VERSNELLING HYDR ATATIE DOOR ALK ALISCHE ACTIVATIE HOOGOVENSL AK IN HYBRIDE BETONMENGSEL In de prefab-betonindustrie is snelheid essentieel. Elementen moeten soms al na 8 uur worden ontkist. Om dat te kunnen realiseren, zijn snelle betonmengsels nodig. Dit staat echter op gespannen voet met de ambitie de CO 2-uitstoot van beton te verminderen. Het is daarom zoeken naar de juiste balans. Bij Voorbij prefab is daarmee positieve ervaring opgedaan met de toepassing van hoogovenslak in combinatie met natriumsulfaat als activator. De redactie van Betoniek vroeg betontechnoloog Ruud Out naar de achtergronden van deze ontwikkeling. Balans tussen snelheid en CO 2 I n de prefab-betonindustrie wordt in beton- mengsels van oudsher gebruikgemaakt van portlandcement (CEM I), in ieder geval voor een belangrijk deel. De reden is dat dit cement snel hydrateert en daarbij in korte tijd hoge sterkten genereert, ook bij lagere temperatu- ren. Dat is nodig omdat het beton voor een kos- tene? ciënt proces snel na het storten moet worden ontkist en om schade aan het product bij ontkisten te voorkomen. Het nadeel van portlandcement is dat de pro- ductie van het belangrijkste bestanddeel, de portlandcementklinker, gemoeid gaat met een grote CO 2-emissie. Dit komt vooral doordat CO 2 vrijkomt als restproduct bij het chemische pro- ces, de calcinatie. Hierbij wordt kalksteen (CaCO) bij hoge temperatuur in een reactie met zuurstof (O 2) omgezet tot klinker (CaO en CO 2). Een kleiner, maar nog steeds signifi cant deel is te wijten aan het verbruik van energie in de verbrandingsovens. Bij de productie van cement kunnen als ver- vanger voor klinker ook bijproducten als hoog- ovenslak (dat vrijkomt bij de productie van ruwijzer) of poederkoolvliegas (dat vrijkomt uit kolengestookte elektriciteitscentrales) worden gebruikt. De CO 2-footprint van de betreff ende cementen, respectievelijk hoog- ovencement (CEM III) en poederkoolvliegas- cement (CEM II), is veel lager dan die van port- landcement. Het nadeel is dat deze cementen, en dus ook het beton waarin ze worden toege- past, minder snel verharden dan CEM I. VERSNELLEN Er zijn verschillende manieren om het verharden van beton te versnellen. Het type cement is een belangrijke factor. Zo verhardt portland cement zoals gezegd sneller dan hoogoven cement. En er zijn ook nog eens extra snelle typen portland- cement beschikbaar. Maar niet alleen het type cement is bepalend, ook de hoeveelheid: meer cement betekent doorgaans een lagere water- cementfactor wat leidt tot een snellere sterkte- ontwikkeling. Verder speelt de temperatuur waarop beton verhardt een belangrijke rol; cement hydrateert sneller bij hogere temperatu- ren. Dat is de reden dat beton in de prefab- betonindustrie vaak in klimaatkamers verhardt, bij een constante temperatuur. Al deze methoden hebben echter een nega- tieve impact op het milieuprofi el van beton (waarbij de milieu-impact van portlandklinker er met kop en schouders bovenuit steekt). Als alternatief kan een versneller als hulpstof wor- den toegepast, die de verharding van beton een extra duw in de rug kan geven. De meeste versnellers komen het beste tot hun recht in combinatie met portlandcementklinker. Voor hoogovencement zijn nog geen voldoende eff ectieve genormeerde, commerciële ver- snellers beschikbaar. Toch zijn er mogelijkhe- den om ook hoogovencement te versnellen. Zo komt uit onderzoek naar voren dat natriumsul- faat de vroege sterkte van hoogovenslak- houdende cementen kan versnellen. NATRIUMSULFA AT Natriumsulfaat is een kristallijn zout, met als chemische formule Na 2SO 4. Het versnelt de reactiviteit van bindmiddelen met hoog- ovenslak. Met name de vroege sterkteontwik- keling (tot 24 uur) kan worden bevorderd. De werking van natriumsulfaat als activator is gebaseerd op een versnelling van de reactie van 8 VAKBL AD 3 2023 Auteur Jacques Linssen, Aeneas Media / Redactie Betoniek BV-3-2023_Balans tussen snelheid en CO2.indd 8BV-3-2023_Balans tussen snelheid en CO2.indd 8 16-10-23 08:4516-10-23 08:45 het C 3S-mineraal uit het klinkeraandeel. Natri- umsulfaat bespoedigt de vorming van ettringiet (calcium-sulfo-aluminaat-hydraat), waar vooral de eerste sterkteontwikkeling van kan profi teren. Verder reageert natriumsulfaat met het calciumhydroxide uit het cement tot natrium hydroxide, met een verhoogde pH tot gevolg, waardoor de hoogovenslak wordt geac- tiveerd (het lost sneller op in het poriënwater). Ten opzichte van activatoren die voor geopoly- meerbeton worden toegepast, zoals natrium- hydroxide (NaOH, natronloog), natriumsilicaat (Na 2SiO 3, waterglas) en in mindere mate ook natriumcarbonaat (Na 2CO 3, soda), is natrium- sulfaat een relatief zwakke activator. Er is altijd een klein aandeel portlandcement nodig. Ook is er een minimale temperatuur nodig. Bij bijvoor- beeld 5 °C zal natriumsulfaat weinig doen. Voor- deel is dat natriumsulfaat minder agressief is en dat er dus minder veiligheidsrisico's bestaan bij de verwerking er van. Bovendien blijken veel van die sterkere activatoren niet te werken in combinatie met portlandcementlinker. Natriumsulfaat is beschikbaar als restproduct uit de farmaceutische industrie of als natuurlijk product. De zuiverheid is belangrijk en kwali- teit moet daarom goed worden onderzocht. Er bestaan immers ook ver vuilende soorten. Een alternatief voor natriumsulfaat is kalium- sulfaat (K 2SO 4), dat een vergelijkbare werking heeft. CO 2-ARM BETON VOORBIJ In het streven de MKI van beton voor casco- wanden te verlagen, ging Voorbij prefab in samenwerking met ABT op zoek naar moge- lijkheden voor het ontwikkelen van een CO 2- arm beton, dat niet ten koste mocht gaan van ACTIVATIE HOOGOVENSL AK EN POEDERKOOLVLIEGAS De samenstelling van gegranuleerde hoogovenslak en poederkoolvliegas is verwant aan die van port- landcementklinker. Met water kunnen de componenten ervan reageren tot een soort cementsteen. Dat gaat echter zeer langzaam (slak) of vrijwel helemaal niet (poederkoolvliegas). We noemen deze materialen daarom ook wel latent hydraulisch (slak) en puzzolaan (poederkoolvliegas). De reactie kan worden geactiveerd door een verhoogd alkalisch milieu (hoge pH). Dat wordt verkre- gen door calciumhydroxide, samen met calcium-silicaat-hydraat (CSH) het belangrijkste eindproduct bij de hydratatie van portlandcement. Het portlandcement zorgt als het ware voor de activatie van hoogovenslak en poederkoolvliegas. De reactie kan door aanvullende alkalische activatie worden bespoedigd, een methode die ook bij geopolymeerbeton wordt toegepast. Een van de mogelijkheden voor activatie is de toevoeging van natriumsulfaat, waar het in dit artikel over gaat. Uit onderzoek komt naar voren dat activatie met natriumsulfaat de vroege sterkte van hoogovenslak-houdende cementen kan versnellen 9 VAKBL AD 3 2023 BV-3-2023_Balans tussen snelheid en CO2.indd 9BV-3-2023_Balans tussen snelheid en CO2.indd 9 16-10-23 08:4616-10-23 08:46 de productiesnelheid en de kwaliteit van het product. Daarbij kwam de mogelijkheid naar voren om gegranuleerde hoogovenslak in combinatie met natriumsulfaat toe te passen. Bij de ontwikkeling van een mengsel is gezocht naar een balans tussen vroege sterkte, eind- sterkte, aandeel hoogovenslak, aandeel klin- ker en hoeveelheid natriumsulfaat. Na veelvul- dig experimenteren kwam er een ideaal hybride mengsel uit, met de gewenste eind- en ontkistingssterkte. Fijnheid van het bindmid- del (Blaine-waarde) is daarbij een zeer bepa- lende factor. Het mengsel bestaat uit portland- cement (CEM I 52,5 R), hoogovencement (CEM III/A 52,5N), gegranuleerde hoogovenslak en natriumsulfaat. De samenstelling en de korrel- opbouw van de bindmiddelen en de hoog- ovenslakken zorgt er voor dat het aandeel aan portlandklinker kan worden beperkt (tot ca. 25%). Daarbij is zowel de sterkteontwikkeling als de eindsterkte voldoende. Hoewel Voorbij vrij open is in het delen van kennis, wordt de exacte samenstelling niet gedeeld in een openbaar artikel. Voorbij roept wel andere partijen op samen te werken en is in die samenwerking bereid informatie te delen. Het ontwikkelde mengsel heeft een relatief gun- stig milieuprofiel, met een MKI die zo'n 44% la ger is dan mengsels die voorheen werden gebruikt. Die 44% geldt voor het mengsel dat wordt toegepast voor de elementen die na 18 uur worden ontkist (voor de zogenoemde enkel - storts). Een deel van de elementen, degene die in de z ogenoemde dubbelstorts worden gemaakt, worden al na 8 uur ontkist. Het meng - sel dat daar voor wordt toegepast heeft een iets minder guns tig milieuprofiel, maar leidt nog altijd tot een besparing van 25% op de MKI. Die winst geldt overigens ten opzichte van de mengsels die in het laatste decennium al flink zijn geoptimaliseerd. Die optimalisatie heeft geleid tot het beperken van de hoeveelheid portlandcement en de toevoeging van hoog- ovencement (CEM III/A), om daarmee te grote oversterkten te beperken. Zou je het mengsel vergelijken met dat wat 30 jaar geleden werd toegepast, met uitsluitend portlandcement, dan ligt de milieuwinst aanzienlijk hoger. Voorbij voegt in het mengsel zelf gemalen hoogovenslak toe. Beperking van klinker zou natuurlijk ook kunnen door toepassing van uit - sluitend hoogovencement in plaats van port - landcement, waarbij de klinker al in de cement - fabriek is ver vangen door slak. De maling van het hoogovencement met een gering klinker - aandee l (CEM III/B of CEM III/C) is naar de er va- ring van Voorbij echter niet voldoende fijn, waardoor de gewenste eindsterkte niet wordt gehaald. Bovendien kan Voorbij door deze aan- pak zelf de verhouding klinker/slak bepalen om zo een optimaal mengsel te maken. Mocht er op termijn een extra fijngemalen hoogovenslak beschikbaar komen, dan zou het zelfs mogelijk zijn uitsluitend portlandcement en hoog- ovenslak toe te passen, waarmee nagenoeg alle combinaties mogelijk zijn. RISICO'S In beton zit een grens aan de reductie van port - landcement, onder meer om het risico op car - bonatatie te beperken. Daarom wordt in NEN 8005 een minimaal klinkergehalte geëist bij bepaalde milieuklassen. Die eis geldt niet voor milieuklasse XC1 (droog milieu) en dus ook niet voor de casco-elementen van Voorbij. Ook aan de toepassing van natriumsulfaat kle - ven risico's. Zo bestaat er een verhoogd risico op ASR in combinatie met gebruik van een reactief toeslagmateriaal. Daarom moet vol- gens CUR-Aanbeveling 89 het Na2O-equiva- lent (Na2Oe) worden beperkt en daarbij telt het natriumkation uit het natriumsulfaat mee. Dit kan een beperking geven op de toepas - baarheid. Die beperking geldt overigens niet voor een droog milieu en dus niet voor de cas - co's van Voorbij, omdat daar geen expansie van eventuele ASR-gel optreedt. Om toch alle risi- co's uit te sluiten, worden momenteel lange - termijnproeven uitgevoerd bij Concrefy naar het risico op ASR als gevolg van het natrium- sulfaat. De eerste resultaten stemmen positief. Een ander aandachtspunt is de vorming van ettringiet door het sulfaat. Ettringiet is een van de reactieproducten van cementhydratatie. Het ettringiet dat in de eerste 24 uur wordt gevormd, draagt bij aan de vroege sterkte. Ettringiet dat in een latere fase wordt gevormd, 2 Testwanden Voorbij Prefab Aandachtspunten zijn het risico op carbonatatie, een verhoogd risico op ASR en de vorming van ettringiet PURDOCEMENT De ontwikkeling van natriumsulfaat als activa- tor is feitelijk niet nieuw. In de jaren vijftig van de vorige eeuw werd het materiaal in België ontwikkeld door Arthur Oscar Purdon en onder de naam Purdocement op de markt gebracht. Het is echter beperkt toegepast en de produc - tie eindigde in 1958. In 2010 is onderzoek verricht naar de kwaliteit van met Purdocement gerealiseerde construc - ties. Daaruit bleek dat het materiaal nog altijd een hoge druksterke had, maar ook dat het kwetsbaar was ten aanzien van slijtage en car - bonatatie [12, 13]. Dit is te wijten aan te hoge sulfaatdoseringen die het beton op lange ter - mijn kunnen beschadigen. 10 VAKBL AD 3 2023 BV-3-2023_Balans tussen snelheid en CO2.indd 10BV-3-2023_Balans tussen snelheid en CO2.indd 10 16-10-23 08:4616-10-23 08:46 leidt echter tot expansie en daarmee mogelijk tot schade. Dat speelt vooral bij een hoog sul- faatgehalte door te hoge doseringen natrium- sulfaat. Dit risico is onderzocht en blijkt bij de toegepaste mengsels niet aan de orde. Extra aandacht moet uitgaan naar de verwerk- baarheid (consistentie) van het mengsel. De t oepassing van natriumsulfaat vermindert de verwerkbaarheid, wat door toepassing van extra plastificeerder kan worden gecompenseerd. CERTIFICERING Het ontwikkelde mengsel is uitvoerig onder - zocht, onder meer door SGS en Concrefy. Dit om de gelijkwaardigheid met een bekend referen- tiebeton aan te tonen. Daarbij zijn grenswaar - den vastgesteld voor het klinkergehalte, het slakgehalte en de hoeveelheid natriumsulfaat. Hierbij is aangetoond dat onder meer de sterkte van het eindproduct, de levensduur en de bestandheid tegen chemische invloeden vol- doen. KIWA heeft dit proces gecontroleerd, wat uiteindelijk heeft geleid tot een goedkeuring op de bindmiddelcombinatie (attest) tezamen met een maximale dosering aan natriumsulfaat. MILIEUWINST Zoals aangegeven heeft het hybride mengsel een duidelijk lagere MKI dan de mengsels die eerder in de fabriek werden toegepast. Daarbij moet worden aangetekend dat hoogovenslak niet in over vloed beschikbaar is. Haast alle bruikbare vrijkomende hoogovenslak wordt al toegepast in diverse typen hoogovencemen- ten. Bovendien is de verwachting dat ? van- wege nieuwe technologieën bij Tata Steel ? het aanbod van de huidige kwaliteit hoogovenslak in de toekomst kan afnemen. De reactiviteit van die mogelijk nieuwe vrijkomende slak is nog onbekend. Alternatieven voor hoogovenslak moeten wor - den onderzocht. Grondstoffen als gecalci- neerde klei (metakaolien), vulkanische as of gecarbonateerde beton-fines zouden hier mogelijk voor in aanmerking komen. Ook daar wordt binnen Voorbij naar gekeken, maar het vraagt nog aanvullend onderzoek. Verder moet worden aangemerkt dat de genoemde winst geldt in deze specifieke situa- tie, waarbij snelheid van het mengsel een dominante factor is. Is er meer tijd voor de ver - harding, bijvoorbeeld bij in-situbeton, dan is het sowieso al mogelijk meer hoogovencement toe te passen, met een gunstiger milieuprofiel. In zijn algemeenheid geldt dat er in de prefab- betonindustrie veel winst is te behalen in de CO 2-uitstoot. Te vaak wordt er gewerkt met pure portlandcement in zeer hoge dosering, waar dat niet nodig is. Door ver vanging van klinker maar ook met het gebruik van warmte of isolatie kunnen mengsels meer worden geoptimaliseerd. En proefonder vindelijk kan worden vastgesteld of, eventueel in combina- tie met voorzichtiger ontkisten, lagere onkis - tingssterkten kunnen worden toegepast. RICHTING 0% Voorbij heeft met deze ontwikkeling duidelijk de ambitie getoond een steentje bij te dragen aan het terugdringen van de CO 2-footprint van beton. Het ontwikkelde mengsel wordt momenteel in alle casco-elementen toegepast en daarmee in circa 1500 woningen per jaar. Maar het bedrijf weet ook dat het moet door - gaan met innoveren, als de eis van 0% CO 2- emissie in 2050 en de ambities voor de kortere termijn in zicht willen komen. ANDERE TOEPASSINGEN Voorbij produceert naast wanden ook andere betonelementen zoals heipalen. Ook voor deze toepassingen wordt gekeken naar de moge - lijkheden van activatie van hoogovenslak. Voor de heipalen heeft dat geleid tot een serie hybride mengsels bestaande uit portlandce - ment met slak en/of hoogovencement. Hier kunnen ook CO 2-reducties tot zo'n 42% wor - den bereikt. Uit ervaringen tot nu toe blijkt verder dat bij elementen met zeer complexe bekistingen, ettringietvorming door activatie problemen kan geven bij het ontkisten. 3 Voorbij Prefab slaagde erin een CO2-arm beton te ontwikkelen, waarmee Voorbij Prefab de CO2- footprint van haar betonnen woningcasco's fors terugdringt 4 Voorbij Prefab levert de Groene Voorbij Casco's met isolatie voor het project Nieuw Kralingen in Rotterdam 11 VAKBL AD 3 2023 BV-3-2023_Balans tussen snelheid en CO2.indd 11BV-3-2023_Balans tussen snelheid en CO2.indd 11 16-10-23 08:4616-10-23 08:46