O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2005 566E x p e r i m e n t e l e o p z e tDe hoofdproeven worden op gro-tere schaal uitgevoerd dan de expe-rimenten van het vooronderzoek[1]. De verschillende monsterszullen een grotere massa hebben,omdat dit een realistischer beeldgeeft en meetfouten verkleint. Debehaalde resultaten van de vorigeexperimenten zijn meegenomenbij het opstellen van deze opzet.Zo wordt er uitgegaan van eenstart %ds van 35% en worden demonsters in een omgeving meteen relatieve vochtigheid van rondde 70% opgesteld. Tevens wordtbij dit experiment naast cementongebluste kalk (CaO) en enkelespecifieke hulpstoffen toegevoegd.Voor aanvang, gedurende en naafloop van deze proef wordenverscheidene parameters zoalsmassa, droge stof, temperatuur enluchtvochtigheid gemonitord.Bij de proef zijn speciekuipengebruikt (fig. 1), die zijn voorzienvan 10 cm zand (0-2 mm), zoalsgebruikt in rijpingsdepots) alsdrainagelaag met daarbovenop20 cm baggerspecie om een rij-pingsdepot na te bootsen. Eendrainagesysteem door middel vanbuizen en afvoer wordt niet nodiggeacht, aangezien de baggerspeciereeds grotendeels van ongebondenwater is ontdaan.Nadat de baggerspecie in de kui-pen is gedaan is deze ingemengdmet verschillende hoeveelhedenvan verschillende soorten bind-middelen. De hoeveelheden zijnzo gekozen om uiteindelijk dewerking van het rijpingsproces,het cement en/of de ongeblustekalk te kunnen zien. Zo is er ge-kozen voor `nul' monsters zonderadditief, extrema met 15% additiefen een aantal met gemiddeldehoeveelheid van 7,5%. De hoeveel-heden cement en ongebluste kalkzijn gekozen op basis van litera-tuur [2, 3]. Toevoeging van 0,5-1%ongebluste kalk is voldoende voorde verbetering van de uitloging.Meer ongebluste kalk zal niet bij-dragen aan een verbetering van deuitloging. De hoeveelheden vari-eren van een combinatie van 7%cement en 0,5% ongebluste kalk,14% cement en 1% ongeblustekalk, tot uitsluitend 15% cement.Elke opzet is uitgevoerd met kui-pen zonder mengen en met men-gen gedurende het experiment, ditter bevordering van de luchtdoor-latendheid van het mengsel. Elkeopzet is in tweevoud uitgevoerd.Uit [1] kwam naar voren dat deomgevingsfactoren een groteinvloed hebben op met name desnelheid van het proces. Om ditook hier realistischer te maken isweer gekozen voor een relatievevochtigheid van ongeveer 70%gedurende het experiment. Om ditte realiseren zijn emmers watertussen de kuipen geplaatst en ishet geheel met plastic overdekt.Dit plastic is voorzien van kunst-stof folie om fluctuaties van derelatieve vochtigheid te kunnencompenseren. Dit wordt met eenDroging en waterbindingVersnelde rijping en immobilisatievan baggerspecie (2)ir. B. Krikke, dr.ir. H.J.H. Brouwers en dr.ir. D.C.M. Augustijn, UniversiteitTwente, Faculteit CTW, afdeling Civiele Techniekdr. A. Honders, Bodem+/Senter Noveming. J. van der Plicht, Waterschap Rijn en IJsselIn het vorige nummer van Cement is de problematiek van verontreinigdebaggerspecie geschetst en de rol van rijping besproken. Vervolgens zijn deeigenschappen van de behandelde baggerspecie behandeld (klasse 4 bag-gerspecie uit stedelijk gebied). Met deze baggerspecie zijn voorproeven metcement uitgevoerd om procescondities, recepturen en rijpingstrend te herken-nen. Op basis van de opgedane ervaringen worden hoofdproeven opgezeten uitgevoerd, die in dit artikel nader worden uitgewerkt. Achtereenvolgenskomen de proefopzet, drogingresultaten en de chemische waterbinding aanbod. In de volgende uitgave van Cement zullen de duurzame vastlegging(immobilisatie) van de verontreinigingen en de dichtheid van het productworden behandeld.104020baggerspeciedrainagezand1 |Geprepareerde kuip (incm)2 |Kuip met drainagezand(A) en met baggerspecie(B)a.b.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2005 5 67hygrometer gemeten en zonodiggecorrigeerd, zodat de RV ?5%rond de 70% blijft. Figuren 3 en4 geven een overzicht van dezeopstelling.Tijdens de proef zijn regelmatigde massa's van de baggerspecie inde verschillende kuipen bepaald.Enkele malen tijdens het experi-ment zijn uit een aantal kuipenmonsters genomen om het drogestofgehalte te bepalen. Uiteinde-lijk als afsluiting van de proef? dit zal zijn als de baggerspecieeen %ds heeft bereikt van 50-55%of na maximaal twaalf weken ?zijn de verschillende monstersop uitloging getest. Tevens isna afloop van de proef de ver-dichting bepaald (zie volgendeartikel).D r o g i n g ( v e r h o g i n g d s )Het droge-stofgehalte is een vande maatstaven of de gerijpte bag-gerspecie inzetbaar is als bouw-stof. Dit wordt rond de 50 tot55% ds bereikt. Het meest idealetijdstip om een bindmiddel toe tevoegen is als de baggerspecie naontwateren een %ds van ongeveer35% heeft bereikt.Op tijdstip t = 0 zijn de monstershandmatig ingemengd, doormiddel van tien slagen met eenkleine schep. Dit proces werdzwaarder naarmate er meer ad-ditief bijgevoegd moest worden.Na twee weken, op t = 2, is gestartmet het mengen van de monstersX/X/1. Ook dit is handmatig ge-beurd door middel van vijf slagenmet een grote schep. Hiermee isalle baggerspecie een keer grofomgezet. Door toevoeging van debindmiddelen werd ook dit zwaar-der naarmate de tijd verstreek. Ditis tweewekelijks herhaald tot enmet week twaalf. De meetwaardenvan t = 20 zijn uiteindelijk nogtoegevoegd om zo de nauwkeurig-heid van extrapolatie op een latertijdstip te vergroten. De spreidingvan de massa van de monstersin tweevoud is na twintig wekenmaximaal ?0,2 kg.3 |Schematische opstelling(BS = baggerspecie;W = water)4 |Opstelling laboratorium;kuipen met daartusseninemmers water, geheelafgedekt met plastic5 |Kuipen met ongemengde(A) en gemengde (B)baggerspeciea.b.O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2005 568De verdamping van water isbepaald door tweewekelijks demassa's van de monsters te me-ten. Het gewichtsverschil op detijdstippen met de massa op t = 0is het massaverlies (mv) van waterdoor verdamping. Vervolgens ishet relatieve massaverlies (%mv)van water in de loop van de tijd ge-zet. Hier is de spreiding na twintigweken maximaal ?0,4%. Dezewaarden zijn in figuur 6 uitgezet.Duidelijk is te zien dat de verdam-ping van water bij ongemengdemonsters even groot is. Tevens iste zien dat bij alle gemengde mon-sters het water sneller verdampt.Als vervolgens het droge-stof-gehalte in de loop van de tijdwordt bepaald aan de hand vande hoeveelheid verdampt water inverhouding tot de hoeveelheid dsaan het begin van het experimentkrijgen we het virtuele droge-stof-gehalte (fig. 7). De spreiding vanhet gemiddelde virtuele %ds vande monsters in tweevoud is natwintig weken maximaal ?0,2%.In figuur 7 is te zien dat de ge-mengde monsters een groteretoename van het droge-stofgehaltehebben dan de ongemengde mon-sters. De gemengde monstershebben na twintig weken eenongeveer 3 tot 4% hoger %ds dande ongemengde monsters. Hetregelmatig mengen van de bag-gerspecie zorgt voor een beteretoe- en afvoer van lucht, wat hetverdampingsproces bevordert. Inde praktijk wordt dit gerealiseerddoor het omwoelen van de bagger-specie met een dragline. Dit om-zetten heeft dus een positieve uit-werking op het droge-stofgehaltevan de baggerspecie. Verder is ookte zien dat de toevoegingen onge-bluste kalk en cement de toenamevan verdamping en daardoor hetvirtuele %ds bevorderen.In figuur 8 zijn de werkelijke %dsgegeven, bepaald door drogingbij 105 ?C. De waarden bij t = 0zijn berekend aan de hand van degegevens zoals ingemengd. Ookhier is net zoals bij de voorgaandeproeven een grotere stijging vanhet droge-stofgehalte bij de mon-sters ingemengd met een additiefwaarneembaar. Door de bindingvan water met cement ontstaatchemisch gebonden water, dat nietverdampt bij droging bij 105?C,zodat het droge-stofgehalte toe-neemt.In figuur 8 is te zien dat de ge-mengde monsters een sterkeretoename van het droge-stofge-halte hebben dan de ongemengdemonsters, maar ook dat de mon-sters met de beide bindmiddeleneen snellere toename van hetdroge-stofgehalte hebben dan demonsters zonder bindmiddel. Demonsters met ongebluste kalkvertonen daarnaast ook een ietsgrotere hellingshoek.Buiten de voordelen van de ver-snelde droging en het chemischgebonden water hebben de mon-sters met additief al direct na in-menging een hogere beginwaardeals %ds. Monsters met 7,5% ad-ditief hebben een tijdvoordeel opde monsters zonder additief vanongeveer vier weken. De monstersmet 15% additief winnen doorinmenging direct acht weken. Bo-vendien stijgt na inmenging vanhet bindmiddel het droge-stofge-halte de eerste vier weken snellerdan bij de monsters zonder ad-ditief. Dit wordt veroorzaakt doorde reactie van het cement met hetwater. De weken daarna stijgt hetdroge-stofgehalte ongeveer metdezelfde snelheid als de monsterszonder additief. Dit is te verklarenaangezien cement enige tijd nodigheeft om volledig te reageren methet aanwezige water.De grafiek van de gemengde mon-sters zonder bindmiddelen berei-ken, vastgesteld door middel vanextrapolatie vanaf twintig weken,na ongeveer 26 (gemengd) tot 60(ongemengd) weken de waarde van50% ds. Deze waarde wordt doorhet monster met 7,5% bindmiddelen ongemengd reeds 21 wekeneerder bereikt, waarvan 4 wekentijdwinst al geboekt worden doorde inmenging met additief. Metde acht weken dat de baggerspeciev??r het begin van het experimentontwatert betekent dit een tijdwinstvan ongeveer 62% ten opzichtevan het gemengde monster zonderadditieven (tabel 1). Hierbij is reke-ning gehouden met de acht wekendat de baggerspecie v??r het beginvan het experiment ontwatert.Bij de gemengde monsters is dit66% en bij de monsters met 15%additief is dit zelfs rond de 71%tijdwinst. Wordt de grafiek verderge?xtrapoleerd dan krijgt men na52 weken een waarde van rond de55% ds voor de gemengde mon-6 |Relatief massaverlieswater (in %) versus detijd (in weken)7 |Virtuele droge-stofge-halte (in %) versus de tijd(in weken)8 |Werkelijke droge-stofge-halte (in %) versus de tijd(in weken)0%10%20%30%40%50%0 4 8 12 16 20tijd (weken)relatiefmassaverlieswater(%)0/0/00/0/17/?/07/?/114/1/014/1/115/0/00%10%20%30%40%50%0 4 8 12 16 2035%45%55%65%75%0 4 8 12 16 20tijd (weken)drogestofgehalte(%)tijd (weken)virtueledrogestofgehalte(%)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2005 5 69sters zonder additief. De monstersmet 7,5% additief, ongemengd,gemengd, bereiken dit reeds narespectievelijk negen en zes weken.Ook hier wordt een tijdvoordeelbehaald van 60 tot 70%.Dit tijdvoordeel naar de praktijk le-vert een vergroting van de effectivi-teit van het depot op van een factor3. Met andere woorden, in de tijddat baggerspecie met de huidigebehandelingsmethode een depotvult, kunnen nu drie ladingen bag-gerspecie verwerkt worden.W a t e r b i n d i n gReeds bij de eerste proeven kwamnaar voren dat de monsters metinmenging van cement na drogingop 105 ?C meer droge stof bevat-ten dan op basis van inmengingverwacht mag worden. Het ce-ment reageert met het aanwezigewater en houdt dit zodoende vast,zelfs na droging. Nu is reeds van-uit de literatuur [4] bekend datvolledig gereageerd cement onge-veer 40% van zijn eigen gewichtvasthoudt aan water; hiervan is15% fysisch gebonden water datverdampt bij droging op 105 ?C,de overige 25% is het chemischgebonden water (cgw) en ver-dampt bij droging op 105 ?C niet.Om dit te verifi?ren is een aantalbasisproeven met cement en wateruitgevoerd. De proef is zo opgezetdat de water-cementfactor (wcf)overeenkomt met de wcf zoals bijde proeven met de baggerspeciemet een ds van 35% (tabel 2).In tabel 3 zijn de gemeten massa'sdroge stof na droging op 105 ?C opde verschillende tijdstippen omge-rekend naar de procentuele hoe-veelheid chemisch gebonden water.Dit wordt gedaan aan de hand vande volgende vergelijking.mds? mCEM%cgw = ? 100%mCEMwaarin:%cgw hoeveelheid chemisch ge-bonden water in het mon-ster (in %);mdsmassa droge stof van hetmonster (in g);mCEMmassa cement in het mon-ster (in g).Het chemisch gebonden water(cgw) van 25 gram op 100 gramgehydrateerd cement uit tabel 3is in overeenstemming met [3].Reeds na twee weken benadert dewaarde van het cgw de bekendewaarde uit de literatuur. Door dehoge wcf heeft het cement danwaarschijnlijk al volledig gerea-geerd.Als vervolgens naar de proevenmet baggerspecie wordt gekeken,worden na vier weken anderewaarden voor het chemisch ge-bonden water gevonden. In tabel4 staan enkele meetwaarden vandrogingproeven. Het eerste getalvan de codering geeft aan welkdroge stofgehalte de baggerspe-cie voor inmenging heeft en hettweede getal is de hoeveelheidcement in percentage van de bag-gerspecie, droge stof en water. Dewcf varieert van 4,2 tot 14,4 en isdus in alle gevallen groot en over-eenkomend met de waarden vantabel 3.In tabel 4 is bij vergelijking van demonsters zonder en met cementte zien dat door toevoeging van25 g cement uiteindelijk een dstoename van 36,4 g wordt verkre-gen (36,0/0 tegenover 36,0/5). Ditbetekent 11,4 g chemisch gebon-den water op 25 g cement, ofwel46 g chemisch gebonden water op100 g gereageerd cement (in plaatsvan de gebruikelijke 25 g op100 g). Wordt dezelfde analyseeveneens gedaan bij de anderewaarden, dan volgen de resultatenvan tabel 5. Monster 37,5/5 valtTabel 1 | Geschatte tijd (in weken) en tijdwinst (in %) nodig voor productmet %ds van 50%codering ontwatering rijping tijdwinst t.o.v. 0/0/10/0/0 8 60 -50%0/0/1 8 26 0%7/1/2/0 8 5 62%7/1/2/1 8 31/266%14/1/0 8 2 71%14/1/1 8 11/272%15/0/0 8 2 71%Tabel 2 | Samenstelling mengsels (in grammen)cement water totaal wcf1 25,0 325,0 350,0 13,02 50,0 325,0 375,0 6,53 75,0 325,0 400,0 4,3Tabel 3 | Massa droge stof (in grammen) en chemisch gebonden water (in %) versus de tijd(in weken)t = 0 t = 1 t = 2 t = 4massa wcf massa %cgw massa %cgw massa %cgw1 25,0 13,0 27,3 9,2% 31,1 24,4% 31,3 25,2%2 50,0 6,5 55,5 11,0% 62,0 24,0% 62,7 25,4%3 75,0 4,3 81,9 9,2% 93,7 24,9% 93,6 24,8%Tabel 4 | Meetresultaten drogingproeven (in grammen) na vier wekencodering BS W CEM M ds M %ds M36,0/0 500 0 0 500 180,1 36,0%36,0/5 500 0 25 525 216,5 41,2%36,0/10 500 0 50 550 254,9 46,3%36,0/15 500 0 75 575 291,7 50,7%27,9/0 375 125 0 500 139,6 27,9%27,9/5 375 125 25 525 177,9 33,9%27,9/10 375 125 50 550 210,6 38,3%37,5/0-1 500 0 0 500 187,7 37,5%37,5/0-2 500 0 0 500 187,7 37,5%37,5/5 500 0 25 525 208,5 39,7%37,5/10 500 0 50 550 256,4 46,6%28,1/0-1 375 125 0 500 140,3 28,1%28,1/0-2 375 125 0 500 140,5 28,1%28,1/5 375 125 25 525 175,6 33,4%28,1/10 375 125 50 550 215,3 39,1%O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2005 570buiten de trend; hier is waar-schijnlijk iets misgegaan. Het kanbijvoorbeeld zijn dat cement uithet monster is gespoeld. Bij alleandere monsters is echter dui-delijk meer chemisch gebondenwater te zien dan de 25% die bijuitsluitend cement wordt gevon-den. Dit cgw bedraagt tussen de38 en 54 g (gemiddeld 46 g) per100 g cement. Bij de proeven metbaggerspecie wordt dus meerwater chemisch gebonden per gcement dan bij cement alleen. Ditkan worden verklaard doordat eenaantal minerale bestanddelen (zietabel 2 in [1]) van de baggerspecieeen binding met het water encement aangaat, leidend tot meeren waarschijnlijk andere reactie-producten met een hogere cgw.Deze `winst' in de hoeveelheidchemisch gebonden water brengtweer voordelen met zich mee alshet gaat om het versnellen van derijping van baggerspecie. Hierdoorbereikt de baggerspecie namelijkeerder het gewenste droge-stofge-halte en kan dus sneller verwerktworden als bouwstof.C o n c l u s i e sIn dit artikel zijn procesconditiesvan de hoofdproef besproken,alsmede de drogingresultaten(verlaging vochtgehalte) en water-binding. Een belangrijke maatstafof baggerspecie inzetbaar is alsbouwstof, is de steekvastheid vanhet materiaal. Dit wordt bereikt bijeen droge-stofgehalte van 50 tot55%. Tijdens de experimenten isdoor zowel gewichtsmetingen alsdroging bij 105 ?C regelmatig hetdroge-stofgehalte bepaald. Al snelwerd duidelijk dat de monsters in-gemengd met cement een sterkeretoename van het droge-stofgehaltevertonen dan de monsters zonderadditief. Dit geldt eveneens voorde monsters die gedurende hethoofdexperiment regelmatig om-gezet werden.Echter de waarden die werdengevonden door middel van ge-wichtsmetingen (het virtuele dro-ge-stofgehalte) waren bij monstersingemengd met cement lager dande werkelijke droge-stofgehalten,gevonden door droging bij105 ?C. Met andere woorden, eris een toename van de droge stofontstaan. Het cement heeft methet aanwezige water gereageerden houdt dit zodoende vast, ookbij droging op 105 ?C. Ondernormale omstandigheden houdtvolledig gereageerd cement nadroging op 105 ?C ongeveer 25%van zijn eigen gewicht aan che-misch gebonden water vast. Echterbij de proeven met baggerspecie iseen gemiddelde stijging van de dsvan 46% gemeten. Deze `winst' inde hoeveelheid chemisch gebon-den water brengt weer voordelenmet zich mee. Hierdoor bereikt debaggerspecie eerder het gewenstedroge-stofgehalte en kan dus snel-ler verwerkt worden als bouwstof.Door toevoeging van 7% cementen 0,5% ongebluste kalk wordteen versnelde rijping van een fac-tor 3 bewerkstelligd ten opzichtevan rijping zonder toevoeging.Een grotere hoeveelheid bindmid-delen geeft geen evenredig snel-lere rijping van de baggerspeciemeer. Door deze versnelde rijpingworden de bestaande depots ef-fici?nter gebruikt. Hierdoor kanmeer baggerspecie in de huidigedepots worden verwerkt en hoe-ven er minder depots aangelegdte worden. Hiermee worden deproblemen die naar voren komenbij de aanleg van nieuwe tijdelijkeopslagdepots voorkomen. Heteerste doel van dit onderzoek,tijdwinst bij droging, is hiermeebereikt. In het volgende nummervan Cement wordt nader ingegaanop de tweede doelstelling van hetonderzoek: de vastlegging van decontaminanten.D a n k w o o r dDe auteurs danken de UT-me-dewerkers ing. G.H. Snellink ende heer H.M. Menkehorst voorhun technische assistentie enondersteuning van dit onderzoek.Dit onderzoek is financieel on-dersteund door de Cornelis LelyStichting, Delta Marine Consul-tants, Betoncentrale Twenthe,Rokramix, Jaartsveld Groen enMilieu, Bodem+/Senter Novem ende Bouwdienst Rijkswaterstaat. L i t e r a t u u r1. Krikke, B. et al., Versnelde rij-ping en immobilisatie van bag-gerspecie (1): Problematiek,materialen en vooronderzoek.Cement 2005 nr. 4.2. Kalk, www.kalk.nl, 2004.3. Lhoist Nederland NV., Verbe-tering uiterwaardenklei metkalk. Breda, september 2004.4. Reinhardt, H.W., Beton alsconstructiemateriaal, eigen-schappen en duurzaamheid.Delftse Universitaire Pers,Delft, 1998.Tabel 5 | Bepaling droge-stofgehalte - chemisch gebonden water (in %)codering %ds BS %cgw %ds M36,0/0 36,0%36,0/5 36,0% 46% 41,2%36,0/10 50% 46,3%36,0/15 49% 50,7%27,9/0 27,9%27,9/5 27,9% 54% 33,9%27,9/10 42% 38,3%37,5/0-1 37,5%37,5/0-2 37,5% 37,5%37,5/5 -15% 39,7%37,5/10 38% 46,6%28,1/0-1 28,1%28,1/0-2 28,1% 28,1%28,1/5 40% 33,4%28,1/10 50% 39,1%