themaBeton met vliegas duurzaam?3200946themaENCI studieprijsBeton met vliegasduurzaam?Hoog-volume-vliegasbeton (HVFA-beton) wordt tegenwoor-dig gezien als een mogelijk `groen' alternatief voor traditio-nele betonsamenstellingen. Doordat in HVFA-beton mini-maal 50% van het cement vervangen is door puzzolaanvliegas1), een bijproduct van kolengestookte elektriciteitcen-trales, kan de CO2-uitstoot die te wijten is aan de productievan cement in belangrijke mate worden teruggeschroefd.Deze redenering gaat echter alleen maar op indien hetHVFA-beton minstens even sterk en duurzaam is als betonop basis van alleen portlandcement. In dit artikel wordt deduurzaamheid van HVFA-beton besproken aan de hand vande porositeit en transporteigenschappen.1met een laag calciumgehalte afkomstig van kolengestookteelektriciteitscentrales [1]. Met de toepassing van vliegas konenigszins worden bespaard op het dure cement.De laatste decennia is naast dit economische motief, ook hetmilieuaspect steeds meer in de kijker gekomen. Zo is de menszich er steeds meer van bewust geworden dat zijn activiteiteneen wezenlijke impact kunnen hebben op het broeikaseffect ende daaraan gekoppelde opwarming van de aarde. De uitdruk-kelijke vraag om daarom de uitstoot van broeikasgassen (waar-onder CO2) sterk terug te schroeven blijkt duidelijk uit deKyoto-normen en het laatste rapport van het IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) [2, 3].Verminderen CO2-uitstootAangezien de productie van cement gepaard gaat met aanzien-lijke CO2-emissies, is het logisch dat ook enige inspanningenworden verwacht van de cementindustrie. Cijfers uit 2002geven bijvoorbeeld aan dat 5% van de globale antropogeneCO2-emissies aan de cementindustrie kunnen worden toege-schreven [4]. Jaarlijks produceert de Belgische cementindustriezo'n 6 500 000 ton cement. In 2005 ging dit gepaard met eenCO2-uitstoot van 5 100 000 ton [5]. Door minstens de helft vanhet cement in beton te vervangen door vliegas zouden dezeemissies zeker kunnen worden gehalveerd. De jaarlijkseHet begrip hoog-volume-vliegasbeton (HVFA-beton) werdgeïntroduceerd door Malhotra in 1986. Voor het eerst werdnagegaan of het mogelijk was om meer dan 50% van hetcement in beton te vervangen door puzzolaan vliegas (foto 2)Porositeit en transporteigenschappen onderzocht1) Het gaat in dit onderzoek om de vervanging van portlandcement door puzzolaanvliegas in beton. In Nederland wordt ook veel gebruikgemaakt van portland-vliegascement waarin portlandklinker al in de cementfabriek voor een deel isvervangen door vliegas.Beton met vliegas duurzaam? 4732009productie van vliegas gaat weliswaar gepaard met nog grotereCO2-emissies, maar omdat vliegas een bijproduct is, hoeft ditniet in rekening te worden gebracht. Deze emissies wordenimmers aan de productie van elektriciteit toegeschreven.Andere bijproducten die in aanmerking komen voor gedeelte-lijke cementvervanging zijn latent-hydraulische hoogovenslak-ken afkomstig uit de staalindustrie. Dit artikel gaar hier echterverder niet op in en beperkt zich tot portlandcement.De gunstige impact van cementvervanging door vliegas gaatalleen maar op indien de duurzaamheid van HVFA-betonvergelijkbaar is met deze van traditionele betonsamenstellin-gen. Een lagere duurzaamheid heeft immers tot govolg dat eenbetonconstructie in HVFA-beton na verloop van tijd moetworden hersteld of vervangen, wil deze constructie even langmeegaan. En bijkomende CO2-emissies te wijten aan herstel ofvervanging moeten zoveel mogelijk worden vermeden.OnderzoekDe levensduur van een constructie in gewapend beton is zeersterk afhankelijk van de mate waarin schadelijke vloeistoffen engassen het beton kunnen binnendringen. Zo kan wapenings-corrosie alleen maar optreden indien er water en zuurstof voor-komen ter hoogte van een doorbreking in de passiveringslaagvan het wapeningsstaal. In het geval van door carbonatatiegeïnitieerde corrosie wordt deze depassivering veroorzaaktdoor CO2-gas dat het beton binnendringt. Daarbij gaat het CO2immers reageren met het aanwezige Ca(OH)2waardoor CaCO3wordt gevormd. Hierdoor daalt de pH en wordt de bescher-mingslaag van het wapeningsstaal teniet gedaan. Door de poro-siteit en de transporteigenschappen van HVFA-beton te karak-teriseren kunnen dus uitspraken worden gedaan over de corro-sieweerstand van het beton [6].Aan de Universiteit Gent is onderzoek verricht naar vijf beton-mengsels met een variërend vliegasgehalte vervaardigd:I-0: referentiemengsel;II-0,35: met 35% vliegas;III-0,50: met 50% vliegas;IV-0,50: met 50% vliegas;V-0,67, met 67% vliegas.ir.-arch. Philip Van den Heede enprof.dr.ir. Nele De BelieUniversiteit Gent, LaboratoriumMagnel voor Betononderzoek1 Vliegas komt vrij bij de productie van elektriciteit2 Monster puzzolaan vliegas3 Proefopstelling vacuümverzadigingsproefENCI StudieprijsDit is een artikel op basis van het afstudeerdonderzoek`Porositeit entransporteigenschappen van`groene'betonsoorten'dat ir.-arch. PhilipVan den Heede verrichtte aan de Universiteit Gent. De studie kreegeen eervolle vermelding bij de ENCI studieprijs 2008. Het artikel isonderdeel van een serie over deze studieprijs waarin alle prijswin-naars en eervolle vermeldingen aan bod komen. In Cement 2008/5werd in het artikel`Overlaging hoogwaardig vezelbeton op een ortho-troop stralen brugdek` aandacht besteed aan de prijswinnaar in decategorie`afstudeeronderwerpen en studies op academisch niveau'.De ENCI studieprijzen worden jaarlijks tijdens de Betondag uitgereiktdoor het ENCI Studiefonds. Met de prijzen wordt beoogd belangstel-ling te wekken voor het bouwen met beton en nieuwe ontwikkelin-gen op dit gebied te stimuleren. De daadwerkelijke organisatie vande Studieprijs is in handen van de Betonvereniging.23Beton met vliegas duurzaam?32009484 Proefopstelling gaspermeabiliteitsproef5 Proefopstelling capillariteitsproef6 Open porositeit [%] van alle mengsels op 28 en91 dagen ouderdom na droging bij 40 °C7 Schijnbare gaspermeabiliteit ka[x 10-16m²] nadroging bij 105 °C van alle mengsels op 28 en 91dagen ouderdom bij 2 en 3 bar8 Opslorpingscoëfficiënten G1 (1-6 uur) en G2 (72-336 uur) [kg/m²/uur] van alle mengsels op 28 en91 dagen ouderdom na droging bij 40 °CGaspermeabiliteitDe gaspermeabiliteit voor O2-gas werd gemeten met behulpvan een permeameter van het type `cembureau' na droging bij105 °C. De daarbij gehanteerde proefopstelling is analoog aandegene die RILEM TC 116 PCD (1999) [9] voorschrijft enwordt voorgesteld in foto 4.Capillaire opslorpingDe mate waarin niet-verzadigd beton water opneemt door capil-laire opslorping kan worden geëvalueerd door aan de hand vaneen capillariteitsproef een opslorpingscoëfficiënt te definiëren [8].Deze wordt berekend door na droging bij 40 °C de massatoenameals functie van de tijd op te meten van betonkubussen waarvanhet ondervlak permanent in contact is met water (fig. 5).Resultaten en discussieDe bovengenoemde proeven werden telkens uitgevoerd op 28en 91 dagen ouderdom.Capillaire porositeitDe proefresultaten van de vacuümverzadiging worden weergege-ven in figuur 6. De laagste capillaire porositeit wordt genoteerdbij mengsel II-0,35 op een leeftijd van 91 dagen. De uitgesprokenverdichting van de poriënstructuur die na 28 dagen plaatsvindt,kan worden toegeschreven aan de puzzolane vliegasreactie.Daarbij reageert de vliegas met het aanwezige Ca(OH)2afkom-stig van het gehydrateerde cement. De puzzolane reactie komtook tot uiting bij de mengsels met 50% vliegas. In het geval vanmengsel III-0,50 is de afname in capillaire porositeit tussen de 28en 91 dagen ouderdom echter niet voldoende om een openporositeit te halen die vergelijkbaar is met deze van het referen-tiemengsel I-0. De hoogste capillaire porositeiten worden waar-genomen bij het mengsel met 67% vliegas (V-0,67).GaspermeabiliteitOm de gasdoorlatendheid te evalueren werd de schijnbaregaspermeabiliteit kaberekend bij 2 en 3 bar (fig. 7). Daarbijwordt een laminaire stroming door de proefstukken heen veron-dersteld. De toename in gasdoorlatendheid bij mengsel I-0 enII-0,35 tussen 28 en 91 dagen ouderdom is twijfelachtig. Deproeven voor beide mengsels met een leeftijd van 91 dagenwerden uitgevoerd op proefstukken met 28-daagse druksterkteIn het mengsel IV-0,50 werd vliegas afkomstig van een andereelektriciteitscentrale aangewend, namelijk vliegas FA(2) inplaats van FA(1). Het verschil tussen beide vliegassen wordtverder in het artikel besproken. De precieze samenstelling vande mengsels wordt weergegeven in tabel 1.Capillaire porositeitTer bepaling van het gehalte aan poriën die in contact staan methet buitenoppervlak, werd gebruikgemaakt van de vacuüm-verzadigingstechniek (foto 3), zoals beschreven in de Belgischenorm NBN B05-201 (1976) [7]. De aldus verkregen open poro-siteit na voorafgaande droging bij 40 °C kan als een ruwe schat-ting van de capillaire porositeit worden beschouwd [8].themaI-0 II-0,35 III-0,50 IV-0,50 V-0,67zand 0/4 (kg/m³) 686 668 660 660 652granulaten 2/8 (kg/m³) 451 437 432 432 432granulaten 8/16 (kg/m³) 694 678 668 668 660CEM I 52,5 N (kg/m³) 400 260 200 200 132water (kg/m³) 160 160 160 160 160FA(1) (kg/m³) 0 140 200 0 268FA(2) (kg/m³) 0 0 0 200 0superplastificeerder (ml/m³) 1000 818 1000 1000 750wcf (-) 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4Tabel 1 Samenstelling van de mengsels I-0, II-0,35, III-0,50, IV-0,50 en V-0,6745ENCI studieprijsBeton met vliegas duurzaam? 32009 49die significant verschilde van de poefstukken die gebruiktwerden voor de proef met de mengsels met een leeftijd van 91dagen ouderdom. De bijhorende resultaten worden daarombeter buiten beschouwing gelaten. Opvallend zijn opnieuw deresultaten van het mengsel met 50% vliegas FA(2) (IV-0,50).Reeds na 28 dagen worden voor dit mengsel gasdoorlatendhedengemeten die lager zijn dan deze van de referentie.Capillaire opslorpingDe resultaten van de capillariteitsproef worden weergegeven infiguur 8. De opslorpingscoëfficiënten G1 en G2 zijn een maatvoor respectievelijk de initiële opslorpingssnelheid (1-6 uur) ende opslorpingssnelheid op lange temijn (72-336 uur). Hetmengsel met 50% vliegas FA(2) (IV-0,50) wordt na 91 dagengekenmerkt door de laagste opslorpingssnelheid op langetermijn.Algemeen kan worden gesteld dat het HVFA-mengsel met 50%vliegas FA(2) (IV-0,50) de gunstigste resultaten oplevert.Analyse wees uit dat vliegas FA(2) wordt gekenmerkt door eenlager gloeiverlies of potentieel massaverlies na 1 uur verhittingbij 950 °C (3,53% in plaats van 5,24%) en een kleinere zeefrestop de 45µm-zeef (18,69% in plaats van 28,75%). Dit resulteertin een hogere reactiviteit van de vliegas. In de norm NBN EN450-1 (2005) gelden beide parameters als belangrijke kwali-teitscriteria [10].Belang voor de betonwereldDe ontwikkeling van HVFA-beton heeft alleen zin indien deduurzaamheid van dit zogenoemde `groene' betontypeminstens hetzelfde is als die van traditionele betonsamenstel-lingen op basis van alleen portlandcement. Een vliegasgehaltevan 50% blijkt wel degelijk mogelijk te zijn indien wordtgekozen voor vliegas van voldoende hoge kwaliteit. Momenteelwordt in de norm NBN EN 450-1 (2005) 5% gloeiverlies alslimiet voorgeschreven voor een vliegas van klasse A die inbeton mag worden gebruikt. Deze limietwaarde moet wellichtworden verlaagd wanneer een cementvervanging van meer dan50% wordt gehanteerd. Hetzelfde geldt voor de 45µm-fijnheid.De zeefrest op de 45µm-zeef van zowel FA(1) als FA(2) iskleiner dan de toegelaten 40% (klasse N). Toch geven de meng-sels III-0,50 en IV-0,50 duidelijk verschillende resultaten. )I Literatuur1 Malhotra, V.M., & Mehta, P.K., High-perfor-mance, high-volume fly ash concrete:materials, mixture, proportioning, proper-ties, construction practise, and case histo-ries, 2nd edition. Supplementary cement-ing materials for Sustainable Develop-ment Inc, Ottawa, 2005.2 Kyoto Protocol to the United NationsFramework Convention on ClimateChange. United Nations, 1998.3 Climate Change 2007: Synthesis Report,An Assessment of the IntergovernmentalPanel on Climate Change, IPCC, Valencia,2007.4 Humphreys, K. & Mahasenan, M., Towardsa sustainable cement industry. Substudy8, Climate change. World Business02468101214openporositeit[%]I-0(28)I-0(91)II-0,35(28)II-0,35(91)III-0,50(28)III-0,50(91)IV-0,50(28)IV-0,50(91)V-0,67(28)V-0,67(91)01234562 bar 3 barI-0(28)I-0(91)II-0,35(28)II-0,35(91)III-0,50(28)III-0,50(91)IV-0,50(28)IV-0,50(91)V-0,67(28)V-0,67(91)schijnbaregaspermeabiliteit(x10-16m2)6780,00,20,40,60,81,01,21,41,6G1 (1-6 uur) G2 (72-336 uur)I-0(28)I-0(91)II-0,35(28)II-0,35(91)III-0,50(28)III-0,50(91)IV-0,50(28)IV-0,50(91)V-0,67(28)V-0,67(91)G(kg/m2vuur)