Volledig recyclebaar beton 1 2 2 0 11 | online extra online Volledig recycle­ baar beton De betonkringloop is pas geheel gesloten als het materiaal beton als enige en volwaardige grondstof kan dienen voor de productie van klinker. Op die manier wordt het verbruik aan natuurlijke grondstoffen bij de productie van klinker sterk gereduceerd, krijgt het sloopafval integraal een vol waardige herbestemming en zal bovendien de CO 2-emissie worden gereduceerd. Om het recyclebaar beton zelf voldoende milieuvriendelijk te houden, kunnen cementvervangende producten zoals vliegas worden aangewend. Daarnaast moeten een hoog gehalte aan cementeerbaar materiaal en een lage water-cementfactor garant staan voor een hoge duurzaamheid. 1) Christophe Windels is afgestudeerd aan de Universiteit Gent op het onderzoek 'Optimale samenstelling en duurzaamheid van volledig recycleerbaar beton'. Zijn afstudeercommissie bestond uit prof.dr.ir. Nele De Belie, ir.-arch. Philip van den Heede, ir.-arch. Mieke De Schepper. In een afstudeeronderzoek aan de Universiteit Gent werd deze duurzaamheid samen met de sterkte van het beton geëvalueerd en getoetst aan de sterkte en de duurzaamheid van referentie- mengsels (tabel 1). Concreet werden als mogelijke schademe- chanismen voor beton de aantasting door vorst en dooizouten, de gevoeligheid voor carbonatatie en de indringing van chlori- den bij cyclische onderdompeling geanalyseerd. Bovendien werd de druksterkte van alle mengsels op verschillende leeftij- den bepaald. De resultaten van de drukproeven waren zeer bevredigend. Het recyclebaar beton met de laagste druksterkte op 28 dagen ouderdom, behoorde nog steeds tot sterkteklasse C40/50. Duurzaamheid Om een idee te krijgen van het aantal vorst-dooicycli waaraan een beton in België gemiddeld wordt onderworpen, werden de door het KMI geregistreerde temperaturen van de periode 1999-2008 geanalyseerd. Daaruit bleek dat de normatief vastge- legde methode van 28 vorst-dooicycli een goede referentie is voor de Belgische blootstelling over een periode van tien jaar. Slechts bij één van de vijf geanalyseerde meetstations werd over de periode van tien jaar een hoger aantal cycli opgemeten, Tabel 1 Samenstelling van de volledig recyclebare betonmengsels componenten CRC 1 CRC 2 CRC 3a CRC 3b kalksteenzand 0/4 [kg/m³] 614,20 790,11 610,77 850,22 kalksteenslag 2/6 [kg/m³] 377,96 493,82 375,85 510,13 kalksteenslag 6/20 [kg/m³] 666,51 329,21 662,79 289,07 porfiersteenslag 6/20 [kg/m³] ---49,48 kalksteenfiller [kg/m³] -50,00 50,00 50,00 vliegas [kg/m³] 191,35 157,50 144,00 144,00 koperslak [kg/m³] -32,92 - - gips [Platrex] [kg/m³] - -28,72 28,72 CEM I 52,5 N [kg/m³] 292,50 - -- CEM III 42,5 N LA [kg/m³] -292,50 261,00 261,00 aluminiumcement [kg/m³] --45,00 45,00 water [kg/m³] 180,00 180,00 180,00 180,00 Volledig recyclebaar beton2 2 2 0 11 | online 1 Afgeschilferd materiaal door vorst-dooischade 2 Proefstuk voor vorst- dooianalyse maar ook dan nog bleef het verschil beperkt: in dit geval werden dertig cycli waargenomen. De resultaten na 28 vorst-dooicycli in combinatie met dooizou- ten toonden aan dat de ouderdom van het mengsel een zeer grote rol speelt in de schade die wordt veroorzaakt. Alle recy- clebare mengsels vertoonden met name een grotere hoeveel- heid afgeschilferd materiaal op drie maanden ouderdom, dan op één en zes maanden ouderdom (foto 2). Bovendien was de afschilfering bij deze mengsels steeds groter op het bekistings- vlak dan op het afstrijkvlak. De chloridenindringing in de betonmengsels werd onderzocht door cyclische onderdompeling in een oplossing van 3,5m% NaCl, waarmee een getijde werd gesimuleerd (foto 3). Onge- acht de duur van deze cyclus werd na twintig weken bij geen enkel mengsel een significante toename in indringing in functie van de tijd vastgesteld. Het is dus mogelijk dat, wanneer het beton cyclisch wordt onderworpen aan getijdenwerking, er een evenwicht ontstaat tussen instromende chloriden (bij onderdompeling) en uit het beton migrerende chloriden. Dit zou betekenen dat, voor de onderzochte mengsels onder de in dit onderzoek opgelegde randvoorwaarden, de kans op chlori- dengeïnitieerde wapeningscorrosie beperkt is. De indringings- diepte overschreed namelijk amper 10 mm, terwijl volgens Eurocode 2 de minimale betondekking onder de hier gesimu- leerde omstandigheden 45 mm bedraagt. De weerstand tegen carbonatatie werd bepaald aan de hand van een versnelde carbonatatieproef, waarbij de proefstukken cyclisch een week onder water werden bewaard en een week aan een hogere concentratie CO 2 (10vol%) werden onderwor - pen. Voor elk recyclebaar mengsel was deze weerstand minder groot dan voor referentiemengsel T(0,45). Toch bleef de indringing van de carbonatatie na twintig weken voor elk ir. Christophe Windels 1) ENCI Studieprijs (2) Dit is het tweede artikel in een serie met bijdragen van prijswin­ naars van de ENCI Studieprijs 2010. Het onderzoek dat in dit artikel wordt beschreven won de eerste prijs in de categorie Universiteiten. Zie ook het commentaar van de jury elders in dit artikel. 1 2 Volledig recyclebaar beton 3 2 2 0 11 | online extra online 3 Cyclische onderdompeling in NaCl-oplossing 4 Bepalen carbonatatiefront m.b.v. microscoopanalyse 5 Bepaling carbonatatiefront m.b.v. fenolfthaleïne vergeleken met de impact van het equivalent referentiemengsel voor dezelfde blootstellingsklasse. Zowel de uitgevoerde duur - zaamheidsproeven als de gekozen functionele eenheden werden zorgvuldig bepaald volgens in de praktijk voorko- mende situaties, zodat dit onderzoek meer dan enkel een theo- retisch belang zou hebben. Twee methoden werden hierbij gehanteerd. Een eerste methode, Eco-indicator 99, gaf een beeld van de totale milieu- impact van de verschillende betonmengsels, terwijl de tweede techniek, IPCC 2007 GWP, zich vooral toespitst op de uitgesto- ten broeikasgassen. Als functionele eenheden werden 1 m 3 beton, een 1 km lange weg en een door kolommen statisch bepaald ondersteunde balk in rekening gebracht. Alle berekeningen werden zowel uitge- voerd voor beton met traditioneel cement als voor beton met geregenereerd cement. Bijkomend werd eveneens afzonderlijk de impact van één ton cement (zowel CEM I als CEM III) bere- kend, met en zonder gebruik van geregenereerde klinker. Volgens beide technieken en voor elke functionele eenheid mengsel beperkt tot maximaal 10 mm (foto 4 en 5). Zo werd berekend dat onder normale omstandigheden (0,03vol% CO 2) de indringing na honderd jaar voor het slechtst presterende beton nog minder dan een centimeter zal bedragen. Wape- ningscorrosie door carbonatatie valt in dat geval niet te vrezen. Levenscyclusanalyse Vertrekkend van de resultaten van de duurzaamheidsproeven werd voor de verschillende betonsoorten een uitgebreide levenscyclusanalyse uitgevoerd. De milieu-impact van de mengsels werd hierbij met behulp van het softwareprogramma SimaPro onderzocht. Aan de hand van een aantal functionele eenheden werd hiermee de impact van dit beton op het milieu Commentaar van de jury ENCI studieprijs 2010 Volledig recyclebaar beton is een innovatief materiaal dat na constructief gebruik volledig in klinker kan worden omgezet en daardoor geen bouwpuin oplevert. Dit materiaal is echter alleen aantrekkelijk als ook wordt voldaan aan relevante andere eisen, zoals voldoende sterkte en voldoende weerstand tegen vorst ­dooicycli, chloridenindringing en carbonatie. In een grootschalig experi­ menteel onderzoek is overtuigend aangetoond dat dit materiaal ook in deze opzichten een kritische toets kan doorstaan. De studie getuigt van een zeer goed wetenschappelijk inzicht in deze complexe materie. Met de studie is een belangrijke bijdrage geleverd aan de kans op toepassing van volledig recycle ­ baar beton. 3 4 Volledig recyclebaar beton4 2 2 0 11 | online 6 Sterkte van volledig recycle baar beton 7 Effectcategorieën voor de verschillende cement soorten 8 'Global warming potential' voor de verschil- lende cementsoorten in functie van de tijdshorizon. De grootste impactsreductie is merkbaar door het gebruik van hoogoven- cement (CEM III). Maar ook het gebruik van gerecycled cement brengt een niet onbe - langrijke vermindering aan uitgestoten broeikasgassen teweeg waarbij het transport van de grondstoffen niet in rekening werd gebracht, scoorde het recyclebare beton beter dan het referen- tiebeton. Bovendien scoorde het beton ook telkens beter wanneer er gebruik werd gemaakt van gerecycled cement, dan wanneer traditioneel cement werd gehanteerd. De mate waarin de verminderde impact voelbaar was, liep op van 25% tot zelfs meer dan 60%. Conclusies Met dit onderzoek werd aangetoond dat volledig recyclebaar beton niet enkel een theoretisch concept, maar ook een prak- tisch realiseerbare oplossing biedt tegen de hoge milieubelas- ting die de bouwsector teweegbrengt. Door het betonrecept in de ontwerpfase af te stemmen op zijn latere functie als enige grondstof voor cementproductie, ontstaat een duurzame kring- loop van cement en beton. Het onderzoek toonde aan dat het recyclebaar beton zelf bovendien aan zeer strenge duurzaam- heidseisen kan voldoen. In elk van de onderzochte situaties vertoonde het beton dan ook een veel lagere milieu-impact dan een vergelijkbaar, traditioneel referentiemengsel. ? Afstudeer­ rapport online Op www.cement­ online.nl staat een link naar het afstudeerrapport. 5 6 7 8 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 één ton R CEM I één ton T CEM I één ton R CEM III één ton T CEM III eectcategorie 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 20 jaar 100 jaar 500 jaar één ton R CEM I één ton T CEM I één ton R CEM III één ton T CEM III Global Warming Potentials [CO-equivalenten] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 CRC 1 CRC 2 CRC 3a CRC 3b 28 dagen ouderdom 91 dagen ouderdom gemiddelde druksterkte fccub [N/mm²] volledig recyclebaar betonmengsel 1 kankerverwekkend [DALY · 10 -6] 2 ademhalingseffecten organische polluenten [DALY · 10 -7] 3 ademhalingseffecten anorganische polluenten [DALY · 10 -4] 4 klimaatsverandering [DALY · 10 -4] 5 straling [DALY · 10 -5] 6 aantasting ozonlaag [DALY · 10 -8] 7 ecotoxiciteit [PDF · m 2 · jr] 8 verzuring/eutrofiëring [PDF · m 2· jr] 9 gebruik van land [PDF · m 2 · jr] 10 mineralen [MJ extra] 11 fossiele brandstoffen [MJ · 10 2 extra]