Evaluatie van de duurzaamheid en afschermende eigenschappen van hoogsterktebeton met lokaal beschikbare materialen en koolstofadditieven

Beton dat meer doet dan alleen gebouwen dragen

Van wolkenkrabbers vol elektronica tot bruggen met sensoren: moderne constructies vragen om materialen die niet alleen sterk, maar ook slim zijn. Deze studie onderzoekt een nieuw type beton dat zowel zware belastingen kan dragen als gevoelige apparatuur kan afschermen tegen ongewenste elektromagnetische golven — dezelfde energie die wordt gebruikt voor wifi, radar en mobiele telefoons. Door lokaal zand zorgvuldig af te stemmen en kleine hoeveelheden staal en koolstof toe te voegen, probeerden de onderzoekers beton te ontwikkelen dat sterk, duurzaam en in staat is om storende signalen te dempen — zonder te steunen op dure ingevoerde ingrediënten.

Waarom sterk en “slim” beton ertoe doet

Traditioneel hoogsterktebeton maakt het mogelijk om hoger en slanker te bouwen en langere overspanningen te realiseren door meer draagvermogen in kleinere kolommen en platen te concentreren. Apart daarvan heeft “geleidend” beton, dat stroom kan geleiden dankzij metalen of koolstofadditieven, de aandacht getrokken voor toepassingen als zelfverwarmende bestrating, ingebouwde vervormingssensoren en elektromagnetische afscherming. Het combineren van deze twee eigenschappen in één mengsel is echter uitdagend: ingrediënten die de elektrische geleiding verbeteren kunnen het materiaal verzwakken of het kwetsbaarder maken voor scheurvorming op de lange termijn. Het doel van dit onderzoek was die kloof te dichten en geleidend hoogsterktebeton te ontwikkelen dat aan structurele eisen voldoet en tegelijkertijd nuttig elektrisch gedrag toevoegt.

Het juiste mengsel vormen met lokaal zand

Het team begon met het ontwerpen van verschillende hoogsterktebetons met uitsluitend fijne materialen — cement, industriële bijproducten en twee zandsoorten — en liet grof grind weg. Ze varieerden het aandeel duinzand, een zeer fijn lokaal zand, om te zien hoe dat de sterkte beïnvloedde. Door de korrelgrootteverdeling van elk mengsel te vergelijken met wiskundige pakmodellen, ontdekten ze dat een recept met relatief weinig duinzand de dichtste interne structuur opleverde. Dit mengsel, in de studie LDUNE genoemd, behaalde druksterktes van ongeveer 100 megapascals (ongeveer drie keer die van gangbaar constructiebeton) en vertoonde ook de hoogste buigsterkte. Simpel gezegd vulde een matige hoeveelheid woestijnzand holtes op, maar te veel zorgde juist voor extra poriën en verzwakte het beton.

Staalvezels helpen, koolstofpoeders schaden de structuur

Nadat het beste basismengsel was geïdentificeerd, maakten de onderzoekers er drie varianten van: het oorspronkelijke LDUNE, een versie met toegevoegde staalvezels en een derde die staalvezels combineerde met fijne koolstofpoeders. De dunne staalvezels fungeerden als kleine wapening verspreid door het materiaal. Ze verhoogden de reeds hoge druksterkte licht, verbeterden de buigsterkte met ongeveer een vijfde en maakten het beton stijver. Even belangrijk was dat ze de langetermijnkrimp en kruip — het langzame samentrekken en doorbuigen dat tot scheuren kan leiden — respectievelijk met ruwweg een kwart en een tiende verminderden. Daarentegen daalde de totale sterkte wanneer koolstofpoeders samen met de vezels werden toegevoegd, en namen zowel krimp als kruip toe. De zeer fijne koolstofdeeltjes vergden meer mengwater en hechtten slecht aan de omliggende pasta, waardoor zwakke plekken ontstonden die de mechanische voordelen van de vezels ondermijnden.

Hoe het nieuwe beton omgaat met elektromagnetische golven

De elektrische tests richtten zich op de stroomgeleiding en het vermogen van de mengsels om radiofrequente signalen te blokkeren. Het staalvezelbeton toonde een aanzienlijk lagere elektrische weerstand dan het gewone hoogsterktebeton en vormde interne paden die interactie hebben met passerende golven. Toen radiosignalen in het gigahertzbereik door dunne panelen werden gestuurd, verminderden de staalvezelplaten het uitgaande vermogen veel meer dan gewoon beton, en naderden ze de prestaties van sommige bestaande afschermmaterialen. Verrassend genoeg leverde het toevoegen van koolstofpoeder bovenop de staalvezels geen noemenswaardige extra winst: die panelen dempten signalen ongeveer in dezelfde mate als die met alleen staal. Over een periode van twee jaar verloren alle mengsels wat afschermkracht naarmate het beton bleef uitharden en het interne vochtgehalte veranderde, maar gegolfde paneelvormen behielden op de lange termijn betere prestaties dan vlakke panelen.

Wat dit betekent voor toekomstige gebouwen en infrastructuur

In gewone bewoordingen laat de studie zien dat het mogelijk is beton te maken dat zowel zeer sterk is als redelijk goed in het dempen van ongewenste elektromagnetische golven, simpelweg door lokale zanden te optimaliseren en de juiste hoeveelheid staalvezels toe te voegen. Dit “tweepurpose”-beton houdt goed stand onder belasting, weerstaat scheurvorming op lange termijn en kan helpen apparaten en ruimten te beschermen tegen elektronische ruis, zonder te moeten terugvallen op metalen voeringen of gespecialiseerde wandsystemen. Pogingen om de afscherming verder te verbeteren door koolstofpoeders toe te voegen, bleken echter nadelen te hebben: ze maakten het materiaal zwakker en gevoeliger voor langetermijndeformatie terwijl ze weinig extra vermogen toevoegden om signalen te blokkeren. Voor ontwerpers van wolkenkrabbers, slimme infrastructuur en ruimten vol elektronica komt staalvezel-hoogsterktebeton met lokale materialen uit dit werk naar voren als een praktische, multifunctionele optie.

Bronvermelding: Othman, O., Yehia, S., Qaddoumi, N. et al. Evaluation of the durability and shielding properties of high-strength concrete incorporating locally available materials and carbon additives. Sci Rep 16, 10167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37449-3

Trefwoorden: hoogsterktebeton, geleidend beton, staalvezelversterking, elektromagnetische afscherming, krimp en kruip