O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetonte chnologiecement 2005 4 77Het totale, landelijke aanbod vanbaggerspecie in de periode 2002-2011 wordt geschat op bijna400 miljoen m3. Daarvan is dehelft (195 miljoen m3) baggerspe-cie uit zoetwater [1]. Van dezezoete baggerspecie is circa75 miljoen m3zwaar verontrei-nigd. Verreweg het grootste deelvan de specie wordt gebaggerd tenbehoeve van onderhoud.De schone en licht verontreinigdespecie kan momenteel wordenverspreid op land en in oppervlak-tewater. Van de totale hoeveelheidzoete baggerspecie is slechts circa30% verspreidbaar. De overigebaggerspecie moet vanwege ver-ontreinigingen of een gebrek aanruimte langs de waterwegen wor-den verwerkt. De bouwstof moetzowel aan milieutechnische(Bouwstoffenbesluit) en civieltech-nische (RAW) eisen voldoen.R i j p i n g v a n b a g g e r s p e c i eDe afgelopen jaren heeftWaterschap Rijn en IJssel eengrootschalig project afgerond inde Oude IJssel. E?n miljoenkubieke meter baggerspecie isgebaggerd, wat door zandafschei-ding ongeveer een kwart aanschoon tot verontreinigd zandopleverde. Om de grote stroomvervuilde baggerspecie te kunnenverwerken tot een als bouwstoftoepasbaar product heeft hetwaterschap verscheidene metho-des uitgeprobeerd, zoals landfar-ming en immobilisatie [2]. Demeest gebruikte techniek op ditmoment is het rijpingsproces, ookwel extensieve reiniging genoemd.Rijping van baggerspecie is hetnatuurlijke proces waarbij de bag-gerspecie in een depot door indro-gen en oxidatie overgaat in eencompacter, meer luchtdoorlatendmateriaal. De baggerspecie veran-dert hierdoor geleidelijk van eennatte substantie in steekvastegrond. Deze werkwijze wordt ver-reweg het meest gevolgd voor deverschillende klassen baggerspe-cie.Wanneer de baggerspecie toepas-baar is, hangt af van een aantalfactoren. Als eerste moet de bag-gerspecie de bruikbaarheid vansteekvast materiaal hebben. Er isechter ook verdere structuurvor-ming nodig (rijping). Dit is veelalbij een droge-stof gehalte (%ds)van 50-55%. Verder spelen deconcentraties van de verontreini-ging een rol. Afhankelijk van deconcentraties in de oorspronke-lijke specie en de toepassingsei-sen zijn er verschillende verblijf-tijden nodig in het depot.Door het rijpingsproces verandertProblematiek, materialen en vooronderzoekVersnelde rijping en immobili-satie van baggerspecie (1)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 IJsselEen groot deel van de baggerspecie in de Nederlandse wateren is verontrei-nigd. De overheid heeft als doel gesteld minimaal 20% hiervan te verwerken ofwaar mogelijk nuttig toe te passen. Een mogelijkheid van verwerking is debaggerspecie te hergebruiken als bouwstof, waardoor tevens andere schaarsegrondstoffen worden ontzien. Dit sluit aan op het ketendenken: `niet stortenmaar nuttig toepassen'. Daarbij wordt bij de verwerking van baggerspecie totbouwstof bespaard op zowel primaire grondstoffen als op ruimtebeslag vandepots.Aan de Universiteit Twente is onderzoek uitgevoerd om de technische en eco-nomische haalbaarheid vast te kunnen stellen van de behandeling van bag-gerspecie met additieven (cement, kalk, hulpstoffen), zodat onder normaleatmosferische omstandigheden een snellere rijping en een als bouwstof toe-pasbaar product ontstaan. In drie artikelen in achtereenvolgende nummersvan Cement wordt hiervan verslaggedaan. In het eerste artikel worden de pro-blematiek en het vooronderzoek beschreven. In deel 2 zullen de droging en rij-pingsresultaten van het hoofdexperiment worden behandeld. Deel 3 ten slot-te zal ingaan op de uitloging en proctordichtheid van het immobilisaat.1 |BaggerwerkzaamhedenO 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 ede baggerspecie veelal in eenCategorie 2 Bouwstof [3]. Doorversoepeling van de regelgeving infebruari van 2004 komt het tegen-woordig steeds vaker voor dat deimmissiewaarden aan de eisenvan Categorie 1 voldoen. Het toe-passen van gerijpte baggerspecieis tevens afhankelijk van desamenstelling. Gerijpte bagger-specie grotendeels bestaande uitlutum zal hoofdzakelijk wordengebruikt als ophoging, geluidswal-len of bermgrond. Bestaat de bag-gerspecie grotendeels uit zanddan kan het eventueel worden toe-gepast als wegfundering.E e r d e r e o n d e r z o e k e nIn Nederland zijn al verschillendeonderzoeken gedaan naar toevoe-ging van cement en immobilisatievan verontreinigingen. Veelal heb-ben deze projecten als doel eenVormgegeven Bouwstof te verkrijgen[4]; dit is een bouwstof met eenvolume per kleinste eenheid vanten minste 50 cm3, die onder nor-male omstandigheden een duur-zame vastheid heeft [3]. InGroningen is enkele jaren geledenmet behulp van cement eenmengsel van klasse 4 baggerspecieen rioolzand verwerkt tot eenVormgegeven Categorie 1Bouwstof. Bij dit proces werdeerst de baggerspecie zes maan-den gerijpt, en daarna verwerkt [5,6]. In dit onderzoek worden deadditieven al tijdens de rijpinggedoseerd en wordt gestreefd naareen Niet-Vormgegeven Bouwstof.In Singapore is onderzoek gedaannaar toevoeging van baggerspeciein bakstenen en beton [7]. Bij defabricage van bakstenen gebruik-ten ze 30 tot 40% gedroogde `slud-ge' in combinatie met klei. Bijbeton werd slechts maximaal 10%slib toegevoegd; dit om de druk-en treksterkte te waarborgen enscheuring of vochtabsorptie tevoorkomen. In Frankrijk is onder-zoek gedaan naar immobilisatievan baggerspecie door toevoegingvan cement en vliegas [8]. InSpanje is ditzelfde gedaan metzuiveringsslib [9]. Hier is een mixgemaakt van 25-35% slib in com-binatie met 65-75% cement en/ofvliegas. De traagheid van de reac-tie werd opgelost door calcium-chloride toe te voegen. De meng-sels bereikten echter al gauw eenpH van 13 met negatieve gevolgenvoor verontreinigingen, zoals ver-hoging van sulfaatuitloging. Dezeeffecten zijn verklaarbaar door degrote hoeveelheid cement diewerd toegevoegd.Dit onderzoek zal ingaan op hetversneld rijpen door toevoegingvan een geringe hoeveelheid addi-tieven onder normale atmosferi-sche omstandigheden. Hierdoorworden grote investeringskosten,een hoog energieverbruik en hogemateriaalkosten vermeden. Tevenswordt verwacht door toevoegingen binding van de additievenzowel een snellere toename van%ds als verminderde uitloging tebewerkstelligen.M a t e r i a l e nGekozen is voor de meest veront-reinigde baggerspecie (klasse 4)om zo goed te kunnen beoordelenwat voor uitwerking het additiefheeft op de verschillende veront-reinigingen. De gebruikte bagger-specie is afkomstig uit stedelijkgebied rondom Arnhem. De ver-schillende bindmiddelen en addi-tieven die zijn bekeken, zijncement, kalk en hulpstoffen. Aldeze additieven hebben een vocht-bindende werking, een uitsteken-de eigenschap om baggerspeciegeschikt te maken voor herge-bruik. De korrelopbouw van debehandelde baggerspecie bepaaltuiteindelijk in welke RAW-catego-rie de bouwstof kan worden toege-past.De baggerspecie bevat, bepaald opbasis van het gloeiverlies bij550 ?C, 13,6% m/m ds organischestof. Het gloeiverlies bij 1200 ?C is18,9% m/m ds. De korrelverdelingvan de specie is bepaald door eenzeefproef, aangevuld met de pipet-methode voor de fracties kleinerdan 63 ?m [10]. Bij deze proevenworden de fracties gesorteerd opverschillende groottes. In tabel 1staan de verschillende fracties metdaarachter de verdeling in percen-tage van de droge stof en cumula-tieve verdeling. Naar verwachtingzullen door de binding metcement grovere korrels wordengevormd, en door deze korrelvor-ming is de inmenging van een gro-vere fractie niet nodig. In tabel 2 isde mineralogische samenstellingvan de baggerspecie gegeven.Van de geleverde baggerspecie isdirect een monster naar een labo-ratorium gestuurd om daarop eenkolomproef uit te voeren volgensNEN 7343 en NVN 7344 [3]. Intabel 3 zijn de waarden voor deconcentratie (ci) van de verschillen-de eluaten te vinden. Bij deze proefis geen waarde voor de concentra-tie van chloride gegeven, omdat ditcement 2005 478Tabel 1 | Resultaten zeefproef (in %ds)fractie grootte (?m) verdeling (%) cumulatief (%)lutum/klei < 2 22,0 100,0silt/leem 2 ? 16 15,0 78,016 ? 63 34,0 63,063 ? 90 1,1 29,090 ? 125 1,3 27,9125 ? 180 2,3 26,6zand 180 ? 250 3,3 24,3250 ? 355 4,7 21,0355 ? 500 4,2 16,3500 ? 1000 5,4 12,11000 ? 2000 6,7 6,7grind > 2000 0,0 0,0Tabel 2 | Chemische samenstellingsymbool verdelingsilicaat SiO258,3aluminiumoxide Al2O38,8ijzeroxide Fe2O33,6calciumoxide CaO 14,7magnesiumoxide MgO 2,6natriumoxide Na2O 1,3kaliumoxide K2O 1,5titaanoxide TiO20,5fosforoxide P2O50,3sulfaat SO32,2chloride Cl-0,1mangaanoxide MnO20,2zinkoxide ZnO 0,09koperoxide CuO 0,01loodoxide PbO 0,04rubidiumoxide Rb2O 0,01strontiumoxide SrO 0,04zirkoonoxide ZrO20,03totaal 96,9%O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetonte chnologieniet relevant wordt geacht.Aan de hand van de gevondenconcentraties (ci) uit de kolom-proef zijn de emissiewaarden (Ei)berekend [11]. Deze zijn even-eens opgenomen in tabel 3. In delaatste kolom zijn de correctiefac-toren (a) gezet. Door vergelijkingvan Eimet a is, door inkleuring,zichtbaar gemaakt dat bij onbe-handelde baggerspecie de con-centraties van fluoride, sulfaat ende vier exoten (molybdeen, anti-moon, seleen en vanadium) decorrectiefactor overschrijden. Deemissiewaarden van de onbehan-delde baggerspecie zijn nog vrijlaag, maar tijdens de rijpingwordt de organische stof geoxi-deerd, wat leidt tot grotere emis-siewaarden.V o o r o n d e r z o e kVoorafgaand aan de hoofdexperi-menten zijn er verschillende klei-ne experimenten gedaan om tebepalen welke uitgangspunten deuiteindelijke opzet moet hebben.Zo is gekeken naar welke hoeveel-heid additief de beste resultatengeeft en in welke klimaatomstan-digheden het proces het meest dewerkelijkheid benadert. Bij beideexperimenten zijn twee verschil-lende beginwaarden van droge-stofgehalte toegepast. Uit litera-tuuronderzoek [12, 13] blijkt dat0,5-1% ongebluste kalk voldoendeis voor de beoogde verbetering. Indit beknopte vooronderzoek zijnechter alleen nog cement en eenhulpstof gebruikt.De marge van de hoeveelheid vande verschillende additieven isvooraf met een korte economischeberekening bepaald. De hoeveel-heden cement zullen daarom tus-sen de 5 en de 15% van de massavan de baggerspecie liggen (ds +water). De codering van het eersteexperiment is zo gekozen dat snelduidelijk is om welk mengsel hetgaat (tabel 4). Het eerste getalgeeft aan welk droge-stofgehaltede baggerspecie inclusief toege-voegd water (%ds BS + W) voorinmenging heeft. Het tweede getalis de hoeveelheid cement (CEM)in percentage van de baggerspecie(BS) en water (W). Bij de mon-sters 27/X is voorafgaande aan hetexperiment water toegevoegd aande baggerspecie, zodat een droge-stofgehalte van ongeveer 27%werd verkregen. Elke verhoudingis in drievoud opgezet. In tabel 4zijn de massa's van de monstersweergegeven zoals is ingemengd.In de laatste kolom staan dedroge-stofgehalten van de meng-sels (%ds M) na inmenging vancement.Bij deze eerste proeven zijn allemonsters in open plastic bakjes inhet lab neergezet. In het labheerst een relatieve luchtvochtig-heid van (slechts) 25% bij een(hoge) temperatuur van 23 ?C. Intabel 5 is het %mv (massaverlies)van de verschillende monsters inde loop van de tijd weergegeven.De spreiding van het %mv van degemiddelde waarden van de indrievoud opgezette monsters is na21 dagen maximaal ? 0,2%.In figuur 2 zijn deze waarden gra-fisch uitgezet. Men kan zien datde verdamping bij monsters metgelijk droge-stofgehalte ongeveereven groot is. Eveneens is te ziendat van de monsters met een klei-ner droge-stofgehalte in de eerstetwee weken meer water verdampt,rond de 3% mv per dag tegenover2,5% mv per dag bij de monstersmet 36% ds. In de laatste weeklopen de percentages weer naarelkaar toe, met een verdampings-snelheid van 1,3% mv per dagvoor de monsters met 27% ds en1,6% mv per dag voor de anderemonsters. In de eerste weken ver-dampen de monsters met eenhoog watergehalte bij de start vanhet experiment sneller. In de loopvan het experiment wordt het %dsvan deze monsters steeds hogeren gaat de verdampingssnelheidvan het water omlaag. Dit gebeurtbij de monsters met minder waterook, echter in mindere mate,omdat de beginhoeveelheid watereen stuk lager ligt.Het virtuele droge-stofgehaltewordt verkregen aan de hand vancement 2005 4 79Tabel 3 | Concentraties v??r behandeling (ci), emissiewaardeneluaat (Ei) en correctiefactor a volgens het Bouwstoffen-besluit [3]eluaat symbool ci(??g/l) Ei(mg/kg) afluoride F 370 3,7 3,0chloride Cl - - 51bromide Br 50 0,5 2,6sulfaat SO4220000 2200 354arseen As 17 0,17 0,7kwik Hg 0,03 0,0003 0,016cadmium Cd 0,1 0,001 0,021chroom Cr 2 0,02 0,09koper Cu 2 0,02 0,25nikkel Ni 5 0,05 0,63lood Pb 5 0,05 0,8zink Zn 21 0,21 2molybdeen Mo 8000 80 0,45antimoon Sb 500 5 0,06seleen Se 1000 10 0,09vanadium V 7000 70 1,2Tabel 4 | Samenstelling mengsels (in grammen)codering %ds BS+W %CEM BS W CEM M %ds M27/5 5% 375 125 25 525 30,5%27/10 27% 10% 375 125 50 550 33,6%27/15 15% 375 125 75 575 36,5%36/5 5% 500 0 25 525 39,0%36/10 36% 10% 500 0 50 550 41,8%36/15 15% 500 0 75 575 44,3%Tabel 5 | Hoeveelheden (in grammen) en relatief massaverlies water (in %) versus de tijd(in dagen)codering BS W CEM t = 0 t = 12 t = 13 t = 2127/5 500 365 25 0,0% 35,9% 37,7% 47,5%27/10 500 365 50 0,0% 36,4% 38,6% 48,1%27/15 500 365 75 0,0% 37,5% 39,3% 48,8%36/5 500 320 25 0,0% 29,3% 31,2% 43,6%36/10 500 320 50 0,0% 30,0% 31,6% 45,2%36/15 500 320 75 0,0% 31,7% 33,6% 46,1%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 ehet gewogen massaverlies wateren de hoeveelheid ds aan hetbegin van het experiment [11]. Ditis in tabel 6 en figuur 3 weergege-ven. Tabel en figuur laten zien dathet virtuele %ds bij alle monstersmet zelfde begin ds een ongeveergelijkmatige toename hebben. Erzijn echter wel kleine systemati-sche verschillen waarneembaar bijde verschillende hoeveelhedenadditief. Deze kleine verschillenzijn verklaarbaar met het feit datin een met cement gemengdmonster korrelvorming ontstaat[11]. Dit verhoogt de luchtdoorla-ting, waardoor de verdamping vanwater wordt bevorderd.Geconcludeerd kan worden datmet meer additief de verdam-pingssnelheid toeneemt en daar-mee ook een licht snellere stijgingvan het virtuele %ds zichtbaar is.Het droge-stofgehalte is ookbepaald door droging bij 105 ?C(werkelijke ds). Dan komen heelandere waarden naar voren (tabel7). De waarden bij t = 0 zijn bere-kend aan de hand van de gege-vens zoals ingemengd.Door de toevoeging van 5% addi-tief stijgt het %ds in eerste instan-tie met 3 procentpunten (zie t = 0in tabellen 6 en 7). Door de reactievan het additief met het aanwezi-ge water stijgt het droge-stofgehal-te na 21 dagen met 1 tot 12 pro-centpunt (t = 21 in tabel 6 versustabel 7). Het toegevoegde cementreageert met water. Het chemischgebonden water (cgw) verdamptniet bij droging met 105 ?C gedu-rende 24 uur [14]. Dit chemischgebonden water verklaart waarombij droging een hoger %ds wordtgevonden dan op basis van hetwaterverlies wordt gemeten.Vandaar dat dit laatste hier het`virtuele %ds' is genoemd.In figuur 4 zijn de werkelijkgemeten droge-stofgehalten vande monsters uitgezet. Bij de mon-sters 27/X werden na afloop vande proef brokken van uitgehardcement op de bodem van de bak-jes gevonden. Dit wordt veroor-zaakt door een te hoog waterge-halte (te lage ds) waardoor hetcement naar de bodem isgespoeld, en daar uitsluitend methet water is gereageerd in plaatsvan zich te binden aan de bagger-specie. Tevens was bij de mon-sters met grotere hoeveelhedencement schimmel gevormd. Doorde toename van de pH door toe-voeging van cement en de warm-teontwikkeling, zijn er in de bag-gerspecie ideale omstandighedenvoor schimmelgroei gecre?erd. Bijdeze eerste proeven waren allemonsters open in het lab neerge-zet (met lage RV en hoge tempe-ratuur), resulterend in een zeersnel drogingproces. Om het effectvan het cement op het rijpingspro-ces beter te kunnen volgen en omde realiteit beter na te bootsen iseen aantal monsters in een bakmet water gezet en afgedicht doormiddel van plastic met flappenom fluctuaties van buiten te kun-nen compenseren. Hierdoor werdeen relatieve vochtigheid van rondde 70% gecre?erd. Diverse rij-pingsproeven leerden dat de dro-ging nu langzamer en in een voorde praktijk realistischer tempoverliepen. Voor het hoofdexperi-ment (zie volgend artikel) wordtdaarom ook van de laatste opzetuitgegaan met een relatieve voch-tigheid van circa 70%.D a n k w o o r dDe auteurs danken de UT-mede-werkers ing. G.H. Snellink enH.M. Menkehorst voor hun tech-nische assistentie en ondersteu-ning van dit onderzoek. Dit onder-zoek is financieel ondersteunddoor de Cornelis Lely Stichting,Delta Marine Consultants,Betoncentrale Twenthe, Rokramix,Jaartsveld Groen en Milieu,Bodem+/Senter Novem en deBouwdienst Rijkswaterstaat. R e f e r e n t i e s1. TJS, 2001, BasisdocumentTienjarenscenarioWaterbodems. Provincialewerkgroepen, Advies enKenniscentrum Waterbodems;AKWA rapportnummer01.014; Utrecht, december2001.2. Waterschap Rijn en IJssel,Waterbodems, milieupro-bleem onder de waterspiegel.Unit BJCE; Doetinchem, sep-tember 1999.3. Ministerie van Verkeer enWaterstaat, Bouwstoffenbe-cement 2005 480Tabel 6 | Virtueel droge-stofgehalte (in %) versus de tijd (in dagen)codering t = 0 t = 12 t = 13 t = 21 toename27/5 30,5 40,6 41,3 45,5 15,027/10 33,6 44,3 45,2 49,4 15,827/15 36,5 47,9 48,7 52,9 16,436/5 39,0 47,5 48,2 53,2 14,136/10 41,8 50,7 51,2 56,7 14,936/15 44,3 53,9 54,5 59,6 15,3Tabel 7 | Werkelijk droge-stofgehalte (in %) versus de tijd (in dagen)codering t = 0 t = 12 t = 13 t = 21 toename27/5 30,5 41,5 42,3 46,7 16,227/10 33,6 46,2 47,4 52,9 19,327/15 36,5 51,3 52,6 59,6 23,136/5 39,0 49,7 50,5 56,5 17,536/10 41,8 55,4 56,5 63,8 22,036/15 44,3 61,5 62,7 71,1 26,8010203040500 7 14 21tijd (dagen)relatiefmassaverlies(%)27/527/1027/1536/536/1036/15304050600 7 14 21virtueledrogestofgehalte(%)tijd (dagen)2 |Relatief massaverlieswater versus de tijd3 |Virtueel droge-stofge-halte versus de tijdO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetonte chnologiesluit. 1995-1999; o.a. Staats-blad 1995.4. Centrum voor Immobilisatie,Bouwstoffen door immobilisa-tie. CUR-rapport 2002-5,Stichting CUR, Gouda, sep-tember 2002.5. Bos, S.C., H.J. Delemarre, J.W.Fr?nay en L. Feenstra, Proef-project wil onbekendheid metkoude immobilisatie doorbre-ken. Land en Water, 2003 nr.12.6. Fr?nay, J.W., L. Feenstra, S.C.Bos en S. Drenth, Proefprojecttoont inzetbaarheid koudeimmobilisatie aan (2). Land enWater, 2004 nr. 1/2.7. Tay, J.H., Constructive appro-ach for sludge management,New resource from sludge.Division of Environmental &Water Resource of Engi-neering, School of Civil &Environmental Engineering,Nanyang Technical Uni-versity, Singapore, 2002.8. Levacher, D., Sludge treated bycements and additives; Cha-ractisation and treatment ofsediments. 12thInternationalHarbour Congress, Ant-werpen, september 1999.9. Valls, S., Stabilisation andsolidification of sewage slud-ges with Portland cement.Cement and ConcreteResearch, Barcelona, juli2000.10. Rationalisatie en Auto-matisering in de Grond-,Water- en Wegenbouw (RAW).CROW, Standaard 2000, Ede.11. Krikke, B., Onderzoek naareen nieuwe behandelingsme-thode van baggerspecie.Universiteit Twente,Afstudeerverslag CivieleTechniek, Enschede, 2005.12. Lhoist Nederland NV.,Verbetering uiterwaardenkleimet kalk. Breda, september2004.13. Kalk, 2004, www.kalk.nl.14. Reinhardt, H.W., Beton alsconstructiemateriaal, eigen-schappen en duurzaamheid.Delftse Universitaire Pers,Delft, 1998.cement 2005 44 |Werkelijk droge-stofge-halte versus de tijd25354555650 7 14 21tijd (dagen)drogestofgehalte(%)27/527/1027/1535455565750 7 14 2136/536/1036/15tijd (dagen)drogestofgehalte(%)Het Beton-Informatiecentrum van ENCI staat openvoor iedere professional die zich bezighoudt metcement en beton. Het Beton-Informatiecentrum isgevestigd in het Cementrum in 's-Hertogenbosch.Het beschikt over een grote nationale eninternationale collectie technische vakinformatieop het gebied van cement- en betontoepassingen.Deze actuele collectie is op een professionelemanier ontsloten, waardoor snel en effici?nt eenantwoord op uw vragen kan worden gegeven.E N C I , M E E R D A N C E M E N T A L L E E NU kunt het Beton-Informatiecentrum bereiken via:de Beton-Info-Fax: (073) 640 12 84e-mail: betoninfo@enci.nltelefoon: (073) 640 12 87Veel informatiekunt u ook vindenop www.enci.nlH E T B E T O N - I N F O R M A T I E C E N T R U MA L L E A N T W O O R D E N V O O R D E P R O F E S S I O N A L81