Geopolymeerbeton voor infrastructurele toepassingen (2) Productie op industriële schaal van prefab voorgespannen brugliggers 1 Ontkisten van een brugligger 1 34? CEMENT 1 20 23 Geopolymeerbeton, ook wel alka- lisch geactiveerd beton genoemd, bestaat in de basis uit dezelfde grondstoffen als traditioneel beton, namelijk een bindmiddel, toeslagmateriaal (zand en grind), water en eventuele hulp- en vul- stoffen. Voor het bindmiddel wordt echter geen traditioneel cement gebruikt, maar al- kalisch te activeren grondstoffen (de zoge- noemde precursor). Voor het activeren van de reactie wordt een activator toegevoegd. In een onderzoek aan de TU Delft is een zelfverdichtend geopolymeerbeton- mengsel (ZGB, sterkteklasse C45/55) ontwik- keld voor toepassing in voorgespannen pre- fab brugliggers. In dit geopolymeerbeton is de precursor van het bindmiddel gebaseerd op hoogovenslak en als activator is water- glas (natriumsilicaat) gebruikt. Het ontwik- kelde ZGB presteert op een vergelijkbare manier als conventioneel zelfverdichtend beton op basis van CEM III/B, zowel voor wat betreft verse als mechanische eigen- schappen. Per m³ wordt de CO?-uitstoot met 70% en het totale milieueffect met 50% ver- minderd in vergelijking met zelfverdichtend beton op basis van CEM III/B. Meer hierover staat in het eerste deel van dit artikel ('Geo- polymeerbeton voor infrastructurele toe- passingen (1)'). Opschaling naar industriële schaal Er bestaat in de praktijk een kloof tussen laboratoriumonderzoek en industriële pro- ductie naar bredere en grootschalige toe- passingen van geopolymeerbeton. In de tweede fase van het onderzoek is nagegaan wat de mogelijkheden zijn voor productie op industriële schaal. Hierbij zijn voorge- spannen liggers vervaardigd en getest bij Haitsma Beton. Daarbij zijn de specie- en mechanische eigenschappen van het geopo- lymeerbeton bepaald. Daarnaast zijn de temperatuurontwikkeling en de volumesta - biliteit van de brugliggers beoordeeld. In de ligger zijn slimme sensoren aangebracht voor het monitoren van de liggers op lange termijn. Het is voor het eerst dat in Neder- land (NL) en de Europese Unie (EU) geopo- lymeerbeton wordt beschouwd voor voorge- spannen verkeersbruggen. Prefab voorgespannen brugliggers In het onderzoek is uitgegaan van een be- staande brug die moet worden vervangen door nieuwe brugliggers (fig. 2). De T-vormi- ge brugliggers zijn 7350 mm lang en hebben de standaard maat van 990 mm breed en 300 mm hoog. Het brugdek is voorzien van een ter plaatse gestorte druklaag. De maxi- male voorspanning in de uiterste onder- Hoewel geopolymeerbeton op laboratoriumschaal uitgebreid is onderzocht, zijn praktische toepassingen en ervaringen nog maar beperkt beschikbaar. Bovendien bestaan er voor een brede en grootschalige constructieve toepassing een aantal uitdagingen. Er is een onderzoeksproject gestart waarin een zelfverdichtend geopolymeerbeton (ZGB) is ontwikkeld voor toepassing in een brug. In de tweede fase van het onderzoek zijn de mogelijkheden voor productie op industriële schaal onderzocht. CEMENT 1 2023 ?35 ste vezel en ongeveer 17 MPa ter plaatse van het spanelementen. Productie-eisen Voor de productie op industriële schaal van de prefab brugliggers moet het zelfverdich- tende geopolymeerbeton aan de volgende eisen voldoen: minimale vloeibaarheid klasse SF2 bij het storten; open tijd tot 45 min; uitvloeimaat > SF1 na 45 min; sterkteklasse C45/55 met een druksterkte bij voorspannen van > 30 MPa. Mengselontwerp en stortproces De gebruikte ingrediënten van het mengsel staan vermeld in tabel 1. Het mengsel is min of meer identiek aan het mengsel dat is ont- worpen door de TU Delft. Bij de productie - f aciliteit zijn enkele wijzigingen in het meng - s ysteem doorgevoerd. De belangrijkste aanpassing is het plaatsen van een mengvat voor de activatoren en een digitaal meetappa - raat voor de bereiding en dosering van de alkalische activator. Het mengvat werd op de begane grond onder de mengtoren opge- steld en de activatoroplossing werd naar de mengtoren gepompt om in de menger te worden gedoseerd. Het stortproces is vergelijkbaar met de productie van conventioneel zelfverdich- tend beton. Het bindmiddel en het toeslag- materiaal werden eerst 4-5 minuten droog gemengd, voordat de activator werd opge- pompt en aan de menger werd toegevoegd. De alkalische activator werd binnen 2-3 mi- nuten toegevoegd. De vertragende hulpstof werd vervolgens binnen 30 seconden aan de menger toegevoegd. Het mengsel werd ver- volgens nog 10 minuten gemengd voordat het met behulp van een railsysteem naar de storthal werd overgebracht. Er werden op drie verschillende data acht brugliggers ge- stort: 27 augustus, 10 september en 17 sep- tember 2021 (foto 3). Op 25 augustus werd er een proefmenging uitgevoerd. Met name het feit dat er geen wijziging in de mengverhou- ding hoefde te worden aangebracht, duidt op een goede samenhang tussen de labora- toriumontwikkeling en de productie op in- dustriële schaal. In vergelijking met gewoon beton zijn vanwege de alkalische activator meer per- soonlijke beschermingsmiddelen (PBM's) vereist, zoals een bril voor oogbescherming, 2 Dwarsdoorsnede (a) en bovenaanzicht (b) brugligger 2a 2b DR. GUANG YE TU Delft, sectie Materialen en Milieu, Microlab DR.IR. SHIZHE ZHANG TU Delft, sectie Materialen en Milieu, Microlab DR.IR. MLADENA LUKOVI? TU Delft, fac. CiTG, Sectie Betonconstructies HENDRIK HERDER Haitsma Beton ING. AREND SCHARRINGA Provincie Fryslân auteurs 1) 1) Ook betrokken bij de totstandkoming van dit artikel waren: Hao Cheng (TU Delft, fac. CiTG, Sectie Betonconstructies) en dr.ir. Yuguang Yang (TU Delft, fac. CiTG, Sectie Betonconstructies) Tabel 1?Mengselontwerp ZGB voor brugliggers bindmiddel hoogovenslakken alkalische activator alkalische oplossing (waterglas) hulpstof superplasticficeerder/vertrager toeslagmateriaal fijn 0-4 mm grof 4-16 mm 36? CEMENT 1 20 23 chemicaliënbestendige handschoenen voor handbescherming, een gezichtsmasker en een lichaamsbeschermend pak. Uitharding Het ZGB wordt tijdens verharden niet ver- warmd en verhardt dus bij de omgevings- temperatuur. De uitharding is niet hetzelfde als die van conventioneel beton. Uit de studie in het laboratorium van de TU Delft bleek dat jong ZGB gevoeliger is voor krimp. Na het ontkisten werden de liggers daarom na- behandeld met behulp van natte jute en een plastic folie waarmee het oppervlak van het monster werd bedekt en vervolgens werd het afgesloten met plastic folie (foto 5). Dit is zeer belangrijk om te voorkomen dat er vroegtijdig waterverlies optreedt. De relatieve vochtig- heid (RV) bedroeg RV > 95%. Eigenschappen ZGB Specie-eigenschappen? Diverse eigen- schappen van het verse ZGB, bereid door de industriële menger, zijn onderzocht. Een samenvatting daarvan staat in tabel 2. De passing ability (het vermogen van zelfver- dichtend beton om de wapening te passe- ren) is getest met de J-ringtest op een uit- vloeitafel conform EN 12350-12. Ongeveer 40 min na het mengen ligt de J-ringuitvloei- maat tussen de 560 en 600 mm en de J-ring- blokkeringsstap is ongeveer 15-16,5 mm. Deze waarden voldoen aan de uitvloeimaat SF1 en de minimumeis van de blokkerings- stap (BJ = 15 mm, een in het laboratorium voor ZGB bepaalde empirische waarde). Het mengsel bleek goed te kunnen uitvloeien, zonder segregatie. Daarom worden de verse eigenschappen van de ZGB als bevredigend beschouwd en kon het storten zonder enige moeite worden uitgevoerd. Om de viscositeit te bepalen is een V-trechtertest uitgevoerd. De trechtertijd ligt tussen de 3,5 en 4,4 seconden. Deze waarde is aanzienlijk lager dan die van zelfverdich- tend portlandcementbeton van een verge- lijkbare sterkteklasse (6-8 seconden). De volumieke massa van het mengsel 3 Storten van de brugliggers 4 Transport brugliggers Tijdens het uitharden traden geen grote temperatuur- verschillen op tussen de omgeving en de ligger, waardoor het risico op vroegtijdig scheuren werd verminderd SERIE ARTIKELEN Dit is het tweede deel van een serie van vier artikelen over een onderzoek naar de toepassing van geopolymeerbeton in de infrastructuur. Het onderzoek is uitgevoerd door het Microlab en de sectie Betonconstructies van de TU Delft, Haitsma Beton en de Universiteit Gent en wordt door de provincie Fyslân onder- steund (als launching customer). Het eerste artikel ging in op de ontwikkeling van een betonmengsel (fase I van het onderzoek). Dit tweede deel op de pro- ductie op industriële schaal (fase 2). Deel 3 gaat over de constructieve eigen- schappen van de liggers en deel 4 over de monitoring. 3 4 CEMENT 1 2023 ?37 5 De mechanische eigenschappen bevestigen dat voor productie op industriële schaal aan de druksterkte-eis voor C45/55 wordt voldaan 5 Uitharden brugliggers ligt zeer dicht bij de ontwerpwaarde van 2300 kg/m³. Warmteontwikkeling en temperatuuront- wikkeling? Gedurende de eerste drie dagen werd de temperatuur in een van de liggers gemeten met behulp van vier temperatuur- sensoren. Sensoren 1 t/m 3 werden in het midden van de ligger geplaatst: 1) in de buurt van de bovenzijde, 2) in de kern en 3) in de buurt van de onderzijde. Sensor 4 werd in de kern geplaatst aan het uiteinde van de ligger. De temperatuurontwikkeling is weer- gegeven in figuur 6, waarbij ook de omge- vingstemperatuur in de fabriekshal is ver- meld. De temperatuur van de ligger varieert gedurende de eerste drie dagen van 19 tot 26 °C. Het is interessant dat, hoewel de reac- tie de eerste dagen het meest intensief is, de temperatuur van het ZGB de trend volgt van de verandering van omgevingstemperatuur, die varieert tussen 12 en 26 °C. Dit geeft aan dat er tijdens het uitharden geen grote tem- peratuurverschillen tussen de omgeving en de ligger optraden, waardoor het risico op vroegtijdig scheuren werd verminderd. Tij- dens de productie werd geen scheurvorming waargenomen. Druksterkte? De druksterkte van het ont- worpen ZGB is gemeten met behulp van kubusproefstukken (150 x 150 x 150 mm³). De uitkomsten staan in tabel 3. De sterkte- ontwikkeling is erg snel: 85% van de 28-daagse sterkte werd binnen 7 dagen bereikt. Na 2,5 dag uitharding bedroeg de druksterkte ongeveer 50 MPa, na 28 dagen Tabel 2?Verse eigenschappen van het ZGB-mengsel voor het storten van de brugligger stortdatum uitvloeimaat J-ring [mm] V-trechtertijd [s]blokkeringsstap J-ring [mm] mengseldichtheid [kg/m³] 25-aug 600 3,615,0 2288 27-aug 570 3,7- 2288 10-sep 560 3,616,5 2288 17-sep 580 4,4- 2311 38? CEMENT 1 20 23 ongeveer 63 MPa. De druksterkte bleef tot 56 dagen stijgen. De sterkteontwikkeling bleek sneller te gaan dan wat gemeten is bij de laboratoriumtests van TU Delft. Daar be- droeg de sterkte na 2,5 dag 45 MPa, waarbij het beton de eerste 24 uur is verhard bij 25 °C en daarna bij 20 °C. Het verschil kan zijn veroorzaakt door het gemalen kalksteen dat is gebruikt bij het mengsel bij Haitsma, of door meer warmteontwikkeling door het hogere volume.De mechanische eigenschappen be- vestigen dat voor productie op industriële schaal aan de druksterkte-eis voor C45/55 wordt voldaan. Elasticiteitsmodulus? De elasticiteitsmodulus van de ZGB-monsters die door Haitsma Beton zijn geproduceerd, zijn op afzonderlijke proef - stukken getest door de TU Delft. De resulta- ten staan in tabel 4. De gemiddelde elastici- teitsmodulus, getest voor verschillende testbatches, stijgt van 24,1 GPa na 2,5 dagen tot 35,6 GPa na 28 dagen. Opvallend is dat de elasticiteitsmodulus na 28 dagen hoger is dan die van de monsters die in het lab van de TU Delft zijn gemaakt (30 GPa). Dit komt hoogstwaarschijnlijk door de verschillende soorten grof toeslagmateriaal die zijn ge- bruikt in het ZGB bij Haitsma. Verdere tests van de elasticiteitsmodulus na 56 dagen ge- ven aan dat de elasticiteitsmodulus tussen 28 dagen en 56 dagen nog steeds toeneemt bij een relatieve vochtigheid RV > 95%. Vroege volumestabiliteit? Ook de volume- stabiliteit van de voorgespannen liggers is onderzocht, inclusief lengteverandering, resulterende spanning en zeeg. De resultaten staan in figuur 7. De redenen voor de lengte- verandering van de ligger zijn: (1) de elasti- sche vervorming als gevolg van de voor- 6 6 Temperatuurontwikkeling van de ligger gedurende de eerste drie dagen Tabel 3?Druksterkte van de ZGB voor het storten van de brugliggers leeftijd mengsels 27 aug [MPa] 10 sep [MPa]17 sep [MPa] 2,5 dag 4 7, 550,649,6 7 dagen 53,453,753,5 28 dagen 63,663,459,4 56 dagen 67,664,362,8 Tabel 4?Elasticiteitsmodulus van het ZGB leeftijd mengsels 27 aug [GPa] 10 sep [GPa]17 sep [GPa] 2,5 dagen 24,12 7,125,04 28 dagen 35,535,6- 56 dagen -34,2- 145 dagen -3 7,0- Het storten op industriële schaal was succesvol en heeft aange- toond dat het Technology Readiness Level (TRL) naar 8 is verhoogd CEMENT 1 2023 ?39 spanning, (2) de autogene en uitdrogings- krimp en (3) de kruip onder de voorspan- ning. De zeeg van de liggers, getest voor maximaal 7 dagen, is ongeveer 21 mm. Deze waarden zijn hoger in vergelijking met ge- bruikelijke waarden in liggers van conventi- oneel portlandcementbeton. De volumestabiliteit van de liggers zal op de lange termijn worden gemonitord in vervolgtests. Een verdere vergelijking tussen de lengteverandering in de liggers op de lan- ge termijn en de vervorming van de labora- toriumproefstukken zal in latere artikelen worden gerapporteerd. Fullscale tests en monitoren Om de constructieve prestaties van de voor- gespannen brugliggers te testen, zijn syste- matische tests nodig. Hiervoor werden alle liggers na ongeveer 14 dagen uitharden over- gebracht naar de Universiteit Gent in België. Alle afzonderlijke brugliggers ondergaan belastings-, buig- en schuifproeven. Verder zullen de cyclische belastingsproeven, even - als de buig- en schuifproeven, worden uitge- voerd op een fullscale brugdek mock-up, bestaande uit drie voorgespannen liggers. Tijdens de tests wordt er ook gemoni- tord om aanvullende informatie te verkrij- gen over het ontstaan van scheuren en ver- vorming bij belasting. Met deze monitorings- resultaten kunnen mogelijk verschillende faalindicatoren worden voorgesteld voor de prestaties van de te maken brug, waarin dezelfde sensoren worden geplaatst. Conclusie Het storten op industriële schaal was succes- vol en heeft aangetoond dat het Technology Readiness Level (TRL) naar 8 is verhoogd. Het geeft vertrouwen dat geopolymeerbeton kan worden opgeschaald naar de prefab betonindustrie als een duurzaam alternatief voor conventioneel portlandcementbeton. Uit de tweede fase van het onderzoek ('Productie op industriële schaal van prefab brugliggers met behulp van zelfverdichtend geopolymeerbeton') kunnen de volgende conclusies worden getrokken: Zelfverdichtend geopolymeerbeton kan op een vergelijkbare manier op industriële schaal worden geproduceerd als conventio- neel beton. De huidige faciliteiten voor de productie van conventioneel beton kunnen ook worden gebruikt voor de productie van geopolymeerbeton. Het zelfverdichtende geopolymeerbeton heeft een goede vloeibaarheid. De vloeibaar- heid kan gedurende meer dan 45 minuten worden behouden. Dit maakt het storten en verwerken eenvoudiger. De sterkteontwikkeling van zelfverdichtend geopolymeerbeton bij omgevingstempera- tuur is zeer snel en bereikt binnen 7 dagen 85% van de beoogde sterkte. Jong geopolymeerbeton vertoont geen in- tensieve warmteafgifte. Dit is een indicatie dat geopolymeerbeton een gering vermogen heeft te scheuren door thermische invloeden. De huidige mengsels van zelfverdichtend geopolymeerbeton bereiken TRL 7-8 en kun- nen reeds op industriële schaal worden toe- gepast voor de productie van constructieve prefab elementen. Een beoordeling van de constructieve prestaties zal in een volgend artikel worden gerapporteerd. Verdere aanbevelingen Aanbevolen wordt de liggerelementen tot 28 dagen uit te laten harden met behulp van natte jute en plastic folie ten behoeve van een voldoende hoge relatieve vochtigheid. Het wordt aanbevolen in de toekomst meer onderzoek te doen naar de meest tijdseffici- e nte uitharding van elementen van geopoly- meerbeton. Levensduuraspecten, met name de weerstand tegen carbonatatie en vorst en dooiwisselingen met dooizouten, moeten op de lange termijn worden gemonitord. 7c 7 Lengteverandering (a), spanning (b) en zeeg (c) van de voorgespannen brugliggers in de loop van de tijd 7a 7b 40? CEMENT 1 20 23