M-cement: een duurzaam alternatief68 72011M-cement:een duurzaamalternatiefDe CO2-uitstoot bij de productie van cement ontstaat voor circatweederde deel door het thermisch afsplitsen van CO2uit kalksteen(i.e. chemisch gebonden CO2) en voor ongeveer eenderde deel door dehiervoor benodigde brandstoffen. Door het halfproduct portlandce-mentklinker gedeeltelijk te vervangen door composietmaterialen dieminder CO2-intensief zijn, kan de totale ecologische voetafdruk vancement verder worden teruggedrongen. Hoogovenslak en poederkool-vliegas worden onder meer om deze reden door de Nederlandse cement-industrie al decennia toegepast. Nieuwer is het toevoegen van kalk-steenmeel. In Duitsland heeft portlandkalksteencement (CEM II/LL) enportlandcomposietcement (CEM II/M, kortweg M-Cement) met kalk-steenmeel inmiddels een stevige positie verworven.1CEM II: Goede en constante technische eigenschappenen hoge duurzaamheidAls alternatief voor de traditionele klinkerproductie wordtmomenteel onderzoek gedaan naar klinker van een anderechemische samenstelling, waarbij een verminderde CO2-emis-sie het uitgangspunt is. Voorlopig worden deze pogingen voorde korte- en middellange termijn, voor zover het gaat omgebruik op grote schaal als bindmiddel voor betonconstructies,als weinig kansrijk gezien. Redenen hiervoor zijn het ontbrekenvan langdurige ervaring (duurzaamheid) en van de noodzake-lijke nieuwe regelgeving en normen, het onvoldoende voorhan-den zijn van de benodigde grondstoffen en de noodzaaknieuwe productiefaciliteiten en ?capaciteiten te ontwikkelen.Verder zijn er vraagtekens ten aanzien van de geschiktheid voortoepassing in gewapend beton (wapeningsstaal/passivering) enM-cement: een duurzaam alternatief 697201102468100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100kubus 1 + 2kubus 3 + 4gemiddeldegrenswaarde na 100 vorst-dooiwisselingen = 10M.-%massaverliesinM.-%aantal vorst-dooiwisselingen0,00,51,01,50 7 14 21 28 35 42gemiddeldebeton B4.1/B-LLmassaverliesinkg/m?aantal vorst-dooiwisselingengrenswaarde 28 vorst-dooiwisselingen = 1,5 kg/m?1 Kalksteenwinning in dagbouw2 Vorstbestandheid CEM II/B-LL32,5 R Dyckerhoff Deuna3 Vorst-dooizoutbestandheidCEM II/B-LL 32,5 R DyckerhoffDeunade activerende werking op latent-hydraulische en puzzolanestoffen (hoogovenslakken, vliegas, tras), die moeten bijdragenaan hydratatie en verharding. De bouwstoffenindustrie enbouwindustrie moeten vooralsnog dus op basis van de bekendeen gewaardeerde prestaties (en duurzaamheid) van portlandce-mentklinker een verdere verschuiving van CEM I (portlandce-ment) naar CEM II (portlandcomposietcement) en CEM III(hoogovencement) bewerkstelligen. De Nederlandse bouwin-dustrie heeft met de grootschalige toepassing van portland-vliegascement en hoogovencement overigens reeds aange-toond, dat een gemiddeld klinkeraandeel van minder dan 50%een realistische doelstelling is voor de gehele Europese bouw-markt. Er is nog een potentieel op het terrein van de vervan-ging van CEM I door hoogwaardig CEM II-cement, waardoormilieuwinst (CO2-emissie) en toekomstig ook kostenvoordelenkunnen worden behaald (als de kosten voor CO2-productie-certificaten zullen worden ingeprijsd).Kalksteenmeel; onmisbaar bestanddeel in CEM IICEM II en CEM III bestaan uit een combinatie van CEM I entoegevoegde geschikte composietstoffen. Van groot belang inEuropa zijn inmiddels hoogovenslak (S), poederkoolvliegas(V), trasmeel (P) en kalksteenmeel (LL). Bij CEM II wordt eencomposietstof enkelvoudig of zelfs meervoudig (CEM II/M)gecombineerd met de basis CEM I. Naast de bekende CEMIII/A en CEM III/B spelen de volgende cementen een belang-rijke rol (en hebben een lange traditie) in Europa:? CEM II/A-S en CEM II/B-S met respectievelijk maximaal20% en 35% hoogovenslak (S);? CEM II/A-V en CEM II/B-V met respectievelijk maximaal20% en 35% vliegas (V);? CEM II/A-P en CEM II/B-P met respectievelijk maximaal20% en 35% puzzolanen (P);? CEM II/A-LL en CEM II/B-LL met respectievelijk maximaal20% en 35% kalksteenmeel (LL).Niet alleen in Duitsland, maar ook in vele andere Europeselanden (o.a. Frankrijk, Italie, Oostenrijk, Zwitserland) wordtkalksteenmeel als cementbestanddeel reeds vele jaren toegepasten gewaardeerd. Daarbij kunnen ten opzichte van puur port-landcement gelijkwaardige prestaties (technisch en qua duur-zaamheid) worden behaald met CEM II/A-LL met een gehaltevan 20% kalksteenmeel. Vooral in de prefab-betonindustriewordt nog veel met CEM I gewerkt en kan CO2wordenbespaard door CEM II toe te passen.In de Duitse betonnorm DIN-EN 1045/EN 206 zijn alle CEMII/A-LL cementen (kalksteenmeelgehalte tot max. 20%) voorconstructieve toepassingen zonder beperkingen voor allebetonexpositieklassen toegelaten. Illustratief voor de toene-mende betekenis van kalksteenmeel in cement is de toelatingvoor onbeperkte constructieve toepassing van een CEM II/B-LL(kalksteenmeelgehalte tot 35%) voor alle betonexpositieklassenin 2010 in Duitsland. Figuren 2 en 3 laten zien dat de resultatenten aanzien van vorst- en dooizoutbestandheid duidelijk onderde toelaatbare maximumwaarden liggen.Zogenoemde M-cementen, die naast portlandklinker uit eencombinatie van hoogovenslak (S) en kalksteenmeel (LL)bestaan, of naast portlandklinker een combinatie van vliegas(V) en kalksteenmeel (LL) bevatten, winnen momenteel toene-mend aan betekenis:? CEM II/A-M(S-LL) en CEM II/B-M(S-LL) respectievelijkmet maximaal 20% en 35% (S-LL);? CEM II/A-M(V-LL) en CEM II/B-M(V-LL) respectievelijkmet maximaal 20% en 35% (V-LL).Een nog verdere stijging van het composietaandeel tot 50% inzogenoemd CEM X is momenteel onderwerp van internatio-nale studie.ing. Pim de Boo en Dr.-Ing. Ditmar HornungDyckerhoff AG, Wiesbaden (D)2 3M-cement: een duurzaam alternatief70 720110 6 12 18 24 30 362345678910111235% KSM15% KSM0,40% FM/35% KSM0,40% FM/15% KSM0,40% FMzonder KSMwarmteontwikkeling[J/gh]hydratatieduur [h]Is kalksteenmeel inert of reactief bestanddeel incement?Voor zowel klinker als kalksteenmeel wordt als grondstof dekalksteen uit de groeves van de cementproducent gebruikt.Kwaliteitscontrole en ?sturing hebben plaats volgens de criteriazoals deze gelden voor de klinkerproductie, waardoor kalk-steenmeel voldoet aan zeer hoge eisen ten aanzien van gelijk-matigheid en kwaliteit.Omdat deze kalksteenmeel niet thermisch wordt behandeld,werd er lange tijd vanuit gegaan dat kalksteenmeel qua bijdrageaan het hydratatieproces inert is en slechts een werking alsvulstof heeft (dichtere pakking van cementdeeltjes). Recentonderzoek heeft echter aangetoond dat door geschikt kalk-steenmeel (qua chemische samenstelling, fijnheid, gelijkmatig-heid) toe te passen de cementhydratatie in de vroege fase kanworden versneld.Figuur 5 toont de resultaten van warmtemetingen aan hethoofdbestanddeel van cement (C3S). Door toevoeging van 15%tot 35% kalksteenmeel wordt de warmteontwikkeling endaarmee de sterkteontwikkeling in het vroege stadium ge?nten-siveerd. De vertragende werking van hulpstof op de warmte-De toepassing van kalksteenmeel (dat sowieso al de grondstof isvoor de klinkerproduktie) gecombineerd met hoogovenslak ofvliegas in M-cement is gunstig qua beschikbaarheid (grondstof isvoldoende voorhanden, groeve behoort toe aan cementprodu-cent), economie en ecologie. Met een potenti?le klinkerreductievan 35% kunnen ook M-cementen een wezenlijke bijdrageleveren aan verlaging van CO2-emissie ten opzichte van CEM I.M-cement wordt sinds 2004 in de Duitse bouwindustrie toege-past. Dit op basis van een `Sonderzulassung' van het Duitse Insti-tut f?r Bautechnik, waarbij in feite een `stresstest' ten aanzien vande duurzaamheid onder ongunstige omstandigheden (laagcementgehalte, hoge water-cementfactor) wordt uitgevoerd.In Duitsland neemt het marktaandeel van M-cement (S-LL) en(V-LL) met toelating voor onbeperkte constructieve toepassing,voortdurend toe (Duitsland 8%, Dyckerhoff 15%). In Neder-land is in 2009 door SGS/Intron CEM II/B-M(S-LL) 42,5 RDyckerhoff Lengerich conform CUR-Aanbeveling 48 onder-zocht en op basis hiervan is het KOMO-certificaat voorconstructief gebruik in alle expositieklassen afgegeven. Ookvoor CEM II/A-LL 42,5 R Dyckerhoff Geseke werd in 2011 eenvolwaardig KOMO-certificaat afgegeven.CEM I 32,5 R CEM II/B-M(V-LL) 32,5 Rklinkeraandeel [%] 90 64N1d[MPa] 13,5 16,4N2d[MPa] 27,5 26,5N28d[MPa] 49 48,2N56d[MPa] 51 56waterbehoefte [%] 28 30start binding [min.] 170 2304 56Tabel 1 Eigenschappen CEM I 32,5 R vergeleken metCEM II/B-M(V-LL) 32,5 RM-cement: een duurzaam alternatief 71720114 Laboratoriumautomatiserings-systeem cementfabriek5 Resultaten warmtemetingenC3S + kalksteenmeel6 Tunnelgewelf met CEM II/B-M(S-LL) 32,5 R7 REM-opnamen cementsteen-matrix zonder (links) en metkalksteen (rechts)8 Brug in Jena (D) metCEM II/A-LL 32,5 Rreductie tot 35% zijn de eigenschappen verregaand vergelijk-baar met CEM I. Tabel 1 vergelijkt de eigenschappen van eenCEM I 32,5 R en een CEM II/B-M(V-LL) 32,5 R van dezelfdecementproducent (gelijke klinkerbasis). Door het gebruik vaneen mengsel van vliegas en kalksteenmeel (tezamen 35%) is deverhardingskarakteristiek nagenoeg onveranderd.De voordelen van meercomponentcementen kunnen echteralleen effectief worden benut, als alle bestanddelen CEM I, S, V,LL granulometrisch worden geoptimaliseerd door elk bestand-deel apart te malen, en aansluitend in een vast gedefinieerdeverhouding te mengen. Hierdoor is het mogelijk zowel eenoptimale pakkingsdichtheid te bereiken als de verhardingsei-genschappen gericht te be?nvloeden.Door de toename van het gebruik van composietstoffen inontwikkeling/verharding kon door toevoeging van kalksteen-meel voor het grootste deel worden gecompenseerd. Vergelij-kende opnamen van cementsteen met een elektronenmicros-coop tonen het positieve verschil in hydratatie van het mengselmet kalksteenmeel (foto 7, rechts). Onderzoek naar dit effect isnog steeds gaande.M-cement met geoptimaliseerd verhardingskarakterOmdat kalksteenmeel de vroege hydratatie bespoedigt enhoogovenslak en vliegas een verhoogd naverhardingspotentieelhebben, kunnen interessante mogelijkheden voor optimalisatievan eigenschappen worden gecre?erd door combinaties vandeze composietstoffen (S+LL en V+LL). Ondanks een klinker-78M-cement: een duurzaam alternatief72 720119 Aanbouw tunnel in Jena (D)met CEM II/B-M(S-LL) 32,5R10 De bouw van een nieuw hoge-snelheidstraject voor de ICEtussen Leipzig en N?rnberg.Voor het beton wordt een CEMII/B-M(V-LL) 32,5R gebruiktMet dit cement werd een compromis gevonden tussen hogebeginsterkte (nodig voor een optimale voortgang en planning)en lage hydratatiewarmte. Optimale cementeigenschappen meteen hoge gelijkmatigheid waren belangrijke voorwaarden vooreen probleemloos bouwproces (foto 9).Een ander project betreft de bouw van een nieuw hogesnelheids-traject voor de ICE tussen Leipzig en N?rnberg. Voor het beton(C25/30 XC4 XF1 XA ? F5 ? GK16) voor de tunnelbinnenwandwordt een CEM II/B-M(V-LL) 32,5 R gebruikt (foto 10). Daar-door kon worden afgezien van de toepassing van vliegas.Bouwend op meerjarige ervaring bij ontwikkeling, productieen gebruik van M-cement kunnen deze cementsoorten inmid-dels in alle belangrijke betontoepassingsgebieden in Duitslandworden ingezet. cement zal bij de cementproductie steeds meer worden omge-schakeld van (traditioneel) gezamenlijke maling naar het apartmalen en samenstellen van grondstoffen.Infrastructuurprojecten met kalksteenhoudendecementenIn het kader van de vernieuwing van een deel van de snelwegBAB 4 rond Jena (D) werden een 795 m lange brug en 650 mlange tunnel gebouwd. Voor de brugconstructie (foto 8) werdeen CEM II/A-LL 32,5 R gebruikt. Aan het betonrecept voorhet tunnelfundament en het tunnelgewelf (C30/37 XC3 XD2XF2 ? F2 ? AB 16) werden speciale eisen gesteld aan vroegesterkte en warmteontwikkeling, waaraan alleen met een geopti-maliseerde CEM II/B-M(S-LL) 32,5 R kon worden voldaan. Literatuur1 Allgemeine Bauaufsichtliche ZulassungCEM II/B-LL Dyckerhoff Deuna, 2010.2 Erweiterte KOMO-Zulassung f?r konstruk-tiven Einsatz von CEM II/B-M(S-LL) 42,5 RDyckerhoff Lengerich, 2010.3 Erweiterte KOMO-Zulassung f?r konstruk-tiven Einsatz von CEM II/A-LL 42,5 RDyckerhoff Geseke, 2011.910