Helaas, beton gaat niet eeuwig mee. De tand des tijds eisen ook hun tol van betonconstructies in Zwitserland. Niet alleen worden versterkte constructies zoals bruggen aangetast, maar ook betonnen gebouwen zonder enige wapening, zoals damwanden. Eén oorzaak wordt de alkali-aggregaatreactie (AAR) genoemd. Het kan alle betonconstructies in open lucht aantasten.

Met AAR, de basisingrediënten in het beton zijn eigenlijk het probleem:Cement – ​​het hoofdbestanddeel van beton – bevat alkalimetalen zoals natrium en kalium. Vocht in het beton reageert met deze alkalimetalen om een ​​alkalische oplossing te vormen. De belangrijkste componenten van beton zijn zand en grind, die op hun beurt silicaten zoals kwarts of veldspaat bevatten. Het alkalische water reageert met deze silicaten en vormt een zogenaamd alkalicalciumsilicaathydraat. Dit mineraal accumuleert vocht in zijn structuur, waardoor het uitzet en het beton geleidelijk van binnenuit barst.

Het opvallende hier:dezelfde chemische reactie vindt plaats in talloze stukjes grind in het beton; de kleine steentjes kraken een voor een. De druk die door deze microreactie op een hele constructie kan worden uitgeoefend is enorm:een damwand, bijvoorbeeld, kan enkele decimeters groter worden. Dit kan schade veroorzaken aan de laterale verbindingspunten met het gesteente of vervormingen in het sluisgebied. De reactie verloopt geleidelijk, waarbij de eerste schade pas na tien tot 15 jaar merkbaar wordt in aangetaste structuren. Echter, de voortdurende zwelling van het beton kan de levensduur van de constructie aanzienlijk verkorten.

In 2015 slaagde een team van wetenschappers van Empa en het Paul Scherrer Institute (PSI) erin de structuur te identificeren van het waterige kristal dat de zwelling in beton veroorzaakt. Deze structuur was eerder het onderwerp geweest van veel speculatie.

De ontdekking inspireerde een interdisciplinair onderzoeksproject gefinancierd door de Swiss National Science Foundation (SNSF). Naast Empa en PSI, er zijn ook twee EPFL-instituten bij betrokken. De onderzoeksactiviteiten worden gecoördineerd door Empa-onderzoeker Andreas Leemann. "We willen AAR in elke dimensie bestuderen en begrijpen, van het atomaire niveau en lengteschalen in het Angstrom-bereik tot complete structuren op centimeter- en meterschaal, ", legt Leemann uit.

Zes projecten omvatten alle dimensies

In het SNSF Sinergia-project werden zes deelprojecten gedefinieerd:PSI gebruikt synchrotronstraling om de structuur van de reactieproducten te bestuderen om hun bronnen te verklaren. De belangrijkste parameters voor het triggeren van de silicaten en de samenstelling van de bij het begin gevormde reactieproducten worden bestudeerd bij EPFL; Bovendien, computersimulaties worden gebruikt om de impact van de zwelling op constructies te onderzoeken.

En bij Empa, de vorming van de scheuren in het beton wordt onderzocht met ruimtelijke en temporele resolutie met behulp van computertomografie in het Empa X-Ray Center, en de waterige kristallen worden in het laboratorium gesynthetiseerd. Dit stelt de onderzoekers in staat om grotere hoeveelheden van de stof te verkrijgen die normaal gesproken wordt aangetroffen in scheuren van nano- tot micrometergrootte in stukjes grind. Alleen bij grotere hoeveelheden van de betreffende stof kunnen fysische eigenschappen nauwkeurig worden bepaald, echter. Niet alleen zouden de bevindingen moeten helpen om AAR veel beter te begrijpen, ze moeten ook manieren onthullen om schade - en dus kosten - te voorkomen." We zijn al bezig met het decoderen van het fenomeen, die tot nu toe slechts in fragmenten is begrepen, ", zegt Leemann. In mei 2017 is het vierjarige project van start gegaan. De eerste resultaten zijn al binnen. De volgende stap zal zijn om de individuele groepen nauwer aan elkaar te koppelen en voort te bouwen op de resultaten van de partners. dit moet een completer beeld van AAR opleveren, waardoor de toestand van en het risico voor betonconstructies beter kan worden ingeschat en het lot van de getroffen gebouwen wetenschappelijker kan worden gecontroleerd.