auteur ir. Edwin Vermeulen Cement&BetonCentrum Zes hypothesen uit Stutech-studiegroep Inzicht in biologis che aangroei van beton De afgelopen jaren is er een forse toename van zwartverkleuring van betonoppervlakken te zien. Deze verkleuring is goed zicht- baar bij geluidsschermen (foto 1) en kunstwerken. Ook zien we steeds vaker aangroei van mossen op beton en soms ook aantas- ting van het beton. Ontwikkelingen die voor Stutech aanleiding gaven tot het instellen van de studiegroep 'Biologische aangroei op beton'. Het doel van deze studiegroep, ingesteld in juni 2015, was vaststellen onder welke voorwaarden biologische aangroei op beton voorkomt en welke relatie dit heeft met de eigen- schappen van beton. De studiegroep heeft in oktober 2016 haar voorlopige bevindingen vastgelegd in een rapport. Biofilm Bij de zwartverkleuring van betonop- pervlakken denkt men meestal aan gewone vervuiling. In de buurt van wegen ligt vervuiling met roetdeeltjes voor de hand. Het milieu is echter de afgelopen decennia alleen maar scho- ner geworden, terwijl de huidige mate van vervuiling tot zo'n vijftien jaar geleden nog niet optrad. De zwartverkleuring moet dus een andere oorzaak hebben. Uit literatuur en uit onderzoek uitgevoerd ten behoeve van de Stutech-studie- groep blijkt dat de zwartverkleuring geen gewone vervuiling is, maar wordt veroorzaakt door een zogeheten biofilm. Een biofilm is een verzameling van micro-organismen, hoofdzakelijk bacte- riën, schimmels en algen, die zich als een dunne laag op het oppervlak bevindt. De micro-organismen zijn vaak ingebed in een door hun zelf geprodu- ceerde slijmlaag dat goed hecht aan het betonoppervlak. Biofilms hebben vocht en voedsel nodig om te kunnen groeien. Verder moeten er geen remmende factoren of stoffen Dag van de Betontechnologie Op de Dag van de Betontechnologie heeft Edwin Vermeulen een lezing gehouden over biologische aangroei op beton. Dit artikel is een afspiegeling van die lezing. 4 VAKBLAD I 4 2016 04_ Biologische_aangroei.indd 4 20-03-17 15:36 Inzicht in biologis che aangroei Stutech Studiegroep De Stutech Studiegroep 64 'Biologische aangroei' bestond uit de volgende leden: ? René Albers (ORCEM) ? Cees Cornet (Van den Bergh & Co) ? Mark van Hulten (Cugla) ? Wiljan de Moor (Movares) ? Marc Ottelé (Heijmans/TU Delft) ? Angelo Sarabèr (Vliegasunie) ? Nantko Speelman ? (APcon) ? Maarten Swinkels (SGS INTRON) ? Edwin Vermeulen (Van Nieuwpoort; initiatiefnemer) ? Ronald de Vree (rapporteur) ? Gert van der Wegen (Stutech-bestuur; mentor) ? John Zwijnenberg (KIWA) 1 Zwartverkleuring van geluidsschermen, foto Marc Ottelé 5 VAKBLAD I 4 2016 04_ Biologische_aangroei.indd 5 20-03-17 15:36 aanwezig zijn. Aan de hand van deze factoren kan worden verklaard waar en waarom biofilms op beton voorkomen. Biofilms komen overal in de natuur voor. Zo zijn biofilms de oorzaak van de kleurrijke afzettingen bij thermisch actieve gebieden en is tandplak ook een biofilm. Biofilms op regulier beton is echter een tamelijk recent verschijn-sel. En biofilms worden niet alleen op beton maar vrij recent ook op natuur- stenen monumenten (foto 2) aangetroffen. Biofilms kunnen de ondergrond waarop ze zitten aantasten, onder andere doordat biofilms zuren produceren. Bij tandplak resulteert de zuurvorming door de bac- teriën in gaatjes, maar biofilms kunnen zelfs roestvast staal aantasten. Het ligt daarom voor de hand dat ook beton niet ongevoelig is voor biofilms. Hypothese biologische aangroei en aantasting In het Stutech-rapport wordt een hypo- these gegeven die de waargenomen biologische verschijnselen en de aantasting van beton kunnen verklaren. De hypo- Nieuw vakgebied Biologische aantasting van beton kennen we al vele jaren vanuit specifieke omstandigheden zoals bij rioolbuizen. Ge- nerieke biologische aangroei en biologische aantasting van beton is echter een nieuw vakgebied aan het worden. Sinds het einde van de jaren negentig is er duidelijk sprake van een sterke toename van de hoeveelheid literatuur op dit gebied. Dat het een recent vakgebied is, blijkt ook uit het feit dat er pas in 2013 een RILEM-commissie is ingesteld die onderzoek doet naar de interactie tussen micro-organismen en cement- gebonden materialen. Deze commissie moet in 2018 een state-of-the-artrapport opleveren. Er werd door de Stutech- studiegroep geen complete verklaring of hypothese in de literatuur aangetroffen die alle bij beton waargenomen verschijnselen kan verklaren. 1980 19902000 20100 200 400 600 800 kton / jaar stikstofoxiden ammoniak zwaveldioxide 2 De Jefferson Memorial in Washington DC was in 2013 (links) nog wit maar is in 2016 volle- dig zwart verkleurd (rechts) 3 De uitstoot van verzu- rende stoffen is de afge- lopen decennia fors afgenomen waarmee de pH van het regenwater is gestegen [1] 6 VAKBLAD I 4 2016 04_ Biologische_aangroei.indd 6 20-03-17 15:36 these is gebaseerd op een literatuurstudie en op ? in het kader van de studiegroep ? uitgevoerd onderzoek. In een volgende fase wil de studiegroep met veld- en laboratoriumonderzoek de hypothese gaan toetsen. Deze toetsing zal echter niet eenvoudig zijn en sowieso de nodige tijd kosten. Het verdient daarom aanbeveling om voor uitvoering van nieuwe betonwerken en voor onder- houd van bestaande werken uit te gaan van deze hypothese en de in het rapport gegeven aanbevelingen voor preventie. Op herstel van door biologische aangroei aangetast beton wordt in het rapport niet ingegaan. De hypothese bestaat uit zes onderdelen die in het navolgende achtereenvolgens worden behandeld. 1. Schoner milieu Het milieu is de afgelopen decennia steeds schoner geworden. Zo is de emissie van zwaveldioxide gedaald van 1 miljoen ton in 1965 naar 60 000 ton in 2008. Maar ook de emissie van andere verzurende stoffen is in deze periode gedaald (fig. 3). Als gevolg hiervan is de pH van het regenwater gestegen van 4,0 à 4,5 in de eerste helft van de jaren tachtig naar 5,0 à 5,5 in 2008. Omdat het hier gaat om een logaritmische schaal is de hoeveelheid zuur in deze periode dus met een factor 10 afgenomen. Als gevolg hiervan kan een biofilm zich makkelijker hand - haven. Niet voor niets wordt voor het schoonhouden van terrassen, die steeds sneller zwart verkleuren, azijn(zuur) aanbevolen. Ook de hoeveelheid lood die in het milieu terechtkomt, is fors afgenomen. Dit zou een rol kunnen spelen in de toename van de biofilms. Verder zijn de winters zachter en natter geworden waarmee de groeifase van biofilms wordt verlengd. Welke van de genoemde factoren doorslaggevend is voor de toename in biofilms op beton staat niet vast, maar alle genoemde factoren bevorderen de groei van biofilms. Ook het aantal mossen en korstmossen in Nederlandse bossen is weer toegenomen door de afname van zure regen. 2. Meer voedsel Afbraakproducten van organische stoffen kunnen als voedingsbodem dienen voor met name schimmels. Hierdoor ontstaat er versneld een biofilm op het beton. Bij organische stoffen kan worden gedacht aan restanten van ontkis- tingsolie, curing compounds, (antigraffiti) coatings en plantaardig materiaal. Voor curing compounds is deze versnellende werking aangetoond. Met curing com- pound behandelde tegels kleurden na circa een maand zwart, terwijl niet- behandelde tegels na een jaar nog niet verkleurd waren (foto 4). 4 Verkleuring van beton- tegels mét (vooraan) en zónder (achteraan) curing compound (acrylaat), foto: Van Nieuwpoort 7 VAKBLAD I 4 2016 04_ Biologische_aangroei.indd 7 20-03-17 15:36 Uit microscopisch onderzoek is geble- ken dat de zwartverkleuring van de met curing compound behandelde tegels wordt veroorzaakt door schimmels (foto 5); op niet met curing compound behandelde tegels werden geen schim- mels aangetroffen. Door het toegenomen gebruik van curing compounds en wellicht ook door de verschuiving van minerale naar de makkelijker afbreekbare plantaardige ontkistingsolie, is er meer voedsel op het betonoppervlak beschikbaar voor de vorming van biofilms. Door het schonere milieu kunnen de biofilms zich vervolgens ook handhaven. 3. Aantasting door biofilms Biofilms kunnen volgens de literatuur beton op diverse manieren aantasten. Het gaat hierbij om zuuraantasting (alle micro-organismen vormen zuren), het onttrekken van mineralen uit de cementsteen en de indringing door schimmeldraden. Vooral schimmels zouden weleens zeer agressief kunnen zijn: uit laboratoriumonderzoek is gebleken dat schimmels onder ideale omstandigheden 2 mm per jaar van het betonoppervlak kunnen wegetsen. Tot slot houden biofilms het beton langer vochtig waarmee het risico op vorst- schade zou kunnen toenemen. Een biofilm is alleen actief als deze vochtig is. Bij een uitgedroogde biofilm vindt er dus ook geen zuurproductie plaats. Verder is de massa van een biofilm en daarmee de zuurproductie beperkt. Er wordt daarom veronder- steld dat een biofilm hoofdzakelijk esthetische schade oplevert en het beton maar zeer langzaam aantast. De aanwezigheid van een biofilm is echter wel een voorwaarde voor de afzetting van mossen en daarom een voorbode voor verdere aantasting. 4. Microbodem Een biofilm is een voedingsbodem en initiator voor de afzetting van andere organismen zoals mossen. Wanneer zich eenmaal een dichte begroeiing van mossen heeft gevormd, groeit de biofilm uit tot een microbodem. Plantaardige restanten van de mossen dienen hierbij als voedingsstof voor schimmels en andere micro-organismen. De micro - bodem is dikker en blijft mede door de mossen langer vochtig na een regenbui dan een biofilm. Door de grotere biomassa en door het langer vochtig blijven, wordt er door de microbodem aanzienlijk meer zuur geproduceerd dan door een biofilm. Hierdoor zal er ook sprake zijn van een aanzienlijk snellere aantasting. 5. Schade Door de aanwezigheid van een moskus- sen met microbodem blijft het beton langer vochtig na een regenbui. Hierdoor neemt de kans op vorstschade aanzien- lijk toe. Daarnaast is er de eerder beschreven aantasting door zuren uit de microbodem en door het onttrekken van mineralen uit de cementsteen. Verder is er sprake van indringing van schimmeldraden en hechtdraden van mossen in spleten en poriën. Er ontstaat dus schade (foto 6) door vorst en door fysische en chemische aantasting door bacteriën, schimmels en algen. 6. Oppervlaktekwaliteit De aantasting speelt zich af aan het betonoppervlak. De aantastingssnel- heid is daardoor afhankelijk van de kwaliteit van het betonoppervlak. De oppervlaktekwaliteit wordt beïnvloed door de betonkwaliteit, de afwerking en de nabehandeling. Het ligt voor de hand dat een hogere betonkwaliteit en een goede nabehan- deling resulteren in een dichter oppervlak en daarmee een betere weerstand 6 Betonschade: een com- binatie van (versnelde) vorstschade en biologi- sche aantasting 5 Diverse schimmels zijn de oorzaak van de zwartverkleuring van met curing compound behandelde betonte- gels, foto's: Laurens Sparrius 8 VAKBLAD I 4 2016 04_ Biologische_aangroei.indd 8 20-03-17 15:36 tegen de eerdergenoemde aantastings- mechanismen. Het dichtere oppervlak resulteert ook in minder aanbod van water voor micro-organismen. Hierdoor zal er minder snel een biofilm ontstaan. Hetzelfde geldt voor de afwerking: bij een ruw oppervlak kan er meer water op het oppervlak staan waardoor deze ook langer vochtig blijft. Op een glad betonoppervlak zal er daarom minder snel een biofilm ontstaan. Preventie De hypothese biedt tal van aankno- pingspunten voor het formuleren van preventieve maatregelen om aangroei en aantasting te voorkomen of te ver- tragen. In het navolgende staan de belangrijkste maatregelen: ? W erk het betonoppervlak glad af (een ruw oppervlak blijft langer vochtig). ? Gebruik geen curing compounds op oppervlakken die vochtig kunnen worden (tenzij ze worden bereden of belopen en daardoor schoon blijven). Er moet wel zeer zorgvuldig worden nabehandeld. ? V ermijd in vochtige milieus naast curing compounds ook zo veel mogelijk andere koolwaterstoffen zoals sommige antigraffiticoatings. Voorkom een overmaat aan ontkistingsolie. ? Er is een duidelijke relatie tussen de water-cementfactor en de vorming van een biofilm (fig. 7). Hanteer een lage water-cementfactor. Hoe lager de water-cementfactor, hoe dichter het betonoppervlak en daardoor hoe trager de vorming van een biofilm. De aantasting zal eveneens trager verlopen bij een lagere water-cementfactor. ? Gebruik een hydrofobeermiddel: het betonoppervlak wordt hierdoor minder vochtig. Het is wel van belang om een middel zonder koolstof te gebruiken, dus volledig op basis van silicium. Anders zou het middel, na te zijn uit- gewerkt, als voedingsbodem kunnen dienen en de vorming van een biofilm zo weer kunnen versnellen. ? Over weeg het oppervlak te 'keimen'. Dit is het behandelen van het opper- vlak met een silicaatverf (waterglas), wat het oppervlak dichter maakt en daarmee vermoedelijk minder gevoe- lig voor aangroei. ? Gebruik een cement met titaan - dioxide. Bij bestraling door uv-licht worden organische verbindingen aan het betonoppervlak dan afgebroken en met regenwater weggespoeld. Nadeel is dat voor deze zelfreinigende werking wel zonlicht nodig is. ? Gebruik een hulpstof die het beton beschermt tegen aangroei. Deze hulpstoffen, die nu worden aanbevo- len voor bijvoorbeeld beton voor rioolbuizen, bevatten zouten met antimicrobiologische werking. Wellicht volstaat een lage dosering voor beton in weer en wind. ? Zoals altijd is een zorgvuldige detail - lering belangrijk. Langdurig contact met water moet zo veel mogelijk worden voorkomen. Verder is het verstandig water zo veel mogelijk af te voeren langs zijden van het beton die niet in het zicht komen. Tot slot Het beschreven proces van vorming van een biofilm tot mosgroei en aantasting is een proces dat altijd en overal plaats- vindt. De omstandigheden zoals de eigenschappen van de ondergrond, vocht, voedingsstoffen en temperatuur bepalen de snelheid van dit proces van erosie. De omstandigheden voor beton zijn zodanig gewijzigd dat dit proces tegenwoordig aanzienlijk sneller ver- loopt dan circa vijftien jaar geleden het geval was. Alhoewel het proces nog niet volledig wordt begrepen, is het wel noodzakelijk nu reeds de juiste maat - regelen te nemen om ver vuiling en op termijn aantasting van beton te voor - komen. Literatuur [1] Zure regen. Een analyse van dertig jaar verzuringsproblematiek in Nederland, Planbureau voor de Leefomgeving (PBL), Den Haag/ Bilthoven, 2010. [2] Effects of concrete properties and nutrients on fungal colonization and fouling, International Biodeterioration & Biodegradation 63 (2009), 252-259, Elsevier Meer lezen Het studierapport 'Biologische aangroei op beton' is verkrijg- baar op www.stutech.nl. Meer over algen, mossen en korstmossen op beton staat in Betoniek 16/05 'Groen beton?'. Deze is beschikbaar op www.betoniek.nl. 30 40 50 60 70 Atlanta Gainesville LaGrange Savannah T.virideAverage 0 10 20 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 water-cementfactor biologische aantasting [%] 7 Hoe lager de water- cementfactor (wcf) hoe minder snel zich een biofilm zal ontwikke- len. In de legenda staan verschillende schimmelculturen die alle een duidelijke rela- tie met de wcf vertonen [2] 9 VAKBLAD I 4 2016 04_ Biologische_aangroei.indd 9 20-03-17 15:36