ir.L.H.GoessensS.J.P.BrounsResearchafdeling ENCI, MaastrichtTabel 1Verbruik van hoogovencement in enkelelandenPortlandvliegascement, eenalternatief met perspectiefSamenvattingDoor ENGI werd een uitgebreid onderzoek uitgevoerd naar de toepassingsmogelijkhedenvan vliegas in cement. Dit heeft geresulteerd in de ontwikkeling van een portlandvliegasce-ment dat voldoet aan de eisen van de Nederlandse markt.VliegasIn 'Van Dale' wordt de volgende omschrijving van vliegas gegeven: fijne, met rookop dewindverspreide as, vooral van poederkool.Voor de opwekking van elektriciteit wordt in Nederland, als gevolg van de hoge prijzen vanolie en aardgas, steeds meer overgeschakeld op met poederkool gestookte installaties.Hierdoor wordt veel vliegas geproduceerd, die in moderne installaties door elektrofilters uithet rookgas wordt afgescheiden en als een fijn poeder beschikbaar komt.Vliegas bestaat voornamelijk uit glasachtige bolletjes met afmetingen tussen 0,001 en 0,15mmo Deze structuur geeft aan vliegas voor toepassing in beton twee belangrijkeeigenschap~pen, namelijk een plastificerende werking en puzzolaniteit.De plastificerende werking reduceert de waterbehoefte van betonspecie voor een bepaaldeverwerkbaarheid. Deze eigenschap wordt toegeschreven aan de veelal ronde korrelvorm vande vliegasdeeltjes.Puzzolaniteit is de eigenschap van stoffen (silikaten in glasvorm) om met kalk en watersteenharde produkten te vormen. De naam is afkomstig van in Itali? voorkomende vulkani-sche as (natuurlijk puzzolaan), die reeds in deoudheid met kalk in mortel werd toegepast.Vliegas (een kunstmatig puzzolaan) kan met kalk die bij hydratatie van portlandcementvrijkomt, hydraulische verbindingen vormen en zobijdragen aan de sterkte-ontwikkeling.Vanwege bovenstaande eigenschappen wordt in verschillende landen natuurlijk dan welkunstmatig puzzolaan toegepast in cement of beton. Zulke cementsoorten worden meestalverkocht onder de naam portlandpuzzolaancement (10-30% puzzolaan) en puzzolaance-ment (20-40% puzzolaan).Kenmerkend voordeze cementsoorten isdatzeten opzichte van portlandcementmeestal eenlangere bindtijd en lagere beginsterkte vertonen.De Nederlandse situatieHet cementverbruik in Nederland kent een uitzonderlijk hoog aandeel hoogovencementzoals aangegeven in tabel 1.In Nederlands hoogovencement is ten opzichte van portlandcement circa 70% van deportlandklinker vervangen doorhoogovenslak. Voor de bereiding van portlandklinker isenergie en kalksteen nodig. Toepassing van hoogovencement levert derhalve een besparingop aan kostbare energie en in Nederland schaarse kalksteen.Het toepassen van vliegas in cement waarbij de vervanging van portlandklinker (20 ? 30%)belangrijk minder is dan in hoogovencement heeft in Nederland alleen dan zin wanneer hetportlandvliegascement het gebruikelijke portlandcement kan vervangen.In verband met het bovenstaande werd research uitgevoerd naar de mogelijkheden van hetproduceren van een portlandvliegascement met de karakteristieke eigenschappen van hetgebruikelijke portlandcement.NederlandBelgi?DuitslandItali?JapanFrankrijkEngelandaandeel hoogovencementin % van totaal cementverbruik5627165430,2Karakterisering vliegasIn nauw overleg met de desbetreffende electriciteitsbedrijven werd een onderzoek uitge-voerd naarde kwaliteit van in Nederland geproduceerde vliegas. Ditonderzoekbracht aan hetlicht, dat de invloed van vliegas op dewaterbehoefte van betonspecie grotevariatiesvertoont.Illustratief hiervoor zijn de in figuur 1 gegeven meetwaarden.Vanbetonmengsels met portlandcement (325 kg/m3) en mengsels waarvan 25% van hetportlandcement werd vervangen door vliegas van verschi Ilende kwaliteit werd voor diverseschudmaatwaarden de waterbehoefte gemeten. De stippellijn geeft de waterbehoefte vanbeton op basis van het toegepaste portlandcement voor verschillende schudmaatwaardenaan. Het gearceerde gebied omvat de meetwaarden voor de verschillende kwaliteiten vliegas(fig. 1j.Cement XXXIII (1981) nr. 12 785915628portlandcement14puzzolane werking van vliegas in beton7---)l>_ verhardingsduur in dagen"~1:"~.e~"~"0i5040 45---~l>_ schudmaatwaardein cm (DIN 1048)waterbehoefte van betonmortelmengsels metverschillende kwaliteiten vliegas180160150 -t--------.------....,--------,351702 3 4---~l>_ consistentiegebieden [VB 1974)1Waterbehoefte van betonspeciemengselsmet verschillende kwaliteiten vliegasUit figuur 1 blijkt, dat afhankelijk van de kwaliteit van de vliegas de waterbehoefte van despecie belangrijk kan vari?ren en derhalve de kwaliteit van het beton. Ook blijkt dat niet allevliegas de waterbehoefte van betonspecie vermindert.2Puzzolane werking van vliegas in betonIn de literatuur is te vinden dat de puzzolane werking van vliegas slechts langzaam op gangkomt. Door metingen zoals weergegeven in figuur 2 kan dat worden bevestigd. In deze figuurzijn de gemeten druksterktewaarden van beton uitgezet tegen deverhardingsduur. Voor hetonderscheiden van de puzzolane werking van de vliegas werd een relatief hoge vloeibaarheidvan het beton toegepast (flow = 1,75-1,8). De metingen werden verricht met beton op basisvan portlandcement, beton waarin 25% van het portlandcement werd vervangen doorverschillende kwal iteiten vliegas en beton waarin 25% van het portlandcement werd vervan-gen door zand gemalen op de fijnheid van vliegas.Uit de meetwaarden blijkt, dat de beginsterkte-waarden voor portlandcement + vliegas envoor portlandcement + gemalen zand weinig verschillen en slechts circa 50% van desterktewaarden van portlandcementbeton bedragen. Na 7 dagen nemen de sterktewaardenvan mengsels met vliegas sneller toe dan die met gernalen zand. Deze toename wordtveroorzaakt door de puzzolane werking van de vliegas. Samengevat kan worden gesteld, datde puzzolanewerking tot7 dagen nihil is;tot28dagen nog gering isen pas na28 dagen tot zijnrecht komt.Speciaal met het oog op de grote verschillen in plastificerende werking werd een onderzoekuitgevoerd naar mogelijkheden voor het selecteren van de vliegas. Uit het onderzoek bleekdat de grote verschillen in plastificerende werking moeten worden toegeschreven aanvariaties in chemische samenstelling van de as (herkomst van de kolen), de maalfijnheid vande poederkool en de stookcondities. Voor het selecteren van een goede kwaliteit vliegasbleken de parameters glasstructuurgehalte, fijnheid en koolgehalte zeer geschikt te zijn.Met de electriciteitsbedrijven werd een regeling getroffen om te komen tot vliegas van devereiste kwaliteit.Het ondervangen van lage sterktewaarden tot 28 dagen bleek mogelijk door het toepassenvan een hoge kwaliteit portlandklinker en het aanpassen van de cementmaling.Deze inzichten hebben geleid tot het ontwikkelen van een portlandvliegascement in de klasseA, dat portlandcernent kan vervangen. Om norm-mortelsterktewaarden, bindtijd, warmte-ontwikkeling, gedrag bij lagere temperatuur en duurzaamheid gelijk aan die van portlandce-ment te kunnen garanderen, werd een vliegasgehalte van 25% vastgesteld.In beton heeft het portlandvliegascement het voordeel van een betere verwerkbaarheid,respectievelijk lagere waterbehoefte.Kwaliteit portlandvliegascementBasiseigenschappenDe binding, warmte-ontwikkeling ensterkteontwikkeling van portlandvliegascementklasseA(afgekort pvlc-A) en portlandcement klasse A (afgekort pc-A), gemeten volgens de Neder-landse cementnorm NEN 3550, komenvergaand overeen. Representatieve meetwaarden zijnin tabel 2 gegeven.Dit zijn de kwaliteitsparameters, waarop de produktie primair wordt gestuurd.Cernent XXXIII (1981) nr. 12 786Tabel 2BasiseigenschappenportlandvliegascementTabel 3Invloed van de temperatuur op de bindtijdTabel 4Invloed van de temperatuurop desterkteontwikkeling van cementmortelTabel 5Indicatie omtrent de kleuranalyse portlandcement portlandvliegas- meting aanklasse A cement klasse Averhardingsduur druksterkte (N/mm2)(dagen)1 10 11 normmortel2 17 18 cement: zand =;03 21 22 1 : 37 32 3228 44 44 wcf=;oO,5090 55 58bindtijd (minuten)begin binding 165 175 cementpasta bijeinde binding 210 210 normaalconsistentiewarmteontwikkeling (J/gram)na 7 dagen 280 280 cementpastawcf=;oO,40De buigtreksterkte, gemeten aannorm-mortelproefstukken, is voor beiden cementsoortengelijk.Invloed temperatuurDe invloed van de temperatuurop deopstijving en verhardingvan pvlc-Aen pc-A is vastgelegdbinnen de gebruikelijke temperatuurgrenzen waarbinnen de natuurlijke verharding vanmortel en beton kan plaatsvinden.De bindtijd van pvlc-Abijlagere (3?C) en hogere (30?C) temperatuur is, zoals weergegeven intabel 3, gelijkwaardig aan die van pc-A.cement temperatuur bindtijdbij normaal-pasta consistentie (minuten)(OC)begin binding einde bindingportlandcement 3 325 460klasse A 30 90 140portlandvliegas- 3 280 465cement klasse A 30 115 150De druksterktewaarden zijn bij lagere temperatuur gelijkwaardig; bij hogere temperatuur ligtde sterkteontwikkeling van pvlc-A tot 7 dagen verharden achter, doch is na 28 dagenverharding belangrijk toegenomen ten opzichte van het pc-A (tabel 4).cement temperatuur norm-morteldruksterktemortel (N/mm2)(0C)2 dagen 7 dagen 28 dagenportlandcement 3 7,5 24 44klasse A 30 25,5 42,5 51portiandvliegas" 3 7 24 42,5cement klasse A 30 21 37 63,5KleurDe kleur van pvlc-A zal niet merkbaar verschillen met die van het huidige pc-A (tabel 5).Hiervoor worden onder andere speciale eisen aan het te verwerken vliegas gesteld.Cement XXXIII (1981) nr. 12cementpvlc-Apc-Agemiddeldegrijswaarde6567grenzen ingrijswaarde63-6765-69WaterbehoefteDe waterbehoefte van een betonspecievooreenbepaald consistentiegebied is bij toepassingvan pvlc-A geringer. Vergelijkende meetwaarden zijn in tabel 6 gegeven.Deze besparing aan water neemt, bij eenzelfde verwerkbaarheid van de betonspecie, toenaarmate de gewenste zetmaat lager is.787Tabel 6Vergelijkende meetwaarden van dewaterbehoefte bij verschil/endeconsistentiegebiedenTabel 7Vergelijkende meetwaarden van desterkteontwikkeling van betonCement XXXIII (1981) nr. 12cement consistentie- waterbehoefte ( I /m3) als functie van de hoeveelheidgebied cement per m3 betonspecie280 kg/m3 300 kg/m3 325 kg/m3 340 kg/m3pc-A 2 157 160 164 168pvlc-A 2 147 149 153 158pc-A 3 166 170 173 177pvlc-A 3 158 161 165 168pc-A 4 174 177 180 183pvlc-A 4 167 171 175 178Sterkteontwikkeling betonBij een gelijke verwerkbaarheid van de betonspecie geeft pvlc-A ten opzichte van pc-A eenaanzienlijk hogere beginsterkte en een gelijke eindsterkte.Vergelijkbare meetresultaten hiervan zijn vermeld in tabel?cement watercement- consistentie- betondruksterkte (N/mm2)(325 kg/m3) factor gebied2 dagen 7 dagen 28 dagenpc-A 0,50 2 15 32 46pvlc-A 0,47 2 21 36 47pc-A 0,53 3 13 27 40pvlc-A 0,51 3 17 31 41pc-A 0,55 4 12 24 38pvlc-A 0,54 4 14 28 38Duurzaamheid betonDoor ENCI wordt een uitgebreid onderzoek uitgevoerd naar de duurzaamheid van betonwaarin pvlc-A is toegepast. De eerste resultaten geven aan dat de eigenschappen van betonmet pvlc-A ten aanzien van:- sterkte-ontwikkeling op langere termijn,- krimpgedrag,- dooizoutgevoeligheid en- vorstbestandheid,gelijkwaardig zijn aan beton, waarin pc-A is verwerkt.In verband met de vereiste lange duurvan hettotale onderzoek zal hierover pas later in detailworden gerapporteerd.NormalisatieENCl heeft in 1980 het verzoek ingediend om portlandvliegascement in NEN 3550 op tenemen. Het Nederlands Normalisatie Instituut heeft hierop positief gereageerd; een aanpas-sing van NEN 3550 'Cement. Definities, eisen een keuring' wordt thans uitgewerkt.GezondheidsaspectenVliegas wordt in het buitenland al tientallen jaren in de bouw toegepast. Onderzoek heeftaangetoond dat er geen aanwijsbare gevolgen waren voor de gezondheid van de betrokkenmensen. (Literatuur: JABonnell, C.J.Schilling, P.M.O.Massei, Clinical and experimentalstudies oftheeffects ofpulverised fuel ash -8 review; Ann. Occup. hyg. 23, p. 159-164, 1980).Bij ENCI werd hieromtrenteenliteratuurstudie uitgevoerd en metingen verricht. Op grond vandit onderzoek worden voor de werkers met vliegascement en de bewoners van gebouwenwaari n vliegascement is toegepast geen schadelijke gevolgen voorde gezondheid verwacht.Een werkgroep samengesteld uit vertegenwoordigers van het Ministerie van Volksgezond-heid en Milieuhygi?ne, de electriciteitsbedrijven,KEMAen ENCI zal een definitieve uitspraakformuleren.SlotbeschouwingDoor gebruik te maken van de kennis en de technische uitrusting van een cementfabriek,zoals het selecteren en homogeniseren van de grondstoffen en het sturen van het maaIpro-ceS, is het mogelijk een portlandvliegascement te produceren dat het huidige portlandce-ment klasse A kan vervangen.Niet onvermeld mag worden, dat, met instandhouding van een goede cernentkwaliteit, doorhet introduceren van portlandvliegascement een zinvolle toepassing voor vliegas is ontwik-keld en een besparing aan kalksteen wordt bereikt.In deze zin zijn wij van mening, dat portlandvliegascement een' alternatief met perspectief' is.788