Selectief slopen van betonconstructies Ontwikkeling in-situbetonidentificatietechniek 1 Sloop viaduct van de oude A9 boven de Gaasperplas-metrolijn bij project SAA, foto: Rijkswaterstaat / Gerrit Serné 1 24? CEMENT 8 20 21 Rijkswaterstaat heeft als doel- stelling in 2030 circulair te wer- ken en wil dan 50% minder grondstoffen gebruiken. Beton speelt daarbij een belangrijke rol, immers de meeste infrastructuur in Nederland is gebouwd met beton. Het aanbod aan bouw- en sloopafval, waarvan betonafval een groot deel uitmaakt, zal alleen maar toenemen door veroudering en verslechtering van onze betoninfrastructuur. Betonpuin wordt al 100% gerecycled, maar het overgrote deel wordt gedowncycled en gebruikt als wegfun- dering. In ideaal circulair beton moet gere- cycled betonpuin hoogwaardig worden inge- zet om primaire grondstoffen grind en zand te vervangen (fig. 2). Eigenschappen betonpuin Omdat er geen sorteermethode beschikbaar is, wordt het puin van verschillende soorten beton door reyclingbedrijven gemengd. Dat kan gaan om traditioneel beton, ultra-hoge- sterktebeton, licht beton, zwaar beton, vezel- versterkt beton enz. Ook kan het beton gedurende de levensduur zijn blootgesteld aan verschillende omgevingscondities, onder wisselende omstandigheden van droog-nat, chlorides, carbonatatie, chemische aantas- ting, alkali-silicareactie (ASR) (fig. 4). Het beton met verschillende samenstellingen komt tijdens het slopen dus bij elkaar te- recht, zowel 'gezond' beton als aangetast beton. Het is zeer moeilijk, zo niet onmogelijk, om een betonconstructie te slopen met voor- kennis over herkomst en eigenschappen van alle componenten. Informatie over het ce- ment, toeslagmaterialen, vezels, coating, maar ook over eigenschappen als sterkte- klasse en wapening bij het vervaardigen van het beton is moeilijk te verkrijgen. En mocht die informatie uit het ontwerp al te achter- halen zijn, geldt dit niet voor de factoren die het beton tijdens de levensduur hebben be- i nvloed (chloride-indringing, chemische aantasting, ASR). Daardoor variëren ook de eigenschap- pen van de uit het puin verwekte granulaten [2]. Deze variaties leiden ook weer tot varia- ties in de eigenschappen van nieuwe beton- mengsels, waarbij toeslagmateriaal is ver- vangen door dat betongranulaat [3]. Dat geldt bijvoorbeeld voor de sterkte. Onder- zoekers toonden aan dat beton gemaakt met toeslagmateriaal uit gerecycled 'high-perfor- mance beton' een hogere druksterkte ont- wikkelde dan beton met toeslagmateriaal uit gerecycled beton met normale sterkte. Onder meer Lotfi toonde aan dat de kwali- teit van het originele beton een bepalende parameter is voor de uiteindelijke eigen- schappen van het betongranulaat [4]. Betonidentificatietechniek Juist omdat er de komende tijd steeds meer constructies het einde van hun levensduur bereiken en omdat de wens bestaat Momenteel wordt gerecycled beton meestal toegepast als wegfundering en daarmee 'gedowncycled'. Dat komt onder meer doordat er geen informatie beschikbaar is over de kwaliteit van het gesloopte beton. Hoogwaardig hergebruik van gerecyclede toeslagmaterialen in nieuwe betonconstructies vereist een strengere kwaliteitscontrole. Aan de TU Delft wordt nu in samenwerking met Rijkswaterstaat een methode ontwikkeld ? een niet-destructieve betonidentificatietechniek gebaseerd op chemische en ultrasone analyse ? om 'gezond' beton vóór het slopen te karakteriseren en te scheiden van 'aangetast' beton. Met die methode kan beton ook worden voorgesorteerd op sterkteklasse en kwaliteit zodat er meer garantie kan worden gegeven voor de kwaliteit van het nieuwe beton. CEMENT 8 2021 ?25 2 Primaire toeslagmaterialen (grind en zand) versus betongranulaat (grof en fijn)3 Verschillende voorbeelden van sloop van betonconstructies DR.IR. MARIJA NEDELJKOVI? Onderzoeker Rijkswaterstaat / TU Delft, fac. CiTG, Sectie Materialen en Milieu PROF.DR.IR. ERIK SCHLANGEN Hoogleraar Experimentele Micromechanica TU Delft, fac. CiTG, Sectie Materialen en Milieu DR.IR. SONJA FENNIS Technisch Adviseur Rijkswaterstaat auteurs Primair grind Grof betongranulaat Fijn betongranulaat Primair zand 2a 2c 2b 2d 3 26? CEMENT 8 20 21 4 Alle beton wordt eerst op een hoop gegooid 5 Globaal schema van projectaanpak Na het recyclen van betonelemen- ten van bekende herkomst en kwaliteit kan gerecycled materiaal wor- den opgeslagen in afzonderlijke bulkopslag REDENEN TOT SLOOP Dat constructies worden gesloopt kan verschillende redenen heb- ben. Figuur 3 toont verschillende voorbeelden. Oorzaken hiervoor waren (1) het einde van de levensduur van een brug, (2) slecht onderhoud van een brug samen met een toename van het aantal voertuigen (wat resulteerde in een catastrofale storing), (3) vervan- gen van een bestaande burgconstructie vanwege de komst van een tramlijn op de brug (het oude brugdek kon de nieuwe belas- ting van de tram niet aan) en (4) het vervangen van woningen door energiezuinige woningen. ?????Voor het merendeel van de bruggen en viaducten dat in Nederland is gesloopt geldt dat dat om functionele redenen is gedaan, bijvoorbeeld voor een betere doorstroming op het wegen- net of vanwege het aanleggen van een extra spoor. Een kleiner deel is gesloopt om technische redenen, zoals onvoldoende draag - vermogen (ontwerpbelastingen, accidentele overbelasting) [1]. ?????De reden waarom een constructie wordt gesloopt kan soms ook al iets zeggen over de kwaliteit van het beton. 4 5 CEMENT 8 2021 ?27 beton puin hoogw aardiger te hergebruiken, zou het enorm helpen als we meer weten over de kwaliteit van het originele beton. Een manier is het uitvoeren van destructief onderzoek. Maar dat is moeizaam, kost veel tijd en is duur. Daarom is dit voorjaar op de TU Delft een project gestart voor de ontwik- keling van een niet-destructieve techniek, waarmee de oorsprong en de kwaliteit vóór sloop van beton kan worden geïdentificeerd (fig. 5). Het onderzoek wordt gefinancierd door Rijkswaterstaat, SKKB en TU-Delft en in-kind bijdrages van Benelux Scientific en Proceq. Het uiteindelijke doel van dit project is onderscheid te maken tussen verschillende soorten beton, zodat het materiaal effectief kan worden afgebroken, gerecycled en een- voudig opnieuw kan worden gebruikt in nieuw beton. Een voorbeeld staat in figuur 6, waar verschillende delen van een betonnen brug worden gescheiden en beton wordt ge- i dentificeerd voordat het wordt gerecycled. De sortering gebeurt aan de hand van de belangrijkste parameters (cementtype, toe- slagmateriaal, sterkte of verontreiniging). Recyclingbedrijven krijgen zo de kans om beton te selecteren met eigenschappen die het beste passen bij hun breektechnologie en bedrijfsmodel. Na het recyclen van beton elementen van bekende herkomst en kwaliteit, kan een geavanceerde classificatie worden gemaakt en kan gerecycled mate - riaal worden opgeslagen in afzonderlijke bulkopslag. Daarbij kan bijvoorbeeld onder- scheid worden gemaakt tussen beton - gr anulaat van hogesterktebeton zonder verontreiniging, betongranulaat van normale sterktebeton zonder verontreini- ging, betongranulaat uit lichtgewicht beton zonder verontreiniging, betongranulaat uit verontreinigd beton. Deze sortering, die tot nu toe nooit wordt gedaan, kan betonproducenten helpen bij het maken van nieuw beton. Uitdagingen Het nauwkeurig en betrouwbaar testen van de belangrijkste eigenschappen en samen- stelling van in-situbeton kent diverse uitda- gingen. In-situmetingen kennen de nodige onzekerheden, onder meer door gevoelig- Om de verschillende soorten beton te classificeren, worden de sterkte en chemische samenstelling van het beton in kaart gebracht 6 Een voorbeeld van betonnen brugdelen (bovenaan) [5], hun sortering voorafgaand aan recycling en classificatie van gerecycled materiaal (onderaan) 6a 6b 28? CEMENT 8 20 21 7 Meetapparatuur heid van het meetinstrument en de invloed van de omgeving. Ook de betonsamenstel- ling is zeer heterogeen. Het ontbreekt aan experimentele be- naderingen die op niet-destructieve wijze de chemische en mechanische eigenschappen van betonconstructies kunnen bepalen. Vooral het meten van de chemische samen- stelling van beton vóór sloop is een groot knelpunt. Onderzoeksopzet In het project wordt samen met RWS onder- zocht welke eigenschappen essentieel zijn om te testen voor hoogwaardig hergebruik van beton en waar deze informatie beschikbaar moet zijn. Het fundamentele karakter van de vragen in deze studie maakt het onderzoek relevant en toepasbaar voor elke betonsamen - stelling. In het onderzoek wordt het te ont- wikkelen concept toegepast op in Nederland veelgebruikte betonsamenstellingen (tabel 1). Om de verschillende soorten beton te classi- ficeren, moeten in eerste instantie de sterkte en chemische samenstelling van het beton- oppervlak in kaart worden gebracht. Er bestaan enkele veelbelovende tests voor niet-destructieve betonkarakterisering, zoals de handheld X-ray fluorescentie (hXRF)- metingen (geleverd door BRUKER) (fig. 7). De hXRF-toepassing is een nieuwe techniek voor het chemisch identificeren en kwantifi- ceren van elementen met verschillende soorten beton en dus verschillende gebruikte cement- en toeslagmaterialen. Als de chemi- sche elementsamenstelling van het cement C. Rebound Hammer (Silver Schmidt) A. Betonoppervlak testen met hXRF B. Elementsamenstelling van betonoppervlak D.  Ultrasonics Pulse Velocity (Pundit PL200) E.  Ultrasonics Pulse Echo (Pundit PL200PE) Tabel 1?De meest gebruikte cementsoorten in Nederland [6] hoofd - soort benaming aanduiding cementsoort hoofdbestanddelen overige bestanddelen (gesommeerde gehalten)beton totaal [7] portlandklinker gegranuleerde hoogovenslakpoederkool- vliegas (totaal is som van beton- mortel en betonproducten) % I portlandcement CEM I95-100??0-5 34% II portland vliegascement CEM II/B-V 65-79?21-350-5 2,6% III hoogovencement CEM III/A 35-6436-65?0-5 10% CEM III/B 20-3466-80?0-5 52% 7 A B C D E CEMENT 8 2021 ?29 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Wei ght % Others TiO2 P2O5 S+ K2O Na2O Fe2O3 SO3 MgO Al2O3 SiO2 CaO en toeslagmateriaal is gekarakteriseerd, wordt die automatisch gekoppeld aan de juiste betonsamenstelling, door middel van een algoritme en een voor dit project ont- wikkelde database, waarin de samen- stelling van de meest gebruikte cement-, zand- en grindsoorten is opgenomen voor vergelijking (fig. 8). Naast de chemische identificatie wordt ook de betonsterkte bepaald. Dit door middel van een combinatie van ultrasone pulstesten en met de Schmidt Rebound Hammer (terugslaghamer) (geleverd door PROCEQ) (fig. 7). In het onderzoek worden de resulta- ten van deze meetmethoden gevalideerd met destructieve laboratoriummethoden (Cube press, desktop XRF, petrography, Energy-dispersive X-ray spectroscopy). Testen chemische samenstelling Bij het testen van de chemische samenstel- ling van verhard beton ligt de uitdaging in het herkennen van cementpasta, het fijne toeslagmateriaal en het grove toeslagmateri- aal. Kreijger [13] toonde aan dat de huid van een betonconstructie uit drie lagen bestaat, de cementhuid (~ 0,1 mm dik), de mortel- huid (~ 5 mm) en de betonhuid (~ 30 mm) (fig. 9). Daarom is de hypothese dat met het testen van de chemische samenstelling van het oppervlak (eerste huidlaag) het cement- type kan worden bepaald, terwijl het testen van de chemische samenstelling van interne lagen het type toeslagmateriaal oplevert. Labmonsters (pasta, mortel, beton) met be- kende samenstelling zullen worden gepro- duceerd en de resultaten worden gebruikt voor kalibratie. Vergelijking van spectra van geteste pasta-/mortel-/betonoppervlakken laat zien of cementpasta, fijne en grove toe- slagmaterialen duidelijk te onderscheiden zijn. De karakterisering van beton zal een grote hoeveelheid gegevens genereren die systematische verwerkingsalgoritmen nodig hebben voor de identificatie van beton. Voor de sterktewaarden en hXRF-spectra die in situ zijn verzameld, beschikken de instru- menten niet over interpretatiesoftware. Daarom zullen algoritmen voor de automa- tische identificatie en vergelijking van de sterktewaarden en in situ verkregen XRF- spectra worden ontwikkeld. Om deze reden zijn patroonherkenningsalgoritmen nodig om het type cement en toeslagmaterialen in beton te matchen en te detecteren op basis van database- en karakteriseringsgegevens. Vooral in het geval van betonidentificatie zijn clusteralgoritmen een belangrijk hulpmiddel voor de evaluatie van de heterogeniteit. Hier- voor is internationale samenwerking met Dr. Nikola To?i? (UPC Barcelona) opgezet. 8 Zodra de chemische elementsamen - stelling van het cement en toeslagmateriaal is gekarakteri - seerd, wordt deze automatisch door middel van een algoritme gekoppeld aan de juiste beton- samenstelling vanuit een voor dit project ontwikkelde database 8 Elementsamenstelling bepaald met X-ray fluorescentiespectometrie van de meest gebruikte cement- en zandsoorten in Nederland. Analyse is gedaan door ENCI lab in Maastricht 30? CEMENT 8 20 21 Testen betonsterkte Voor het bepalen van de betonsterkte wordt zoals gezegd gebruikgemaakt van ultrasone pulstesten in combinatie met de terugslag- hamer. EN 12504-2:2021 [8] specificeert de methode voor het bepalen van de terugslag- waarde, terwijl EN 12504-4:2021 [9] de me- thode specificeert voor het bepalen van de ultrasone pulssnelheid. EN 13791:2019 [10] vat richtlijnen samen voor de beoordeling van de in-situdruksterkte van beton in con- structies. Daarnaast wordt een aanbeveling voor niet-destructieve in-situsterktebeoor- deling van beton gegeven door RILEM TC249-ISC [11, 12]. Algemeen wordt gesteld dat het meten van terugslagwaarde niet be- doeld is als alternatief voor de druksterkte- tests, maar met een geschikte correlatie kan het een schatting geven van de sterkte ter plaatse, die voldoende kan zijn voor selectieve sloopdoeleinden. Verwachte uitkomsten Het te ontwikkelen concept biedt voor het eerst een alomvattend kader voor het selec- tief slopen van betonconstructies. De directe gebruikers van de resultaten uit dit onder- zoek zijn Rijkswaterstaat, VERAS (sloopaan- nemers), BRBS (recycling bedrijven) en Betonhuis (betonproducenten). Uiteindelijk zal het betonpuinrecyclers in staat stellen om de kwaliteit van hun producten te verbe- teren, waarna betonproducenten en Rijks- waterstaat gerecycled betongranulaat van bekende kwaliteit kunnen gebruiken in nieuwe betonconstructies. Verdere verwachte resultaten zijn: een uitgebreide database over eigenschap- pen van beton; een aanpak voor betonoorsprong- en kwa- liteitsidentificatie vóór sloop van beton; automatisch bepalen van de betonkwaliteit op basis van de algemene betoneigenschap- pen die zijn opgeslagen in de database; gestructureerde aanpak voor slim slopen, sorteren en aanbieden van betonpuin op basis van gelijkwaardige kwaliteit en bekende herkomst. Tot slot kan deze technologie ook een potentieel identificatiemiddel zijn tijdens de levensduur van infrastructurele beton - constructies om hun kwaliteit en eigen - schappen te bepalen. 9 LITERATUUR 1?RWS Grote Projecten en Onderhoud, Sloopoorzaken bruggen en viaducten in en over rijkswegen, Iv-Infra b.v. 2016. 2?Nedeljkovi?, M., Visser, J., Nijland, T. G., Valcke, S., & Schlangen, E. (2021). Physical, chemical and mineralogical characterization of Dutch fine recycled concrete aggregates: A comparative study. Construction and Building Materials, 270, 121475. 3?Akis Mylonas, MSc Thesis, Delft University of Technology (2021), Experimental investigation of concrete mixtures incorporating recycled concrete aggregates, http://resolver. tudelft.nl/uuid:e0075d76-d0c9-4425- 8214-9317303e8721 4?Lotfi, S., C2CA Concrete Recycling Process. 2016, PhD thesis, Delft University of Technology, The Netherlands. 5?Bektas, B. A., Carriquiry, A., & Smadi, O. (2013). Using classification trees for predicting national bridge inventory condition ratings. Journal of Infrastructure Systems, 19(4), 425-433. 6?https://www.betonvereniging.nl/ media/15669/1-dictaat-bba- januari-2018.pdf. 7?Klimaatimpact van betongebruik in de Nederlandse bouw, Vergelijking 1990, 2010 en 2017, CE Delft, 2020. 8?EN 12504-2 Testing concrete in structures - Part 2: Nondestructive testing Determination of rebound number. 2021. 9?EN 12504-4 Testing concrete in structures - Part 4: Determination of ultrasonic pulse velocity. 2021. 10?EN 13791 Assessment of in-situ compressive strength in structures and precast concrete components. 2019. 11?Breysse, D., Balayssac, J. P., Biondi, S., Corbett, D., Goncalves, A., Grantham, M., Luprano, V. A. M., Masi, A., Monteiro, A.V. & Sbartai, Z. M. (2019). Recommendation of RILEM TC249-ISC on non destructive in situ strength assessment of concrete. Materials and Structures, 52(4), 1-21. 12?Breysse, D., Balayssac, J. P., Alwash, M., Biondi, S., Chiauzzi, L., Corbett, D., Garnier, V., Gonçalves, A., Grantham, M., Gunes, O., Kenaï, S., Luprano, V. A. M., Masi, A., Moczko, A., Qasrawi, H.Y., Romão, X., Sbartaï, Z. M., Monteiro, A.V., & Vasanelli, E. (2021). In-Situ Strength Assessment of Concrete: Detailed Guidelines. In Non-Destructive In Situ Strength Assessment of Concrete (pp. 3-56). Springer, Cham. 13?Kreijger, P. C. (1984). The skin of concrete composition and properties. Matériaux et Construction, 17(4), 275-283. 9 Karakterisering van de betonhuid CEMENT 8 2021 ?31