Log in
inloggen bij Cement
Hulp bij wachtwoord
Geen account?
shop word lid
Home / Alle kennis / Artikelen

Gewapend geopolymeerbeton in de infrasector

50% CO2-reductie conform Betonakkoord haalbaar Jos Kronemeijer, Kamel Arbi, Herman van den Noort, Felix Leenders, Kamel Arbi, Herman van den Noort - 28 april 2021

In de constructief gewapende tussenwanden in een spooronderdoorgang in Heiloo is geopolymeerbeton toegepast. Dat is uniek voor Nederland want tot nu toe is hier vooral ervaring mee opgedaan in ongewapende toepassingen. In het toegepaste geopolymeerbeton is het bindmiddelsysteem gebaseerd op hoogovenslak en vliegas, zonder portlandklinker. Op een toegevoegde activator na zijn de overige grondstoffen gelijk aan traditioneel beton. Zowel op mechanisch gebied als op de gestelde duurzaamheidseisen presteert het geopolymeerbeton op vergelijkbare wijze als traditioneel beton. En dat met een gevalideerde CO2-reductie van 50% ten opzichte van CEMIII/B beton.

In het kort

  • Bij de productie van portlandklinker komt veel CO2 vrij, in geopolymeerbeton is geen portlandklinker nodig.
  • Het cementeuze materiaal in geopolymeerbeton bestaat uit alkalisch te activeren grondstoffen in plaats van cement.
  • De verharde samenstelling van geopolymeren mag conform Eurocode formeel geen beton heten omdat het zonder hydratatieproces verhardt.
  • Voor de onderdoorgang in Heiloo is geopolymeerbeton voor het eerst op het vaste land van West-Europa toegepast in een gewapend constructief element.
  • De eigenschappen van het geopolymeerbeton zijn zo gekozen dat ze minimaal gelijkwaardig presteren als het anders toegepaste traditionele mengsel (equivalent performance).
  • Wat opviel is dat er tijdens het verharden geen stijging van de temperatuur plaatsvond.
  • Het gebruik van geopolymeerbeton ten opzichte van een traditioneel CEM III/B-cement gebaseerd beton leidde tot een reductie van 22% op de MKI-score en 50% op de CO2-uitstoot.
  • De mock-up en de tussenwanden worden de komende 10 jaar gemonitord.
  • Bij de verwerking van het geopolymeerbeton zijn geen bijzondere veiligheidsmaatregelen nodig in de vorm van bijvoorbeeld extra PBM’s.
  • De onderdoorgang is naar ieders uiterste tevredenheid opgeleverd en het project zet de deur open naar alternatieve alkalisch te activeren grondstoffen naast hoogovenslak en vliegas.

Projectgegevens

Project: Onderdoorgang Heiloo
Opdrachtgever: ProRail
Opdrachtnemer: Mobilis-Hegeman
Project onderdeel: Toepassen geopolymeerbeton in tussenwanden project Heiloo
Opdrachtgever: Rijkswaterstaat en ProRail
Opdrachtnemer: Mobilis
Betontechnologisch advies: Delta Concrete Consult
Betonproducent: Kijlstra Betonmortel
Onderzoek eigenschappen: SKG-IKOB
Risicoanalyse: BouwQ
LCA-berekening: SGS Intron
Monitoring: SGS Intron

In 2018 is door diverse partijen het Betonakkoord opgesteld. Dit akkoord heeft als doel de broeikasgassen in de betonsector met 49% terug te dringen in 2030. Daarbij wordt onder meer gekeken naar de productie van cement (klinker), omdat cement de grootste CO2-bijdrage levert in beton. Voor de productie van klinker wordt kalksteen in ovens opgewarmd tot ruim 1400 ºC, wat al flink bijdraagt aan de CO2-uitstoot. Bij deze hoge temperatuur breekt de structuur van het calciumcarbonaat open waardoor er ook nog eens gebonden CO2 vrij komt. Deze twee fenomenen zorgen voor een hoge CO2-uitstoot.

Geopolymeerbeton

Geopolymeerbeton is een in West Europa ‘vrijwel vergeten betonsoort’ waarin géén traditioneel cement als bindmiddel wordt gebruikt. Vanaf de jaren 50 van de vorige eeuw is geopolymeerbeton al op grotere schaal toegepast in de voormalige Sovjet Unie en de laatste decennia ook in Australië, China, Zuid Afrika, Verenigd Koninkrijk, VS en Canada. In Nederland wordt het al wel toegepast in ongewapende betonproducten waaraan geen beperkende eisen zijn gesteld aan de toe te passen grondstoffen, zoals straatstenen, tegels en banden.

In de basis bestaat geopolymeerbeton uit dezelfde grondstoffen als traditioneel beton, namelijk een cementeus materiaal, toeslagmateriaal (zand en grind), water en eventuele hulp- en vulstoffen. Het cementeuze materiaal in geopolymeerbeton bestaat uit alkalisch te activeren grondstoffen (de zogenoemde precursor). Denk hierbij naast de bekende en vaak al in cement toegepaste reststoffen als hoogovenslak en vliegas, maar ook aan mogelijke toepassingen als bodemkleien, rivierslib en reststoffen uit afvalenergiecentrales. Waar hoogovenslak en vliegas in traditioneel cement wordt geactiveerd door calciumhydroxide (reactieproduct van gehydrateerde portlandklinker), wordt in geopolymeerbeton een activator toegevoegd die de alkalische reactie activeert. Hierdoor is er geen sprake van een scheikundige hydratatie (reactie met water) maar een polymerisatie.

De verharde samenstelling van geopolymeren mag conform Eurocode formeel geen beton heten omdat het zonder hydratatieproces verhardt

Normering

Door de andere scheikundige reactie komen we bij het eerste en daarmee tot dusver grootste struikelblok aan, namelijk de Nederlandse normering. Volgens de NEN-EN 206 bestaat beton uit onder andere cement. En cement wordt omschreven als een fijngemalen anorganische stof die gemengd met water, een pasta vormt die bindt en verhardt door een hydratatiereactie. De verharde samenstelling van geopolymeren mag formeel geen beton heten omdat het zonder hydratatieproces verhardt. Mag je het dan wel constructief toepassen?

In de VS is de definitie van cement overigens ruimer en is een geopolymeer gewoon een cementsoort: als het eruit ziet als cement en het gedraagt zich als cement, dan zal het wel cement zijn.

In Groot-Brittannië is in 2016 een document opgesteld, PAS 8820, en uitgegeven namens The British Standards Institution (BSI) waarin is beschreven hoe geopolymeerbeton moet worden getest en hoe het materiaal zich moet gedragen. Als het geopolymeer wordt getest met de juiste voorgeschreven testen per eigenschap, mag verondersteld worden dat het zich gedraagt zoals traditioneel beton en mag de Eurocode worden gebruikt voor de constructieve berekeningen (equivalent performance). Hierdoor hoefde het constructieve ontwerp van het project, gebaseerd op de Eurocode, niet te worden aangepast.

Ontwikkeling recept

Het ontwikkelen van een geopolymeermengsel gebeurt op precies dezelfde manier zoals dat ook bij een traditioneel beton gebeurt. De drie door te lopen fases zijn:
i. verwerkbaarheid en sterkteontwikkeling;
ii. duurzaamheid en milieuprestaties;
iii. opschaling naar grootschalige productie.

In de zomer van 2018 heeft Mobilis al een praktijktest uitgevoerd in samenwerking met betoncentrale A. Jansen BV. Doel van deze test was om de productie en verwerkbaarheid te onderzoeken op een bouwplaats. Deze test heeft succesvol uitgepakt en hieruit bleek dat de wijze van verwerking niet verschilt met die van traditioneel beton.

Onderdoorgang

Mobilis (TBI) heeft het Betonakkoord mede ondertekend en in dat kader heeft het bouwbedrijf samen met ProRail en Rijkswaterstaat een traject doorlopen van het uitspreken van een duurzaamheidswens,  naar het daadwerkelijk toepassen van een duurzaam betonmengsel in een gewapend constructief element.

In eerste instantie is er bij de aanbesteding van de N69 (gemeente Valkenswaard) parallel ingeschreven met het gebruik van geopolymeerbeton. Helaas werd Mobilis dit project niet gegund. Vervolgens is samen met Delta Concrete Consult (tegenwoordig SCS, Sustainable Concrete Solutions) de onderdoorgang Heiloo (gerealiseerd in 2019-2020) uitgekozen om geopolymeerbeton voor het eerst op het vaste land van West-Europa toe te passen in een gewapend constructief element.

De onderdoorgang bestaat uit twee rijstroken, een fietspad en een voetpad. De tussenwanden tussen het snel- en langzaamverkeer zijn uitgevoerd in gewapend geopolymeerbeton (fig. 2, foto 3 en 4). Het doel van dit pilotproject is stap iii, opschaling naar grootschalige productie.

Eigenschappen mengsel

De eigenschappen van het geopolymeerbeton zijn zo gekozen, dat het beton minimaal gelijkwaardig presteert als het anders toegepaste traditionele mengsel. De beoogde prestaties zijn: sterkteklasse C30/37, milieuklassen XC4 en XF1. SKG-IKOB heeft het hele proces onderzocht, beoordeeld en gerapporteerd ten behoeve van een vast te stellen validatie- en certificeringstraject van de zogenoemde Heiloo-mix. In tabel 1 en 2 zijn de samenstelling, 28-daagse kubusdruksterkte en elasticiteitsmodulus weergegeven, die zich bewegen binnen de bandbreedtes die de Eurocode geeft voor sterkteklasse C30/37 (equivalent performance). De treksterkte is zelfs iets hoger. Bij geopolymeren is het begrip waterbindmiddelfactor niet relevant omdat dit niets zegt over de prestaties van het verharde mengsel. Naast water heeft namelijk de activator ook een bindende factor.

De onderzochte duurzaamheidsprestaties zijn wapeningscorrosie ingeleid door carbonatatie, corrosie ingeleid door chloride anders dan zeewater, vorstbestandheid en ASR-gevoeligheid. Op al deze aspecten voldoet het geopolymeerbeton aan de gestelde eisen. Verder is het uitlooggedrag onderzocht, waaruit is geconcludeerd dat de Heiloo-mix voldoet aan de uitloging volgens Besluit Bodemkwaliteit.

Door BouwQ is een risicoanalyse uitgevoerd ten behoeve van de dekking van de VGV-verzekering van het project. Geconcludeerd werd dat het toepassen van geopolymeerbeton niet leidt tot een verhoogd risico. Hiermee is de toepassing van het geopolymeer verzekerd.

Testfase

Na het succesvol doorlopen van stap i en ii is er voorafgaand aan het storten van de daadwerkelijke tussenwanden eerst een mock-up met gelijke dimensies gemaakt. Zodoende hebben de betrokken opdrachtgevers en de stortploeg het materiaal een keer gezien en getest, waarna nog enkele verbeteringen zijn gedaan. Hiermee werd ook het belang van fatsoenlijke aandacht in de verhardingsfase extra onderstreept. In de mock-uptestfase werd na enkele dagen geconstateerd dat de verharding ongewenst traag op gang kwam. Dit kon achteraf worden verklaard door het gevolg van twee gecombineerde onvoorziene missers. De eerste misser was een stevige overdosering van een vertragende superplastificeerder en de tweede betrof het onbedoeld wegwaaien van de bovenop liggende afdekfolie, gevolgd door een langdurige en zware regenbui. Hierdoor trad zowel uitspoeling als uitdroging op in de toplaag van de wand. Ten gevolge van de vertragende werking van de overgedoseerde superplastificeerder, was na 4 weken de sterkte ongeveer 25 MPa en groeide uiteindelijk door naar 43 MPa na 217 dagen. De neveneffecten op onder andere duurzaamheid zijn niet onderzocht, het was immers een proef.

Wat opviel is dat er tijdens het verharden geen stijging van de temperatuur plaatsvond

Uitvoering

Nu het project en de bijbehorende onderzoeken zijn afgerond kunnen de resultaten worden gedeeld. Het geopolymeermengsel dat is toegepast (Heiloo-mix), bestaat uit de grondstoffen genoemd in tabel 1. Het water is niet nodig voor de reactie met het cementeuze materiaal, maar enkel voor de consistentie; beoogd een hoge S3 / lage F4. Voor alle wandsecties lag de zetmaat in het bereik van 150-200 mm en de schudmaat tussen de 420 – 460 mm (fig. 5), gemeten op de bouwplaats. Hiermee is aangetoond dat productie op grotere schaal mogelijk is (stap iii). Het beton is zowel met kubel als met pomp gestort (foto 6 en 7). Het verdere verdichten, nabehandelen en afdekken is niet anders dan bij traditioneel beton. Dit geldt ook voor de PBM’s. Net als anders moet men veiligheidsschoenen, handschoenen, veiligheidsbril en een helm dragen.

De uitvoering vond plaats in de winter van 2019/2020 met gemiddelde etmaaltemperaturen tussen de 3 en 10 ºC (fig. 8). De Heiloo-mix heeft zonder aanvullende maatregelen, zoals actieve verwarming, zijn ontwerpsterkte behaald na 28 dagen bij lage omgevingstemperaturen. Wat opviel is dat er tijdens het verharden geen stijging van de temperatuur plaatsvond. Dit is een veelbelovende eigenschap voor het verminderen van scheurrisico’s als gevolg van thermische gradiënten in verhinderde constructie elementen of in massabeton.

Milieuwinst

Door SGS Intron is een LCA-berekening uitgevoerd en vergeleken met die van een referentiebeton. Als referentie is een beton C30/37 gehanteerd op basis van een bekende CEM III/B (70-78% hoogovenslak) met een wcf van 0,50. Uitgaande van fase A1, A2 en A3 (grondstoffenwinning, transport naar producent, productieprocessen) bedraagt de CO2-reductie 50% en de MKI-reductie 22%. Voor de overige fases is uitgegaan dat deze gelijkwaardig zijn, waarbij het recyclen niet nader is onderzocht.

Belangrijk leerpunt van dit traject is dat met de kennis van nu de keuze voor het gehanteerde referentiemengsel onvoldoende gespecificeerd is met betrekking tot de eigenschappen van het beton. Zelfde vloeigedrag, met-of-zonder hulpstoffen? Sterkteontwikkeling gelijk? Zelfde duurzaamheidsprestaties? Etc. We durven wel te stellen dat er een nog hogere potentiële CO2-emissiereductie van de Heiloo-mix mogelijk is:

  • Voor infrastructurele projecten is de toegestane wcf (wbf) veelal lager namelijk 0,45 (XD3 en XF4). Dat zou betekenen dat er aan het referentiemengsel meer cement moet worden toegevoegd.
  • Het geopolymeerbeton verhardt bij lage temperaturen dus er is geen wintermengsel meer nodig. Bij een wintermengsel wordt er extra portlandklinker aan de traditionele specie toegevoegd.
  • Bij een mengselontwerp is er een zeer uitgebreid scala aan eigenschappen waarop kan worden gestuurd. Bij de Heiloo-mix is niet specifiek op alleen duurzaamheid gestuurd. Hier valt nog wat in te optimaliseren, zeker voor de mengsels blootgesteld aan mildere milieuklasses.

De te verwachte CO2-reductie kan dan wel oplopen tot 65% t.o.v. een CEMIII; t.o.v. een CEMI zelfs tot 90%.

Monitoring

Met het succesvol doorlopen van de stappen i, ii en iii kan worden gezegd dat het toepassen van de Heiloo-mix, vanwege de praktijkcase, certificering en externe validatie, op TRL level 8 zit (Technology Readiness Level).

En nu verder. De mock-up en de tussenwanden worden de komende 10 jaar gemonitord door SGS-Intron (foto 10a t/m c). De monitoring bestaat uit periodieke technische inspecties, periodieke monstername en laboratoriumonderzoek, en monitoring van vervormingen en wapeningscorrosie met behulp van ingestorte sensoren in twee tussenwanden. De eerste resultaten worden dit voorjaar verwacht.

Foto 10. Enkele ingestorte sensoren: (a) bepaling vochtprofiel

(b) meten staalpotentiaal

c) meten pH

Het gebruik van geopolymeerbeton ten opzichte van een traditioneel CEM III/B-cement gebaseerd beton leidde tot een reductie van 22% op de MKI-score en 50% op de CO2-uitstoot

Conclusie

Het pilotproject Heiloo heeft de volgende tussenconclusies opgeleverd:

  • Geopolymeerbeton kan op sterk vergelijkbare manier worden geproduceerd en verwerkt als traditioneel beton.
  • Geopolymeerbeton kan op een technisch gelijkwaardige manier presteren als traditioneel beton.
  • Geopolymeerbeton kan sterkte ontwikkelen zonder extra warmtebehandeling. Het kan zelfs de ontwerpsterkte eerder bereiken onder slechte weersomstandigheden (lage omgevingstemerperatuur) dan traditioneel beton;
  • Geopolymeerbeton kan op gecontroleerde en voorspelbare wijze behoud van verwerkbaarheid realiseren, waarmee ook langere transporttijden geen probleem vormen.
  • Het kiezen en handhaven van correcte nabehandelingsmethoden en tijdsduur is, evenals bij traditioneel beton, van groot belang gebleken om een optimale prestatie op korte en lange termijn te kunnen garanderen.
  • Het gebruik van een geopolymeerbeton ten opzichte van een traditioneel CEM III/B-cementgebaseerd beton, met enigszins vergelijkbare prestatieniveau’s, heeft in dit project een reductie van 22% op de MKI-score en 50% op de CO2-uitstoot mogelijk gemaakt.
  • Met behulp van ingestorte thermokoppels is de warmte-ontwikkeling in de wand gemonitord tijdens het verhardingsproces op de bouwplaats. Hieruit is vastgesteld dat het geopolymeerbeton in het geheel géén warmteontwikkeling heeft laten zien, wat de thermische scheurrisico’s als gevolg van thermische gradiënten verminderd en de betonprestaties in zijn algemeenheid sterk kan verbeteren.
  • Bij de verwerking van het geopolymeerbeton zijn geen bijzondere veiligheidsmaatregelen nodig in de vorm van bijvoorbeeld extra PBM’s. De enige aanbeveling aan alle betrokkenen was het dragen van veiligheidsschoenen, handschoenen en een veiligheidsbril. Precies zoals ook bij elk ander type beton reeds verplicht is.
  • De Heiloo-mix is nu al direct toe te passen in bijvoorbeeld de woningbouw sector waar mildere milieuklasses gelden.

Aanbevelingen en leerpunten

  • Het is van belang dat er voldoende aandacht wordt besteed aan het gehele proces van de samenstelling, storten en tijdsduur nabehandelen, net als bij traditioneel beton, om een optimale prestatie te kunnen garanderen.
  • Het toedienen van de activator/hulpstof-combinatie kan zowel op de productielocatie, als op de bouwplaats of zelfs op beide locaties plaatsvinden. Aangezien deze combinatie de belangrijkste en meest kritische parameter is voor de productie van het geopolymeerbeton, zou de dosering hiervan verder kunnen worden geoptimaliseerd.
  • Voor een LCA-vergelijking is het van groot belang een juist referentiekader te hanteren. Er zijn namelijk tal van eigenschappen waarop kan worden gestuurd.

Bewustwording: Betonakkoord vraagt om innovaties

In het Betonakkoord zijn verschillende kerndoelen verwoord, waaronder de vraag naar de markt om met innovaties te komen en het streven om de transitie gezamenlijk te realiseren. Veel van de in Nederland gehanteerde normen zijn gebaseerd op gebundelde collectieve ervaringen. Innovatieve materialen zoals geopolymeren missen nog nationale ervaringen.

Hierin zijn zorgvuldigheid en transparantie de sleutelwoorden. Behaalde resultaten moeten worden vastgelegd, zodat daaraan later logische conclusies kunnen worden verbonden. Dit betekent dat er soms tijdrovend en kostbaar onderzoek moet worden gedaan voor het aantonen van equivalent performance en dat onzekerheden moeten worden benoemd. Zo wordt er vertrouwen en collectieve ervaring gebouwd.

Door de zorgvuldigheid en transparantie in dit pilotproject, is bij alle betrokken partijen ook de bewustwording ontstaan dat de vele (en terechte) kritische vragen over het geopolymeerbeton ook van toepassing zijn op traditioneel cementbeton. Gechargeerd gezegd is door de bank genomen veel basiskennis over traditioneel cementbeton al vaker niet meer standaard aanwezig. Dit besef maakt dat ontwerpers zich tegenwoordig vaker afvragen wat het werkelijke materiaalgedrag en de prestatieniveaus zijn. Een positief punt hiervan is dat er kritischer wordt gekeken naar gewoontekeuzes, wat kansen biedt voor innovaties die worden beoordeeld op gelijkwaardige prestatie-eisen.

Potentiële toepassingsgebieden

Uit recent onderzoek is gebleken dat geopolymeren ook kunnen worden gebruikt als adsorptiemiddelen om ammonium (NH4+) van afvalwater te scheiden, metalen in residu van waterzuiveringsinstallaties te vangen of voor immobilisatie van kernafval met lage of matige activiteit. Verder hebben geopolymeren, door minder vrij water en door een fundamenteel ander poriesysteem, minder kans op afspatten wanneer blootgesteld aan hoge temperaturen en zijn daarom sneller geschikt als brandwerende bekleding.

Geopolymeren hebben ook een zeer hoge chemische bestendigheid en zijn daarom ook bij uitstek geschikt voor de chemische industrie.

Voor al deze toepassingen geldt dat de exacte samenstelling een uiterst bepalende factor heeft in de prestatie van het materiaal. Momenteel duidt de term geopolymeer een verzameling van alkalisch te activeren bindmiddelen aan. Wij pleiten er daarom ook voor dat er net als bij de traditionele cementen subtypen worden aangeduid. De ene geopolymeer is de andere niet.

Toekomstvisie

De verduurzaming in de bouwsector leidt ertoe dat er steeds meer ‘smaken’ beton worden ontwikkeld. Er worden meer secundaire materialen toegevoegd (als toeslagmateriaal of als vulstof) en ontwikkelingen met alternatieve, niet conventionele bindmiddelen. Geopolymeerbeton zal niet het enige antwoord zijn, maar het is wel een mooi alternatief met een hoog TRL-niveau (Technology Readiness Level), naast de huidige betonsoorten.

Het project zal ook de deur open zetten naar alternatieve alkalisch te activeren grondstoffen, naast het bekende hoogovenslak en vliegas. De nieuwe onderneming SCS zal, als ontwikkelaar en aanbieder van geopolymeren, het toepassen voor iedereen mogelijk willen maken in Nederland.  Met het oog op de duurzaamheidsdoelstellingen van het klimaatakkoord, is een eerste zeer succesvolle stap gezet naar een duurzamere toekomst en aangetoond dat het nu al mogelijk is.

Dankwoord

De auteurs willen graag dank betuigen aan de opdrachtgevers: Rijkswaterstaat, ProRail en de Gemeente Heiloo. Het was een lang en soms lastig traject, maar zonder hun vertrouwen en steun was het niet gelukt. Verder gaat ook dank uit naar betonproducent Kijlstra Betonmortel Amsterdam BV en de controlerende instanties SGS Intron, SKG-IKOB en BouwQ.

Reacties

J.deWit - Vulkan-Europe bv 30 april 2021 13:15

Ben zeer verheugd , dat geopolymeer - na heel wat jaren - nu weer de aandacht krijgt . Geopolymeer beton verdraagt zich uitstekend met een wapening van basaltvezels en basaltvezel-staven. Basaltsteen-vezel is een 100% natuurlijk product. De vezel is 2,5 x sterker dan staal en 4 x lichter dan staal . De CO2 footprint ligt 170% lager dan voor de productie van staal , er is geen stikstof uitstoot bij de productie. Dus milieutechnisch is een zeer interessante grondstof. zie : www.vulkan-europe.com

Onderdoorgang Heiloo
Spooronderdoorgang in Heiloo, foto: Jane van Raaphorst
x Met het invullen van dit formulier geef je Cement en relaties toestemming om je informatie toe te sturen over zijn producten, dienstverlening en gerelateerde zaken. Akkoord
Renda ©2022. All rights reserved.

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie AccepterenWeigeren