Optimale korrelpakking VOOR CO 2 -ARME monolietvloeren 12 VAKBL AD 1 2024 Auteur ir. Daniel Toonen, Senior Sales Engineer ? Van Berlo, ir. Marie-Louise Peters ? Betontechnoloog R&D, Van Berlo BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 2BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 2 01-03-2024 09:5301-03-2024 09:53 Bedrijfsvloeren zijn een belangrijk toepassingsgebied van beton. Er is dus ook veel ervaring mee. Toch treden regelmatig schades op of zijn opdrachtgevers niet tevreden over het resultaat. Krimp is daarvan een belangrijke oorzaak. Beter gezegd: verhinderde krimp. Door meer aandacht te besteden aan het betonmengsel kan die krimp worden beperkt en kan ook nog eens op CO 2 worden bespaard. M et een relatief groot gebruiksopper- vlak ten opzichte van het betonvolume (circa 6 m 2 voor elke m 3) is een mono- lithisch afgewerkte betonvloer ? kortweg ook wel monolietvloer genoemd ? een van de moeilijkste en meest foutgevoelige construc -ties in de betonwereld. Waar betonspecie qua eigenschappen doorgaans een vergevingsge - zinde bandbreedte heeft, wordt bij betonvloe - ren elke onvolkomenheid aan het opper vlak vrijwel direct zichtbaar. Een ander probleem is scheur vorming door uitdrogingskrimp. In de praktijk wordt de krimp in belangrijke mate verhinderd door de ondergrond, zelfs wanneer de vloer op een folie wordt gestort. Door deze verhindering ontstaan trekspanningen in het beton. Als de treksterkte van het beton wordt overschreden, ontstaan er scheuren. Hoewel die scheur vorming kan worden beheerst door wapening in de vloer, kan ongewenste scheur - vorming in de praktijk vaak niet volledig wor - den voorkomen. ONDERZOEK Maar wat als er in het beton vrijwel geen scheuren ontstaan door uitdrogingskrimp? Ofwel, wat als het betonmengsel zodanig wordt ontworpen dat er vrijwel geen krimp optreedt? Om hier antwoord op te krijgen is zeven jaar geleden, in opdracht van Van Berlo, op de TU/e een vijfjarig promotieonderzoek gestar t. Tegelijkertijd heeft de R&D-afdeling van Van Berlo gekeken naar de mogelijkheden voor het verduurzamen van betonvloeren. Die vloeren zorgen voor een groot deel van de totale CO 2- uitstoot van de bouw van bijvoorbeeld een dis - tributiecentrum. Dit heeft geleid tot een nieuwe technologie, de zogenoemde Greymat- ter-technologie, die inmiddels in meerdere grote projecten is toegepast. Basis van deze technologie ? waarmee eind 2023 de Cobouw Innovatie Award 2023 werd gewonnen ? is een speciaal betonmengsel met een optimale kor - relpakking. KRIMP De CO 2-uitstoot van beton en krimp hebben indirect een relatie met elkaar. Daarom eerst terug naar het krimpprobleem. Er bestaan ver - schillende vormen van krimp. In monolietvloe - ren is het vaak uitdrogingskrimp die de groot - ste problemen veroorzaakt. In dit artikel gaat het om die specifieke vorm van krimp. Uitdro- gingskrimp is het gevolg van het verdampen van het niet-gebonden water in het beton via de capillaire poriën. Door dit water verlies trek - ken de poriën samen. Over het algemeen kan worden gesteld dat toeslagmaterialen zand en grind niet krimpen en dat het overgrote deel van de krimp optreedt in de aanwezige cementsteen. Meer over uitdrogingskrimp staat in Betoniek Standaard 17/06 ? Uitdro- gingskrimp. De mate waarin beton krimpt, is sterk afhanke - lijk van de samenstelling, meer specifiek van De mate waarin beton krimpt, is sterk afhankelijk van het water- en cementgehalte 1 Bovenaanzicht monolietvloer. Foto Van Berlo 13 VAKBL AD 1 2024 BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 3BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 3 01-03-2024 09:5301-03-2024 09:53 het water- en cementgehalte. Zoals uit figuur 2 blijkt, geldt hoe lager het watergehalte bij gelijkblijvend cementgehalte, hoe minder de krimp. Ook geldt: hoe lager het cementgehalte bij gelijkblijvende water-cementfactor, hoe lager de krimp. Voor de verwerkbaarheid van de betonspecie is een minimumhoeveelheid water nodig. Uit- gaande van een bepaalde water-cementfactor, nodig voor onder meer de sterkte, is daarmee ook een minimum cementgehalte nodig. Er zijn verschillende andere factoren die het cement -gehalte in het beton bepalen, zoals de milieu- klasse. Volgens NEN-EN 206 en NEN 8005 hoort bij een bepaalde milieuklasse een mini- mumhoeveelheid cement. Betonvloeren moe - ten in de meeste gevallen voldoen aan milieu- klasse XC1 (binnenmilieu). Daarbij hoort een minimumcementgehalte van 260 kg/m 3 en een maximale water-cementfactor van 0,65. Het cementgehalte in betonspecie voor mono- lietvloeren ligt over het algemeen rond 350 kg/ m 3. Als dit wordt teruggebracht naar 260 kg/m 3 kun je flinke winst boeken. Minder cement zorgt niet alleen voor een lager risico op scheur vor - ming, maar leidt ook nog tot een gunstiger CO 2- profiel. Maar hoe realiseer je een reductie van het cementgehalte van bijna 100 kg/m 3? OPTIMALE PAKKING Een van de oplossingen voor het reduceren van het cementgehalte is een optimale korrelpak - king, ofwel een optimale opbouw van het toe - slagmateriaal in het beton. Het toeslagmateri- aal neemt zo'n 70% van de betonsamenstelling in. Zoals op foto 3 is te zien, bevinden zich holle ruimten tussen het toeslagmateriaal. De maat - beker aan de linkerkant (foto 3) is gevuld met grindkorrels met een diameter tussen de 4 mm en 31,5 mm. Tussen de grindkorrels passen weer zandkorrels, die een maximale diameter hebben van 4 mm. Ook tussen de zandkorrels (maatbeker aan de rechterkant foto 3) zitten weer holle ruimten (foto 4). Als je deze holle ruimten vult met korrels kleiner dan zandkor - rels, zoals kalksteenmeel of vliegas, dan beperk je het gehalte holle ruimten verder (fig. 5). De korrelpakking is van invloed op veel rele - vante eigenschappen van zowel betonspecie als van het verharde beton. Dat geldt bijvoor - beeld voor de waterbehoefte en de verwerk - baarheid van betonspecie, maar ook voor de dichtheid en de sterkte van het verharde beton. Simpel gezegd geldt hoe minder holle ruimten in het korrelpakket, hoe minder cement je nodig hebt. Meer over korrelpakking staat in Betoniek Standaard 16/21. Pakkingsmodellen Wat de optimale korrelpakking is, is niet een- voudig vast te stellen. Dit kan op basis van tes - ten in het laboratorium, maar dat vraagt een grote inspanning. Het is efficiënter hier voor een model te gebruiken. In de eerderge - noemde promotiestudie heeft de TU/e een korrelpakkingsmodel specifiek voor monoliet - vloeren opgesteld. Het gebruik van pakkings - modellen is niet nieuw in de betonwereld. In Betoniek zijn er verschillende artikelen over geschreven (zie ook Betoniek Standaard 16/21). Voor de kenners zijn ook de ontwerp- gebieden voor toeslagmateriaal gesneden koek. Die weten dat een korrelverdeling in ont - werpgebied I minder water vraagt dan een kor - relverdeling in ontwerpgebied II. Deze ont - werpgebieden gaan echter terug tot een minimale korreldiameter van 0,063 mm. 2 Krimp is afhankelijk van de hoeveelheid water en het cementgehalte 3 Maatbekers met grind- en zandkorrels 4 Z andkorrels onder een microscoop Een van de oplossingen voor het reduceren van het cementgehalte is een optimale korrelpakking 14 VAKBL AD 1 2024 BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 4BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 4 01-03-2024 09:5301-03-2024 09:53 DE PR AK TIJK MET MONOLIET VLOEREN Na het afronden van het genoemde promotie- onderzoek heeft de R&D-afdeling van Van Ber lo de kennis verder ontwikkeld naar de Greymatter-technologie voor monolietvloe - ren. Deze technologie gaat uit van een opti- male korrelpakking. Om een optimale korrel- pakking te kunnen realiseren, worden per pr oject de beschikbare grondstoffen uitge - breid geanalyseerd. Dit betekent voor het toe - slagmateriaal dat naast de standaard zeven- set , ook de tussenzeven worden gebruikt. Ook de korrels kleiner dan 0,063 mm van de poe - ders worden meegenomen. Hiertoe wordt g ebruikgemaakt van een apparaat dat door middel van statische lichtverstrooiing de dia- meters van de korrels met een diameter van 0,01 ?m t ot en met 2 mm vastlegt (fig. 6). De optimale korrelpakking in de technologie wordt bepaald met behulp van het Andreasen & Andersen pakkingsmodel. Hierbij wordt de vol - gende formule gebruikt, die bekendstaat als de g emodificeerde Andreasen & Andersen formule: PTarget (D i) = D iq? D qmin ? D q min Dqmax Een voorbeeld van een optimale korrelverde - ling is te zien in de grafiek van figuur 7. De gekleurde lijnen zijn de verschillende korrel- verdelingen van de verschillende grondstof - fen. De zwarte lijn is de theoretisch optimale korrelverdeling. Door middel van het toepas - 5 Drie mengsels met verschillende korrelopbouw 6 Grafische weergave laserdiffractie korrelverdeling poeders (bron: 3P Instruments) 15 VAKBL AD 1 2024 BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 5BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 5 01-03-2024 09:5301-03-2024 09:53 sen van het pakkingsmodel kan worden bepaald hoeveel van elke grondstof nodig is om deze optimale korrelverdeling zo veel mogelijk te benaderen. De gestreepte zwarte lijn is de meest optimaal haalbare korrelverde- ling van de verschillende grondstoffen. In de grafiek is duidelijk te zien dat de gestreepte lijn de optimale lijn niet helemaal volgt. De afwijking van de gestreepte lijn ten opzichte van de optimale lijn kan ver volgens worden berekend door middel van de kleinste kwadratenmethode. Het berekende getal zegt iets over deze afwijking: hoe groter het getal, hoe groter de afwijking. De mate van afwijking bepaalt de waterbehoefte van het korrelpakket. Een grotere waterbehoefte zal automatisch lei- den tot meer krimp. Een alternatief is het verho- gen van de hoeveelheid plastificeerder. Nadeel hier van is dat de 'taaiheid' (ofwel: viscositeit) van het betonmengsel toeneemt en daarmee het verwerkingsproces wordt benadeeld. Bij een te grote afwijking kan besloten worden om met andere grondstoffen te gaan werken. Op deze manier wordt de geschiktheid van de grondstoffen van de verschillende betoncen- trales in kaart gebracht. RESULTA AT Door middel van het toepassen van het pak - kingsmodel wordt een basisbetonmengsel ver - kregen. Door gebruik te maken van een opti- male korrelpakking kan een recept worden gemaakt met 260 kg/m 3 cement, een kwart minder dan gebruikelijk. Zoals eerder toege - licht, wordt door de hoeveelheid cement te reduceren de gevoeligheid voor uitdrogings - krimp beperkt. Dit wordt bevestigd door het jarenlang uitvoeren van krimpmetingen op pris - ma's en cilinders (foto 8). Om een duidelijk beeld te geven van het verschil in lengteveran- dering tussen een standaard vloerenbeton en een vloerenbeton volgens de Greymatter-tech- nologie, zijn de krimpresultaten van deze twee verschillende samenstellingen uitgezet in de grafiek van figuur 9. Niet alleen worden lange- duur-krimpmetingen onder laboratoriumom- standigheden uitgevoerd, maar worden ook op projectbasis sensoren in de vloer gestort om in-situ-krimpmetingen te monitoren (foto 10). Door het beperken van de krimp wordt ook het risico op scheur vorming gereduceerd en hoeft er minder of zelfs geen krimpwapening te worden aangebracht. Wapeningsconfiguraties kunnen 100 90 80 70 60 50 40 30 20 100 0,1 1 10 100 1.000 10.000 100.000 Cumulatieve Doorval (%) Zeefopening [µm] Optimale korrelgrootteverdeling Mengsel Optimaal CEM III/B 42,5 LH/SR (HMU) CEM I 52,5R (HMR) Poederkoolvliegas MR 3A Zand 0/4 Grind 4/16 Grind 4/32 8 Jarenlang onderzoek naar lengteverandering van verschillende recepturen 9 Verschil in lengteverandering tussen vloerenbeton volgens de Greymatter-technologie en standaard vloerenbeton -0.50 -0.45 -0.40 -0.35 -0.30 -0.25 -0.20 -0.15 -0.10 -0.050.00 0.05 0.10 0 50 100 150 Tijd [dagen] Lengteverandering proefstukken beton (Ø1 50 mm) Van Berlo Greymatter Standaard Vloerenbeton Lengteverandering [mm/m] 200 7 Weergave korrelgrootteverdeling grondstoffen en optimale korrelgrootteverdeling 16 VAKBL AD 1 2024 BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 6BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 6 01-03-2024 09:5301-03-2024 09:53 daarom effectiever worden gekozen. Bij elkaar opgeteld zorgt het reduceren van de hoeveelheid cement en het beperken van de hoeveelheid wapening voor een aanzienlijke CO?-reductie. Op dit moment wordt de reductie van de hoeveel - heid cement beperkt tot 260 kg/m 3, het volgens de norm minimum cementgehalte voor milieu - klasse XC1 (binnenvloeren). De hoeveelheid c ement zou nog verder naar beneden kunnen, als de regelgeving dit zou toelaten. Daar voor is op dit moment een apart testtraject nodig. HULPSTOFFEN Door het beperken van het cementgehalte, moet voor een goed resultaat ook het watergehalte naar beneden. Dat heeft echter invloed op de verwerkbaarheid. Door gebruik van speciaal voor Van Berlo ontwikkelde hulpstoffen, is ook hier een oplossing voor gevonden (hierin schuilt onder andere het geheim van de smid). Het basisbetonmengsel wordt door een geselec - teerde betoncentrale geleverd op de bouw - plaats. Hieraan wordt door Van Berlo de hulpstof op maa t toegevoegd. Elke betonmixer wordt vooraf door betonspecialisten van Van Berlo gekeurd, voordat de hulpstof wordt toegevoegd. Om dit proces te automatiseren, wordt er op dit moment gewerkt aan een doseerinstallatie die aan de hand van sensormetingen de benodigde hulpstoffen zelfstandig kan toevoegen. CIRCUL AIR BETON Als naast het verlagen van het cementgehalte door de nieuwe technologie ook nog een gedeelte van de primaire grondstoffen wordt ver vangen door secundaire grondstoffen, wordt de CO 2-footprint van de betonvloer verder verlaagd. Een mooi voorbeeld hier van is het project Hout - lab in Nieuwkuijk (foto 11). Hier is 50% van het riviergrind ver vangen door secundair grof materiaal (Freegravel van New Horizon & Rutte 10 In-situ-krimpmetingen 11 S torten van de CO 2-arme, scheur vrije en circulaire staalvezelbetonvloer Houtlab in Nieuwkuijk Groep) (foto 12). Dit type betongranulaat is dankzij een speciaal breekproces ronder en schoner dan regulier betongranulaat. Dit bete - kent niet alleen een lagere waterabsorptie, maar ook dat de korrels beter in elkaar passen en het dus mogelijk is een hogere pakkings - graad te krijgen. In de betonsamenstelling is naast dit betongranulaat ook gemalen hoog- ovenslak en poederkoolvliegas gebruikt. Het aandeel secundair materiaal is daarmee in totaal bijna 32%. Doordat het mengsel is ont - worpen met een lagere krimpverwachting, kon ook van een hybride wapening (traditionele wapening + staalvezels) de overstap worden gemaakt naar alleen staalvezels. Door de Grey - matter-technologie te combineren met secun- daire grondstoffen is in dit project een CO 2- besparing van grofweg 40% behaald op basis van verbruikte materialen ten opzichte van een standaardoplossing. Het grootste deel van deze besparing, ongeveer 85%, is te danken aan cement- en staalreductie. De overige 15% is te danken aan het gebruik van circulair materiaal. K WALITEIT De betonwereld, van ingenieursbureau tot cementindustrie, staat niet stil als het gaat om verduurzaming. Met diverse ontwikkelingen van - uit verschillende invalshoeken worden stappen g ezet in verduurzaming. Dat moet uiteraard niet ten koste gaan van kwaliteit en levensduur. Daar moet te allen tijde voldoende oog voor zijn. Dat geldt zeker ook voor monolietvloeren, zoals eer - der aangegeven misschien wel de moeilijkste en mee st foutgevoelige betonconstructie om te maken. Elke nieuwe ontwikkeling moet daarom uitvoerig worden onderzocht op geschiktheid. Mede door het relatief grote gebruiksopper vlak per m 3 beton kunnen onverwachte effecten enorme schades tot gevolg hebben, met in eerste instantie verlies aan functionaliteit van de vloer en in tweede instantie financiële schadeposten. NATIONALE MILIEUDATABASE In de Nationale Milieudatabase (NMD), beheerd door de Stichting Nationale Milieudatabase, staan milieuprofielen (EPD's) van bouwproducten. Op dit moment wordt gewerkt aan een traject om de betonvloeren op te nemen in de NMD. DISTRIBUTIECENTRUM HELMOND Voor het project Distributiecentrum Rietbeem- dweg in Helmond is in september 2022 een zeer vlakke bedrijfsvloer (DIN 15.185) van 11.000 m 2 met een lage CO 2-footprint gereali- seerd. In dit project is voor het betonmengsel de in dit artikel beschreven technologie toe - gepast, gecombineerd met een duurzamer wapeningsontwerp. Dit heeft geleid tot een CO 2-besparing van grofweg 32% op basis van verbruikte materia- len ten opzichte van een standaardoplossing. 12 Freegravel 17 VAKBL AD 1 2024 BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 7BV 01-2024_Optimale korrelpakking voor CO2-arme monolietvloeren.indd 1\ 7 01-03-2024 09:5301-03-2024 09:53