Betonmast

Kleine tot middelgrote mastposities hoeven niet altijd vakwerk- of buisconstructies te zijn. Met name voor middenspanning zijn betonnen masten en stobiepalen populair.

Betonnen masten zijn vooral bekend van toepassingen bij relatief lagere spanningen. Een paal van zes tot ongeveer twintig meter wordt dan gebruikt om circuits aan op te hangen voor spanningen tussen ongeveer 10 en 70 kV. Bij lagere spanningen worden ze ook wel eens gebruikt, maar daar is hout populairder (de bekende houten palen voor laag- en middenspanning). Het kunnen palen zijn waar een metalen bovenkant op zit waar men de draden aan afspant, maar er zijn met name in Duitsland ook ontwerpen in gebruik met betonnen traversen die eruitzien als een balk met een gat in het midden, die van bovenaf gewoon om de ronde mast worden geschoven.

   

Betonnen masten worden vooral voor middenspanning en tussenspanning gebruikt. Links een betonnen driehoeksmast voor 63 kV in Frankrijk. Rechts een middenspanningspaal voor 15 kV in België. In Nederland komen betonnen masten niet voor. Foto’s door Tom Börger en Bavo Lens.

Slingermal, stobiepaal of trilbeton

Beton is een goedkoop en sterk bouwmateriaal. Hoewel het vooral bekend is van toepassing bij fundamenten, verhoogde opstelling in natte gebieden of van fundaties, kan je er ook de gehele mast van maken. Bij palen voor middenspanning kan men de toren een licht tapse, rechthoekige vorm geven waarbij er wordt voorzien in een soort treden in de zijwand zodat hij makkelijk te beklimmen is voor onderhoud. Ook gaat beton niet rotten als het vochtig is, het is ongevoelig voor spechten en insecten, het kan niet in brand gaan bij een berm- of prairiebrand en je hoeft het ook niet te impregneren met creosoot of in te smeren met verf zoals een metalen mast dat nodig heeft.

Betonnen kokermast, klaar om neergezet te worden. In dit geval is het eentje van fabrikant Europoles die in een slingermal is gefabriceerd uit één stuk. Foto door Bavo Lens.

Massaproductie van kleine exemplaren gaat low-tech. Men maakt ze in een fabriek gewoon in een mal, waarbij aan praktische dingen kan worden gedacht zoals hijsogen, meegegoten typeplaatjes en soms ingegoten metalen bevestigingsplaten voor traversen. In een mal wordt de wapening gelegd of gestoken, vervolgens giet men er beton omheen en dat mag een poosje uitharden terwijl men de mal hoogfrequent laat trillen zodat alle luchtbelletjes eruit verdwijnen en het beton in dichtheid en sterkte toeneemt. Dit zogeheten trilbeton mag dan een tijdje uitharden (enkele dagen tot weken) en dan kan de paal kan op transport naar de plek van bestemming.

‘Spun concrete’: high-tech gieten

Fabricage van grote betonnen masten is een opvallende wereld van verschil met kleine palen. Het is verre van eenvoudig. Een betonnen mast van vijfentwintig meter uit één stuk wordt gemaakt met een methode wordt gekend als spun concrete, iets waar geen goed Nederlandstalig woord voor is en dat nog het meest lijkt op roteren of slingeren in een mal. In een ronde tapse mal wordt een ronde, holle kooi wapening gestoken. Deze wapening wordt onder een grote trekspanning gezet zodat de hele wapeningskooi een stukje uitrekt, zogeheten voorspannen. Dan wordt de mal gesloten en wordt er hogesterktebeton in gegoten. Lang niet genoeg om de mal te vullen, want de mast moet hol zijn, maar wel genoeg om de wapeningskooi in te sluiten. Vervolgens wordt de hele mal in een rotatiemachine gebracht en enige tijd met grote snelheid om zijn lengteas rondgedraaid. Er moet 10 tot 30 g centrifugaalkracht worden uitgeoefend om de wand gelijkmatig te maken en luchtbelletjes te voorkomen.

Hoe lang er gedraaid moet worden is onduidelijk, het is het geheim van de smid van de fabrikant. De een meldt acht tot vijftien minuten, anderen hebben het over vele uren. Tijdens dit rotatieproces ontstaat een buisvorm met het beton tegen de buitenwanden waarin de voorgespannen wapeningskooi ingebed raakt. In het midden ontstaat een holte. Pas na honderdduizenden rondjes is het beton hard genoeg om de mal langzaam tot stilstand te brengen. De kersverse mast met mal en al wordt dan minstens 24 uur in een verwarmde kamer geplaatst (vijftig graden) om het hardingsproces te optimaliseren. Pas daarna kan de mal worden geopend en de voorspanning op de wapening wordt opgeheven, zodat de spanning op het beton kom te staan. Je hebt nu een kokerpaal die goed tegen drukkrachten en trekkrachten kan.

      

Betonnen mast voor 15 kV (zadelmast, links), 30 kV (donaumast, midden) en een afspanportaal voor wederom 15 kV (rechts). De middelste mast is volledig van beton (ook de armen), maar de andere twee maken gebruik van een stalen bovenbouw. Foto’s door Tom Börger, Hans Nienhuis en Bavo Lens.

Spun concrete is een fraai proces, maar het is niet iets dat iedere betongieter beheerst zodat het alleen door specialistische fabrikanten wordt gedaan. In Europa is Europoles hierin een grote naam. Zoals je raden kan, een mast gemaakt in een rotatiemal heb je niet voor twee tientjes en het is een heel groot object uit één stuk. Transport en plaatsing zijn een pittige klus, want de mast is zwaar (want beton) en het is niet mogelijk om zo’n mast te verlengen. Hij moet voor iedere toepassing van tevoren op maat worden gemaakt.

Stobiepaal

Een derde veelgebruikt masttype is een zogeheten stobiepaal. Daarbij bevindt de metalen wapening van de betonmast zich aan de buitenzijde in de vorm van stalen hoekijzers met (onzichtbaar) naar binnen wijzende kromme ankertjes waar het beton tussenin wordt gegoten. Deze productiemethode (uitgevonden in Australië door James Cyril Stobie, waar de paal zijn naam aan dankt) levert masten op die eigenlijk gewoon zijn op te vatten als sterk uitgerekte stelconplaten. Stobiepalen kunnen dunner en ijler worden gemaakt dan traditionele betonnen masten omdat de hoekijzers aan de zijkant voorkomen dat het beton op trek wordt belast. Ze gaan daardoor ook langer mee, maar het ijzer zit aan de buitenkant in weer en wind zodat het tegen roest en ander ongemak moet worden beschermd.

Betonnen masten voor een 110 kV-lijn in de Ardennen, bij hoek- en afspanposities uitgevoerd als bipole. De paal is van beton (met een flens met bouten die is ingegoten in het beton) en de traversen zijn van gegalvaniseerd staal. Foto door Tom Börger

Een gat in het formaat

Soms zien we zware modellen betonmasten tot in het bereik van 110 kV komen, maar daar zit min of meer de bovengrens aan betonnen masten omdat ze bij dit soort spanningen erg zwaar en lomp worden. Een betonmast vereist een sterkere hijskraan dan een stalen buismast van vergelijkbare omvang, of laat staan een vakwerkmast. Ook een helikopter biedt bij dit soort mastgewichten al snel geen oplossing meer.

   

Betonnen zadelmasten op een Belgisch industriegebiedje, waar zelfs pylon geeks niet warm voor lopen. Het kan een deplorabele indruk geven. Rechts: een Italiaanse middenspanningsmast waarbij twee betonnen palen via een schuifblok en een topstuk aaneen zijn geklonken tot een soort A-paal. Foto’s door Bavo Lens en Hans Nienhuis.

In Nederland waren er voorzichtige plannen om de derde generatie wintracks deels van beton te maken, waarbij de constructiewijze met ringen en trekkabels gebruikt zal gaan worden. Omdat die ringen een zeker formaat moeten hebben voordat het zogezegd ‘ergens op slaat’ werkt dit alleen bij grote tot zeer grote mastmaten. Per saldo blijft er dus een gat over waar beton geen dekking heeft: precies daar waar een massief betonnen mast te groot en te zwaar wordt, maar waar het mastlichaam toch nog weer te klein is voor gestapelde ringen met trekkabels.

Wie genoeg lef heeft (of een gebrek aan hoekijzers, we zullen het nooit weten) kan met beton ook mastconstructies bouwen die vanaf enige afstand veel gemeen hebben met vakwerkmasten. In Kroatië (omgeving centrale Plomin) hebben ze dat uitgeprobeerd met een delta-ontwerp. Inmiddels is de verbinding alweer verlaten omdat de masten problemen kregen met betonrot, maar ze staan nog wel als relicten in de heuvels.

   

Vakwerkmasten van beton? Het kan. Deze inmiddels verlaten mastconstructies in Kroatië zien er vanaf enige afstand uit als metalen vakwerkmasten, maar bij nader inzien blijken ze van top tot teen van beton te zijn. Hoe men ze in elkaar gezet heeft zal wel voor altijd een raadsel blijven. Foto’s door Bas van Duijnhoven.

Verrassend korte levensduur

Beton is steen en dat klinkt als iets dat voor de eeuwigheid is. Beton vergaat ook niet zoals houten palen dat doen op de overgang naar de grond en de verf kan er ook niet afbladderen. Toch is het niet zo dat een betonnen mast vele eeuwen zou kunnen blijven staan. Sterker nog, een betonmast gaat gemiddeld zelfs korter mee dan vakwerkmasten. Het woord viel zojuist al hierboven: betonrot.

De betonnen paal staat in de zon, in de regen, in de vorst en op plekken aan zee ook in het zout. Temperatuur is de grootste boosdoener. Op een hete zomerdag wordt een stalen mast gloeiend heet (je kan je handen eraan branden) maar omdat staal een goede warmtegeleider en een éénvormig materiaal is, verspreidt de hitte zich snel door het hele mastlichaam. Vakwerkmasten worden gelijkmatig heet en gelijkmatig koud door de dag heen. Voor buismasten geldt dat in wat mindere mate, omdat de warmte naar de schaduwzijde van de buis moet worden geleid en dat is een langere weg. Een buismast trekt dan een beetje scheef van de zon af omdat de warme zijde uitzet alsof het een bimetaal is. Maar ook bij de buismast geldt dat dit effect klein is.

Betonnen mast met beginnende scheurvorming. Zichtbaar zijn de verticale barstjes die na enkele tientallen jaren in het mastlichaam verschijnen. Het is het begin van het einde, hoewel dat einde nog wel twee decennia kan duren. De barstjes worden pas gevaarlijk als de wapening wordt bereikt. Foto door Bavo Lens.

Beton geleidt warmte slecht en het materiaal is massief of in ieder geval dik. Verder kan beton goed tegen druk, maar slecht tegen rek. Dat is precies het omgekeerde van het ijzer in de wapening. Normaal gesproken vullen het beton en de wapening elkaars zwakke punt aan, maar als het beton krimpt en uitzet ontstaan er haarscheurtjes in het materiaal. De eerste jaren valt dat wel mee, maar na een jaar of dertig, veertig, begint het zijn tol te eisen. Het massieve stuk beton verandert langzaam in een stel losse brokken die door de wapening bijeen worden gehouden. Water in de scheurtjes bevriest en zet uit. Ook zorgt het voor chemische verwering. Wanneer de scheurtjes de betonwapening zelf bereiken zal roest en betonrot ontstaan. De mast verliest zijn sterkte, wordt brokkelig en zal uiteindelijk bezwijken als hij niet vervangen wordt.

De precieze gevoeligheid voor veroudering hangt af van de betonkwaliteit en de constructiewijze: simpele palen uit gietmallen zijn gevoeliger voor scheurvorming dan spun concrete. Ook stobiepalen zijn er minder gevoelig voor dan massief gegoten vierkante palen. Maar uiteindelijk gaan vrijwel alle betonnen masten korter mee dan een mens, terwijl een vakwerkmast en ook een goed onderhouden buismast bijna oneindig lang kan blijven staan als hij goed wordt geverfd.