Bentoniet

Bentoniet fungeert in de bouwsector als een krachtig afdichtings- en stabilisatiemiddel. De microscopische gelaagde structuur van de kleideeltjes maakt het mogelijk om enorme hoeveelheden water tussen de molecuulflanken vast te houden. Hierdoor kan de klei tot wel tien keer zijn eigen droge volume aannemen. Wanneer de klei verzadigd is, vormt het een barrière waar water vrijwel niet meer doorheen dringt. Men noemt het ook wel zwelklei. Het is thixotroop; in beweging gedraagt het zich als een vloeistof, maar in rust vormt het een stijve gel die wanden van een uitgraving tijdelijk kan stutten.

In de praktijk start de verwerking vaak met het aanmaken van een bentonietsuspensie, waarbij het poeder intensief met water wordt vermengd tot een homogene vloeistof. Bij de constructie van diepwanden of funderingspalen wordt deze suspensie direct in de ontgraving gepompt. De vloeistof oefent een hydrostatische druk uit op de wanden van de sleuf. Hierdoor blijft de uitgraving stabiel zonder mechanische ondersteuning. Tijdens dit proces vormt zich aan de raakvlakken met de omliggende grond een zogenaamde filterkoek; een dunne, dichte laag die indringing van de vloeistof in de bodem minimaliseert. In de boortechniek fungeert het mengsel als spoelmedium dat losgekomen boorgruis naar het maaiveld transporteert, terwijl het tegelijkertijd de boorkop koelt.

Filterinstallaties scheiden bovengronds het gruis van de vloeistof. Hergebruik is hierbij gebruikelijk. Bij afdichtingswerken, zoals bij kelders of tunnelconstructies, wordt het materiaal dikwijls toegepast in de vorm van bentonietmatten of zwelstrips. Deze worden droog aangebracht tegen de constructiedelen. Wanneer het mineraal vervolgens in contact komt met grondwater, treedt de expansie op binnen de opgesloten ruimte. De opgebouwde druk zorgt voor een volledige afsluiting van naden en kieren. In de civiele techniek wordt het ook ingezet voor het injecteren van bodemlagen om waterstromen te sturen of funderingen te consolideren.

Natuurlijk natriumbentoniet versus calciumbentoniet

Niet alle bentoniet is gelijk. In de natuur maken we een fundamenteel onderscheid tussen de natrium- en calciumvarianten, waarbij de onderlinge verhouding van kationen in het kristalrooster de zwelcapaciteit bepaalt. Natriumbentoniet is de krachtigste soort. Het bezit het unieke vermogen om enorme hoeveelheden water te absorberen en kan tot wel tien keer het eigen volume aannemen. Men treft dit type voornamelijk aan in specifieke afzettingen in de Verenigde Staten, zoals in Wyoming. Calciumbentoniet daarentegen vertoont een veel lagere zwelgraad en vormt minder stabiele suspensies. Voor bouwtechnische toepassingen wordt deze variant vaak industrieel 'geactiveerd'. Door toevoeging van natriumcarbonaat (soda) vindt er een ionenwissel plaats, waardoor de klei alsnog de gewenste thixotrope eigenschappen krijgt die nodig zijn voor diepwanden en boorspoelingen.

Van los poeder tot geprefabriceerde matten

In de praktijk wordt bentoniet zelden louter als ruwe grondstof verwerkt. Het aanbod varieert per toepassing. Voor het aanmaken van boorspoelingen en steunvloeistoffen gebruikt men fijn gemalen poeder, geleverd in silo’s of bigbags. Bentonietmatten, in de civiele techniek bekend als Geosynthetic Clay Liners (GCL), vormen een industrieel alternatief voor dikke kleilagen. Deze matten bestaan uit een laag bentoniet die tussen twee lagen geotextiel is ingesloten en mechanisch is vernald. Ze bieden een constante dikte. Zelfherstellend vermogen is hun grootste troef; kleine beschadigingen doorboren de barrière niet permanent omdat de klei de gaten simpelweg 'dichtzwelt'. Voor constructieve naden in betonwerk past men zwelstrips toe. Dit zijn hybride profielen van rubber of kunststof vermengd met bentoniet, die specifiek zijn ontworpen om stortnaden waterdicht te maken onder invloed van hydrostatische druk.

Bentoniet versus bariet en gewone klei

Vaak wordt bentoniet verward met bariet, een ander veelgebruikt additief in de boortechniek. Het verschil is cruciaal. Bariet is een zwaar mineraal dat puur dient om de dichtheid van de vloeistof te verhogen, terwijl bentoniet voor de structurele stabiliteit en viscositeit zorgt. Ook het verschil met reguliere bouwklei of leem is groot. Gewone kleisoorten bevatten weliswaar fijne deeltjes, maar missen de specifieke gelaagde montmorilloniet-structuur die de extreme expansie mogelijk maakt. Zonder deze microscopische architectuur kan een materiaal nooit een thixotrope gel vormen die wanden van een metersdiepe sleuf tegen de gronddruk in overeind houdt.

Een boorploeg voert een horizontale gestuurde boring uit onder een drukke spoorlijn. De grond ter plaatse bestaat uit los, instabiel zand. Zonder de constante injectie van een bentonietsuspensie zou het boorgat direct inklappen onder het gewicht van de bovenliggende infrastructuur, met een catastrofale verzakking van de rails tot gevolg. Hier fungeert de vloeistof als een onzichtbare, hydraulische tijdelijke bekisting die de stabiliteit waarborgt terwijl de leiding wordt getrokken.

In de kelderbouw openbaart de kracht van het mineraal zich bij een lekkende stortnaad. Water sijpelt door een kritieke aansluiting tussen de vloer en de wand. Indien hier een bentoniet-zwelstrip is opgenomen, reageert deze direct op de indringer. Het materiaal absorbeert het vocht en zet krachtig uit. De klei perst zich in de kleinste poriën en onregelmatigheden van het beton. De lekkage stopt niet door een lijmverbinding, maar door de pure fysieke tegendruk van het expanderende mineraal.

Bij de aanleg van een grootschalig waterreservoir op een doorlatende zandbodem wordt vaak gekozen voor bentonietmatten. Tijdens het uitrollen lijkt het een stugge deken. Zodra de bak wordt gevuld, verzadigt de kleikern. Er vormt zich een gelachtige laag die zichzelf herstelt; mocht een scherp voorwerp de mat tijdens de bouw hebben doorboord, dan vloeit de zwellende klei simpelweg in het gat om het defect te dichten. Dit zelfhelende vermogen maakt het superieur aan traditionele kunststoffolies in ruwe bouwomstandigheden.

Binnen de Nederlandse wetgeving valt het gebruik van bentoniet in de bodem onder de Omgevingswet en het bijbehorende Besluit bodemkwaliteit (Bbk). Omdat bentoniet als een minerale stof wordt beschouwd die aan de bodem wordt toegevoegd, moet het voldoen aan strikte milieu-hygiënische eisen. Verontreiniging van het grondwater is uit den boze. Bij grootschalige projecten zoals diepwanden of horizontale boringen is een melding bij het bevoegd gezag vaak noodzakelijk. Het materiaal mag de chemische kwaliteit van de ontvangende bodem niet verslechteren.

Normen voor geotechnische uitvoering

De technische voorschriften voor het werken met bentonietsuspensies zijn vastgelegd in specifieke Europese normen. NEN-EN 1538 beschrijft de uitvoering van diepwanden. Hierin staan de parameters voor de steunvloeistof nauwkeurig gedefinieerd; denk aan de viscositeit, het zandgehalte en de filtratie-eigenschappen. Voor funderingspalen geldt de NEN-EN 1536. Deze normen waarborgen dat de vloeistof de wanden voldoende stut tijdens de ontgraving. Geen natvingerwerk, maar gemeten waarden. Bij het gebruik van bentonietmatten als bodembeschermende voorziening wordt vaak verwezen naar de BRL 1101, die de kwaliteitsborging van deze Geosynthetic Clay Liners reguleert. In de boorwereld zijn bovendien lokale waterschapskeuren relevant. Vooral wanneer boringen nabij waterkeringen plaatsvinden, gelden er strenge regels om zogenaamde 'blow-outs' — het onbedoeld uittreden van boorspoeling — te voorkomen.

De naam bentoniet voert terug naar Fort Benton in de Verenigde Staten. Hier werd de klei eind negentiende eeuw voor het eerst wetenschappelijk beschreven. Het is in de basis miljoenen jaren oude vulkanische as. Door verwering in een zilt milieu veranderde deze as in het mineraal montmorilloniet. De commerciële opmars begon pas echt in de jaren twintig van de vorige eeuw binnen de olie-industrie. Men zocht naar een effectief middel om boorgaten te stabiliseren en blow-outs te voorkomen. Het werkte. Al snel volgde de civiele techniek. In de jaren vijftig vond in Milaan de eerste grootschalige toepassing van de diepwandtechniek plaats waarbij bentoniet als steunvloeistof fungeerde. Dit markeerde een fundamentele omslag in de stedelijke infrastructuurbouw. Diepe ontgravingen direct naast bestaande bebouwing werden plotseling technisch haalbaar zonder zware mechanische stempelsystemen. Waar men voorheen afhankelijk was van zeldzame natuurlijke natrium-afzettingen uit Wyoming, maakte de opkomst van industriële activatie in de jaren zestig en zeventig het product wereldwijd breed inzetbaar. De ontwikkeling van Geosynthetic Clay Liners (GCL) in de jaren tachtig verving vervolgens de dikke, arbeidsintensieve kleidichtingen door dunne, fabrieksmatig gecontroleerde matten. Van een ruwe delfstof evolueerde het tot een technisch geprefabriceerd hulpmiddel dat de moderne tunnel- en kelderbouw domineert.

• https://www.joostdevree.nl/shtmls/bentoniet.shtml
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Bentoniet
• https://www.bofram.nl/wat-is-bentoniet/
• https://www.royaleijkelkamp.com/nl/producten/monitoring/peilbuizen/bentoniet-en-filterzand/
• https://www.joostdevree.nl/shtmls/bentonietmat.shtml
• https://forums.invantive.com/t/vastgoedterminologie-definitielijst-b/696