Syllabus ct1121 hoofdstuk 3
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

Syllabus ct1121 hoofdstuk 3

on

  • 2,107 views

 

Statistics

Views

Total Views
2,107
Views on SlideShare
1,963
Embed Views
144

Actions

Likes
0
Downloads
15
Comments
0

1 Embed 144

http://ocw.tudelft.nl 144

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Adobe PDF

Usage Rights

CC Attribution-NonCommercial-ShareAlike LicenseCC Attribution-NonCommercial-ShareAlike LicenseCC Attribution-NonCommercial-ShareAlike License

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

Syllabus ct1121 hoofdstuk 3 Syllabus ct1121 hoofdstuk 3 Document Transcript

  • 3 MATERIAALKUNDE3.1 InleidingBij het werken aan onze bebouwde omgeving maken we gebruik van een groot aantalbouwmaterialen, hetzij in korrelvorm dan wel vormgegeven tot een bepaalde vorm. Deingenieur rekent aan de constructies en de mechanica is een belangrijk onderdeel van hetter 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 eenmateriaal moet in de gebruikte waarden tot uitdrukking komen. Zo moet van beton bekendzijn 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 bijvoorbeeldde temperatuur-, druk- en vochtafhankelijkheid van de materiaaleigenschappen berekendkunnen 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 deinvloedsfactoren weergeven die voor de tijdsduur gelden waarin de constructie moetdienst doen. Dit geldt eveneens voor alle andere grootheden. De materiaalkunde moet dustrachten 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, kunnenworden gebouwd (hoger, slanker). Maar ook een minimalisatie in de milieubelasting vanhet 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, minderenergieverbruik 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 materiaalgedragHet opstellen van materiaalmodellen in de vorm van formules kan louter gebaseerd zijn opempirie; bijvoorbeeld de eigenschappen van hout worden bij verschillende vochtgehaltengemeten 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. 27
  • 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 materiaalmoet dan bovendien weer een nieuwe meetserie worden uitgevoerd.Een efficiëntere weg is de materiaalstructuur te bestuderen en te bezien of aan de handhiervan 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), envan de wetmatigheden, die het verband aangeven tussen de structuur en de waarden vande eigenschappen waar we gebruik van willen maken. Anderzijds moeten we weten hoedoor 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 IIsamenstelling en fabricageme- materiaalstructuur eigenschappen als sterkte, vervorming,thode waterkering, isolatieDe materiaalstructuur staat dus in de materiaalkunde centraal. De kennis ervan is niet vanbelang 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 materialenzoals 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 civieltechnicus, 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) ofanisotroop (in verschillende richtingen verschillende eigenschappen) is; dit slaat immersdirect 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. 28
  • 3.2 Mechanische, fysische en chemische aspecten3.2.1 Mechanische aspectenBouwmaterialen 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 bouwmateriaalof 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 eentrekproef waarbij aan het proefstuk getrokken wordt, zie fig. 3.2.1. Fig. 3.2.2 geeft eendrukbank weer waarbij een drukbelasting op het proefstuk wordt aangebracht.De trekproef en de begrippen spanning en rekHet resultaat van een trekproef op gewoon constructiestaal (dus waar we kolommen enbalken van maken) is weergegeven in fig. 3.2.3. De toegepaste belasting in Newton (N) isop de Y-as vermeld (Engels: load). De bij de belasting behorende verlenging in mm is opde 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. 29
  • In dit geval is een drukbank ge- tekend met een via oliedruk (p) aangestuurde zuiger waarbij een bepaalde belastingsnelheid kan Proefstuk worden ingesteld. We spreken hier van een “krachtgestuurde” drukbank. De opgebrachte druk- Cilinder met zuiger: de kracht is dus een vooraf inge- zuiger komt omhoog stelde functie van de tijd (je kunt tijdens de drukproef de oliedruk snel dan wel lang- door het inpompen van zaam laten toenemen). De in het olie 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. Belasting F (N) Verlenging L (mm) OFig. 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 metverschillende afmetingen. Het onderstaande plaatje, fig. 3.2.4, is voor een trekproef opeen legering van aluminium: 30
  • 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 omdatde proefstukken immers verschillende afmetingen hebben. Dit is op zich niet zo handig omde fundamentele eigenschap van het materiaal (de “trek-rek-stuk” eigenschappen van dealuminiumlegering) 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: kracht in N  N  spanning (stress) σ =  2  oorspronkelijke oppervlakte A o in mm 2  mm  N waarbij 1 N/mm 2 = 1 MPa met 1 Pa = 1 2 en 1 MPa = 106 Pa m A o = doorsnede bij de start van de trekproef.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 daaromspreken we bij de berekening van dergelijke spanningen over de normaalspanning σ.We transformeren vervolgens de verlenging van het proefstuk naar een rek en definiërende rek (Engels: strain) als: 31
  • ΔL mm  rek (strain) ε =  mm  dus ε is dimensieloos Lo  Ook gebruikt men wel de uitdrukking: ΔL rek ε = L0 x100% % met ΔL = verlenging en L o = oorspronkelijke lengte bij start trekproef.De rek is in de lengterichting van de staaf en men noemt deze rek de “specifieke rek”. Inde Engelstalige literatuur gebruikt men de naam “engineering strain”. Bij een drukproefspreekt men over “stuik” in plaats van rek.Uiteindelijk vinden we voor de aluminiumlegering fig. 3.2.5 en we noemen deze figuur hetσ-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 debreukrek 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 datbeslist niet het geval. De treksterkte van beton is ruwweg σdruk / 10.De breukrek en de treksterkteStaal dat in roodgloeiende toestand wordt gewalst tot de gewenste vorm, noemt menwarm 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 defiguur). 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 lineairelastisch (zie hieronder).Bij gewoon constructiestaal kan de breukrek oplopen tot 30%, dit in grote tegenstellingtot 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: Fmax σ trek = (N/mm 2 ) Ao met Fmax = maximale belasting (N). 32
  • In fig. 3.2.3 zal men bij belasten tot punt A een elastische vervorming vinden. Haalt mende 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 plastischedeformatie. 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: ΔL na breuk ε breuk = x 100% L0is het duidelijk dat deze uitkomst sterk afhangt van de meetlengte L0 omdat veel van deblijvende 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 staafvormenmet 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 ietsdunner worden, maar als de belasting wordt weggehaald zal de staaf weer de oorspronke-lijke dikte aannemen. Er geldt, zie ook fig. 3.2.7: εloodrecht op trekrichting = -.ε evenwijdig trekrichting met  = dwarscontractiecoëfficiëntVoor moeilijk samendrukbare materialen, zoals bitumen en kunststoffen wordt een waardevan ongeveer 0,5 gevonden. Zie ook tabel 3.2.1. 33
  • 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 - 0,5De elasticiteitsmodulus E (Engels: Young’s modulus)Voor lineair elastische materialen geldt een gedrag zoals in fig. 3.2.8. Het verband tussenspanning 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 gelijkaan die van een spanning, dus ook N/mm2. Belasten Ontlasten Lineair elastische vervorming volgens de wet van Hooke:  N   = E.  2   mm  of: d E = tg  = d αFig. 3.2.8 Lineair elastisch gedrag en de elasticiteitsmodulus E. 34
  • Voor staal vinden we Econstructiestaal = 210 GN/m2 = 2,1x105 N/mm2 en Eroestvast staal = 193GN/m2. Voor aluminium: Ealuminum = 72,5 GN/m2. Voor keramische producten vinden wewaarden 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 elastischevervormingscapaciteit). Bij beton is zoals vermeld de maximale vervorming onder druk(stuik) niet meer dan enkele promillen, de rekcapaciteit bij trekbelasting is nog een weiniglager! 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 meerom lineaire elasticiteit). De rek waarbij nog sprake is van elastische vervorming bij staal isongeveer 0,1%. Daar voorbij vervormt het metaal plastisch, dus blijvend. A OFig. 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 rechterfiguur. 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 dezogenaamde dynamische E-modulus die bepaald wordt via snelle belasting-trillingen (dusvia een dynamische meting). De verklaring is dat bij zeer snelle trillingen het materiaalgeen tijd heeft om de zogenaamde kruipvervorming te vertonen. Kruip is het verschijnseldat bij langdurige belasting er een extra vervorming in de loop van de tijd optreedt bo-venop de instantane elastische vervorming.Afschuiving, schuifspanning en glijdingsmodulus GAls de belasting evenwijdig aan het materiaaloppervlak aangrijpt, spreekt men van eenafschuifspanning. We definiëren i.h.a. de schuifspanning als zijnde een spanning in hetvlak van een bepaalde doorsnede en dan geldt (zie ook fig. 3.2.10): Fevenwijdig doorsnede æ N ÷ö τ= ç ç 2÷ ç mm ÷ A0 è ø 35
  • 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 dehoek γ (in radialen, dus [m/m]).Als het materiaal lineair elastisch is, geldt: æ ö τ = G.γ ç N ÷ ç 2÷ ç mm ÷ è ømet 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 dedwarscontractiecoëfficiënt: als je er twee kent, kan je de derde uitrekenen. Er geldt: E G= 2.(1+υ)De compressiemodulusBij 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 alshet materiaal in alle richtingen dezelfde eigenschappen heeft). Deze volumeveranderingvolgt uit: ΔV 3(1-2υ) =- .Δp V E met p = drukverhogingMen definieert de compressiemodulus K als: E Compressiemodulus K = 3.(1-2 ) 36
  • Als de dwarscontractiecoëfficiënt gelijk is aan 0,5 wordt K oneindig groot en dat betekentdat het materiaal dan onsamendrukbaar is.Voldoen onze definities van spanning en rek in het geval van extreemgrote vervormingen?De normaalspanningen en specifieke rekken zijn gebaseerd op de afmetingen van hetproefstuk bij de start van de belastingproef (Lo resp. Ao). In de civiele techniek is dit voorde meeste constructies een geoorloofde en nuttige werkwijze omdat Ao niet extreem zalveranderen 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 gelijkzijn. Bij onze civieltechnische constructies dimensioneer je de constructie op dergelijkekleine 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 ΔL 2L o - L o L ε= = = o =1 dus ε = 100% Lo Lo Lo 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: ΔL L /2-L o -L /2 ε= = o = o = -0,5 dus ε = -50% Lo Lo Lo 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 spanningenanders moeten definiëren. Men gaat dan over op de ware spanning (“true stress”) en deware rek (“true strain”): F σ waar = σ true = (N/mm2 ) A waar met F = kracht in N en A waar = de werkelijke doorsnede (in mm2 ) bij belasting F. 37
  • 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: kracht F ware spanning: σ w =  σ 0 (1+ε) ware doorsnede tijdens de proefFig. 3.2.11 geeft als voorbeeld het spanning-rek diagram van koper uitgedrukt in de warespanning en de ingenieursspanning. F true stress = σ waar = A werkelijk Fmax treksterkte σ trek = Ao F engineering stress σ = σ o = AoFig. 3.2.11 Spanning-rek curven voor koper.De “engineering strain” voldoet in wezen niet meer bij extreem grote rekken en daaromdefinieert men dan de “werkelijke rek” (true strain) η: L dL  L   L +ΔL  "ware" rek = η = ε w =  L0 L = ln   = ln  0  L0   L0   = ln(1+ε) ε = specifieke rekVraag 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: L dL  L  2L  "ware" rek op trek = η = ε w =  L0 L = ln   = ln  0  =  L0   L0  ln(2) = +0,693 of 69,3% L dL  L "ware" rek (op druk) = η = ε w = L L0 = ln   =  L0  L /2 ln  0  = ln(1/2) = -0,693 of -69,3%  L0  We zien nu dat wel geldt: |ηdruk| = ηtrek. 38
  • Bij het uitrekenen van constructies baseren we ons in het algemeen op vervormingen inde 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 gedragvan de materialen en daar geldt als formele definitie van de normaalspanning en de nor-maalkracht N (zie fig. 3.2.12): ΔFx σ x = lim ΔA ΔA 0 Normaalkracht op de totale staafdoorsnede N =  σ x dx AFig. 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.BuigingEen plank over een sloot buigt door als je er op gaat staan, zie fig. 3.2.13. L/2 P Q A BFig. 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 uitwendigmoment (kracht keer afstand) met het door de plankspanningen opgeroepen inwendigmoment 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 ditkoppel met de klok meedraait bij het staafdeel AC. Bij mechanicaberekeningen maken wegebruik van de hypothese van Bernouilli die stelt dat bij buiging vlakke doorsneden vlakblijven. Denk je in gedachten het rechterdeel van de plank weg, dan zullen er boven inhet linkerdeel van de plank horizontale drukspanningen heersen (de pijlen naar links) die 39
  • 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 moetzijn 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 nochlanger 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 puntvan 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. σ F 2 σ vloei = 250 N/mm ε Het ontstaan van een plas- tisch scharnierFig. 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. 40
  • (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 breukDit 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 eenlaag koolstof gehalte (< 0,25 %). Hoe meer koolstof aanwezig is hoe harder het staalwordt. Dit gaat echter wel ten koste van de taaiheid. Het koolstof in staal bij temperaturenonder 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 maarvan gietijzer. Hierin komt de overmaat aan koolstof voor als grafiet. Gietijzers zijn veelbrosser dan staal, maar makkelijker te smelten, vandaar de naam gietijzer.Gaat men het gewone constructiestaal (dat bij het verkrijgen van zijn vorm warm dusroodgloeiend bij ongeveer 1100 oC gewalst is) bij kamertemperatuur belasten tot voorbijde vloeigrens (zie B-C in fig. 3.2.3), dan vervormt men het blijvend: het staal wordt duspermanent 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 daneen diagram als fig. 3.2.3 maar dan met een scherpere overgang tussen het elastischegebied 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, ziefig. 3.2.16. 41
  • 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. toevallig aanwezig kerfje (inwendig danwel aan het oppervlak) Vlakke breuk, geen blijvende vervormingFig. 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). Onsgewone constructiestaal zal bij zeer lage temperaturen ook bros kunnen breken. Gebruikvoor onze constructies dus nooit een staalsoort die bros kan breken vlak bij het vriespuntmaar gebruik staalsoorten die pas bros kunnen gaan breken bij temperaturen lager danbijvoorbeeld -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 enzonder blijvende vervorming. 42
  • 3.2.2 Grootheden en enige fysische aspectenGrootheden, 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 schattenb. de materiaaleigenschappen kennenc. aan de hand van de belastingen de spanning- en rektoestanden in de constructie uit- rekenenBij 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 omspreidingen in sterkten. We hebben hier dus statistiek en kansberekening nodig om dezaak 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 toeleveranciersvan de noodzakelijke kennis en hulpmiddelen. De materiaaleigenschappen en de diversebelastingen 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 functievervullen, 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 fysischegrootheid en de eenheid waarin deze wordt uitgedrukt. We maken sinds 1960 gebruik vanhet 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 danook van afgeleide grootheden, zie tabel 3.2.4. 43
  • Bij de berekeningen kunnen zeer grote of juist zeer kleine getallen ontstaan. We gebruikenin dit geval voorvoegsels die een vermenigvuldigingsfactor betekenen, bijvoorbeeld deci,micro, etc. De regel is dat van decimale veelvouden gebruik wordt gemaakt, dus vanmachten van 10, bijvoorbeeld 2,8106 (zie tabel 3.2.5).Tabel 3.2.3 Overzicht van grondgrootheden en grondeenheden van het S.I. eenheden- stelsel. Symbool van Eenheid van Symbool van Grootheid Dimensie de grootheid de grootheid de eenheid Lengte 1 meter m [L] Massa m kilogram kg [M] Tijd t seconde s [T] Temperatuur T Kelvin K [] Elektrische stroom- I ampère A [I] sterkteHoeveelheid lichtsterk- I candela cd [I] te Vlakke hoek 1)  radiaal rad Ruimtehoek 1)  steradiaal sr [-] Hoeveelheid materie n mol mol 1) aanvullende grootheden.Tabel 3.2.4 Afgeleide eenheden. Eenheid van de Symbool van Grootheid Definitie afgeleide grootheid de eenheid 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 44
  • 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 10-24Afhankelijkheid van toestandsparameters:De materiaaleigenschappen zijn helaas niet altijd constant. Ze hangen bijvoorbeeld af vande temperatuur (zie bijvoorbeeld fig. 3.2.18 voor het gedrag van staal), de tijd (veroude-ring), vochtgehalte, belastinggeschiedenis, straling (bijvoorbeeld het “verschieten” vankleurpigmenten door UV-straling) en allerlei chemische en biologische invloeden. Zoalsvermeld bepalen we de eigenschappen via beproevingen, maar de meetuitkomst is vaaktoch afmetingafhankelijk ondanks het “normeren” naar spanningen en rekken. Dit speeltheel sterk bij de sterktebepaling van beton op kubussen dan wel cilinders. De uitkomst isvoor hetzelfde betonmengsel afhankelijk van de proefstukvorm, de proefstukafmetingenen 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 danwanneer 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. 500 400 300 200 100Fig. 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. 45
  • Thermische uitzettingDoor warmte-invloeden zullen de atomen in de materialen sneller gaan trillen waardoorhet 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 20,8Staal 12 Lood 29,4Beton 12 Glasvezel gewapende polyester 25 – 100zink 26,3 PVC 60 - 90Is 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, maarde binnenkant nog warm is. Er ontstaan dan trekspanningen in de buitenlaag, zie fig.3.2.19.Bij verhinderde vervorming door temperatuurverandering geldt voor de opgebouwdespanning: Δσ = -E.α.ΔT. 1 ΔL dε æ1 ö α= . = ç ÷ ç ÷ Lo ΔT dT çK ÷ è ø 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.WarmtetransportAls twee ruimten met verschillende temperaturen worden afgescheiden door een wand, zaler een warmtestroom plaatsvinden van de warme ruimte naar de koude volgens de relatie: ΔT éW ù warmtestroom q = -λ. ê 2ú Δx êm ú ë û éW ù warmtegeleidingscoëfficiënt = λ ê ú, êK.m ú ë û temperatuur T in (K) en dikte wand = Δx (m) 46
  • 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 diversematerialen. Het is duidelijk dat hoe massiever en dichter hem materiaal, des te beter dewarmte door het materiaal geleid wordt. De schuimmaterialen, materialen met een zeerlage dichtheid, geleiden de warmte niet goed omdat de combinatie van een wandenstelselmet (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 isolatieplaatmaterialentoegepast waarbij de wanden “dicht” zijn en de kern een schuimmateriaal is. In plaats vanvaste schuimen maakt men ook wel van vezelmateriaal gebruik, zoals glaswol en steenwolof natuurlijke vezels waar de combinatie van vezels en stilstaande lucht de warmtestroombelemmert.WarmtecapaciteitWarmte kan in een materiaal worden opgeslagen. In sommige gevallen genereert het ma-teriaal warmte, zoals bij verhardend beton waar de hydratatiereactie tussen cement enwater exotherm is. Als water condenseert in een capillair van een poreus materiaal, komter eveneens warmte vrij (de condensatiewarmte). De toename in temperatuur volgt uit: toegevoerde warmte of ontwikkelde warmte = ΔQ = c.ΔT (J/kg) æ J ÷ ö met c = soortelijke warmte ç ÷ ç K.kg ÷ en T in (K) ç è ÷ øHuizen in woestijngebieden met massieve zware muren zullen overdag binnen relatief koelblijven omdat ze veel energie absorberen en minder snel warm worden. S’-nachts als hetkoud 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 temperatuurheerst, 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. 47
  • Oppervlakte energieBij 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 debreukarbeid W = 2.Oppervlak.γ.Men noemt γ de oppervlakte energie of ook wel: oppervlaktespanning: éJ ù éNm ù éN ù γ = surface energy ê 2 ú = ê 2 ú= ê ú êm ú ë û êm ú ë û êm ú ë ûNeem 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 demeer naar binnen gelegen atomen het geval is. Men kan het ook zo formuleren dat deatomen 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 energieheeft dan het inwendige. De dimensie van de oppervlakte energie, (N/m), geeft aan dathet ook kan worden beschouwd als een lijnspanning: de oppervlaktespanning genaamd.AdsorptieGassen 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, maarkunnen deze bolvorm niet realiseren. Nu zien we in de praktijk dat steenachtige materialengemakkelijk met water bevochtigd kunnen worden. Vanuit het oogpunt van oppervlakteenergie 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 alstwee oppervlakken met elkaar in aanraking worden gebracht (ook van verschillende stof-fen), bijvoorbeeld tussen een vaste en een vloeibare component, er geldt dan: 48
  • γA + γB  γABDe binding en de continuïteit worden weer enigermate hersteld. Hiertoe is wel een zeergoed contact nodig tussen de componenten! Met een vloeistof lukt dat natuurlijk meestalbeter 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 geheleoppervlak 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 indringingHet verschijnsel dat water via de poriën van een materiaal naar binnen dringt, is zoalsvermeld veroorzaakt door de afname van de oppervlakte energie. De wateropzuiginghangt overigens sterk af van de grootte van de capillairen, in kleine capillairen kan het wa-ter veel hoger opstijgen dan in grote: 2γ h= r.ρ vloeistof .g h γ vaste stof = γ sv = γ vloeistof .cosθ + γ sl met γ vloeistof = γ lvFig. 3.2.23 Bevochtiging en capillaire opzuiging.Bij gekromde oppervlakken op het grensgebied van twee fasen (zoals bij luchtbelletjes inwater, waterdruppeltjes in lucht en de meniscus in het capillair van fig. 2.2.23), zal er altijdeen drukverschil optreden bij deze grensvlakken in het ene medium ten opzichte van hetandere 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: 49
  • 2γ water Δp = rHetzelfde geldt voor een waterdruppeltje in lucht: de oppervlaktespanning veroorzaakt eenoverdruk in het bolletje. Bij een zeepbel heeft men een buiten- en een binnenoppervlak endan geldt: 4γ water Δp = rHet binnendringen van water in een poreus bouwmateriaal kan men tegengaan door eenwaterafstotende vloeistof te impregeneren waardoor men de oppervlaktespanning van deporiën zodanig verandert dat water niet meer het oppervlak kan bevochtigen, dus nietmeer 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 zandmassaaanwezig zijn, zie fig. 3.2.24. De zogenaamde plastische krimp van betonspecie en dedroogkrimp 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 vochtCapillaire 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 deporiediameter, des te lager de dampdruk en dit betekent dat kleine poriën altijd als eerstemet 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 50
  • 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 omgevingsluchtzal altijd waterdamp bevatten, dus een bepaalde relatieve vochtigheid bezitten), zal altijdwater 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 vanhet 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 weldoor 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%. Ditbetekent 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 zijnmet 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 endit heeft weer te maken, zoals vermeld, met het effect dat boven een gekromd oppervlakeen lagere waterdampspanning ontstaat waardoor waterdamp naar dat oppervlak toewordt gedreven en daar condenseert. Tabel 3.2.7 geeft de relatieve verzadiginsdampdrukals functie van de porieafmeting en het “type” water dat men in een bepaalde porie aankan treffen. Op atomair niveau, dus bij uitzonderlijk kleine poriën, zal water nauwelijkskunnen ontsnappen, en daar spreekt men van kristalwater. Pas bij grote verhitting, zal ookhet 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: 51
  • V 2γcosθ mol Δp - . 1- = e r RT p 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 muurTlinks Trechts ¹ Tlinksplinks (bijvoorbeeld luchtdruk) p rechts (bijvoorbeeld luchtdruk) ¹ p linksplinks (bijvoorbeeld waterdampdruk) p rechts (bijvoorbeeld waterdampdruk) ¹ plinksclinks (bijvoorbeeld chloride concentratie) crechts (bijvoorbeeld chloride concentratie) ¹ clinksh links (bijvoorbeeld waterkolom hoogte) h rechts (bijvoorbeeld waterkolom hoogte) ¹ h links 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. 52
  • Bij waterdrukverschillen volgt het watertransport door de muur de wet van Darcy: Δh æm ÷ ö Q = -k hydraulisch . ç ÷ ç ÷ Δx çs ø è m3 Q = massa doorgestroomd water in m2 s Δh = verschil in waterkolom hoogte Δx = dikte muurMen spreekt ook wel over de “waterdoorstroomsnelheid” v in plaats van Q.De hydraulische permeabiliteit khydraulisch dient hier uitgedrukt te worden in m/s. Voor betonis de grootteorde voor k ongeveer 10-11 m/s.Wordt de waterdruk uitgedrukt in N/m2 dan geldt voor willekeurige vloeistoffen de formu-le: k intrinsiek dp æ m3 mö ÷ Q=- . ç ç 2 = ÷ ç çs.m ÷ ÷ η dx è sø k int rinsiek = permeabiliteitscoëfficiënt (m 2 ) æN ö p = druk ç 2 ÷ en x = richting drukverval met dx in m ç ÷ è ÷ çm ø æNs ö η = viscositeitscoëfficiënt van de doorstromende vloeistof ç 2 ÷ ç ÷ çm ÷ è ø ρ.g k hydraulisch = .k int rinsiek η æm ö ækg ö met g = 10 ç 2 ÷ en ρ = soortelijke massa vloeistof ç 3 ÷ ç ÷ ç ÷ çs ÷ è ø çm ÷ è øIn 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 bijvoorbeeldkleitypen waarbij grondwaterstroming alleen optreedt als een bepaalde waterdruk wordtoverschreden.Bij het bevochtigen van poreuze materialen zien we een sterkte wateropzuiging vanwegede capillaire onderdrukken die verband houden met vloeistofmeniscussen. Dit proces gaatveel 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 vanionen en moleculen veroorzaken. Hier gebruikt men bij stationaire processen de eerstewet van Fick en de in de formule optredende factor noemt men de diffusiecoëfficiënt D: 53
  • dc æ ö getransporteerde massa per oppervlakte en s = g = -D. ç kg ÷ ç 2 ÷ dx ç m .s ÷ è ø ækg ö c = concentratie van de gediffundeerde stof ç 3 ÷ ç ÷ è ÷ çm ø dc = concentratie gradiënt dx æm 2 ö D = diffusiecoëfficiënt ç ÷ ç ÷ ç s ÷ è ÷ ç øTabel 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 - 20pleisterlagen 1,5 – 2,5 bitumenvilt 0,075beton 0,8 - 1 aluminiumfolie 0,0002lichtgewicht beton met poreu- 5 dakbedekkingfolie 0,0002ze toeslagmaterialenschuimbeton 3,6 – 4,2 houtwol platen 3,6 – 4,2stationaire lucht 25Vraag 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. 54
  • 3.2.3 Enige chemische aspectenDeze paragraaf is bedoeld voor studenten die hun scheikundekennis willen opfrissen enkan 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 datvan zuurstof, dus: 2x1 + 16 = 18 en dat betekent dat 1 mol water een massa heeft van 18gram. 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 modernereinzichten: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: [H 3O +][OH -] K= = evenwichtsconstante [H 2O]2Men stelt: Kw = K [H2O]2 = 1x10-14 bij 25 C. De teksthaken geven molaire concentratiesweer (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 vanwater 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 basischeoplossing. 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”. 55
  • - 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: 56
  • 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: 57
  • Men+ + ne-  Me 2H+ + 2e-  H2 O2 + 4H+ + 4e-  2H2O O2 +2H2O + 2e-  2(OH)-CorrosieIn 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 oxidatiereactieMe → Men+ + ne-Het kation Men+ verdwijnt in het water en de elektronen gaan door het metaalroosterheen naar een plek aan het oppervlak van het metaal waar ze in een reductiereactie wor-den “geconsumeerd”.Reactie 2: de reductiereactieVoorbeeld 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 eenneutraal 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 dathet 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?). 58
  • 3.3 Enige bouwmaterialen (van de wieg tot het graf)3.3.1 De materiaalketen. Van materiaal tot materiaal: RecyclingBelangrijke constructiematerialen zijn staal, beton en betonwaren, bakstenen, asfalt enhout. 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 alsdakbekledingsmateriaal evenals kunststoffen en bitumina. Aluminium is in opkomst alsconstructiemateriaal en gevelbekleding. Materiaalcombinaties, bijvoorbeeld als sandwich-panelen bij gevels worden veelvuldig toegepast.Bij de productie van materialen maakt men gebruik van ruwe grondstoffen, men heeftenergiedragers 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 tegenwoordigwordt dit soort afval veelvuldig in de productieketen van bouwmateriaal teruggebracht. Bijde sloop van het gebouw ontstaat sloopafval. Ruwweg gaat het om 16.106 ton bouw- ensloopafval per jaar in Nederland. Een kwart hiervan is bouwafval. Ter vergelijking: Hethuishoudelijk afval is jaarlijks ruwweg 5,5x106 ton. Fig. 3.3.1 geeft de samenstelling vanhet bouw- en sloopafval en fig. 3.3.2 geeft de herkomst van dit afval. Na verwerking vansorteerders en puinbrekers kan veel van dit materiaal weer hergebruikt worden in debouwketen. metselwerk 26% beton 42% asfalt 20% niet-steenachtig div puin ers BSA 6% 6%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 enzo veel mogelijk afval opnieuw terug te brengen in de keten. Zie fig. 3.3.3. 59
  • woningbouw 25% grond-, weg- en waterbouw 35% utiliteitsbouw 40%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 moetennemen. Een voorbeeld is het stortverbod dat in is gegaan in 1997 voor herbruikbaarbouw- en sloopafval. Een instrument is hierbij de verhoging van de prijs die men moetbetalen 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 toekomstminder wegen worden gebouwd, moet men toch andere markten aanboren. Fig. 3.3.4 laatde afzetgebieden van gerecycled bouwpuin zien. Door het hergebruik van bouw- ensloopafval neemt de behoefte aan te delven grondstoffen af. Fig. 3.3.5 laat de besparingzien op toepassing van nieuwe grondstoffen vanwege de toepassing van gerecycledbouwpuin. De besparing is het grootst op ophoogzand, een materiaal waar in Nederlandechter geen schaarste aan is. De overheid voert een beleid om ons landschap te sparenen dat houdt in dat men niet te veel nieuwe zandputten wil. De overheid wil ook een remzetten op nieuwe grindputten en men hoopt dat in 2015 de besparing op natuurgrind isopgelopen tot 7,5.106 ton. 60
  • stortsteen 4% funderingen 49% beton 20% ophogingen 27%Fig. 3.3.4 De afzet van gerecycled bouwpuin. kalksteen; 0,1 ophoogzand; 15,4 grind; 4 betonzand; 1 stortsteen; 0,5Fig. 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 erminder sprake zal zijn van “down grading”.Bij het “terugrecyclen” in de eigen materiaalketen zullen de materialen een tweede, derdeen volgende keer gebruikt worden. Bij staal en aluminium gebeurt dit altijd al maar voorbeton kan dit problemen opleveren (verdere vergruizing). Bij PET-flessen is recycling zeerlastig omdat er zeer hoge eisen aan de grondstoffen gesteld moeten worden. Een zeerkleine verontreiniging leidt al tot het falen van de fles. 61
  • 3.3.2 MetaallegeringenIn de bouw worden staal, aluminiumlegeringen, lood, koper en zink veelvuldig toegepast.De laatste jaren verschijnt het zeer duurzame, sterke maar ook dure titanium op demarkt. Het voordeel van titanium, koper, lood, aluminium en zink is dat deze metalen minof meer bestand zijn tegen een niet te extreem vervuild buitenklimaat. Ze hoeven dus nietgeschilderd of gecoat te worden. Er zijn echter vele aluminiumproducten op de markt meteen 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 zeontdaan moeten worden van verontreinigingen zoals zwavel. Aluminium komt in de vormvan bauxiet in grotere hoeveelheden voor dan ijzererts maar is moeilijker te reducerendan ijzer, zie fig. 3.3.6. Daarom is het vrijmaken van aluminium eeuwen later ontwikkelddan 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. Vergelijking 100 t.o.v. staal- 90 80 productie 70 60 50 40 30 20 10 0 e m r l m od t in k l aa pe ke ig zin siu iu lo er st ko k in ni ne ov um ag al mFig. 3.3.7 De productie van metalen. 62
  • 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 gebruikvan maakt. Metalen zijn goed in staat om warmte en elektriciteit te geleiden en hebbeneen min of meer glimmend uiterlijk vanwege vrije elektronen die door het kristalsysteemkunnen bewegen. Deze vrije elektronen zijn er de oorzaak van dat het materiaal nietdoorzichtig kan zijn. Veel metaallegeringen zijn sterk en taai, maar soms kunnen metalentoch bros breken. De soortelijke massa varieert van metaal tot metaal. Staal heeft eendichtheid van ongeveer 7870 kg/m3. Aluminium van 2700 kg/m3. Men maakt soms welonderscheid tussen zware metalen met een hoge soortelijke massa en lichte metalen meteen 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 gramvan het zware metaal ijzer in zijn bloed nodig voor zijn zuurstofhuishouding. Wij kunnendus absoluut niet zonder het “zware metaal” ijzer. In de metaalindustrie hanteert men eengrijze lijst van metallische en niet-metallische potentieel gevaarlijke elementen en eenzwarte lijst van elementen die zeer gevaarlijk zijn voor onze gezondheid.We onderscheiden ijzerlegeringen zoals staal en gietijzers en niet-ijzerlegeringen zoalsaluminium, koper, enz. Zie fig. 3.3.8 en 3.3.9.Fig. 3.3.8 IJzerlegeringen. 63
  • Fig. 3.3.9 Niet-ijzerlegeringen.Een belangrijke eigenschap van vele metalen is dat ze gelast en/of gesoldeerd kunnenworden. Andere verbindingsmogelijkheden zijn bouten, klinken en lijmen.StaalGrondstoffen 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 isdan ook hoog.Grondstoffen voor de productie van ruwijzer zijn (zie fig. 3.3.10) ijzererts, steenkool, datwordt omgewerkt tot kooks (ook wel: “cokes” genoemd), en kalk. Fig. 3.3.11 geeft eenoverzicht van de hoogovenprocessen.Fig. 3.3.10 De grondstofbehoefte van staal. 64
  • Fig. 3.3.11 De hoogoven.In de kooksfabriek wordt eerst de steenkool gemalen en vervolgens wordt uit steenkoolkooks 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 endat 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 vanijzercarbonaat, maar die moeten eerst geoxideerd worden voor ze bruikbaar zijn in hethoogovenproces. 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, waarbijde zwavel wordt omgezet in SO2. Tegenwoordig is het aanbod van stoferts groter dan vangroferts. Om grotere gasdoorlatendheid in de hoogoven te krijgen, kunnen zeer fijne ert-sen door pelletiseren tot grote hard gebakken knikkers gegranuleerd worden. Dit gebeurtin 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 samenmet 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 ovenheerst 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. Inmoderne fabrieken levert de energiecentrale elektriciteit via het opwekken van stoom énde hete lucht voor de poederkoolinjectie. Een deel van de brandstof van de centrale is COafkomstig van de hoogovengassen. 65
  • 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 staalfabriek11) en 12) hoogovenslak als grondstof voor cementproductie en toeslagmateriaalFig. 3.3.12 Productieproces van ruwijzer.In de hoogoven verbrandt het kooks en wordt vergast tot CO en CO2 onder ontwikkelingvan grote hitte; van boven in de oven tot de bodem stijgt de temperatuur. Het gevormdegasmengsel bereikt een temperatuur van ongeveer 1800 oC terwijl het in de oven naarboven stijgt en bestaat voor 65% uit N2 en voor 33% uit CO. Door de hoge temperatuursmelt het ijzeroxide en vindt er reductie plaats van ijzer in een aantal stappen:3Fe2O3 (hematiet) + CO  2Fe3O4 (magnetiet) + CO2, boven in de oven bij temperaturentussen 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 dekookslading omlaag maar wordt daarbij verzadigd met koolstof omdat bij deze hoge tem-peraturen koolstof gemakkelijk in het ijzer kan diffunderen. Het koolstofgehalte neemt toetot ongeveer 4,3%. Het smeltpunt is nu het laagst, namelijk 1150 oC. Fig. 3.3.13 laat zienwat 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 zakkenals 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. 3.3.14laat een elektronenmicroscopische opname van de slak zien. 66
  • 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 vanzwavel uit het ruwijzer gebeurt met magnesium. De globale samenstelling van ruwijzer enconstructiestaal is weergegeven in tabel 3.3.1.Vervolgens wordt een deel van het ruwijzer verder geraffineerd tot gietijzer maar hetgrootste 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 hetruwijzer 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 wordtgeblazen. 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 67
  • 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%).Element Ruwijzer Gietijzer ConstructiestaalC 4 2,5 - 3,75 ̴ 0,12Mn 1,5 0,1 - 1 0,4P 0,4 0,3 - 1,5 0,02S 0.05 0,05 0,02Si 1 0,25 – 3 0,004Fig. 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 heterwordt en het schroot kan smelten. Dit moet ook wel omdat het smeltpunt van ijzer stijgtals er minder koolstof in het ijzer aanwezig is. Men is in staat om het staalproces nauw- 68
  • keurig te sturen (de temperaturen liggen tussen 1640 oC en 1690 oC) en men kan staal-soorten met verschillende koolstofgehalten produceren (instelling binnen enkelehonderdsten van procenten). Ons gewone constructiestaal heeft een koolstofgehalte in debuurt van 0,2%.Tijdens het staalbereidingproces zal een deel van het zuurstof in het staalbad oplossen totsoms 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 zuurstofbinderszoals 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 voldoenaan 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) uitlogenen daardoor de pH van stilstaand water sterk doen stijgen, tot een waarde die te hoog isvoor vijvers en sloten.Fig. 3.3.16 (rechts) laat een moderne vacuüminstallatie zien waarbij door het vacuüm hetovertollige 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 destaal- 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 totplaat, profiel e.d.) weer moesten worden verhit tot roodgloeiende toestand, zie fig. 3.3.18rechts. Tegenwoordig verlaat het staal de fabriek in een vorm die zo dicht mogelijk bij dievan 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 energiebehoeftegedaald met ongeveer 60%. De bewerkingen van halffabrikaten tot bouwdeel, zoals bo-ren, ponsen, koudvervormen, autogeen snijden en lassen, vergen in verhouding tot deproductie van nieuw staal een te verwaarlozen hoeveelheid energie. 69
  • 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 wordtteruggewonnen uit bouw- en sloopafval wordt nagenoeg geheel gerecycled. In de loopder jaren is de uitstoot van vervuilende stoffen aanzienlijk afgenomen. Fig. 3.3.19 geefteen 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 ofmeer glasachtige bolletjes met afmetingen tot 0,1 mm waarbij aluminium/siliciumoxidende hoofdbestanddelen zijn. De vliegas wordt afgezet bij de cementindustrie, evenals hetvliegas dat door onze landelijke elektriciteitscentrales wordt geproduceerd. Het hoogoven-gas dat niet nodig is voor eigen elektriciteitsvoorziening wordt afgezet bij de landelijkeelektriciteitsproductie. 70
  • Gezondheids- problemen Submicron aërosol deel- tjes (fijn stof) Klimaatopwarming Smelten van SO2 uitstoot ertsen Schade aan bomen en gewassen Verzuring Verzuring van ons op- pervlaktewater Corrosie van metalenFig. 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 (alsophoog- 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 uitstootmoeten opleveren in de toekomst.Staal zelf heeft een buitengewoon hoge recyclinggraad (>90%). 71
  • 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- engevelpaneel, raamkozijnen en deuren.Fig. 3.3.21 Wereldjaarproductie van aluminium.Grondstoffen voor de productie van aluminium zijn bauxiet, natronloog (caustic soda) enkalk, 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 vanbauxiet is ruwweg: - 50 tot 60% aluinaarde Al2O3 - 28% Fe2O3 - 5% SiO2Uitgaande van de huidige productie van aluminium is de vooraard van bauxiet voldoendevoor 1250 jaar aluminiumproductie. Voor de productie van 1000 kg aluminium is 4600 kgbauxiet 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 vooreen productie van 15.109 kg aluminium bedraagt 3,5 km2 tropisch regenwoud per jaar. Dejaarlijkse behoefte aan terrein voor de opslag van restproducten bedraagt echter 25 km2.Die restproducten moeten ongeveer 10 jaar “rijpen” voor ze gebruikt kunnen worden alsophoogmateriaal e.d., zie hieronder. 72
  • De productie van aluminium:Het bauxiet wordt in het zogenaamde Bayerproces gezuiverd tot aluinaarde Al2O3. Hierbijwordt 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 dehelft van het bauxiet is bruikbaar en de rest is moeilijk hanteerbaar afval: de zogenaamdered 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 dooreen 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 vaneen mengsel van Al2O3 en het fluoridenzout kryoliet (Na3AlF6) bedraagt 950 - 1000 oC, dusin 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 elektrischvrijgemaakt uit het oxide. Het gesmolten aluminium wordt regelmatig uit de ovens gezo-gen en in grote voorraadovens verzameld. De zuurstof die vrijkomt bij het reductieprocesreageert 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 voorhet energiegebruik. De stromen liggen tussen 100 kA en 300 kA. (Als voorbeeld: CorusAldel in Delfzijl heeft 348 ovens opgesteld in vier lange rijen van bijna 1 km lengte). Uit1,9 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 coderingvan 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. 73
  • 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 afsluitendlaagje oxide.Vloeibaar aluminium met waterdamp ontwikkelt waterstofgas:2Al + 3H2O  Al2O3 + 3H2↑Aluminiumpoeder in een verhardende cementmortel ontwikkelt ook waterstofgas en mennoemt 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 carbonatieplaatsvindt (omzetting met CO2 uit de lucht) waarbij het restant van NaOH geneutraliseerdwordt 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 bijeen veel lagere temperatuur dan staal. Hierdoor kost recycling minder energie dan bijstaal. Ruwweg wordt inmiddels 94% van de aluminiumlegeringen gerecycled. 74
  • 3.3.3 Cement en betonWat 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 tetransporteren 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, gemalentras, gecalcineerde metakaoliniet (een klei), zeer fijn gemalen gegranuleerde hoogoven-slakkenmeel, gacalcineerde gemalen leisteen en/of micro silica. Micro silica (ook wel silicafume 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 Nederlandzijn 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 inde nabijheid van rivieren opgebaggerd. Ook wordt wel gebroken steenslag toegepast endat is meestal afkomstig uit België en Duitsland, waarbij het vaak om kalksteen gaat. Onsrivierzand en -grind is meestal afkomstig van silicaatgesteente. In toenemende matewordt gewassen zeegrind toegepast (dit vanwege de toenemende prijs van ons rivier-grind).Ook wordt in beperkte mate gerecycled betongranulaat toegepast als grove fractie. Menpast 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 metwater 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. 75
  • - 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 tekrijgen en het luchtgehalte bedraagt na trillen ongeveer 1 – 2%. Een nieuw type beton iszelfverdichtend beton dat niet getrild hoeft te worden en zelfuitvloeiend is. Dit beton bevatmeer fijn poeder dan gewoon beton en kan niet zonder superplastificeerders gemaaktworden.Verhard beton kan wel drukspanningen opnemen maar de treksterkte is een factor tienkleiner dan de druksterkte, (zie fig. 3.3.29). Om in constructiedelen toch trekkrachten opte kunnen nemen past men meestal betonstaal toe (het gewapende beton). Men voegtook 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 kunnenminder 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 cementindustrieheeft de voorkeur aan vliegas met een onverbrand koolgehalte dat groter is dan devliegas 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 denog aanwezige koolstof (bedenk dat vliegas ontstaat bij het verbranden van poederkool ineen 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 kunnenworden toegepast, dit hangt mede af van de locatie van de cementfabriek. Uiteraard is devoorwaarde 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. Ditbetekent 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 deoven 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 eenbepaalde helling staan) gebrand waarna de Portlandklinker ontstaat na een min of meersnelle 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 oventerecht komen. De natrium en de kalium (ook al komen ze in veel kleinere hoeveelhedenvoor 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. 76
  • De Portlandklinker wordt gemalen tezamen met gips (CaSO4.2H2O). Het gips moet wordentoegevoegd 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 klinkerterecht 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 enmen 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 derelatieve hoeveelheden CO2-uitstoot zien per bedrijfsproces. Het enorme aandeel van dekalkontleding en de verbranding van brandstoffen in de cementoven is duidelijk. Menheeft uitgerekend dat de cementproductie voor 5% bijdraagt aan de jaarlijkse uitstoot vanCO2 in de gehele wereld. verbranding ovenbrandstoffen 40% transport activiteiten 50% verbranding brandstoffen voor elektriciteitsopwekking conversie kalksteen naar CaO 5% 5%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 vankalksteen (mergel) gebeurt nadat met explosieven de grond is opgeblazen waarna metenorme vrachtwagens de brokstukken naar de cementfabriek worden vervoerd. Daarwordt de kalksteen plus andere ruwe grondstoffen fijngemalen en gemengd. Nadat dePortlandklinker de cementoven verlaten heeft, wordt deze tezamen met gips en eventueelvliegas 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 fabriekshallenzoveel 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 tegenstofbelasting aangekeken en dit dwingt de maatschappij en de industrie om de efficiëntievan het afvangen van stof te verhogen.Hoogovencement wordt vervaardigd door het tezamen malen van Portlandklinker, gegra-nuleerde hoogovenslak en anhydriet (CaSO4). Gegranuleerde fijn gemalen hoogovenslakheeft latent hydraulische eigenschappen. De cementerende reactie komt met water enkalk 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 Portlandklinkermet water, een reactie die sneller verloopt dan de latent hydraulische reactie van dehoogovenslak. Een hoogovencement kan tot 70% hoogovenslak bevatten en ongeveer27% 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. 77
  • Portlandvliegascement is een cement waarbij de Portlandklinker tegelijk met uitgeselec-teerde fijne vliegassen wordt gemalen (ongeveer 20% vliegas en 75% Portlandklinker, derest is gips CaSO4.2H2O). Vliegas van antracietkolen is puzzolaan, dat wil zeggen dat hettezamen met kalk en water cementerende eigenschappen heeft, maar niet zo sterk alsgegranuleerde hoogovenslak of micro silica. De kalk die daarvoor nodig is ontstaat weerbij 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 betonDe toepassingen van beton zijn velerlei: de bouw, de grond-, weg- en waterbouw, deagrarische sector, als kunstwerk gemaakt door kunstenaars (bruggen en viaducten vanbeton noemt men in de civiele techniek ook kunstwerken). De kracht van beton is zijnmogelijkheid 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 eengroot druksterktebereik gemaakt worden, van lage sterkte voor “huis, tuin en keukentoe-passingen”) tot zeer hoge druksterkte-beton van 150 MPa en hoger (voor wolkenkrabbersen grote overspanningen, damwanden e.d.). Via toevoegingen van hulpstoffen kan mentoepassingen 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 dehelft in de prefabindustrie (betonelementen, betonstenen, betonbuizen e.d.) en de rest inde gietbouw (ter plaatse gestort beton).De totale hoeveelheden grind als grove toeslag in beton is weergegeven in fig. 3.3.27. Defiguur laat zien dat de grindwinning de laatste jaren afneemt waardoor bij toenemendevraag 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 zalde teruggang in verwerkbaarheideigenschappen en betonsterkte niet groot zijn, (het gere-cyclede toeslagmateriaal is poreuzer, hoekiger en minder sterk dan het riviergrind). 78
  • 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. Delaatste drie ontstaan bij de recycling van sloopafval. Met de moderne brekerinstallaties iser geen verschil meer tussen brekerzeefzand en recyclingbrekerzand. Jaarlijks wordt20.106 kg zand toegepast in de betonindustrie maar dit is een factor drie minder dan dehoeveelheid 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- enimportstromen. De reden is dat niet al het gewonnen rivierzand zomaar geschikt is om inbeton 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 nietvreemd dat de betoncentrales aan kanalen liggen. Veel centrales gebruiken dit kanaalwa-ter tevens als aanmaakwater (als dit water aan een aantal minimumeisen voldoet en hetbetreffende waterschap hier toestemming voor verleent). De grondstoffen worden vanuitvoorraadbunkers automatisch afgewogen en in een menginstallatie in korte tijd (ongeveer1 minuut) gemengd tot een homogene betonspecie. De betonspecie wordt vervolgens inde trucmixer gestort die het beton op het werk aflevert. Geavanceerde software pro- 79
  • 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 trekBeton 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 staalwapeningtoe 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 testeiler, dus des te hoger is de E-modulus. Deze is ruwweg 3x104 MPa (voor een goedesterke betonsoort). L  stuik   druk = x 1000 (o / oo ) LoFig. 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). P Fstaal = σstaal .A staal Fstaal = ò A drukzone beton σ druk beton dA drukzone beton Q A B Fig. 3.3.30 Een betonnen balkje met staalwapening.RecyclingProductieafval bij betonfabricage wordt weer in het productieproces ingevoerd. Spoelwa-ter wordt eveneens weer als aanmaakwater toegepast. Bij de sloop van gebouwen wordt 80
  • het gebroken beton van staalwapening ontdaan en het betonpuin wordt afgevoerd naarde breker (waar je een “gate fee” moet betalen om het af te kunnen leveren). Gemengdslooppuin gaat eerst naar de sorteerder, geselecteerd slooppuin kan rechtstreeks naar debreker. De breker breekt het puin en produceert betongranulaat, menggranulaat en zeef-zanden. Slechts een klein deel wordt door de breker verkocht aan de betonindustrie. Degrootste afnemers zijn de grond- weg- en waterbouwaannemers. Gezien het feit dat ereen groot aantal onafhankelijke brekers in Nederland zijn, kan men niet een te hoge gatefee vragen en een te hoge verkoopprijs. Is het puin te veel verontreinigd, dan moet hetgestort worden. In verband met het “stortverbod” moet, zoals al vermeld, bij de poort vande deponie een gate fee worden betaald die het dumpen extra onaantrekkelijk maakt: hetkost de breker en de sloper geld.De toepassingsgraad van betongranulaat is licht stijgende, die van secundair zand looptechter 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 tegecompliceerder het mengselontwerp en de software die alles moet regelen. Bovendien ismen niet zeker van het gedrag van een dergelijk beton op de lange duur en men wil geenruzie met de klant krijgen over de geleverde kwaliteit van het beton. Een ander aspect isdat 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 slopersdie selectief slopen en die een groot sloopwerk hebben dicht bij de betoncentrale. Ookvindt 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. Asbestmag absoluut niet meer voorkomen in het slooppuin (zie het hoofdstuk over slopen) engips kan aanleiding geven tot schadelijke expansieve reacties in verhard beton. (Noot: Hetbij de cementproductie meegemalen gips is net voldoende om het beton een bepaaldedormante periode te geven). Gips moet dus selectief verwijderd worden voordat de con-structie gesloopt wordt. 81
  • 3.3.4 Baksteen & metselwerk, kalkzandsteen, cellenbeton en gipsA) De productie van bakstenenVoor bakstenen is klei nodig, zand en energie om de natte klei te drogen en de gedroogdekleivormen te bakken tot het gewenste eindproduct. Bakstenen werden al meer dan 5000jaar geleden in Mesopotamië, Egypte en de Indusvallei uit klei gebakken. Voor een goedeverwerkbaarheid 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 beschikbaarheidvan 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 zeergevarieerde samenstelling en het zoutgehalte. 8% 2% klei krijt, mergel, chamotte zand 90%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). 82
  • In het jaar 2004 waren er in Nederland nog 44 baksteenfabrieken over met een jaarlijkseproductie 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 200waren dat er nog ongeveer 1200. De baksteenindustrie is veranderd van een arbeidsin-tensieve seizoensmatige industrie in een kapitaalintensieve, procesmatige. 141 296 252 straatbaksteen handvorm metselsteen vormbak metselsteen strengpers metselsteen 710Fig. 3.3.33 Jaarproductie in 106 aantallen stenen in Nederland.Zeventien procent van de jaarproductie wordt uitgevoerd, (voor 60% naar Duitsland en15% naar België) terwijl 130.106 stenen jaarlijks worden ingevoerd (voor 80% uit Belgiëen 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, ookwel halflingen genoemd) in een droogtunnel versneld gedroogd tot een vochtgehalte vanongeveer 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- 83
  • ding) bakstenen gemaakt worden. De belangrijkste is de gewone metselsteen van hetWaalformaat.Fig. 3.3.35 Productie bakstenen (Bron: Koninklijk Verbond van Nederlandse Baksteen- fabriekanten KNB. Via: www.knb-bakstenen.nl).De kleiwinningDe kleideposities langs de rivieren zijn uitgestrekt maar komen meestal voor in lagen vanniet meer dan twee meter. De winning is volgens de fabriekanten kleinschalig waardoorhet landschap niet extreem wordt aangetast, maar belangengroepen denken daar somsanders 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. Indat depot slaat men in horizontale lagen verschillende kleisoorten op, zie fig. 3.3.37. Doorhet vertikaal afgraven wordt de menging verbeterd. De klei wordt vaak voor een langeretermijn 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 wordeningericht (vaak voor landbouw en veeteelt). Een alternatief voor de klei is Euroklei ge- 84
  • maakt uit niet-verontreinigde baggerspecie. Een mengverhouding van 75% natuurklei +25% Euroklei geeft goede resultaten. a) Limburgse klei b) b) LeemFig. 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). 85
  • Na afgraven na de opslag moet de klei gekneed en gemengd worden tot een homogeneplastische grondstof. Een extreem voorbeeld is klei die geschikt is gemaakt voor destrengpers, 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 geelkleuringtijdens het bakken bevorderd. Mangaan (in bruinsteen) geeft donkere stenen. Zand en fijngebroken gesteenten zijn “verschralers” die het drooggedrag van de groene steen bevor-deren. De juiste consistentie wordt verkregen via stoombehandeling en/of toevoeging vanwater: 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 bakwaarbij kneedarmen de klei door de zeefwand van de bak persen). Kleikluiten worden hierverkleind en wortels van planten e.d. worden tegengehouden. Moderne mengers zijn dekollerwals en de kollergang. Bij de kollergang draaien twee zware walsen rond over eenzeefplaat. Hierdoor wordt de klei over de zeefplaat gewreven en door de zeef gedrukt.De verschillende vormmethodenEr bestaan drie verschillende vormmethoden: de vormbak, de handvormmethode (hand-matig dan wel machinaal) en de strengpersmethode. Men is daardoor in staat om stenenmet verschillend uiterlijk en verschillende afmetingen op de markt te brengen.Bij de vormbaksteen bezandt men de vormbakken met zand en vult ze dan machinaal metklei. De bakken worden ter leging omgekeerd en de groene steen heeft een strak, bezanduiterlijk.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. Eensnijmachine snijdt de kleistreng vervolgens af tot groene stenen. Door deze aanpak is menin staat om holle stenen of stenen met diverse openingen te maken. De buitenkant van desteen is glad en kantig. Men kan via narollen een patroon in de zijkant persen, maar dat isaltijd regelmatiger dan dat bij de handvormstenen. Fig. 3.3.39 laat de strengperssteenfabricage zien en fig. 3.3.40 geeft een paar steensoorten. 86
  • 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 KeiformaatFig. 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, hetstandaard waalformaat (220x110x60 mm), het standaard dikformaat (220x110x75 mm)en het standaard F5-formaat (240x120x67 mm). 87
  • Het drogen van de groene steenDe groene steen bevat tussen de 20% en 30% aan water en moet gedroogd wordenvoordat hij gebakken kan worden omdat anders het water gaat stomen en de steen kanexploderen. Tijdens het drogen treedt droogkrimp op. Een uitgekiend droogproces moetscheurvorming van de steen voorkomen. De benodigde warmte haalt men uit koelluchtvan 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 grotermoeten maken dan het product dat uit de oven komt na drogen en bakken. Fig. 3.3.41geeft het mechanisme van het drogen van de klei en de volumeveranderingen. a) Droge toestand (kleideeltjes en positieve ionen) b) Plastische toestand c) Vloeibare toestandFig. 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 groenesteen.Fig. 3.3.42 De microstructuur van een groene steen (REM-opname).Het bakken van de steenIn 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 steenvocht opnemen en zwellen en sterkte verliezen. Door het bakken bij temperaturen tussen1000 oC en 1200 oC verkrijgt men de stenen die gedurende duizenden jaren hun waarde 88
  • bewezen hebben. De steen moet in de oven langzaam opgewarmd worden en mag ookniet te snel afkoelen om scheurvorming te voorkomen. Bij te hoge stooktemperatuur smeltde 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 keuzevan 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 vrijdicht 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 omde 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 dekwartssprong waarbij de kristalstructuur van SiO2 wordt omgezet in een met een grotervolume. Bij verder verhitten is de vormeling hierdoor scheurgevoelig. Het omgekeerdeproces treedt op bij afkoelen, maar nu is de steen reeds “afgebakken” en te snel afkoelenkan ook tot scheurvorming leiden.Tijdens het bakproces vinden diverse chemische omzettingen plaats waarbij sommigecomponenten van de klei smelten waardoor de kleikorrels aan elkaar gekit zullen wordenbij het uiteindelijke sinterproces. Hierbij treedt bakkrimp op. Fig. 3.3.44 laat een elektro-nenmicroscopische opname van de structuur van gebakken steen zien. 89
  • a) 150x b) 1000xFig. 3.3.44 Rasterelektronen microscopische opname van gebakken steen.Enige eigenschappen van bakstenenTabel 3.3.2 geeft enige eigenschappen van baksteenkwaliteiten.Tabel 3.3.2 Eigenschappen baksteenkwaliteiten.Kwaliteit Dicht- Warmtege- Soortelij- Uitzettings- E-modulus Krimp bij heid leidingscoëf- ke coëfficiënt (N/mm2) droging (kg/m3) ficiënt warmte (1/K) van nat (W/(m.K) (J/(kg.K) naar droog (o/oo)Hard (gevel- 2100 0,80 840 (5 à 7).10-6 (5 à 10).103 0,05 à 0,2klinkers)Hardgrauw 1900 0,70 840 (5 à 7).10-6 (4 à 8).103 0,15 à 0,3Zacht 1300 à 0,46 à 0,65 840 (5 à 7).10-6 (1 à 7).103 0,15 à 0,3(rood) 1700Voor metselbakstenen gelden de volgende normen:NEN-EN 772-2/-3/-7/-9BRL 1007-96Naar toepassing worden drie hoofdgroepen onderscheiden:A binnenmuursteenB buitenmuursteenC hogedruksteenMilieuaspecten bij baksteenfabricageAls energiedrager wordt veelal aardgas toegepast. De uitstoot van zwaveldioxide wordtdaardoor geminimaliseerd maar de CO2- en NOx-uitstoot niet. Soms gebruikt een enkeleproducent kolen als brandstof om zodoende een gewenst effect op de steen te bewerk-stelligen. Kolen zijn meer verontreinigd dan aardgas en dit brandproces veroorzaakt dusmeer vervuiling. 90
  • Door het treffen van energiebesparende maatregelen is het energiegebruik sinds 1980gehalveerd. De industrie heeft daartoe met het Ministerie van Economische Zaken eenconvenant 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 emissierichtwaardeniet overschrijden. Gebeurt dit wel, dan moet men de rookgassen reinigen via een rook-gasreiniginginstallatie. Deze installaties worden steeds meer bij de Nederlandse fabriekentoegepast.Het productieafval (restanten klei van het vormproces en breuk bij drogen van de groeneklei) 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 stappenook een fijne fractie, het “zeefzand”. Een klein gedeelte van het menggranulaat wordttoegepast als secondair granulaat in beton. Het grootste deel wordt als ophoogmateriaalgebruikt 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) inde eigen productieketen. Het blijkt dat men inderdaad kan besparen op primair klei, maarde transportketen van de brekers naar de baksteenfabrieken, het eventueel verwijderenvan 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 meestgebruikelijke kitmiddel is de metselmortel waarbij een mengsel van zand, bindmiddel enwater hard wordt. Vroeger was de basiscomponent van de mortel kalk in de vorm vanCa(OH)2. De CO2 uit de lucht zette het calciumhydroxide om in het cementerende CaCO3dat de zandkorrels en de metselstenen aan elkaar kitte, zie ook hieronder.Dergelijke mortels hadden relatief veel tijd nodig om hard te worden maar hadden alszeer gunstige eigenschap dat ze lokale vervormingen aardig konden “volgen” waardoorniet 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 sterkteontwikkeling 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 bijde 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 andervochttransport gedrag, negatief inwerkten op het gedrag van de steen-mortel combinatieop 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. 91
  • BindmiddelenKalk: Tot circa 1900 werd metselwerk vervaardigd met nagenoeg uitsluitend kalk alsbindmiddel. Kalk is een verzamelnaam voor een uit kalksteen door middel van brandenbereid bindmiddel. Het branden van de kalk geschiedt in draai- of schachtovens, waarbijcalciumcarbonaat wordt omgezet in calciumoxiden.CaCO3 + warmte  CaO + CO2kalksteen  ongebluste kalk + koolstofdioxidegasNa het branden van calciumoxiden wordt hieraan water toegevoegd, waardoor de kalk“geblust” wordt:CaO + H20  Ca(OH)2 + warmteIndien precies die hoeveelheid water wordt toegevoegd die nodig is voor de reactie (sto-chiometrische hoeveelheid) ontstaat een droog eindproduct dat luchtkalk heet. Wordtmeer water toegevoegd dan ontstaat deeg, ook wel leskalk of putkalk genoemd. Vroegerwerd 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 weook nog hydraulische kalk. Dit laatste is een uit een kalksteen vervaardigde kalk waarbijnaast kalksteen ook kleiachtige bestanddelen aanwezig waren. Deze kalk en de gebrandekleiachtige bestanddelen kunnen samen cementachtige verbindingen vormen.Wanneer luchtkalk als bindmiddel voor metselmortels wordt gebruikt vindt zoals vermelddeze 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 tebrengen moet er dus toetreding van lucht mogelijk zijn. Dus onder water lukt dit niet. Inhet algemeen is de verharding van kalk een langzaam proces.De kalk vervult naast de functie als bindmiddel ook nog een aantal andere functies in demortel. Door de grote fijnheid van de kalkdeeltjes heeft deze het vermogen om vocht aanzich 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 kalkmortelheeft daardoor een hoog waterretentievermogen. Dit is enerzijds van belang in verbandmet de opzuiging van water door de stenen, anderzijds ook voor het uitdrogen als gevolgvan verdamping. Bij aanwezigheid van kalk gaat dit minder snel dan in vergelijking meteen pure cement metselmortel. Door de hoge fijnheid en door de plaatjesachtige vormvan de kalkdeeltjes hebben de mortels ook een in het algemeen smeerbare smeuïge con-sistentie, waardoor ze zich gemakkelijker laten verwerken door de metselaar dan purecementmortels. 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 metcement.CementCement is vooral populair geworden in 20e eeuw als bindmiddel in metselmortels, omdathet een veel snellere verharding kent dan kalk en ook omdat het een betere weer- enwindbestendigheid heeft dan pure kalkgebonden mortels. De Nederlandse metselmortel-norm NEN 3835 staat het bindmiddel cement toe. Meestal wordt portlandcement gebruiktvanwege de iets mindere gevoeligheid voor uitdroging ten opzichte van hoogovence-mentmortels. 92
  • Op de markt is ook een metselcement beschikbaar. Metselcement is een speciaal bind-middel op basis van een aantal ingrediënten waaronder portlandcement, kalk, gemalenkalksteen, vliegas, luchtbelvormers e.d. De door de Nederlandse cementindustrie vervaar-digde metselcement is een mengsel verkregen door het samenmalen van portlandcementen 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 I32,5. Die fijnheid wordt bereikt door het meemalen van de (zachte) mergel (kalksteen).Het metselcement bevat zoals vermeld tevens een luchtbelvormer waarmee stabieleluchtbellen ingebracht worden. Hieronder wordt daarop teruggekomen. De eigenschappenvan met metselcement vervaardigd metselwerk liggen in dezelfde grootteorde als van tra-ditionele metselmortels met cement en kalk.HulpstoffenBij zeer veel metselmortels worden hulpstoffen gebruikt, vooral luchtbelvormers. Door hetinbrengen van lucht wordt een aantal eigenschappen door de metselmortel verbeterd enbovendien is het natuurlijk een erg goedkoop ingrediënt. De luchtbelletjes hebben eenaantal 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 eenmeer 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 waternaar de lucht vermindert. Lucht heeft uiteraard ook een duidelijk verlagend effect op deelasticiteitsmodulus 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 vertragingvan de cementreactie geven.Zand en vulstof in metselmortelsZand dient volgens de metselmortelnorm NEN 3850 te voldoen aan de eisen voor zandvoor 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. 100 80 Cum. zeefdoorval ( 60 40 20 0 0,13 0,25 0,50 1,00 2,00 4,00 8,00 16,00 31,50 63,00 ZeefopeningFig. 3.3.45 Aanbevolen grenslijnen voor de zeefkrommen van zand voor metselmortels. (--- voorbeeld zeefkromme). 93
  • 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 verbeterthet de cohesie en de waterretentie van de mortel. Door de goede binding met cement ishet bovendien geen zwakke schakel in de uitgeharde mortel.Soorten metselmortelsEr 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 tothet 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.VoegspeciesOm esthetische redenen wordt de voeg in het algemeen uitgekrabd of niet geheel gevulden later egaal opgevuld met een specie die uiteindelijke het uiterlijk van het metselwerkbepaalt; de zogenaamde voegspecie. Deze voegspecie wijkt qua samenstelling meestalniet essentieel af van de metselspecie, zij het dat de consistentie verminderd is. De mortelis droger; dit vanwege de specifieke wijze waarop de voegspecie moet worden aange-bracht; met de voegspijker e.d.De vervaardiging van de metselspeciesBij de kant en klare mortels, de prefab-mortels, hoeft er helemaal niet meer gemengd teworden of alleen nog maar met water. Hier kan dus niet al teveel fout gaan omdat demetselaar de specie afstelt op de gewenste consistentie. Wanneer op de bouwplaats deingrediënten bij elkaar moeten worden gevoegd, zoals bij de basterd en de metselce-mentmortels, dan dient exact het verwerkvoorschrift te worden gevolgd. Wanneer dat metde 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 datlucht inbrengt, waardoor de verwerkbaarheid verbetert, maar waarbij het luchtgehalte kanworden opgevoerd tot gehaltes boven het toegelatene. Bedacht moet ook worden dat de 94
  • kalk welke geleverd wordt veelal al een luchtbelvormende hulpstof bevat, zodat door hetverder bijmengen van luchtbelvormende hulpstoffen al gauw een te hoog luchtgehalteontstaat. Wanneer moet worden gemengd met mortels waar luchtbelvormers aanwezigzijn, zoals bij de droge prefabspecies, bij de basterd mortels waar de kalk lucht bevat ofbij de metselcementen, is de mengintensiteit een belangrijke variabele. Bij zeer intensiefmengen 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.NabehandelenIn het algemeen ziet men niet dat metselwerk wordt nabehandeld. Nochtans kan in devolle zon er een zodanige verdamping van water optreden dat hetzelfde gebeurt als bijbeton, namelijk een te snelle uitdroging waardoor de mortel niet meer verhardt. Dit noemtmen het verbranden van de metselmortel. Dit proces kan worden versterkt wanneer ervan een sterk zuigende steen sprake is, waardoor de mortel na aanbrengen al direct vrijdroog wordt. Met betrekking tot het opzuigen van water uit de specie door de stenenwordt in het algemeen een voorbevochtigde steen geprefereerd. De steen moet ook weerniet volledig verzadigd zijn maar bijvoorbeeld door sproeien enigszins bevochtigd.LijmenLijmen worden meestal kant-en-klaar geleverd en bestaan uit cement met gedroogsproei-de latices als bindmiddel of cellulosederivaat toevoegingen en fijne zanden of vulstoffendie de functie vervullen van toeslagmateriaal en krimpverminderend moeten werken. Erbestaan 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 datveelal 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. Deconsument is gewend aan de mortelvoeg en de vraag naar muurvlakken met nauwelijkszichtbare voegen is slechts gering. Men verwacht met de ontwikkeling van steensoortenmet een profilering een bredere toepassing van de lijmtechniek.Een nog nieuwere ontwikkeling is die van een ingenieus “klik”-systeem waarbij in principegeen lijm meer bij nodig is. De stenen worden dan a.h.w. op een “Lego”-achtige wijze metelkaar verbonden.MetselwerkverbandenMetselwerk kan in verschillende verbanden worden vervaardigd. In Nederland is het meestgebruikelijk 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 inelkaar grijpen van de stenen met daaraan gehechte mortel. Vandaar dat verticale voegenbeter 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 3,3.106kg, die volledig door binnenlandse productie wordt gedekt. (Zie fig. 3.3.46). 95
  • Fig. 3.3.46 Kalkzandsteenproductie in Nederland.De ruwe grondstoffenVoor de productie van kalkzandsteen zijn de volgende grondstoffen nodig: kalk, zand enwater. 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).ProductieVoor 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 hetgewenste formaat (dikte) en in hogedrukketels (autoclaven) onder verzadigde stoomdrukvan ongeveer 10 à 16 bar verhard; daarbij wordt een temperatuur bereikt van bijna 180 à200 oC. De verblijftijd in de autoclaaf is ongeveer 8 uur. Men is via processturing in staatom blokken te maken van verschillende dichtheden en sterkten. De verharding gaat vol-gens: 2Ca(OH)2 + SiO2 + xH 2 O  (CaO) 2 .SiO 2 .xH 2 O 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). 96
  • 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 bouwop elkaar gelijmd met speciale lijmmengsels, zie fig. 3.3.50. 100x 200x 1500x 6000xFig. 3.3.48 Rasterelektronenmicroscopische opnamen van kalkzandsteen (Foto’s Sectie Materiaalkunde).Naar de autoclaaf Bouwen met kalkzandsteenblokkenFig. 3.3.49 Kalkzandsteen productieproces en toepassing (Bron: Silka-Brochure). 97
  • 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 aantalverschillende 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. Eennat 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) 2000Brandwerendheid 90 minuten voor een halfsteens muurKleur Via pigmenten, door en doorUitzettingscoëfficiënt (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. 98
  • 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 restproductenHet productieafval, zoals afgekeurd materiaal, zaagresten en restanten van afgezaagdepasstukken 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 wordengemaakt. Als er toch afval ontstaat, wordt dit afgevoerd naar een breker (eventueel viaeen sorteerinrichting).Het sloopafval gaat naar de breker. Meestal (ongeveer 900 kton) wordt het verwerkt inmenggranulaat, 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.KnelpuntenUit het oogpunt van integraal ketenbeheer moet gestreefd worden naar de inzet van deafvalstoffen in de eigen keten. Momenteel wordt slechts het productieafval ingezet alszandvervanger 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 eenopgeschuimde mortel van cement en zand die wordt geautoclaveerd. Cellenbeton magniet verward worden met “schuimmortel” waarbij opschuimen via een eiwit wordt gere-geld maar dat niet geautoclaveerd wordt. Bij cellenbeton gebeurt het opschuimen doorhet toevoegen van aluminiumpoeder in de verse specie. Men noemt cellenbeton in debouwpraktijk ook wel “gasbeton”.Het bindmiddel bij cellenbeton is in het algemeen Portlandcement (plus 1% gips), vaak incombinatie met ongebluste kalk. Overige grondstoffen zijn gemalen kwartszand (SiO2 ge-malen tot cementfijnheid), eventueel vliegas en water. Vliegas heeft als voordeel dat hetal net zo fijn is als cement, maar als nadeel dat het meer zware metalen bevat dankwartszand en meer radioactieve straling afgeeft. Fig. 3.3.51 geeft een overzicht van eenmogelijke samenstelling van cellenbeton. kalk en vliegas 15% Grondstof kg voor 1 m3 cellenbeton Cement 65 portland cement Kalk 45 15% Gemalen zand 290 Water 225Aluminiumpoeder 0,53 fijn zand 70%Fig. 3.3.51 Voorbeeldsamenstelling cellenbeton. 99
  • 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 malstijft de massa op en ontwikkelt zich het schuim. De toegevoegde aluminiumpoeder is eenreststof bij de aluminiumproductie en de deeltjes hebben een middellijn van ruwweg 50µm. 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: 2Al + 3Ca(OH) 2 + 6H 2 O  3CaO.Al 2 O3 .6H 2 O + 3H 2 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 verhardingsperioderijst 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 endat 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”) bijeen temperatuur van 180 tot 190 oC verder zal reageren. Hierbij zal het kwartszand voorhet 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 6000xFig. 3.3.52 Elektronenmicroscopische opnamen van cellenbeton.E) GipsDe grondstoffen voor de gipsfabricage zijn natuurlijke gipssteen en industriegips.Industriegips wordt verkregen bij rookgasontzwaveling, bijvoorbeeld bij kolengestookteelektriciteitscentrales. Men leidt de rookgassen door kalkwater waarbij de SO4-- anionengebonden worden aan de kalk. Er ontstaat gips: Ca ++ + SO 4 + 2H 2 O  CaSO 4 .2H 2 O  2- 100
  • De oplosbaarheid van deze vorm van gips is slechts 2 gram per liter, dus het slaat neer enkan gewonnen worden.Gipssteen is eveneens CaSO4.2H2O en is een afzettingsgesteente dat oorspronkelijk uitzeewater is afgescheiden. Een bepaalde vorm van gipssteen noemt men albast. Is er geenwater 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: 2CaSO 4 .2H 2 O  2CaSO 4 . 1 H 2O + 3H 2 O verhitting  2Vervolgens 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 namenging met de juiste hoeveelheid water krijgt men: 2CaSO 4 . 1 H 2O + 3H 2 O  2Ca 2+ + 2SO 2- + 4H 2O  2 4 2CaSO 4 .2H 2O  + warmteHet 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 tekrijgen. Bij verharding ontstaan naaldvormige kristallen, zie fig. 3.3.53. Er is sprake vaneen 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. 101
  • 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 datkost veel warmte voordat het materiaal zijn samenhang verliest.Staal gaat roesten als het in contact komt met gips, dus we kunnen gips niet wapenenzoals 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 gipsblokkenFig. 3.3.55 Gipsplaten en gipsblokken. Uit: Verver, Bouwmaterialen.Het gebruik van gips in Nederland is ruwweg 800000 ton/jaar. De productie van “Flu GasDesulphurisation Gypsum” (FDG) in Nederland bedraagt ruwweg 500000 ton/jaar. De im-port is ruwweg 300000 ton/jaar (1 ton = 1000 kg). 102
  • RecyclingMen moet er voor zorgen dat het gips uit de betonketen blijft omdat stukjes gips in betonongewenste zwellingen veroorzaken, en daarmee scheurvorming. Men dient het dus zo-veel mogelijk in de eigen keten laten. 103
  • 3.3.5 HoutInleidingHout is vanaf het ontstaan van de mens van zeer grote betekenis geweest, een betekenisdie 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 tenminstegelijk blijft. Bovendien geldt dat houtproductie en weinig energie vraagt en milieuvriende-lijk is. De toepassingsmogelijkheden zijn legio. Vaak worden houtsoorten in onderlingsterk verschillende kwaliteiten aangeboden (ook per houtsoort). Ter illustratie: het aantalhoutachtige 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 soortenHoutsoorten 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.BoomgroeiDe groei van een boom vindt op twee geheel verschillende manieren plaats, namelijk in delengte 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 zowelin de stam als in de wortels en de takken plaats door de vorming van groeiringen. Ditwordt ook wel de secundaire diktegroei genoemd. Dit verschijnsel is karakteristiek voorhoutige 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. Decambiumcellen 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 danhet aantal houtcellen. Een boom heeft dan ook meer hout dan bast. Doordat de boom 104
  • 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 verschijnselwordt dilatatie genoemd.Er ontstaan ongeveer zevenmaal zoveel houtcellen aan de binnenkant als bastcellen aande buitenkant van het cambium. Daardoor verwijdert het cambium zich steeds verder vande boomas. Na de celdeling ontstaan er celgroepen waarin de cellen onderling verbondenzijn. Celgroepen waarvan de cellen dezelfde bouw en functie hebben, worden weefselsgenoemd. Alleen bij het cambium ontstaat weefsel dat tot de diktegroei bijdraagt. Aan debinnenkant 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. Dittransport 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, waardoorhet 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 naarde boomas gekeerde zijde van het cambium wordt dan het houtweefsel gevormd. Tot ditweefsel 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 hartis, verhout niet en blijft daardoor gevoelig voor schimmelaantasting. In een vroeg stadiumgevormde 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 boomtoe.De bastvezels zijn, zoals eerder vermeld, vanaf het cambium naar buiten gericht. Dezelevende vezels zorgen voor het transport van voedingssappen en bescherming van hetcambium.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 loofhoutTussen 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 langgerekteen tot bundels verenigde cellen met spitse uiteinden. De aan elkaar grenzende vezels zijndoor een gemeenschappelijke wand met elkaar vergroeid. Ze lopen in de lengterichting 105
  • evenwijdig aan de boomas. De vezels verlenen de boom stevigheid en bepalen de sterkteen 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 meerrechthoekige vorm. De holten van de straalcellen staan met elkaar en met de aangren-zende houtvezels in verbinding. Ze dienen voor watertransport in de horizontale richtingen voor opslag van reservevoedsel.HarskanalenEen aantal naaldhoutsoorten, onder andere vuren en grenen, bezitten harskanalen, ookwel harsgangen genoemd. Deze harskanalen zijn intercellulaire ruimten en geen eigenlijkecomponenten van het hout. De tijdens de groei ontwikkelde harsen worden in deze ruim-ten opgeslagen.LoofhoutDe 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 vankorte 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 lengterichtinggerangschikt. Ze staan altijd loodrecht op de vezel en vormen horizontale banden - stralengeheten - 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. 106
  • Fig. 3.3.58 Loofhout.Fysische eigenschappenDe 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 eenklein percentage parenchym, een klein percentage vaten of een hoog percentage cellenmet bijzonder verdikte wanden. De krimp- en zweleigenschappen worden bepaald door delaagsgewijze opbouw van de celwand. Een sterke tangentiale krimp- en zwelneiging wordtbijvoorbeeld veroorzaakt doordat de radiale wand bepaalde afwijkingen ten opzichte vanandere wanden laat zien. Het feit dat reactiehout naar alle kanten krimpt en zwelt, valt teverklaren uit het ontbreken van een samenhang in de opbouw van de wanden. Niet in delaatste plaats dragen de plaats, grootte en het verloop van de stralen bij tot de anisotropiedie bij het werken optreedt. ln fig. 3.3.59 zijn de verschillen in krimp in de verschillenderichtingen weergegeven.Fig. 3.3.59 Krimp van hout. 107
  • Mechanische eigenschappen:De sterkte-eigenschappen worden in feite bepaald door de celvorm en decelwandstructuur. 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 structuursamenhangt 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 bosbeheerHout is één van de oudste bouwmaterialen. Een nadeel van deze ontwikkeling was dat dehoutbranche zelf zich pas laat realiseerde dat een meer marktgerichtere benadering moestworden gehanteerd, waarin veel meer dan voorheen rekening moest wordt gehouden metde 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 tropischehoutsoorten te verminderen. Veel hout wordt nog uitsluitend gekweekt ten behoeve vanrelatief 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 dan10%. 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 deagrarische sector.Door een aantal brancheverenigingen en stichtingen is de wereldwijde problematiek vanhet 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 aanzienvan 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 detangentiele krimp die binnen bepaalde grenswaarden moet vallen. Op zich zijn er meerdan 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 detussenhandel, en vaak ook bij de gebruiker.Hierdoor blijft het potentieel voor de houtskeletbouw in Nederland tot nu toe te weinigbenut.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. 3.3.60laat de oorzaken van de afname van het tropische regenwoud zien. 108
  • permanente landbouw, 16% veehouderij, 6% commerciële houtkap, 6% brandhout, 8% aanleg infrastructuur, 1% zwerflandbouw, 63%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 velelanden heeft men hiertoe protocollen opgesteld waaraan men moet voldoen om het houtop de markt te brengen onder de noemer van ecologisch verantwoorde houtwinning. Erzijn 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. Tevensis 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 staatvoor 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 opgerichtdoor natuur-, milieuorganisaties, boseigenaren, mensenrechten- en ontwikkelingsorgani-saties en vertegenwoordigers van lokale bevolkingsgroepen en houthandelaren. Andersdan vaak wordt gedacht, is FSC-hout niet alleen bedoeld voor tropisch hardhout; ook voorandere houtsoorten (bijvoorbeeld Europees naaldhout) kan een afnemer eisen dat hetdoor hem bestelde hout (of houtproduct) afkomstig is van duurzame bosbouw met eenFSC 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. 109
  • 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 zijnzon 130 bedrijven en organisaties als deelnemer aangesloten. Van de Nederlanders kent62% het FSC-keurmerk. Inmiddels zijn honderden bedrijven actief in het handelen, danwel verwerken van FSC-gecertificeerd hout en -producten, zowel op de consumenten-markt als op de professionele markt. Het FSC-keurmerk geeft zekerheid dat de productenniet alleen legaal zijn, maar ook afkomstig uit goed beheerde bossen. Zo zullen er ook inde toekomst bossen zijn om de houtvoorziening zeker te stellen. FSC is het enige keur-merk voor verantwoord bosbeheer dat wereldwijd gesteund wordt door het bedrijfslevenen 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; 110
  • - 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 oktober2004 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 makenen hun producten labellen met het FSC-keurmerk. FSC Chain of Custody certificering isbestemd voor bedrijven die FSC-gecertificeerde producten verwerken, transformeren ofverhandelen. 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-gecertificeerdemateriaal gevolgd wordt in de productieketen. Op deze manier kunnen (eind)consumenteneen keuze maken voor FSC-gecertificeerde producten, in de wetenschap dat de herkomstvan het materiaal gecontroleerd is. FSC Chain of Custody certificering heeft betrekking op5 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 documentatieWat 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 sprakeis 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. 111
  • 3.3.6 Bitumen en asfaltBitumen wordt tegenwoordig in hoofdzaak verkregen bij olieraffinaderijen uit de raffinagevan 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 eenvloeistof 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 kandoor gerichte keuze sterk variëren in eigenschappen, in het bijzonder ten aanzien van devisco-elasticiteit. Met dit laatste wordt bedoeld dat bij aanbrengen van een belasting hetmateriaal 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 loopvan de tijd nog een wat vertraagd elastische terugvering plaats zal vinden. Het kan zijndat 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 zullenniet alle materialen even veel kruipvervorming vertonen. In het tweede studiejaar wordthier dieper op ingegaan). εe = elastische vervorming εl = kruipvervorming (toenemende vervorming in de tijd) εa = vertraagd elastische terug- vering εir = blijvende (irreversibele) visceuze vervormingFig. 3.3.62 Kruipvervorming bij drukbelasting (Noot: bij trekbelasting vindt men ove- rigens ook kruip). 112
  • Door de grote verscheidenheid in toeslagstoffen en in de onderlinge gewichtsverhoudin-gen, evenals door de variatiemogelijkheden in de eigenschappen van het bitumen, kaneen brede range van producten worden vervaardigd voor vele toepassingen (wegenbouw,waterbouw, dakbedekking, enz.).Vroeger werd bitumen vaak vermengd met teer maar dat is vanwege gezondheidsredeneninmiddels 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 volledighergebruik. 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). 113
  • 3.3.7 KunststoffenKunststoffen 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 secundairebindingskrachten, in de ketens heersen primaire bindingskrachten. Beneden een bepaaldetemperatuur is een thermoplast “glasachtig” en hard. Deze temperatuur noemt men deglasovergangstempertuur 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 onverzadigdebindingen bevatten (dubbele bindingen) in tegenstelling tot thermoplasten waar geendubbele 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 “elkaargeknoopt” 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 “thermoplastischerubbers” 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 toteen driedimensionaal netwerk.Koudhardende thermoharders bestaan eveneens uit twee componenten, waarbij vaak deene 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 uithardingkunnen de thermoharders niet meer smelten. Voorbeelden van koudhardende harsen zijnepoxyharsen en polyesters. Een warmhardende hars is fenolformaldehyde (het bekendebakeliet).Thermoplasten, rubbers en thermoharders zijn de basis voor verven, lijmen, kitten en eenenorm scala aan producten (massief dan wel geschuimd, zie fig. 3.3.65 en 3.3.66). Wekomen ze tegen in de vorm van folies, plaat- en sandwichmateriaal, harde en zachteschuimen, korrels, isolatiemateriaal rondom elektriciteitsdraden, enz.Kunststoffen worden in de bouw vooral toegepast als verpakkingsmateriaal en verwerkt indiverse specifieke producten. Bij verpakkingsmateriaal betreft het folies en PVC. Bij debouwproducten kan worden gedacht aan leidingen en dakgoten (PVC), kozijnen, dakba- 114
  • nen, lichtkoepels, isolatieschuimen, e.d.Fig. 3.3.65 Hard kunststofschuim toegepast bij een rotonde. Bron: Cobouw. 33x 100xFig. 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, nietzozeer een technisch als wel een logistiek en economisch probleem. Op dit moment zijn ervooral ontwikkelingen op dit laatste terrein, mede aangewakkerd door het in 1997 vankracht geworden stortverbod op herbruikbaar bouw- en sloopafval. Zo zijn er voor kozij- 115
  • nen, dakbanen en riool- en andere PVC-buizen retoursystemen opgezet. In Nederlandwordt door de WAVIN een nieuwe PVC-buis aangeboden, waarvan de binnenlaag bestaatuit 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 Nederlandverzameld en in bijvoorbeeld Duitsland en België gerecycled. Over de hoeveelheden isweinig 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 balenwerden 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 dekoplopers 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 deaanwezigheid 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 bijte 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. 25 20 20 17,6 15 15,9 15,9 10 5 0 Nederland Zwitserland Noorwegen DuitslandFig. 3.3.67 Recycling van kunststoffen. 116
  • 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 deprojectlocatie). 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 destichting. De verwerking van de kozijnen wordt vervolgens gedaan door gespecialiseerdeverwerkingsbedrijven. 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 weerterug naar de raamkozijn fabrikant.Fig. 3.3.70 Verwerking oude kunststofkozijnen. (Uit Brochure Recycling Kunststof Kozij- nen. 2005). 117
  • 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 productenworden 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, zoalsglasvezels: zeer lastig te recyclen.Inzamelaars kiezen er regelmatig voor om de kunststof als afval te exporteren naar Duits-land voor hoogcalorische verbranding. 118