Geopolymeerbeton EEN HYPE OF DETOEKOMST? D e term 'geopolymeren' is een gangbare aanduiding voor alkalisch geactiveerde bindmiddelen. Materialen zoals poe- derkoolvliegas en hoogovenslak worden hier- bij niet, zoals gebruikelijk, geactiveerd met portlandcementklinker maar met een sterke base. Bij grondsto en die hoofdzakelijk sili- cium bevatten, zoals poederkoolvliegas, kan er hierbij een min of meer polymeerachtige struc- tuur ontstaan. Bij materialen die ook veel cal- cium bevatten, zoals hoogovenslak, ontstaat er net als bij regulier cement hoofdzakelijk een CSH-gel. De verhouding calcium/silicium in de CSH-gel van 'geopolymeer '-beton wijkt wel sterk af van die in regulier beton. In alkalisch geactiveerde slak is de verhouding calcium/ silicium circa 1, terwijl de verhouding bij regu- liere cementsteen circa 1,5 tot 1,8 bedraagt. Het bindmiddel bestaat bij geopolymeerbeton meestal uit ? ook voor regulier cement geschikte ? grondsto en zoals hoogovenslak en poederkoolvliegas en een alkalische activa- tor. De activator zorgt voor een hoge pH, waar- door de slak en vliegas oplossen en kunnen gaan reageren. De meest gangbare activators zijn natriumhydroxide (NaOH, als waterige oplossing aangeduid als natronloog) en natri- umsilicaat (Na 2SiO 3, waterglas). Ook natrium- carbonaat (Na 2CO 3, soda) wordt als activator gebruikt. De zwakke base soda is in vergelij- DE FEITEN RONDOM DE MILIEUASPECTEN EN TECHNISCHE EIGENSCHAPPEN VAN GEOPOLYMEERBETON Geopolymeerbeton wordt steeds vaker gezien als dé oplossing om het CO 2-pro el van beton fors te verlagen. Naast een veel gunstiger milieu- pro el zou het technisch gelijk of beter presteren dan regulier beton. Veruit de meeste artikelen over geopolymeerbeton, meestal afkomstig van universiteiten en onderzoeksinstellingen, zijn positief over dit materiaal. Toch blijft de toepassing nog zeer beperkt en dat zou vooral komen door het ontbreken van regelgeving. Er zijn echter meer redenen waarom geopolymeerbeton niet grootschalig wordt toegepast. In dit artikel worden de milieuaspecten en eigenschappen van geopolymeer- beton besproken en kijken we naar de hindernissen voor opschaling. 1 Toepassing geopolymeerbeton in de bordesplaten voor het project busperron Badhoevedorp, foto: VolkerWessels king met waterglas en natriumhydroxide veel minder agressief (lagere pH) en milieuvrien- delijker, maar ook veel minder e ectief. In combinatie met verwarmen kan hoogovenslak er echter goed mee worden geactiveerd. Een nog zwakkere activator dan natriumcarbo- naat is natriumsulfaat. In combinatie met hoogovenslak én een klein aandeel portland- cement (5%) is de sterkteontwikkeling echter voldoende, al is het daarmee geen volledig alkalisch geactiveerd bindmiddel. Bij deze combinatie ontstaat er natriumhydroxide door de vorming van calciumhydroxide bij de hydra- tatie van de portlandcementklinker: Na 2SO 4 + Ca(OH) 2 2 NaOH + CaSO 4. De sulfaat helpt 12 VAKBL AD 2 2022 Auteur Edwin Vermeulen, Betonhuis BV 5_Geopolymeerbeton.indd 12 23-06-22 15:27 ook bij de sterkteontwikkeling door de vorming van ettringiet. Dit type bindmiddel is in de jaren vijftig in België op de markt gebracht als Pur- docement en beperkt toegepast. Onderzoek aan enkele teruggevonden bouwwerken laten overigens op een ouderdom van circa 55 jaar forse carbonatatie en als gevolg daar van cor- rosie zien [1]. Het eerste patent voor een geopolymeerbind- middel (alkalisch geactiveerde slak) werd al in 1908 afgegeven in de VS [2]. Van grootschalige toepassing kwam het echter pas in de jaren zestig in met name Rusland en Oekraïne, gedreven door een tekort aan portlandcement in de voormalige Sovjet-Unie (foto 2). De afge- lopen decennia is er wereldwijd zeer veel onderzoek gedaan naar geopolymeerbeton, vanwege de potentie het CO 2-pro el van beton fors te verlagen. De toepassing van geopoly- meerbeton blijft echter wereldwijd zeer margi- naal. GEOPOLYMEERBETON OP BASIS VAN SL AK EN/OF VLIEGAS Dat er met geopolymeren kan worden gebouwd, weten we uit er varingen in de afgelopen decen- nia. Geopolymeren kunnen ook bijdragen aan een CO 2-reductie. Voorwaarde hier voor is wel dat er geen gebruik wordt gemaakt van grond- in de voormalige Sovjet-Unie (foto 2). De afge- onderzoek gedaan naar geopolymeerbeton, -pro el van beton fors te verlagen. De toepassing van geopoly- meerbeton blijft echter wereldwijd zeer margi- GEOPOLYMEERBETON OP BASIS VAN SL AK Dat er met geopolymeren kan worden gebouwd, weten we uit er varingen in de afgelopen decen- nia. Geopolymeren kunnen ook bijdragen aan -reductie. Voorwaarde hier voor is wel dat er geen gebruik wordt gemaakt van grond- 2 Appartementencomplex uit 1994 van 24 verdiepingen gebouwd met alkalisch geactiveerde slak in Lipetsk, Rusland [8], bron: Google Streetview, juli 2015 13 VAKBL AD 2 2022 BV 5_Geopolymeerbeton.indd 13 23-06-22 15:27 stoen die nu al volledig worden toegepast in de cement- en betonindustrie, zoals hoogovenslak en poederkoolvliegas. Hoogovenslak en poederkoolvliegas zijn schaarse grondstoen die in Europa (en hoog- ovenslak ook wereldwijd) al vrijwel volledig worden toegepast in cement en beton, en daarbij portlandcementklinker al sinds vele decennia gedeeltelijk ver vangen. Het toepas- sen van hoge gehalten aan slak of vliegas in geopolymeerbeton maar ook bijvoorbeeld in de vorm van een hoogovencement CEM III/C, levert dus geen milieuwinst op. Er is alleen sprake van een verschuiving van grondstoen (g. 3). Op projectniveau kan geopolymeerbe - ton een lage MKI opleveren, maar gemiddeld zal de MKI op landelijke schaal dus niet dalen en daarmee ook niet de CO 2-emissie. Natuur - lijk kunnen we door een toenemende vraag meer slak en vliegas importeren uit de omrin- gende landen dan nu al het geval is. In Neder - land kan de gemiddelde MKI dan dalen, maar uiteraard zal de gemiddelde MKI van beton in de omringende landen dan stijgen, want ook daar worden slak en vliegas al nagenoeg volle - dig toegepast in beton. Door het toegenomen transport neemt de totale CO 2-emissie dan zelfs toe. Ook de activators resulteren in extra CO 2-emissie. Daar komt nog bij dat portland- cementklinker een eectievere activator is dan sterke basen: om dezelfde sterkte te bereiken, is in de regel meer slak nodig in geopolymeer - beton dan hoogovencement in regulier beton. Geopolymeren kunnen dus alleen een bijdrage leveren aan het beperken van de CO 2-emissie als er gebruik wordt gemaakt van materialen die we nu nog niet toepassen in beton. Dat kan een kunstmatig ver vaardigde slak zijn, maar ook andere secundaire materiaalstromen dan poederkoolvliegas en hoogovenslak. In het geval van alternatieve secundaire materiaal- stromen zijn de beschikbare volumes meestal helaas beperkt. Gecalcineerde klei kan wel onbeperkt worden geproduceerd en als grond- stof voor geopolymeerbeton worden gebruikt. Het is wel zeer de vraag of er dan nog milieu- winst wordt bereikt ten opzichte van een regu- lier cement met een laag CO 2-proel. BESCHIKBA ARHEID GRONDSTOFFEN Er kan grofweg worden gesteld dat de eecti- viteit van een grondstof in geopolymeerbeton vergelijkbaar is met de eectiviteit in combina- tie met portlandcementklinker. In cement kan met gegranuleerde hoogovenslak het grootste aandeel portlandcementklinker worden ver - vangen en ook voor geopolymeerbeton is hoogovenslak het meest geschikt. Met een hoog aandeel hoogovenslak kan geopoly - meerbeton worden gemaakt dat ook zonder verwarmen een goede sterkteontwikkeling heeft. Met minder reactieve materialen, zoals poederkoolvliegas, gemalen baksteen, tras of gecalcineerde klei, zijn zeer hoge doseringen sterke activator en/of verwarmen noodzake - lijk. Zoals eerder aangegeven levert het gebruik van gegranuleerde hoogovenslak en poeder - koolvliegas in geopolymeerbeton (geen mili- euwinst maar) milieuverlies op, maar het volume van deze bijproducten is ook relatief beperkt. Bij elkaar vormen ze circa 13% van de wereldwijde cementproductie [3]. Er zijn andere rest- en afvalstromen die geschikt zijn voor het maken van geopolymeerbeton en die nog niet worden toegepast in cement en beton, maar de volumes hier van zijn beperkt en aan- zienlijk minder dan de hoeveelheid hoog- Nederlands beton zonder geopolymeren: slak vliegas portlandcement 7 miljoen m 3 regulier beton op basis van portlandcement 7 miljoen m 3 geopolymeerbeton op basis van slak, vliegas én activators extra: activators activators 14 miljoen m 3 regulier beton op basis van een mix van verschillende cementsoorten en vulstoen (gemiddeld 50% klinker, 40% slak en 10% vliegas) Nederlands beton met volledige toepassing van slak en vliegas in geopolymeerbeton: 3 Geopolymeerbeton op basis van grondstoen die al volledig worden toegepast in de cement- en betonindustrie leveren geen milieuwinst op. De milieukosten nemen zelfs toe door de toevoeging van activators aan de betonketen Hoogovenslak en poederkoolvliegas zijn schaarse grondstoen die wereldwijd al vrijwel volledig worden toegepast in cement en beton en daarbij portlandcementklinker al sinds vele decennia gedeeltelijk vervangen 14 VAKBL AD 2 2022 BV 5_Geopolymeerbeton.indd 14 23-06-22 15:27 ovenslak en vliegas. Zo komt er in België een relatief grote hoeveelheid koperslak vrij die geschikt lijkt voor de productie van geopoly- meerbeton. Het gaat echter om minder dan 200.000 ton per jaar, terwijl er in België circa 6,5 miljoen ton cement per jaar wordt gebruikt. Klei is wel ruim beschikbaar en kan door calci- neren (verhitten tussen circa 700 en 800 °C) geschikt worden gemaakt voor toepassing in zowel cement als in geopolymeerbeton. Het gaat vooral om de kleisoort kaolien (Chinese klei) die rijk is aan het mineraal kaoliniet (Al 2O3·2SiO 2·2H 2O). Door verhitten wordt de aluminiumsilicaat omgezet in metakaolien: het kristalwater wordt eruit gestookt en er ont - staat een complexe min of meer amorfe struc - tuur, waarmee het puzzolane eigenschappen krijgt. Vooral door de energie die nodig is voor het verhitten, heeft gecalcineerde klei in ver - gelijking met hoogovenslak en poederkool- vliegas wel een hoog CO 2-proel (270 - 423 kg CO 2 per ton [3][4]). Hierdoor wordt er in com- binatie met activators weinig of geen milieu- winst bereikt in vergelijking met regulier beton op basis van cement met een laag CO 2-proel. Ook tras is ruim beschikbaar en hoeft niet te worden verhit, maar net als bij gecalcineerde klei is er een zeer hoge dosering sterke activa- tor nodig om een acceptabele sterkteontwik - keling te bereiken. Vermoedelijk nog problematischer voor het opschalen van geopolymeerbeton is de beperkte beschikbaarheid van activators. De productie van NaOH (natronloog), de belang- rijkste en meest eectieve activator, bedraagt circa 60 miljoen ton per jaar via elektrolyse van een natriumchlorideoplossing, waarbij chloor - gas vrijkomt (foto 4). De markt voor chloor (Cl 2) is beperkt, waardoor opschaling van de productie van NaOH niet eenvoudig is [5]. Bovendien is nu al de vraag naar NaOH vanuit andere toepassingen groter dan de productie. NaOH wordt onder andere gebruikt voor de productie van papier en voor tal van chemische processen. De beperkte beschikbaarheid belemmert dan ook de opschaling van geopo- lymeerbeton [3]. De wereldwijde productie van natriumsilicaat (waterglas), een activator die vaak in combi- natie met NaOH wordt gebruikt, bedraagt min- der dan 10 miljoen ton per jaar, waarmee hoog- uit 50 miljoen ton bindmiddel kan worden gemaakt [6]. Dat komt grofweg overeen met 1% van het totale wereldwijde cementvolume. Maar ook waterglas kent tal van andere toe - passingen, waardoor de huidige productie maar beperkt voor geopolymeerbeton kan worden aangewend. De productie van de zwakke base natriumcar - bonaat bedraagt circa 50 miljoen ton, door del- ving en vooral door een chemische reactie tus -sen kalksteen en natriumchloride [7]. Grofweg de helft hier van wordt gebruikt voor de pro- ductie van glas. De productie van natriumcar - bonaat zou wel kunnen worden opgevoerd (en in de VS zijn grote voorraden), maar deze acti- vator is niet erg geschikt voor activatie van ruim beschikbare grondstoen zoals (gecalci- neerde) klei en tras. EIGENSCHAPPEN De eigenschappen van geopolymeerbeton zijn sterk afhankelijk van de gekozen combinatie van vulstof(fen) met bindmiddelfunctie (poe - ders) en activator(s), terwijl ook geringe vari- aties in de samenstelling van de poeder(s) meer invloed hebben op de eigenschappen dan bij toepassing in regulier cement en beton. Er zijn echter wel enkele algemene uitspraken te doen die voor de meeste varianten van geopo- lymeerbeton gelden. Constructieve eigenschappen Geopolymeerbeton heeft in vergelijking met regulier beton (althans, zolang het nog niet gecarbonateerd is) bij gelijke druksterkte een hogere treksterkte. Dat is gunstig voor onge - wapend beton. Bij gewapend beton is de hogere treksterkte in de regel ongunstig: om de scheurwijdte beperkt te houden en het risico op brosse breuk te voorkomen, is er vaak meer wapening nodig dan bij regulier beton. Geopolymeerbeton vertoont meestal fors meer krimp dan regulier beton. Tweemaal zo veel krimp is gebruikelijk, al zijn er ook onderzoeken en geopolymeer varianten die weinig verschil laten zien. Geopolymeerbeton vertoont ook meer kruip dan regulier beton [8]. Dat geopoly - meerbeton in de regel, in vergelijking met regu- lier beton, meer krimpt en meer kruipt is uit con- structief oogpunt meestal ongunstig. Aantastingsmechanismen Ten aanzien van diverse aantastingsmechanis - men, zoals vorst-dooiwisselingen en indrin- ging van chloriden, lijkt geopolymeerbeton goed te presteren. De onderzoeken zijn echter vrijwel zonder uitzondering verricht aan jong geopolymeerbeton. De weerstand tegen deze aantastingsmechanismen gaat echter sterk achteruit door carbonatatie, terwijl de weer - stand tegen carbonatatie juist geen sterk aspect is van geopolymeerbeton. Bij carbona- tatie van geopolymeerbeton, in ieder geval bij alkalisch geactiveerde slak, wordt direct de 4 Natriumhydroxide pellets, bron: Wikimedia Commons 15 VAKBL AD 2 2022 BV 5_Geopolymeerbeton.indd 15 23-06-22 15:27 CSH-gel aangetast [9]. Hierbij ontstaat naast calciumcarbonaat een soort silicagel die poreuzer en zwakker is dan de oorspronkelijke CSH-gel. Hierdoor wordt bij geopolymeerbe- ton de cementsteen niet zoals bij portlandce- ment harder en dichter door carbonatatie, maar juist zachter en poreuzer. Dat heeft een negatief e ect op de dichtheid en daarmee de weerstand tegen onder andere indringing van chloriden en het verlaagt ook sterk de weer- stand tegen vorst-dooiwisselingen (foto 5). Ook bij geopolymeerbeton op basis van vliegas (en daarmee vermoedelijk ook andere puzzola- nen, zoals gecalcineerde klei en tras vanwege het lage gehalte aan CaO) neemt door carbona- tatie de porositeit toe en de weerstand tegen diverse aantastingsmechanismen af [10]. Geopolymeerbeton presteert hierdoor in de praktijk veel slechter dan op basis van labora- toriumonderzoek aan jong (niet gecarbona- teerd) beton mag worden verwacht. Overigens blijkt ook laboratoriumonderzoek aan in het laboratorium gecarbonateerd beton niet representatief voor de praktijk, doordat de praktijkomstandigheden (wisselend nat/ droog) niet in het laboratorium worden gesi- muleerd [10]. De veelgehoorde stelling dat de eigenschappen van geopolymeerbeton in algemene zin gelijk of beter zijn dan die van regulier beton is onjuist Er is geen twijfel dat met geopolymeerbeton kan worden gebouwd. Maar de veelgehoorde stelling dat de eigenschappen van geopoly- meerbeton in algemene zin gelijk of beter zijn dan die van regulier beton is onjuist. CIRCUL ARITEIT In de recente CROW-CUR richtlijn 2 Beoorde- lingssystematiek grondsto en op geschiktheid voor circulair beton is een criterium voor het alkaligehalte van betongranulaat opgenomen van maximaal 0,4% m/m. Dit criterium is opge- nomen om te voorkomen dat er ASR ontstaat in nieuw beton met betongranulaat. Geopoly- meerbeton zal in de regel niet aan dit criterium voldoen. Geopolymeerbeton moet dus bij recy- cling opnieuw worden toegepast in geopoly-meerbeton of er zal moeten worden aange- toond dat er bij toepassing in regulier beton geen verhoogd risico is op ASR. Dat is echter niet eenvoudig. Het gehalte aan alkaliën is in geopolymeerbeton dermate hoog dat bij her- gebruik in de vorm van traditioneel betongra- nulaat de zogeheten cementparagraaf van CROW-CUR Aanbeveling 89 niet kan worden gebruikt, omdat de 'alkalibijdrage overige bestanddelen' al bij toepassing van 30% betongranulaat te hoog zal zijn. Zelfs bij toe- passing van een hoogovencement CEM III/B is ASR dan dus niet uit te sluiten. Bij slim breken zullen de alkaliën vooral in de cementsteen- fractie terechtkomen. Het slim gebroken grind is dan wel te hergebruiken, maar hergebruik van de cementsteenfractie in regulier beton wordt dan problematisch. Geopolymeerbeton apart recyclen en herge- bruiken in nieuw geopolymeerbeton is in de praktijk niet eenvoudig te organiseren en er is niet aangetoond dat er geen verhoogd risico is op ASR bij hergebruik. Geopolymeerbeton kan daarom vooralsnog niet als circulair worden beschouwd. BIJDR AGE A AN VERDERE VERDUURZAMING BEPERK T Duidelijk is dat, door de beperkte beschikbaar- heid van grondsto en en activators, de pro- ductie van geopolymeerbeton niet zodanig kan worden opgeschaald dat het een belangrijk deel van op regulier cement gebaseerd beton kan ver vangen. Daarnaast zijn voor de meeste toepassingen ook de eigenschappen van geo- polymeerbeton inferieur aan die van regulier beton. Verder kan geopolymeerbeton voorals- nog niet als circulair worden beschouwd. Het is natuurlijk goed om reststromen die niet al in cement en beton worden toegepast, zoals koperslak, te gebruiken voor geopolymeerbe- ton, wanneer deze toepassing de meeste mili- euwinst oplevert. Daarnaast kan geopoly- meerbeton worden gebruikt vanwege speci eke eigenschappen zoals zuurbesten- digheid. Maar de potentiële bijdrage van geo- polymeren aan de verdere verduurzaming van beton is beperkt. Literatuur1 Duurzaamheid van beton met alkali-geactiveerde slak uit de jaren 50 ? Het Purdocement, Maarten Vanooteghem, Master thesis Universiteit Gent, 2011. 2 US Patent 900,939, Slag cement and process of making the same, 1908. 3 Ontwikkelingen betre ende hoofdbestanddelen voor klinkergebaseerde cementen en geopolymeren, SGS INTRON B.V., mei 2021. 4 Clay calcination technology: state-of-the-art review by the RILEM TC 282-CCL, Materials and Structures (2022) 55:3. 5 One-part alkali-activated materials: A review, Tero Luukkonena, Zahra Abdollahnejada, Juho Yliniemia, Paivo Kinnunena,b, Mirja Illikainena, Cement and Concrete Research 103 (2018) 21-34. 6 Eco-e cient cements: Potential, economically viable solutions for a low-CO 2, cement-based materials industr y, Karen L. Scrivener, Vanderley M. John, Ellis M. Gartner, United Nations Environment Programme, Paris 2016. 7 The Essential Chemical Industr y ? online https://www.essentialchemicalindustr y.org/ chemicals/sodium-carbonate.html 8 Alkali-Activated Cements and Concretes, Caijun Shi, Pavel V. Krivenko, Della Roy, Taylor & Francis, USA, 2006. 9 Carbonation process of alkali-activated slag mortars, F. Puertas, M. Palacios, T. Vazquez, Eduardo Torroja Institute (C.S.I.C), Madrid, 2005. 10 Field and Laborator y Investigation of the Durability Performance of Geopolymer Concrete, Kirubajiny Pasupathy, thesis, Swinburne University of Technology, Melbourne, Australia, 2018. 5 Veel etspaden van geopolymeerbeton vertonen al binnen enkele jaren forse scaling, etspad Deventer ? Holten langs N344 ter hoogte van Oude Molen, aanleg in 2020, foto uit 2021. 16 VAKBL AD 2 2022 BV 5_Geopolymeerbeton.indd 16 23-06-22 15:27