Slim breken sluit materiaalkringloop4201374De TU Eindhoven onderzocht de geschiktheid van het, met dezenieuwe breektechniek verkregen, gebroken materiaal voor herge-bruik zonder kwaliteitsverlies. Dat geldt zowel voor de toeslagma-terialen als voor de cementsteen. Door recycling kan cementsteenopnieuw een bindmiddelfunctie vervullen in beton.In dit artikel wordt een beschrijving gegeven van de verkregenfracties gerecycled beton en wordt de analytische controle vanhet materiaal uitgelegd. Vervolgens worden de druksterkte-resultaten gepresenteerd bij gebruik van het gerecyclede mate-riaal als bindmiddel, voor de activering van hoogovenslak of alszandvervanging.Breken en zevenHet breken van de betonproefstukken werd uitgevoerd na91 dagen verharding. Voor dit doel is een kaakbreker gebruikt.Het eenmalig gebroken materiaal ? verder RC-1 genoemd ?werd in 12 fracties drooggezeefd om de korrelgrootteverdelingte bepalen. De kleinste fractie is minder dan 150 ?m en degrootste tussen 16 en 32 mm.Daarna werd het materiaal teruggebracht naar de breker. Voorhet verkrijgen van een optimaal resultaat is het materiaal intotaal tienmaal door de breker gehaald. Het zo verkregen mate-riaal, verder RC-2 genoemd, is daarna opnieuw gezeefd enverdeeld in dezelfde 12 fracties.Slim brekensluit materiaalkringloopRecycling van bouw- en sloopafval (BSA)is een actueel en belangrijk thema inbetononderzoek. Op Europees niveau isde jaarlijks geproduceerde hoeveelheidbouw- en sloopafval ? op agrarisch afvalna ? de grootste afvalstroom.Betongranulaat wordt hoofdzakelijkgebruikt als ongebonden funderings-materiaal in de wegenbouw. Een nieuwebreektechniek, genaamd smart crushing,opent de weg naar hoogwaardigerhergebruik.Onderzoek naar toepassing nieuwe breektechniek: smart crushingSlim breken sluit materiaalkringloop 42013 75Tot slot is de nieuwe breker gebruikt, de Smart Crusher SC1.Deze innovatieve machine combineert malen en breken. Detechniek is wereldwijd gepatenteerd. Conventionele brekershebben als doel een bepaalde korrelgrootte te bereiken. DeSmart Crusher echter heeft als doel beton te scheiden in zijnsamenstellende materialen zand, grind en cement, met zo minmogelijk beschadiging van het granulaat. Daartoe wordt debreekkracht aangepast aan de korrelsterkte ?n aan de druk-sterkte van de cementsteen van het sloopbeton.Gezien de beperkte grootte van het prototype Smart Crusher ishet sloopbeton in eerste instantie v??rgebroken door de kaak-breker. Het verkleinde materiaal is vervolgens door de SmartCrusher gehaald. Betonbrokjes groter dan 2 mm zijn opgevan-gen en opnieuw toegevoegd.Het aldus verkregen materiaal ? verder RC-3 genoemd ? isgezeefd in 13 fracties, de 12 oorspronkelijke plus een nogfijnere fractie 0-63 ?m.1ir. Miruna Florea,prof.dr.ir. Jos BrouwersTU Eindhoven, fac. Bouwkunde,unit Building Physics and Services1 De smart crushing techniek opent de weg naar hoogwaardig hergebruikGebruikte afkortingenRC1 Eenmalig gebroken beton door middel vaneen kaakbrekerRC2 Tienmaal gebroken beton door middel vaneen kaakbrekerRC3 V??rgebroken beton dat vervolgens isgebroken door de Smart CrusherTGA/DSCmethode Thermogravimetrie (TGA) en Differenti?leScanning Calorimetrie (DSC)XRFtest R?ntgenfluorescentiespectrometrie (methode om chemische samenstelling te bepalen)XRDtest R?ntgendiffractie (methode om fasesamenstelling van mineralen vast te stellen)RCF Recycled Concrete FinesRCF500 Recycled Concrete Fines, thermischbewerkt tot piektemperaturen van 500 ?CRCF800 Recycled Concrete Fines, thermischbewerkt tot piektemperaturen van 800 ?CPKVA PoederkoolvliegasOPC Ordinary PortlandcementRCS Recycled Concrete SandSP SuperplastificeerderDe korrelgrootteverdelingen van zowel de oorspronkelijkebetonsamenstelling als van RC-1, RC-2 en RC-3 zijn weergege-ven in figuur 2. Zo kan worden vastgesteld dat de korrelverde-ling van RC-3 dicht bij die van het oorspronkelijke mengselligt, in het bijzonder geldt dat voor het gebied groter dan0,5 mm. Dit geeft aan dat de Smart Crusher inderdaad detoeslagmaterialen kan scheiden van de cementsteenmatrix.Thermische analyseMet thermografische analyse en differenti?le scanning calori-metrie (TGA/DSC) is de kwaliteit vastgelegd van de uiteinde-lijk verkregen fracties.Kwaliteitscriterium is het gehalte aan -kwarts. Dit is namelijkeen betrouwbare indicatie van de mate van beschadiging vanzand en grindkorrels. Zand en grind bestaan immers voorna-melijk uit siliciumdioxide in de vorm van -kwarts. In defijnste fracties moet het gevonden -kwartsgehalte minimaalzijn, in de grove fracties maximaal.De hoeveelheid -kwarts is in de test gerelateerd aan het doorDSC gevonden piekgebied dat zich bevindt tussen 560 en575 ?C. Dit gebied is bepaald met zand en granulaat dat wordttoegepast in nieuw beton. Als controle is een XRF-test uitge-voerd om te bepalen uit hoeveel SiO2het zand en granulaatbestaat en een XRD-test om te bevestigen dat de gevonden SiO2daadwerkelijk uit -kwarts bestaat. Uit deze tests is geblekendat zowel voor zand als granulaat 97-98% van de compositie isgerelateerd aan SiO2in de vorm van -kwarts en dat hetSlim breken sluit materiaalkringloop42013761008060402000,001 0,01 0,1 1 10doorval[%massa]korrelgrootte [mm]RC-1RC-2RC-3oorspronkelijke betonsamenstelling80706050massa[%]4030201000,06 0,13 0,20 0,25 0,30 0,50 1,00 2,00 4,00 5,60 8,00 11,2016,0022,40korrelgrootte [mm]RC-1RC-2RC-32 Korrelverdeling van de drie materialen, in logaritmische schaal,de rode stippellijn geeft de verwachte korrelverdelingwanneer er geen materiaalverlies zou zijnBij RC-3 blijken deeltjes kleiner dan 63 ?m het laagste-kwartsgehalte te hebben, namelijk 26% bij alle geanalyseerdemonsters. De RC-3 fractie met het hoogste -kwartsgehalte isdie tussen 5,6-8 mm, met 85,3% -kwarts. De maximale korrel-grootte in het mengsel was 8 mm. De fracties gebroken betongroter dan 8 mm bevatten dan ook nog een niet te verwaarlo-zen hoeveelheid cementsteen.BindmiddelfunctieMortelonderzoek is uitgevoerd met een uitgezeefd deel van hetRC-3 materiaal, namelijk de fractie kleiner dan 150 ?m, over-eenkomend met de deeltjesgrootte van cement. Dit materiaalwordt verder RCF genoemd (Recycled Concrete Fines). Infor-matie over productie en eigenschappen van RCF kan wordengevonden in [2].Voor dit onderzoek is het RCF-materiaal thermisch bewerkt,tot piektemperaturen van 500 respectievelijk 800 ?C. Hetverkregen materiaal wordt verder aangeduid als RCF-500 enRCF-800. Bij deze temperaturen worden belangrijke effectenwaargenomen, namelijk de ontleding van Ca(OH)2bij 500 envan CaCO3bij 800 ?C. Beide reacties produceren CaO enmaken kleine hoeveelheden water respectievelijk CO2vrij.verschil tussen de XRF- en DSC-waarden verwaarloosbaarklein is. Zo is vastgesteld dat de TGA/DSC-methode dus eengoede manier is om snel en effectief de kwaliteit van het gere-cyclede beton te bepalen.Tot slot is een calibratiecurve gemaakt bestaande uit hetpercentage -kwarts van 0 tot 100% en het daarbij behorendepiekgebied. Vervolgens zijn voor alle fracties de gevonden piek-gebieden omgerekend naar het -kwartsgehalte (fig. 3).Resultaten thermische analyseBij RC-1 is een constante toename van -kwartsgehalte in oplo-pende korrelgrootte waarneembaar. Korrels boven 8 mmhebben een -kwartsgehalte hoger dan 80%. Het laagst geregis-treerde -kwartsgehalte ligt op 40% (RC-1 0-150 ?m).Voor RC-2 ligt het -kwartsgehalte van korrels groter dan1 mm vrijwel constant op ongeveer 80%. De kleinste fractie(0-150 ?m) heeft een -kwartsgehalte van 33%, ruim lager danbij de RC-1 fractie.2343 Cementsteengehalte van de gezeefdefracties RC-1, RC-2 en RC-34 Prototype van de Smart CrusherSlim breken sluit materiaalkringloop 42013 7760504030201000% 10% 20% 30%druksterkte[MPa]cementvervaning [%]353020251510500% 10% 20% 30%referentie CEM I 42.5Nonbehandeld RCFRCF-800vliegasRCF-500referentie CEM I 42.5Nonbehandeld RCFRCF-800vliegasRCF-500druksterkte[MPa]cementvervaning [%]10152025303540507 dagen 28 dagendruksterkte[MPa]uithardingstijd20304050601003 dagen 7 dagen 28 dagendruksterkte[MPa]uithardingstijdreferentieonbehandeld RCFRCF-500RCF-800referentieRCS60504030201000% 10% 20% 30%druksterkte[MPa]cementvervaning [%]353020251510500% 10% 20% 30%referentie CEM I 42.5Nonbehandeld RCFRCF-800vliegasRCF-500referentie CEM I 42.5Nonbehandeld RCFRCF-800vliegasRCF-500druksterkte[MPa]cementvervaning [%]10152025303540507 dagen 28 dagendruksterkte[MPa]uithardingstijd20304050601003 dagen 7 dagen 28 dagendruksterkte[MPa]uithardingstijdreferentieonbehandeld RCFRCF-500RCF-800referentieRCSAls referentie is een mengsel gebruik van 70% hoogovenslak en30% portlandcement (CEM I 42,5N).RCF, zowel onbehandeld als thermisch behandeld, is ingezetom 33% van het portlandcement (OPC) te vervangen (dus demonsters met een samenstelling van 70% slak, 20% OPC en10% RCF). De aangehouden water-bindmiddelratio is 0,5.Figuur 6 toont de sterkteontwikkeling van de diverse meng-cementen. Daaruit blijkt dat toepassing van het onbehandeldeRCF (zonder CaO) een negatief effect heeft. RCF-500 enRCF-800 hebben een positief effect, dankzij de aanwezigheidvan vrije kalk ontstaan door de thermische behandeling.Vervanging van betonzandEen deel van het onderzoek is gedaan op gerecycled betonzand,verkregen uit de Smart Crusher en wordt hier verder RCS (Recy-cled Concrete Sand) genoemd. RCS is gebruikt om 100% van hetnormzand te vervangen. Normzand is gebruikt als referentie. Omde hoge waterabsorptie van RCS te compenseren, is 1% (tenopzichte van de cementmassa) superplastificeerder (SP) toege-voegd om de verwerkbaarheid van de RCS-mortels te vergroten.De doelstelling van het mortelonderzoek was het vaststellen inwelke mate de gemalen cementsteen, verkregen met de smartcrushing techniek, een bindmiddelfunctie kan vervullen.Uitgangspunt was de standaardmortel volgens EN 196-1.Hierin is het portlandcement gedeeltelijk vervangen door dedrie RCF-varianten, namelijk onbehandeld (RCF), behandeldbij 500 ?C (RCF-500) en behandeld bij 800 ?C (RCF-800). Devervangingspercentages bedragen 10%, 20% en 30%.Ter vergelijking is ook poederkoolvliegas (verder genoemdPKVA) gebruikt om dezelfde hoeveelheid cement te vervan-gen. Na 7 en 28 dagen verharding zijn de buigtreksterkte endruksterkte gemeten. Figuur 5 toont de druksterkteontwik-keling van alle mortels. In alle drie geteste vervangingsper-centages heeft RCF-800 een vergelijkbare sterkte als vliegas,na 28 dagen verharding.MengcementIn mengcementen wordt portlandcement gebruikt om latenthydraulische materialen te activeren. Onderzocht is in hoeverreRCF het portlandcement in mengcementen kan vervangen.5a 65b 75 Resultaten mortelonderzoek: druksterkte na 7 (a) en 28 (b) dagen, voor mortelsmet gedeeltelijke vervanging van cement door RCF6 Sterkteontwikkeling van de mengcementen, gemeten na 7 en 28 dagenverharding7 Sterkteontwikkeling bij vervanging van normzand door RCSSlim breken sluit materiaalkringloop42013788 De Smart Crusher in wording4 Thermisch behandelde, fijne fracties uit de Smart Crusher(zowel de tot 500 ?C als de tot 800 ?C behandelde materialen)kunnen bijdragen aan de activering van latent hydraulischehoogovenslak.5 De onderzochte fijne fracties uit de Smart Crusher bevattennog circa 30% -kwarts. Verdere vermindering van het silica-gehalte kan leiden tot betere prestaties van het gerecycledemateriaal.6 De fijnste fracties uit de Smart Crusher kunnen gebruiktworden als vulstof met een bindmiddelfunctie, met een reac-tiviteit vergelijkbaar met commerci?le vliegas.7 Een andere optie is deze fracties terug te brengen naar decementoven als CO2-vrije grondstof. Literatuur1 Schenk, Koos, Patent No. WO 2011/142663, 2011.2 Ning, Zuokai, Thermal Treatment of Recycled Concrete Fines, MasterThesis, Eindhoven University of Technology 2012.Figuur 7 toont de sterkteontwikkeling van mortels waarinnormzand is vervangen door zand uit de Smart Crusher. Vast-gesteld is dat RCS een positief effect heeft op zowel de buig-treksterkte als de druksterkte. Deze invloed is vooral te ziengedurende de eerste dagen van de verharding.Samenvatting en conclusiesDe smart crushing techniek blijkt het sloopbeton veel beter tescheiden in de oorspronkelijke componenten dan de conventi-onele breker. De fijne fracties uit de Smart Crusher bezittenminder kwarts dan conventionele brekers en zijn daaromgeschikter voor hergebruik dan het materiaal uit conventionelebrekers.1 In de fijne fracties uit de Smart Crusher is de hoeveelheid-kwarts (afkomstig uit zand en grind) aanzienlijk lager ende hoeveelheid cementsteen veel hoger (tot 50%) dan die inde fracties uit de conventionele breker.2 De terugwinning van cementsteen is met de Smart Crusherruim zeven keer beter.3 Morteltesten laten zien dat de fijne fracties uit de SmartCrusher (zowel thermisch behandelde als de onbehandelde)een bindmiddelcapaciteit hebben. Tot 20% cementvervangingkunnen de mechanische eigenschappen van het eindproductworden behouden.Slim breken en duurzaam bouwen met betonHet artikel`Slim breken sluit materiaalkringloop'van ir. MirunaFlorea en prof.dr.ir. Jos Brouwers beschrijft een uitgebreidonderzoek door de TU Eindhoven, faculteit Bouwkunde, naarde kwaliteit van gerecycled betongranulaat zoals verkregenmet de nieuwe smart crushing techniek. Het onderzoek isuitgevoerd in opdracht van de Theo Pouw Groep, Utrecht enSchenk Concrete Consultancy (SCC), Oss. De laatste is bedenkervan het Smart Crusher concept.Voorafgaand aan het onderzoek heeft SCC een kaakbreker(capaciteit 200 kg/h) gemodificeerd tot een prototype SmartCrusher. Met deze machine zijn de materialen geproduceerdten behoeve van het onderzoek bij de TU Eindhoven.De onderzoeksresultaten zijn gebruikt voor het verbeteren vande machinetechniek. Op basis daarvan is de eerste SmartCrusher 2.0 gebouwd in opdracht van recyclingbedrijf VAR bv,met een capaciteit van 40 ton/h. Deze machine zal medio 2013operationeel zijn bij VAR te Wilp. De verwachting is dat dezeinstallatie naast schoon zand en grind ook bijna zuiverecementsteen zal vrijmaken.Als deze verwachting wordt waargemaakt, kan dat een nieuwefase inluiden in de recycling en hergebruik van beton. De granulaten kunnen dan hoogwaardig worden ingezet, waardoor demateriaalkringloop kan worden gesloten. Dat zal een grotebijdrage zijn aan duurzaam bouwen met beton.redactie8