Druk. Tijd. Een onzichtbare transformatie diep onder de oppervlakte. De vorming van kleisteen begint bij de accumulatie van fijn sediment in uiterst rustige wateren waar de stroming nagenoeg stilvalt en de deeltjes de kans krijgen naar de bodem te dwarrelen. De zwaartekracht regeert hier. Naarmate nieuwe lagen zich opstapelen, neemt de verticale last toe en wordt het poriewater met brute kracht naar bovenliggende strata geperst waardoor de volumeafname aanzienlijk is. Compactie vormt slechts de eerste fase.
Chemische processen nemen het stokje over zodra mineralen uit de resterende vloeistof kristalliseren en als een natuurlijk cement de kleideeltjes aan elkaar smeden. Dit proces van cementatie wist de oorspronkelijke sedimentaire gelaagdheid vaak bijna volledig uit. In de praktijk, tijdens graafwerkzaamheden of funderingsherstel, openbaart dit zich in een massief gedrag waarbij het gesteente niet in dunne schilfers uiteenvalt maar in grillige, hoekige brokken breekt. Het materiaal vertoont een isotroop karakter. Het reageert star op mechanische belasting. Geen zwakke splijtvlakken die de richting van de breuk dicteren tijdens het boren of graven.
Bij grondmechanisch onderzoek uit deze massieve structuur zich in een kenmerkende weerstand tegen penetratie. Het gesteente brokkelt onder hoge spanning. Dit gedrag is essentieel bij het bepalen van de stabiliteit van boorgaten of de draagkracht van diepe funderingen in sedimentaire bekkens. De hechting tussen de deeltjes is onomkeerbaar en verschilt fundamenteel van de plastische vervorming die bij niet-versteende kleilagen optreedt.
De term kleisteen wordt in de praktijk vaak breed gehanteerd, maar valt strikt genomen onder de verzamelnaam mudrocks. Het onderscheid met siltsteen is cruciaal voor de geotechnicus. Waar kleisteen hoofdzakelijk uit deeltjes kleiner dan 4 micrometer bestaat, is siltsteen grover en voelt het bij een handmatige test korrelig aan. Een simpele knarstest — een klein brokje tussen de tanden wrijven — geeft direct uitsluitsel: kleisteen voelt glad, siltsteen is zandig.
Een veelgemaakte fout is het synoniem gebruiken van schalie (shale). Hoewel de samenstelling identiek kan zijn, mist kleisteen de kenmerkende fissiliteit. Het heeft geen splijtvlakken. Het breekt massief. Dit gebrek aan gelaagdheid maakt kleisteen in sommige civieltechnische situaties stabieler dan schalie, omdat er geen zwaktezones zijn waarover blokken kunnen glijden.
Afhankelijk van de chemische omgeving tijdens de diagenese ontstaan specifieke varianten. De binding van het gesteente varieert sterk.
Argilliet vormt de overgang tussen sedimentair gesteente en metamorf gesteente. Het is een verder gecompacteerde variant van kleisteen. De porositeit is minimaal. De hardheid maximaal. In tegenstelling tot kleisteen is argilliet niet meer gevoelig voor zwelling bij contact met water. Het gesteente is door de enorme lithostatische druk bijna volledig herkristalliseerd. Voor funderingen op staal biedt argilliet een superieure draagkracht, maar voor graafwerkzaamheden vereist het zwaarder materieel zoals hydraulische beitels. Het laat zich niet zomaar wegplukken met een graafbak.
Een diepe bouwput in een sedimentair bekken. De graafmachinist merkt dat de bak niet meer soepel door de grond snijdt. Hij trekt geen gladde plakken klei omhoog, maar stuit op een weerbarstige, grijze massa die in grillige brokken uiteenvalt. Dit is geen schalie; de kenmerkende gelaagdheid ontbreekt volledig. Het materiaal breekt onregelmatig. Bijna zoals uitgeharde stopverf die te lang in de zon heeft gelegen. Tijdens het storten van een betonfundering op deze laag fungeert de kleisteen als een solide, onsamendrukbare basis, mits de chemische verwering nog niet heeft toegeslagen.
In een vers getrokken boorkern zie je een massieve cilinder met een glad oppervlak. Geen natuurlijke breekpunten te bekennen. Sla je er met een geologenhamer op? Dan spatten de scherven alle kanten op in plaats van dat het gesteente netjes in plakjes verdeelt. Dit isotrope gedrag maakt de stabiliteitsberekening voor een damwand in dit type ondergrond overzichtelijker, omdat de sterkte in elke richting nagenoeg gelijk is.
Een vers uitgegraven talud langs een nieuwe rijksweg. De blootgelegde kleisteen lijkt in eerste instantie een onverwoestbare rotswand. Maar schijn bedriegt. Na een seizoen vol regen en vorst zie je de buitenste laag transformeren. Het gesteente brokkelt af tot een fijn, hoekig gruis dat zich ophoopt aan de voet van de helling. Het glijdt niet weg in grote pakketten, zoals schalie dat zou doen over zijn splijtvlakken. Het vergruist simpelweg ter plaatse. Een inspecteur pakt een vers brokstuk op en probeert het met de duim te vermorzelen. Dat lukt niet. Het is steen. Pas na intensieve mechanische belasting of langdurige blootstelling aan de elementen keert het terug naar zijn oorspronkelijke, fijnkorrelige aard.
Regels dicteren de praktijk op de bouwplaats. Bij de classificatie van kleisteen is NEN-EN-ISO 14689-1 leidend. Deze norm stelt de eisen aan de identificatie en beschrijving van gesteenten in de geotechniek. Geen ruimte voor interpretatie. De massieve structuur en de afwezigheid van splijtbaarheid moeten eenduidig worden gerapporteerd om misverstanden in het funderingsadvies te voorkomen. Eurocode 7 (NEN-EN 1997) vormt vervolgens het dwingende kader voor het geotechnisch ontwerp. Hierin staat hoe de mechanische eigenschappen van de kleisteen vertaald worden naar rekenwaarden voor de draagkracht van funderingen of de stabiliteit van ontgravingen.
De Omgevingswet werpt een ander licht op de zaak. Graafwerkzaamheden in kleisteenlagen vallen onder het Besluit activiteiten leefomgeving (BAL). Dit besluit reguleert het graven in de bodem en de kwaliteit van de vrijkomende materialen. Is de kleisteen herbruikbaar als bouwstof? Dan gelden de milieuhygiënische eisen voor het toepassen van steenachtige materialen. Vooral bij varianten die sulfiden zoals pyriet bevatten, is waakzaamheid geboden. De wettelijke zorgplicht vereist dat oxidatie en de daaruit voortvloeiende verzuring van het grondwater worden voorkomen. Meten. Controleren. Vastleggen. De regels zijn onverbiddelijk bij het hergebruik van sedimentair gesteente in grootschalige infrastructuurprojecten.
Eeuwenlang was de grens tussen harde klei en zacht gesteente diffuus. In de vroege mijnbouw en bij het graven van de eerste kanalen in de achttiende eeuw werd kleisteen vaak simpelweg als 'harde grond' bestempeld. Men zag het verschil met schalie nog niet scherp. De industriële revolutie dwong tot meer precisie. Ingenieurs stuitten bij de aanleg van spoorweginsnijdingen op lagen die zich niet als plastische klei gedroegen, maar die ook niet de splijtbaarheid van leisteen bezaten. Het was een technisch vacuüm. De geologie als wetenschap moest nog volwassen worden.
Rond 1850 begon de classificatie te kantelen. Geologen zoals Lyell introduceerden systematiek in sedimentaire gesteenten. Men begon in te zien dat tijd en druk een onomkeerbare grens trokken. Kleisteen kreeg een eigen identiteit binnen de 'mudrocks'. Het werd niet langer gezien als een tijdelijke toestand van modder, maar als een eindproduct van diagenese. In de Nederlandse context bleef de term lang gereserveerd voor diepe boringen in de steenkoolmijnen van Limburg. Daar vormde de massa vaak de stabiele, maar verraderlijke 'daksteen' van de mijngangen.
De grootste sprong in de bouwtechnische historie vond plaats in de twintigste eeuw met de opkomst van de grondmechanica. Karl von Terzaghi legde de basis. Men begreep eindelijk waarom kleisteen bij blootstelling aan lucht plotseling kon desintegreren, een fenomeen dat bij tunnels tot onverklaarbare verzakkingen leidde. De overgang van puur beschrijvende termen naar de huidige NEN-EN-ISO normering markeert de laatste fase. Geen giswerk meer. De focus verschoof van het uiterlijk naar de mechanische parameters. Van een vage geologische observatie naar een harde constructieve rekenwaarde.