Invloed van zanddeeltjesgrootte op de thermische effusiviteit van met klei vermengde cementmortelstenen

Waarom het gevoel van je muren ertoe doet

Als je een kamer binnenloopt, bepalen de muren geruisloos hoe snel die opwarmt of afkoelt. In warme of vochtige gebieden, vooral waar energie duur is, kan de manier waarop stenen met warmte omgaan het verschil betekenen tussen een benauwde woning en een comfortabele. Deze studie bekijkt een eenvoudig maar krachtig idee: door de grootte van de zandkorrels en de hoeveelheid klei in cementstenen te variëren, kunnen bouwers mogelijk precies afstemmen hoe muren warmte opslaan en afgeven — zonder meer materiaal of dure isolatie toe te voegen.

Betere stenen bouwen van lokaal aardmateriaal

De onderzoekers concentreerden zich op een veelgebruikt recept: cementmortelstenen gemaakt van rivierzand, lokale klei uit Nkolbisson nabij Yaoundé in Kameroen, water en Portlandcement. Klei is aantrekkelijk omdat het ruim voorradig, goedkoop en een lagere ecologische voetafdruk heeft dan veel moderne materialen. Het maakt stenen echter ook zwakker als het onzorgvuldig wordt gebruikt. Het team stelde een vraag die tot nu toe grotendeels over het hoofd was gezien: als je zand gedeeltelijk vervangt door klei, verandert dan de grootte van de zandkorrels — zeer fijn, gemiddeld of grof — hoe goed de steen warmte opslaat en doorgeeft? Het beantwoorden hiervan kan helpen muren te ontwerpen die binnentemperaturen natuurlijker dempen.

Van korrels tot stenen in het laboratorium

Om dit te onderzoeken werd zand uit de Sanaga-rivier zorgvuldig gewassen, gedroogd en gezeefd in drie korrelgrootteklassen: fijn (0,08–0,5 mm), middel (0,5–1,6 mm) en grof (1,6–2 mm). De Nkolbisson-klei werd ook in detail gekarakteriseerd: de korrelgrootteverdeling, plasticiteit (hoe gemakkelijk het vervormt als het nat is) en chemische samenstelling rijk aan silica, alumina en ijzeroxide werden allemaal gemeten. Vervolgens werden stenen gegoten in gestandaardiseerde mallen, waarbij altijd dezelfde totale droge massa en water‑op‑cementverhouding werden aangehouden. Voor elke zandgrootte verving klei tussen 0 en 60% van de zandmassa, wat resulteerde in 63 kleine proefstenen die 28 dagen werden gekuurd voordat ze werden getest.

Meten hoe stenen met warmte omgaan

Het team onderzocht twee belangrijke thermische eigenschappen. Ten eerste maten ze thermische effusiviteit — de neiging van een materiaal om warmte op te nemen of af te geven wanneer het oppervlak plotseling iets warmers of kouder tegenkomt. Ten tweede bepaalden ze de thermische geleidbaarheid, die beschrijft hoe gemakkelijk warmte door de steen stroomt. Er werden gespecialiseerde methoden gebruikt: een asymmetrische hete plaat om effusiviteit te onderzoeken en een parallelle hete draad die in de stenen werd ingebracht om de geleidbaarheid te bepalen. Elke combinatie van zandgrootte en kleigehalte werd meerdere malen getest en de onzekerheden in de metingen werden zorgvuldig geschat om te verzekeren dat de trends reëel waren en niet alleen experimentele ruis.

Klei koelt af, korrelgrootte stemt het effect af

De resultaten schetsen een duidelijk beeld. Naarmate er meer klei wordt toegevoegd, dalen zowel effusiviteit als geleidbaarheid voor alle drie zandklassen. Met andere woorden, stenen worden isolerender en minder in staat om snel warmte met hun omgeving uit te wisselen. Bij de fijnste zandklasse bereikten de maximale verminderingen ongeveer 18% voor effusiviteit en 34% voor geleidbaarheid. Voor de middel- en grofzandklassen waren de dalingen nog groter — tot ongeveer 26–28% in effusiviteit en ongeveer 44% in geleidbaarheid bij de hoogste kleiinhouden. Bij hetzelfde kleigehalte hadden stenen gemaakt met fijner zand doorgaans lagere thermische eigenschappen dan die met grover zand. Fijnere korrels vergroten het totale oppervlak en bevorderen vele kleine met lucht gevulde poriën, wat de warmtestroom vertraagt. Grovere korrels vormen daarentegen een meer continu mineraal skelet, waardoor warmte directer door vaste contactpunten kan reizen.

Wat dit betekent voor comfortabele woningen

Voor het dagelijks leven is de boodschap eenvoudig: door het mengsel van klei en de grootte van de zandkorrels aan te passen, kunnen bouwers stenen ontwerpen die huizen beter beschermen tegen buitentemperatuurschommelingen. Meer klei en fijner zand maken doorgaans stenen die beter isoleren, wat helpt om interieurs tijdens hete dagen koeler te houden en de belasting van ventilatoren of airconditioners te verminderen. Grover zand leidt tot stenen die warmte gemakkelijker geleiden, wat nuttig kan zijn in koelere klimaten waar snelle opwarming gewenst is. Omdat deze benadering leunt op het afstemmen van lokale materialen in plaats van het aanbrengen van dikke lagen synthetische isolatie, biedt het een laagdrempelige, koolstofarme manier om het binnencomfort te verbeteren, vooral in regio’s waar middelen beperkt zijn maar zon en warmte overvloedig aanwezig zijn.

Bronvermelding: Djouatsa Donfack, A., Yamb Bell, E., Diakhate, M. et al. Effect of sand particle size on the thermal effusivity of clay-admixed cement mortar bricks. Sci Rep 16, 13057 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41726-6

Trefwoorden: energiezuinige gebouwen, klei stenen, thermische isolatie, zandkorrelgrootte, duurzame bouw