Design of ecological concrete by particle packing optimization

Pieter Ballieu Pieter Ballieu
Persbericht

Design of ecological concrete by particle packing optimization

Goedkoper en milieuvriendelijker beton, vanaf wanneer?

Wat als we beton veel goedkoper en milieuvriendelijker konden produceren? Op basis van de eerste twee woorden van de vraag zou je denken aan een komisch filmpje… Het antwoord op de vraag, en de cijfers daarachter, maken het echter eerder tragisch dan komisch.

Beton is het materiaal dat het vaakst gebruikt wordt in de bouwsector. Tegelijk is het één van de meest vervuilende materialen. De productie van cement, één van de vier basiscomponenten van een betonmengsel, is gigantisch. Ongeveer 6% van de globale CO2-uitstoot wordt veroorzaakt door cementproductie. Bovendien produceren en verbruiken we steeds meer en meer cement, onder meer door de groei van China.

Duurzamer beton, hoognodig

Er zijn verschillende mogelijkheden voor handen om de milieu-impact van beton in te perken. Een eerste is vrij basic: duurzamer beton. Hoe beter het beton, hoe minder snel we het moeten vervangen en hoe minder we moeten produceren. Andere opties focussen op het beperken van de milieu-impact van de componenten van beton, zijnde water, cement, zand en granulaten. Dat kan door ofwel bepaalde componenten minder te gebruiken ofwel door gebruik te maken van gerecycleerde materialen.

De milieu-impact van beton werd berekend met een Nederlands softwarepakket die een milieukostenidicator berekent, per m³ beton. Hoe hoger de milieukostenindicator van een mengsel, hoe slechter voor het milieu. Daarnaast maakt de tool het ook mogelijk te kijken welke component van het beton de grootste impact heeft. Gebaseerd op deze tool, en zoals verwacht, bleek cement doorslaggevend. De hoeveelheid cement doen afnemen is de beste manier om de milieu-impact van beton te beperken.

Hoe kan het?

Enkele mensen deden reeds research in deze richting. Francois De Larrard ontwikkelde het Compressible Packing Model (CPM). Dat is een theorie waarmee men kan berekenen hoeveel holle ruimtes (poriën) er zijn in een droog betonmengsel. Een droog betonmengsel bestaat traditioneel uit grove granulaten (kalksteen), fijne granulaten (zand) en cement. De verhouding tussen deze componenten en de karakteristieken van de componenten individueel bepalen de pakking. Deze is gerelateerd aan de hoeveelheid holle ruimtes. Sonja Fennis maakte van die theorie gebruik in haar doctoraat om een ecologisch beton te vervaardigen.

Sonja Fennis optimaliseert en ontwerpt ecologische betonmengsels gebaseerd op een cyclische ontwerpprocedure, bestaande uit drie stappen. In een eerste stap optimaliseert ze de pakking. Een toename van de pakkingsdichtheid leidt tot minder holtes. Zo is er bij een zelfde dosering water, meer water op overschot. Daardoor neemt de vloeibaarheid/verwerkbaarheid toe. In een tweede stap wordt deze toegenomen verwerkbaarheid tenietgedaan door de hoeveelheid water te verminderen. Minder water in een betonmengsel resulteert in een sterker beton. In een derde stap wordt, gebaseerd op de sterktewinst door de reductie aan water, de hoeveelheid cement verminderd. Op die manier verkrijgt men een beton met een zelfde sterkte en verwerkbaarheid als het referentiebeton, met een beperktere hoeveelheid cement. Dit is de economische en de ecologische winst.

Het Compressible Packing Model maakt het mogelijk om aan pakkingsoptimalisatie te gaan doen. Door de onderlinge verhoudingen tussen de vaste stoffen (zand, kalksteen en cement) te wijzigen, wijzigt de pakking. Het doel is om zo min mogelijk holle ruimtes te hebben. Dit is equivalent met een maximale pakking. Zo is er minder water nodig om het geheel voldoende verwerkbaar te maken. Bekijk het fenomeen pakking als volgt: de pakking van knikkers zal beter zijn dan van tennisballen (minder holle ruimtes). Bovendien zal de pakking van een wel bepaalde hoeveelheid knikkers en tennisballen samen nog beter zijn dan mochten er enkel knikkers gepakt worden. De vraag is echter: welke verhouding hebben we daarbij nodig?

Concreet uitgevoerde proeven

Aan de hand van proefondervindelijk bepaalde karakteristieken (korrelverdeling en pakking) van het zand en de kalksteen, en een berekeningstool gebaseerd op het Compressible Packing Model, is het mogelijk de meest optimale verhouding tussen de granulaten te bepalen. Het cement werd niet meegenomen in deze optimalisatie omdat men dan gevangen zit in een cyclische procedure: in de laatste stap wordt het cementgehalte gereduceerd en wijzigt de pakking opnieuw.

Bovenstaande theorie werd getest op een traditioneel beton bestaande uit twee zanden en twee kalkstenen (mix 1). Een pakkingsoptimalisatie resulteerde in een gewijzigde samenstelling van het betonskelet waarbij enkel het grove zand en het grove kalksteen nog werden gebruikt. Het beton geproduceerd volgens deze geoptimaliseerde granulatenverhouding resulteerde in een toegenomen verwerkbaarheid. De gereduceerde waterhoeveelheid voor het betonmengsel in stap 2 werd berekend aan de hand van een verband tussen de werkwerkbaarheid en de pakking, gevonden door Sonja Fennis.

De sterktewinst door de waterreductie van dat mengsel bedroeg zo’n 7%, vergeleken met het referentiemengsel. Een gevonden vuistregel is dat men de hoeveelheid cement dan met een zelfde percentage kan verminderen. In een derde en laatste stap werd er dus 7% van de cementhoeveelheid vervangen door diverse vulmaterialen (mix 10). Het mengsel met kalksteenmeel (LP – Limestone Powder) bleek daarin het best te scoren. Met 7% minder cement haalde het mengsel een zelfde sterkte en verwerkbaarheid als het referentiemengsel. Twee proeven die gekend staan als een duurzaamheidsindicator wezen ook op een verbetering van de duurzaamheid van het geoptimaliseerde mengsel. Dat betekent dus dubbele winst.

Conclusie, visueel en in cijfers

Voor het geoptimaliseerde mengsel was er slechts 310 kg cement nodig in plaats van 335 kg per m³ beton. Afgerond betekent dit dat er slechts 12 zakken cement nodig zijn in plaats van 13, voor één m³ beton. Dit resulteerde in een afname van de milieukostenindicator met 7%. De economische kost bleef quasi dezelfde. Aangezien er in België jaarlijks 16 miljoen m³ beton gemaakt wordt, dan betekent dit dat we grof gerekend 400 000 ton cement kunnen besparen. Dat staat voor een besparing van 32 miljoen euro, 1.6 miljoen GJ en 400 000 ton CO2…

De mogelijke winsten/besparingen zijn dus gigantisch. Maar er is nog meer. Mocht hier nog verder onderzoek naar gedaan worden, dan zou het absoluut mogelijk moeten zijn om nog extra winst te halen. Dat dit onderzoek de ogen mag openen en kan leiden tot goedkoper en milieuvriendelijker beton. Alle beetjes helpen immers het milieu.

Bibliografie

References

Andreasen, A.H.M. & Andersen, J. (1930). Über die beziehung zwischen Kornabstufung und Zwischenraum in Produckten aus losen Körnern (mit einigen Experimenten). Colloid & Polymer Sciense, 50, nr. 3, pp. 217-228.

Antoni, M. & Martirena, F. & Rossen, J. & Scrivener, K. (2012). Cement substitution by a combination of metakaolin and limestone. Cement and Concrete Research – Elsevier, 42, pp. 1579-1589.

Audenaert, K & De Schutter, G. (2004). Evaluation of water absorption of concrete as a measure for resistance against carbonation and chloride migration. Materials and Structures, 37, nr. 11, pp 591-596.

Ballieu, P. & Simpelaere, M. (2013). Invloed van de zandkarakteristieken op de verwerkbaarheid van vers beton. Masterthesis, KaHo Sint-Lieven, Opleiding Bouwkunde.

Beirnaert, A. & Ringoot, N. (2015). High quality recycling of bottom ashes. Masterthesis, University of Ghent, Faculty of Engineering and Architecture.

Belgische BetonGroepering (2009). Betontechnologie. Dilbeek: De Bouwkroniek.

Bosmans, T. & Van Der Putten, J. (2014). Opstellen van interactiekrommen ter verificatie van het compressible packing model. Masterthesis, Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur.

Breye, S. & De Vos, B. (2013). Optimalisatie van de samenstelling van ultra hoge sterkte beton. Masterthesis, Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur.

Chandra Sekhara Reddy, T. & Elumalai, J.K. (2014). Study of macro mechanical properties of ultra high strength concrete using quartz sand and silica fume. International Journal of Research in Engineering and Technology, 3, nr. 9, pp. 391-396.

Craenen, E. (2013). Duurzaamheidsaspecten van ultra hogesterktebeton. Masterthesis, Universiteit Gent, Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur.

De Belie, N. & De Schepper, M. & Van den Heede, P. & Windels, C. (2011). Life cycle assessment of completely recyclable concrete. Non-Traditional Cement & Concrete, Proceedings. p.67-76.

De Larrard, F. (1999). Concrete mixture proportioning: a scientific approach. Londen, Verenigd Koninkrijk: Routledge, Taylor & Francis Group.

De Schepper, M. (2014). Concrete for a More Environment-Friendly Construction. PhD, University of Ghent, Faculty of Engineering and Architecture.

Denarié, E. & Habert, G. & Rossi, P. & Sajina, A. (2013). Lowering the global warming impact of bridge rehabilitations by using Ultra High Performance Fibre Reinforced Concretes. Cement and Concrete Composites, 38, nr. 4, pp. 1-11.

Dewar, J.D. (1999). Computer Modelling of Concrete Mixtures. Londen. E & FN Spon.

Dils, J. (2015). Influence of Vacuum Mixing, Air Entrainment or Heat Curing on the Properties of Hardened and Fresh (Ultra) High Performance Mortar. PhD, University of Ghent, Faculty of Engineering and Architecture.

Fennis, S.A.A.M. (2010). Design of Ecological Concrete by Particle Packing Optimization. PhD, Technical University of Delft, Faculty of Civil Engineering and Geosciences.

Fethullah, C. & Tarun Naik, R. & Yoon-moon, C. (2003). Limestone powder use in cement and concrete. Draft report center for by-products utilization. University of Wisconsin. Milwaukee.

Fuller, W.B. & Thompson, S.E. (1907). The laws of proportioning concrete. ASCE J. Transport, 59, pp. 67-143.

Gruber, M. & Lesti, M. & Plank, J. & Schroefl, C. & Sieber, R. (2008). Effectiveness of Polycarboxylate Superplasticizers in Ultra-High Strength Concrete: The Importance of PCE Compatibility with Silica Fume. Journal of Advanced Concrete Technology, 7, nr. 1, pp. 5-12.

Justice, J. M. (2005). Evaluation of metakaolins for use as supplementary cementitious materials. Masterthesis. Georgia Institute of Technology.

Kwan, A.K.H & Moa, C.F. (2001). Effects of various shape parameters on packing of aggregate particles. Magazine of Concrete Research, 53 (2), pp. 91-100.

Langley, W.S. & Mehta, P.K. (2000). Monolith Foundation: Built to last a 1000 years. Concrete International, 22 (7), pp. 27-32.

Malvern (2014). Dynamic Light Scattering: An Introduction in 30 minutes – Technical Note version 4. Consulted on May 4th 2015 via http://www.malvern.com/en/support/resource-center/technical-notes/TN101104DynamicLightScatteringIntroduction.aspx

Mehta, P. K. (2001). Reducing the Environmental Impact of Concrete. Concrete International, 23, nr. 10. pp. 61-66.

Mehta, P. K. (2002). Greening of the Concrete Industry for Sustainable Development. Concrete International, 24, nr. 7. pp. 23-28.

Pawan Kumar, P. & Vipul Naidu, P. (2014). Replacement of Cement in Concrete. International Journal of Environmental Research and Development, 4, nr. 1, pp. 91-98.

Ployaert, D. (2009). Duurzaam beton door beheersing van de waterabsorptie. Technologie – Febelcem, November 2009.

Pratanu, G. & Quang, Tran. (2014). Correlation between bulk and surface resistivity of concrete. International Journal of Concrete Structures and Materials, 9, nr. 1, pp. 119-132.

Repisod Family. (2013). Operating Instructions Concrete Durability Testing. Proceq. Consulted on December 13th 2015 via http://www.proceq.com/fileadmin/documents/ proceq/products/Concrete/Resipod/English/resipod_family_OI_E_2013.01.07_low.pdf

SGS Intron B.V. (2013). Handleiding CUR Rekentool Groen Beton. Consulted on February 27th 2015 via http://www.sbrcurnet.nl/producten/publicaties/ontwerptool-groen-beton

The Cement Sustainability Initiative (2009). Recycling Concrete. World Business Council for Sustainable Development. Consulted on October 26th 2014 via http://www.wbcsdcement.org/pdf/CSI-RecyclingConcrete-FullReport.pdf

Zhan, S. P. & Zong, L. (2014). Evaluation of Relationship between Water Absorption and Durability of Concrete Materials. Hindawi Publishing Corporation – Advances in Materials Science and Angineering. Consulted on February 15th via http://www.hindawi.com/journals/amse/2014/650373/

Universiteit of Hogeschool
Master in Civil Engineering - Burgelijk ingenieur Bouwkunde
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Share this on: