Gewapend geopolymeerbeton in de infrasector 50% CO?-reductie conform Betonakkoord haalbaar 1 In de constructief gewapende tussenwanden in de spooronderdoorgang in Heiloo is geopolymeerbeton toegepast, foto: Jane van Raaphorst 1 52? CEMENT 3 2021 In 2018 is door diverse partijen het Betonakkoord opgesteld. Dit akkoord heeft als doel de broeikasgassen in de betonsector met 49% terug te dringen in 2030. Daarbij wordt onder meer gekeken naar de productie van cement (klinker), om - dat cement de grootste CO?-bijdrage levert in beton. Voor de productie van klinker wordt kalksteen in ovens opgewarmd tot ruim 1400 °C, wat al flink bijdraagt aan de CO?-uitstoot. Bij deze hoge temperatuur breekt de structuur van het calciumcarbo- naat open waardoor er ook nog eens gebon - den CO? vrij komt. Deze twee fenomenen zorgen voor een hoge CO?-uitstoot. Geopolymeerbeton Geopolymeerbeton is een in West Europa 'vrijwel vergeten betonsoort' waarin géén traditioneel cement als bindmiddel wordt gebruikt. Vanaf de jaren 50 van de vorige eeuw is geopolymeerbeton al op grotere schaal toegepast in de voormalige Sovjet Unie en de laatste decennia ook in Australië, China, Zuid Afrika, Verenigd Koninkrijk, VS en Canada. In Nederland wordt het al wel toegepast in ongewapende betonproducten waaraan geen beperkende eisen zijn gesteld aan de toe te passen grondstoffen, zoals straatstenen, tegels en banden. In de basis bestaat geopolymeerbeton uit dezelfde grondstoffen als traditioneel beton, namelijk een cementeus materiaal, toeslagmateriaal (zand en grind), water en eventuele hulp- en vulstoffen. Het cemen - teuze materiaal in geopolymeerbeton bestaat uit alkalisch te activeren grondstoffen (de zo- genoemde precursor). Denk hierbij naast de bekende en vaak al in cement toegepaste reststoffen als hoogovenslak en vliegas, maar ook aan mogelijke toepassingen als bodem - kleien, rivierslib en reststoffen uit afvalener- giecentrales. Waar hoogovenslak en vliegas in traditioneel cement wordt geactiveerd door calciumhydroxide (reactieproduct van gehy - drateerde portlandklinker), wordt in geopo- lymeerbeton een activator toegevoegd die de alkalische reactie activeert. Hierdoor is er geen sprake van een scheikundige hydratatie (reactie met water) maar een polymerisatie. Normering Door de andere scheikundige reactie komen we bij het eerste en daarmee tot dusver grootste struikelblok aan, namelijk de Nederlandse normering. Volgens de PROJECTGEGEVENS project Onderdoorgang Heiloo opdrachtgever ProRail opdrachtnemer Mobilis-Hegeman projectonderdeel Toepassen geopolymeerbeton in tussenwanden project Heiloo opdrachtgever Rijkswaterstaat en ProRail opdrachtnemer Mobilis betontechnologisch advies Delta Concrete Consult betonproducent Kijlstra Betonmortel onderzoek eigenschappen SKG-IKOB risicoanalyse BouwQ LCA-berekening SGS Intron Monitoring SGS Intron In de constructief gewapende tussenwanden in een spooronderdoorgang in Heiloo is geopolymeerbeton toegepast. Dat is uniek voor Nederland want tot nu toe is hier vooral ervaring mee opgedaan in ongewapende toepassingen. In het toegepaste geopolymeerbeton is het bindmiddelsysteem gebaseerd op hoogovenslak en vliegas, zonder portlandklinker. Op een toegevoegde activator na zijn de overige grondstoffen gelijk aan traditioneel beton. Zowel op mechanisch gebied als op de gestelde duurzaamheidseisen presteert het geopolymeerbeton op vergelijkbare wijze als traditioneel beton. En dat met een gevalideerde CO?-reductie van 50% ten opzichte van CEMIII/B beton. CEMENT 3 2021 ?53 2 Doorsnede open toerit 3 Gewapend geopolymeerbeton 4 Tussenwand onderdoorgang in geopolymeerbeton JOS KRONEMEIJER BSC, MICT Algemeen directeur / Senior materiaaltechnoloog SCS (voorheen Delta Concrete Consult) KAMEL ARBI MSC PHD Senior consultant SCS (voorheen Delta Concrete Consult) HERMAN VAN DEN NOORT BSC Tendermanager Mobilis FELIX LEENDERS MSC Constructeur / Betonadviseur Mobilis auteurs 2 3 4 54? CEMENT 3 2021 NEN-EN 206 bestaat beton uit onder andere cement. En cement wordt omschreven als een fijngemalen anorganische stof die ge- mengd met water, een pasta vormt die bindt en verhardt door een hydratatiereactie. De verharde samenstelling van geopolymeren mag formeel geen beton heten omdat het zonder hydratatieproces verhardt. Mag je het dan wel constructief toepassen? In de VS is de definitie van cement overigens ruimer en is een geopolymeer ge- woon een cementsoort: als het eruit ziet als cement en het gedraagt zich als cement, dan zal het wel cement zijn. In Groot-Brittannië is in 2016 een do- cument opgesteld, PAS 8820, en uitgegeven namens The British Standards Institution (BSI) waarin is beschreven hoe geopoly - meerbeton moet worden getest en hoe het materiaal zich moet gedragen. Als het geo- polymeer wordt getest met de juiste voorge- schreven testen per eigenschap, mag veron - dersteld worden dat het zich gedraagt zoals traditioneel beton en mag de Eurocode wor- den gebruikt voor de constructieve bereke- ningen (equivalent performance). Hierdoor hoefde het constructieve ontwerp van het project, gebaseerd op de Eurocode, niet te worden aangepast. Ontwikkeling recept Het ontwikkelen van een geopolymeer- mengsel gebeurt op precies dezelfde manier zoals dat ook bij een traditioneel beton ge- beurt. De drie door te lopen fases zijn: i?verwerkbaarheid en sterkteontwikkeling; ii?duurzaamheid en milieuprestaties; iii?opschaling naar grootschalige productie. In de zomer van 2018 heeft Mobilis al een praktijktest uitgevoerd in samenwerking met betoncentrale A. Jansen BV. Doel van deze test was om de productie en verwerk - baarheid te onderzoeken op een bouw - plaats. Deze test heeft succesvol uitgepakt en hieruit bleek dat de wijze van verwerking niet verschilt met die van traditioneel beton. Van deze praktijktest is een filmpje gemaakt en op Youtube gezet. Dit is te vinden onder de naam 'Geopolymeer beton: praktijkde- monstratie productie en verwerking'. Onderdoorgang Mobilis (TBI) heeft het Betonakkoord mede ondertekend en in dat kader heeft het bouwbedrijf samen met ProRail en Rijkswa - terstaat een traject doorlopen van het uit- spreken van een duurzaamheidswens, naar het daadwerkelijk toepassen van een duur- zaam betonmengsel in een gewapend con - structief element. In eerste instantie is er bij de aan - besteding van de N69 (gemeente Valkens- waard) parallel ingeschreven met het ge- bruik van geopolymeerbeton. Helaas werd Mobilis dit project niet gegund. Vervolgens is samen met Delta Concrete Consult (tegen - woordig SCS, Sustainable Concrete Soluti - ons) de onderdoorgang Heiloo (gerealiseerd in 2019-2020) uitgekozen om geopolymeer- beton voor het eerst op het vaste land van West-Europa toe te passen in een gewapend constructief element. De onderdoorgang bestaat uit twee rijstroken, een fietspad en een voetpad. De tussenwanden tussen het snel- en lang - zaamverkeer zijn uitgevoerd in gewapend geopolymeerbeton (fig. 2, foto 3 en 4). Het doel van dit pilotproject is stap iii, opscha - ling naar grootschalige productie. Eigenschappen mengsel De eigenschappen van het geopolymeer- beton zijn zo gekozen, dat het beton mini - maal gelijkwaardig presteert als het anders toegepaste traditionele mengsel. De beoogde prestaties zijn: sterkteklasse C30/37, milieu - klassen XC4 en XF1. SKG-IKOB heeft het hele proces onderzocht, beoordeeld en gerappor- teerd ten behoeve van een vast te stellen validatie- en certificeringstraject van de zogenoemde Heiloo-mix. In tabel 1 en 2 zijn de samenstelling, 28-daagse kubusdruk - sterkte en elasticiteitsmodulus weergege- ven, die zich bewegen binnen de bandbreed - tes die de Eurocode geeft voor sterkteklasse C30/37 (equivalent performance). De trek - sterkte is zelfs iets hoger. Bij geopolymeren is het begrip waterbindmiddelfactor niet relevant omdat dit niets zegt over de pres- taties van het verharde mengsel. Naast water heeft namelijk de activator ook een bindende factor. De verharde samenstelling van geopoly- meren mag conform Euro- code formeel geen beton heten omdat het zonder hydratatieproces verhardt CEMENT 3 2021 ?55 De onderzochte duurzaamheidsprestaties zijn wapeningscorrosie ingeleid door car- bonatatie, corrosie ingeleid door chloride anders dan zeewater, vorstbestandheid en ASR-gevoeligheid. Op al deze aspecten vol - doet het geopolymeerbeton aan de gestelde eisen. Verder is het uitlooggedrag onder- zocht, waaruit is geconcludeerd dat de Hei - loo-mix voldoet aan de uitloging volgens Be- sluit Bodemkwaliteit. Door BouwQ is een risicoanalyse uit- gevoerd ten behoeve van de dekking van de VGV-verzekering van het project. Geconclu - deerd werd dat het toepassen van geopoly - meerbeton niet leidt tot een verhoogd risico. Hiermee is de toepassing van het geopoly - meer verzekerd. Testfase Na het succesvol doorlopen van stap i en ii is er voorafgaand aan het storten van de daad - werkelijke tussenwanden eerst een mock-up met gelijke dimensies gemaakt. Zodoende hebben de betrokken opdrachtgevers en de stortploeg het materiaal een keer gezien en getest, waarna nog enkele verbeteringen zijn gedaan. Hiermee werd ook het belang van fatsoenlijke aandacht in de verhardingsfase extra onderstreept. In de mock-uptestfase werd na enkele dagen geconstateerd dat de verharding ongewenst traag op gang kwam. Dit kon achteraf worden verklaard door het gevolg van twee gecombineerde onvoorziene missers. De eerste misser was een stevige overdosering van een vertragende super- plastificeerder en de tweede betrof het on -bedoeld wegwaaien van de bovenop liggende afdekfolie, gevolgd door een langdurige en zware regenbui. Hierdoor trad zowel uit- spoeling als uitdroging op in de toplaag van de wand. Ten gevolge van de vertragende werking van de overgedoseerde super- plastificeerder, was na 4 weken de sterkte ongeveer 25 MPa en groeide uiteindelijk door naar 43 MPa na 217 dagen. De neven - effecten op onder andere duurzaamheid zijn niet onderzocht, het was immers een proef. Uitvoering Nu het project en de bijbehorende onder- zoeken zijn afgerond kunnen de resultaten worden gedeeld. Het geopolymeermengsel dat is toegepast (Heiloo-mix), bestaat uit de grondstoffen genoemd in tabel 1. Het water is niet nodig voor de reactie met het cemen - teuze materiaal, maar enkel voor de consis- tentie; beoogd een hoge S3 / lage F4. Voor alle wandsecties lag de zetmaat in het bereik van 150-200 mm en de schudmaat tussen de 420 ? 460 mm (fig. 5), gemeten op de bouw - plaats. Hiermee is aangetoond dat productie op grotere schaal mogelijk is (stap iii). Het beton is zowel met kubel als met pomp ge- stort (foto 6 en 7). Het verdere verdichten, nabehandelen en afdekken is niet anders dan bij traditioneel beton. Dit geldt ook voor de PBM's. Net als anders moet men veilig - heidsschoenen, handschoenen, veiligheids- bril en een helm dragen. De uitvoering vond plaats in de winter van 2019/2020 met gemiddelde etmaaltem - peraturen tussen de 3 en 10 °C (fig. 8). De Heiloo-mix heeft zonder aanvullende maat- regelen, zoals actieve verwarming, zijn ont- werpsterkte behaald na 28 dagen bij lage omgevingstemperaturen. Wat opviel is dat er tijdens het verharden geen stijging van de temperatuur plaatsvond. Dit is een veelbelo- vende eigenschap voor het verminderen van scheurrisico's als gevolg van thermische gradiënten in verhinderde constructie ele- menten of in massabeton. Milieuwinst Door SGS Intron is een LCA-berekening uit- gevoerd en vergeleken met die van een refe- rentiebeton. Als referentie is een beton BEWUSTWORDING: BETONAKKOORD VRAAGT OM INNOVATIES In het Betonakkoord zijn verschil- lende kerndoelen verwoord, waar- onder de vraag naar de markt om met innovaties te komen en het streven om de transitie gezamen- lijk te realiseren. Veel van de in Nederland gehanteerde normen zijn gebaseerd op gebundelde col- lectieve ervaringen. Innovatieve materialen zoals geopolymeren missen nog nationale ervaringen. Hierin zijn zorgvuldigheid en trans- parantie de sleutelwoorden. Behaalde resultaten moeten wor- den vastgelegd, zodat daaraan later logische conclusies kunnen worden verbonden. Dit betekent dat er soms tijdrovend en kostbaar onderzoek moet worden gedaan voor het aantonen van equivalent performance en dat onzekerheden moeten worden benoemd. Zo wordt er vertrouwen en collectieve ervaring gebouwd. Door de zorgvuldigheid en trans- parantie in dit pilotproject, is bij alle betrokken partijen ook de bewustwording ontstaan dat de vele (en terechte) kritische vragen over het geopolymeerbeton ook van toepassing zijn op traditioneel cementbeton. Gechargeerd gezegd is door de bank genomen veel basiskennis over traditioneel cementbeton al vaker niet meer standaard aanwezig. Dit besef maakt dat ontwerpers zich tegen- woordig vaker afvragen wat het werkelijke materiaalgedrag en de prestatieniveaus zijn. Een positief punt hiervan is dat er kritischer wordt gekeken naar gewoontekeu- zes, wat kansen biedt voor innova- ties die worden beoordeeld op gelijkwaardige prestatie-eisen. Tabel 1 Samenstelling Heiloo-mix toeslagmateriaal rivierzand 0-4 graniet 2-16 precursors vliegas gegranuleerde hoogovenslak activator alkaliën hulpsof superplastificeerder water - Tabel 2?Materiaaleigenschappen Heiloo-mix eigenschap 28 d kubusdruksterkte MPa46,2 splijttreksterkte MPa4,1 elasticiteitmodulus Gpa31,5 56? CEMENT 3 2021 5 6 7 Wat opviel is dat er tijdens het verharden geen stijging van de temperatuur plaatsvond 5 Variatie van zetmaat (rood) en schudmaat of 'flow' (blauw) over de tijd in een niet-geoptimaliseerde mix (onderbroken lijn) en een geoptimaliseerde mix (niet-onderbroeken lijn) 6 Betonstort met kubel?7 Betonstort met betonpomp CEMENT 3 2021 ?57 C30/37 gehanteerd op basis van een bekende CEM III/B (70-78% hoogovenslak) met een wcf van 0,50. Uitgaande van fase A1, A2 en A3 (grondstoffenwinning, transport naar producent, productieprocessen) bedraagt de CO?-reductie 50% en de MKI-reductie 22%. Voor de overige fases is uitgegaan dat deze gelijkwaardig zijn, waarbij het recyclen niet nader is onderzocht. Belangrijk leerpunt van dit traject is dat met de kennis van nu de keuze voor het gehanteerde referentiemengsel onvoldoen - de gespecificeerd is met betrekking tot de eigenschappen van het beton. Zelfde vloeige- drag, met-of-zonder hulpstoffen? Sterkte- ontwikkeling gelijk? Zelfde duurzaamheid - sprestaties? Etc. We durven wel te stellen dat er een nog hogere potentiële CO?-emis- siereductie van de Heiloo-mix mogelijk is: Voor infrastructurele projecten is de toe- gestane wcf (wbf ) veelal lager namelijk 0,45 (XD3 en XF4). Dat zou betekenen dat er aan het referentiemengsel meer cement moet worden toegevoegd. Het geopolymeerbeton verhardt bij lage temperaturen dus er is geen wintermengsel meer nodig. Bij een wintermengsel wordt er extra portlandklinker aan de traditionele specie toegevoegd. Bij een mengselontwerp is er een zeer uit- gebreid scala aan eigenschappen waarop kan worden gestuurd. Bij de Heiloo-mix is niet specifiek op alleen duurzaamheid ge- stuurd. Hier valt nog wat in te optimalise- ren, zeker voor de mengsels blootgesteld aan mildere milieuklasses. De te verwachte CO?-reductie kan dan wel oplopen tot 65% t.o.v. een CEMIII; t.o.v. een CEMI zelfs tot 90%. Monitoring Met het succesvol doorlopen van de stappen i, ii en iii kan worden gezegd dat het toepas- sen van de Heiloo-mix, vanwege de praktijk - case, certificering en externe validatie, op TRL level 8 zit (Technology Readiness Level). En nu verder. De mock-up en de tus- senwanden worden de komende 10 jaar ge- monitord door SGS-Intron (foto 10a t/m c). De monitoring bestaat uit periodieke techni - sche inspecties, periodieke monster name en laboratoriumonderzoek, en monitoring Het gebruik van geopoly- meerbeton ten opzichte van een traditioneel CEM III/B-ce- mentgebaseerd beton leidde tot een reductie van 22% op de MKI-score en 50% op de CO?-uitstoot 8 Temperaturen tijdens stort wandsectie 9 Cilinder geopolymeerbeton (archief) 9 58? CEMENT 3 2021 van vervormingen en wapeningscorrosie met behulp van ingestorte sensoren in twee tussenwanden. De eerste resultaten worden dit voorjaar verwacht. Conclusie Het pilotproject Heiloo heeft de volgende tussenconclusies opgeleverd: Geopolymeerbeton kan op sterk vergelijk - bare manier worden geproduceerd en ver- werkt als traditioneel beton. Geopolymeerbeton kan op een technisch gelijkwaardige manier presteren als traditi - oneel beton. Geopolymeerbeton kan sterkte ontwik - kelen zonder extra warmtebehandeling. Het kan zelfs de ontwerpsterkte eerder POTENTIËLE TOEPASSINGSGEBIEDEN Uit recent onderzoek is gebleken dat geopolymeren ook kunnen worden gebruikt als adsorptiemiddelen om ammonium (NH4+) van afvalwater te scheiden, metalen in residu van waterzuiveringsinstallaties te vangen of voor immobilisatie van kernafval met lage of matige activiteit. Verder hebben geo- polymeren, door minder vrij water en door een fundamenteel ander poriesys- teem, minder kans op afspatten wanneer blootgesteld aan hoge temperatu- ren en zijn daarom sneller geschikt als brandwerende bekleding. Geopolymeren hebben ook een zeer hoge chemische bestendigheid en zijn daarom ook bij uitstek geschikt voor de chemische industrie. Voor al deze toepassingen geldt dat de exacte samenstelling een uiterst bepalende factor heeft in de prestatie van het materiaal. Momenteel duidt de term geopolymeer een verzameling van alkalisch te activeren bindmiddelen aan. Wij pleiten er daarom ook voor dat er net als bij de traditionele cemen- ten subtypen worden aangeduid. De ene geopolymeer is de andere niet. 10 Enkele ingestorte sensoren: (a) bepaling vochtprofiel, (b) meten staalpotentiaal, (c) meten pH 10b 10c 10a CEMENT 3 2021 ?59 bereiken onder slechte weersomstandig- heden (lage omgevingstemerperatuur) dan traditioneel beton; Geopolymeerbeton kan op gecontroleerde en voorspelbare wijze behoud van verwerk - baarheid realiseren, waarmee ook langere transporttijden geen probleem vormen. Het kiezen en handhaven van correcte nabehandelingsmethoden en tijdsduur is, evenals bij traditioneel beton, van groot be- lang gebleken om een optimale prestatie op korte en lange termijn te kunnen garande- ren. Het gebruik van een geopolymeerbeton ten opzichte van een traditioneel CEM II - I/B-cementgebaseerd beton, met enigszins vergelijkbare prestatieniveau's, heeft in dit project een reductie van 22% op de MKI-sco- re en 50% op de CO?-uitstoot mogelijk ge- maakt. Met behulp van ingestorte thermokoppels is de warmte-ontwikkeling in de wand ge- monitord tijdens het verhardingsproces op de bouwplaats. Hieruit is vastgesteld dat het geopolymeerbeton in het geheel géén warmteontwikkeling heeft laten zien, wat de thermische scheurrisico's als gevolg van thermische gradiënten verminderd en de betonprestaties in zijn algemeenheid sterk kan verbeteren. Bij de verwerking van het geopolymeerbe- ton zijn geen bijzondere veiligheidsmaatre- gelen nodig in de vorm van bijvoorbeeld extra PBM's. De enige aanbeveling aan alle betrokkenen was het dragen van veiligheids- schoenen, handschoenen en een veiligheids- bril. Precies zoals ook bij elk ander type be- ton reeds verplicht is. De Heiloo-mix is nu al direct toe te passen in bijvoorbeeld de woningbouw sector waar mildere milieuklasses gelden. Aanbevelingen en leerpunten Het is van belang dat er voldoende aan - dacht wordt besteed aan het gehele proces van de samenstelling, storten en tijdsduur nabehandelen, net als bij traditioneel beton, om een optimale prestatie te kunnen garan - deren. Het toedienen van de activator/hulpstof- combinatie kan zowel op de productieloca - tie, als op de bouwplaats of zelfs op beide locaties plaatsvinden. Aangezien deze com - binatie de belangrijkste en meest kritische parameter is voor de productie van het geo- polymeerbeton, zou de dosering hiervan verder kunnen worden geoptimaliseerd. Voor een LCA-vergelijking is het van groot belang een juist referentiekader te hante- ren. Er zijn namelijk tal van eigenschappen waarop kan worden gestuurd. Toekomstvisie De verduurzaming in de bouwsector leidt ertoe dat er steeds meer 'smaken' beton worden ontwikkeld. Er worden meer secun - daire materialen toegevoegd (als toeslagma - teriaal of als vulstof ) en ontwikkelingen met alternatieve, niet conventionele bindmidde- len. Geopolymeerbeton zal niet het enige antwoord zijn, maar het is wel een mooi alternatief met een hoog TRL-niveau (Tech - nology Readiness Level), naast de huidige betonsoorten. Het project zal ook de deur open zet- ten naar alternatieve alkalisch te activeren grondstoffen, naast het bekende hoogoven- slak en vliegas. De nieuwe onderneming SCS zal, als ontwikkelaar en aanbieder van geo- polymeren, het toepassen voor iedereen mogelijk willen maken in Nederland. Met het oog op de duurzaamheidsdoelstellingen van het klimaatakkoord, is een eerste zeer succesvolle stap gezet naar een duurzamere toekomst en aangetoond dat het nu al moge- lijk is. DANKWOORD De auteurs willen graag dank betui- gen aan de opdrachtgevers: Rijkswa- terstaat, ProRail en de Gemeente Heiloo. Het was een lang en soms lastig traject, maar zonder hun ver- trouwen en steun was het niet gelukt. Verder gaat ook dank uit naar betonproducent Kijlstra Betonmortel Amsterdam BV en de controlerende instanties SGS Intron, SKG-IKOB en BouwQ. 60? CEMENT 3 2021