De opwarming van de aarde: Is bouwafval de oplossing?
Wist je dat de bouwindustrie een van de grote boosdoeners is van de huidige milieuproblemen? Nog beter, wist je dat de bouwindustrie de sleutel in handen heeft om deze problemen op te lossen? Introduceer geopolymeren, een alternatief voor cement. Aanzienlijk minder CO2-uitstoot, bestaande uit industriële bijproducten (geen nieuw, ontgonnen materiaal), én bouwafval.
Milieuproblemen in cijfers:
Dat de bouwindustrie voor milieuproblemen zorgt? Dat is geen geheim. Cement, een van de belangrijkste bouwmaterialen ter wereld, is verantwoordelijk voor maar liefst 8% van de wereldwijde CO2-uitstoot. Daarbovenop wordt de helft van de ontgonnen grondstoffen als bouwmateriaal gebruikt, wat al snel voor schaarste zorgt. En bouwafval is ook niet te onderschatten, aangezien een derde van de Europese afvalstroom exclusief uit bouwafval bestaat. Een groot deel van dit afval belandt in stortplaatsen, wat tot verontreiniging van de grond, lucht, en grondwater kan leiden.
Maar niet getreurd, want de bouwsector neemt deze milieuproblemen als uitdagingen. De challenge? Een duurzame toekomst. En de introductie van geopolymeren is al een stap in de juiste richting. 
Geopolymeren zijn niet nieuw. Wat wel nieuw is, is het toevoegen van bouwafval aan deze cementalternatieven. En om deze ook effectief te gebruiken, moet zand toegevoegd worden, want zand en cement zijn nu eenmaal de basis van mortel en beton. Dé ultieme bouwsteen van onze huizen en gebouwen. Dat was mijn challenge.
Zomaar bouwafval?
Wel, neen. Pak een kookpot erbij, en meng bouwafval met een industrieel bijproduct. Dat levert je waarschijnlijk een hoop puin op, en helemaal geen geopolymeer. Daarvoor is nog een chemische stof nodig, een zogenaamd alkalische activator, die van het puin een bindmiddel maakt. Maar de optimale hoeveelheden? Dat moest nog onderzocht worden.
De onderzoekspunten:
Sterkte. Een sterk bindmiddel is de basis van een goed bouwmateriaal.
Vloeibaarheid. Aan een vloeibaar mengsel kan veel zand toegevoegd worden.
Hardingstijd. Het materiaal moet verharden, maar pas nadat het op de bouwplaats aankomt.
Dit levert het optimale ontwerp: 60% gegranuleerd hoogovenslak (ons industrieel bijproduct), 15% gerecycleerd betonpoeder, en 25% gerecycleerd baksteenpoeder.
En het zand?
Het zand was een ander groot onderzoekspunt. Welk zandsoort moet gebruikt worden? Zeezand, uit de Noordzee, gezeefd naar deeltjes kleiner dan 1 mm, of 2 mm? Of artificieel gestandaardiseerd zand? En welk zandhoeveelheid is optimaal?
Spoiler: het antwoord is grove zandsoorten, en 50% zand. Maar hoe werd dit precies bepaald? Om hierachter te komen moesten de geopolymeermortels gemaakt en getest worden.
De onderzoekspunten:
Ook hier is de sterkte van belang, zowel op buiging als op druk. Zand heeft een belangrijke invloed op de buigtreksterkte, en dat door verschillende redenen. Een van de redenen is de vloeibaarheid van het mengsel. Zand absorbeert het water in het mengsel, wat de vloeibaarheid laat dalen. Wanneer er te veel zand in het mengsel zit, of te weinig water, ontstaan er poriën. Zogenaamde kleine gaatjes die plaatsmaken voor lucht, en aangezien lucht geen sterkte heeft, hebben deze poriën een negatieve impact op de sterkte van de mortel.
Het soort zand heeft ook een belangrijke invloed op de buigtreksterkte. Grovere zandsoorten hebben grotere zanddeeltjes. Deze hebben de rol van “brug” wanneer ze op buiging belast worden, wat de buiging gedeeltelijk zal beperken, en dus voor een grotere sterkte zorgt. Ook absorberen grotere zanddeeltjes minder water dan kleinere zanddeeltjes bij eenzelfde zandvolume, waardoor een grotere zandhoeveelheid toegevoegd kan worden.
De invloed van zand op de druksterkte is beperkter. Zolang de poriën onder controle blijven, heeft de mortel de sterkte van de geopolymeer.
Het “50% zand” komt dus niet uit de lucht gevallen. Wanneer de zandhoeveelheid in de mortel geleidelijk stijgt, stijgt ook de buigtreksterkte, en dit tot 50% zand. Eenmaal deze hoeveelheid overschreden, daalt de sterkte, of wordt het verloop constanter. En jawel, grovere zandsoorten ondervinden inderdaad een grotere sterkte bij de optimale zandhoeveelheid.
Ook kan deze optimale hoeveelheid bepaald worden door naar de droge bulkdichtheid te kijken. Specifieker is de droge bulkdichtheid de dichtheid van de verharde mortel in droge toestand. Hierdoor kunnen de poriën, en dus de hoeveelheid lucht binnenin de mortelstaaltjes, geanalyseerd worden. Het is belangrijk om te weten dat zand een grotere dichtheid heeft dan de gemaakte geopolymeer. In ideale omstandigheden zou het gedeeltelijk vervangen van de geopolymeer door zand dus voor een stijging van de dichtheid moeten zorgen. Maar aangezien zand voor een daling van de vloeibaarheid zorgt, en dus een geleidelijke stijging van poriën, is dit niet volledig het geval.
Je raadt het al. Na 50% zand kent de droge bulkdichtheid een daling.
50% zand is dus de optimale hoeveelheid. Maar let op, elk zandsoort is uniek. Maak je gebruik van een grover zand? Dan kan die hoeveelheid lichtjes stijgen. Bij fijner zand kan die hoeveelheid lichtjes dalen. Of maak je gebruik van een ander geopolymeersamenstelling? Dan moet de vloeibaarheid gelijkaardig zijn aan die uit mijn onderzoek om je aan deze waardes te kunnen houden.
Ben je benieuwd welke sterktes de geopolymeermortels bereiken na 1, 3, 7, of 28 dagen, of waarom zand hier al dan niet een invloed op heeft? Of wil je een kijkje nemen naar de rekenmodellen om de sterktes op een ander tijdstip in te schatten? Bekijk dan zeker mijn thesis, die ook deze onderwerpen meer in detail bespreekt.
Is bouwafval dus dé oplossing?
Het gebruik van bouwafval in cementalternatieven is een veelbelovende oplossing voor milieuproblemen veroorzaakt door de bouwindustrie. Met geopolymeren vermindert niet alleen de hoeveelheid uitgestoten CO2, maar ook de benodigde grondstoffen en de totale afvalstroom. Zoals mijn onderzoek aantoont kan een sterke mortel met bouwafval worden gemaakt, die zeker niet te onderschatten is. Dit is een ideale basis voor een groen beton, en een duurzame toekomst.
Disclaimer: In dit onderzoek wordt het woord “geopolymeer” als synoniem gebruikt voor “alkalisch geactiveerd materiaal”, vanwege het flexibele gebruik van beide termen binnen de bouwindustrie. Door het hoge calciumgehalte in het mengsel voldoet het woord niet aan de definitie van “geopolymeer” uit de jaren 70, maar wel aan die van “alkalisch geactiveerd materiaal”.
Bibliografie
Clare Nullis, ‘WMO confirms 2024 as warmest year on record at about 1.55°C above pre-industrial level’, World Meteorological Organization. [Online]. Available: https://wmo.int/news/media-centre/wmo-confirms-2024-warmest-year-record…
‘Key aspects of the Paris Agreement | UNFCCC’, Unites Nations. [Online]. Available: https://unfccc.int/most-requested/key-aspects-of-the-paris-agreement
‘Sustainable construction practices and their effects on the environment’, Magnus Ventures. [Online]. Available: https://www.magnusventures.co.in/the-environmental-impact-of-the-constr…
‘Circular construction and materials for a sustainable building sector’, Build Up. [Online]. Available: https://build-up.ec.europa.eu/en/resources-and-tools/articles/circular-…
B. S. O. Al-Numan, ‘Construction Industry Role in Natural Resources Depletion and How to Reduce It’, in Natural Resources Deterioration in MENA Region: Land Degradation, Soil Erosion, and Desertification, A. M. F. Al-Quraishi and Y. T. Mustafa, Eds., Cham: Springer International Publishing, 2024, pp. 93–109. [Online]. Available: https://doi.org/10.1007/978-3-031-58315-5_6
‘What role do secondary materials play in new constructions and in buildings renovation?’, European Circular Economy Stakeholder Platform. [Online]. Available: https://circulareconomy.europa.eu/platform/en/news-and-events/all-event…
‘Overview of Greenhouse Gases’. [Online]. Available: https://www.epa.gov/ghgemissions/overview-greenhouse-gases
‘Bringing embodied carbon upfront’, World Green Building Council. [Online]. Available: https://worldgbc.org/climate-action/embodied-carbon/
‘The European Green Deal’, European Commission. [Online]. Available: https://commission.europa.eu/strategy-and-policy/priorities-2019-2024/e…
‘EU greenhouse gas emissions reduced by 7% in 2023’. [Online]. Available: https://ec.europa.eu/eurostat/web/products-eurostat-news/w/ddn-20250113…
‘EU construction and demolition waste protocol and guidelines’, European Commission. [Online]. Available: https://single-market-economy.ec.europa.eu/news/eu-construction-and-dem…
‘Circularity & Construction’, The European Cement Association. [Online]. Available: https://cembureau.eu/policy-focus/sustainable-construction/circularity-…
‘EU targets for demolition waste recycling in 2025’, European Demolition Association. [Online]. Available: https://www.europeandemolition.org/communication/news/eu-targets-demoli…
‘Circular economy: definition, importance and benefits’, European Parliament. [Online]. Available: https://www.europarl.europa.eu/topics/en/article/20151201STO05603/circu…
J. Hirani, ‘Exploring the 3 Pillars of Sustainability’, Greenpreneur. [Online]. Available: https://greenpreneur.in/sustainability/exploring-the-3-pillars-of-susta…
‘THE 17 GOALS | Sustainable Development’, United Nations. [Online]. Available: https://sdgs.un.org/goals
M. Purton, ‘Cement is a big problem for the environment. Here’s how to make it more sustainable’, World Economic Forum, Sep. 13, 2024. [Online]. Available: https://www.weforum.org/stories/2024/09/cement-production-sustainable-c…
O. Mamchii, ‘Top 10 Largest Cement Producers in the World in 2024’, Best diplomats. [Online]. Available: https://bestdiplomats.org/largest-cement-producers-in-the-world/
‘NBN EN 197-1: Cement - Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements’. Brussels, Belgium, 2011.‘World Steel in Figures 2024’, World Steel Association. [Online]. Available: https://worldsteel.org/data/world-steel-in-figures/world-steel-in-figur…
‘How Cement is Made’, Portland Cement Association. [Online]. Available: http://www.cement.org/cement-concrete/how-cement-is-made/
B. Vandevyvere, ‘Betontechnologie Cement: Lecture notes’. Department of Civil Engineering, KU Leuven, 2023.
L. M. Frederick, ‘Cement - Composition, Properties, Major Cements’, Britannica. [Online]. Available: https://www.britannica.com/technology/cement-building-material/Extracti…
Datis Export Group, Portland Cement Production Process.
J. L. Provis and J. S. J. van Deventer, Alkali Activated Materials. Springer, 2014.
M. J. Gibbs, P. Soyka, and D. Conneely, ‘CO2 emissions from cement production’, Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories, p. 8.
‘Climate change: the greenhouse gases causing global warming’, European Parliament. [Online]. Available: https://www.europarl.europa.eu/topics/en/article/20230316STO77629/clima…
J. L. Provis, ‘Alkali-activated materials’, Cement and Concrete Research, vol. 114, pp. 40–48, 2017.
J. Ahmad et al., ‘A Comprehensive Review on the Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBS) in Concrete Production’, Sustainability, vol. 14, no. 14, Art. no. 14, 2022, [Online]. Available: https://www.mdpi.com/2071-1050/14/14/8783
R. Siddique and M. Iqbal Khan, ‘Ground Granulated Blast Furnace Slag’, in Supplementary Cementing Materials, R. Siddique and M. I. Khan, Eds., Berlin, Heidelberg:
Springer, 2011, pp. 121–173. [Online]. Available: https://doi.org/10.1007/978-3-642-17866-5_3
‘What is GGBS?’, CSMA - Cementitious Slag Makers Association. [Online]. Available: https://ukcsma.co.uk/what-is-ggbs/
CSMA - Cementitious Stag Makers Association, The Blast Furnace.
E. Özbay, M. Erdemir, and H. İ. Durmuş, ‘Utilization and efficiency of ground granulated blast furnace slag on concrete properties – A review’, Construction and Building Materials, vol. 105, pp. 423–434, Feb. 2016.
S. Sasui, G. Kim, J. Nam, T. Koyama, and S. Chansomsak, ‘Strength and Microstructure of Class-C Fly Ash and GGBS Blend Geopolymer Activated in NaOH & NaOH + Na2SiO3’, Materials (Basel), vol. 13, no. 1, p. 59, Dec. 2019.
‘Construction and demolition waste’, European Union. [Online]. Available: https://environment.ec.europa.eu/topics/waste-and-recycling/constructio…
J. Vitse, D. Zhang, and J. Li, ‘Effect of increasing slag content on the workability and mechanical properties of CDW-GGBS based geopolymer composites’, Rilem, 2024.
EPA, ‘Sustainable Management of Construction and Demolition Materials’. [Online]. Available: https://www.epa.gov/smm/sustainable-management-construction-and-demolit…
V. Horsakulthai, ‘Effect of recycled concrete powder on strength, electrical resistivity, and water absorption of self-compacting mortars’, Case Studies in Construction Materials, vol. 15, Dec. 2021, [Online]. Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214509521002400
C. Sun, L. Chen, J. Xiao, A. Singh, and J. Zeng, ‘Compound utilization of construction and industrial waste as cementitious recycled powder in mortar’, Resources, Conservation & Recycling, vol. 170, 2021.
Y. Gao, X. Cui, N. Lu, S. Hou, Z. He, and C. Ling, ‘Effect of recyled powders on the mechanical properties and durability of fully recycled fiber-reinforced mortar’, Journal of Building Engineering, vol. 45, Nov. 2021.
Jiabin Li, ‘Sustainable Materials Management: Lecture notes’. Department of Civil Engineering, KU Leuven, 2025.
Y. Ji, W. Ji, and W. Li, ‘Performance of Building Solid Waste Powder in Cement Cementitious Material: A Review’, Materials, vol. 15, no. 15, Jan. 2022, [Online]. Available: https://www.mdpi.com/1996-1944/15/15/5408
M. H. Raza, R. Y. Zhong, and M. Khan, ‘Recent advances and productivity analysis of 3D printed geopolymers’, Additive Manufacturing, vol. 52, p. 102685, Apr. 2022.
A. Gopinath, A. Bahurudeen, S. Appari, and P. Nanthagopalan, ‘A circular framework for the valorisation of sugar industry wastes: Review on the industrial symbiosis between sugar, construction and energy industries’, Journal of Cleaner Production, vol. 203, pp. 89–108, Dec. 2018.
Intratec Solutions, Industrial production process of NaOH. 2021.
‘Production process of sodium silicate’, Ingessil. [Online]. Available: https://www.ingessil.com/en/processoproduttivosodio
‘Manufacture of Soluble Silicates’, CEES. [Online]. Available: https://www.cees-silicates.org/index.php/manufacture
Ismail Amer, Mohamed Kohail, Muhammas S. Elfeky, and Ahmed Rashad Ibraheem, ‘A review on alkali-activated slag concrete’, Ain Shams Engineering Journal, vol. 1, no. 12, Oct. 2024, [Online]. Available: https://www.researchgate.net/publication/348759906_A_review_on_alkali-a…
M. T. Marvila, A. R. G. de Azevedo, and C. M. F. Vieira, ‘Reaction mechanisms of alkali-activated materials’, Revista IBRACON de Estruturas e Materiais, vol. 14, Apr. 2021, [Online]. Available: https://www.scielo.br/j/riem/a/7kfhK6CRXpnKhY7wztyDxMK/
Musab Alhawat, Ashraf Ashour, Gurkan Yildirim, Alper Aldemir, and Mustafa Sahmaran, ‘Properties of geopolymers sourced from construction and demolition waste: A review’, Journal of Building Engineering, vol. 50, 2022.
Pankaj Saini, Paramveer Singh, and Kanish Kapoor, ‘Strength and durability properties of geopolymer mortar made with concrete waste powder’, Engineering proceedings, 2023.
Dongsheng Zhang, Tao Zhu, Qiuning Yang, Veerle Vandeginste, and Jiabin Li, ‘Influence of ground granulated blast funcace slag on recycled concrete powder-baser geopolymer cured at ambient temperature: Rheology, mechanical properties, reaction kinetics and air-void characteristics’, Construction and Building Materials, vol. 483, 2024.
U. N. Environment, ‘Sand and Sustainability: 10 Strategic Recommendations to Avert a Crisis’, GRID-Geneva, Geneva, Switzerland, Apr. 2022. [Online]. Available: https ://unepgrid.ch/en/resource/2022SAND
Rob van der Wal, ‘Het zand raakt op’, NEMOKennislink. [Online]. Available: https://www.nemokennislink.nl/publicaties/het-zand-raakt-op/
‘Why is the world running out of sand? | The Week’, The Week. [Online]. Available: https://theweek.com/news/science-health/960931/why-is-the-world-running…
J. Linzmeier, ‘The Global Sand Crisis: Examining Causes, Consequences, and Sustainable Alternatives’, Clark Nexsen. [Online]. Available: https://www.clarknexsen.com/the-global-sand-crisis-examining-causes-con…
V. Beiser, ‘Why the world is running out of sand’, BBC. [Online]. Available: https://www.bbc.com/future/article/20191108-why-the-world-is-running-ou…
‘Sand and gravel extraction in the Belgian part of the North Sea’. FPS Economy, S.M.E, Self-employed and Energy, Jan. 06, 2021. [Online]. Available: https://economie.fgov.be/en/publication/sand-and-gravel-extraction
‘Types of sand used in construction and their uses’, UltraTech Cement. [Online]. Available: https://www.ultratechcement.com/for-homebuilders/home-building-explaine…
‘6 Differences Between River Sand and Sea Sand’, Daswell. [Online]. Available: https://daswellmachinery.ph/6-differences-between-river-sand-and-sea-sa…
Muhammad Zeeshan, ‘Can Sea Sand Be Used for Construction? A Comprehensive Analysis’, Alsyed Construction. [Online]. Available: https://alsyedconstruction.com/can-sea-sand-be-used-for-construction-a-…
‘Manufactured Sand - What Is It and How to Make It’, SBM Industrial Technology Group. [Online]. Available: https://www.sbmchina.com/media/articals/manufactured-sand.html
C. Ulsen, H. Kahn, G. Hawlitschek, E. A. Masini, S. C. Angulo, and V. M. John, ‘Production of recycled sand from construction and demolition waste’, Construction and Building Materials, vol. 40, pp. 1168–1173, Mar. 2013.
‘Sand and Gravel’, Minerals Education Coalition. [Online]. Available: https://mineralseducationcoalition.org/minerals-database/sand-and-grave…
J. Bu, Z. Tian, S. Zheng, and Z. Tang, ‘Effect of sand content on strength and pore structure of cement mortar’, Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., vol. 32, no. 2, pp. 382–390, May 2017.
Charles, ‘What Is The Role Of Sand In Mortar Mixes?’, AHS Ltd. [Online]. Available: https://www.ahs-ltd.co.uk/what-is-the-role-of-sand-in-mortar-mixes/
M. Stefanidou, P. Koltsou, M. Stefanidou, and P. Koltsou, ‘The Role of Sand in Mortar’s Properties’, in Sand in Construction, IntechOpen, 2022. [Online]. Available: https://www.intechopen.com/chapters/80288
‘NBN EN 13139: Aggregates for mortar’. Brussels, Belgium, 2002.
J. Temuujin, A. van Riessen, and K. j. D. MacKenzie, ‘Preparation and characterisation of fly ash based geopolymer mortars’, Construction and Building Materials, no. 24, 2010.
Warid Wazien Ahmad Zailani, Nazirah Mohd Apandi, Adeyemi Adesina, U. Johnson Alengaram, Meor Ahmad Faris, and Muhammad Faheem Mohd Tahir, ‘Physico-mechanical properties of geopolymer mortars for repair applications: Impact of binder to sand ratio’, Construction and Building Materials, 2023.
E. J. Guades, ‘Experimental investigation of the compressive and tensile strengths of geopolymer mortar: The effect of sand/fly ash (S/FA) ratio’, Construction and Building Materials, vol. 127, pp. 484–493, Nov. 2016.
P. Zhang, J. Su, Z. Gao, T. Zhang, and P. Zhang, ‘Effect of sand–precursor ratio on mechanical properties and durability of geopolymer mortar with manufactured sand’, Reviews on advanced materials science, vol. 63, no. 1, Jan. 2024, [Online]. Available: https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/rams-2023-0170/html
M. Steinerova, ‘Mechanical properties of geopolymer mortars in relation to their porous structures’, Ceramics, vol. 55, no. 4, 2011, [Online]. Available: https://www.researchgate.net/profile/Michaela-Steinerova-2/publication/…
‘NBN EN 196-1: Methods of testing cement - Part 1: Determination of strength’. Brussels, Belgium, 2016.
‘NBN EN 12390-1: Testing hardened concrete - Part 1: Shape, dimensions, and other requirements for speciemens and moulds’. Brussels, Belgium, 2021.
91
‘NBN EN 1015-3: Methods of test for mortar for masonry - Part 3: Determination of consistence of fresh mortar (by flow table)’. Brussels, Belgium, 1999.
J. Tan, ‘Recycling construction and demolition waste (CDW) through geopolymer technology’. 2022.
‘NBN EN 196-3: Methods of testing cement - Part 3: Determination of setting time and soundness’. Brussels, Belgium, 2016.
R. E. Walpole, R. H. Myers, S. L. Myers, and K. Ye, Probability & Statistics for Engineers & Scientists, 9th ed. Pearson, 2013.
Y. Xu and D. D. L. Chung, ‘Effect of sand addition on the specific heat and thermal conductivity of cement’, Cement and Concrete Research, vol. 30, no. 1, pp. 59–61, Feb. 2000.
