Minder CO? dankzij doorgaande sterkteontwikkeling Onderzoek naar de invloed van 'traag' cement op het constructief ontwerp en de uitvoering van betonconstructies  foto: Remco Kerkhoven / Betonhuis 54? CEMENT 2 2020 Beton is wereldwijd het meest gebruikte bouwmateriaal. In volu- me wordt er ruim twee keer zoveel beton gebruikt voor constructieve toepassing als alle andere materialen samen. Een van de redenen hiervoor is dat de levensduur (durability) van het materiaal kan worden gegarandeerd zonder significante aantas- ting. Dit komt het milieu ten goede doordat grondstoffen worden bespaard en afval wordt verminderd. De term duurzaamheid moet echter niet worden verward met de milieubelasting (sustainability) van een materiaal. De milieubelasting van de indus- triële sector is voor een aanzienlijk deel te wijten aan het bestanddeel cement in beton. Deze milieubelasting wordt voornamelijk veroorzaakt door het productieproces van portlandklinker dat wordt gebruikt in cement. Enerzijds komt een hoog gehalte CO? vrij door de chemische reactie van het hoofdbestanddeel kalksteen (CaCO?) tot calciumoxide (CaO) en carbondioxide (CO?). Anderzijds veroorzaakt de verbranding van brandstof in de cementovens, die nodig is voor de chemische reactie, een hoge CO?- uitstoot. De cementindustrie is hiermee verantwoordelijk voor circa 7% van de wereldwijde CO?-emissie. Dit is in vergelij- king tot de luchtvaartindustrie, die verant- woordelijk is voor 2,5% a 3% van de wereld - wijde CO?-emissie, aanzienlijk. Groener beton, minder klinker Voor de productie van cement wordt port- landklinker gebruikt. Het gehalte aan klin - ker varieert daarbij. De Nederlandse norm kent 35 soorten cement. Portlandcement (CEM I, wereldwijd een veel voorkomend type cement, bestaat voor meer dan 95% uit portlandklinker en is hiermee verant- De afgelopen jaren hebben de thema's circulariteit en CO?-reductie een groot aandeel gehad in de motivatie voor innovaties op het gebied van betonconstructies en materiaaltechnologie. Reductie van de CO?-footprint van het materiaal valt vooral te behalen op het gebied van het gebruikte cement in beton. De vraag is: wat zijn de gevolgen voor de eigenschappen van het materiaal en wat is het effect op het constructief ontwerp en uiteindelijk het bouwproces? IR. MONIQUE MORREN TU Eindhoven PROF.IR. SIMON WIJTE TU Eindhoven, fac. Bouwkunde / Adviesbureau ir. J.G. Hageman DR.ENG. SANDRA LUCAS TU Eindhoven, fac. Bouwkunde ING. PAUL MINARTZ Arcadisauteurs CEM I portlandcement CEM II samengesteld portlandcement CEM III hoogovencement CEM IV puzzolaancement CEM V composietcement Direct achter deze aanduiding volgt informatie over de samenstelling met een letter A, B of C. Dit is een aanduiding voor de hoeveelheid portlandcementklinker: A ? B ? C = afnemend klinkergehalte. Het tweede deel van de code geeft de sterkteklasse van het cement. Er zijn drie sterkteklassen: 32,5, 42,5 en 52,5. De aanduiding voor de sterkteklasse wordt gevolgd door een 'L', 'N' of 'R' voor respectievelijk een lage, een normale of een hoge beginsterkte (R: 'Rapid'). Tabel 1?Benaming voor cement CEMENT 2 2020 ?55 woordelijk voor een CO?-footprint van onge- veer 850 kg CO? per 1000 kg cement. Deze CO?-footprint kan worden verlaagd door het toepassen van andere grondstoffen. Zo worden er typen cement geprodu - ceerd die naast portlandklinker ook bestaan uit grondstoffen zoals vliegas en hoogoven- slak. Deze slak is een restproduct van de staalindustrie en kan worden beschouwd als afval, wanneer dit niet wordt gebruikt voor andere doeleinden. Hoogovenslak heeft daarom een zeer lage CO?-footprint. Hoewel dit een positieve invloed heeft op de milieu - belasting van beton, moet men uiteraard niet vergeten dat de staalindustrie op zich - zelf ook verantwoordelijk is voor een hoge milieulast. Daarbij komt dat niet alle klinker kan worden vervangen door hoogovenslak, er zijn ook andere innovaties nodig om de klimaatdoelen te behalen. Figuur 1 geeft enkele typen cement weer waarbij een variërende hoeveelheid klinker is toegepast, aangevuld met hoog - ovenslak. De relatie tussen de verlaging van het klinkergehalte, vervangen door hoog - ovenslak, en de reductie van de CO?-foot- print van het cement is lineair. Door het toepassen van CEM III/C 32,5 N, dat slechts 10% klinker bevat, wordt de CO?-footprint gereduceerd naar minder dan 100 kg CO? per 1000 kg cement. In praktijk wordt dit cement beperkt toegepast door de lage sterkteklasse en de extra aandacht die genoodzaakt is voor durability aspecten. Naast cement met een lagere CO?-foot- print worden ook combinaties van gemalen hoogovenslak met portlandcement toege- past om de milieu-impact te verlagen (attestbeton). Drie varianten van deze com - binatie zijn weergegeven in figuur 2. Hierin zijn lage percentages (30%, 20% en 10%) CEM I 52,5 R aangevuld met hoogovenslak. Consumptie van cement Ten opzichte van de rest van de wereld is Nederland vooruitstrevend met het toepas- sen van lage klinkergehaltes, waardoor de gemiddelde CO?-footprint van cement in kg CO? per ton cement in Nederland net onder de 500 kg CO? ligt. Wereldwijd is het klinker- gehalte hoger, wat zich uit in een gemiddelde CO?-footprint van 670 kg CO?. [1] [2]. 1 Klinkergehalte in relatie tot CO 2-footprint van verschillende cementtypen 2 Klinkergehalte in relatie tot CO 2-footprint van combinaties hoogovenslak/CEM I Ten opzichte van de rest van de wereld is Nederland vooruitstrevend door het toepassen van lage klinkergehaltes in cement AFSTUDEERSTUDIE Monique Morren is afgestu- deerd aan de TU Eindhoven met het onderzoek 'Influence of sustainable cement alternatives on the design and construction of concrete structures'. Haar afstudeerhoogleraar was prof.ir. S.N.M. Wijte. Verder hadden dr.eng. S.S. Lucas Arcadis en P. Minartz zitting in de begelei- dingcommissie. Een link naar het afstudeerrapport staat op Cementonline.nl . 1 2 56? CEMENT 2 2020 De goede prestaties van Nederland op dit gebied hebben vooral te maken met de be- schikbaarheid en prijs van hoogovencement ten opzichte van portlandcement. De ver- houding tussen klinker en cement wordt echter niet verder gereduceerd dan nu het geval is. Met de verlaging van het klinkerge- halte daalt immers ook de pH-waarde van beton en daarmee nemen de risico's ten aanzien van durability toe. Voor meer inzicht in de effecten op de durability van cement met zeer lage klinkergehaltes is onderzoek nodig. Dit risico geldt overigens niet voor constructies in een binnenmilieu. De winst op het gebied van sustainability door het toepassen van een minimaal klinkergehalte is daarom zonder aanvullend onderzoek interessant voor milieuklassen XC0 en XC1. Figuur 3 laat zien dat een groot deel van de constructies in Nederland worden vervaar- digd in deze milieuklassen. Eigenschappen groener beton Het type cement heeft invloed op de eigen - schappen van het beton dat hiermee wordt vervaardigd. Allereerst heeft het cement invloed op het hydratatieproces. Portland - klinker is een zeer reactief bestanddeel waardoor het hydratatieproces in het begin relatief snel verloopt en geleidelijk afzwakt. Hoogovenslak heeft een minder reactieve eigenschap en de reactie met water begint alleen bij de aanwezigheid van een activator. Een praktische oplossing hiervoor is het malen van een kleine hoeveelheid klinker met hoogovenslak om de reactie te initiëren. Bij gemiddelde temperaturen verloopt het hydratatieproces van hoogovenslak langzamer dan klinker, vooral in vroege Het vervangen van klinker door hoogovenslak heeft vooral gevolgen voor de vroege sterkte van het beton 3 4 3  Verdeling betonmortel naar maatgevende milieuklassen [3] 4  Ontwikkeling van de gemiddelde kubusdruksterkte van beton vervaardigd met verschillende cementtypen CEMENT 2 2020 ?57 stadia. Betonmengsels met cement met lage klinkergehaltes worden daarom ook wel aangeduid als traag. Dit vereist meer aan- dacht voor de nabehandeling van het beton. Een voordeel is de lagere hoeveelheid hydra - tatiewarmte die ontstaat bij de hydratatie van hoogovenslak. Dit verlaagt het risico op scheurvorming in jong beton. De snelheid van het hydratatieproces bepaalt de sterkteontwikkeling van beton. Figuur 4 presenteert de sterkteontwikkeling van beton met verschillende typen cement. CEM I 52,5 R (donkerblauwe lijn) heeft een vroege sterkteontwikkeling. Echter na 91 dagen is deze ontwikkeling vrijwel volledig gestopt en blijft de sterkte constant. CEM II - I/A 52,5 N met 50% klinker en 50% hoog - ovenslak is weergegeven in de donkergroene lijn en vertoont een langzamere ontwikke- ling en lagere initiële sterkte. Na 28 dagen verharding wordt met dit cement eenzelfde sterkte bereikt als met CEM I 52,5 R en daarna ontwikkelt de sterkte zelfs nog verder. Deze relatie geldt ook voor mengsels in een lagere sterkteklasse. Hetzelfde gedrag is van toepassing voor attestbeton waarbij een combinatie van hoogovenslak met portlandcement wordt toegepast (fig. 5). Bij het vervangen van klin - ker door hoogovenslak neigt de relatie tus- sen de sterkteontwikkeling en tijd steeds meer naar een lineair verband. Het gecom - bineerde product met 30% klinker behaalt in de loop van de tijd eenzelfde sterkte als beton met cementtype CEM I 52,5 R. Met het gebruik van zowel cement als attestbindmiddel met een klinkergehalte van 30% is een beton met sterkteklasse C30/37 te vervaardigen. Bij een verdere reductie van het klinkergehalte tot 20% wordt een sterkteklasse C20/25 behaald. Dit zijn de meest gebruikte sterkteklassen in Nederland. Groener en trager, wat zijn de gevolgen voor het constructief ontwerp? Het vervangen van klinker door hoogoven- slak heeft zoals gezegd vooral gevolgen voor de vroege sterkte van het beton. De sterkte van beton na 2 dagen verharden is signifi - cant lager bij het toepassen van een lager De capaciteit van beton kan beter worden benut wanneer de sterkte- ontwikkeling wordt gerelateerd aan de toename van de belasting tijdens het bouwproces 5 Ontwikkeling van de gemiddelde kubusdruksterkte van verschillende typen attestbeton 6 Invloed klinkergehalte op sterkteontwikkeling van beton gedurende de tijd 5 6 58? CEMENT 2 2020 sterkte na 28 dagen (f cm,cyl ) [N/mm 2] sterkte na 91 dagen (f cm,cyl ) [N/mm 2] sterkteklasse volgens betonnormen o.b.v. 28 daagse sterkte aanbevolen cementtype CO 2 footprint [kg CO2 per ton cement] milieuwinst t.o.v. portlandcement (CEM I) ? 50 ? 45,6? C40/45 CEM I 52,5 R 850- ? 50 ? 49? C40/45 CEM II B-S 52,5 N 67025% ? 50 ? 51? C40/45 CEM III/A 52,5 N 45550% ? 38 ? 41? C30/37 CEM III/B 42,5 N of attest 70/30 270 70% ? 33 ? 36? C25/30 CEM III/B 32,5 N 18080% ? 29 ? 30? C20/25 attest 80/20 of attest 90/10 100-200 80-90% ? 22 ? 22? C12/15 CEM III/C 32,5 N 9690% klinkergehalte (fig. 6). Echter bij ouder beton (91 en 180 dagen verharding) is een toename van de sterkte zichtbaar bij een verlaging van het klinkergehalte. Normaliter richt de constructeur zich op het maken van een ontwerp voor de eind - situatie van een constructie. De capaciteit van beton kan echter beter worden benut wanneer de sterkteontwikkeling wordt gere- lateerd aan de toename van de belasting tijdens het bouwproces. Bovendien kan de haalbaarheid van de toepassing van trager beton worden verhoogd door gebruik te maken van de ontwikkeling van de beton - druksterkte, in plaats van de rekenwaarde van de druksterkte te baseren op alleen de 28-daagse sterkte. Om de constructeur te kunnen voorzien van de hiervoor benodigde informatie is het zeer waardevol te streven naar een centrale database waarin gegevens worden geregistreerd omtrent de sterkte- ontwikkeling van betonmengsels met varië- rende samenstellingen cement, granulaat en water-cementfactor. Door als constructeur in samenwer- king met de betontechnoloog een bewuste keuze te maken voor het type cement dat wordt toegepast kan de sustainability wor - den verbeterd. Tabel 2 legt een relatie tussen te behalen sterktes en aanbevolen cement- typen om een zo hoog mogelijke milieuwinst te behalen. De betontechnoloog dient hierbij de durability van het materiaal te waarbor- gen. Om deze reden gaat een milieuklasse gepaard met een minimaal cementgehalte. Dit minimale cementgehalte resulteert samen met de vastgestelde water-cement- factor tot een minimale sterkteklasse van het beton. Deze relatie is beschreven in bij- lage F van EN 206. Door deze relatie in acht te nemen als constructeur, kan optimaal gebruik worden gemaakt van de sterkte die door de betontechnoloog wordt verstreken om aan durability eisen te voldoen. Gebruikmaken van de doorgaande sterkteontwikkeling Als wordt gerekend met de doorgaande sterkteontwikkeling moet met een aantal aspecten rekening worden gehouden. De rekenwaarde van de druksterkte van beton (f cd) is gebaseerd op de karakteristieke cilin -dersterkte na 28 dagen en bevat een coëffici - ent voor langeduureffecten op de druksterk - te (? cc) en een partiële veiligheidsfactor (? C). De langeduurcoëfficiënt (? cc) omvat het effect beschreven door Rüsch; bij een rela - tief hoge drukspanning over een lange tijd kan er na verloop van tijd bezwijken van het beton optreden zonder dat randvoorwaar- den gewijzigd zijn. In deze langeduurcoëffi - ciënt wordt reeds rekening gehouden met de sterkteontwikkeling van beton gedurende de tijd. Er is bij het opstellen van de Eurocode gesteld dat deze sterktetoename ten minste 12% is na 6 maanden, ten opzichte van de 28-daagse sterkte. Hiermee is geconclu - deerd dat het effect van de langeduurbelas- ting wordt gecompenseerd door de toename van de sterkte gedurende de tijd. De factor ? cc is op basis hiervan gelijkgesteld aan 1,0. Wanneer de ontwikkeling van de betondruksterkte gedurende de tijd wordt gebruikt, is het van belang bewust te zijn dat een deel van deze sterktetoename al in reke- ning is gebracht in de rekenwaarde van de druksterkte middels deze factor. CUR-Aanbe- veling 122:2018 is opgesteld als richtlijn voor constructeurs, leveranciers en uitvoerende partijen, om gebruik te kunnen maken van de doorgaande sterkteontwikkeling van beton om zo een bijdrage te leveren aan sustainability. In deze CUR-Aanbeveling is onder andere beschreven dat de waarde voor ? cc gecorrigeerd moet worden met de factor k t = 0,85 wanneer wordt gebruikgemaakt van de doorgaande sterkteontwikkeling. Deze factor k t lijkt een straf voor de toepassing van traag beton. Echter, de door- gaande sterkteontwikkeling van traag Tabel 2?Aanbevolen cementtypen gerelateerd aan milieuwinst (wcf = 0,5) De factor k t lijkt een straf voor de toepassing van traag beton CEMENT 2 2020 ?59 beton inclusief 30% klinker bedraagt na 6 maanden maar liefst 40%. Dit is significant meer dan de aangenomen 12%. Tezamen met de k t-factor resulteert dit toch in een verhoging van de rekenwaarde met 20%. Om effectiever gebruik te kunnen ma - ken van de doorgaande sterkte ontwikkeling van beton na 28 dagen is meer onderzoek nodig naar verschillende mengsels. Beschik - baarheid van drukproefresultaten is hier- voor nodig op verschillende momenten gedurende de verharding, over een tijdsbe- stek van een aantal jaren. Groener en trager, wat zijn de gevolgen voor het bouwproces? Het toepassen van traag beton heeft wat be- treft het bouwproces met name effect op het moment van ontkisten. Het tijdstip waarop bekisting en stempels kunnen worden verwijderd, hangt voor vele bouwprojecten nauw samen met de planning en totale bouwtijd. In enkele gevallen rekent de con - structeur aan de sterkte waarop ontkist mag worden. In praktijk wordt dit veelal bepaald door de uitvoerende partij. Richtlijnen hier- voor worden gegeven in NEN-EN 1370 en in Nederland wordt hier invulling aan gegeven in NEN 8670. Voor het ontkisten van dragen - de betonelementen in bijvoorbeeld sterkte- klasse C30/37 moet een minimale gemiddel - de kubusdruksterkte van 35 N/mm² zijn behaald. Met een snel verhardend portland - cement (CEM I 52,5 R) waarin >95% klinker is toegepast wordt deze sterkte al na 1 dag behaald (figuur 8). Portlandcement met een normale sterkteontwikkeling (CEM I 42,5 N) bereikt deze sterkte na 5 dagen. Wanneer traag beton met 30% klinker wordt toegepast moet de bekisting en/of stempels blijven staan tot 14 dagen na het storten van het 7 De Romertoren, onderdeel van het project Maasboulevard te Venlo 8 Eis aan tijdstip van ontkisten voor beton in sterkteklasse C30/37 8 7 60? CEMENT 2 2020 beton. Echter, bevatten betonnen construc- ties in de meeste gevallen wapeningsstaal dat een groot deel van de optredende span- ning voor zijn rekening neemt. De invloed van het toepassen van traag beton heeft wel significante effecten op de stijfheid van het materiaal, waar verder op in wordt gegaan voor het project de Romertoren. In de praktijk: de Romertoren De toepassing van traag beton is onderzocht voor een afgerond project van Arcadis. Het in 2011 voltooide appartementsgebouw de Romertoren (foto 7) is onderdeel van het project Maasboulevard in Venlo. De toren telt 20 verdiepingen en bestaat voornamelijk uit in het werk gestort beton in sterkteklasse C35/45. De betonconstructie is uitgevoerd met een portlandcement, type CEM I 52,5 R. De krachtsverdeling in een maatgevende wand op de 3e verdieping van de toren is ge- analyseerd. Figuur 9 geeft de sterkteontwik - keling weer van het toegepaste beton en de opbouw van de spanning in de wand tijdens het bouwproces. Hierin is met de gestippel - de lijn aangegeven dat de grootte van de spanning in de wand tijdens de eindsituatie (140 dagen) verband houdt met de reken - waarde van de druksterkte gebaseerd op de 28-daagse sterkte. De constructeur gaat uit van een vaste, constante waarde van de sterkte van het beton. Het gearceerde vlak in de grafiek laat zien dat een grote hoeveel - heid van de capaciteit van het beton hier- door niet wordt benut. Er is gekeken wat het effect is, als deze wand wordt vervaardigd met traag beton met 30% klinker (groene lijn). Er kan worden geconcludeerd dat met dit materiaal onvoldoende sterkte wordt ontwikkeld. De hoge spanningen in de wand (3e verdieping) zijn te wijten aan de excen - triciteit in de constructie ten opzichte van de onderliggende verdieping. De spanningen in een wand op de 4e verdieping zijn aan - zienlijk lager. Dit is weergegeven in figuur 10, samen met de sterkteontwikkeling van traag beton met 20% klinker. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de constructieve wande- lementen van de Romertoren vanaf de 4e verdieping tot en met het dak kunnen wor- den uitgevoerd met een traag beton met 20% klinker. Stijfheid? Het toepassen van traag beton heeft effect op de stijfheid van het materiaal. Dit heeft voornamelijk gevolgen voor de bij- komende doorbuiging van vloerelementen, waaraan eisen worden gesteld ter voorko- ming van schade aan bouwkundige afwer- king zoals niet-dragende wanden. Het effect van de toepassing van traag beton op de blij- vende vervorming onder langeduurbelas- ting (kruip) is bestudeerd. Het kruipeffect neemt toe wanneer bekisting en stempels vroeger in het proces worden verwijderd (figuur 11). Het kruipeffect is bovendien groter bij toepassing van traag beton in vergelijking 9 Sterkteontwikkeling van snel verhardend beton en traag beton met 30% klinker in relatie tot de spanningsopbouw tijdens het bouwproces in de maatgevende wand op de 3e verdieping 10 Sterkteontwikkeling van traag beton met 20% klinker in relatie tot de spanningsopbouw tijdens het constructieproces in de wand op de 4e verdieping 9 10 CEMENT 2 2020 ?61 tot snel verhardend portlandcement (CEM I 52,5 R). Dit is te verklaren door de lagere sterkte die wordt ontwikkeld in vroege sta- dia. Dit kruipeffect heeft uiteindelijk invloed op de bijkomende doorbuiging van de vloer. Wanneer een limiet wordt gesteld aan de bijkomende doorbuiging zal het tijdstip van ontkisten en/of het verwijderen van de stempels moeten worden uitgesteld bij het toepassen van traag beton. Deze vertraging in het verwijderen van bekisting en stempels hoeft niet direct te leiden tot een grote vertraging in het bouwproces. In het geval van de Romertoren is een bouwcyclus van 2 weken per verdie- ping opgenomen in de planning. Tevens werden de vloeren onderstempeld over drie bouwlagen. Dit resulteerde in voldoende tijd tot het verwijderen van bekisting en onder- steuningsconstructies. Haalbaarheid? Geconcludeerd kan worden dat het constructief haalbaar is om een groot deel van de Romertoren uit te voeren in traag beton met 30% klinker. Dit kan wor- den bereikt door gebruik te maken van de doorgaande sterkteontwikkeling van beton en het ontwerp te relateren aan de span - ningsopbouw gedurende het constructie- proces. Dit heeft aanzienlijke voordelen voor de milieu-impact. De beschouwde in situ vloeren en wanden van de Romertoren van - af de 3e verdieping tot en met het dak heb- ben een omvang van 2700 m³ beton. Dit is in het originele ontwerp uitgevoerd met port- landcement type CEM I 52,5 R. De milieu- impact hiervan is gelijk aan 805.000 kg CO?. Wanneer deze hoeveelheid beton wordt uit- gevoerd met traag beton met 30% klinker, wordt deze milieu-impact gereduceerd tot 257.000 kg CO? (figuur 12). Samenvattend Er zijn mogelijkheden in het ontwerp en de uitvoering van betonconstructies waarmee kan worden bijgedragen aan de verminde- ring van de milieu-impact van beton. De CO?-footprint van beton kan bij constructies waar de durability minder kwetsbaar is wor- den verminderd door klinker te vervangen door andere grondstoffen, zoals hoogoven- slak. Dit resulteert in beton met een lagere sterkte in vroege stadia, maar een langduri - gere sterkteontwikkeling. De constructieve haalbaarheid van traag beton kan worden vergroot door optimaler gebruik te maken van de capaciteit van het beton. In plaats van ontwerpen op enkel één gegeven sterkte, vaak gebaseerd op de 28-daagse sterkte, is het voordelig om gebruik te maken van de doorgaande sterkteontwikkeling van beton, zoals beschreven in CUR-Aanbeveling 122, en deze te relateren aan de spanningsop- bouw tijdens het constructieproces. Nauwe samenwerking tussen betontechnoloog, constructeur en uitvoerende partij is vereist om de milieubelasting van de cementindus- trie te reduceren. LITERATUUR 1?Andrew, R. M. (2017). Global CO2 emissions from cement production. Earth System Science Data, 10(4), p. 2213?2239. 2?Het betonplatform (2014). Duurzaam beton - trending topics. 3?Kramer, W. (2014). Trends in betonmortel. Betoniek Vakblad 2014/3, p. 18?21. 11 Relatie tussen tijdstip van ontkisten en mate van bijkomende doorbuiging 12 CO 2-reductie door toepassing van traag beton in de Romertoren 11 12 62? CEMENT 2 2020