Beton is een composietmateriaal, wat betekent dat het uit meerdere grondstoffen bestaat, zoals cement en water. Om beton te maken lijmen we gesteenten in verschillende groottes - in Nederland vooral zand en grind - met een bindmiddel aan elkaar. Over beton is steeds vaker discussie, vooral omdat de productie van cement veel CO2 uitstoot. In dit artikel kijken we hoe cement werkt, welke rol het speelt en waarom ook alternatieve bindmiddelen niet dè oplossing zijn voor duurzamer beton.
Sinds de uitvinding van portlandcement twee eeuwen geleden gebruiken we cement als bindend onderdeel. Het basismateriaal voor al onze cementen is de portlandcementklinker. Deze maken we door kalksteen (CaCO3) onder hoge temperatuur (> 1000 °C) te branden. De kalksteen valt dan uit elkaar in vrije kalk (CaO) en kooldioxide (CO2). Na afkoelen malen we de vrije kalk tot een fijn poeder (portlandcement). Als we die gemalen vrije kalk dan met water (H2O) blussen, ontstaat er in een snelle reactie een fijn wit poeder, calciumhydroxide (Ca(OH)2). Dit is de lijm die de korrels zand en grind aan elkaar plakt. Als het mengsel (beton) droog genoeg is en er ook CO2 uit de lucht bij kan komen, dan krijgen we weer kalksteen en water hiervoor terug. Op deze manier sluiten we de kalkdriehoek steeds weer.
In Nederland hadden we alleen in Zuid-Limburg kalksteen die geschikt was als bindmiddel in beton. Omdat we vooral in het begin van de twintigste eeuw steeds meer cement en beton gingen gebruiken, zochten we naar andere grondstoffen die ook konden binden, net als portlandcementklinker. We vonden er twee: hoogovenslak en poederkoolvliegas. Hoogovenslak is een afvalproduct van de staalindustrie en poederkoolvliegas van de energiecentrales die met steenkool stoken. Deze bleken geschikt om een deel van de portlandcementklinker te vervangen. Deze producten veranderden zo van afvalstof tot grondstof.
Hoogovenslak heeft latent-hydraulische eigenschappen. Latent-hydraulisch betekent dat het materiaal calciumhydroxide kan vormen (het is dus een bindmiddel), maar het heeft een activator nodig om de binding op gang te brengen. Dat is dan toch weer portlandcementklinker.
Poederkoolvliegas is een vulstof met puzzolane eigenschappen. Een puzzolane vulstof is een vulstof die niet met water alleen reageert, maar wel met water én calciumhydroxide. Samen met portlandcementklinker kan poederkoolvliegas dus prima werken.
Hoogovenslak
Omdat er veel hoogovenslak en poederkoolvliegas beschikbaar waren, konden we lange tijd heel eenvoudig zo min mogelijk portlandcementklinker gebruiken. Daardoor zien we in Nederland niet alleen portlandcement, maar ook hoogovencement en portlandvliegascement als belangrijke cementsoorten.
Nu weten we dat CO2 een belangrijke rol speelt bij klimaatverandering. Omdat bij de productie van portlandcementklinker veel CO2 vrijkomt, is portlandcement dus steeds minder gewenst. Portlandcement zorgt voor 7% van de CO2-uitstoot in de wereld. In Nederland lag dat altijd al beneden de 2%, omdat we al veel hoogovencement en portlandvliegascement gebruikten. Dat geeft ons dus nog een voorsprong, maar andere landen gaan nu ook steeds meer hoogovenslak gebruiken om hun aandeel in de CO2-uitstoot te verminderen. Ook de staalproducenten en energiecentrales moeten duurzamer worden. Dit betekent dat de kwaliteit en hoeveelheid van hoogovenslak heel waarschijnlijk gaan veranderen. Poederkoolvliegas is al helemaal lastig, omdat er steeds meer kolencentrales in Europa zijn gesloten of gaan sluiten. Dan moeten we poederkoolvliegas van buiten de Europese Unie halen.
We zien nu ook een andere duurzame ontwikkeling, waarvoor opnieuw hoogovenslak en poederkoolvliegas nodig zijn. Dit zijn de alkalisch-geactiveerde bindmiddelsystemen of geopolymeren. Deze systemen ontdekten we in de jaren zestig van de vorige eeuw en bestaan uit precursors (uitgangsstoffen) en alkalische activatoren. Een geschikte precursor bevat reactieve aluminium- en siliciumhoudende hoofdbestanddelen. Hoogovenslak en poederkoolvliegas hebben dat. Een alkalische activator, zoals waterglas of natriumhydroxide, zorgt er dan voor dat een reactie op gang komt. Zo ontstaat een aluminiumsilicaatnetwerk (dat proces heet polymerisatie). De gel die dan ontstaat, heeft eigenschappen die lijken op cementsteen.
Maar we kunnen geopolymeren vanaf nu niet gebruiken om alle portlandcementklinker te vervangen, omdat ook hiervoor hoogovenslak en poederkoolvliegas nodig zijn. Het kan even helpen om deze grondstoffen uit het buitenland te halen, maar uiteindelijk is duurzaamheid iets voor de hele wereld.
We zien dus dat portlandcementklinker precursor en activator in één is, want portlandcement reageert van zichzelf met water tot een cementlijm. Nu alleen nog de uitstoot van CO2 naar nul brengen.
Opdrachtgever ProRail en aannemer Mobilis vertellen in dit webinar over hun ervaringen, dat gekenmerkt werd door vallen en weer opstaan.
Interview met Bas Pije, algemeen directeur bij Heidelberg Materials.
Kwaliteit begint bij een goed systeem én vakbekwame mensen, met de laborant als spil in het proces.
Maak kennis met de betontechnologie, inclusief samenstelling, mengsels, vervaardiging en verwerking.
Leer alles over betonsamenstellingen en hoe bindmiddelen en toeslagmaterialen op elkaar inwerken.
Eendaagse workshop voor architecten onder leiding van top betondeskundigen. Wat zijn de eigenschappen van beton en de samenstellende delen?
