Spaanse bacterie repareert beton van binnenuit

Het ziet eruit als bruine suiker, het goedje dat Henk Jonkers op de tafel in zijn werkkamer op de zesde verdieping in een gebouw van TU Delft strooit. Maar de korrels moet je vooral niet in de koffie gooien. Wel in beton, want daardoor repareert het zichzelf.

In de korrels zitten namelijk voedingstoffen en bacteriën die kalksteen uitscheiden en zo scheuren in beton kunnen dichten. Handig voor beton dat in waterrijke omgevingen wordt gebruikt. Maar dankzij de bacteriën is er in beton ook minder wapening nodig. Vijf kilo korrels in plaats van dertig kilo staal dat scheuren moet voorkomen. ,,De scheuren ontstaan wel, maar de bacteriën zorgen ervoor dat ze meteen weer dichtgaan.”
Microbioloog Henk Jonkers en zijn collega Erik Schlangen zijn de bedenkers van het zelfhelende beton. Jonkers studeerde mariene biologie in Groningen. Na zijn studie en promotie ging hij werken bij het Max Planck Instituut in Bremen. ,,Daar deed ik onderzoek naar de rol van bacteriën in het klimaat. Sommige scheiden broeikasgassen uit, anderen weer stoffen die dat tegengaan. Daar deed ik fundamenteel onderzoek, dus zonder het per se toe te kunnen passen.”

Italianen met pasta voor monumenten

Na zeven jaar Bremen werd Jonkers benaderd door collega-wetenschapper Erik Schlangen van de TU Delft. ,,Hij had een artikel gelezen over Italianen die een pasta met bacteriën op beschadigde monumenten smeerden om een nieuwe laag kalksteen erop te krijgen. Hij vroeg zich af of zoiets ook mogelijk zou zijn bij de productie van beton. Dus geen laag erop smeren, maar bacteriën hun werk van binnenuit laten doen. Dat had nog nooit iemand gedaan.”
Jonkers stapte in 2006 over naar de TU Delft en ging samen met zijn collega aan de slag. ,,Het was lastig om een voedingsstof te vinden die geen negatief effect heeft op de kwaliteit van het beton. Bacteriën zijn gek op suiker, maar dat zorgt er in beton voor dat het niet goed kan uitharden. Dus dat was ongeschikt.”
Toen de microbioloog in Delft begon wist hij niets van beton. ,,Erik wel, maar die wist weer niks van bacteriën. Het ontwikkelen was een proces van trial and error. Dus gewoon proberen en kijken of het werkt.”
 

Bacteriën uit Spanje en Rusland

De Italiaanse bacteriën bleken niet geschikt om te verwerken in beton. ,,Een betonmengsel is sterk alkalisch, heeft dus een hoge pH-waarde en daar bleken ze niet tegen te kunnen.” Het viel niet mee om de juiste micro-organismen te vinden. ,,Je kunt wel allerlei soorten bacteriën bestellen, maar in de natuur heb je veel meer soorten. Zo ben ik naar Spanje geweest om materialen te zoeken die analogie hadden met beton in de hoop daar de juiste bacteriën in aan te treffen. Ook kreeg ik van een Russische collega zandsteen uit een alkalisch meer opgestuurd.”
Met een heel spectrum aan bacteriën ging Jonkers aan de slag. ,,Je stelt de bacteriënsoorten bloot aan verschillende eigenschappen. Je maakt de pH-waarde 11 en ziet welke bacteriën het daar goed op doen. Met die selectie ga je weer verder totdat je uitkomt bij soorten die ook in beton overleven.” Dat werd uiteindelijk een bacterie die Jonkers meenam uit een stuk mineraal uit Noord-Spanje, verwant aan de soort Bacillus cohnii. ,,Je kunt deze bacterie ook vinden in stof dat de hele wereld over waait, maar daarin komt het alleen in lagere aantallen voor.”

Lactaten

De voedingsstoffen die erbij gaan zijn lactaten, bijvoorbeeld calciumlactaat. ,,Als je de juiste dosering toevoegt, repareert het krimpscheuren in het beton. Je vervangt een klein deel van het zand in het mengsel door de korrels. Zo verspreiden die zich door het beton.” Lactaat wordt op industriële schaal gemaakt door bacteriële fermentatie van suiker of zetmeel. De suiker en zetmeel zijn afkomstig van bijvoorbeeld suikerbiet of mais. 
In het verse betonmengsel houden de sporen van de bacteriën zich nog gedeisd omdat de pH-waarde te hoog is. ,,Maar als het is uitgehard kunnen ze wel actief worden. Dat gebeurt als er water in de scheur komt. Dan komen ze in actie, voeden zich met het lactaat en poepen kalksteen uit, waarmee de scheur wordt gedicht. Dat is niet heel sterk, dus niet constructief, maar wel waterdicht.”
Scheuren in beton ontstaan tijdens het maakproces. Wanneer het beton uithardt stijgt de temperatuur en zet het materiaal uit. Wanneer het uitharden grotendeels achter de rug is, daalt de temperatuur en wil het beton krimpen. Daardoor ontstaan scheurtjes. Met krimpnetten van staal kan de scheurvorming worden beperkt.

Azië en Midden-Oosten open-minded

TU Delft  is de markt op gegaan met de vinding. Start-up en inmiddels scale-up Basilisk doet volgens Jonkers goede zaken in vooral Azië en het Midden-Oosten. In West-Europa is er wel belangstelling, maar blijft het aantal toepassingen beperkt. Jonkers: ,,In Azië en het Midden-Oosten zijn ze veel meer open-minded en sneller bereid om innovaties in te voeren. Dat is in West-Europa minder het geval.”
Volgens Jonkers zou de overheid innovaties moeten stimuleren door daar een klein percentage van de aanneemsom voor te reserveren. ,,Anders is er geen enkele reden voor een aannemer om innovaties toe te passen. Als hij de iets duurdere innovaties zou gebruiken, maakt hij minder kans op de opdracht.”

Hoge staalprijs

De hoge staalprijs is overigens wel gunstig voor innovaties als het zelfhelende beton. De kosten voor grondstoffen voor dat innovatieve product stijgen maar beperkt. De benodigde bacteriën zijn eenvoudig te kweken en niet duur, het lactaat zou nog wel wat in prijs kunnen stijgen. 
Inmiddels zijn onderzoekers van de TU Delft aan het kijken of de voedingsstoffen voor de bacteriën in het beton gewonnen kunnen worden uit afvalwater. ,,In principe worden voor de productie van lactaat producten gebruikt die ook geschikt zijn als voedsel. Het zou daarom beter zijn om afvalwater te gebruiken als bron voor lactaat. Bovendien is het goedkoper, in ruime mate beschikbaar en natuurlijk meer circulair.”