O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetontechnologiecement 2003 568Drie dochterondernemingen vanbouwbedrijf Heijmans zijn eenonderzoek gestart naar de moge-lijkheid om het glasproductMisapor als toeslagmateriaal inbeton toe te passen. Misapor kanworden vervaardigd uit het rest-product KSP-glas. Dit is glaswaarin zich vervuilingen (kera-miek, steen en porselein) bevin-den, waardoor het niet meerbruikbaar is voor de recyclingnaar gewoon glas. De productievan Misapor-beton, waarin de tra-ditionele toeslagmaterialen zanden grind gedeeltelijk zijn vervan-gen, levert een product met eenlage volumieke massa (foto 1).Hetdoelvandezeinnovatieveont-wikkeling is tweeledig:? door de lage volumieke massageeft Misapor-beton voordelenbij transport;? gelet op de steeds strengereArbo-eisen schept het moge-lijkheden voor de maximaaldoor personen te dragenmassa.M a t e r i a a l M i s a p o rMisapor is in 1987 door het Zwit-serse bedrijf Misapor AG op demarkt gebracht. Het bedrijf heeftmomenteel vestigingen in Zwit-serland, Duitsland en Oostenrijk.DeverwerkingvanglastotMisaporgebeurt in een aantal stappen.Allereerstwordenpapierenanderematerialen uit het glas gescheiden.Vervolgens wordt het glas fijnge-malen tot poeder. Een activatorwordt door het glaspoeder ge-mengd en daarna wordt het mate-riaal in een oven verhit. Na verhit-ting rolt het schuimglas Misaporvan de lopende band (foto 2).De toepassing van Misapor bleefvoornamelijk beperkt tot ophoog-materiaal onder wegen en sport-velden. In 1997 is in Zwitserlandonderzoek gedaan om het mate-riaal als toeslagmateriaal in betontoetepassen.Debeschikbarefrac-ties hiervoor waren fijn (0-1 mm),middel(0-8mm)engrof(8-25mm).In2000resulteerdeditindeeersteprojecten uitgevoerd in Misapor-beton (foto 3).In 2001 zijn Nederlandse beton-fabrikanten begonnen met eenonderzoek naar het fabricerenvan betonspeciemengsels metMisapor als toeslagmateriaal. Dedoelstelling was het vervaardigenvan een zelfverdichtend mengselmet een optimale verhoudingtussen sterkte en dichtheid, waar-bij het eindproduct duurzaam eneconomisch haalbaar moet zijn.Het onderzoek is uitgevoerd van-uit een praktische invalshoek enheeft, door het systematischcombineren van de verschillendecomponenten, geleid tot een zelf-verdichtend mengsel met volledi-ge vervanging van zand en grinddoor Misapor-fijn en -middel. Bijdat onderzoek is niet gekekennaar de opbouw van het korrel-skelet.De literatuurstudie van een afstu-deeronderzoek [1] stelde vast datde tot nog toe toegepaste Misaporbetonsamenstellingen niet opti-maal waren. Het afstudeeronder-zoek zelf had tot doel een advieste geven over mengselsamenstel-Mengseloptimalisatie van beton-specie met ge?xpandeerd glasir. E.J. Schuitemaker en K. Huijgen, Prefab Beton Vebo BVprof. dr. ir. K. van Breugel, TU Delft, faculteit CiTG, sectie BetonconstructiesHet materiaal beton pasten de Romeinen reeds toe en is wat dat betreft eenzeer conventioneel bouwmateriaal. Door de eeuwen heen hebben nieuweinzichten en technieken geleid tot sterke verbeteringen in specifieke eigen-schappen van beton. Door deze innovatieve ontwikkelingen heeft beton kun-nen concurreren met andere bouwmaterialen. Een innovatieve ontwikkelingdie nog in de kinderschoenen staat, is de toepassing van ge?xpandeerd glasals toeslagmateriaal in beton. Hiermee kan een milieuvriendelijk lichtbetonworden gemaakt. Met de vervaardiging van het ge?xpandeerde glasproductuit een restproduct wordt, mede gelet op de negatieve gevolgen van de zand-en grindwinning, een positieve impuls gegeven aan duurzaam bouwen.1 | Korrels Misapor2 | Materiaal Misapor onderde elektronenmicro-scoop (rechts)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB etonte ch n o l o g i ecement 2003 5 69lingen waarin de eigenschappenzelfverdichtend, hoge sterkte,lage dichtheid en lage kosten op-timaal worden gecombineerd [2].Met twee methoden, `Europack'en`Dewar'[3,4,5],isgezochtnaarde optimale pakking van het kor-relskelet. Aanvullend met dekennis over zelfverdichtend betonzijn mengsels ontworpen diezowel een goede pakking hebbenals zelfverdichtend zijn.V i s i e e no n t w e r p m e t h o d e nVoor de berekening van een opti-male pakking (of optimale korrel-opbouw)vanmaterialenmoeteenaantal eigenschappen van de ma-terialen worden bepaald, bijvoor-beeld korrelgrootteverdeling envolumieke massa. De optimalepakking van toeslagmaterialenwordt bereikt indien de combina-tie van verschillende toeslagmate-rialen leidt tot een minimale hoe-veelheid holtes tussen de korrels(fig.4). De gevoeligheid voor ont-menging bij deze combinatie isminimaal, omdat de verschillen-de korrels precies in elkaar pas-sen. Die combinatie van toeslag-materialen resulteert verder ineen minimaal benodigde hoe-veelheid pasta (cement, vulstof-fen en water) ter vulling van deholle ruimtes tussen de korrels.Voor een zelfverdichtende sa-menstelling is de optimale pak-king van toeslagmaterialen eengunstig uitgangspunt. In die sa-menstelling `zweven' de korrelsals het ware in de pasta. Bij hettoevoegen van de pasta aan hetkorrelskelet worden eerst de holleruimtes tussen de korrels gevuld.De extra toegevoegde pasta kanworden gezien als `vrije pasta'.Deze vrije pasta vormt smeerlaag-jes tussen de korrels. Een juistepakking (minder holle ruimtes)levert bij een lager volume pasta aleen zelfverdichtend mengsel.In het geval dat licht toeslagmate-riaal met een lage korrelsterktewordt toegepast, is een optimalepakking gunstig voor de uiteinde-lijke sterkte van het beton [6].Vastgesteld is dat bij een dichtepakking van het korrelskelet enverhoging van de cementpasta,een hoge eindsterkte wordt ver-kregen. Een mogelijke verklaringhiervoor is dat met gelijke hoe-veelheid pasta en een verbeterdepakking een dikkere contactlaagtussen de korrels wordt gevormd.Bij toepassing van zwak poreustoeslagmateriaal heeft deze dik-kere laag cementsteen een posi-tief effect op de eindsterkte vanhet beton.De optimaliseringsmethode `Eu-ropack' bestaat uit een computer-programma dat aan de hand vande ingevoerde parameters de kor-relpakking uitzet in driehoekigegrafieken. De optimale pakkingvan de toeslagmaterialen kan uitde grafiek worden afgelezen. Aande hand van deze pakking en decombinatie van toeslagmateria-len wordt een mengselsamenstel-ling berekend.De methode van onderzoeker J.D.Dewar berekent naast de optima-le combinatie toeslagmaterialentevens de verdeling van de overigebestanddelen bij een bepaalde re-ferentiezetmaat. Met een uitge-breid stelsel berekeningen enbehulp van diagrammen bepaaltde methode de optimale combi-natie van materialen bij minima-liseringvandehoeveelheidholtes.Twee verschijnselen, holtevulling(fig.5)enkorrelinterferentie(fig.6),liggen ten grondslag aan de me-3 | Woning in Zwitserlandvervaardigd uitMisapor-beton4 | Model korrelopbouw vanMisapor-middel, zand enMisapor-fijn5 | Holtevulling6 | KorrelinterferentieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetontechnologiecement 2003 5thode. Holtevulling is het ver-schijnsel dat fijne korrels deholtes tussen de grovere korrelsvullen. Onder toevoeging van teveel fijne korrels of bij toenamevan de diameter van de fijnekorrels worden de grovere korrelsuit elkaar gedrukt. Beide ver-schijnselen treden in meer ofmindere mate op en bepalen hetuiteindelijke volume aan holtesindien twee verschillende mate-rialen worden samengevoegd.R e s u l t a t e ns t e r k t e o n d e r z o e kDe methoden `Europack' en`Dewar' resulteren in een optima-le samenstelling waarbij de volu-meverhouding tussen de toeslag-materialen (m3/m3) vrijwel iden-tiek zijn. De samenstelling waar-bij 10% Misapor-fijn, 38% zanden 52% Misapor-middel wordensamengevoegd, leverde een opti-male pakking. De hoeveelheidholtes tussen de korrels endaarmee de benodigde hoeveel-heid pasta is bij die samenstellingminimaal. Onder toevoeging vaneen extra hoeveelheid pasta, inverband met verwerkbaarheid,wordteenmengselverkregenmeteen gemiddelde ontkistingsdicht-heid van 1740 kg/m3en eengemiddelde 24-uurs sterkte van30,9 N/mm2. Vergeleken met hetmengsel van het eerder uitge-voerde praktijkonderzoek is desterkte met 20% toegenomen bijvrijwel gelijke dichtheid en ce-menthoeveelheid.`Europack' leverde, bij de toepas-sing van alleen Misapor-fijn en -middel, een mengsel met eendichtheid van 1397 kg/m3en eengemiddelde 24-uurs sterkte van18,2 N/mm2. In het onderzoek isde toepassing van de grove fractieMisapor niet meegenomen. Dezekorrels zijn erg gevoelig voor ont-menging en hebben een nadeligeinvloed op de sterkte.Met de methoden `Europack' en`Dewar' zijn goed functioneren-de mengsels uit het praktijkon-derzoek van de drie betonfabri-kanten geanalyseerd en aan-gepast. In het laboratorium vanVebo zijn mengsels gemaakt(tabel 1) en eigenschappen be-paald. Dit resulteerde in meng-sels met verbeteringen in desterkte en dichtheid. Uit de on-derzochte mengsels blijkt dat demaximaal haalbare gemiddelde24-uurs sterkte (S) een functie isvan de gemiddelde ontkistings-dichtheid (r) volgens:S = 0,045 r - 42 (in N/mm2).Met Misapor is het niet mogelijkgebleken een mengsel samen testellen dat, qua combinatie dicht-heid en sterkte, boven deze grens-lijn uitkomt. Uit de grafiek blijktdat optimalisatie van de pakkingvolgens beide methoden meng-sels oplevert met een gunstigecombinatie van sterkte en dicht-heid (fig. 7). De onderzochtemengsels liggen dicht tegen delijn van de maximale sterkte, ditin tegenstelling tot de mengselsuit het praktijkonderzoek.Z e l f v e r d i c h t e n d em e n g s e l sDe optimale mengsels van `Euro-pack' en `Dewar' voldoen echterniet aan de gestelde eis dat zezelfverdichtend moeten zijn. Hetmaken van een zelfverdichtendlichtbeton (ZVLB) is gecompli-ceerd en levert een aantal moeilijk-heden ten opzichte van `normaal'zelfverdichtend beton [7].DelichteporeuzekorrelsinZVLBhebben de neiging op te drijven.Het gevaar voor ontmenging isdus groot. Hoe vloeibaarder eenbetonspecie, ofwel hoe lager decohesie, hoe groter het gevaarvoor ontmenging. Het gevaarvoor ontmenging in zelfverdich-tend Misapor-beton is tegenge-gaan door de specie meer viskeusof stroperiger te maken door ver-hoging van de hoeveelheid poe-ders (delen < 0,09 mm) en toe-voeging van een stabilisator.Proefondervindelijk is het effectop de verwerkbaarheid vastge-steld bij verhoging van de hoe-veelheid water en poedervormigmateriaal (tabel 2). Het aandeelMisapor-fijn in de mengsels isverhoogd omdat dit een grootaandeel poedervormig materiaalbevat. Het onderzoek resulteerdein een aantal zelfverdichtendebetonsamenstellingen. Voor dekeuze van een optimale samen-stelling is onderscheid gemaakttussen beton met een construc-tieve en een niet-constructievetoepassing (bijvoorbeeld dorpels,Tabel 1 | Mengselsamenstelling Misapor-betonMateriaal m (kg) V (l/m3)Cement 443,0 141Kalksteenmeel 38,0 14Superplastificeerder (1,4%) 6,2 6Stabilisator (0,45%) 2,0 2Lucht ? 35Vrij water 169,0 169Misapor fijn 359,0 171Misapor middel 340,0 464grenslijn sterkteresultaten praktijkonderzoekgemiddelde ontkistingsdichtheid (kg/m3)gemiddelde24-uurssterkte(N/mm2)100040353025201510501200 1400 1600 1800 20007 | Resultaten praktijkon-derzoek (ruit), Europack(driehoek) en Dewar(cirkel)70O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB etonte ch n o l o g i ecement 2003 5 71afdekbanden). Bij de laatste toe-passingisdesterkte,mitsvoldaanwordt aan de vereiste ontkistings-sterkte, niet bepalend voor dekeuze.C o n c l u s i e s e na a n b e v e l i n g e nUit het onderzoek is gebleken datoptimalisatie van pakking of kor-relopbouw een goede basis vormtvoor een mengselonderzoek. Demethoden `Europack' en `Dewar'leveren winst ten aanzien vansterkte en dichtheid vergelekenmet het praktijkonderzoek (`trailand error'). De methoden biedentevens inzicht in de opbouw vanhet korrelskelet. Door verhogingvan de hoeveelheid `vrije pasta' inhet mengsel zijn zelfverdichten-de mengsels ontwikkeld.De optimale samenstelling voorMisapor-beton in een construc-tieve toepassing wordt gevormddoor de mengsels met een ge-middelde 24-uurs sterkte van 35N/mm2eneendichtheidvancirca1850 kg/m3. Met deze mengselsis de sterkteklasse B 35 goed te re-aliseren. Het volume toeslagma-teriaal van dit mengsel bestaatvoor 20% uit Misapor-fijn, 46%Misapor-middel en 34% zand.De optimale samenstelling vanMisapor-beton in een niet-con-structieve toepassing bestaat uiteen mengsel met een gemiddeldeontkistingsdichtheid van ruim1650 kg/m3en een gemiddelde24-uurs sterkte van 26 N/mm2.Hiermee is een sterkteklasse vanB 25 ruimschoots haalbaar. Hetvolume toeslagmateriaal in ditmengsel bestaat voor 50% uitMisapor-fijn en 50% uit Misapor-middel. Met een kalksteenmeel-en cementgehalte van respectie-velijk 200 en 450 kg/m3is hetmengsel goed zelfverdichtend(vloeimaat van 760 mm).Een aantal zaken vereist nog na-der onderzoek. Hierbij kan ge-dacht worden aan:? de invloed van verschaling vanlaboratorium naar fabriek;? het vaststellen van eisen enbandbreedtes waarbinnen deeigenschappen van de toege-paste materialen moetenliggen. Dit is nodig om eenproduct met constante kwali-teit te kunnen leveren;? de economische haalbaarheidom producten in Misapor-beton te kunnen toepassen;? de gevoeligheid van het mate-riaal voor alkali-silicareactie;? de mate waarin vloeistoffenhet materiaal indringen.Inmiddels is voor een aantal ei-genschappen vervolgonderzoekgestart. Eind 2003 zullen hiervande eerste resultaten beschikbaarkomen. L i t e r a t u u r1. Schuitemaker, E.J., Ge?xpan-deerd glas als toeslagmate-riaal in beton, Deel 1 Litera-tuurstudie, lichtbeton,regelgeving en Misapor.Afstudeerverslag TU Delft,faculteit Civiele Techniek,maart 2002.2. Schuitemaker, E.J., Ge?xpan-deerd glas als toeslagmateri-aal in beton, Deel 2; mengsel-optimalisatie Misapor-beton.Afstudeerverslag TU Delft,faculteit Civiele Techniek,november 2002.3. Dewar, J.D., Computer mo-delling of concrete mixtures,1999.4. Dewar, J.D., andAnderson, R., Manual ofready-mixed concrete,2eed. 1992.5. Glavind, M., Packing calcula-tions and concrete mixdesign, G.S. Olsen, 1995.6. Technical and economicmixture optimisation of highstrength lightweight aggregateconcrete, EuroLightCon, Doc.BE96-3942/R9, 2000.7. M?ller, H.S.; Haist, M.;Mechtcherine V., Entwick-lung selbstverdichtenderLeichtbetone, Universit?tKarlsruhe, 2001.Tabel 2 | Effect aanpassingen aan volume water en poedervormig materiaal op de verwerkbaarheid: toename van volume water en poeder resulteert in eenzelfverdichtend mengselMateriaal m (kg) V (l/m3) Materiaal m (kg) V (l/m3)Cement 459,0 146 Cement 459,0 146Kalksteenmeel 39,0 15 Kalksteenmeel 205,0 76Superplastcificeerder (1,4%) 6,4 6 Superplastcificeerder (1,4%) 6,4 6Stabilisator (0,45%) 2,1 2 Stabilisator (0,45%) 2,1 2Lucht - 35 Lucht - 35Vrij water 174,0 174 Vrij water 202,0 20Misapor fijn 123,0 58 Misapor fijn 225,0 107Misapor middel 236,0 322 Misapor middel 180,0 245Zand 630,0 242 Zand 472,0 181Volume poeder 192 dm3Volume poeder 280 dm3Vwater/ Vpoeder0,91 Vwater/ Vpoeder0,72Vloeimaat - mm Vloeimaat 735 mmGemiddelde 24-uurs druksterkte 30,9 N/mm2Gemiddelde 24-uurs druksterkte 35,1 N/mm2Ontkistingsdichtheid 1740 kg/m3Ontkistingsdichtheid 1847 kg/m3