Voor het eerst wordt het gebruik van innovatief geopolymeer-gebonden beton, zonder cement dus, toegepast in een veeleisende praktijkomgeving zoals de landbouw. Daardoor daalt de klimaatimpact met circa 70% in vergelijking met hetzelfde bouwwerk in gewoon ‘genormeerd’ beton. Bij de bouw van het nieuwe sleufsilocomplex bij ILVO in Merelbeke-Melle, wordt daarnaast ook gewerkt met recyclagebeton, met belangrijke milieuwinsten als pluspunt.
Na een reeks laboratorium- en piloottesten van het innovatiecentrum van de bouwsector, Buildwise, blijken de innovatieve betonsoorten minstens even sterk en slijtvast, en aanzienlijk veel duurzamer dan cementbeton. Het bouwproject met innovatiesteun van VLAIO krijgt een langlopende technische opvolging. De cijfers daarvan zullen de duurzaamheidstransitie van de betonbouw bevorderen.
Klimaat- en natuurimpact van beton
Beton is hét meest gebruikte bouwmateriaal ter wereld. Het is geliefd om zijn sterkte, lange levensduur en lokale beschikbaarheid. In België wordt jaarlijks ca. 14 miljoen m³ beton geproduceerd, voor woningen, wegen, industriebouw waaronder ook landbouwinfrastructuur. Maar er zijn twee keerzijdes.
Ten eerste gebruiken betonproducenten grote hoeveelheden natuurlijke grondstoffen zoals zand en grind. Dat roept duurzaamheidsvragen op omdat deze natuurlijke materialen schaarser worden. Ten tweede veroorzaakt het productieproces van de cementfractie (het bindmiddel van beton met de technische benaming Portlandklinker) een hoge CO₂-uitstoot.
De koolstofvoetafdruk van één m³ traditioneel beton bedraagt gemiddeld 300-360 kg CO₂-equivalenten. In Europa veroorzaakt de betonbouw 4 à 5% van de totale broeikasgasuitstoot. Wereldwijd loopt dat percentage op richting 10%. Circa 85% van de klimaatimpact van beton komt van de productie van cement.
Het productieproces van cement
In kalkgroeves wordt kalksteen gewonnen, die na vergruizing, zeven en zuivering wordt gehomogeniseerd. Deze grondstof wordt in een roterende oven verhit, waarbij men silicium-, ijzer- en aluminiumoxiden toevoegt om de gewenste mineralogische samenstelling te verkrijgen. De vlamtemperatuur in de oven kan oplopen tot circa 2000 °C, terwijl het eigenlijke sinterproces (‘calcinatie’) plaatsvindt bij ongeveer 1450 °C. Tijdens dit proces ontleedt calciumcarbonaat (CaCO₃) tot calciumoxide (CaO), waarbij aanzienlijke hoeveelheden CO₂ vrijkomen. Na afkoeling ontstaat het halffabricaat ‘klinker’. Voor de productie van cement wordt deze klinker fijngemalen, vaak samen met calciumsulfaat (gips) en met kalksteen of hoogovenslak om specifieke eigenschappen te verkrijgen.
Wanneer cement met water in contact komt, hydrateert het en vormt het een verhardende matrix die zand en grove granulaten bindt tot beton. De cementindustrie is verantwoordelijk voor ongeveer 8-10% van de wereldwijde door de mens veroorzaakte CO₂-emissies. Hiervan is circa 60% afkomstig van het ontbindingsproces van calciumcarbonaat en circa 40% van het gebruik van fossiele brandstoffen voor het verhitten van de ovens.
Twee veelbelovende oplossingen
Om beide uitdagingen aan te pakken bestudeert en test de bouwsector al enige tijd alternatieve bindmiddelen en duurzamere bulkgrondstoffen.
Recyclagebeton
De primair ontgonnen grondstoffen voor beton, namelijk zand en grove granulaten, zijn niet onuitputtelijk en vaak ook geïmporteerd. De druk op natuurlijke grondstoffen neemt wereldwijd toe. Op deze milieu-impact van beton is circulariteit een haalbaar antwoord. Concreet kunnen afvalstromen zoals steen- en betonpuin omgezet worden in herbruikbare grondstoffen. Urban mining (lees: materialen uit een gebouwde omgeving recupereren) vereist zorgvuldige selectie, specifieke verwerking (sorteer- en breekmachines) en receptontwikkeling. Via onderzoek en validatieproeven heeft Buildwise aangetoond dat circulaire betonsamenstellingen equivalente prestaties leveren qua sterkte en duurzaamheid, in vergelijking met beton van primair ontgonnen grondstoffen. In de zelf uitgestippelde voorschriften van de bouwsector is er nog geen sprake van deze innovatie: voor de bouw van sleufsilo’s staat ‘genormeerd’ beton bijvoorbeeld 0% recyclage toe.
Stijn Quintelier, Oosterzeelse Breek- en Betoncentrale OBBC: “In het sleufsilo-bouwproject maken wij voor ons bouwperceel beton met 30% gerecycleerde zanden en 88% gerecycleerde grove granulaten uit lokaal gebroken betonpuin. Wij zien de voordelen: we besparen grondstoffen- en verkleinen transportafstanden want onze regio is zeker zelfvoorzienend qua herbruikbaar betonpuin. We verminderen de milieu-impact én bieden een volwaardig, kwaliteitsvol alternatief. Wij hopen dat de langdurige opvolging met sensoren en het voorbeeld van bouwheer ILVO een extra argument oplevert om voor recyclagebeton te gaan.”
Geopolymeren als vervanging van cement
Geopolymeerbeton is beton waarin het bindmiddel een geopolymeer is, in plaats van cement. Geopolymeren maakt men via een chemische samenvoeging van een aluminosilicaat (zoals vliegas of hoogovenslak) en een alkalische (dus niet-zure) activator. De alkali-geactiveerde bindmiddelen kunnen vervolgens samen met de klassieke toeslagmaterialen een hard betonachtig eindproduct leveren.
Geopolymeren: technische details
Het principe is vrij eenvoudig: door aluminosilicaat-houdende reststromen zoals vliegas (poederachtig materiaal dat overblijft bij de kolenverbranding in elektriciteitscentrales) of slakken (reststromen uit de metaalindustrie) samen te brengen met een alkalische oplossing zoals natriumhydroxide en natriumsilicaat ontstaat de gewenste polymerisatie. De uitgeharde geopolymeer krijgt een driedimensionale moleculestructuur, een zgn. ‘aluminosilicaatnetwerk’. Via de chemische binding met een base worden de op zich niet-reactieve metaalslakken of vliegassen een mogelijks robuuste matrix. Dat levert de sterke hechting en uitharding in een betonmix. De effectieve implementatie van geopolymeren als beton-bindmiddel vergt voortgezet ontwikkelingswerk. Per gewenste betontoepassing is een nauwkeurige receptontwikkeling nodig. In een lab kan men de samenstelling van het bindmiddel afstemmen op de variabele chemie van de grondstoffen om tot de juiste verwerkbaarheid, druksterkte en duurzaamheid te komen.
Het innovatiecentrum van de Belgische bouwsector Buildwise besluit op basis van heel wat studie- en testwerk rond polymeerbeton dat er objectieve meerwaardes zijn:
- Klimaatimpact: De CO₂-uitstoot van geopolymeerbeton kan 40 tot 70% lager liggen dan die van conventioneel cementbeton. Het grootste verschil komt voort uit het feit dat er geen portlandklinker moet geproduceerd worden (het proces dat normaal zorgt voor het merendeel van de emissies). De netto milieu-impact van geopolymeerbindmiddelen wordt bepaald door de gekozen primaire grondstoffen (bv. hoogovenslak, vliegas, metakaolien) en de gebruikte alkalische activatoren (zoals natriumsilicaat en natriumhydroxide). Hoewel deze activatoren zelf energie-intensief kunnen zijn, tonen levenscyclusanalyses aan dat de totale broeikasgasuitstoot doorgaans substantieel lager blijft dan bij portlandcement. Bovendien kan de klimaatwinst verder toenemen wanneer secundaire grondstoffen en reststromen lokaal beschikbaar zijn, wat transportemissies reduceert en circulariteit bevordert.
- Circulariteit: Geopolymeerproductie maakt het mogelijk om industriële reststromen die voorheen moeilijk te valoriseren waren, om te zetten in hoogwaardige bouwmaterialen.
- Technische prestaties: Qua mechanische sterkte en structurele eigenschappen is geopolymeerbeton vergelijkbaar met traditioneel beton. Bovendien vertoont het een hogere weerstand tegen chemisch agressieve omgevingen, zoals zure of sulfaatrijke milieus. Dit maakt het bijzonder geschikt voor toepassingen waar conventioneel beton snel degradeert, bijvoorbeeld in sleufsilo’s. De lagere porositeit draagt bijkomend bij aan een langere levensduur.
Een her-uitvinding?
De allereerste experimenten met geopolymeerbeton waren er al in het begin van de 20e eeuw, zowel in de toenmalige Sovjet-Unie als in West-Europa. Er waren zelfs eerste industriële toepassingen in de jaren ‘40 en ‘50, vb. in en rond Marioepol (Oekraïne). België was toen ook al een pionierland (nu opnieuw). De hier studerende en werkende Engelse chemicus Arthur Purdon ontdekte en patenteerde een bindmiddel op basis van geactiveerde hoogovenslak. Hij runde 3 jaar een startup PurdoCement, maar kreeg zijn product PurdoCement niet rendabel, wegens o.m. de tegenwerking van Portland-cementbedrijven. In Brussel vind je nog realisaties met PurdoCement-beton uit de jaren ’50: Parking 58, delen van de Royal Building en huizen aan het Koning Overwinnaarsplein.
Lukas Arnout, CEO van ResourceFull in Eke: “Ons bedrijf heeft het geopolymeer voor de sleufsilo-beton op punt gesteld. Met kennis van chemie, reologie en hydratiekinetiek, en met aangepaste productielogistiek kunnen wij stabiel en reproduceerbaar de chemische activeringen van de geopolymeren controleren. Ons doel is om in dit bouwconsortium de geharmoniseerde Europese normen voor deze bindmiddelen te bepleiten. De afwezigheid van een BENOR label is vandaag een knelpunt voor de vlotte uitrol in de betonwereld.”
Eerste grootschalig bouwproject: 12 sleufsilo’s bij ILVO
Het innovatief betonbouwproject betreft 12 sleufsilo’s, waarvoor ruim 5000 m2 beton nodig is.
Dr. Leen Vandaele, wetenschappelijk directeur & expert runderonderzoek bij ILVO: “Door de zure kuilsappen die tijdens het fermentatieproces vrijkomen vormen sleufsilo’s een bijzondere uitdaging voor de kwaliteit van beton. Uit ervaring weten we dat in sommige bestaande sleufsilo’s op praktijkbedrijven het beton al na 10 jaar aangevreten is. De metingen van het biopolymeerbeton in deze praktijkomgeving zullen ongetwijfeld interessant zijn voor de bouwsector, maar ook voor de agrarische sector.”
ILVO heeft, als bouwheer, de gedurfde maar beredeneerde beslissing genomen om aan de slag te gaan met innovatief, naar verwachting veel duurzamer, maar ook iets duurder beton. In bouwprojecten zijn de opdrachtgevers doorgaans risicovermijdend. Ze houden vast aan veilige standaarden zoals BENOR-gecertificeerde bouwproducten en -processen.
ILVO had duidelijke drijfveren om de nog-niet-BENOR-gecertificeerde betonsoorten te verkiezen.
Evy De Vlieghere – Coördinator Infrastructuur en Bouwprojecten ILVO: “Wij hadden op studiedagen kennis genomen van de veelbelovende mogelijkheden van zowel geopolymeerbeton als recyclagebeton. Vooral de uitstekende chemische bestendigheid, de hoge druksterktes én de duurzaamheidsprestaties trokken onze aandacht, naast uiteraard het verantwoord grondstoffengebruik.”
PIO (Programma Innovatieve Overheidsopdrachten bij VLAIO) zorgde naast financiële steun (bijna €400.000) voor de praktische begeleiding en voor het partnerschap met Buildwise (rol van controlebureau, want nog geen BENOR-normering). PIO helpt overheden en publieke organisaties bij de aanbesteding, het zoeken naar de juiste leveranciers en ontwikkelaars en neemt ook een deel van de financiering op zich (tot 50%).
Mark Andries, administrateur-generaal VLAIO: “Dit project toont hoe het streven naar duurzaamheid en circulariteit samengaat met innovatie en leidt tot toekomstbestendige oplossingen. Ik ben tevreden dat we hebben mogen bijdragen aan deze state-of-the-art betontechnologie en hoop dat ze – eens gerealiseerd en succesvol gevalideerd – zal fungeren als voorbeeld voor de hele Vlaamse bouwsector.”
Sensoren in drie soorten beton, jarenlange opvolging
Drie verschillende soorten beton worden bij de nieuwe sleufsilo’s naast elkaar geplaatst en vergeleken:
- Het best beschikbare ‘klassieke’ beton, nl. het meest duurzame BENOR beton. Dit vormt de referentie, waaraan de kwaliteit en levensduur van de andere, innovatieve betonsoorten zal worden gemeten.
- Een reeks sleufsilo’s krijgt gerecycleerde betonnen granulaten. Hier wordt wél cement als bindmiddel toegevoegd, maar de traditioneel gebruikte grondstoffen (steenslag en zand), worden vervangen door circulaire materialen zoals gebroken betonpuin en breekzand. De aanpassing verkleint het gebruik van primaire grondstoffen met 60 % en zorgt bovendien voor lagere transportkosten.
- De sleufsilo’s uit cementloos beton met alkali-geactiveerde materialen worden gegoten door STRABAG Belgium, dat deel uitmaakt van de internationale bouwgroep STRABAG SE (hoofdzetel Oostenrijk, 86.000 werknemers, actief in diverse bouwsectoren), in samenwerking met AC Materials en ResourceFull.
In elk van de drie betontypes worden er sensoren geplaatst die gedurende meerdere jaren realtime data doorsturen naar een online dashboard bij Buildwise. De continu gemonitorde parameters zijn temperatuur, vochtgehalte, elektrische geleidbaarheid en wapeningpotentiaal. Zij geven een beeld van de degradatieprocessen. Er komen ook klassieke staalnames en extra analyses in het lab. Zo valideert Buildwise het gebruik van geopolymeerbeton voor deze bouwtoepassing. De verzamelde data voeden het dossier om voor innovatieve bindmiddelen zoals alkali-geactiveerde binders een productnorm te verkrijgen. Een BENOR kwaliteitslabel bijvoorbeeld.
Conclusie
De twee betrokken bouwconsortia (STRABAG Belgium/ ResourceFull/ AC Materials en O.B.B.C/ De Clercq Aannemingen) maken zich sterk dat de innovatieve betonsamenstellingen een grote duurzaamheidssprong kunnen veroorzaken in de sector. Na deze uitdagende landbouwtoepassing volgen er wellicht andere. Qua prijs is recyclagebeton al vergelijkbaar met BENOR-beton. Het alkali-geactiveerde beton is door de lage volumes voorlopig nog 30% duurder. Als de omzet en de langhoudbaarheid verhoogt kan de meerprijs dalen.
Joren Bracke, hoofdprojectleider bij STRABAG Belgium: “Voor STRABAG is dit bouwproject een strategische deelname. We kunnen deze ervaring met klimaatvriendelijker beton wellicht ook bij volgende projecten gebruiken. Volgens ons zit er al zeker voor de landbouwsector een win in deze innovaties.”
Joris Relaes, administrateur-generaal ILVO: “Landbouw is een zeer innovatieve sector, op alle vlakken. ILVO geeft met deze pionier-bouwbeslissing, en dankzij PIO, een duwtje aan de verdere doorbraak van een misschien wel belangrijke innovatie. Het gebruik van innovatieve en circulaire betontechnologieën voor de bouw van deze sleufsilo’s lijkt op het eerste zicht een puur technische optimalisatie, maar wel eentje die kan bijdragen aan de transitie naar een meer duurzame en klimaatbestendige landbouw- én bouwsector.”
Niels Hulsbosch, research expert bij Buildwise: “De nieuwe technologie staat dicht bij marktintroductie. Het PIO-project bij ILVO versnelt de kennisopbouw van technische haalbaarheid en van prestaties op lange termijn, en de opschaling. Als we in de toekomst op een andere manier kunnen bouwen, met lagere milieu-impact én met meer gerecycleerde grondstoffen, dan is dat een enorme gamechanger.”
Bron: ILVO
