Twee ton voor slankere constructies

“Met de huidige kennis van mechanica kun je een prima bouwwerk maken. Meer hoef je eigenlijk niet te weten”, zegt dr.ir. Niki Kringos. Toch kende de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) haar een Veni-subsidie toe om meer inzicht te krijgen over het gedrag van bouwmaterialen. Juichend hoorde ze deze zomer, in een verder door vakantiegangers verlaten kantoor, dat ze ruim twee ton krijgt om de komende drie jaar onderzoek te doen.

“We hebben niet meer de luxe om bouwmateriaal en energie te verspillen. We moeten zuiniger worden met materiaal dat steeds duurder wordt. En met het milieu”, zegt Kringos. Maar zuinig zijn bouwers van bruggen, wegen en gebouwen zelden. Omwille van de veiligheid gooien ze vaak een flinke schep extra in de betonmolen. Met die overdimensionering kan het wel wat minder, vindt Kringos.

Hoeveel slanker constructies kunnen zijn, moet haar wiskundige model straks uitwijzen. In een computerberekening wil ze de wereld van grote balken kennis laten maken met die van de moleculen. Ofwel: mechanica combineren met chemie. “Als de temperatuur daalt, zie je met het blote oog niet veel veranderen aan een wegdek. Maar chemisch gebeurt er van alles dat het materiaalgedrag beïnvloedt.” Moleculen gaan zich anders ordenen, waardoor op microschaal scheurtjes ontstaan. Die zijn niet te zien, maar tasten wel de sterkte van de weg aan.

Bij het ontwerpen van civieltechnische constructies komt tot op heden meestal geen chemie kijken, vertelt Kringos. “Met mechanische proeven kun je meten hoe sterk en stijf een materiaal is, dus waarom zou je dan willen weten hoe de moleculen geordend zijn? Zonder die kennis bouwden de oude Grieken ook tempels die er nu nog staan.” Kennis van de moleculen wordt pas interessant als de ontwerper zo min mogelijk materiaal wil gebruiken. “Dan wil hij niet alleen weten wanneer een balk breekt, maar ook waarom. Hij kan zijn materiaal en onderhoud daarop aanpassen.”

“Voor staal is er al relatief veel toepasbare kennis over de relatie tussen microschaalchemie en macroschaalmechanica. Maar voor bulkmaterialen, zoals asfalt en cement, nog betrekkelijk weinig.” Met het Veni-geld wil Kringos samenwerken met verschillende laboratoria om de benodigde kennis voor haar model te maken.

Volgens Kringos kan haar model niet alleen vertellen hoeveel slanker een constructie kan zijn, maar ook bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe materialen. Asfalt kan bijvoorbeeld beter worden als je er wat polymeer aan toevoegt, maar hoe dat chemo-mechanisch werkt is nog niet helemaal duidelijk, legt Kringos uit. ”De bouwsector zal een materiaal alleen durven te gebruiken als ze erop vertrouwen dat het goed is. Mijn computermodel kan een fundamentele voorspelling maken van het lange-termijnmateriaalgedrag. Je kunt het ook dertig jaar neerleggen en kijken wat er gebeurt, maar die tijd hebben we niet.”