Dankzij een extreem dichte matrix, zeer hoge sterkte en uitzonderlijke duurzaamheid biedt ultra-hogesterktebeton (UHSB)  nieuwe ontwerpvrijheden. Technologie en technische vooruitgang ontwikkelen zich onophoudelijk door. Onderzoek met beton heeft onder andere deze zeer dunne en sterke betonvariant opgeleverd.

Ultra-hogesterktebeton is meer dan een evolutie van traditioneel beton; het is een kwalitatieve sprong. Door een nauwkeurig afgestemd mengsel, een extreem dichte microstructuur en de toepassing van staal- of kunststofvezels bereikt het materiaal druksterktes die een veelvoud zijn van normaal beton. Daarmee opent UHSB ongekende mogelijkheden.

Ultra-hogesterktebeton (UHSB) onderscheidt zich fundamenteel van conventionele betonsoorten door zijn uitzonderlijke materiaaleigenschappen. Met druksterktes die ruim boven conventioneel beton liggen, combineert UHSB een zeer hoge mechanische capaciteit met een extreem dichte microstructuur. Die hoge dichtheid maakt het materiaal vrijwel ondoordringbaar voor water en schadelijke stoffen. UHSB vertoont een uitstekende weerstand tegen chloride-indringing en andere aantastingsmechanismen. De basis voor deze prestaties ligt in de zeer lage water-cementverhouding die leidt tot een compact, homogeen beton met superieure sterkte- en duurzaamheidskenmerken.

Eén van de meest in het oog springende eigenschappen van  Ultra-hogesterktebeton is de zeer hoge druksterkte, die ver boven die van conventioneel beton en zelfs boven hogesterktebeton ligt (Meer informatie over hogesterktebeton lees je in ons artikel via de link: Hogesterktebeton: minder materiaal, meer prestaties. UHSB is een beton met een druksterkte die over het algemeen boven de 150 N/mm ² ligt. Bij sommige toepassingen kan dit zelfs richting de 250 N/mm² (of ook wel MPa) gaan. Ter vergelijking: de druksterkte van traditioneel constructief beton ligt tussen de 20 en 105 N/mm² (MPa), en hoge sterkte beton heeft een druksterkte van 105–150 N/mm ². Deze hoge druksterkte gaat vaak hand in hand met een verbeterde treksterkte, die over het algemeen 8 tot 15 % van de druksterkte bedraagt, wat ook een stuk hoger is dan bij traditioneel beton.

Naast de hoge druksterkte bezit UHSB een zeer hoge dichtheid, oftewel een lage porositeit. Porositeit bij beton zegt iets over de aanwezigheid van kleine holtes, of poriën, binnen de betonstructuur. Water, lucht en andere stoffen kunnen hierin doordringen, wat invloed heeft op de doorlaatbaarheid van het beton, en daardoor op de levensduur. Het is een maat voor de ‘lege ruimte’ in het materiaal en drukt een percentage uit van het totale volume. Een lagere porositeit leidt tot minder wateropname, wat schade door vorst, zouten en chemicaliën beperkt.

De porositeit van ultra-hogesterktebeton is extreem laag, slechts 1% tot 1,5%, in vergelijking met 10-12% voor normaal beton, omdat de samenstelling zorgt voor een zeer dichte korrelpakking. Dit lage poriegehalte is vergelijkbaar met bijvoorbeeld keramiek.

Het is uitstekend bestand tegen omgevingsinvloeden zoals bijvoorbeeld chloride-indringing. Chloride-ionen kunnen zich nauwelijks verplaatsen door het beton. De kans op chloride-geïnduceerde corrosie wordt hierdoor sterk gereduceerd.

Door de zeer dichte korrelpakking, en dus verminderde waterbehoefte, is de water-cementfactor (water-bindmiddelfactor (wbf)) zeer laag. Dankzij chemische en minerale hulpstoffen kan die lage factor worden bereikt zonder verlies aan verwerkbaarheid. Dit maakt uitzonderlijke prestaties mogelijk. De  typische water-cementfactor voor UHSB is 0,15 – 0,25, terwijl de bij traditioneel beton ligt bij +/- 0,45 – 0,60.

Het zeer gladde oppervlak van ultra-hogesterktebeton (UHSB), vooral bij prefab-toepassingen, is een direct gevolg van de samenstelling en verharding van het materiaal. Het oppervlak weerspiegelt (soms letterlijk) de uitzonderlijke kwaliteit van de betonmatrix. In prefab-productie worden vaak stalen of hoogwaardig kunststof mallen gebruikt, die de gladheid en detaillering verder versterken.  Dit heeft als voordeel dat het oppervlak spiegelglad en uniform is. Het levert scherpe hoeken en een fijne detaillering op en vaak is er geen nabehandeling nodig. Er is minder aanhechting van vuil, algen of graffiti. Dit zorgt voor beperkt onderhoud en eenvoudig reinigen en daardoor een langer behoud van de esthetiek.

Zoals gezegd komen de uitstekende prestaties van ultra-hogesterktebeton voort uit een geoptimaliseerde microstructuur en een innovatieve samenstelling van de verschillende componenten die worden gebruikt.

Bij ultra-hogesterktebeton worden zeer fijne toeslagmaterialen toegepast. De kenmerkende korrelgrootte bij de samenstelling van UHSB is kleiner dan 8 mm, en vaak zelfs kleiner dan  2–4 mm.

Voorbeelden van zeer fijne toeslagmaterialen zijn fijn zand of kwartszand. Er kan ook gebruikt worden gemaakt van ultrafijne vulstoffen als kalksteenpoeder, kwartsmeel of metakaolien. Daarnaast kunnen fijn gemalen slak of vliegas als toeslagmateriaal worden gebruikt. Staalzand en fijn basaltpoeder behoren ook tot de mogelijkheden, maar worden over het algemeen gebruikt bij meer specialistische UHSB-mengsels.

Silicafume of microsilica is een voorbeeld van fijn toeslagmateriaal. Het is een zeer fijn poeder, wel 100 tot 200 keer fijner dan cement en het werkt zowel chemisch als fysisch mee aan de dichte en sterke matrix van UHSB. Het is dan ook één van de belangrijkste componenten bij de samenstelling van ultra-hogesterktebeton. Silicafume is een bijproduct uit de silicium- en ferrosilicium-industrie.

Door de fijnheid van het materiaal vult het poriën op nanoniveau. Het vermindert de capillaire porositeit van de cementmatrix en het zorgt voor een sterkere hechting tussen toeslagkorrels. Zonder deze component zouden de uitzonderlijke eigenschappen van UHSB nauwelijks haalbaar zijn.

Superplastificeerders worden gebruikt voor de verwerkbaarheid bij een lage water-cementfactor. De lage water-cementfactor van UHSB zorgt voor een zeer stijf en moeilijk verwerkbaar beton en hier komen de superplastificeerders in beeld. Superplastificeerders verlagen de viscositeit, of stroperigheid van het beton, terwijl de water-cementfactor toch laag blijft. Hierdoor vloeit het beton goed in de mal en kan het zonder trillingen of  mechanische verdichting worden verwerkt. Voorbeelden van superplastificeerders zijn:

• Polycarboxylaatether (PCE)
• Naphthaleensulfonaat-formaldehyde (NSF)
• Melaminesulfonaat-formaldehyde (MSF)
• Gemodificeerde PCE’s

UHSB is van nature extreem sterk in druk, maar zoals elk beton bros in trek. Vezelversterking verandert dit gedrag fundamenteel. Staal- of kunststofvezels zijn hierbij een wezenlijk onderdeel om de trekweerstand en ductiliteit of vervormbaarheid van het beton aanzienlijk te verbeteren.

De inzet van vezels bij UHSB verhoogt de treksterkte en het overbrugt microscheuren mochten die ontstaan. Hierdoor kan het beton spanning blijven dragen na scheurvorming. Vezels zorgen ervoor dat het materiaal geleidelijk scheurt, wat de veiligheid en structurele betrouwbaarheid verhoogt. De treksterkte van UHSB met vezels kan 5 tot 10 keer hoger zijn dan bij normaal beton.

Er bestaan verschillende soorten vezels: Staalvezels zorgen voor een hoge treksterkte en zijn geschikt voor structurele toepassingen.

Kunststofvezels (polypropyleen, PVA) worden ook toegepast. Deze verminderen krimp- en temperatuurscheuren van het beton.

De vorm van de vezel heeft ook invloed op de vloeibaarheid van het beton. Wat betreft stroombaarheid (verwerkbaarheid) vertonen monsters met haakvezels de laagste waarden vergeleken met die met rechte vezels en golfplaten. Hakende of gedraaide vezels tonen een verbeterde bindingssterkte vergeleken met rechte vezels door verbeterde mechanische verankering.

Bij compacte packing, of korrelpakking gaat het om het optimaal samenvoegen van toeslagmaterialen, cement en vulstoffen om de dichtheid van de matrix te maximaliseren. Het is van belang om een optimale korrelverdeling te realiseren waarbij grof, fijn en ultrafijn materiaal elkaar aanvullen zodat minimale porieruimte overblijft.

Het gaat hier om mathematisch ontworpen mengsels, vaak samengesteld met behulp van particle packing models met als doel om zo veel mogelijk materiaal zonder lege ruimtes te creëren, wat leidt tot een bijna poreusvrije matrix. Lees hier meer over korrelpakkingsmodellen:  Korrelpakkingsmodellen: potentie voor cementreductie nog onderbenut – Cement&BetonCentrum

Door de zeer lage porositeit van ultra-hogesterktebeton vraagt de uitharding en nabehandeling bijzondere aandacht. Het beperkte capillaire netwerk bemoeilijkt interne vochtverplaatsing, waardoor onzorgvuldige curing kan leiden tot onvolledige hydratatie en het ontstaan van autogene krimp. Thermische nabehandeling wordt daarom vaak toegepast om het hydratatieproces te activeren en de beoogde mechanische en duurzaamheids­eigenschappen volledig te ontwikkelen.

Daarnaast is het essentieel om vochtverlies in een vroeg stadium te beperken, bijvoorbeeld door directe afdekking of het toepassen van curing compounds. Gecontroleerde curing, waarbij temperatuur en relatieve vochtigheid doelgericht worden gestuurd, vormt zo een cruciale randvoorwaarde om de hoge druksterkte, dichtheid en duurzaamheid van UHSB daadwerkelijk te realiseren.

Een mogelijk probleem voor ultra-hogesterktebeton is de blootstelling aan vuur of hoge temperaturen. UHSB is, zoals gezegd, veel dichter dan conventioneel beton door de lagere water/poederverhouding en het ontbreken van gevoerde lucht. De thermische geleidbaarheid is daardoor hoger dan dat van conventioneel beton. De toevoeging van polypropyleen (PP)-vezels kan helpen bij het beheersen van dit probleem

Ultra-hogestrektebeton wijkt af van de Europese en Nederlandse normering voor beton, die gaat tot maximale druksterkte van C100/115. Ook wordt er een lagere water-cementfactor dan in de normering gebruikt. Er is zowel in Europa als in Nederland nog geen regelgeving voor UHSB. Toch wordt het al veel vaker toegepast, vooral de zeer slanke balkonplaten zijn daar een bekend voorbeeld van. Dit is mogelijk doordat rapporten voldoende onderbouwd hebben dat UHSB een veilig materiaal is. Het heeft zich inmiddels overtuigend bewezen. Opdrachtgevers en gemeentes accepteren deze onderbouwing, dus dat hoeft geen belemmering te zijn voor toepassing in een project.

De hoge druk- en treksterkte van UHSB maakt het mogelijk om bouwelementen met dunnere doorsneden te ontwerpen, slankere constructies te bouwen en grotere overspanningen te realiseren. UHSB kan hogere belastingen opnemen en prefab elementen kunnen verkleind worden zonder verlies aan capaciteit.

Als voorbeeld kan men denken aan brugdekken van slechts enkele centimeters dik, lichtgewicht balkonplaten of slanke gevel- en gevelelementen.

Het totale materiaalgebruik kan dus significant lager uitvallen doordat het volume van het gebruikte beton minder is. Er is door de vezelversterking ook minder wapening nodig. Bovendien kan de hoeveelheid fijne toeslagmaterialen worden teruggebracht tot 30%, terwijl er geen grof toeslagmateriaal wordt gebruikt in UHSB. De lagere onderhoudsbehoefte gedurende de levenscyclus van het bouwproject maakt het gebruik van UHSB in veel gevallen ecologisch interessant. Dit kan verder ook leiden tot vermindering van sloopafval. Al met al heeft ultra-hogesterktebeton vanwege de verbeterde duurzaamheid, milieubewuste overwegingen het potentieel om een milieuvriendelijk materiaal te zijn.