Weinig bekend feit: beton kan exploderen. En nu weten wetenschappers waarom.
In een nieuwe studie verwarmden onderzoekers van Empa, de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalkunde en -technologie, beton tot 600 graden Celsius (1.112 graden Fahrenheit) en zagen het kaboom gaan. De reden voor de explosies, ontdekten de onderzoekers, was de manier waarop kleine hoeveelheden vocht die in het beton vastzaten, verdampten en bewogen bij verhitting.
Concrete explosies kunnen volgens een verklaring bijzonder gevaarlijke gevolgen zijn van branden die bruggen of tunnels raken. In maart 2017 stortte een brug op de Interstate 85 in Atlanta gedeeltelijk in nadat een brand in een opslageenheid onder de brug het beton en staal van de constructie had beschadigd. In 2003 veroorzaakte een brand de instorting van een gebouw van gewapend beton in Hengyang, China, en bij het incident kwamen 20 brandweerlieden om het leven.
Gaat boem
Beton is in zijn eenvoudigste vorm gemaakt van cement, zand en water. Maar grote bouwprojecten zoals bruggen, tunnels en wolkenkrabbers gebruiken hoogwaardige betonelementen, die extra ingrediënten bevatten of speciale droogmethoden gebruiken om hun duurzaamheid en sterkte te verbeteren.
Maar verwarm ze tot meer dan 392 F (200 C), en krachtige beton wordt kwetsbaar. Ze kunnen zelfs exploderen en stukken beton wegschieten van het hoofdblok.
Om erachter te komen waarom, voegden Empa-onderzoekers zich bij wetenschappers van de Universiteit van Grenoble in Frankrijk en het Laue-Langevin Instituut in Grenoble om te kijken hoe beton heet werd. De onderzoekers volgden het interieur van het verwarmde beton in realtime met behulp van neutronentomografie, die afhankelijk is van de absorptie van neutronen om een 3D-beeld te creëren.
Onder druk
De afbeeldingen toonden aan dat hoogwaardig beton explodeert vanwege dezelfde eigenschappen die het sterk maken: het heeft heel weinig poriën en die poriën zijn klein. Bij verhitting beweegt het in het beton opgesloten water weg van de warmtebron en verdampt het. Omdat het beton zo dicht en ondoordringbaar is, komen water en stoom vast te zitten. Omdat er geen manier is om de opbouw van druk af te blazen, blazen delen van het blok weg.
Zelfs wanneer de warmtebron wordt verwijderd, ontdekten de onderzoekers, kunnen de explosies nog steeds plaatsvinden totdat de interne druk daalt. In één experiment vloog een stuk beton naar de opnameapparatuur van de wetenschappers nadat de verwarming was uitgeschakeld en een onschuldige timer omver gooide.
De resultaten moeten wetenschappers helpen begrijpen hoe vocht beweegt tijdens catastrofale branden, schreven de onderzoekers vorig jaar in het tijdschrift Cement and Concrete Research.
