer aanwezig is. Men is in staat om het staalproces nauw-

Element Ruwijzer Gietijzer Constructiestaal C 4 2,5 - 3,75 ̴ 0,12 Mn 1,5 0,1 - 1 0,4 P 0,4 0,3 - 1,5 0,02 S 0.05 0,05 0,02 Si 1 0,25 – 3 0,004

69

keurig te sturen (de temperaturen liggen tussen 1640 oC en 1690 oC) en men kan staal-soorten met verschillende koolstofgehalten produceren (instelling binnen enkele honderdsten van procenten). Ons gewone constructiestaal heeft een koolstofgehalte in de buurt van 0,2%. Tijdens het staalbereidingproces zal een deel van het zuurstof in het staalbad oplossen tot soms 1000 ppm en dat zuurstof moet weer uit het staal verwijderd worden (anders ont-staan tijdens het gieten en stollen problemen). Men voegt daartoe sterkte zuurstofbinders zoals aluminium en silicium toe tijdens het leegtappen van de converter. Om bepaalde le-geringen te maken, voegt men elementen toe zoals mangaan, silicium, molybdeen, wol-fraam, borium, koper, titaan en niobium. Via het inblazen van argongas wordt het ge-vormde aluminiumoxide naar de slak op de staalpan gedreven. De staalslakken voldoen aan de wettelijke eisen die gesteld zijn ten aanzien van uitloogbaarheid van zware meta-len en mogen dus toegepast worden. Een nadeel is dat er veel kalk in de slak aanwezig is. Als de staalslak in contact komt met water zal de vrije kalk (niet gebonden kalk) uitlogen en daardoor de pH van stilstaand water sterk doen stijgen, tot een waarde die te hoog is voor vijvers en sloten. Fig. 3.3.16 (rechts) laat een moderne vacuüminstallatie zien waarbij door het vacuüm het overtollige zuurstof en koolstof in de vorm van CO wordt weggezogen. De wereldproductie van ijzer en staal is in fig. 3.3.17 weergegeven. Het verschil tussen de staal- en de ruwijzerproductie komt door de recycling van schroot. Fig. 3.3.17 Wereldproductie van ijzer en staal. Vroeger werd het staal in grote blokken gegoten die voor verdere verwerking (walsen tot plaat, profiel e.d.) weer moesten worden verhit tot roodgloeiende toestand, zie fig. 3.3.18 rechts. Tegenwoordig verlaat het staal de fabriek in een vorm die zo dicht mogelijk bij die van het halffabricaat ligt (near shape casting). Dit kan na de ontwikkeling van het continu-gietproces, zie fig. 3.3.18 links. Hierdoor is vanaf de jaren zeventig de energiebehoefte gedaald met ongeveer 60%. De bewerkingen van halffabrikaten tot bouwdeel, zoals bo-ren, ponsen, koudvervormen, autogeen snijden en lassen, vergen in verhouding tot de productie van nieuw staal een te verwaarlozen hoeveelheid energie.

70

Fig. 3.3.18 Van vloeibaar staal via het continu-gietproces naar staalproducten (uit

folder van Corus te IJmuiden). Staal heeft vanwege zijn verwerkbaarheid een groot toepassingsgebied in de bouw, voor-beelden zijn staalskeletten (profielen, buizen), dak- en gevelplaten, wapening in beton, hekwerk, radiatoren, damwanden. Voor het spanning-rek diagram van warm-gewalst staal wordt verwezen naar fig. 3.2.18. Vroeger werden ook veel stalen raamkozijnen gemaakt, maar vanwege de goede warmte-geleiding en de problemen met roestvorming, zien we tegenwoordig in hoofdzaak raam-kozijnen van hout, PVC en aluminiumprofielen met een warmte-isolerende schuimkern. Tijdens de productie wordt energie verbruikt en vindt er uitstoot van stoffen plaats. Pro-ductieafval wordt meteen weer in het productieproces ingevoerd. Ook het staal dat wordt teruggewonnen uit bouw- en sloopafval wordt nagenoeg geheel gerecycled. In de loop der jaren is de uitstoot van vervuilende stoffen aanzienlijk afgenomen. Fig. 3.3.19 geeft een overzicht van mogelijke vervuiling door de aanwezigheid van zwavel in de ertsen. Tij-dens het hoogovenproces wordt ook vliegas geproduceerd, zie fig. 3.3.20. Dit zijn min of meer glasachtige bolletjes met afmetingen tot 0,1 mm waarbij aluminium/siliciumoxiden de hoofdbestanddelen zijn. De vliegas wordt afgezet bij de cementindustrie, evenals het vliegas dat door onze landelijke elektriciteitscentrales wordt geproduceerd. Het hoogoven-gas dat niet nodig is voor eigen elektriciteitsvoorziening wordt afgezet bij de landelijke elektriciteitsproductie.

71

Klimaatopwarming

Schade aan bomen en gewassen

Verzuring van ons op-pervlaktewater

Corrosie van metalen

Gezondheids-problemen

Submicron aërosol deel-tjes (fijn stof)

Verzuring

SO2 uitstootSmelten van ertsen

Fig. 3.3.19 Voorbeeld van een “milieu-ingreep” en “milieugevolgen” bij de productie

van metalen. Fig. 3.3.20 Een vliegas afkomstig van een elektriciteitscentrale gestookt met (antra-

ciet) poederkolen. De recycling van staal(producten) De afvalproducten die vrijkomen bij de productie van staal worden grotendeels herge-bruikt. De hoogovenslakken worden toegepast in de grond- en weg- en waterbouw (als ophoog- en funderingsmateriaal) alsmede in de cement- en betonindustrie. Het hoog-ovengas wordt gebruikt als energiedrager. Een bron van zorg is de CO2 uitstoot. In de me-taalindustrie onderzoekt men reductie- en raffinageprocessen die minder CO2 uitstoot moeten opleveren in de toekomst. Staal zelf heeft een buitengewoon hoge recyclinggraad (>90%).

72

Aluminium: Fig. 3.3.21 geeft de wereldjaarproductie. In Nederland wordt ongeveer 30% van de jaar-productie van ongeveer 55.106 kg gebruikt voor de bouw. De helft hiervan is als dak- en gevelpaneel, raamkozijnen en deuren. Fig. 3.3.21 Wereldjaarproductie van aluminium. Grondstoffen voor de productie van aluminium zijn bauxiet, natronloog (caustic soda) en kalk, zie fig. 3.3.22. Bauxiet is voor te stellen als een zeer verweerde kleisoort en is ver-noemd naar Lex Baux in Frankrijk waar het in 1821 is ontdekt. De samenstelling van bauxiet is ruwweg:

- 50 tot 60% aluinaarde Al2O3

- 28% Fe2O3 - 5% SiO2

Uitgaande van de huidige productie van aluminium is de vooraard van bauxiet voldoende voor 1250 jaar aluminiumproductie. Voor de productie van 1000 kg aluminium is 4600 kg bauxiet nodig. Fig. 3.3.22 Grondstoffenbehoefte aluminium. Voor de winning van 1000 kg bauxiet wordt gemiddeld in dagbouw 3500 kg aarde afge-graven (Australië, Zuid-Amerika en Afrika). De totale oppervlakte afgegraven terrein voor een productie van 15.109 kg aluminium bedraagt 3,5 km2 tropisch regenwoud per jaar. De jaarlijkse behoefte aan terrein voor de opslag van restproducten bedraagt echter 25 km2. Die restproducten moeten ongeveer 10 jaar “rijpen” voor ze gebruikt kunnen worden als ophoogmateriaal e.d., zie hieronder.

73

De productie van aluminium: Het bauxiet wordt in het zogenaamde Bayerproces gezuiverd tot aluinaarde Al2O3. Hierbij wordt onder druk en hoge temperaturen het bauxiet opgelost in een geconcentreerde (50%-)oplossing van natronloog (NaOH), waarbij na kristallisatie en calcinering (behande-ling met kalk) de aluinaarde vrijkomt in een poedervormige, min of meer zuivere vorm. Het meeste natronloog wordt teruggewonnen bij dit proces en hergebruikt. Ongeveer de helft van het bauxiet is bruikbaar en de rest is moeilijk hanteerbaar afval: de zogenaamde red mud. Deze restfractie bestaat uit niet-opgeloste materialen, zoals een weinig NaOH, zand en metaaloxiden, waarvan ijzeroxide voor de rode kleur zorgt. Het reduceren van het oxide lukt niet zoals bij staal door de verdringing van zuurstof door een reactie met koolstof of men zou de temperaturen in de hoogoven boven de 2050 oC (het smeltpunt van aluinaarde) moeten laten stijgen. Vandaar dat het aluminium via elek-trolyse wordt vrijgemaakt via het zogenoemde Hall-Heroult principe. Het smeltpunt van een mengsel van Al2O3 en het fluoridenzout kryoliet (Na3AlF6) bedraagt 950 - 1000 oC, dus in het Hall-Héroult proces wordt de aluinaarde Al2O3 in een smeltbad gevoerd met gesmol-ten kryoliet bij een temperatuur van 960 oC. M.b.v. koolstofelektroden en een hoge stroomdoorvoer wordt het aluminium elektrisch vrijgemaakt uit het oxide. Het gesmolten aluminium wordt regelmatig uit de ovens gezo-gen en in grote voorraadovens verzameld. De zuurstof die vrijkomt bij het reductieproces reageert met de koolstofelektrode en er ontstaat CO2-gas dat wordt afgezogen. De elek-tro-ovens zijn in lange rijen in serie geschakeld waarbij een grote stroom gunstig is voor het energiegebruik. De stromen liggen tussen 100 kA en 300 kA. (Als voorbeeld: Corus Aldel in Delfzijl heeft 348 ovens opgesteld in vier lange rijen van bijna 1 km lengte). Uit 1,9 kg aluinaarde (het gezuiverde bauxiet) wordt 1 kg aluminium gewonnen. Het aluminium wordt na eventuele zuivering met diverse legeringelementen gelegeerd, zoals Mn, Mg, Zn, Si en Cu. De energie- en grondstofbehoefte is in fig. 3.3.23 weergege-ven. In de bouw past men vaak aluminiumlegeringen toe en fig. 3.3.24 laat de codering van deze legeringen zien. De “x-en” zijn getallen die een codering aangeven voor de be-werking en nevenlegeringelementen.

Het gaat om een proces dat grote hoeveelheden energie verbruikt. In Noorwegen, Canada en de VS is waterkracht de energiedrager. In Nederland onze aardgasbel. Boven: De invloed van technologische ontwikkelingen op de energiebehoefte bij de productie van primair alumini-um.

Fig. 3.3.23 Grondstof- en energiebehoefte bij de productie van aluminium.

74

Fig. 3.3.24 ASTM-codering voor aluminiumlegeringen. Het spanning-rek diagram van aluminiumlegeringen toont geen vloeigrens zoals bij warm-gewalst staal. Er is een knikpunt in de curve waar het elastische gedrag overgaat in plasti-sche vervorming. De breukrekken van de legeringen kunnen meer dan 20% bedragen. Aluminium en de omgeving: Anders dan bij staal zal aluminium zichzelf beschermen tegen corrosie door een afsluitend laagje oxide. Vloeibaar aluminium met waterdamp ontwikkelt waterstofgas: 2Al + 3H2O Al2O3 + 3H2↑ Aluminiumpoeder in een verhardende cementmortel ontwikkelt ook waterstofgas en men noemt het dan verkregen steenachtige product “cellenbeton”. Hier past men deze eigen-schap dus bewust toe. De toepassing van restproducten: Zoals vermeld ontstaan bij de productie van primaire aluminium diverse restproducten zo-als zand en metaaloxiden (“red mud”). Na zo’n 5 tot 10 jaar rijpen waarbij carbonatie plaatsvindt (omzetting met CO2 uit de lucht) waarbij het restant van NaOH geneutraliseerd wordt tot water en soda, kan het vervolgens als ophoogmateriaal gebruikt worden, bij-voorbeeld bij de reconstructie van het afgegraven landschap. Een beperkt deel van het red mud wordt nuttig hergebruikt (zonder rijping): - bij de productie van dakpannen (voor de rode kleur), - als een vul- en kleurstof in asfalt, - bij waterzuivering vanwege het grote totale oppervlak van de slibdeeltjes, - als onderdeel van kunstmest, - bij de ontzwaveling van verbrandingsgassen. Recycling: Aluminium(legeringen) zijn bij temperaturen van 700 oC gesmolten, en smelten dus bij een veel lagere temperatuur dan staal. Hierdoor kost recycling minder energie dan bij staal. Ruwweg wordt inmiddels 94% van de aluminiumlegeringen gerecycled.

75

3.3.3 Cement en beton Wat is beton? Beton is een mengsel van cement, toeslagmateriaal (zand en grind), eventueel vulstoffen, hulpstoffen en water, zie fig. 3.3.25. Dit mengsel zal een paar uur na mengen nog te transporteren zijn (men noemt dat de dormante periode), waarna het hard wordt. Fig. 3.3.25 De grondstoffen in beton. (Foto titelblad W. Meester, Bouwmaterialen 1,

betontechnologie 1989). Vulstoffen en cement zijn poeders met een korrelgrootte kleiner dan 0,1 mm. De zand-fractie is tot 4 mm en de korrels > 4 mm noemt men de grindfractie. Vulstoffen zijn bij-voorbeeld vliegas (zie fig. 3.3.20), gemalen kalksteenmeel, gemalen kwartsmeel, gemalen tras, gecalcineerde metakaoliniet (een klei), zeer fijn gemalen gegranuleerde hoogoven-slakkenmeel, gacalcineerde gemalen leisteen en/of micro silica. Micro silica (ook wel silica fume genoemd) bestaat uit zeer fijne ronde amorfe SiO2 bolletjes en ontstaat bij de vrij-making van silicium uit kwarts. Vulstoffen kunnen inert zijn (ze reageren niet met kalk en water) maar kunnen ook puzzo-lane eigenschappen hebben: een reactie met kalk en water tot cementerende reactiepro-ducten. Een inerte vulstof is bijvoorbeeld kwartsmeel. Cement is hydraulisch, dat wil zeggen: reageert met water tot cementsteen. In Nederland zijn vooral Portlandcement, hoogovencement en vliegascement op de markt. Vulstoffen worden toegepast om de betonspecie-eigenschappen te verbeteren. Pigmenten (de kleurstoffen) zijn ook vaak poeders (metaaloxiden dan wel van organische oorsprong) en meestal inert. Het zand en het grind kan van natuurlijke oorsprong zijn en wordt dan uit grote putten in de nabijheid van rivieren opgebaggerd. Ook wordt wel gebroken steenslag toegepast en dat is meestal afkomstig uit België en Duitsland, waarbij het vaak om kalksteen gaat. Ons rivierzand en -grind is meestal afkomstig van silicaatgesteente. In toenemende mate wordt gewassen zeegrind toegepast (dit vanwege de toenemende prijs van ons rivier-grind). Ook wordt in beperkte mate gerecycled betongranulaat toegepast als grove fractie. Men past ook wel een poreuze toeslag toe om lichtgewicht beton te maken. De lichtgewichtma-terialen zijn gebaseerd op geëxpandeerde en gesinterde klei, of gesinterde dan wel met water en wat kalk gebonden vliegas. Hulpstoffen zijn vaak chemische stoffen die in meestal water gedispergeerd zijn. Ze wor-den gefabriceerd om een aantal redenen:

- Als verhardingsversneller of als vertrager. - Om het beton meer verwerkbaar te maken, de superplastificeerders.

76

- Als verdikker (zoals stabilisatoren, Engels: thickeners) om het beton minder water-doorlatend en meer stabiel tijdens het verwerken te maken.

- Om miljarden kleine luchtbelletjes te creëren in het beton met afmetingen tot on-geveer 0,1 mm: dit zijn de zogenaamde luchtbelvormers. De luchtbelletjes geven het beton een sterk verbeterde vorst-dooi weerstand.

Het gewone beton zal na storten getrild moeten worden om de juiste pakkingdichtheid te krijgen en het luchtgehalte bedraagt na trillen ongeveer 1 – 2%. Een nieuw type beton is zelfverdichtend beton dat niet getrild hoeft te worden en zelfuitvloeiend is. Dit beton bevat meer fijn poeder dan gewoon beton en kan niet zonder superplastificeerders gemaakt worden. Verhard beton kan wel drukspanningen opnemen maar de treksterkte is een factor tien kleiner dan de druksterkte, (zie fig. 3.3.29). Om in constructiedelen toch trekkrachten op te kunnen nemen past men meestal betonstaal toe (het gewapende beton). Men voegt ook wel kleine vezels toe, deze kunnen van staal dan wel van kunststof zijn (vezelgewa-pend beton). Nieuw zijn staven van koolstofvezels die net als de betonwapening de trek-krachten voor hun rekening nemen. Ze zijn wel veel duurder dan betonstaal en kunnen minder goed tegen brand, maar ze roesten niet. Wat is cement? Portlandcement: Mogelijke grondstoffen voor de cementproductie zijn kalksteen (mergel: CaCO3 als leverancier van het CaO in de cement), fijn zand en klei (zavel, leem: als leve-rancier van het Al2O3 en SiO2), ijzerhoudende toeslag (als leverancier van het Fe2O3), hoogovenslak, poederkoolvliegas (als leverancier van SiO2 en Al2O3). De cementindustrie heeft de voorkeur aan vliegas met een onverbrand koolgehalte dat groter is dan de vliegas die aan gereed cement wordt toegevoegd als vulstof: daarbij is een hoog koolge-halte ongewenst vanwege problemen met verwerkbaarheid e.d. Vliegas als ruwe grond-stof voor de Portlandklinker fabricage draagt bij aan de verbrandingsenergie vanwege de nog aanwezige koolstof (bedenk dat vliegas ontstaat bij het verbranden van poederkool in een elektriciteitscentrale, en niet al het poederkool zal de tijd hebben om volledig te ver-branden in de ketel). Het is niet nodig om al de bovengenoemde grondstoffen te gebruiken, omdat hoogoven-slak en vliegas beide Al2O3, SiO2 en Fe2O3 bevatten. Deze opsomming is niet volledig omdat vele andere ruwe grondstoffen eveneens kunnen worden toegepast, dit hangt mede af van de locatie van de cementfabriek. Uiteraard is de voorwaarde dat ze CaCO3, aluminium-, ijzer- en siliciumoxiden moeten bevatten. De hoe-veelheid CaCO3 in het ruwe grondstof mengsel moet tussen de 75 en 79% (m/m) zijn. Dit betekent dat er ruwweg 25% tot 21% SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 in de ruwe grondstof aanwe-zig moet zijn. De aluminiumoxide wordt toegevoegd omdat anders de temperatuur in de oven te hoog moet zijn om een goede klinker te maken. Wanneer ook Fe2O3 wordt toege-voegd kan het sinterproces bij een nog lagere temperatuur plaats vinden. De grondstoffen worden fijn gemalen en vervolgens in lange draaiovens (die onder een bepaalde helling staan) gebrand waarna de Portlandklinker ontstaat na een min of meer snelle afkoeling bij het verlaten van de oven. In de oven wordt het mengsel verhit tot on-geveer 1450 oC. In de oven zullen de ijzer- en aluminiumoxiden smelten, de (CaO + SiO2)-combinaties “drijven” in deze vloeistof (die trouwens ook CaO bevat). Altijd zullen er magnesium, natrium- en kaliumbevattende verbindingen mee in de oven terecht komen. De natrium en de kalium (ook al komen ze in veel kleinere hoeveelheden voor dan de kalk en het SiO2) hebben grote invloed op de alkaliteit van het verharde be-ton. De hoge pH omgeving beschermt namelijk het staal tegen roestvorming.

77

40%

5%5%

50%

verbranding ovenbrandstoffen

transport activiteiten

verbranding brandstoffen voorelektriciteitsopwekking

conversie kalksteen naar CaO

De Portlandklinker wordt gemalen tezamen met gips (CaSO4.2H2O). Het gips moet worden toegevoegd om het cement niet meteen na mengen met water hard te laten worden, zo-dat er een zekere verwerkbaarheidperiode ontstaat, de zogenaamde dormante periode. Tijdens het sinteren van de grondstoffen ontleedt het CaCO3 tot CaO (dat in de klinker terecht komt) en CO2 dat samen met de rookgassen afkomstig van de verbrande energie-dragers in de atmosfeer terecht komt. Vanwege de ernstige toename van de CO2 concen-tratie in onze atmosfeer moet gevreesd worden voor de broeikaswerking van dit gas en men probeert de uitstoot van CO2 te verminderen. Dit heeft consequenties voor alle indu-striële processen die CO2 uitstoten, dus ook voor de cementindustrie. Fig. 3.3.26 laat de relatieve hoeveelheden CO2-uitstoot zien per bedrijfsproces. Het enorme aandeel van de kalkontleding en de verbranding van brandstoffen in de cementoven is duidelijk. Men heeft uitgerekend dat de cementproductie voor 5% bijdraagt aan de jaarlijkse uitstoot van CO2 in de gehele wereld. Fig. 3.3.26 Relatieve CO2-uitstoot bij de productie van Portlandcement. Een ander probleem bij de productie van cement is het stofprobleem. Het afgraven van kalksteen (mergel) gebeurt nadat met explosieven de grond is opgeblazen waarna met enorme vrachtwagens de brokstukken naar de cementfabriek worden vervoerd. Daar wordt de kalksteen plus andere ruwe grondstoffen fijngemalen en gemengd. Nadat de Portlandklinker de cementoven verlaten heeft, wordt deze tezamen met gips en eventueel vliegas in enorme cementmolens fijngemalen. Dit zijn alle processen waarbij veel (fijn) stof wordt geproduceerd tezamen met een aanzienlijke geluidsbelasting en energiebehoef-te. De cementfabrieken hebben zich veel inspanningen getroost om in de fabriekshallen zoveel mogelijk stof af te vangen en nuttig her te gebruiken. Met de nieuwe Europese re-gelgevingen op het gebied van stof en fijn stof, wordt inmiddels gestructureerder tegen stofbelasting aangekeken en dit dwingt de maatschappij en de industrie om de efficiëntie van het afvangen van stof te verhogen. Hoogovencement wordt vervaardigd door het tezamen malen van Portlandklinker, gegra-nuleerde hoogovenslak en anhydriet (CaSO4). Gegranuleerde fijn gemalen hoogovenslak heeft latent hydraulische eigenschappen. De cementerende reactie komt met water en kalk pas op gang in aanwezigheid van een activator en dat is de meegemalen gipssteen (anhydriet). De kalk ontstaat bij de hydraulische reactie van de gemalen Portlandklinker met water, een reactie die sneller verloopt dan de latent hydraulische reactie van de hoogovenslak. Een hoogovencement kan tot 70% hoogovenslak bevatten en ongeveer 27% Portlandklinker. De rest is dan gipssteen. Er zijn ook hoogovencementen met 50% slak en dit cement wordt sterker dan het cement met 70% slak. Uiteraard hangt de sterk-teontwikkeling voor een belangrijk deel van de maalfijnheid af en deze kan men zelf rege-len. Hoe fijner gemalen, dus te duurder wordt uiteraard het cement.

78

Portlandvliegascement is een cement waarbij de Portlandklinker tegelijk met uitgeselec-teerde fijne vliegassen wordt gemalen (ongeveer 20% vliegas en 75% Portlandklinker, de rest is gips CaSO4.2H2O). Vliegas van antracietkolen is puzzolaan, dat wil zeggen dat het tezamen met kalk en water cementerende eigenschappen heeft, maar niet zo sterk als gegranuleerde hoogovenslak of micro silica. De kalk die daarvoor nodig is ontstaat weer bij de chemische reactie van cement met water. Zowel vliegas en hoogovenslak zijn restproducten bij andere productieprocessen (staalfa-bricage en elektriciteitsopwekking) maar vinden inmiddels volop toepassing in de cement-industrie (als ruwe grondstof) en in de betonindustrie, als vulstof (zowel vliegas als gema-len slak) en als toeslagmateriaal (de slak en de gesinterde vliegas als lichtgewichttoeslag). De vliegas die in Nederland geproduceerd wordt, wordt inmiddels in Nederland voor 100% in andere producten toegepast. De jaarlijkse totale cementproductie bedraagt in Nederland ongeveer 3.106 kg. Bouwen in beton De toepassingen van beton zijn velerlei: de bouw, de grond-, weg- en waterbouw, de agrarische sector, als kunstwerk gemaakt door kunstenaars (bruggen en viaducten van beton noemt men in de civiele techniek ook kunstwerken). De kracht van beton is zijn mogelijkheid om in alle gewenste vormen gegoten te worden, maar ook dat het als vloei-baar mengsel aangeleverd kan worden (pompbeton bijvoorbeeld en zelfverdichtend be-ton) tot zeer droge mengsels waar je schaaldaken mee kan maken. Beton kan in een groot druksterktebereik gemaakt worden, van lage sterkte voor “huis, tuin en keukentoe-passingen”) tot zeer hoge druksterkte-beton van 150 MPa en hoger (voor wolkenkrabbers en grote overspanningen, damwanden e.d.). Via toevoegingen van hulpstoffen kan men toepassingen maken ter bescherming van het milieu tegen bepaalde stoffen, zoals vloei-stofdichte verhardingen bij benzinestations, beton in de agrarische sector (mestkelders) en opslag van afvalstoffen (zogenaamde C2-deponie in Rotterdam). De totale productie van beton in Nederland is jaarlijks ongeveer 35.106 kg waarvan de helft in de prefabindustrie (betonelementen, betonstenen, betonbuizen e.d.) en de rest in de gietbouw (ter plaatse gestort beton). De totale hoeveelheden grind als grove toeslag in beton is weergegeven in fig. 3.3.27. De figuur laat zien dat de grindwinning de laatste jaren afneemt waardoor bij toenemende vraag de import zal stijgen. Gerecycled betongranulaat kan ingezet worden als grindver-vanger evenals menggranulaat (gerecycled metselwerkgranulaat samen met betongranu-laat). De betonindustrie is echter enigszins terughoudend bij de toepassing van deze se-cundaire materialen. Als men tot 20% natuurgrind vervangt door gerecycled granulaat zal de teruggang in verwerkbaarheideigenschappen en betonsterkte niet groot zijn, (het gere-cyclede toeslagmateriaal is poreuzer, hoekiger en minder sterk dan het riviergrind).

79

Fig. 3.3.27 Grind in beton in Nederland. Zand is in Nederland volop aanwezig en dan gaat het om rivierzand met een grote hoe-veelheid van SiO2. Zeezand, zand uit baggerspecie, zand afkomstig van de grondreiniging, brekerzeefzand, recyclingbrekerzand en sorteerzeefzand zijn ook toepasbaar in beton. De laatste drie ontstaan bij de recycling van sloopafval. Met de moderne brekerinstallaties is er geen verschil meer tussen brekerzeefzand en recyclingbrekerzand. Jaarlijks wordt 20.106 kg zand toegepast in de betonindustrie maar dit is een factor drie minder dan de hoeveelheid die wordt toegepast als ophoogzand in de wegenbouw en bij terreinophogin-gen. Fig. 3.3.28 laat de zandstromen in Nederland zien en opvallend zijn de grote expert- en importstromen. De reden is dat niet al het gewonnen rivierzand zomaar geschikt is om in beton te worden toegepast. Fig. 3.3.28 Beton- en metselwerkzand in Nederland. Nagenoeg alle betonspecie (ca. 98%) wordt in Nederland in betonmortelcentrales ge-maakt. Voor beton zijn grote hoeveelheden grondstoffen nodig en die worden het goed-koopst aangeleverd per schip en wel met grote hoeveelheden in één keer. Het is dus niet vreemd dat de betoncentrales aan kanalen liggen. Veel centrales gebruiken dit kanaalwa-ter tevens als aanmaakwater (als dit water aan een aantal minimumeisen voldoet en het betreffende waterschap hier toestemming voor verleent). De grondstoffen worden vanuit voorraadbunkers automatisch afgewogen en in een menginstallatie in korte tijd (ongeveer 1 minuut) gemengd tot een homogene betonspecie. De betonspecie wordt vervolgens in de trucmixer gestort die het beton op het werk aflevert. Geavanceerde software pro-

80

A B

P

Q

staal druk beton drukzone betonA betondrukzone

F = σ dAò

gramma’s dirigeren de wagens naar bepaalde werken zodat zo weinig mogelijk wachttij-den op het werk en voor de trucchauffeur optreden (een stilstaande truc kost geld, evenals wachtende bouwvakkers) en regelen de volautomatische dosering van de grond-stoffen. Het σ-ε diagram van beton op druk en trek Beton kan duidelijk minder trek opnemen dan druk, zie fig. 3.29. Hier moet bij het bere-kenen van betonconstructies rekening mee worden gehouden. We passen staalwapening toe om de trekkrachten op te nemen die beton niet op kan nemen. De helling van het diagram hangt af van de betonkwaliteit: Hoe sterker het beton des te steiler, dus des te hoger is de E-modulus. Deze is ruwweg 3x104 MPa (voor een goede sterke betonsoort). Fig. 3.3.29 Het spanning-rek diagram van beton (druk: eerste kwadrant rechtsboven; trek: derde kwadrant linksonder). Vraag 3.3.1 (Buiging van een betonnen balkje met staalwapening):

Stel dat de plank van vraag 3.2.5 een betonbalkje is met onderin een aantal wa-peningstaven. Het balkje wordt belast met een puntlast. Neem de doorsnede PQ; hoe zal het inwending moment het uitwendig moment tegenwerken? Antwoord: Zie fig. 3.3.30. Voor het gemak nemen we aan dat beton geen trek-krachten op zal nemen, wel drukkrachten (de pijlen naar links). De staalwapening neemt de trek voor zijn rekening (de pijl naar rechts). Fig. 3.3.30 Een betonnen balkje met staalwapening.

Recycling Productieafval bij betonfabricage wordt weer in het productieproces ingevoerd. Spoelwa-ter wordt eveneens weer als aanmaakwater toegepast. Bij de sloop van gebouwen wordt

staal staal staalF = σ .A

L o stuik = x 1000 ( / ) druk ooLo

81

het gebroken beton van staalwapening ontdaan en het betonpuin wordt afgevoerd naar de breker (waar je een “gate fee” moet betalen om het af te kunnen leveren). Gemengd slooppuin gaat eerst naar de sorteerder, geselecteerd slooppuin kan rechtstreeks naar de breker. De breker breekt het puin en produceert betongranulaat, menggranulaat en zeef-zanden. Slechts een klein deel wordt door de breker verkocht aan de betonindustrie. De grootste afnemers zijn de grond- weg- en waterbouwaannemers. Gezien het feit dat er een groot aantal onafhankelijke brekers in Nederland zijn, kan men niet een te hoge gate fee vragen en een te hoge verkoopprijs. Is het puin te veel verontreinigd, dan moet het gestort worden. In verband met het “stortverbod” moet, zoals al vermeld, bij de poort van de deponie een gate fee worden betaald die het dumpen extra onaantrekkelijk maakt: het kost de breker en de sloper geld. De toepassingsgraad van betongranulaat is licht stijgende, die van secundair zand loopt echter hierop nog ver achter. De reden hiervoor is technologisch economisch van aard. Hoe meer grondstoffen, des te meer bunkers moet de betoncentrale hebben en des te gecompliceerder het mengselontwerp en de software die alles moet regelen. Bovendien is men niet zeker van het gedrag van een dergelijk beton op de lange duur en men wil geen ruzie met de klant krijgen over de geleverde kwaliteit van het beton. Een ander aspect is dat vele puinbrekers niet aan het water liggen en het gerecyclede materiaal dus “per as” moet worden aangevoerd. Dit is duurder en milieuvervuilender dan bij aanvoer per schip. Bovendien is men beducht voor grote wisselingen in kwaliteit van het secondaire zand. Incidentele toepassingen vinden wel plaats, maar dan via overleg met individuele slopers die selectief slopen en die een groot sloopwerk hebben dicht bij de betoncentrale. Ook vindt men toepassing van secondaire materialen als een centrale op hetzelfde industrieter-rein staat als de breker. Knelpunten zijn de vervuiling van secondair zand en grind door asbest en gips. Asbest mag absoluut niet meer voorkomen in het slooppuin (zie het hoofdstuk over slopen) en gips kan aanleiding geven tot schadelijke expansieve reacties in verhard beton. (Noot: Het bij de cementproductie meegemalen gips is net voldoende om het beton een bepaalde dormante periode te geven). Gips moet dus selectief verwijderd worden voordat de con-structie gesloopt wordt.

82

90%

2%8%

klei

krijt, mergel,chamotte

zand

3.3.4 Baksteen & metselwerk, kalkzandsteen, cellenbeton en gips

A) De productie van bakstenen Voor bakstenen is klei nodig, zand en energie om de natte klei te drogen en de gedroogde kleivormen te bakken tot het gewenste eindproduct. Bakstenen werden al meer dan 5000 jaar geleden in Mesopotamië, Egypte en de Indusvallei uit klei gebakken. Voor een goede verwerkbaarheid en kleur wordt ook krijt, mergel of chamotte toegevoegd, zie fig. 3.3.31. In Nederland wordt jaarlijks ruwweg vijf miljoen ton klei toegepast. De klei wordt gewon-nen in uiterwaarden van de grote rivieren. Er is in Nederland uiteraard veel klei in de bo-dem aanwezig, maar de kleiproductie staat onder druk in verband met beschikbaarheid van goed bruikbare klei en de milieuwetten. Voor de baksteenindustrie wordt ook klei ge-importeerd. Zeeklei wordt niet gebruikt bij de baksteenfabricage in verband met de zeer gevarieerde samenstelling en het zoutgehalte. Fig. 3.3.31 Grondstofbehoefte baksteen (in %). Het aantal steenfabrieken is in de afgelopen jaren drastisch afgenomen waarbij schaalver-groting, automatisering, efficiencyverbeteringen en kostenreductie een belangrijke rol ge-speeld hebben. Fig. 3.3.32 laat zien waar vroeger steenfabrieken zijn geweest. Fig. 3.3.32 De verdeling van de steenfabrieken begin 20e eeuw. (Bron: Ploos van Am-

stel. Materiaalkunde).

83

296

710

252

141

straatbaksteen

handvorm metselsteen

vormbak metselsteen

strengpers metselsteen

In het jaar 2004 waren er in Nederland nog 44 baksteenfabrieken over met een jaarlijkse productie van 1,4.109 bakstenen, zie fig. 3.3.33. Van deze fabrieken waren er 24 in bui-tenlands bezit. Werkten er in 1950 nog 13000 werknemers in de fabrieken, omstreeks 200 waren dat er nog ongeveer 1200. De baksteenindustrie is veranderd van een arbeidsin-tensieve seizoensmatige industrie in een kapitaalintensieve, procesmatige. Fig. 3.3.33 Jaarproductie in 106 aantallen stenen in Nederland. Zeventien procent van de jaarproductie wordt uitgevoerd, (voor 60% naar Duitsland en 15% naar België) terwijl 130.106 stenen jaarlijks worden ingevoerd (voor 80% uit België en 17% uit Duitsland). Fig. 3.3.34 geeft een overzicht van een oude baksteenfabriek. Figuur 3.3.34 Overzicht van een oude baksteenfabriek. (Bron: Ploos van Amstel; Materi-

aalkunde). 2) kleistort, 4) het vormen van de groene steen, 5) vormzand, 6) droogrekken groene steen in de zomer, 7) winterloods, 9)&10) ovens, 11) tasveld.

In een moderne fabriek worden de “groene” stenen (de nog niet gebakken stenen, ook wel halflingen genoemd) in een droogtunnel versneld gedroogd tot een vochtgehalte van ongeveer 4%. Vervolgens gaan de stenen naar de oven waar ze gebakken worden, zie fig. 3.3.35. Door een nauwkeurige kleisamenstelling en een uitgekiend productieproces kun-nen er nu meer dan 2500 verschillende typen (vormmethode, kleur, structuur en bezan-

84

ding) bakstenen gemaakt worden. De belangrijkste is de gewone metselsteen van het Waalformaat. Fig. 3.3.35 Productie bakstenen (Bron: Koninklijk Verbond van Nederlandse Baksteen-

fabriekanten KNB. Via: www.knb-bakstenen.nl). De kleiwinning De kleideposities langs de rivieren zijn uitgestrekt maar komen meestal voor in lagen van niet meer dan twee meter. De winning is volgens de fabriekanten kleinschalig waardoor het landschap niet extreem wordt aangetast, maar belangengroepen denken daar soms anders over. Om bepaalde kleuren van de baksteen te verkrijgen versnijdt men de klei vaak met ande-re kleien en natuurlijke pigmenten, zoals kalk en bruinsteen. Door grondboringen ver-schaft men zich een inzicht in de kwaliteit en de kwantiteit van de klei. De klei wordt se-lectief afgegraven en naar de fabriek getransporteerd. Fig. 3.3.36 laat een drietal kleisoor-ten zien. Soms wordt de klei binnen opgeslagen, maar meestal buiten in een kleidepot. In dat depot slaat men in horizontale lagen verschillende kleisoorten op, zie fig. 3.3.37. Door het vertikaal afgraven wordt de menging verbeterd. De klei wordt vaak voor een langere termijn opgeslagen waarbij door bacteriën de nog aanwezige plantenresten worden ver-teerd. De winning is aan voorschriften en vergunningen gebonden en de kleiput mag de water-huishouding niet verstoren en moet na afgraven (het aftichelen) weer opnieuw worden ingericht (vaak voor landbouw en veeteelt). Een alternatief voor de klei is Euroklei ge-

85

maakt uit niet-verontreinigde baggerspecie. Een mengverhouding van 75% natuurklei + 25% Euroklei geeft goede resultaten.

a) Limburgse klei

b)

b) Leem Fig. 3.3.36 Limburgse klei, een kaolinietklei en leem. Fig.3.3.37 Het vertikaal afgraven van de kleibult zoals het vroeger ging, gebeurt nu

ook nog, maar met meer geavanceerde equipement en met aanzienlijk minder personeel. (Foto uit Ploos van Amstel, Materiaalkunde).

86

Na afgraven na de opslag moet de klei gekneed en gemengd worden tot een homogene plastische grondstof. Een extreem voorbeeld is klei die geschikt is gemaakt voor de strengpers, zie fig. 3.3.38. Het vochtgehalte van deze klei is tot 20% (bij andere vormpro-cessen gaat men tot ongeveer 30% vocht). Fig. 3.3.38 Klei geschikt gemaakt voor de strengperssteen fabricage. Door het toevoegen van zeer fijn gemalen kalksteen (krijt genoemd) wordt geelkleuring tijdens het bakken bevorderd. Mangaan (in bruinsteen) geeft donkere stenen. Zand en fijn gebroken gesteenten zijn “verschralers” die het drooggedrag van de groene steen bevor-deren. De juiste consistentie wordt verkregen via stoombehandeling en/of toevoeging van water: een te droge klei is niet te bewerken, een te natte zou nog als klei voor het vorm-bakproces kunnen worden toegepast, maar scheurt dan tijdens het droogproces tot groe-ne steen. De klei kan in een “kleirasp” verder worden bewerkt (het gaat dan om een ronde bak waarbij kneedarmen de klei door de zeefwand van de bak persen). Kleikluiten worden hier verkleind en wortels van planten e.d. worden tegengehouden. Moderne mengers zijn de kollerwals en de kollergang. Bij de kollergang draaien twee zware walsen rond over een zeefplaat. Hierdoor wordt de klei over de zeefplaat gewreven en door de zeef gedrukt. De verschillende vormmethoden Er bestaan drie verschillende vormmethoden: de vormbak, de handvormmethode (hand-matig dan wel machinaal) en de strengpersmethode. Men is daardoor in staat om stenen met verschillend uiterlijk en verschillende afmetingen op de markt te brengen. Bij de vormbaksteen bezandt men de vormbakken met zand en vult ze dan machinaal met klei. De bakken worden ter leging omgekeerd en de groene steen heeft een strak, bezand uiterlijk. Bij de handvormsteen werpt een machine met kracht kant en klare kleiballen in een vorm. De kleiballen zijn van tevoren van een laagje zand voorzien. De handvormen worden om-gekeerd om de groene steen te verwijderen. De steen kan men herkennen aan het grilli-ge, generfde en bezande oppervlak. De stengpersmethode houdt in dat een persschroef de klei door een persmond perst. Een snijmachine snijdt de kleistreng vervolgens af tot groene stenen. Door deze aanpak is men in staat om holle stenen of stenen met diverse openingen te maken. De buitenkant van de steen is glad en kantig. Men kan via narollen een patroon in de zijkant persen, maar dat is altijd regelmatiger dan dat bij de handvormstenen. Fig. 3.3.39 laat de strengperssteen fabricage zien en fig. 3.3.40 geeft een paar steensoorten.

87

Fig. 3.3.39 Strengperssteen fabricage. (Bron: Verver en Fraaij, Materiaalkunde derde

druk, blz. 223). a) strengperssteen Waalformaat b) vormbaksteen Waalformaat c) handvormsteen Waalformaat d) straatklinker Keiformaat Fig. 3.3.40 Enige steentypen (Bron: Verver en Fraaij, Materiaalkunde 3e druk, blz. 231

en blz. 242). Naar steenformaat onderscheidt men het standaard vechtformaat 220x110x50 mm, het standaard waalformaat (220x110x60 mm), het standaard dikformaat (220x110x75 mm) en het standaard F5-formaat (240x120x67 mm).

88

Het drogen van de groene steen De groene steen bevat tussen de 20% en 30% aan water en moet gedroogd worden voordat hij gebakken kan worden omdat anders het water gaat stomen en de steen kan exploderen. Tijdens het drogen treedt droogkrimp op. Een uitgekiend droogproces moet scheurvorming van de steen voorkomen. De benodigde warmte haalt men uit koellucht van de oven waar de steen tenslotte gebakken wordt en via het bijstoken van met gas-branders. Ook maakt men wel gebruik van warmtewisselaars waarbij de schoorsteengas-sen als warmtebron gebruikt worden. Uiteraard zal men de groene steen altijd wat groter moeten maken dan het product dat uit de oven komt na drogen en bakken. Fig. 3.3.41 geeft het mechanisme van het drogen van de klei en de volumeveranderingen. a) Droge toestand (kleideeltjes en positieve ionen) b) Plastische toestand c) Vloeibare toestand Fig. 3.3.41 Het zwellen en krimpen van klei bij vochtopname resp. uitdroging. Bron:

Verver en Fraaij, Materiaalkunde 3e druk, blz. 216. Fig. 3.3.42 geeft een elektronenmicroscopische opname van de structuur van de groene steen. Fig. 3.3.42 De microstructuur van een groene steen (REM-opname). Het bakken van de steen In landen met bijzonder weinig regenval kan de groene steen als constructie-element toe-gepast worden omdat hij al behoorlijks stevig is, maar bij natte condities zal de steen vocht opnemen en zwellen en sterkte verliezen. Door het bakken bij temperaturen tussen 1000 oC en 1200 oC verkrijgt men de stenen die gedurende duizenden jaren hun waarde

89

bewezen hebben. De steen moet in de oven langzaam opgewarmd worden en mag ook niet te snel afkoelen om scheurvorming te voorkomen. Bij te hoge stooktemperatuur smelt de klei plotseling en daarmee verliest de steen zijn vorm. Wat dan over blijft is een waar-deloos glasachtig product, maar geen baksteen. De kleur van de steen wordt bereikt door de toevoegingen (zie ook fig. 3.3.43), de keuze van de kleimengsels en de stookcondities (gesmoord, met weinig zuurstof, dan wel oxide-rend met veel zuurstof). Hoe hoger de baktemperatuur, des te grauwer wordt de steen. Bij het smoren van de steen ontstaat het zwarte FeO en de steen is door het smoren vrij dicht van structuur. Dit proces wordt vaak gebruikt bij het bakken van keramische dak-pannen.

Geelbakkende klei bevat veel kalk, roodbakkende klei bevat veel ijzer. Fig. 3.3.43 Kleurvorming bij bakstenen. Bij invoer van de hete oven zal eerst het restvocht (het vrije vocht dat is toegevoegd om de klei verwerkbaar te maken) uit de groene steen verdampen waarna ook het zoge-naamde kristalwater uit de klei verdwijnt. Vluchtige bestanddelen verdampen en organi-sche resten zullen verbranden, daarbij CO2 producerend. Het grootste CO2 volume ont-staat bij de verbranding van de energiedragers (vaak aardas). Bij 573 oC ontstaat de kwartssprong waarbij de kristalstructuur van SiO2 wordt omgezet in een met een groter volume. Bij verder verhitten is de vormeling hierdoor scheurgevoelig. Het omgekeerde proces treedt op bij afkoelen, maar nu is de steen reeds “afgebakken” en te snel afkoelen kan ook tot scheurvorming leiden. Tijdens het bakproces vinden diverse chemische omzettingen plaats waarbij sommige componenten van de klei smelten waardoor de kleikorrels aan elkaar gekit zullen worden bij het uiteindelijke sinterproces. Hierbij treedt bakkrimp op. Fig. 3.3.44 laat een elektro-nenmicroscopische opname van de structuur van gebakken steen zien.

90

a) 150x b) 1000x Fig. 3.3.44 Rasterelektronen microscopische opname van gebakken steen. Enige eigenschappen van bakstenen Tabel 3.3.2 geeft enige eigenschappen van baksteenkwaliteiten. Tabel 3.3.2 Eigenschappen baksteenkwaliteiten. Kwaliteit Dicht-

heid (kg/m3)

Warmtege-leidingscoëf- ficiënt (W/(m.K)

Soortelij-ke warmte (J/(kg.K)

Uitzettings- coëfficiënt (1/K)

E-modulus (N/mm2)

Krimp bij droging van nat naar droog (o/oo)

Hard (gevel-klinkers)

2100 0,80 840 (5 à 7).10-6 (5 à 10).103 0,05 à 0,2

Hardgrauw 1900 0,70 840 (5 à 7).10-6 (4 à 8).103 0,15 à 0,3 Zacht (rood)

1300 à 1700

0,46 à 0,65 840 (5 à 7).10-6 (1 à 7).103 0,15 à 0,3

Voor metselbakstenen gelden de volgende normen: NEN-EN 772-2/-3/-7/-9 BRL 1007-96 Naar toepassing worden drie hoofdgroepen onderscheiden: A binnenmuursteen B buitenmuursteen C hogedruksteen Milieuaspecten bij baksteenfabricage Als energiedrager wordt veelal aardgas toegepast. De uitstoot van zwaveldioxide wordt daardoor geminimaliseerd maar de CO2- en NOx-uitstoot niet. Soms gebruikt een enkele producent kolen als brandstof om zodoende een gewenst effect op de steen te bewerk-stelligen. Kolen zijn meer verontreinigd dan aardgas en dit brandproces veroorzaakt dus meer vervuiling.

91

Door het treffen van energiebesparende maatregelen is het energiegebruik sinds 1980 gehalveerd. De industrie heeft daartoe met het Ministerie van Economische Zaken een convenant afgesloten. Bij het maken van lichtgewichtstenen (dit zijn poreuze stenen voor binnensteen muren) mengt men een deel van de brandstof door de klei. In de klei zijn van nature fluoriden en zwaveldioxiden aanwezig; deze komen in de rook-gassen terecht. De hoeveelheid mag een door de overheid vastgesteld emissierichtwaarde niet overschrijden. Gebeurt dit wel, dan moet men de rookgassen reinigen via een rook-gasreiniginginstallatie. Deze installaties worden steeds meer bij de Nederlandse fabrieken toegepast. Het productieafval (restanten klei van het vormproces en breuk bij drogen van de groene klei) wordt na bewerking weer ingezet als grondstof. Bakbreuk wordt ook wel extern ge-bruikt: na breken wordt het verkocht als gravel voor tennisbanen of terreinverhardingen. Men schat dat de totale hoeveelheid afval jaarlijs 23.106 kg bedraagt en dit is bijna 1% van de totale productie. Bouw- en sloopafval wordt afgevoerd naar de breekinstallaties waar het puin wordt ver-werkt tot metselwerkgranulaat en menggranulaat (dit laatste is een mengsel van metsel-werkgranulaat en betongranulaat). Tijdens het breekproces ontstaat in de diverse stappen ook een fijne fractie, het “zeefzand”. Een klein gedeelte van het menggranulaat wordt toegepast als secondair granulaat in beton. Het grootste deel wordt als ophoogmateriaal gebruikt of als funderingsmateriaal in de wegenbouw. Er is onderzoek verricht naar de toepassing van metselwerkgranulaat (dit bevat nog met-selmortel resten) en baksteengranulaat (waarvan de metselmortel eerst verwijderd is) in de eigen productieketen. Het blijkt dat men inderdaad kan besparen op primair klei, maar de transportketen van de brekers naar de baksteenfabrieken, het eventueel verwijderen van mortel van de stenen en de extra kosten, enz. belemmert nu nog de praktische toe-passing op grote schaal als secondaire grondstof. B) Metselwerk (Engels: masonry) Bakstenen worden per as op de bouwplaats aangeleverd, vaak in zogenaamde hulo-pakketten. Vervolgens gaat de metselaar de stenen metselen tot een muur. Het meest gebruikelijke kitmiddel is de metselmortel waarbij een mengsel van zand, bindmiddel en water hard wordt. Vroeger was de basiscomponent van de mortel kalk in de vorm van Ca(OH)2. De CO2 uit de lucht zette het calciumhydroxide om in het cementerende CaCO3 dat de zandkorrels en de metselstenen aan elkaar kitte, zie ook hieronder. Dergelijke mortels hadden relatief veel tijd nodig om hard te worden maar hadden als zeer gunstige eigenschap dat ze lokale vervormingen aardig konden “volgen” waardoor niet al te snel scheuren ontstonden. Bij de introductie van Portlandcement is men overge-gaan op de toepassing van dit cement in de mortels wat als voordeel de snelle sterkte ontwikkeling en de hoge hardheid had. In de moderne bouw, met de relatief goed ver-zorgde funderingen waarbij weinig verzakkingen optreden, is deze mortel zeer geschikt bij de huidige steenkwaliteiten. Een nadeel van deze mortels bleek bij de toepassing als mor-tel bij restauraties van oud metselwerk waar deze harde mortels met een duidelijk ander vochttransport gedrag, negatief inwerkten op het gedrag van de steen-mortel combinatie op de lange duur. Vraag 3.3.2 (Stadswandeling):

Loop eens rond de Delftse Oude Kerk en onderzoek het metselwerk. Kijk vooral naar plekken waar men de moderne mortels heeft toegepast.

92

Bindmiddelen Kalk: Tot circa 1900 werd metselwerk vervaardigd met nagenoeg uitsluitend kalk als bindmiddel. Kalk is een verzamelnaam voor een uit kalksteen door middel van branden bereid bindmiddel. Het branden van de kalk geschiedt in draai- of schachtovens, waarbij calciumcarbonaat wordt omgezet in calciumoxiden. CaCO3 + warmte CaO + CO2 kalksteen ongebluste kalk + koolstofdioxidegas Na het branden van calciumoxiden wordt hieraan water toegevoegd, waardoor de kalk “geblust” wordt: CaO + H20 Ca(OH)2 + warmte Indien precies die hoeveelheid water wordt toegevoegd die nodig is voor de reactie (sto-chiometrische hoeveelheid) ontstaat een droog eindproduct dat luchtkalk heet. Wordt meer water toegevoegd dan ontstaat deeg, ook wel leskalk of putkalk genoemd. Vroeger werd er veel met dit kalkdeeg gewerkt, tegenwoordig veel meer met de luchtkalk. Kalk kan worden bereid door branden uit kalksteen (poederkalk) en schelpen (schelpkalk) maar ook wel uit een bijproduct van de carbidbereiding (carbidkalk). Verder kennen we ook nog hydraulische kalk. Dit laatste is een uit een kalksteen vervaardigde kalk waarbij naast kalksteen ook kleiachtige bestanddelen aanwezig waren. Deze kalk en de gebrande kleiachtige bestanddelen kunnen samen cementachtige verbindingen vormen. Wanneer luchtkalk als bindmiddel voor metselmortels wordt gebruikt vindt zoals vermeld deze binding plaats door reactie van het calciumhydroxide met CO2 uit de lucht tot op-nieuw calciumcarbonaat. De kringloop is daarmee rond. Om deze reactie tot stand te brengen moet er dus toetreding van lucht mogelijk zijn. Dus onder water lukt dit niet. In het algemeen is de verharding van kalk een langzaam proces. De kalk vervult naast de functie als bindmiddel ook nog een aantal andere functies in de mortel. Door de grote fijnheid van de kalkdeeltjes heeft deze het vermogen om vocht aan zich te binden. Luchtkalk heeft een zeer grote fijnheid en een specifiek oppervlak van on-geveer 1800 m2/kg, dat is ruim 6 keer meer dan die van portlandcement. Een kalkmortel heeft daardoor een hoog waterretentievermogen. Dit is enerzijds van belang in verband met de opzuiging van water door de stenen, anderzijds ook voor het uitdrogen als gevolg van verdamping. Bij aanwezigheid van kalk gaat dit minder snel dan in vergelijking met een pure cement metselmortel. Door de hoge fijnheid en door de plaatjesachtige vorm van de kalkdeeltjes hebben de mortels ook een in het algemeen smeerbare smeuïge con-sistentie, waardoor ze zich gemakkelijker laten verwerken door de metselaar dan pure cementmortels. Verder leidt de toevoeging van kalk tot een verlaging van de elasticiteits-modulus van de mortels, zodat de spanningen die als gevolg van droogkrimp van de mor-tel op stenen worden uitgeoefend, kleiner zijn dan bij pure cementmortels. Kalk wordt te-genwoordig nauwelijks meer als hoofdbindmiddel gebruikt, maar wel in combinatie met cement. Cement Cement is vooral populair geworden in 20e eeuw als bindmiddel in metselmortels, omdat het een veel snellere verharding kent dan kalk en ook omdat het een betere weer- en windbestendigheid heeft dan pure kalkgebonden mortels. De Nederlandse metselmortel-norm NEN 3835 staat het bindmiddel cement toe. Meestal wordt portlandcement gebruikt vanwege de iets mindere gevoeligheid voor uitdroging ten opzichte van hoogovence-mentmortels.

93

Op de markt is ook een metselcement beschikbaar. Metselcement is een speciaal bind-middel op basis van een aantal ingrediënten waaronder portlandcement, kalk, gemalen kalksteen, vliegas, luchtbelvormers e.d. De door de Nederlandse cementindustrie vervaar-digde metselcement is een mengsel verkregen door het samenmalen van portlandcement en kalksteen, en toevoeging van een luchtbelvormer. Het heeft een vrij hoog specifiek op-pervlak van 650 m2/kg; dat is ruim twee maal zo hoog als van portlandcement CEM I 32,5. Die fijnheid wordt bereikt door het meemalen van de (zachte) mergel (kalksteen). Het metselcement bevat zoals vermeld tevens een luchtbelvormer waarmee stabiele luchtbellen ingebracht worden. Hieronder wordt daarop teruggekomen. De eigenschappen van met metselcement vervaardigd metselwerk liggen in dezelfde grootteorde als van tra-ditionele metselmortels met cement en kalk. Hulpstoffen Bij zeer veel metselmortels worden hulpstoffen gebruikt, vooral luchtbelvormers. Door het inbrengen van lucht wordt een aantal eigenschappen door de metselmortel verbeterd en bovendien is het natuurlijk een erg goedkoop ingrediënt. De luchtbelletjes hebben een aantal functies. Op de eerste plaats verbeteren ze duidelijk de cohesie van de metselmor-tels, d.w.z. dat de samenhang van de specie wordt verbeterd, terwijl tegelijkertijd een meer smeuïge mortel ontstaat, die door de verbeterde cohesie niet gemakkelijk ontmengt. De verbeterde cohesie draagt ook bij tot een toename van de waterretentie, zodat de op-zuiging van water door de steen langzamer verloopt en de verdampingssnelheid van water naar de lucht vermindert. Lucht heeft uiteraard ook een duidelijk verlagend effect op de elasticiteitsmodulus waardoor de spanningen als gevolg van krimp e.d. op de stenen ver-minderen. De luchtbelletjes worden ingebracht door middel van een schuimmiddel op ba-sis van bijvoorbeeld proteïnederivaten of alkylarylsulfonaten. Voor de zogenaamde natte prefabspecies die langere tijd verwerkbaar moeten zijn, wor-den ook vertragers toegepast. Dit zijn meestal gluconaatzouten die een sterke vertraging van de cementreactie geven. Zand en vulstof in metselmortels Zand dient volgens de metselmortelnorm NEN 3850 te voldoen aan de eisen voor zand voor gewapend beton volgens NEN 5905, zulks met enkele kleine afwijkingen. De grenslij-nen voor de zeefkromme van zand voor metselmortels zijn gegeven in fig. 3.3.45. Fig. 3.3.45 Aanbevolen grenslijnen voor de zeefkrommen van zand voor metselmortels.

(--- voorbeeld zeefkromme).

0

20

40

60

80

100

63,00

31,50

16,00

8,00

4,00

2,00

1,00

0,50

0,25

0,13

Zeefopening

Cum

. zee

fdoo

rval

(

94

Naast zand wordt ook wel met vulstof gewerkt met name in de zogenaamde droge prefab-species. Onder vulstof wordt verstaan een stof kleiner dan 250 µm. In het algemeen betreft het gemalen kalksteen, bijvoorbeeld mergel. Deze gemalen kalk-steen is zoals besproken ook aanwezig in metselcement. Door de hoge fijnheid verbetert het de cohesie en de waterretentie van de mortel. Door de goede binding met cement is het bovendien geen zwakke schakel in de uitgeharde mortel. Soorten metselmortels Er is tegenwoordig een veelvoud van metselmortels op de markt, zoveel dat de Neder-landse metselmortelnorm zich beperkt tot het stellen van performance-eisen (prestatie-eisen) zoals eisen met betrekking tot de druksterkte, buigsterkte, hechtsterkte en volu-mieke massa. Er is slechts een klein aantal samenstellingeisen vooral met betrekking tot het luchtgehalte en de toegelaten grondstoffen. Verder wordt het aan de gebruiker over-gelaten wat te kiezen. Er is dan ook nogal wat te kiezen. Zo zijn er: - de traditionele basterdmortels, bijvoorbeeld bestaande uit 1 deel cement, 1 deel

luchtkalk en 6 delen zand; of - natte prefab-species bestaande uit cement, zand en lucht ingebracht door middel

van een hulpstof. De hoeveelheid lucht gaat daarbij meestal tot aan het maximaal toegelatene. Een veel gebruikte samenstelling is bijvoorbeeld cement 1 deel, zand (ongeveer) 4 delen, lucht 15% v/v. Verder zijn deze prefab-species vertraagd zo-dat verwerken tot 24 uur of langer mogelijk is. Uiteraard dient tijdens deze periode verdamping van water voorkomen te worden;

- de droge prefab-species: kant en klare droge mortels met bijvoorbeeld een samen-stelling van 1 deel portlandcement, ½ deel gemalen kalksteen (vulstof), 6 delen zand en een luchtbelvormer. Soms worden ook de droge prefab-species gemaakt met cement als bindmiddel naast luchtkalk. De droge prefab-species worden in si-lo’s naar de bouw gevoerd. Daar wordt er naar believen van gebruik gemaakt door mengen met water. Deze species hebben een verwerkbaarheidperiode die kan op-lopen tot 3 uur.

- op de bouw vervaardigde mortels met behulp van metselcement en zand, welke volgens specificatie, bijvoorbeeld in een verhouding van (metselcement staat tot zand) = (1:3), wordt gemengd.

Voegspecies Om esthetische redenen wordt de voeg in het algemeen uitgekrabd of niet geheel gevuld en later egaal opgevuld met een specie die uiteindelijke het uiterlijk van het metselwerk bepaalt; de zogenaamde voegspecie. Deze voegspecie wijkt qua samenstelling meestal niet essentieel af van de metselspecie, zij het dat de consistentie verminderd is. De mortel is droger; dit vanwege de specifieke wijze waarop de voegspecie moet worden aange-bracht; met de voegspijker e.d. De vervaardiging van de metselspecies Bij de kant en klare mortels, de prefab-mortels, hoeft er helemaal niet meer gemengd te worden of alleen nog maar met water. Hier kan dus niet al teveel fout gaan omdat de metselaar de specie afstelt op de gewenste consistentie. Wanneer op de bouwplaats de ingrediënten bij elkaar moeten worden gevoegd, zoals bij de basterd en de metselce-mentmortels, dan dient exact het verwerkvoorschrift te worden gevolgd. Wanneer dat met de schop e.d. gebeurt, kan men zich voorstellen dat er nogal fouten worden gemaakt. Bo-vendien komt het voor dat er wat wordt toegevoegd, bijvoorbeeld een afwasmiddel dat lucht inbrengt, waardoor de verwerkbaarheid verbetert, maar waarbij het luchtgehalte kan worden opgevoerd tot gehaltes boven het toegelatene. Bedacht moet ook worden dat de

95

kalk welke geleverd wordt veelal al een luchtbelvormende hulpstof bevat, zodat door het verder bijmengen van luchtbelvormende hulpstoffen al gauw een te hoog luchtgehalte ontstaat. Wanneer moet worden gemengd met mortels waar luchtbelvormers aanwezig zijn, zoals bij de droge prefabspecies, bij de basterd mortels waar de kalk lucht bevat of bij de metselcementen, is de mengintensiteit een belangrijke variabele. Bij zeer intensief mengen kan relatief veel lucht worden ingebouwd. Het instellen van het gewenste lucht-gehalte is in principe moeilijk beheersbaar. Het meten van het luchtgehalte van met-selmortels is dan ook geen overbodige controle op de kwaliteit. Nabehandelen In het algemeen ziet men niet dat metselwerk wordt nabehandeld. Nochtans kan in de volle zon er een zodanige verdamping van water optreden dat hetzelfde gebeurt als bij beton, namelijk een te snelle uitdroging waardoor de mortel niet meer verhardt. Dit noemt men het verbranden van de metselmortel. Dit proces kan worden versterkt wanneer er van een sterk zuigende steen sprake is, waardoor de mortel na aanbrengen al direct vrij droog wordt. Met betrekking tot het opzuigen van water uit de specie door de stenen wordt in het algemeen een voorbevochtigde steen geprefereerd. De steen moet ook weer niet volledig verzadigd zijn maar bijvoorbeeld door sproeien enigszins bevochtigd. Lijmen Lijmen worden meestal kant-en-klaar geleverd en bestaan uit cement met gedroogsproei-de latices als bindmiddel of cellulosederivaat toevoegingen en fijne zanden of vulstoffen die de functie vervullen van toeslagmateriaal en krimpverminderend moeten werken. Er bestaan ook lijmen op puur kunststofbasis, dit kan zijn bijvoorbeeld in de vorm van ge-droogdsproeide latices en/of cellulosederivaten e.d. Deze lijmen hebben als voordeel dat veelal een snelle droging tot stand komt. De productiesnelheid van het metselen kan aanzienlijk verhoogd worden door lijmen, maar dit heeft nog niet geleid tot het op grote schaal toepassen van de lijmtechniek. De consument is gewend aan de mortelvoeg en de vraag naar muurvlakken met nauwelijks zichtbare voegen is slechts gering. Men verwacht met de ontwikkeling van steensoorten met een profilering een bredere toepassing van de lijmtechniek. Een nog nieuwere ontwikkeling is die van een ingenieus “klik”-systeem waarbij in principe geen lijm meer bij nodig is. De stenen worden dan a.h.w. op een “Lego”-achtige wijze met elkaar verbonden. Metselwerkverbanden Metselwerk kan in verschillende verbanden worden vervaardigd. In Nederland is het meest gebruikelijk een half steens verband. Het verband tussen de stenen is niet onbelangrijk. Het is gebleken dat als gevolg van het steenverband toch nog in redelijke mate buigspan-ningen in de lengterichting van stenen kunnen worden opgenomen. Dit komt door het in elkaar grijpen van de stenen met daaraan gehechte mortel. Vandaar dat verticale voegen beter niet kunnen doorlopen. C) Kalkzandsteen (Engels: sand-lime bricks) Bouwen in kalkzandsteen (bouwwijzen, constructietypen, etc.) Kalkzandsteen maakt men in Nederland vanaf 1898 en heeft een breed toepassinggebied, in de woningbouw en de utiliteitsbouw, maar ook bij renovatie en in de agrarische bouw. Hierbij kan worden gedacht aan funderingen, kelders, dragende en niet-dragende bin-nenwanden en gevels. De jaarlijkse behoefte aan dit bouwmateriaal is ongeveer 3,3.106 kg, die volledig door binnenlandse productie wordt gedekt. (Zie fig. 3.3.46).

96

Fig. 3.3.46 Kalkzandsteenproductie in Nederland. De ruwe grondstoffen Voor de productie van kalkzandsteen zijn de volgende grondstoffen nodig: kalk, zand en water. Een klein gedeelte van het kalkzandsteen wordt met behulp van pigmenten ge-kleurd. De verhouding tussen kalk en zand is ongeveer 92 à 95% zand en 5 à 8% kalk (m/m). Productie Voor de productie van kalkzandsteen worden zand, (ongebluste) kalk en water gemengd. Door de reactie van kalk met water (“blussen”) komt warmte vrij, waardoor de tempera-tuur van het mengsel oploopt tot ca. 60 oC. Vervolgens wordt het mengsel geperst tot het gewenste formaat (dikte) en in hogedrukketels (autoclaven) onder verzadigde stoomdruk van ongeveer 10 à 16 bar verhard; daarbij wordt een temperatuur bereikt van bijna 180 à 200 oC. De verblijftijd in de autoclaaf is ongeveer 8 uur. Men is via processturing in staat om blokken te maken van verschillende dichtheden en sterkten. De verharding gaat vol-gens: Fig. 3.3.47 laat het productieproces zien. Fig. 3.3.48 toont een viertal elektronenmicrosco-pische foto’s van kalkzandsteen bij verschillende vergrotingen. Fig. 3.3.47 Kalkzandsteen productieproces (Bron: Silka-Brochure).

2 2 2 2 2 22Ca(OH) + SiO + H O (CaO) .SiO . H Ox x

97

Na afkoeling aan de buitenlucht is de kalkzandsteen, na eventueel op maat te zijn ge-zaagd, klaar voor gebruik. Zie fig. 3.3.49. De kalkzandsteenelementen worden op de bouw op elkaar gelijmd met speciale lijmmengsels, zie fig. 3.3.50. 100x 200x 1500x 6000x Fig. 3.3.48 Rasterelektronenmicroscopische opnamen van kalkzandsteen (Foto’s Sectie

Materiaalkunde). Naar de autoclaaf Bouwen met kalkzandsteenblokken Fig. 3.3.49 Kalkzandsteen productieproces en toepassing (Bron: Silka-Brochure).

98

Fig. 3.3.50 Het metselen met kalkzandsteenelementen (Bron: Silka-Brochure). Voor een goede sterkte hoeft niet al het zand aaneengekit te zijn, als er maar een doorlo-pend skelet met enige sterkte wordt opgebouwd. Men maakt kalkzandsteen in een aantal verschillende kwaliteiten:

- kalkzandsteen “gewoon” (σdruk ruwweg 15 N/mm2) - kalkzandsteenklinker (σdruk ruwweg 25 N/mm2) - kalkzandsteen “gevel” - kalkzandsteen “hoge-druk”

De klinkerkwaliteit wordt voor het autoclaafproces zwaarder geperst dan de kalkzand-steenkwaliteit. Gemiddeld is de elasticiteitsmodulus van kalkzandsteen ongeveer (7 à 10).103 N/mm2. Een nat geworden kalkzandsteenblok zal bij droging tussen de 0,25 en 0,70 o/oo krimpen. Eni-ge andere gegevens zijn vermeld in tabel 3.3.3. Tabel 3.3.3 Enige gegevens kalkzandsteenproducten. Volumieke massa (kg/m3) 2000 Brandwerendheid 90 minuten voor een halfsteens muur Kleur Via pigmenten, door en door Uitzettingscoëfficiënt (9 à 12).10-6 (1/K) Warmtegeleidingscoëfficiënt droog ̴ 1 (W.K/m) Warmtegeleidingscoëfficiënt nat ̴ 1,5 (W.K/m) Soortelijke warmte ̴ 840 (J.K/kg) Vraag 3.3.3 (Warmtegeleiding en kalkzandsteen):

Waarom is de warmtegeleiding van vocht bevattend kalkzandsteen groter dan bij droog kalkzandsteen? Antwoord: Stilstaande droge lucht geleidt de warmte slecht. Water in een poreus bouwmateriaal verdringt lucht.

99

fijn zand70%

portland cement15%

kalk en vliegas15%

Voor kalkzandstenen en -blokken gelden de volgende normen: NEN-EN 771-2, 772-1/-9/-16/18. Voor kalkzandsteenelementen geldt de BRL 1004-96. Afval (output) en toepassingen van deze restproducten Het productieafval, zoals afgekeurd materiaal, zaagresten en restanten van afgezaagde passtukken worden gebroken en (tot ongeveer 10 %) als zandvervanger weer in het pro-ductieproces ingezet. Tijdens de bouw ontstaat weinig afval omdat in de fabriek de producten op maat worden gemaakt. Als er toch afval ontstaat, wordt dit afgevoerd naar een breker (eventueel via een sorteerinrichting). Het sloopafval gaat naar de breker. Meestal (ongeveer 900 kton) wordt het verwerkt in menggranulaat, waarbij natuurlijk ook een zandfractie vrijkomt (sorteerzeefzand en recy-clingbrekerzand). Het menggranulaat wordt voornamelijk afgezet als ophoog- of funde-ringsmateriaal in de GWW-sector. Een klein gedeelte gaat als grindvervanging naar de be-tonindustrie. Knelpunten Uit het oogpunt van integraal ketenbeheer moet gestreefd worden naar de inzet van de afvalstoffen in de eigen keten. Momenteel wordt slechts het productieafval ingezet als zandvervanger in het eigen productieproces. Technisch is het (nog) niet haalbaar om gro-te hoeveelheden kalkzandsteen op dezelfde wijze in het productieproces terug te voeren. Daarom moet er gezocht worden naar een andere manier om dit materiaal af te zetten. D) Cellenbeton (Engels: aerated concrete) Cellenbeton is in wezen geen beton maar een lichtgewicht materiaal gebaseerd op een opgeschuimde mortel van cement en zand die wordt geautoclaveerd. Cellenbeton mag niet verward worden met “schuimmortel” waarbij opschuimen via een eiwit wordt gere-geld maar dat niet geautoclaveerd wordt. Bij cellenbeton gebeurt het opschuimen door het toevoegen van aluminiumpoeder in de verse specie. Men noemt cellenbeton in de bouwpraktijk ook wel “gasbeton”. Het bindmiddel bij cellenbeton is in het algemeen Portlandcement (plus 1% gips), vaak in combinatie met ongebluste kalk. Overige grondstoffen zijn gemalen kwartszand (SiO2 ge-malen tot cementfijnheid), eventueel vliegas en water. Vliegas heeft als voordeel dat het al net zo fijn is als cement, maar als nadeel dat het meer zware metalen bevat dan kwartszand en meer radioactieve straling afgeeft. Fig. 3.3.51 geeft een overzicht van een mogelijke samenstelling van cellenbeton.

Grondstof kg voor 1 m3 cellenbeton Cement 65

Kalk 45 Gemalen zand 290

Water 225 Aluminiumpoeder 0,53 Fig. 3.3.51 Voorbeeldsamenstelling cellenbeton.

100

De grondstoffen worden in droge vorm in de menger gedoseerd waarna water wordt toe-gevoegd en het in de voorverwarmde mal gestort wordt. Tevens wordt gemalen gerecy-cled cellenbeton (men noemt dat “korst”) toegevoegd). Tijdens de verblijftijd in de mal stijft de massa op en ontwikkelt zich het schuim. De toegevoegde aluminiumpoeder is een reststof bij de aluminiumproductie en de deeltjes hebben een middellijn van ruwweg 50 µm. Verhardend cement ontwikkelt cementsteen (Ca(OH)2 en “cementgel”) en tegelijker-tijd stijgt de pH van het aanmaakwater; er ontstaat dus een alkalisch milieu. In een alka-lisch milieu reageert aluminiumpoeder volgens: Het ontwikkelde waterstofgas blaast de nu nog plastische massa op (men noemt dat de “groene massa”) omdat de massa te “stijf” is om het gas meteen te laten ontsnappen. Tegelijkertijd wordt de pasta hard en er ontstaan dus materiaal met vele luchtbelletjes (het waterstofgas wordt geleidelijk verdrongen door lucht). Tijdens de verhardingsperiode rijst het mengsel dus en krijgt een groter volume. Na opstijving wordt het materiaal uit de mal gehaald en tot blokken, platen e.d. gesneden. Dit snijden kan zowel horizontaal als vertikaal gebeuren. Uiteraard ontstaat er snijafval en dat materiaal wordt na oproeren met water teruggevoerd naar de menger. Vervolgens wordt het “groene” cellenbeton naar de autoclaaf gebracht waar het geduren-de 6 tot 12 uur bij een verzadigde stoomdruk van 10 tot 12 bar (dus “natte stoom”) bij een temperatuur van 180 tot 190 oC verder zal reageren. Hierbij zal het kwartszand voor het grootste deel reageren met kalk en water tot calcium-silicaathydraten. De stoom wordt door een warmtewisselaar geleid om de restwarmte terug te winnen. Fig. 3.3.52 geeft elektronenmicroscopische opnamen van cellenbeton. 100x 6000x Fig. 3.3.52 Elektronenmicroscopische opnamen van cellenbeton. E) Gips De grondstoffen voor de gipsfabricage zijn natuurlijke gipssteen en industriegips. Industriegips wordt verkregen bij rookgasontzwaveling, bijvoorbeeld bij kolengestookte elektriciteitscentrales. Men leidt de rookgassen door kalkwater waarbij de SO4

-- anionen gebonden worden aan de kalk. Er ontstaat gips:

2 2 2 3 2 22Al + 3Ca(OH) + 6H O 3CaO.Al O .6H O + 3H

++ 2-4 2 4 2Ca + SO + 2H O CaSO .2H O

101

De oplosbaarheid van deze vorm van gips is slechts 2 gram per liter, dus het slaat neer en kan gewonnen worden. Gipssteen is eveneens CaSO4.2H2O en is een afzettingsgesteente dat oorspronkelijk uit zeewater is afgescheiden. Een bepaalde vorm van gipssteen noemt men albast. Is er geen water aanwezig dan spreekt men van anhydriet (CaSO4). Anhydriet ontstaat bij tempera-turen van ongeveer 600 oC. Bouwgips (ook wel stukadoorgips genoemd) wordt verkregen door gipssteen of industrie-gips tot 160 oC te verhitten: Vervolgens wordt het gemalen tot een korrelgrootte van <0,3 mm en kan het als stucma-teriaal worden toegepast. Het bouwgips heeft een grotere oplosbaarheid dan gipssteen (10 gram per liter) en na menging met de juiste hoeveelheid water krijgt men: Het in eerste instantie plastische vloeibare mengsel stijft op in ongeveer 20 tot 60 minu-ten. Men voegt vaak vertragende middelen toe om een geschikte verwerkbaarheidtijd te krijgen. Bij verharding ontstaan naaldvormige kristallen, zie fig. 3.3.53. Er is sprake van een min of meer open structuur waardoor gips een bufferwerking voor vocht vertoont. Fig. 3.3.53 Elektronenmicroscopische opname van gips, 7000x. Uit: Blz. 288 Verver en

Fraaij; Materiaalkunde. De sterkte van gips hangt van de hoeveelheid aanmaakwater af, zie fig. 3.4.54.

14 2 4 2 222CaSO .2H O 2CaSO . H O + 3H Overhitting

2+ 2-14 2 2 4 22

4 2

2CaSO . H O + 3H O 2Ca + 2SO + 4H O

2CaSO .2H O + warmte

102

Fig. 3.3.54 Sterkteontwikkeling van gips Uit: Blz. 288 Verver en Fraaij; Materiaalkunde.

Gips is niet watervast en kan alleen in buitentoepassingen gebruikt worden als het ge-mengd wordt met een polymeer die het materiaal waterafstotend en waterdicht maakt. Gipsplaten zijn uitstekend als brandwerende laag te gebruiken omdat het in het gips ge-bonden water bij een brand eerst vrij moet komen en vervolgens moet verdampen en dat kost veel warmte voordat het materiaal zijn samenhang verliest. Staal gaat roesten als het in contact komt met gips, dus we kunnen gips niet wapenen zoals bij beton gebeurt. Gips wordt in verscheidene producten toegepast, zoals:

- in pleisterboard - als stucwerk - in anhydriet-gips vloeivloeren - als bindtijdregulator van portlandcement.

Het lijmen van gipsblokken Fig. 3.3.55 Gipsplaten en gipsblokken. Uit: Verver, Bouwmaterialen. Het gebruik van gips in Nederland is ruwweg 800000 ton/jaar. De productie van “Flu Gas Desulphurisation Gypsum” (FDG) in Nederland bedraagt ruwweg 500000 ton/jaar. De im-port is ruwweg 300000 ton/jaar (1 ton = 1000 kg).

103

Recycling Men moet er voor zorgen dat het gips uit de betonketen blijft omdat stukjes gips in beton ongewenste zwellingen veroorzaken, en daarmee scheurvorming. Men dient het dus zo-veel mogelijk in de eigen keten laten.

104

3.3.5 Hout Inleiding Hout is vanaf het ontstaan van de mens van zeer grote betekenis geweest, een betekenis die het nog steeds heeft. Hout is een materiaal dat voor een bijna onbeperkt aantal toe-passingen geschikt is. Daar komt nog bij dat hout een zichzelf vernieuwende grondstof is. Dit betekent dat bij een duurzaam bosbeheer de beschikbare hoeveelheid hout tenminste gelijk blijft. Bovendien geldt dat houtproductie en weinig energie vraagt en milieuvriende-lijk is. De toepassingsmogelijkheden zijn legio. Vaak worden houtsoorten in onderling sterk verschillende kwaliteiten aangeboden (ook per houtsoort). Ter illustratie: het aantal houtachtige plantensoorten wordt geraamd op 25.000-30.000 of meer. Hiervan hebben er waarschijnlijk 3.000 tot 5.000 een economische betekenis. Op de we-reldmarkt worden er overigens slechts enkele honderden houtsoorten verhandeld. lndeling in soorten Houtsoorten worden in twee hoofdgroepen ingedeeld: 1. Loofhoutsoorten. Afkomstig van loofbomen die zijn te herkennen aan bladeren.

Voorbeelden zijn eiken, meranti, merbau e.a. 2. Naaldhoutsoorten. Afkomstig van naaldbomen die zijn te herkennen aan naalden.

Voorbeelden zijn: vuren, grenen, Californian redwood e.a. Boomgroei De groei van een boom vindt op twee geheel verschillende manieren plaats, namelijk in de lengte en in de breedte c.q. dikte. Een jaarscheut die uit een eindknop is ontsprongen, vermeerdert de lengte van de boom. Reeds eerder gevormde delen blijven op dezelfde plaats zitten. De diktegroei vindt zowel in de stam als in de wortels en de takken plaats door de vorming van groeiringen. Dit wordt ook wel de secundaire diktegroei genoemd. Dit verschijnsel is karakteristiek voor houtige planten. De secundaire diktegroei vindt plaats doordat het cambium (fig. 3.3.56) voortdurend houtcellen (spinthout) naar binnen toe afzet en bastcellen naar buiten.

Fig. 3.3.56 Hout; stamopbouw.

De jaarlijks gevormde houtcellen zijn op het kopse vlak herkenbaar als groeiringen. De cambiumcellen vormen een gesloten ring en blijven het hele jaar actief. In de meeste ge-vallen is het aantal bastcellen dat door een cambiumcel wordt gevormd veel kleiner dan het aantal houtcellen. Een boom heeft dan ook meer hout dan bast. Doordat de boom

105

steeds dikker wordt, moet de cambiumzone ook steeds groter worden om gesloten te blij-ven. In de richting van de omtrek worden daartoe extra cellen gevormd. Dit verschijnsel wordt dilatatie genoemd. Er ontstaan ongeveer zevenmaal zoveel houtcellen aan de binnenkant als bastcellen aan de buitenkant van het cambium. Daardoor verwijdert het cambium zich steeds verder van de boomas. Na de celdeling ontstaan er celgroepen waarin de cellen onderling verbonden zijn. Celgroepen waarvan de cellen dezelfde bouw en functie hebben, worden weefsels genoemd. Alleen bij het cambium ontstaat weefsel dat tot de diktegroei bijdraagt. Aan de binnenkant ontstaan: • Steunweefsels die de boom stevigheid verlenen. • Tracheaalweefsels voor transport van de voedingsstoffen. • Parenchymweefsel, waarin reservevoedsel en inhoudsstoffen, zoals gommen, har-

sen, kalk en kleurstoffen, worden opgeslagen (parenchym = vulweefsel). De bastweefsels vervoeren voedingsstoffen vanaf de bladeren naar de groeiplaatsen. Dit transport vindt dus plaats aan de buitenzijde van het cambium onder de schors. De bast-vaten bestaan uit levende cellen, die van elkaar gescheiden zijn door zeefplaten, waardoor het voedsel moet passeren. De houtvaten vervoeren mineralen en water vanuit de bodem. Deze houtvaten bestaan uit dode cellen. Ze vormen doorlopende buizen. Tijdens de groei ontstaan zoals vermeld cellen die zich bundelen tot weefsels. Aan de naar de boomas gekeerde zijde van het cambium wordt dan het houtweefsel gevormd. Tot dit weefsel behoren twee soorten. • Cellenbundels die evenwijdig lopen aan de stam. Deze noemen we vezels. • Cellenbundels die loodrecht op de stam staan en naar het hart zijn gericht. Deze

noemen we houtstralen. Het hart van de boom wordt merg genoemd. Deze mergpijp, die het midden van het hart is, verhout niet en blijft daardoor gevoelig voor schimmelaantasting. In een vroeg stadium gevormde straalcellen lopen door tot het merg. Men spreekt dan niet van houtstralen, maar van mergstralen. Het aantal stralen neemt met de groei en de omvang van de boom toe. De bastvezels zijn, zoals eerder vermeld, vanaf het cambium naar buiten gericht. Deze levende vezels zorgen voor het transport van voedingssappen en bescherming van het cambium. Het buitenste deel bestaat uit afgestorven cellen en wordt korst of schors genoemd. Deze laag is op diverse plaatsen gebarsten en sluit daardoor niet meer goed aaneen. Naald- en loofhout Tussen de anatomische structuur van naald- en loofhout bestaan grote verschillen. De belangrijkste houtanatomische verschillen zijn: • naaldhout: houtvezels • loofhout: houtvaten. De voornaamste onderdelen van naaldhout zijn (zie fig. 3.3.57): • houtvezels (verticaal), • houtstralen (horizontaal), • harskanalen (verticaal). De voornaamste bouwstenen van naaldhout zijn houtvezels in de vorm van langgerekte en tot bundels verenigde cellen met spitse uiteinden. De aan elkaar grenzende vezels zijn door een gemeenschappelijke wand met elkaar vergroeid. Ze lopen in de lengterichting

106

evenwijdig aan de boomas. De vezels verlenen de boom stevigheid en bepalen de sterkte en zwaarte. Dunwandige cellen zijn lichter van gewicht dan dikwandige. Fig. 3.3.57 Naaldhout. Houtstralen zijn naar het hart gericht. In lengtedoorsnede bezitten ze een min of meer rechthoekige vorm. De holten van de straalcellen staan met elkaar en met de aangren-zende houtvezels in verbinding. Ze dienen voor watertransport in de horizontale richting en voor opslag van reservevoedsel. Harskanalen Een aantal naaldhoutsoorten, onder andere vuren en grenen, bezitten harskanalen, ook wel harsgangen genoemd. Deze harskanalen zijn intercellulaire ruimten en geen eigenlijke componenten van het hout. De tijdens de groei ontwikkelde harsen worden in deze ruim-ten opgeslagen. Loofhout De belangrijkste onderdelen van loofhout zijn (zie fig. 3.3.58): • houtvaten, • parenchym, • harskanalen of gomgangen, • steunweefset (libriform). Vaten in loofhout zijn over het algemeen op het kopse vlak waar te nemen als grote, ron-de tot ovale openingen tussen de andere celsoorten. De vaten zijn opgebouwd uit tal van korte cellen, die in de lengterichting met elkaar zijn vergroeid. Ter plaatse van de ver-groeiing is de celwand verdwenen of vertoont perforatie. Parenchymweefsel komt in loofhout veel meer voor dan in naaldhout. Het zijn doosvormi-ge cellen waarin de voedingsstoffen worden opgeslagen. Soms zijn ze in de lengterichting gerangschikt. Ze staan altijd loodrecht op de vezel en vormen horizontale banden - stralen geheten - die naar het hart toelopen. Waar de stralen breed zijn, zoals bij eiken en beu-ken, geven ze op radiaal gezaagde vlakken een fraaie tekening die spiegel wordt ge-noemd.

107

Fig. 3.3.58 Loofhout. Fysische eigenschappen De volumieke massa wordt met name beïnvloed door het percentage laathout per groei-ring, de vorming van bijzondere steunweefselsoorten en de celwanddikte. Voorbeeld: houtsoorten met een hoge volumieke massa hebben een groot percentage vezels en een klein percentage parenchym, een klein percentage vaten of een hoog percentage cellen met bijzonder verdikte wanden. De krimp- en zweleigenschappen worden bepaald door de laagsgewijze opbouw van de celwand. Een sterke tangentiale krimp- en zwelneiging wordt bijvoorbeeld veroorzaakt doordat de radiale wand bepaalde afwijkingen ten opzichte van andere wanden laat zien. Het feit dat reactiehout naar alle kanten krimpt en zwelt, valt te verklaren uit het ontbreken van een samenhang in de opbouw van de wanden. Niet in de laatste plaats dragen de plaats, grootte en het verloop van de stralen bij tot de anisotropie die bij het werken optreedt. ln fig. 3.3.59 zijn de verschillen in krimp in de verschillende richtingen weergegeven. Fig. 3.3.59 Krimp van hout.

108

Mechanische eigenschappen: De sterkte-eigenschappen worden in feite bepaald door de celvorm en de celwandstructuur. Met name spelen de middenlaag en de plaats van het lignine (60- 90%) in de middenlaag een rol. Enkele voorbeelden van de wijze waarop de structuur samenhangt met de sterkte zijn: - Druk- en buigsterkte: groeiringbreedte, aandeel laathout, aantal poriën, grootte,

vorm en dikte van de celwand. - Splijtsterkte: plaats van de stralen. - Breukslagarbeid: groeiringbreedte (bij naaldhout), dikte van de celwand (met na-

me bij het laathout van ringporig hout). - Treksterkte: voor de treksterkte loodrecht op de vezel spelen de laatste celwandla-

gen een grote rol (secundaire wand). Voor de treksterkte evenwijdig aan de vezel speelt met name de eerste laag (middenlamel) een grote rol.

Duurzaam bosbeheer Hout is één van de oudste bouwmaterialen. Een nadeel van deze ontwikkeling was dat de houtbranche zelf zich pas laat realiseerde dat een meer marktgerichtere benadering moest worden gehanteerd, waarin veel meer dan voorheen rekening moest wordt gehouden met de hout- en de ecologische kwaliteit die de gebruikers willen. Belangrijk is dat de produc-tie en afzet van Europees kwaliteitshout wordt gestimuleerd, om de druk op de tropische houtsoorten te verminderen. Veel hout wordt nog uitsluitend gekweekt ten behoeve van relatief laagwaardige toepassingen als de pulp- en papiersector. De schattingen zijn dat op dit moment tropisch hout een marktaandeel heeft van onge-veer 16%, in vergelijking met inlandse houtsoorten met een aandeel van minder dan 10%. Ongeveer 36% van de totale houtproductie wordt toegepast in de bouw- en utili-teitsbouw, 18% in de grond-, weg- en waterbouw, en 20% in de doe-het-zelf (bouw)markt. Het restant wordt toegepast in de emballage- en meubelindustrie en de agrarische sector. Door een aantal brancheverenigingen en stichtingen is de wereldwijde problematiek van het verdwijnen van tropische regenwouden onderkend, (de Stichting Robinia heeft ge-poogd om het ecologisch verantwoord hout te introduceren). Er wordt hard gewerkt aan het tot stand komen van duidelijke kwaliteitseisen ten aanzien van de kwaliteit van het hout en van de ecologische “duurzaamheid” voor hout. Voor Ne-derlands geveltimmerwerk is vooral de duurzaamheid van het hout van belang, naast de tangentiele krimp die binnen bepaalde grenswaarden moet vallen. Op zich zijn er meer dan voldoende houtsoorten die hieraan voldoen. Het probleem is echter dat de deskun-digheid om een goede partij van een slechtere partij te onderscheiden ontbreekt bij de tussenhandel, en vaak ook bij de gebruiker. Hierdoor blijft het potentieel voor de houtskeletbouw in Nederland tot nu toe te weinig benut. Vaak wordt gezegd dat de vraag naar tropisch hardhout in het rijke westen voor vernieti-ging van de tropische oerwouden zorgt. Helaas is dit slechts ten dele waar. Fig. 3.3.60 laat de oorzaken van de afname van het tropische regenwoud zien.

109

veehouderij, 6%commerciële houtkap, 6%

brandhout, 8%

aanleg infrastructuur, 1%

zwerflandbouw, 63%

permanente landbouw, 16%

Fig. 3.3.60 Oorzaken van aantasting tropische regenwouden. Vanwege ecologische redenen probeert men de afname van het areaal aan tropisch re-genwoud te vertragen door over te gaan op ecologisch verantwoorde bosbouw. In vele landen heeft men hiertoe protocollen opgesteld waaraan men moet voldoen om het hout op de markt te brengen onder de noemer van ecologisch verantwoorde houtwinning. Er zijn vele stichtingen opgericht om dit mogelijk te maken, maar niet alle stichtingen en pro-tocollen voldoen aan de standaarden die in de diverse landen worden gehanteerd. Tevens is de controle op de uitvoering een lastige zaak. Wereldwijd tekent nu af dat het zoge-naamde FSC-hout steeds vaker wordt voorgeschreven door opdrachtgevers. FSC staat voor het “Forest Stewardship Council”. Vrij vertaald gaat het om de “Raad voor Goed Bos-beheer”. Deze raad zetelt in Mexico. FSC is een onafhankelijke organisatie die is opgericht door natuur-, milieuorganisaties, boseigenaren, mensenrechten- en ontwikkelingsorgani-saties en vertegenwoordigers van lokale bevolkingsgroepen en houthandelaren. Anders dan vaak wordt gedacht, is FSC-hout niet alleen bedoeld voor tropisch hardhout; ook voor andere houtsoorten (bijvoorbeeld Europees naaldhout) kan een afnemer eisen dat het door hem bestelde hout (of houtproduct) afkomstig is van duurzame bosbouw met een FSC keurmerk (of een daarmee gelijkwaardig keurmerk). Om het keurmerk van het FSC-hout te verkrijgen, dient het bosbeheer aan een aantal ei-sen te voldoen: De 10 principes voor goed bosbeheer van FSC: 1. Het bosbeheer moet de nationale wetten evenals internationale afspraken en over-

eenkomsten, en de principes en criteria van FSC respecteren. 2. Het gebruik en eigendom van het bos zijn vastgelegd en rechtsgeldig. 3. De rechten en gebruiksrechten van inheemse volkeren worden erkend en geres-

pecteerd. 4. Bosbeheer is gericht op het handhaven of verbeteren van het lange termijn welzijn

van bosarbeiders en lokale gemeenschappen in sociale en economische zin. 5. De bosproducten en -diensten moeten efficiënt gebruikt worden, opdat de econo-

mische, ecologische en sociale voordelen worden veiliggesteld. 6. De ecologische functies en biodiversiteit van het bosgebied worden beschermd. 7. Er is een duidelijk beheerplan op schrift, waarin doelen en middelen uiteengezet

zijn. 8. De sociale, economische en ecologische gevolgen van de activiteiten in het bos

worden regelmatig gecontroleerd.

110

9. Bossen met hoge natuurwaarde moeten behouden en op hun waarde geschat worden.

10. Plantages moeten een aanvulling vormen op natuurlijke bossen, maar mogen na-tuurlijke bossen niet vervangen en moeten in overeenstemming met principes 1 t/m 9 beheerd worden.

FSC-hout is te herkennen aan het in fig. 3.3.61 getoonde logo. Fig. 3.3.61 Het FSC-hout (uit: informatie via internet: FSC-hout). De Nederlandse FSC-organisatie heet FSC Nederland. De tekst hieronder over FSC Neder-land is te verkrijgen via internet (www.fscnl.org): FSC Nederland is een platform van en voor bedrijven waarbij ook maatschappelijke orga-nisaties zijn aangesloten. FSC Nederland heeft de ambitie om het marktaandeel van FSC-gecertificeerd hout de komende drie jaar te laten groeien tot 25%. Bij FSC Nederland zijn zo'n 130 bedrijven en organisaties als deelnemer aangesloten. Van de Nederlanders kent 62% het FSC-keurmerk. Inmiddels zijn honderden bedrijven actief in het handelen, dan wel verwerken van FSC-gecertificeerd hout en -producten, zowel op de consumenten-markt als op de professionele markt. Het FSC-keurmerk geeft zekerheid dat de producten niet alleen legaal zijn, maar ook afkomstig uit goed beheerde bossen. Zo zullen er ook in de toekomst bossen zijn om de houtvoorziening zeker te stellen. FSC is het enige keur-merk voor verantwoord bosbeheer dat wereldwijd gesteund wordt door het bedrijfsleven en milieu- en ontwikkelingsorganisaties. FSC Nederland: - Promoot duurzaam bosbeheer en de producten die daaruit afkomstig zijn; - Stimuleert de vraag naar FSC-hout onder professionele gebruikers, o.a. door het

afsluiten van convenanten; - Brengt vraag en aanbod van FSC-hout bij elkaar, bijvoorbeeld met behulp van de

FSC-Makelaar; - Is het netwerk van bedrijven die werken met FSC-hout. In de diverse projectgroe-

pen en algemene deelnemersvergaderingen doen de deelnemers steeds weer nieuwe contacten, ideeën en inzichten op;

- Participeert in nationale en internationale netwerken; - Behartigt de belangen van haar deelnemers. FSC Nederland initieert onderzoek

naar de toepassing van nieuwe houtsoorten, bijvoorbeeld in de weg- en water-bouw en vertegenwoordigt de deelnemers in diverse overlegorganen;

111

- Is het expertisecentrum in Nederland op het gebied van FSC-certificering. - Beheert de databank van FSC-producten (de Leveranciersgids). De “Chain of Custody” en de certificering daarvan: Ieder bedrijf dat FSC-hout bewerkt, verkoopt en het product wil voorzien van een FSC-label dient FSC-gecertificeerd te zijn voor de handelsketen (Chain of Custody). In oktober 2004 heeft FSC nieuwe standaards voor de certificering van de handelsketen vastgesteld. In deze handleiding worden de nieuwe regels voor certificering van de handelsketen uitge-legd. Het FSC Chain of Custody (CoC) systeem is de verbindende schakel tussen verant-woord bosbeheer en de consument. Door FSC-certificering van de Chain of Custody kun-nen bedrijven hun praktische betrokkenheid met verantwoord bosbeheer kenbaar maken en hun producten labellen met het FSC-keurmerk. FSC Chain of Custody certificering is bestemd voor bedrijven die FSC-gecertificeerde producten verwerken, transformeren of verhandelen. Het stelt bedrijven in staat om: - de herkomst van hun FSC-gecertificeerde materiaal vast te stellen en te controle-

ren; - voor de herkomst van de niet-FSC-gecertificeerde fractie aan te tonen dat het vol-

doet aan door FSC gestelde eisen; - het FSC-label te gebruiken voor de promotie van (hout)producten. Met FSC Chain of Custody certificering kan meestal ook worden aangetoond dat men vol-doet aan eisen van inkoopbeleid van overheden en bedrijven (bijvoorbeeld het EU Ecola-bel Scheme voor meubels). Het voornaamste doel van CoC-certificering is te verzekeren dat het FSC-gecertificeerde materiaal gevolgd wordt in de productieketen. Op deze manier kunnen (eind)consumenten een keuze maken voor FSC-gecertificeerde producten, in de wetenschap dat de herkomst van het materiaal gecontroleerd is. FSC Chain of Custody certificering heeft betrekking op 5 gebieden: - Eisen aan het kwaliteitssysteem - Eisen aan de inkoop van hout - Eisen aan controle van het productieproces en documentatie - Eisen aan labeling van FSC-producten - Eisen aan de documentatie Wat te doen met afvalhout? Afvalhout valt in een aantal categorieën uiteen: - Geïmpregneerd hout: gewolmaniseerd hout dat niet mag worden verwerkt of ver-

brand. Nieuwe verduurzamingtechnieken worden op dit moment ontwikkeld. - “A-Hout” of “pallet-hout”: Hout van relatief goede kwaliteit, dat veelal wordt ver-

werkt in de spaanplaatindustrie; in enkele gevallen wordt het als “hout” opnieuw verwerkt (deuren, vloerdelen, etc.).

- “B-Hout”: Ook hier wordt vaak overgegaan tot verwerking in de spaanplaatindu-strie, of verbranding (60.000 ton per jaar; EPON Nijmegen). Hout in deze categorie is vaak gecoat (verf).

Duidelijk is dat hout op dit moment nog nauwelijks wordt verwerkt tot “nieuw” hout. Her-gebruik beperkt zich tot verwerking in de spaanplaatindustrie, waardoor in principe sprake is van “downgrading”. Aan een voldoende productie van “niet-tropische” en duurzaam ge-produceerde inherent duurzame houtsoorten is vooralsnog gebrek. Dit maakt verduurza-ming, al dan niet met behulp van een coating (verf) noodzakelijk.

112

3.3.6 Bitumen en asfalt Bitumen wordt tegenwoordig in hoofdzaak verkregen bij olieraffinaderijen uit de raffinage van aardolie. In de norm NEN-EN 12597 wordt bitumen gedefinieerd als “een zeer viskeu-ze vloeistof of vaste stof, in hoofdzaak bestaande uit koolwaterstoffen of hun derivaten (die vrijwel geheel oplosbaar is in zwavelkoolstof)”. Het materiaal is al meer dan 4500 jaar bekend en toegepast als bindmiddel voor wateraf-dichtende constructies en metselspecie. Het werd gewonnen uit de zogenaamde “asfalt-meren”. Het betreft hier natuurlijke afzettingen waarin het alleen of verbonden met mine-rale stof, zoals natuurlijk asfalt, voorkomt. Natuurasfalt is in de loop van de eeuwen ont-staan via een “natuurlijke destillatie” van ruwe aardolie dat zelf weer afkomstig is van or-ganisch materiaal . Bitumen is nauwelijks vluchtig maar verweekt geleidelijk bij verhitting waarna het als een vloeistof verwerkt kan worden. Het is zwart of bruin van kleur en heeft uitstekende hech-ting- en dichtingeigenschappen. Asfalt bestaat uit toeslagmaterialen (grind, steenslag of kunstmatige grove aggregaten, natuurlijk zand of brekerzand, en vulstof) en bitumen als bindmiddel. Het bindmiddel kan door gerichte keuze sterk variëren in eigenschappen, in het bijzonder ten aanzien van de visco-elasticiteit. Met dit laatste wordt bedoeld dat bij aanbrengen van een belasting het materiaal in eerste instantie onmiddellijk vervormt (de elastische vervorming) en vervol-gens in de loop van de tijd verder blijft vervormen (de viskeuze vervorming). Bij een con-stante belasting spreekt men dan van “kruipvervorming”, zie fig. 3.3.62. Haalt men de be-lasting weg, dan zal het materiaal voor een deel (elastisch) terugveren, waarna in de loop van de tijd nog een wat vertraagd elastische terugvering plaats zal vinden. Het kan zijn dat er een stukje blijvende vervorming zichtbaar blijft, (de permanente viskeuze vervor-ming). Dit laatste moet niet verward worden met “plastische vervorming”, zoals beschre-ven bij de metalen, die plaats vindt als de belasting een bepaalde waarde heeft over-schreden. Viskeuze vervormingen vindt bij ieder belastingniveau (en vele materialen) plaats. (Noot: Ook beton, hout, kunststoffen en metalen vertonen kruip. Uiteraard zullen niet alle materialen even veel kruipvervorming vertonen. In het tweede studiejaar wordt hier dieper op ingegaan). εe = elastische vervorming

εl = kruipvervorming (toenemende vervorming in de tijd) εa = vertraagd elastische terug- vering εir = blijvende (irreversibele) visceuze vervorming

Fig. 3.3.62 Kruipvervorming bij drukbelasting (Noot: bij trekbelasting vindt men ove-

rigens ook kruip).

113

Door de grote verscheidenheid in toeslagstoffen en in de onderlinge gewichtsverhoudin-gen, evenals door de variatiemogelijkheden in de eigenschappen van het bitumen, kan een brede range van producten worden vervaardigd voor vele toepassingen (wegenbouw, waterbouw, dakbedekking, enz.). Vroeger werd bitumen vaak vermengd met teer maar dat is vanwege gezondheidsredenen inmiddels verboden (zie fig. 3.3.63). Teer (steenkool- en houtteer) is zeer kankerverwek-kend en dient uit de materiaalketen verwijderd te worden. Bij recycling van oude asfalt- en bitumenproducten dient men dan ook zorgvuldig na te gaan of ze teerhoudend zijn. Bij niet teerhoudende sloopproducten (zoals afkomstig van oude wegdekken of van bitu-mineuze dakbedekkingmaterialen) is tegenwoordig sprake van een min of meer volledig hergebruik. Het oude bitumen en asfalt kunnen op drie manieren hergebruikt worden: - In nieuw asfalt (waarbij oud asfalt gemengd wordt met nieuw bitumen, uiteraard

na opwarming in de asfaltcentrale). - Gebroken asfalt als korrelmateriaal in gebonden vorm in funderingen van wegen.

Het gebroken asfalt wordt gebonden met cement of een bitumenemulsie. Een bi-tumenemulsie is een gestabiliseerde dispersie van bitumenbolletjes in water en wordt onverwarmd toegepast.

- Gebroken oud asfalt in ongebonden verhardingen. Fig. 3.3.63 Bitumen en asfalt (bron: VBW Asfalt, Asfalt in wegen- en waterbouw

2000).

114

3.3.7 Kunststoffen Kunststoffen worden onderverdeeld in thermoplasten, thermoharders en rubbers (elasto-meren). Thermoplasten bestaan uit zeer lange ketenmoleculen (vaak gebaseerd op koolwaterstof-fen) en verweken en smelten bij verwarming. De molecuulketens kunnen zijtakken bevat-ten van diverse groottes. Sommige thermoplasten zijn kristallijn of gedeeltelijk kristallijn, andere, zoals PVC, zijn niet-kristallijn (amorf). Fig. 3.3.64 toont het polymeer polyetheen, één van de meest belangrijke kunststoffen. Polyetheen is een voorbeeld van een thermo-plast die tot hoge graad kristallijn kan zijn. Tussen de ketens heersen alleen secundaire bindingskrachten, in de ketens heersen primaire bindingskrachten. Beneden een bepaalde temperatuur is een thermoplast “glasachtig” en hard. Deze temperatuur noemt men de glasovergangstempertuur en, afhankelijk van de kunststofsoort, kan deze temperatuur on-der 0oC liggen of boven het kookpunt van water. De mogelijkheid van smelten bij verwar-ming maakt diverse vormen van verwerking mogelijk, evenals hergebruik. Fig. 3.3.64 Van monomeer naar polymeer: Van etheen (a) naar polyetheen PE (b). Rubbers (elastomeren) zijn opgebouwd uit flexibele lange ketens die nog onverzadigde bindingen bevatten (dubbele bindingen) in tegenstelling tot thermoplasten waar geen dubbele bindingen in de keten voorkomt. Bij gevulkaniseerde rubber, zoals bij een elastiek-je, worden op bepaalde plekken de ketens, bijvoorbeeld via zwavel en/of zink, aan “elkaar geknoopt” via primaire bindingen. De rekcapaciteit kan hierdoor oplopen tot wel 800%. Het gevolg van deze vulkanisering is dat deze rubbers niet meer kunnen smelten bij ver-warming. Hergebruik via smelten is alleen mogelijk bij de zogenaamde “thermoplastische rubbers” waarbij het gaat om mengsels van rubbers en een thermoplast. Thermoharders (men spreekt ook wel van “harsen”) kunnen warmhardend dan wel koud-hardend zijn. Bij de warmhardende thermoharders worden twee verschillende kleine reac-tieve moleculen gemengd en onder druk verwarmd, waarna ze met elkaar reageren tot een driedimensionaal netwerk. Koudhardende thermoharders bestaan eveneens uit twee componenten, waarbij vaak de ene component bestaat uit een min of meer lange reactieve molecuulketen terwijl de an-dere component (de harder) uit kleinere reactieve moleculen bestaat. Beide moleculen re-ageren bij kamertemperatuur met elkaar tot een driedimensionaal netwerk. Na uitharding kunnen de thermoharders niet meer smelten. Voorbeelden van koudhardende harsen zijn epoxyharsen en polyesters. Een warmhardende hars is fenolformaldehyde (het bekende bakeliet). Thermoplasten, rubbers en thermoharders zijn de basis voor verven, lijmen, kitten en een enorm scala aan producten (massief dan wel geschuimd, zie fig. 3.3.65 en 3.3.66). We komen ze tegen in de vorm van folies, plaat- en sandwichmateriaal, harde en zachte schuimen, korrels, isolatiemateriaal rondom elektriciteitsdraden, enz. Kunststoffen worden in de bouw vooral toegepast als verpakkingsmateriaal en verwerkt in diverse specifieke producten. Bij verpakkingsmateriaal betreft het folies en PVC. Bij de bouwproducten kan worden gedacht aan leidingen en dakgoten (PVC), kozijnen, dakba-

115

nen, lichtkoepels, isolatieschuimen, e.d. Fig. 3.3.65 Hard kunststofschuim toegepast bij een rotonde. Bron: Cobouw. 33x 100x Fig. 3.3.66 Rasterelektronenmicroscopische foto’s van kunststofschuimen. Links: een

hard kunstofschuim met gesloten cellen. Rechts: een zacht kunststof-schuim met open cellen.

Recycling: Het herhaald gebruiken van plastics is, sterker nog dan bij steenachtige materialen, niet zozeer een technisch als wel een logistiek en economisch probleem. Op dit moment zijn er vooral ontwikkelingen op dit laatste terrein, mede aangewakkerd door het in 1997 van kracht geworden stortverbod op herbruikbaar bouw- en sloopafval. Zo zijn er voor kozij-

116

Nederland

Zw

itserland

Noorw

egen

Duits

land

20

17,615,9 15,9

0

5

10

15

20

25

nen, dakbanen en riool- en andere PVC-buizen retoursystemen opgezet. In Nederland wordt door de WAVIN een nieuwe PVC-buis aangeboden, waarvan de binnenlaag bestaat uit gerecycled materiaal. Naar verluidt kan een dergelijke buis tot 7 maal worden gerecy-cled (worden verwerkt tot een nieuwe buis). Kozijnen en dakbanen worden in Nederland verzameld en in bijvoorbeeld Duitsland en België gerecycled. Over de hoeveelheden is weinig eenduidige informatie voorhanden. Op technisch terrein liggen de problemen vooral op het scheiden van kunststoffen. Tech-nisch is dit nogal gecompliceerd, waardoor het vaak op handmatige scheiding aankomt, maar er wordt grote vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van machinale scheidings-vormen. Het gevolg van de dure handmatige scheiding was dat veel folies e.d. tot balen werden geperst en werden getransporteerd naar “lagelonenlanden” voor handmatige sor-tering. De restfracties werden veelal verwerkt tot granulaten, die bijvoorbeeld als de be-kende “bermpaaltjes” een tweede leven tegemoet gingen. Inmiddels zijn de recyclingtechnieken zover voortgeschreden dat Nederland één van de koplopers op recyclinggebied is, zie figuur 3.3.67. De PVC regenpijpen, dakgoten en raamkozijnen, rioolbuizen, dakpanelen e.d. kunnen wor-den ingezameld en gerecycled. Het verbranden van PVC is GEEN goede optie vanwege de aanwezigheid van het chloor. Door selectief te slopen kan men PVC-raamkozijnen doorverkopen aan lagelonenlanden, zie fig. 3.3.68. Sinds 1997 zijn alle aanbieders van kunststof kozijnen wettelijk verplicht bij te dragen aan de recycling van gebruikte kunststof kozijnen. De Stichting Recycling VKG (SRVKG) coördineert de inzameling, het transport en de recycling van oude kunststof ko-zijnen in Nederland, zie fig. 3.3.69. Fig. 3.3.67 Recycling van kunststoffen.

117

Fig. 3.3.68 Selectief slopen en hergebruik van PVC-raamkozijnen. Fig. 3.3.69 Embleem van de Stichting Recycling SRVKG. Oude kunststof kozijnen uit sloop of renovatie dienen door de bouwpartijen te worden in-geleverd bij vaste én tijdelijke SRVKG-inzamelpunten (men plaatst dan containers op de projectlocatie). Na inzameling worden de kozijnen vervolgens getransporteerd voor ver-werking. De Stichting Recycling VKG keert een stimuleringspremie uit voor inzameling, transport en verwerking als de kozijnen worden behandeld conform het systeem van de stichting. De verwerking van de kozijnen wordt vervolgens gedaan door gespecialiseerde verwerkingsbedrijven. Daar worden ze vermalen tot kleine stukjes en gescheiden van rub-ber, metaal e.d., zie fig. 3.3.70 en 3.3.71. De gerecyclede kunststofkorrels gaan dan weer terug naar de raamkozijn fabrikant. Fig. 3.3.70 Verwerking oude kunststofkozijnen. (Uit Brochure Recycling Kunststof Kozij-

nen. 2005).

118

Fig. 3.3.71 Kunststof korrels voor verdere verwerking. Andere kunststoffen kunnen ook worden ingezameld en bijvoorbeeld versnipperd. Ther-moplasten kunnen gemengd worden met nieuwe thermoplasten en tot nieuwe producten worden gevormd (ze smelten immers). Het maalgoed (gerecyclede kunststof) en granulaat (nieuwe verse kunststofkorrels van de kunststofindustrie) van PE (polyetheen) en PP (po-lypropeen) heeft afmetingen 10-12 mm. De korrels moeten gedroogd worden bij bijvoor-beeld 60 oC omdat ze niet nat mogen zijn bij verdere verwerking: een druppel water resul-teert in een gasbel in het eindproduct. Fig. 3.3.72 geeft een voorbeeld van kunststofpaal-tjes vervaardigd uit secundair materiaal. Fig. 3.3.72 Voorbeelden van kunststofpaaltjes vervaardigd uit secundaire grondstoffen.

(Foto uit Magazine Recycling, nr. 5 sept. 2005). Problemen zijn er bij de composieten: Combinaties van kunststoffen met wapening, zoals glasvezels: zeer lastig te recyclen. Inzamelaars kiezen er regelmatig voor om de kunststof als afval te exporteren naar Duits-land voor hoogcalorische verbranding.