auteur ir. Edwin Vermeulen MBA, ir. Cindy Vissering Betonhuis Kan beton nog circulairder? Consequenties en mogelijkheden circulair beton 1 Het Groot Handelsgebouw in Rotterdam heeft nog steeds de originele gevel en draagconstructie van beton Foto: Michiel Verbeek 18 VAKBLAD I 3 2018 P18_Circulariteit.indd 18 08-10-18 13:27 Ambities op het gebied van circulariteit zijn hoog en er zijn heel veel manieren om daar invulling aan te geven, ook voor het materiaal beton. Recycling is er daar een van. Het is weliswaar een belang- rijke, maar zeker niet de enige. D e circulaire economie heeft als uitgangspunt het sluiten van kringlopen. De motivatie daarachter is meerledig. Zo is er een eindigheid aan de beschikbaarheid van diverse grond- stoffen (zie ook kader 'Beschikbaarheid grondstoffen') en voor veel essentiële grondstoffen zijn we al afhankelijk van landen buiten Europa (fig. 2). Ook speelt de explosieve stijging van de vraag naar grondstoffen en de samen- hang van grondstoffengebruik met de uitstoot van CO 2. Tot slot hopen de afvalbergen zich op. Schaalniveaus van circulariteit Volgens de betonladder (zie kader 'Betonakkoord en betonladder') zijn er verschillende schaalniveaus van circula- riteit: van REFUSE en REDUCE tot aan RECYCLE. De belangrijkste vraag die je kunt stel- len, is óf je wel moet bouwen. Niet bouwen (REFUSE) heeft de grootste positieve milieu-impact. REFUSE kan ook betrekking hebben op de grondstoffenkeuze. Kan beton nog circulairder? 2 Productieconcentratie van kritieke materialen, bron: Europese Commissie 19 VAKBLAD I 3 2018 P18_Circulariteit.indd 19 08-10-18 13:27 Dat kan op het niveau van keuze tussen verschillende materialen, of als het over beton gaat, in de keuze van de grond- stoffen van het beton zelf (secundair of primair. REDUCE is een bekend onderwerp voor constructeurs: het zo slank mogelijk ontwerpen van de constructie. Het effect is tweezijdig: minder materiaal- gebruik én meer gebruiksoppervlak ten opzichte van de constructie, waardoor je bij gelijkblijvend gebruiksoppervlak kleiner kan bouwen. REDUCE kun je ook inzetten in het ont- werp van het betonmengsel. Zoals minder cement toepassen en hoog- ovenslak (restmateriaal dat vrijkomt bij de productie van ruwijzer) inzetten. Ook optimalisatie van korrelpakking valt hieronder (fig. 4). Hierbij wordt de spreiding in de korrelgrootte van de ingrediënten zo ontworpen, dat er minder 'gaten' vallen die gevuld moe- ten worden met cement. Beide methoden worden al breed toe-gepast en passen goed in de circulaire economie. Een van de volgende stappen is herge- bruik (RE-USE). Dit kan gelden voor een heel gebouw, bijvoorbeeld door het gebouw een andere functie te geven (foto 1). Of voor alleen de draagcon- structie, waarbij er een nieuwe schil voor het gebouw wordt gemaakt (foto 5). Ook kan het gelden voor bouwde- len. Aardige ontwikkeling in dat kader is het 'circulair viaduct', dat zó wordt ontwikkeld dat de elementen later in een ander viaduct kunnen worden ingezet (fig. 6). Of het 'donorskelet' waarbij delen van de draagconstructie van bestaande gebouwen worden her- gebruikt voor een nieuw gebouw. Door middel van reparatie (REPAIR) of renovatie (REFURBISH) kunnen objec- ten en/of bouwdelen een langere levensduur krijgen. Het verschil tussen deze twee zit vooral in de intensiteit van de aanpassingen die worden gemaakt. Recyclen Toch ligt de focus bij circulair beton vaak op recycling (RECYCLE). Dat gebeurt in Nederland, doordat er rela- tief veel bouwwerken worden gesloopt, op grote schaal. Volgens 'Nederland circulair in 2050' (zie kader) moet betonpuin hoogwaardig worden gere- cycled en ingezet om nieuwe produc- ten van te maken. Nu al wordt 100% van het betonpuin nuttig hergebruikt. Het grootste gedeelte wordt toegepast als wegfundatiemateriaal en een klein deel wordt toegepast als toeslagmateri- aal in nieuw beton. Hoogwaardig versus laagwaardig Door velen wordt de toepassing van betongranulaat in nieuw beton gezien als 'hoogwaardig' en de toepassing als fundatiemateriaal als 'laagwaardig'. Dat is echter niet gebaseerd op milieu- technische argumenten. Het materiaal blijft zo in de eigen keten en dat voelt goed. Bovendien wordt er dan gevoels- matig bespaard op primaire grondstoffen. In werkelijkheid is de toepassing van betongranulaat als toeslagmateriaal voor nieuw beton niet beter ('hoog- waardiger') of slechter ('laagwaardi- ger') dan de toepassing als fundatie- materiaal. In beide gevallen worden vergelijkbare primaire grondstoffen vervangen. Het nog niet-gereageerde cement in het betongranulaat levert bovendien meerwaarde in fundaties door opbouw van sterkte. Hierdoor kan een relatief dunne laag asfalt worden Betonakkoord en betonladder De betonketen heeft het initiatief genomen een eigen akkoord op te stellen: het Betonakkoord. Via vier tafels met de thema's CO 2-reductie, Circulaire Economie, Natuurlijk Kapitaal en Sociaal Kapitaal hebben partijen nagedacht over doelstellingen en maatregelen die effectief een invulling kunnen geven aan een duurzame betonketen. Het Betonak- koord is in juli 2018 ondertekend. Belangrijke benadering vanuit de tafel voor circu- laire economie is de zogenoemde betonladder. Deze ladder geeft verschillende opties om invulling te geven aan circulariteit: van refuse en reduce tot aan recycle (fig. 3). niveaus van circulariteit ? beton refuse re-use upcycle recycle downcycle repair refurbish remanufacture re-purpose hoog laag reduce ontwerp object grondstoffen rethink } } } 3 Niveaus van circulariteit in beton 4 Schematische weer- gave van het verhogen van de pakkingdicht- heid met behulp van korrelpakkingmodellen 20 VAKBLAD I 3 2018 P18_Circulariteit.indd 20 08-10-18 13:27 toegepast. Ook LCA-analyses tonen aan dat er uit milieuoogpunt geen algemene voorkeur bestaat (tabel 1). De lokale match tussen vraag en aan- bod en de transportafstand zijn daarom bepalend voor de milieutechnisch beste toepassing. Beschikbaarheid Als er overigens ooit geen vraag meer zou zijn naar fundatiemateriaal, zal al het betonpuin probleemloos worden toegepast in nieuw beton. Doordat er meer wordt gebouwd dan gesloopt, kan het vrijkomende betongranulaat namelijk maximaal circa 20% van de vraag naar grind vervangen [2], terwijl de regelgeving voor beton 30% vervan- ging toestaat voor alle betontoepassin - gen. De betonindustrie is er ook klaar voor om al het vrijkomende betongra - nulaat te gebruiken voor de productie van nieuw beton. Wanneer de vraag naar fundatiemateriaal gaat dalen, zal door marktwerking (vraag neemt af en de prijs daalt) de toepassing van betongranulaat vanzelf verschuiven naar toeslagmateriaal voor beton. Slim breken Naast het 'gewone' hergebruik van betongranulaat zijn er meerdere tech - nieken in ontwikkeling om betonpuin zodanig te behandelen dat het oor - spronkelijke toeslagmateriaal weer vrij - wel in zijn originele staat, dus vrij van cementsteen, wordt teruggewonnen. Deze technieken maken gebruik van het verschil in mechanische eigenschappen tussen cementsteen en toeslagmateriaal. Het gehydrateerde (en voor een klein deel ongehydrateerde) cement komt hierbij als separate fijne fractie vrij. Voorbeelden van deze technieken zijn het thermisch behandelen (grof beton- puin opwarmen tot > 600 °C, waarna het gemakkelijk mechanisch is te ver- kleinen), breektechnieken waarbij hoofdzakelijk het cementsteen breekt ('slim breken') en gebruik van een hoge elektrische puls (thermische expansie van de cementsteen op het grensvlak met het toeslagmateriaal c.q. drukgol- ven, waarbij de treksterkte wordt over- schreden). Deze technieken kunnen in theorie op termijn de traditionele bre- kers vervangen. Vooral het slim breken, waarvoor meerdere concurrerende technieken in ontwikkeling zijn, lijkt wat technologie betreft kansrijk. Uit onderzoek is gebleken dat het bij slim breken vrijkomende toeslagmate- riaal gelijkwaardig is aan primair toe - slagmateriaal. Slim breken maakt het daardoor makkelijker om naast de grove fractie ook de fijne fractie toe - slagmateriaal opnieuw toe te passen in beton. De fijne fractie van regulier betongranulaat is wel toe te passen in beton, maar vraagt qua handeling vaak aanpassingen aan de opslag en doseerinstallaties en bovendien heeft toepassen van de fijne fractie ook bij lage vervangingspercentages conse - quenties voor de rekenregels voor de constructeur. Nadeel van de geavanceerde beton- Nederland circulair in 2050 Ook in Nederland zijn er forse am- bities op het gebied van circulari - teit. Volgens de publicatie 'Neder - land circulair in 2050' van de Rijksoverheid (september 2016) [1] moeten kritieke en niet-duurzaam geproduceerde grondstoffen wor - den vervangen door duurzaam ge- produceerde, hernieuwbare en al - gemeen beschikbare grondstoffen en moet het ontstaan van afval worden voorkomen. Verder moet er sprake zijn van hoogwaardig herge - bruik. Wat hoogwaardig precies inhoudt, wordt overigens niet ge - neriek beschreven. Dit kan per grondstof anders zijn. 5 Bij het Wijnhavenkwar- tier in Den Haag is een nieuwe schil voor het gebouw gebruikt Tabel 1 Milieukosten en CO 2-emissies voor beton met en zonder granulaat Kwaliteit % granulaat MKICO 2 (kg/m 3) C20/250% granulaat € 10,98116 C20/25 20% granulaat € 11,06 117 C20/25 50% granulaat € 11,17 119 C20/25 100% granulaat € 11,09 120 C30/37 0% granulaat € 12,17 131 C30/37 20% granulaat € 12,31 133 C30/37 50% granulaat € 12,42 135 C30/37 100% granulaat € 12,34 136 21 VAKBLAD I 3 2018 P18_Circulariteit.indd 21 08-10-18 13:27 recyclingtechnieken is dat, waar cementsteen bij 'gewone' betonrecy- cling als onderdeel van het betongra- nulaat mee terug het nieuwe beton in gaat, er bij de geavanceerde recycling- technieken een grote aparte poeder- fractie ontstaat. Deze fractie, minimaal 400 kg per gerecyclede m 3 beton, is verhoudingsgewijs veel te veel om samen met het gerecyclede toeslagma- teriaal als vulstof in hetzelfde nieuwe beton toe te kunnen passen. Het kan wel als vulstof in beton met primaire materialen worden toegepast. Op dit moment levert dat milieutechnisch en betontechnologisch geen meerwaarde in vergelijking met de gebruikelijke (secundaire) vulstoffen, zoals poeder- koolvliegas. Wel is het zo dat poeder- koolvliegas op termijn schaars zal worden. Cement recyclen Materialen behouden in afgedankte producten idealiter hun oorspronkelijke kwaliteit, om opnieuw in hetzelfde soort product te kunnen worden gebruikt. Op het niveau van betonele- menten is dat goed denkbaar. Op het niveau van de grondstoffen voor beton echter niet. De toeslagmaterialen zand en grind wijzigen weliswaar niet wezenlijk bij de toepassing in beton, maar cement reageert met water tot een nieuw product. Dat nieuwe pro- duct, cementsteen, kan niet zonder bewerking opnieuw reageren met water. Weliswaar is er altijd een deel van het cement in beton aanwezig dat nog niet is gehydrateerd, maar dit aan- deel (gemiddeld minder dan 20%) is onvoldoende om te kunnen toepassen als bindmiddel. Uit onderzoek blijkt dat gerecycled cementsteen, zonder verdere behande- ling, voor de toepassing in beton als vrijwel inerte vulstof kan worden beschouwd. Met een (thermische) behandeling kan er mogelijk wel een reactieve vulstof van worden gemaakt. Mogelijk is de bij slim breken vrijko- mende poederfractie bruikbaar voor de productie van portlandcementklinker, de basisgrondstof voor cement. Voor- deel is dat er dan minder kalksteen hoeft te worden gebruikt voor de pro- ductie van klinker en er dus er minder CO 2 vrijkomt als gevolg van de calcina- tie. Door het hoge aandeel hoogoven- cement in Nederland en vooral door- dat een deel van het zand bij de bij slim breken vrijkomende poederfractie terechtkomt (circa 30% volgens [3]), is het noodzakelijk voor de productie van klinker om naast de gerecyclede cementsteen tevens kalksteen toe te voegen. Voor de productie van een constante kwaliteit klinker moet ook wel een constante stroom van de poe- derfractie beschikbaar zijn. Circa 55% van de CO 2-emissie bij de productie van portlandcement komt vrij bij de calcinatie van kalksteen (de omzetting van CaCO 3 in CaO en CO 2). Portlandcementklinker bestaat vooral uit C 3S en in mindere mate C 2S, waar- bij de C staat voor calciumoxide (CaO) en de S voor siliciumdioxide (SiO 2). Op basis van het totale hoge gehalte aan siliciumdioxide en het relatief lage gehalte aan calciumoxide in gerecycled cementsteen, kan maximaal circa 35% van de kalksteen worden vervangen, waarmee voor de productie van port- landcement een CO 2-reductie van circa 19% zou kunnen worden gerealiseerd. Er moet wel worden opgemerkt dat deze cijfers puur theoretisch zijn. Het vervangen van dergelijk grote hoeveel- heden kalksteen kan tot logistiek onmogelijke opgaven leiden. Het lijkt beter deze vorm van recycling te plaat- sen, daar waar het granulaat en de poederfractie direct kunnen worden ingezet: op een betoncentrale of bij een betonfabriek. Een dergelijk hoog vervangingspercen- tage is in de praktijk bovendien niet haalbaar vanwege de aanwezigheid van andere stoffen zoals zwavel. Boven- dien is een CO 2-reductie van 19% als ambitie sowieso gering in vergelijking met tevens in ontwikkeling zijnde alter- natieven zoals nieuwe klinkersoorten en CO 2-afvang ? er zijn meerdere technie- ken in ontwikkeling om minimaal 55% tot meer dan 70% van de CO 2-emissie bij de productie van cement af te vangen. Hoewel met de slimme breker toeslag- materiaal kan worden geproduceerd dat kwalitatief, voor de toepassing als toeslagmateriaal in beton, beter is dan regulier betongranulaat, lijkt het op dit moment vanwege de resterende poe- derfractie vooralsnog beter om beton op de reguliere wijze te breken tot betongranulaat en dat betongranulaat lokaal toe te passen als fundatie- of toe- slagmateriaal. Toekomstige ontwikke- lingen brengen daar wellicht verande- ring in. Combineren van ketens Beton levert in feite al heel lang een bij- drage aan de circulaire economie, ook al in de periode toen dit begrip niet bestond. Zo worden reststromen uit andere industrieën al decennia gebruikt: slak afkomstig van de ruwij- zerproductie en vliegas afkomstig van kolengestookte elektriciteitscentrales. Door deze nuttige toepassingen wordt afval in andere ketens opgewaardeerd tot bijproducten. Een recenter voor- 6 Bij Project Reevensluis zijn er vergevorderde plannen om een circu- lair viaduct te bouwen. 22 VAKBLAD I 3 2018 P18_Circulariteit.indd 22 08-10-18 13:27 beeld van de toepassing van secundair materiaal uit andere ketens is het gebruik van AEC-granulaat (de steen- achtige fractie die overblijft na de ver- branding van vooral huishoudelijk afval) in met name betonnen bestra- tingsproducten zoals stenen, tegels en banden. Verder wordt spoorballast gerecycled en vervolgens als toeslag- materiaal in beton toegepast (foto 7) en ook bij het thermisch reinigen van teerhoudend asfalt ontstaat toeslag- materiaal dat in beton wordt verwerkt. Risico's circulariteit Beton scoort dus al relatief goed als het gaat om circulariteit, al valt er natuurlijk nog wel veel te winnen op het gebied van adaptief en demontabel bouwen. Er kleven ook risico's aan het streven naar circulariteit. Het resulteert name- lijk in een steeds groter aanbod van alternatieve materialen voor toepassing in beton. Dit biedt tal van kansen voor het materiaal beton en draagt bij aan de circulariteit van andere ketens. Het brengt ook risico's met zich mee dat er materialen toegepast gaan worden, die ofwel direct negatieve consequenties hebben voor de betonkwaliteit of die op termijn het hergebruik van betongranulaat verhinderen. Nieuwe materialen zullen daarom zeer kritisch moeten worden onderzocht op geschiktheid voor toepassing in beton, rekening houdende met de toekom- stige recycling. Conclusie Het sterkste milieuvoordeel van beton is zonder twijfel de zeer lange en onderhoudsarme levensduur, zodat de op het gebied van circulariteit te beha- len winst beperkt is in vergelijking met materialen met een veel kortere levens- cyclus. Beton kan volgens de definitie van 'Nederland circulair in 2050' nu al als circulair worden beschouwd, door- dat er uitsluitend gebruik wordt gemaakt van algemeen beschikbare grondstoffen en er geen afval wordt gecreëerd. Daarbij worden productke- tens gecombineerd. Beton draagt zelfs bij aan het oplossen van afvalvraagstuk- ken van andere industrieën. Winst op het gebied van circulariteit moet voor beton dan ook vooral worden gezocht in hergebruik van bouwwerken en bouwdelen door demontabel en adap- tief ontwerpen. Literatuur 1 Nederland circulair in 2050, septem- ber 2016. Het ministerie van Infra- structuur en Milieu en het ministerie van Economische Zaken, mede namens het ministerie van Buiten- landse Zaken en het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koninkrijksrelaties. 2 #duurzaambeton ? trending topics, Betonplatform, november 2014. 3 Brouwers J., Florea M., Slim breken sluit materiaalkringloop, Cement 2013/4 7 Spoorballast wordt gerecycled en vervol- gens gebruikt al stoe- slagmateriaal in beton Foto: Marc Pasqual Beschikbaarheid grondstoffen De grondstoffen voor cement en beton (kalksteen, klei, grind en zand) zijn wereldwijd onbeperkt beschik- baar. Dat geldt ook voor onze regio. Ze vallen dus onder de categorie 'al- gemeen beschikbaar'. De maatschap- pij legt wel beperkingen op aan de winning van deze grondstoffen. Win- ning wordt alleen toegestaan onder de voorwaarde van maatschappelijke meerwaarde. Voor zand en grind zijn dit het creëren van nieuwe natuur of recreatiemogelijkheden of meer ruimte voor een rivier om overstro- mingen te voorkomen. Dit leidt, ook in de voorzienbare toekomst, tot vol- doende beschikbaarheid van zand en grind. 23 VAKBLAD I 3 2018 P18_Circulariteit.indd 23 08-10-18 13:27