KUNNEN WE VAN BETONPUIN WEER NIEUW GRIND, ZAND EN BINDMIDDEL MAKEN? Een overzicht van innovatieve recyclingsmethoden 1 G erecycled materiaal, foto: Betonhuis Auteur dr.ir. Gert van der Wegen SGS INTRON 12 VAKBL AD 1 2020 2. recycling beton.indd 12 03-02-20 14:49 OMVANG EN BELEID BOUW- EN SLOOPAFVAL Nederland heeft wereldwijd een vooraan- staande positie wat betreft het recyclen van bouw- en sloopafval. De circa 20 miljoen ton die jaarlijks vrijkomt in ons land, wordt al meer dan twintig jaar nagenoeg volledig hergebruikt, voornamelijk als funderingsmateriaal. In Europa is dat beeld anders. Jaarlijks wordt circa 900 miljoen ton bouw- en sloopafval geprodu- ceerd, waar van circa 500 miljoen ton in de EU. Het hergebruik in de EU is minder dan 50% en wereldwijd is dit percentage nog veel lager. Er wordt dus nog veel bouw- en sloopafval gestort. De EU-ambitie om in 2020 ten minste 70% van het bouw- en sloopafval nuttig her te gebruiken (Waste Framework Directive) wordt dus niet gehaald. Daar moet op Europees gebied nog een fl inke inhaalslag worden gemaakt, ter- wijl Nederland al op een maximale score staat. Hergebruik van bewerkt betonpuin als toe- slagmateriaal in beton is nog maar beperkt, ook in Nederland. Hier bedraagt dit momenteel circa 5% van de jaarlijks vrijkomende 12 mil- joen ton betonpuin. Dit percentage willen we in Nederland het komend decennium fors gaan verhogen. De gezamenlijke ambitie om de betonketen verder te verduurzamen, is vastge- legd in het Betonakkoord dat medio 2018 is gesloten. Een van de daarin gestelde doelen is 100% hoogwaardig hergebruik van vrijkomend In Nederland wordt betonpuin al meer dan twintig jaar volledig hergebruikt, maar wel voornamelijk als funderingsmateriaal in de GWW-sector en slechts beperkt als toeslagmateriaal in beton. Door het gehalte aan cementsteen in het betongranulaat substantieel te verlagen, worden de eigenschappen van het daarmee vervaardigde beton verbeterd, wat de toepassing ervan zal bevorderen. Het ideale plaatje zou zijn dat we uit betonpuin schoon zand en grind kunnen maken en van de resterende cementsteen nieuw bindmiddel. Met de huidige ontwikkelingen op het gebied van recyclingsmethoden komt dit ideale plaatje in zicht. beton en per direct minimaal 5% van het totale volume toeslagmaterialen ver vangen door betonreststromen. De verduurzaming van de betonketen mag echter niet ten koste gaan van de kwaliteit van het beton. Immers, een kortere levensduur komt de duurzaamheid van het beton niet ten goede. Cementsteen in betongranulaat, en met name in de fi jne fractie, heeft een nadelige invloed op de sterkte, E-modulus, krimp en kruip. Daarom zijn recyclingsmethoden waar- bij de oude cementsteen gescheiden wordt van het oorspronkelijke toeslagmateriaal van groot belang. Zeker als we ook de zandfractie in nieuw beton willen hergebruiken. INDELING RECYCLINGSMETHODEN Om de kwaliteit van betongranulaat te verbe- teren, zijn er twee soorten bewerkingen moge- lijk: ? verwijderen van de aangehechte cement- steen; ? verbeteren van de kwaliteit van de aange- hechte cementsteen. Het verbeteren van de kwaliteit van de aange- hechte cementsteen kan met behulp van poly- meeremulsies (bijvoorbeeld van polyvinylal- PRINCIPE SMARTCRUSHER In traditionele kaakbrekers beweegt een van de kaken min of meer in horizontale richting waardoor het betonpuin onder hoge drukkrachten wordt gebroken. Hierbij wordt niet alleen de zwakkere cementsteen verkleind, maar treedt ook veel breuk in het toeslagmateriaal op. Bij de SmartCrusher bewegen beide kaken tevens in verticale richting waardoor het betonpuin onder afschuifkrachten wordt verkleind (� g. 2). Omdat de afschuifsterkte van beton veel lager is dan de druksterkte vergt dit veel minder energie en vindt er ook veel minder breuk in het toeslagmateriaal plaats. Tevens wordt hierbij slim gebruikgemaakt van het feit dat door de poreuze grenslaag tussen toeslagmateriaal en cementsteen (de zogenoemde Interfacial Transition Zone) breuk veelal in deze zone plaatsvindt. Hierdoor blijft er slechts weinig cementsteen aan het toeslagmateriaal zitten. Door de beweging van het materiaal in de SmartCrusher treedt ook (autogeen) malen op, dat aanvullend op het breekproces cementsteen verwijdert en verpoedert. Voorgebroken betonpuin (0 ? 45 mm) wordt in de SmartCrusher verwerkt tot een grove fractie 4 ? 32 mm (afhankelijk van de oorspronkelijke afmeting van het grind) en een jne fractie 0 ? 4 mm (door zeving afgescheiden). Laatst- genoemde fractie wordt vervolgens in een soort cycloon gescheiden in een fractie 0,2 ? 4 mm en twee instelbare poe- derfracties tussen 0 ? 0,2 mm. 2 Prototype laboratorium Slimme breker en principe SmartCrusher, waarbij de onderste rol dient om de verblijftijd tussen de kaken te kunnen regelen [2] " Cementsteen in betongranulaat heeft een nadelige invloed op de eigenschappen" 13 VAKBL AD 1 2020 2. recycling beton.indd 13 03-02-20 14:49 cohol of op basis van silaan), suspensies van puzzolanen (poederkoolvliegas, silica fume of vulkanische as), carbonatatie (bij verhoogd CO 2-gehalte), waterglas of biologische afzet- ting van calciumcarbonaat (S. pasteurii-bacte- rie) [1]. Deze methoden zijn veelal economisch onaantrekkelijk en/of moeilijk op praktijk- schaal toe te passen. Daarom zullen we in dit artikel enkel de recyclingsmethoden nader beschouwen die de aangehechte cementsteen (grotendeels) kunnen verwijderen. Mechanische methoden Er bestaan meerdere mechanische recyclings- methoden die enkel op een breekproces zijn gebaseerd. De in Nederland bekendste en verst ontwikkelde techniek is de SmartCrusher, ook wel de Slimme Breker of Smart Liberator (bij het Nederlandse bedrijf Smart Circular Products) genoemd. Met deze techniek kan de aangehechte cementsteen door afschuifkrachten grotendeels van het oorspronkelijke zand en grind worden verwijderd. De verpoederde cementsteen komt als een aparte productiestroom vrij en kan als vulstof in beton worden ingezet. Het principe van deze techniek is aangegeven in het kader 'Prin- cipe SmartCrusher ' [2]. Een andere mechanische methode is de com- binatie van breken en malen. Na het breken van het betonpuin tot de gewenste korrelgrootte wordt het verkregen betongranulaat in een afzonderlijke stap gemalen zonder (autogeen malen) of met (kogel- of cilinder vormige) maallichamen om de aangehechte cement- steen zo goed mogelijk te verwijderen. Met maalprocessen moet er wel voor worden gewaakt dat het oorspronkelijke toeslagmate- riaal niet (te veel) wordt verkleind. Een in Nederland ontwikkelde en toegepaste mechanische scheidingstechniek is de Advan- ced Dr y Recover y (ADR), waarbij de fi jne deel- tjes (zelfs in vochtig materiaal) en deeltjes met een afwijkende korreldichtheid kunnen wor- den afgescheiden van het betongranulaat. Het principe van deze techniek is beschreven in het kader 'Principe ADR' [3]. Thermische methoden De eerder beschreven mechanische methoden worden vaak gecombineerd met thermische technieken. Door het gebroken beton in korte tijd bloot te stellen aan hitte, ontstaan thermi- sche spanningen. Hierdoor wordt de aange- hechte cementsteen sterk verzwakt of komt zelfs volledig van het oorspronkelijk toeslag- materiaal af. De benodigde thermische energie kan worden ingebracht door verhitte lucht of (selectiever) met elektromagnetische straling (microgolven). De temperatuur kan daarbij lig- gen tussen 300 °C en 600 °C. Hogere temperaturen zijn meestal niet gewenst omdat het aanwezige calciumcarbonaat dan ontleedt, waarbij calciumoxide (CaO = ongebluste kalk) en gasvormig koolstofdioxide (CO 2) worden gevormd. Een voorbeeld van een techniek waarbij de mechanische en de thermische methode worden gecombineerd, is de C2CA- recyclingsmethode (die door het Nederlandse bedrijf C2CA Technology (een gemeen- schappelijke onderneming van GBN en TU Delft) wordt toegepast). Hierbij wordt betonpuin tot een korrelgrootte van circa 20 mm gebroken en wordt deze stroom ver volgens in een ADR gescheiden in een fractie 0 ? 1 mm, 0 ? 4 mm en 4 ? 20 mm. De fractie 4 ? 20 mm kan als grof toeslagmateriaal in beton worden toegepast. De fracties 0 ? 1 mm en 0 ? 4 mm onder vinden nog een thermische nabehandeling bij circa 600 °C in een zogenoemd Heating Air classifi cation System (HAS). Hierbij komen Tabel 1 Eigenschappen betongranulaat voor en na verschillende behandelingsmethoden [6] BEHANDELINGSMETHODE WATER- ABSORPTIE [%M/M] KORREL- DICHTHEID [KG/M 3] GEHALTE MORTEL [%M/M] onbehandeld 4,2 2370 47 enkel malen in kogelmolen 3,5 2410 34 enkel verhitten 2 uur 300 °C 4,1 2380 44 verhitten 2 uur 300 °C + malen in kogelmolen 3,3 2430 31 enkel microgolven 1 minuut 2,8 2460 24 microgolven 1 minuut + malen in kogelmolen 1,1 2550 7 oplossen in 1 molair zwavelzuur: 24 uur 3,5 2410 34 120 uur 1,6 2500 13 PRINCIPE ADR Met de Advanced Dry Recovery (ADR)-technologie kunnen korrels op basis van verschillen in afme- tingen en dichtheid (soortelijke massa) worden gescheiden, zelfs wanneer het ingangsmateriaal een hoog vochtgehalte heeft. Het principe van deze scheidingsmethode is afgebeeld in guur 3. De korrels in het tot circa 16 mm voorgebroken betonpuin worden door een rotor met hoge snelheid weggeslingerd. Door deze toegevoegde kinetische (bewegings-)energie komen de deeltjes ondanks het hogere vochtgehalte los van elkaar. De jnere en lichtere deeltjes (0 ? 1 mm) worden minder ver weggeslingerd en ? geholpen door de interne luchtcirculatie ? gescheiden van de grovere deel- tjes en als een aparte fractie afge- vangen. De resterende fractie wordt vervolgens door een wind- zifter gescheiden in een jne frac- tie 1 ? 4 mm, waarin ook grovere maar lichtere deeltjes zoals hout en plastic terechtkomen, en een grove fractie 4 ? 16 mm. 3 Schematische weergave ADR [3] " De verduurzaming van de betonketen mag ni et ten koste gaan van de kwaliteit van het beton" 14 VAKBL AD 1 2020 2. recycling beton.indd 14 03-02-20 14:49 een zandfractie (0,25 ? 4 mm) en een vulstoff ractie (0 ? 0,25 mm) vrij [4]. Door de hoge temperatuur is de (voormalige) cementsteen voor een belangrijk deel gedehydrateerd en is de verkregen vulstoff ractie daarmee reactief gemaakt. In het Vlaams-Nederlands Interreg-project ' Van beton naar hoogwaardig beton' [5] wordt de toegevoegde waarde van microgolventechniek onderzocht. Zowel voor het verzwakken van de cementsteen voorafgaand aan het breekproces als voor de dehydratatie van de cementsteen in de vulstoff ractie. De tot dusver verkregen resultaten zijn perspectiefvol, ook voor het hergebruik van de vulstoff ractie. Het positieve eff ect van microgolven op de kwaliteit van het gerecyclede betongranulaat is al eerder aangetoond door Akbarnezhad et al. [6], die verschillende recyclingsmethoden hebben vergeleken. In tabel 1 zijn hun bevindingen weergegeven. De combinatie microgolven en malen levert een nagenoeg mortelvrij granulaat op met een lage waterabsorptie. Elektrische methoden Met ElectroDynamic Fragmentation (EDF) kan cementsteen worden verwijderd van het toeslagmateriaal door gebroken beton in een waterbad te onderwerpen aan een serie van korte pulsen (< 0,5 µs) bij een groot span- ningsverschil (circa 100 kV). Het principe is getoond in kader 'Principe EDF' [7]. Electrody- namic fragmentation is al in de jaren vijftig ont- dekt in Rusland, maar is verder ontwikkeld en gepatenteerd door Fraunhofer IBP (Duitsland) en de fi rma Selfrag (Zwitserland). De techniek heeft zich bewezen als geschikte bewerkings- methode voor mineralen en ertsen. Voor het verwijderen van cementsteen van het toeslag- materiaal in betonpuin zijn perspectiefvolle resultaten in laboratoriumonderzoek ver- kregen en is de ontwikkeling naar de praktijk- schaal in volle gang. Het energieverbruik is ondanks de hoge span- ning zeer gering (circa 1 kWh/ton betonpuin) en is substantieel lager dan die bij microgolf- en mechanische recyclingsmethoden [7]. De geproduceerde materialen met EDF zijn nat, wat met name voor de verdere verwerking van de verkregen cementsteenfractie een nadeel is. Chemische methoden Indien het toeslagmateriaal in het betongranu- laat onoplosbaar is in zuur (zoals het Neder- landse rivierzand en -grind), kan de aange- hechte cementsteen worden verwijderd door die op te lossen in zuren zoals zoutzuur, zwavelzuur of fosforzuur. Onderzoek [1] heeft aangetoond dat zoutzuur het meest eff ectief is. Deze chemische methoden zijn kostbaar en hebben ongewenste neveneff ecten. Ze worden daarom nauwelijks toegepast in de praktijk. TOEPASSINGSMOGELIJKHEDEN GERECYCLEDE CEMENTSTEEN De bij eerder beschreven methoden, met uit- zondering van de chemische methoden, verwijderde cementsteen komt als zeer fi jn materiaal vrij. Afhankelijk van het specifi eke bewerkingsproces kan dit materiaal reactivi- teit (cementerende eigenschappen) vertonen. In principe komen de volgende toepassingen in beeld: ? Als grondstof voor de klinkerproductie, waarbij vanwege het in de cementsteen aan- wezige calcium minder kalksteen hoeft te worden gebrand en dus een reductie van de CO 2-emissie plaatsvindt. ? Als grondstof voor mengcementen, al dan niet na volledige carbonatatie (= verhogen reactiviteit + vastleggen extra CO 2), waarbij het schaars wordende componenten (zoals poederkoolvliegas) kan ver vangen. ? Als inerte vulstof (type l) rechtstreeks in beton. ? Als reactieve vulstof (type ll) rechtstreeks in beton, waarbij het gedeeltelijk cement kan ver vangen. De ontwikkelingen van deze toepassingsmo- gelijkheden zijn in volle gang. REGELGEVING Betongranulaten mogen volgens NEN-EN 206/ NEN 8005 in milieuklasse X0 al tot 50% en in de overige milieuklassen tot 30% het grove natuurlijke toeslagmateriaal in beton ver van- gen. CUR-Aanbeveling 112 staat onder voor- waarden zelfs 100% ver vanging van het grove toeslagmateriaal toe. Echter, bij meer dan 50% ver vanging moeten voor de constructieve eigenschappen correctiefactoren worden toe- gepast. Dit blijkt in de praktijk voor de con- structeur niet altijd goed werkbaar te zijn. Daarom is recentelijk een CROW-commissie opgestart die de invloed onderzoekt van het gehalte cementsteen in het fi jne en grove gerecyclede toeslagmateriaal op de construc- tieve en duurzaamheidseigenschappen van daarmee ver vaardigd beton. In dit onderzoek wordt tussen 25% en 100% van het traditionele fi jne en grove toeslagmateriaal ver vangen door de fi jne en grove fracties verkregen uit de innovatieve recyclingsprocessen van de Smart Liberator en de ADR/HAS-installatie (C2CA Technology). Op basis van de verkregen resul- taten zal een CROW CUR-aanbeveling worden opgesteld met een klassenindeling waarin PRINCIPE EDF Met ElectroDynamic Fragmentation (EDF) worden ultrakorte (circa 0,2 µs) elektrische pulsen onder hoge spanningsverschillen (circa 100 kV) door een vaste stof (bijvoor- beeld betonpuin) in een waterbad gestuurd. De elektrische ontladingen die daarbij plaats- vinden, volgen bij voorkeur de grensvlakken van de verschillende bestanddelen (voor beton: toeslagmateriaal en cementsteen) en veroorzaken plaatselijk krachtige schokgol- ven. Met als gevolg het uiteenvallen van het materiaal in zijn bestanddelen. Dit is schema- tisch aangegeven in guur 4. 4 Schematische weergave principe EDF 5 Resultaat bij betonpuin, foto: FHNW Zwitserland " Cementsteen komt als zeer � jn materiaal vrij en kan reactiviteit vertonen" 15 VAKBL AD 1 2020 2. recycling beton.indd 15 03-02-20 14:49 afhankelijk van het percentage cementsteen in het gerecyclede toeslagmateriaal een maxi- maal ver vangingspercentage aan fijne en grove fractie wordt vastgelegd. Dit wordt zodanig gedaan dat de constructieve rekenre- gels niet hoeven te worden aangepast en de duurzaamheid (levensduur) van het beton nog steeds is gewaarborgd. Hoe minder cement - steen des te hoger het toegestane ver van- gingspercentage. Voor de toepassing van de gerecyclede vul- stoffractie zou de beoordelingsrichtlijn 1804 ' Vulstof voor toepassing in beton en mortel' een geschikte basis kunnen zijn. Dit traject is al in gang gezet. SAMENVAT TEND Met de innovaties die momenteel op het gebied van recycling van betonpuin plaatsvinden, kunnen we steeds beter het oorspronkelijk toegepaste fijne en grove toeslagmateriaal scheiden van de aangehechte cementsteen. Hierdoor kunnen we uit het betonpuin weer schoon zand en grind halen en tevens van de resterende cementsteen een nieuwe vulstof en/of bindmiddel maken. Het ideale beeld van een gesloten kringloop. VERSCHILLENDE RECYCLINGGR ANUL ATEN 6 V oorbeeld van korrels in fractie 4-22 mm: grind (6a), SmartCrusher/SCP (6b) en ADR/GBN (6c). N.B.: sommige korrels bevatten restanten aangehechte cementsteen of zijn agglomeraten van zandkorrels gebonden door cementsteen 7 V oorbeeld fractie 0-4 mm: SmartCrusher/SCP (7a) en ADR+HAS/GBN (7b) Literatuur 1 S hi et al., 'Performance enhancement of recycled concrete aggregate ? A review', Journal of Cleaner Production, 112 (2016) p. 466-472. 2 F lorea et al., 'Smart crushing of concrete and activation of liberated concrete fines', report TU/e, (2014). 3 L otfi et al., ' The influence of parent concrete and milling intensity on the properties of recycled aggregates', International HISER Conference on Advances in Recycling and Management of Construction and Demolition Waste, 21-23 June 2017, Delft University of Technology, p. 210-219. 4 L otfi and Rem, 'Recycling of End of Life Concrete Fines into Hardened Cement and Clean Sand', Journal of Environmental Protection, 7 (2016) p. 934-950. 5 https://upconcrete.vito.be/nl 6 Ak barnezhad et al., 'Microwave-assisted benification of recycled concrete aggregates', Construction and Building Materials, 25 (2011) p. 3469-3479. 7 Menar d et al., 'Innovative process routes for a high- quality concrete recycling', Waste Management, 33 (2013) p. 1561-1565. A A C B B 16 VAKBL AD 1 2020 2. recycling beton.indd 16 03-02-20 14:49