Bouwen met beton draagt behoorlijk bij aan de CO2-uitstoot, doordat het maken van cement bakken energie vergt. Door nu een deel van het cement te vervangen door vulkanische as, zou dit energieverbruik omlaag kunnen. Dat laten onderzoekers van MIT zien met collega’s in Koeweit.

De Romeinen hadden beton al ontdekt als sterk en veelzijdig bouwmateriaal en op veel plekken in de wereld is beton het meest gebruikte materiaal bij de bouw van woningen, dammen, bruggen en andere structuren. Alleen is voor het maken van beton behoorlijk veel energie nodig. Cement (dat met water gemengd het beton vormt) wordt gemaakt door kalksteen en zand in grote ovens te verhitten tot 1500 °C. Daarbij ontstaan cementklinkers, die nog moeten worden gemalen om cement te krijgen. Door al dat malen en stoken, is de cementindustrie goed voor 5 % van alle CO2-uitstoot in de wereld.
 

Cement vervangen

Daarom wordt er van alles ondernomen om beton met minder energie te produceren. Dat kun je onder andere doen door een deel van het cement te vervangen door iets anders. In Nederland doen we dat door de bodemas van hoogovens in cement bij te mengen. Sinds kort gebeurt hetzelfde met de afvalassen van vuilverbrandingsinstallaties (lees: ‘Schoon beton uit afval-as’). Ook loopt er onderzoek naar het toevoegen van staalslak, wat overblijft bij de omzetting van ruwijzer naar staal, aan cement (lees: ‘Cement uit afval staalproductie’).
 

Vulkanisch

Maar in sommige landen is veel vulkanisch materiaal voorhanden in de natuur en ook dat lijkt geschikt voor bijmenging in cement. Een team materiaalwetenschappers van MIT in de VS en collega’s uit Koeweit namen vulkanische as en maalden dat fijn. Door dit nu toe te voegen aan Portland-cement, de veruit meest gebruikte cementsoort, blijkt het beton dat daarmee werd gemaakt, soms nog sterker te zijn dan standaardbeton (persbericht).

Maar misschien nog wel belangrijker, Portland-cement kost veel energie om te maken, dus als je daarvan een deel kunt vervangen door een materiaal dat overvloedig in de natuur aanwezig is, dan bespaar je daarmee energie. Daarbij merken de onderzoekers wel op dat ook het malen van de vulkaanas energie kost. Het is dus zoeken naar een compromis tussen sterkte van het uiteindelijke beton en de energie die nodig is voor het productieproces.
 

Deze grafiek laat zien hoeveel energie het kost om cement te maken. Gewoon Portlandcement (rood) staat afgezet tegen cement waarbij gemalen vulkaanas is bijgemengd in oplopende gehaltes. Grove korrel (grootte 17 µm) in lichtblauw, fijnere korrel (6 µm) in grijs.

 

Sterkte of energiegebruik

Het nieuwe onderzoek geeft ingenieurs de relatie tussen sterkte en de gebruikte hoeveelheid energie van betonmengsels met verschillende hoeveelheden vulkaanas erin. Ze kunnen op basis daarvan zelf een keuze maken, op basis van de toepassing waar ze het beton voor gaan gebruiken. Want het maakt nogal uit of een blok beton bedoeld is om een constructie te dragen, of dat het bijvoorbeeld een afscheiding vormt tussen twee rijbanen op de snelweg. In het eerste geval moet het beton heel sterk zijn, in het tweede geval maakt dat niet zoveel uit.

De data van de materiaalwetenschappers uit de VS en Koeweit is op twee manieren verkregen. Ten eerste de hoeveelheid energie die het kost om cement te maken met verschillende gehaltes vulkaanas. Dat hebben de onderzoekers afgeleid uit bestaande tabellen met getallen, die weergeven hoeveel energie een industrieel proces kost, zoals het verpulveren van rots of het verhitten van klinker voor het maken van cement.

Daarnaast maakten de onderzoekers proefstukken uit beton met verschillende gehaltes vulkaanas erin. Die onderwierpen ze vervolgens in het lab aan allerlei mechanische tests, zoals samenpersen totdat er scheurvorming optreedt. De resultaten daarvan zijn in onderstaande grafiek weergegeven.

 

Deze grafiek laat zien wat de sterkte is van proefstukken gemaakt met de verschillende soorten cement. Gewoon Portlandcement (rood) staat afgezet tegen cement waarbij gemalen vulkaanas is bijgemengd in oplopende gehaltes. Grove korrel (grootte 17 µm) in lichtblauw, fijnere korrel (6 µm) in grijs.


Hieruit blijkt onder meer dat cement waarvan de helft is vervangen door vulkaanas met een gemiddelde deeltjesgrootte van 17 µm, de totale gebruikte energie van beton omlaag brengt met 16 %. Helaas gaat bij dit mengsel ook de sterkte behoorlijk achteruit (zie grafiek). Beter is het om de as nog verder te malen, tot deeltjesgrootte 6 µm; dan ligt de sterkte in de buurt van gewoon beton en is er toch netto energie bespaard.
 

Hele buurt

Ten slotte probeerde het team een schatting te maken van de hoeveelheid energie die er kan worden bespaard als je een buurt nieuwbouwt met het vulkaanasbeton. Hiervoor definieerden ze in een bestaande buurt dertien woonhuizen en dertien kantoorgebouwen die grotendeels uit traditioneel beton zijn opgetrokken. Om de gebruikte volumes goed te schatten, lieten ze een drone over de gebouwen vliegen. Die legde zo driedimensionale beelden vast, waaruit volumes te berekenen zijn.

Uit deze schattingen blijkt dat dankzij het gebruik van vulkaanas in cement er significante besparingen (precieze getallen geven de onderzoekers niet) op energiegebruik in de bouw mogelijk zijn. Vooral in gebieden waar vulkaanas in grote hoeveelheden in de natuur voorkomt kan dit een aantrekkelijk strategie zijn. Daarbij moet wel worden aangetekend dat je per bouwproject moet kijken wat de eisen zijn aan de sterkte van een structuur. Op basis daarvan kun je dan besluiten hoeveel vulkaanas je kunt bijmengen.

Openingsbeeld: de vulkaan Mount Saint Helens. Alle grafieken: Kupwade-Patil, Journal of Cleaner Production, 2017.