Sterkte als stuurknop voor milieubelasting3201548Sterkte alsstuurknop voormilieubelastingDuurzaamheid van beton inzake het milieu vraagt en krijgt steeds meer aandacht. En terecht,beton is veruit het meest toegepaste bouwmateriaal ter wereld en dat schept verantwoordelijk-heid naar maatschappij en milieu. Een belangrijke indicator van de milieubelasting is de carbonfootprint. De relatie tussen carbon footprint en constructieve sterkte is een stuurknop voor hetvergroenen van betonconstructies. Maar die vergt wel een gebruiksaanwijzing.1Inzicht in invloed mengselsamenstelling opsterkteontwikkeling en milieu-impactSterkte als stuurknop voor milieubelasting 32015 49In het kader van de casestudy Energiek beton (zie kader`Conferentie EcoCrete en casestudy Energiek beton') is eenstudie uitgevoerd naar de milieu-impact van beton, met nadrukop de toepassing voor geprefabriceerd beton [4]. De driedoelen van de studie waren een concept voor groen beton teontwikkelen, de impact van de mengsels op het milieu tebepalen en dit te relateren aan betoneigenschappen. De studiemaakt deel uit van het initiatief van het Cement&Beton-Centrum om de dialoog tussen architecten en producenten vanprefab beton te bevorderen [5].In de studie werden twaalf mengsels getest (genummerd 1 t.m. 12).De ontwerpsterkteklasse van de mengsels 1-6 (serie 1) wasC35/45 en van mengsels 7-12 (serie 2) ten minste C55/67 (tabel 2).De druksterkten van de mengsels 7-8 waren zelfs hoger dan85 N/mm2. Tests werden onder andere uitgevoerd ??n dag en28 dagen na het storten; op beide momenten werd ??n kubusbeproefd. Voor het mengselontwerp is als basis een constantewater-bindmiddelfactor aangehouden. Voor mengsels 1-6 wasdat 0,53 en voor 7-12 0,43. Het aandeel vliegas werd volgensNEN-EN 206 [6] in rekening gebracht.Om de invloed van recyclingtoeslag op verwerkbaarheid ensterkte te compenseren, werd voor mengsel 6 de water-cement-factor van 0,53 naar 0,51 verlaagd en de dosering superplastifi-ceerder iets verhoogd. Voor mengsels 7 en 8 werd de snelreagerende cementsoort CEM I 52,5 R toegepast. Voor meng-sels 9-11 werd de water-cementfactor verlaagd van 0,43 naar0,36 ter compensatie van het toevoegen van een cement meteen lagere normdruksterkte (CEM III/B 42,5 N LH). Voormengsel 12 werd de water-cementfactor nog verder verlaagd(naar 0,35), omdat hier naast cement met een lagere normdruk-sterkte ook recyclingtoeslag werd toegepast. Het vervangings-percentage grind met recyclingtoeslag was 0, 20 of 100 vol. %conform CUR-Aanbeveling 112 [7]. Behalve de mengsels 1 en 7bevatten alle mengsels ten minste ??n soort secundaire grond-stof (hoogovenslak, vliegas en/of recyclinggranulaat); voormengsels 6 en 12 bedroeg het gehalte secundaire grondstoffenin totaal 52,6 respectievelijk 54,6 gewicht-%.Voor ??n dag was de sterkte het hoogst voor mengsels metCEM I 52,5 R als enige bindmiddel (tabel 2). De consistentievan alle mengsels was ten minste een zetmaat van 15 cm. Dedr.ing. Steffen Gr?newaldTU Delft, fac. CiTG / SustainableConcrete Centre, CRH Europeing. Hans K?hneCement&BetonCentrum1 Prefab-betonelementenfoto: Hurks delphi engineeringConferentie Eco-Crete en casestudy Energiek betonHet Innovation Center Iceland (ICI) organiseerde in augustus2014 in Reykjavik een conferentie`Eco-Crete Internationalsymposium on sustainability', waarbij 54 artikelen werden gepre-senteerd. De term Eco-Crete was het containerbegrip voor dezeconferentie, waarin de verschillende benaderingen voor hetverlagen van de milieubelasting door betonproductie kondenworden verzameld. In dit artikel wordt de term groen betongehanteerd, dat als containerbegrip goed aansluit bij de Neder-landse communicatie over duurzaam bouwen.Actuele onderwerpen bij de conferentie met betrekking tot groenbeton waren: reductie cementgehalte, gebruik van secundairematerialen, toepassen van alternatieve bindmiddelen, thermischisolerend beton, effectieve hulpstoffen en productietechnieken,natuurlijke en biologische grondstoffen, recycling en hergebruikvan beton, versnellen van de sterkte-ontwikkeling, CO2-opslag,ontwerp en de productie van duurzamere constructies met eenlangere levensduur en lichtgewicht toepassingen met beton. Meerexotisch waren bijvoorbeeld de presentaties waarbij toepassingenwerden ontwikkeld met schapenwol als wapening en as van rijst-vlies als vulstof voor lichtgewicht toepassingen.Veel waardering was er voor de bijdrage vanuit IJsland [3] waaringroen beton of low carbon concrete is ingedeeld in zes klassen,afhankelijk van de CO2-emissie (hier wordt alleen rekening gehou-den met directe emissies van mengselcomponenten) (tabel 1).Vanuit Nederland werd de casestudy Energiek beton ingebracht.Deze casestudy ? georganiseerd door het Cement&BetonCentrum? is uitgevoerd door Marco Romano (architectenbureau Op tennoort blijdenstein) en Hurks prefabbeton.Tabel 1 Classificatie van groen beton op basis van de carbon footprintnr. klasse carbon footprint[kg CO2/m3beton]1 Semi-LCC 3002 LCC250 2503 LCC200 2004 LCC150 1505 EcoCrete 1256 EcoCrete Xtreme 105LCC = low carbon concrete classes [3]Ontwerptool Groen betonGerelateerd aan het onderwerp van de casestudy Energiekbeton, is het eindrapport over de duurzaamheidsaspecten vanbetonconstructies (uitgedrukt in CO2) van Stufib/Stutech-studiecel63/22 [1]. Dit is de verbindende schakel tussen de green dealVerduurzaming Betonketen en de ontwerptool Groen beton vanSBRCURnet [2]. Deze ontwerptool werd ontwikkeld door SGSIntron en de co?rdinatie was in handen van SBRCURnet. De toolwerd getest door Stutech en Stufib.Het programma is bedoeld voor professionele gebruikers die demilieu-impact van constructies en constructieve elementen vanbeton willen bepalen of minimaliseren. In het programma zijn elfmilieu-impactindicatoren meegenomen. Deze indicatorenworden met omrekenfactoren vermenigvuldigd en opgeteld.Uitkomst van de berekening is een gewogen milieu-impactindicator(milieukostenindicator).Meer over de ontwerptool Groen beton staat opwww.cur-aanbevelingen.nl.Sterkte als stuurknop voor milieubelasting32015500,00,20,40,60,81,01,21,41,61,82,02,21 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12indicatorrel.toMix1[-]mix nr.AD GWP ODPPOCPAP HT0501001502002503003501 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12equivalentkgCO2/m3betonmengsel2 Aardopwarmingsvermogen van de twaalf mengselsRelatieve sterktekostenDe sterkteontwikkeling van beton bepaalt het moment waaropeen bekisting of mal mag worden verwijderd of de strengengelost. Daarmee bepaalt het ook de frequentie waarmeeelementen met dezelfde bekisting of mal kunnen wordengeproduceerd. Zodoende is de sterkteontwikkeling heel bepa-lend voor het productieproces. Het toevoegen van warmte kaneen belangrijke invloed uitoefenen op het hydratatieproces endaarmee de sterkteontwikkeling. Toevoeging van warmte is indeze studie echter niet meegenomen.Om inzicht te krijgen in de relatie tussen de sterkteontwikke-ling en de milieu-impact is het aardopwarmingsvermogengerelateerd aan de druksterkte voor ??n dag en 28 dagen(fig. 3). De relatie tussen aardopwarmingsvermogen en beton-druksterkte wordt vervolgens `relatieve sterktekosten' genoemd.De verhouding tussen druksterkte en hoeveelheid CO2na28 dagen is duidelijk groter naarmate het gehalte portland-cementklinker hoger is. Voor 28 dagen worden de hoogstegetallen gevonden voor de eerste twee mengsels van beideseries. De hogere energieconsumptie voor de productie vanbeton met portlandcement, wordt hierdoor onderstreept. Desituatie verandert indien de focus komt te liggen op de relatievetoegepaste hoeveelheid verdichtingsenergie voor de productievan de kubussen was aangepast aan de verwerkbaarheid.Carbon footprintOm de carbon footprint te bepalen, is gebruikgemaakt van deontwerptool Groen beton. Zoals in het tekstkader over dezetool is aangegeven, wordt hierbij gebruikgemaakt van elfmilieu-impactindicatoren. De omrekenfactoren voor aardop-warmingsvermogen (??n van de elf milieu-impactindicatoren)die zijn gebruikt voor de in de case toegepaste betoncompo-nenten, staan in tabel 3.Figuur 2 toont de milieu-indicator aardopwarmingsvermogenvan de twaalf testmengsels per m3beton. In de sterkteklasseC35/45 werden mengsels geproduceerd met minder dan100 equivalent kg CO2/m3. De classificatie volgens tabel 1 isEcoCrete Xtreme (klasse 6). De toepassing van hoogovenslak,wat relatief normaal is voor de Nederlandse bouwmarkt, heeftals resultaat een relatief lage milieu-impact in vergelijking metandere landen. De hoogste CO2-equivalent werd gevondenvoor mengsel 7 (312 equivalent kg CO2/m3beton).Tabel 2 Samenstelling en eigenschappen van twaalf mengselscomponent [kg\m3]mengsel1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12CEM I 52,5 R 0 0 0 0 0 0 370 330 0 0 0 0CEM I 42,5 N 300 260 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0CEM III/B 42,5 N LH 0 0 300 280 280 310 0 0 430 400 400 430vliegas 0 85 0 90 90 100 0 110 0 130 130 120water 159 156 159 157 157 167 155 158 155 152 152 155superplastificeerder 0,75 0,69 0,45 0,81 1,00 1,56 2,09 2,43 1,90 1,67 2,14 2,85zand 0/4 860 833 856 818 817 787 836 788 808 753 753 742grind 4/16 1051 1018 1046 999 799 0 1022 964 988 921 736 0recycling toeslag 4/32 0 0 0 0 170 820 0 0 0 0 157 773W/C-ratio [-] 0,53 0,60 0,53 0,56 0,56 0,54 0,43 0,49 0,36 0,38 0,38 0,37W/B-ratio [6] [-] 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,51 0,43 0,43 0,36 0,36 0,36 0,35cementlijm (incl. lucht) [vol.-%] 27,8 30,0 27,9 31,2 31,2 33,8 29,6 33,6 32,0 36,6 36,6 37,5fcc 150 mm, 1 dag[N/mm2] 10,9 11,6 5,5 6,7 5,8 8,0 67,7 65,5 14,7 9,9 8,9 13,1fcc 150 mm, 28 dagen[N/mm2] 51,6 53,9 54,1 59,4 57,4 63,2 86,7 95,4 87,2 76,0 74,6 74,0secundaire grondstof [gewicht-%] 0,0 3,6 9,4 12,7 20,2 52,6 0,0 4,7 13,4 18,1 25,0 54,5Tabel 3 Omrekenfactoren voor het bepalen van het aardopwarmingsvermogenvoor betoncomponenten [5]component aardopwarmingsvermogen[kg CO2-equivalent]CEM I 52,5 R 0,8200CEM I 42,5 N 0,8200CEM III 42,5 N LH 0,3000vliegas 0,0033zand 0/4 0,0038grind 4/16 0,0038recycling toeslag 4/32 0,0011superplastificeerder 0,7200water 0,00002Sterkte als stuurknop voor milieubelasting 32015 5101234561 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12verhoudingtussendruksterkte[N/mm2]enhoeveelheidCO2/kgmengsel05101520251 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12verhoudingtussendruksterkte[N/mm2]enhoeveelheidCO2/kgmengsel3a3b3 Relatieve sterktekosten; relatie tussen het aardopwarmingsvermogen en dedruksterkte van de twaalf testmengsels: (a) voor 28 dagen, (b) voor 1 dagken. Dit onder de voorwaarde dat begin- en eindsterkten ontwerp-eisen zijn. In veel gevallen is de werkelijke sterkte een afgeleide vande opgelegde eisen aan bestandheid tegen aantastingen en deze kanhoger zijn dan vanuit de constructieberekening nodig is.Portlandcement is energie-effici?nter in vergelijking met hoog-ovencement, indien de focus ligt op beginsterkte en ontkis-tingstijdstip. De eisen die worden gesteld aan de vroege sterkte-ontwikkeling bepalen de relatieve sterktekosten en de milieu-impact. Bepalend voor de carbon footprint van beton is in deeerste plaats het gewenste tijdstip van ontkisten. LITERATUUR1 Stutech/Stufib rapport 30/24, Duurzaamheid als ontwerpciteriumvoor beton ? toegespitst op CO2, Fase B: uitwerking basisopties.2 Ontwerptool Groen beton 3.0, SBRCURnet, 2014.3 Wallevik, O.H., Mansour, W.I., Yazbeck, F.H., Kristjansson, T.I., EcoCrete-Xtreme: Extreme performance of a sustainable concrete. InternationalSymposium on Environmentally Friendly Concrete ? EcoCrete, Reykjavik,2014, pp. 3-10.4 Gr?newald, S., K?hne, H., Ecoconcrete ? Balancing environmental andtechnical aspects of precast concrete. International Symposium on Envi-ronmentally Friendly Concrete ? EcoCrete, Reykjavik, 2014, pp. 95-102.5 http://www.cementenbeton.nl/architectuur/tektoniek/casestudies-prefab-beton.6 NEN-EN 206:2014 Beton - Specificatie, eigenschappen, vervaardigingen conformiteit.7 CUR-Aanbeveling 112:2014 Beton met betongranulaat als groftoeslagmateriaal, SBRCURnet.sterktekosten na ??n dag. Door de zeer hoge beginsterkte vanmengsels 7 en 8 zijn de relatieve sterktekosten duidelijk lager invergelijking met andere mengsels.Indien een hoge beginsterkte is vereist (vanwege productietech-nische redenen), is portlandcement zeer effici?nt en kan ditcement voorkomen dat meer cement (andere cementsoort)nodig is of extra verwarmingsenergie aan het proces moetworden toegevoegd. In de praktijk wordt het gebruik van port-landcementklinker zo veel mogelijk beperkt en vaak wordt desterkteontwikkeling ondersteund door extra te verwarmen,maar dat is zoals gezegd niet meegenomen in deze studie. Veel-belovende alternatieven zijn een productieproces van geprefa-briceerde betonnen elementen met hoogovencementenwaaraan extra warmte wordt toegevoegd en/of alternatievebindmiddelen, of bindsystemen die hoge beginsterkten opleve-ren. Meer informatie hierover is in de eerder genoemde Stufib/Stutech-rapportage [1] te vinden.StudieresultatenDe studie naar de invloed van de mengselsamenstelling vanbeton op de sterkteontwikkeling en de milieu-impact, laat hetvolgende zien:Vervanging van portlandcementklinker door hoogovenslakreduceert de milieu-impact aanzienlijk. C35/45 beton werd metminder dan 100 equivalent kg CO2/m3beton geproduceerd; ditis een erg lage waarde, zeker in vergelijking met andere landen.De parameter `relatieve sterktekosten' kan voor de ontwerpspecifi-catie worden toegepast om de milieu-impact van beton te beper-In het werk gestort versus prefabVoordelen van beton zijn vormvrijheid, gebruiksgemak, de moge-lijkheid tot integreren van andere functies en instortvoorzieningen,het bouwen van constructies met lage onderhoudskosten en eenuitstekende duurzaamheid. Bij betonproductie gaat de aandachtuit naar kwaliteit, effectiviteit van productie, aangepaste verwerk-baarheid in relatie tot de toepassing en soms naar esthetiek.Terplaatse gestorte constructies hebben vaak een groter volume, metde hieraan verbonden problematieken van warmteontwikkeling entijdsafhankelijke vervormingen.Voor prefab beton geldt dat desterkteontwikkeling vaak sneller moet zijn. De kubusdruksterktevoor geprefabriceerde voorgespannen elementen moet zestienuur na het storten vaak al 35 N/mm2bedragen, in speciale gevallen75 N/mm2en bij ultra-hogesterktebeton zelfs 110 N/mm2. Om diereden hebben geprefabriceerde betonelementen vaak een groterecarbon footprint. Immers, het gehalte portlandklinker in hetcement is vaak hoger en soms is een warmtebehandeling nodigom de hoge beginsterkten te kunnen halen.