Bij het verduurzamen van cement en beton kijken veel producenten naar vulkanische materialen, die in veel gevallen puzzolaan gedrag vertonen. Lavameel is zo'n natuurlijk puzzolaan materiaal. In constructief beton is het in het verleden lange tijd toegepast, maar in Nederland sinds een paar decennia niet meer [1]. Binnenkort komt hier verandering in, maar daarvoor is nieuwe regelgeving nodig. LAVAMEEL: een oude bekende in het nieuw 1 Uitbarsting van een vulkaan REGELGEVING VOOR L AVAMEEL ALS VULSTOF IN ONTWIKKELING 24 VAKBL AD 1 2023 Auteur Martin Verweij, Cementbouw 24. Lavameel een oude bekende in het nieuw.indd 24 13-03-23 13:33 L AVAMEEL Lavameel, ook wel tras geheten, is een materi- aal op basis van vulkanisch gesteente, dat kan worden toegepast als puzzolane vulstof in beton of als grondstof voor cement. Het geeft invulling aan de behoefte aan duurzame grond- stoen, bijvoorbeeld als alternatief voor gegra- nuleerde hoogovenslak en poederkoolvliegas. Vulstoen worden in beton gebruikt om bepaalde eigenschappen te verbeteren, zoals de verwerkbaarheid. Vooral wanneer de vul- stof reactief is, kunnen vulstoen een bijdrage leveren aan de sterkte en duurzaamheid. Daarom kunnen ze in veel gevallen ook worden ingezet om cement te ver vangen, waarmee het milieuproel wordt verbeterd. Reactieve vul- stoen kunnen puzzolaan of latent hydraulisch zijn en vallen in de categorie type II vulstof. Lavameel behoort ook tot die categorie. Als hoofdbestanddeel in cement, volgens de EN 197-serie, valt vulkanisch puzzolaan mate- riaal onder de natuurlijke puzzolanen (code P) (en kan het worden toegepast in portlandpuz - zolaancement CEM II/A-P en CEM II/B-P, port - landcomposietcement CEM II/A-M (P) en CEM II/B-M (P), puzzolaancement CEM IV/A (P) en CEM IV/B (P) en composietcement CEM V/A (P) en CEM V/B (P)). HISTORIE L AVAMEEL Mortels van kalk met puzzolaanaarde, een vul- kanisch materiaal, werden al duizenden jaren geleden toegepast, in het neolithicum. Via de TERMINOLOGIE Lava is het vloeibare, uittredend gesteente ofwel magma, afkomstig van onder de aardkorst. Lavameel is vulkanisch gesteente dat in een industriële maalinstallatie is gemalen tot de gewenste jnheid. Natuurlijk puzzolaan is een verzamelnaam voor reactief vulkanisch materiaal, waar ook diatomeeën-aarde onder valt en sommige omgezette soorten leisteen. Puimsteen (Engels: pumice , Duits: Bims ) is gestolde poreuze vulkanische as en lava. Te f r a is grovere vulkaanas > 2 mm. Tr a s is gemalen tufsteen (foto 2). Tufsteen is de afzetting van vulkanisch mate - riaal in de Eifel. Zeoliet is verweerd vulkanisch materiaal. 25 VAKBL AD 1 2023 24. Lavameel een oude bekende in het nieuw.indd 25 13-03-23 13:33 Lavameel kan worden toegepast als puzzolane vulstof in beton of als grondstof voor cement 3 Storten van trasbeton voor de Spijkenisserbrug (ca. 1900) 4 Proefstukken trasbeton uit Japan (ca. 1920) 5 en 6 Hartelkade in de Rotterdamse haven met trasbeton uit 1973 Feniciërs en de Romeinen is deze technologie ontwikkeld tot betontoepassingen. In Neder- land werden vanaf de 17e eeuw waterwerken uitgevoerd met kalk-trasbeton. Deze tras kwam uit de Eifel (zie ook kader ' Terminolo- gie'). Aan het eind van de 19e eeuw zijn in ons land cement-trasbetonmengsels ontwikkeld voor waterwerken. Een voorbeeld is de bouw van de oude Spijkenisserbrug in 1900 (foto 3). Later is de technologie overgenomen door de ons omringende landen. Ook is in 1920 in Japan een pier aangelegd met toepassing van lava- meel als cementver vanger, met name om scheur vorming ten gevolge van hydratatie- warmte te voorkomen. Voor dit project zijn 60.000 proefstukken gemaakt, overwegend 'dog bones' voor het meten van de treksterkte (foto 4). Hiermee zijn gedurende 41 jaar eigen- schappen onderzocht. Na decennia veroude- ring zijn de treksterkten van deze proefstukken nog steeds 75% tot 95% van de sterkte geme- ten na 10 jaar. In het algemeen houden con- structeurs rekening met dergelijke afnamen van sterkte van beton op lange termijn. De pier ligt er na meer dan 100 jaar dan ook in goede conditie bij. Tot in de jaren zeventig is trasbeton toegepast, bijvoorbeeld in de Hartelhaven in Rotterdam (foto 5 en foto 6) Uit TNO-onderzoek is geble- ken dat dit beton 30 jaar later nog steeds in zeer goede staat was [1]. TR AS, AS EN L AVA Lavameel wordt zoals gezegd ook wel tras genoemd. Feitelijk is tras de benaming voor gemalen tufsteen (vulkanisch materiaal) uit de Eifel (foto 7). Deze tufsteen is ontstaan bij de uitbarsting van een grote vulkaan ongeveer 13.000 jaar geleden. Dit was een zogenoemde pyroclastische uitbarsting, waarbij as en ander materiaal explosief wordt uitgestoten. Door de kracht van deze explosie is de as door de lucht over grote delen van Europa verspreid ( g. 8). Van vele meters hoog nabij de vulkaan tot een laagje van een paar tienden mm dik in de Alpen en Scandinavië. Deze laag wordt voor veel dateringen van bodemlagen gebruikt. Door deze explosieve uitstoot van kleine asdeeltjes en klodders lava zijn deze snel afge- koeld. Deze snel afgekoelde lava en as hebben puzzolane eigenschappen. Hetzelfde is gebeurd bij de uitbarsting van vulkanen in Ita- lië, zoals de Vesuvius. De Romeinen groeven vulkanisch materiaal voor hun mortel op bij het dorp Puzzuoli, waar de naam puzzolaan van- daan komt. De Grieken (Feniciërs) waren al eerder bezig met puzzolane mortels op basis van aarde van Santorini, dat een groot vulka- nisch eiland is (foto 9). Ook wanneer lava in zee stroomt of in contact komt met ander water of ijs, kan het snel afkoe- len, zoals is gebeurd op La Palma en op IJs- land. Dit e ect is een beetje vergelijkbaar met het granuleren ofwel instantaan afkoelen van 2 Tras, gemalen tufsteen 26 VAKBL AD 1 2023 24. Lavameel een oude bekende in het nieuw.indd 26 13-03-23 13:33 hoogovenslak, waardoor het reactief wordt. Veel vulkanen liggen aan de kust, omdat dat vaak de randen van tektonische platen zijn (g. 10). Dit is gunstig voor het transport over lan- gere afstanden door middel van zeeschepen. CHEMISCHE REACTIES Een puzzolane reactie is de reactie tussen de puzzolane grondstof en de vrije kalk in beton. Hier ligt vaak de nadruk op de reactie van silica in de puzzolaan. Dat lost op onder invloed van de hoge pH in beton en reageert met kalk tot calcium-silicaat-hydraat (CSH), net als poe- derkoolvliegas (zie kader 'Puzzolane reac - ties'). Deze CSH wordt net als bij cement gevormd rond de puzzolaankorrels. Maar ook alumina in de puzzolaan reageert met kalk, tot calcium-aluminaat-hydraat (CAH). Deze reac - tie gaat wat langzamer en het gevolg is dat de CAH verder van de korrels wordt afgezet, ofwel in de poriën. Ook kunnen ettringiet-achtige verbindingen worden gevormd, wanneer sulfaat aanwezig is. EIGENSCHAPPEN L AVAMEEL Interessante eigenschappen van lavameel in beton zijn de verbetering van het milieuproel of CO 2-reductie, een (water)dichte poriestruc - tuur en de binding van kalk waardoor kalkuit - bloei wordt beperkt. Een aantal betontechno- logische aspecten wordt in het navolgende verder uitgewerkt. Het gevolg van de eerder geschetste puzzolane reacties is in het algemeen dat een dichtere poriestructuur van het beton ontstaat en een lager gehalte vrije kalk of portlandiet. Door de dichtere structuur is het beton beter bestand tegen de indringing van vloeistoen en gassen. Dus mogelijk zijn mengsels met lavameel beter bestand tegen chloride-indringing, vorst-dooi - wisselingen en sulfaataantasting (vooral wan- neer het aandeel klinker wordt verlaagd). Een apart aspect is de weerstand tegen carbo- natatie. Weliswaar is aan de ene kant de porie - structuur van beton met lavameel dichter, maar aan de andere kant is de hoeveelheid vrije kalk door de puzzolane reactie lager en daardoor is er minder buercapaciteit tegen carbonatatie. Welk eect de overhand heeft, kan door middel van testen worden aangetoond. Overigens is het kalkconsumerende vermogen van lavameel meestal minder dan van poederkoolvliegas. Van een vergelijkbaar eect is ook sprake bij het risico op schadelijke ASR. Enerzijds bevat - 7 Tufsteen, gegradeerd, ongemalen 8 Uitstoot van as over Europa 9 Santorini, gelegen op de rand van een vulkaan 10 Vulkanen wereldwijd 27 VAKBL AD 1 2023 24. Lavameel een oude bekende in het nieuw.indd 27 13-03-23 13:33 ten de meeste vulkanische vulstoen alkaliën, waardoor het alkaligehalte in het poriewater van beton wordt verhoogd. Anderzijds bevat- ten ze aluminiumoxide en dit is in staat om alkaliën in het poriewater te binden (Betoniek 17/05 ASR bestand [2]). VARIATIE De eigenschappen van lavameel zijn van veel zaken afhankelijk. Zo kan het gesteente varië- ren, waar de vulkanische materialen van afkomstig zijn. Daarbij is vooral de hoeveelheid silica van belang (de zuurheid van een gesteente). Maar ook de aanwezigheid van verontreinigingen, zoals de alkaliën natrium en kalium. Daarnaast bepalen de afkoelingscon- dities hoe de verschillende mineralen kristalli- seren en hoeveel er als amorf of glasachtig materiaal stolt. Deze amorfe fractie is door - gaans de meest reactieve fractie, maar ook sommige kristallijne mineralen kunnen puzzo- laan reageren. Ten slotte zijn er verouderingsreacties moge - lijk, waardoor gesteenten verweren en de eigenschappen veranderen. Uit vulkanisch materiaal kan door verwering zeoliet worden gevormd. Dit is een verzamelnaam voor micro- poreuze mineralen, ook wel minerale zeef genoemd, en wordt bijvoorbeeld veel toege - past in kattenbakkorrels. VEEL NIEUWE REGELGEVING In de cementnorm EN 197-1 worden cementen op basis van lavameel/tras als CEM II/A-P en CEM II/B-P gedenieerd (portland puzzolaan- cement). Op basis van deze norm kunnen deze cementen met een CE-markering op de markt worden gebracht. Voor toepassingen in con- structief beton is in België een ATG-procedure vereist, vergelijkbaar met de Nederlandse KOMO-certicering. In Nederland hanteren we hierbij BRL 2604 voor 'niet zonder meer toege - laten cementen' voor constructief beton. Deze BRL 2604 is onlangs samengevoegd met BRL 2601 voor toegelaten cementen, tot een nieuwe BRL (zie ook artikel 'Nieuwe normen, nieuwe cementen, nieuwe BRL' elders in deze Betoniek). Deze nieuwe BRL 2601 verwijst naar de herziene CROW-CUR Aanbeveling 48 voor het aantonen van gelijkwaardige duurzaam- heidsprestaties (bestandheid tegen vorst- dooi, carbonatatie, sulfaat en chloride). Overigens is de combinatie CEM III/B met puz - zolanen, dus ook met lavameel, in de nieuwe NEN 8005 niet meer toegestaan voor alle mili- euklassen, omdat de hoeveelheid vrije kalk en dus de carbonatatiebescherming anders erg laag wordt. CROW-CUR A ANBEVELING 129 Een andere route is de toepassing van lava- meel/tras als reactieve vulstof, dus type II, in beton. Omdat tras als grondstof voor cement al is toegelaten onder EN 197-1, is een eerste stap voor de introductie als betonvulstof al genomen. Cementbouw heeft voor deze toe - passing een CROW-CUR Aanbeveling op laten stellen. Deze wordt binnenkort gepubliceerd als CROW-CUR Aanbeveling 129. Als basis hier voor is door een CROW-werkgroep een uit - gebreid onderzoeksplan opgesteld, dat door SGS INTRON is uitgevoerd. Op basis van deze nieuwe CROW-CUR Aanbe - veling wordt door KIWA de BRL 1808 ('Lavameel als type II vulstof in beton') opgesteld voor lava- meel als vulstof in constructief beton. Voor het uiteindelijke doel, de toepassing van lavameel via geattesteerde cement-vulstofcombinaties, is nog een uitbreiding van BRL 1802 over vul- stoen nodig. De gelijkwaardigheid van deze cement-vulstofcombinaties moet net als voor de nieuwe cementsoorten door middel van onderzoek worden aangetoond, aan de hand van de duurzaamheidsparameters uit de (her - ziene) CROW-CUR Aanbeveling 48. In het onderzoek dat is uitgevoerd voor CROW-CUR Aanbeveling 129 is gekeken naar gangbare eisen aan vulstoen voor beton: chemische samenstelling, dichtheid, korrel- gradering, waterbehoefte, invloed op de bindtijd en methyleenblauwwaarde (kleige - halte). Ver volgens is de reactiviteit van enkele lavavulstoen uitgebreid gekarakteri- seerd. Hier voor is het gehalte reactief (oplos - baar) silica bepaald, zoals we dat van poe - derkoolvliegas kennen. Maar er is ook gekeken naar de werkelijke prestatie van een PUZZOL ANE REACTIES ?Si?O?Si?O + OH ? ? SiO(OH) 3 ? oplossen silica ?Si?O?Al?O? + OH ? ? SiO(OH) 3 ? + Al(OH) 4? oplossen aluminiumsilicaat met Ca 2+, OH ?, H 2O ? ? ? en SO 42? CSH C 4AH 13 'ettringiet' vorming cementsteen AMORF OF KRISTALLIJN Wanneer gesmolten mineralen (lava, vliegas, slakken, klinker, glas) afkoelen, gaan ze van de vloeibare naar de vaste fase; ze stollen. In de vloeibare fase bewegen de atomen vrij door de smelt; afhankelijk van de stroperigheid/vis - cositeit van de vloeistof. Bij langzaam afkoelen kunnen de atomen in de smelt kristalliseren. Ze vormen een dichte, geordende pakking. Wanneer het afkoelen te snel gaat, stijgt de viscositeit te snel voor de atomen om hun 'ide - ale' plek te vinden. De ongeordende toestand wordt als het ware ingevroren. Ook de aanwe - zigheid van verontreinigingen kunnen ervoor zorgen dat een mineraal niet kan uitkristalli- seren. Het gevolg is een mineraal met een amorfe structuur, waarbij de atomen ongeor - dend zitten. Door deze slechte pakking is de dichtheid van amorfe mineralen lager dan van kristallen, maar is ook de oplosbaarheid beter. De dichtheid van kristallijn silica (kwarts) is met 2,65 kg/dm 3 bijvoorbeeld beduidend hoger dan van amorf silica met 2,2 kg/dm 3. Overigens is kristal glas geen kristallijn mate - riaal, maar een glas dat lood bevat. Voor de toepassing van lavameel als type II vulstof in beton wordt binnenkort CROW-CUR Aanbeveling 129 gepubliceerd 28 VAKBL AD 1 2023 24. Lavameel een oude bekende in het nieuw.indd 28 13-03-23 13:33 puzzolane vulstof en dat is het binden van opgeloste kalk (calciumhydroxide) en de vor- ming van calcium-silicaat-hydraat of cementsteen. Hier voor zijn recent door RILEM testmethoden ontwikkeld om de reac- tiviteit (puzzolaan maar ook latent hydrau- lisch) van vulsto en te meten [3]. Van deze testen bleken de hydratatiewarmte en de hoeveelheid gebonden water (hydraatwater) goede parameters om de reactiviteit van lavameel te kwanti ceren. Voor de toepassing is uiteindelijk van belang wat het vermogen van de type II vulstof is om cement te ver vangen. Wat betreft de sterkte- ontwikkeling wordt dit uitgedrukt in de activi- teitenindex. Maatgevend is de activiteitenindex gemeten na 28 dagen verharding. Maar omdat we weten dat puzzolanen vaak na een paar weken pas beginnen te reageren, is de index op 90 dagen ook bepaald. Zie tabel 1 voor de spe- ci eke eisen in deze aanbeveling. STEEDS COMPLEXER Geconcludeerd mag worden dat de introductie van een 'nieuwe' grondstof voor constructief beton nog steeds zeer zorgvuldig wordt voor- bereid en uitgevoerd. Dit zorgt er voor dat daarna een brede toepassing mogelijk is, waarbij betonproducenten en opdrachtgevers volledig kunnen bouwen op de verleende certi caten. We kunnen de komende jaren de introductie verwachten van verschillende nieuwe vulstof- fen, cementen en alternatieve bindmiddelen voor beton. Wie de nieuwe NEN 8005 heeft gezien, weet dat het ontwerpen van beton- mengsels steeds complexer wordt. Uiteindelijk zullen we voortdurend moeten kijken hoe we beton verder kunnen verduur- zamen om de klimaatdoelstellingen te kunnen halen. Goede regelgeving blijft hierbij een onmisbaar instrument. Literatuur 1 Nijland, T.G., Larbi, J.A., Rooij, M.R. de, Polder, R., Use of Rhenish trass in marine concrete: A microscopic and durability perspective. Heron, 2007. 2 Betoniek 17/05 ASR bestand. 3 Reactivity tests for supplementar y cementitious materials: RILEM TC 267-TRM rapport, 2018. Tabel 1. Speci eke eisen uit CROW-CUR Aanbeveling 129 GLOEIVERLIES 5% GEBONDEN WATER (7 D)* 4,0 G/100 G SiO + AlO + FeO 70% (Invloed op) bindtijd < 120 min. Reactief SiO 25%*Vormhoudendheid < 10 mm NaO-equivalent 5% Autoclaaf expansie 0,08% SO (sulfaat) 5% Expansie onder water (40°, 180 d) 1,0 Cl (chloride) 0,1% Activiteitenindex (28 d) 75 Warmte-vrijzetting (7 d)* 100 J/g Activiteitenindex (90 d) 85 * indien reactief silica < 25%, gelden de eisen voor warmte-vrijzetting en gebonden water EEN NIEUWE UITBARSTING IN DE EIFEL? Op 5 mei 2010 barste de vulkaan Eyjafjallajökull op IJsland uit. We kregen te maken met de e ecten van de aswolk, die veel vliegverkeer lange tijd hinderde. De uitbarsting van de Laacher vulkaan in de Eifel zo'n 13.000 jaar geleden had vooral impact op het land. Niet alleen door de uitstroming van lava en as, maar ook door de vorming van een dam in de Rijn, die op een gegeven moment doorbrak en grote overstromingen veroorzaakte. Momenteel ziet de vulkaankrater met het Laacher meer er rustig uit. Voor de zekerheid wordt deze plek wel gemonitord. Er blijkt namelijk koolzuur in het meer omhoog te borrelen en ook worden trillin- gen waargenomen. Op basis van veranderingen in deze activiteit beweren sensatiebeluste media dat er binnen 2000 jaar een nieuwe uitbarsting kan worden verwacht. Serieuze deskundigen weerleggen dit. Maar stel dat het wél zo is, ben je hierbij alvast gewaarschuwd. Interessante eigenschappen van lavameel in beton zijn de verbetering van het milieupro el, een dichte poriestructuur en de beperking van kalkuitbloei CROW-CUR A ANBEVELING 129 CROW-CUR Aanbeveling 129 'Lavameel als type II vulstof in beton' is vanaf voorjaar 2023 beschikbaar op www.cur-aanbevelingen.nl. CROW-CUR Aanbeveling 129\f2022Lavameel al\b type II vul\btof in beton CROW-CUR Aanbeveling 129\f2022 ? Lavameel al\b type II vul\btof in beton CROW-CUR Aanbeveling 129 Lavameel als type II vulstof in beton_CV.indd \ 1 13-03-23 13:28 11 29 VAKBL AD 1 2023 24. Lavameel een oude bekende in het nieuw.indd 29 13-03-23 13:33