Gevolgen van aluminium in AEC-granulaat6 201650Gevolgen vanaluminium inAEC-granulaat1Onderzoek zet vraagtekens bij CUR-Aanbeveling 116Gevolgen van aluminium in AEC-granulaat 6 2016 51Europa heeft van zichzelf weinig waardevolle grondstoffen(zoals metaalertsen) voor de maakindustrie. Binnen Europaheeft Nederland als dichtbevolkt land ook nog eens weinigruimte om afval langdurig op te slaan. Beide uitgangspuntenhebben eraan bijgedragen dat Nederland vooroploopt in deaspecten van een circulaire economie. In Nederland recyclenwe 78% van ons afval, wordt 19% verbrand en 3% gestort [1].Ons land heeft daarmee een vooraanstaande positie in Europaop het gebied van afvalverwerking.Maar Nederland wil verder, getuige de `Green Deal Verduurza-ming nuttige toepassing AEC-bodemas' van 7 maart 2012.Hierin heeft een aantal afvalenergiecentrales afgesproken omuit de AEC-bodemas fractie >6 mm ten minste 75% van deaanwezige non-ferrometalen zoals aluminium terug te winnen.Onbewerkt bodemas bevat namelijk nog zo'n 3% metallischaluminium. Met verbeterde technieken zijn we voor de groverefracties (>12 mm) inmiddels in staat om zo'n 90% van ditaluminium terug te winnen. Voor de kleinere fracties is ditlastiger en liggen de terugwinpercentages meer in de buurt vande 50-70%. Dat betekent dus dat er veel, maar niet alle alumi-nium uit het AEC-restmateriaal wordt gehaald.Onderdeel van de Green Deal AEC-bodemas is om uiterlijk 1januari 2017 minimaal 50% van de AEC-bodemas nuttig toe tepassen buiten de huidige IBC-toepassingen. Per 1 januari 2020zou dit 100% moeten zijn. Volgens een tussentijdse evaluatievan de Green Deal AEC-bodemas lijken de bedrijven behoor-lijk op schema te liggen [2]. De toepassing van opgewerktAEC-bodemas (ofwel AEC-granulaat, zie kader) wordt danvooral gezien als secundaire grondstof in vormgegeven bouw-stof (asfalt, beton, betonwaren). Op termijn zou het als niet-vormgegeven bouwstof primaire grondstoffen zoals zand engrind steeds meer moeten gaan verdringen zoals bij toepassingin beton en betonwaren.Het toepassen van AEC-bodemas in de bouwwereld is overi-gens niet nieuw. AEC-bodemas krijgt in Nederland al meer dantwintig jaar een bestemming in de grond-, weg- en waterbouwals secundaire bouwstof. Meer dan twintig miljard kilobodemas ligt er inmiddels al onder de Nederlandse wegen.Ingepakt en wel, dat wel, omdat het daar is toegepast als IBC-bouwstof.Naast de inzet als IBC-bouwstof loopt er al geruime tijd onder-zoek om AEC-bodemas ook als niet-IBC-bouwstof te kunnentoepassen. Zo is er in de periode 2007-2012 in CUR-verbandonderzoek uitgevoerd binnen CUR-voorschriftencommissieVC89 `Gewassen AVI-bodemas in beton'. De uitkomsten vandit onderzoek zijn vastgelegd in CUR-rapport 234 [3] en CUR-Aanbeveling 116:2012 [4], waarover eerder in Cement eenartikel is verschenen [5].De eindconclusie van het CUR-traject is dat AEC-granulaat magworden toegepast in beton van sterkteklassen C12/15 t.m.C30/37, voor zowel constructieve als niet-constructieve toepas-singen, met uitzondering van constructies met voorspanstaal. Bijniet-constructieve toepassingen mag daarbij zowel de zand- alsde grindfractie tot maximaal 50% (v/v) worden vervangen doorAEC-toeslagmateriaal. Voor constructieve toepassingen ligt ditvervangingspercentage op 20% (v/v). Wat betreft de milieuklasseis het materiaal in alle klassen toegestaan, met uitzondering vanzware chemische aantasting (XA2 en XA3). Voor de toepassingvan AEC-granulaat is het gehalte metallisch aluminium (Al) pluszink (Zn) van het AEC-toeslagmateriaal volgens de aanbevelingvoor alle fracties gelimiteerd op 1,0% (m/m).Onderzoek naar effecten van metallisch aluminiumHet voorafgaande, en met name de ruime richtlijnen uit CUR-Aanbeveling 116:2012, waren voor TNO aanleiding om dezespelregels eens tegen het licht te houden. TNO is niet betrok-ken geweest bij het CUR-onderzoek dat heeft geleid tot CUR-Aanbeveling 116:2012, maar is zelf wel actief met onderzoeknaar nuttige toepassing van AEC-bodemas in de bouw. Dedr.ir. Mario de Rooij, dr.ir. Penny Pipilikaki 1)TNO1 AEC-granulaatAEC-granulaatAls vuilverbrandingsslakken, de resten van het vuilverbrandings-proces van huishoudelijk en industrieel afval, worden gezuiverddoor zeven en het verwijderen van ferro- en non-ferrometalenblijft er AEC-bodemas over (voorheen: AVI-bodemas). Deze asbevat een deel fijne stof maar ook materiaal met de grootte vanzand en grind. Door aanvullende bewerking (zie [7]) kan AEC-bodemas geschikt worden gemaakt voor toepassing als toeslag-materiaal voor beton. Dit toeslagmateriaal wordt AEC-granulaatgenoemd.1) Dit artikel is voor publicatie voorgelegd aan SBRCURnet, SGS Intron (rapporteur CUR-Aanbeveling 116), Inashco en Vereniging Afvalbedrijven. Naar aanleiding van de reactiesvan deze organisaties is het artikel op enkele plaatsen verduidelijkt.Overheidsbeleid richting een circulaire economie en de GreenDeal AEC-bodemas leiden op de Nederlandse betonmarkt totde behoefte om nieuwe materialen, zoals AEC-granulaat, op tenemen in beton. Daar zijn waarschijnlijk uitgelezen mogelijk-heden voor, maar wel binnen de juiste spelregels. TNO heeftonderzoek gedaan naar de rol van aluminium in AEC-granulaat. Belangrijke conclusie is dat in de CUR-Aanbeveling116:2012 mogelijke risico's onvoldoende erkend, of zelfs onder-schat worden.Gevolgen van aluminium in AEC-granulaat6 201652Om de invloed van metallisch aluminium te bepalen, is eenproevenserie opgezet waarbij een deel van het cement isvervangen door aluminiumpoeder. Aluminiumpoeder is hiergebruikt als modelmateriaal voor metallisch aluminium. InAEC-granulaat is metallisch aluminium niet als aluminium-poeder aanwezig, maar als grovere brokjes aluminium eventu-eel vastgesmolten aan andere AEC-bestanddelen. Als model-materiaal reageert het aluminiumpoeder echter op dezelfdemanier als het metallisch aluminium in het AEC-granulaat.Met het aluminiumpoeder is een proevenserie opgezet, methoeveelheden aluminium (Al op cementgewicht (% m/m)),zoals aangegeven in tabel 1.Met deze mortelspecies zijn druksterkteproeven uitgevoerd op7 en 28 dagen. Alle drukproeven zijn in drievoud uitgevoerd.Voor de referentie zonder aluminiumpoeder zijn twee afzon-derlijke batches gemaakt. De resultaten van deze metingen zijnweergegeven in figuur 3 en 4.Wat opvalt aan de resultaten is dat de druksterkte al 20% lageruitvalt bij relatief lage percentages van 0,01% (m/m) Al opcementgewicht. Bij percentages richting 0,05% (m/m) Al opcementgewicht valt de druksterkte al terug tot 50% van deoorspronkelijke druksterkte.kennis die daarbij is opgedaan was aanleiding om specifiek tekijken naar de invloed van metallisch aluminium. Dergelijkaluminium reageert in een alkalisch milieu (hoge pH) onder devorming van waterstofgas. Van deze gasontwikkeling is bekenddat het een negatieve invloed heeft op de druksterkteontwikke-ling van het beton.TNO heeft onderzoek uitgevoerd dat normaal gesproken wordtgebruikt voor de bepaling van de normsterkte van cementvolgens NEN-EN 196-1. Daarbij zijn mortelprisma's gemaakt(160 ? 40 ? 40 mm3) met een mortelspeciesamenstelling van450 g cement (CEM I 52,5), 225 g water en 1350 g zogenoemd`normzand'.Tabel 1 Geteste percentages metallisch Al in cementAl op cementgewicht[% m/m]Al[g]CEM I 52,5[g]0 - 4500,002 0,009 449,990,004 0,018 449,980,006 0,027 449,970,008 0,036 449,960,01 0,045 449,950,02 0,09 449,910,04 0,18 449,820,05 0,225 449,782Gevolgen van aluminium in AEC-granulaat 6 2016 530,010,020,030,040,050,060,070,080,00,000% 0,010% 0,020% 0,030% 0,040% 0,050% 0,060%28-daagse sterkte 27-daagse sterktedruksterkte(MPa)aluminium op cementgewicht0%20%40%60%80%100%0,000% 0,010% 0,020% 0,030% 0,040% 0,050% 0,060%28-daagse sterkte 7-daagse sterkterelatievedruksterktealuminium op cementgewicht2 Huisvuil in bunker3 Afname druksterkte door toevoeging aluminiumpoeder (in absolute zin)4 Afname druksterkte door toevoeging aluminiumpoeder (in relatieve zin)5 Opstelling ter bepaling van het gehalte metallisch aluminium en zink [4]Ter illustratie van de invloed die relatief lage percentagesaluminiumpoeder kunnen hebben, wordt gewezen op hetgebruik van aluminiumpoeder in gasbeton, ook wel cellenbe-ton genoemd. Aluminiumpoeder wordt hier gebruikt om via dewaterstofgasvorming extra pori?n (`cellen') te cre?ren. Detoevoegingen van aluminiumpoeder in dat proces liggennormaal gesproken in de orde van 0,006 tot 0,020% (m/m) aanaluminium op cementgewicht. Bij hogere percentages komtmen terecht in de lage-sterkte cellenbeton [6].Een mogelijk belangrijk verschil tussen het hier gebruikte fijnealuminiumpoeder en de grovere verdeling van metallisch alumi-nium in AEC-granulaat is het zogenoemde reactief oppervlak.Fijn poeder heeft een veel groter reactief oppervlak dan degrovere delen uit AEC-granulaat. Aangezien de terugval in druk-sterkte zeer waarschijnlijk te herleiden is naar een reactie met hetmetallisch aluminium aan het reactief oppervlak, zal een groterreactief oppervlak naar verwachting een grotere terugval van dedruksterkte geven. Naast de grootte van het reactief oppervlakblijft ook de totale hoeveelheid van het aluminium een parame-ter: een enkel fijn deeltje zal minder reactie geven dan veel grotekorrels. Goed dus om eens nader te kijken naar de bepalingsme-thode van het metallisch aluminium.Bepalingsmethode metallisch aluminiumOm te bepalen hoeveel metallisch aluminium (en zink) aanwe-zig is in een monster, geeft CUR-Aanbeveling 116:2012 inbijlage A een beproevingsmethode. In figuur 5 is een overzichtgegeven van de opstelling.Het principe van de proef is gebaseerd op de reactie van metal-lisch aluminium in een alkalische oplossing waarbij waterstof-gas (H2) wordt gevormd. Deze reactie vindt alleen plaats viahet reactief oppervlak van het metallisch aluminium. Bij meerreactief oppervlak wordt meer waterstofgas gevormd, eigenlijkop precies dezelfde manier als waarop de reactie verloopt in hetalkalische poriewater van beton. Theoretisch corrigeert deproef dus zelf tussen monsters met een verschil in reactiefoppervlak van metallisch aluminium. De uitkomst van de proefis namelijk dat meer reagerend metallisch aluminium wordtaangetoond bij een grotere hoeveelheid reagerend oppervlak.De bellen waterstofgas die worden gevormd, worden opgevan-gen in een omgekeerde maatcilinder. De CUR-Aanbevelinggeeft aan een maatcilinder van 1000 ml te gebruiken en eenmonsterhoeveelheid van 20 gram te beproeven.maatcilinder (1000 ml)statiefgasmagnetische roerdererlenmeyer (250 ml)1N NaOH-oplossingAEC-granulaatwater345Gevolgen van aluminium in AEC-granulaat6 2016546 De grove droog gereinigde fractie van AEC-granulaat7 De fine fractie uit AEC-granulaatIn tabel 2 is in getalswaarde weergegeven wat de relatieve afwij-king van de gemeten waarde ten opzichte van de ingemengdewaarde is geweest. Daaruit blijkt duidelijker dat ook bij de lageconcentraties de meetwaarde nog ongeveer 40% afwijkt van deingemengde waarde. Alleen bij de allerlaagste meetwaarde van0,008% m/m Al op cementgewicht lijken de meetwaarde en deingemengde waarde goed overeen te komen. Gezien de overigeuitkomsten van de metingen lijkt dit echter meer op toeval teberusten dan een bevestiging van de methode. Beperking isverder dat het ook met een kleinere maatcilinder niet mogelijkwas de drie allerlaagste ingemengde aluminiumconcentraties tedetecteren.Theoretische gevolgenNa de uitkomsten van de gevolgen van het gehalte aan metal-lisch aluminium in beton en de gevonden onzekerheden in deOok deze bepalingsmethode heeft TNO getoetst. Hiertoe is eenaantal monsters gemaakt waarbij aluminiumpoeder is inge-mengd met cement (CEM I 52,5). In tabel 2 zijn zowel de inge-mengde aluminiumpercentages als de verkregen resultatenweergegeven. Grafisch zijn de resultaten weergegeven in figuur8 en 9.Deze proevenserie geeft aanleiding tot een aantal observaties.Bij de (zeer) hoge concentraties (figuur 8) wijkt de gemetenwaarde sterk af van de ingemengde concentraties. Bij de lageconcentraties (figuur 9) is de discrepantie kleiner. Ingrijpen inde meetmethode was daarvoor echter noodzakelijk. In serie 1,met een maatcilinder van 1000 ml, werden maar beperkt meet-bare resultaten verkregen. In serie 2 is daarom vanaf de inge-mengde percentages van 0,040% m/m met een maatcilindervan 250 ml gemeten. Ook daarmee was het nog steeds nietmogelijk de allerlaagste concentraties te meten.Tabel 2 Resultaten bepalingsmethode metallisch aluminium volgens bijlage A van CUR-Aanbeveling 116:2012.eerste serie tweede serieingemengd Al opcement-gewichtgemeten gasvolume bepaald Al opcement-gewichtrelatieve afwijkingvan werkelijke waardegemeten gasvolume bepaald Al opcement-gewichtrelatieve afwijkingvan werkelijke waarde[% m/m] [ml] [% m/m] [%] [ml] [% m/m] [%]2 450 1,62 -19 1000* 3,75 881 750 2,81 181 870 3,28 2290,05 - 30 0,11 1250,04 - 15** 0,055 380,01 - 2** 0,006 -400,008 - 3** 0,008 40,006 - -**0,004 - -**0,002 - -*** Maatcilinder vol, maar gasvorming nog bezig** Bepaald met een maatcilinder van 250 ml6 7Gevolgen van aluminium in AEC-granulaat 6 2016 550%20%40%60%80%100%0,0% 0,5% 1,0% 1,5% 2,0% 2,5% 3,0%28-daagse sterkte 7-daagse sterkte 50% vervangingrelatievedruksterktealuminium op cementgewicht [%]0,000,000,020,040,060,080,100,120,01 0,02 0,03 0,04 0,05Eerste serie Tweede serie gemeten = ingemengdgemetengehalteAlopcementgewichtvolgensCUR[%]ingemengd gehalte Al op cementgewicht [%]0,000,400,801,201,602,002,402,803,203,604,000,00 0,40 0,80 1,20 1,60 2,00Eerste serie Tweede serie gemeten = ingemengdgemetengehalteAlopcementgewichtvolgensCUR[%]ingemengd gehalte Al op cementgewicht [%]8 Uitkomsten bepaling metallisch aluminium opcementgewicht voor de hoge concentratiesvan 1,00 en 2,00% m/m9 Uitkomsten bepaling metallisch aluminium opcementgewicht voor de lage concentratieskleiner of gelijk aan 0,050% m/m10 Theoretisch gehalte metallisch aluminium opcementgewicht bij 1% m/m Al in het AEC-granulaat bij 50% vervanging (v/v) van zowelhet zand als het grind voor het referentie-mengsel uit CUR-rapport 234bepalingsmethode is de vraag: is dit erg? Wat kunnen de conse-quenties zijn? Daartoe zijn wat theoretische rekenvoorbeeldendoorgewerkt.Als voorbeeld in dit artikel wordt de extreme waardebereke-ning gebruikt, uitgaande van het referentiemengsel uit hetCUR-Achtergrondrapport 234. Dit mengsel bestond uit 320 kgCEM I 42,5 N, 173 liter water, 723 kg zand en 1153 kg grind.Voor niet-constructieve toepassingen mag zowel het zand alshet grind voor 50% (v/v) worden vervangen door AEC-granu-laat. Voor het referentiemengsel komt dit erop neer dan eentotaal gewicht van 787 kg AEC-granulaat aan een kubiekemeter referentiebeton kan worden toegevoegd. Dit mag als ermaximaal 1% m/m metallisch aluminium aanwezig is in hetAEC-granulaat. Voor 787 kg granulaat betekent dit 7,9 kgmetallisch aluminium. Afgezet tegen het cementgehalte (320kg) betekent dit een aandeel van 2,5% m/m Al op cementge-wicht. Om duidelijk te maken wat dit betekent, is deze waardeingevoegd in de grafiek van figuur 4; de x-as wordt hierbijopgerekt door de zeer hoge waarde van het aluminiumgehalteop cementgewicht en levert figuur 10 op. Het theoretischgehalte aan aluminium dat volgens de CUR-Aanbeveling116:2012 mag worden toegelaten, zou dus grote gevolgenkunnen hebben op de te bereiken druksterkte van het beton.Reflectie op CUR-rapport 234In het CUR-onderzoek dat is gerapporteerd in CUR-rapport234 is ook onderzoek gedaan naar de druksterkte van beton-mengsels met AEC-granulaat. Het referentiemengsel isbeproefd op druksterkte op 3 en op 28 dagen. De druksterktenvan deze referenties bedroegen respectievelijk 25,4 en 53,1MPa, waarmee het referentiebeton valt in sterkteklasse C35/45.Met vervanging van 50% door AEC-granulaat voor zowel dezand- als de grindfractie valt de sterkte volgens het onderzoekterug naar respectievelijk 10,8 en 21,9 MPa, oftewel `sterkte-klasse' C12/15. De achteruitgang in sterkte bedroeg daarmeerespectievelijk 57% en 59%. Helaas is van dit AEC-granulaatvan AEB niet het metallisch gehalte aan aluminium gerappor-teerd in CUR-rapport 234.Lopende het CUR-onderzoek zijn AEC-granulaten van Inashcoen Boskalis Dolman toegevoegd. Van deze materialen is hetmetallisch aluminiumgehalte aangegeven in het rapport,hoewel niet duidelijk wordt hoe deze bepaling precies is uitge-voerd. In de gebruikte korrelfractie 2-12 mm van Inashco zatvolgens het rapport circa 1,0% m/m Al. In de monsters vanBoskalis Dolman lag het gehalte op circa 0,6% m/m Al. Er zijnproeven gedaan met een vervangingspercentage van 20% (v/v)voor zowel het zand als het grind. De gevonden afname van dedruksterkte is weergegeven in tabel 3.Tabel 3 Afname druksterkte t.o.v. referentiebeton bij 20% vervanging van zanden grind door AEC-granulaat.mengsel afnamedruksterkte[%]al in AEC-granulaat[% m/m]al op cement-gewicht[% m/m]Referentiebeton - - -AEB AV-granulaat-2 20% ? ?Boskalis Dolman 29% 0,6 0,64Inashco ? droog gereinigd 31% 0,64 0,58Inashco ? extra wasstap 24% 1 0,868910Gevolgen van aluminium in AEC-granulaat6 201656We hebben nog maar beperkt begrip van processen in hetbeton als gevolg van toevoegingen en substituties zoals AEC-granulaat. Illustratief daarvoor is het volgende met betrekkingtot tabel 3. Hier is hetzelfde AEC-granulaat van Inashco optwee manieren bewerkt: (1) droog gereinigd, en (2) na dezedroge reiniging nog eens extra `gewassen'. Hypothese voorafwas dat door de extra wasstap het gehalte aan metallisch alumi-nium omlaag zou gaan, met impliciet de verwachting dat dedruksterkte omhoog zou gaan. Door de extra wasstap ging hetgehalte metallisch aluminium echter omhoog (in plaats vanomlaag), maar de druksterkte ging tevens omhoog (hetgeenniet overeenkomt met een lineaire afhankelijkheid van demassa metallisch aluminium).Een andere mogelijke verklaring zou kunnen liggen in de meet-methode voor metallisch aluminium zelf. Het TNO-onderzoeklaat zien dat er grote verschillen zijn tussen het ingemengdemetallisch aluminium en het gemeten metallisch aluminium.ConclusieKortom, er zijn nog nadrukkelijk vragen bij het toevoegen vanAEC-granulaat aan beton. Door ontbrekende kennis gaat dehuidige CUR-Aanbeveling 116:2012 volgens TNO veel te ver inzijn advies om AEC-granulaat voor zowel gewapend als onge-wapend beton toe te laten in vervangingspercentages tot 50%(v/v). Veel verstandiger zou zijn om het AEC-granulaat alleentoe te laten voor niet-constructieve toepassingen, in eersteinstantie bijvoorbeeld voor grof toeslagmateriaal tot eenvervangingspercentage van maximaal 20% (v/v). Hiermeekunnen we ervaring opdoen in de praktijk en tegelijkertijdproberen de vragen die nog leven te beantwoorden.Daarnaast zou er werk gemaakt moeten worden van een accu-rate testmethode om het gehalte metallisch aluminium vast testellen. Zoals ook in dit artikel is gepresenteerd, zijn de uitkom-sten van de huidige test uit de CUR-Aanbeveling ongeschiktom hier constructief vertrouwen aan te ontlenen. Uit beide voorbeelden blijkt dus dat de druksterkte flink onder-uit kan gaan met vervangingspercentages en AEC-granulaatmet aluminiumspecificaties die binnen de grenzen van CUR-Aanbeveling 116:2012 vallen.DiscussieWat kunnen we leren van dit overzicht van de toepassing vanAEC-granulaat in beton aan de vooravond van 1 januari 2017,de datum waarop 50% van het AEC-bodemas een nuttigetoepassing zou moeten hebben buiten het IBC-bouwmateriaal?Allereerst dat er een duidelijke afname van de druksterkte vanbeton kan zijn bij toepassing van AEC-granulaat. Tussen de 20en 30% druksterkteverlies bij toepassing van 20% vervangings-percentages (v/v) door AEC-granulaat is niet ongewoon.Een volgende conclusie is dat de gevonden afname in druk-sterkte met name impliciet (deels) wordt gerelateerd aan deaanwezigheid van metallisch aluminium. Harde bewijzen daar-voor hebben we (nog) niet. REFERENTIES1 TNO-rapport R10864,`Kansen voor decirculaire economie in Nederland', 11 juni2013, p. 83.2 Rapportage Evaluatie Green Dealbodemas ? Vereniging Afvalbedrijven,PwC, 23 december 2014.3 CUR-rapport 234,`AEC-granulaat alstoeslagmateriaal voor beton ? Achter-grondrapport bij CUR-Aanbeveling 116',Stichting CURnet, Gouda, 2012.4 CUR-Aanbeveling 116:2012,`AEC-granulaat als toeslagmateriaal voorbeton', Stichting CURnet, Gouda, 2012.5 G. van der Wegen,`AEC-granulaat alstoeslagmateriaal voor beton', Cement,2013/2, pp. 84-88.6 ACI Report 212.3R-91,`ChemicalAdmixtures for Concrete', gerapporteerddoor ACI-commissie 212.7 Betoniek 16/01,`AEC-granulaat',februari 2013.11 vrachtwagen op een berg AEC-granulaat11