TOEPASSING GERECYCLED CEMENT BEL ANGRIJK ONDERDEEL IN STR ATEGIE CO 2-REDUCTIE Binding CO 2 bij HERGEBRUIK cementsteen In de discussie over het terugdringen van de CO 2-uitstoot in de bouw gaat veel aandacht uit naar cement. Niet zo vreemd, want wereldwijd draagt cement naar schatting circa 7% bij aan de totale CO 2-uitstoot. In Nederland is het beeld een stuk positiever; de CO 2-uitstoot door cement bedraagt hier slechts 1,2%. Toch doet de cementindustrie er veel aan om de uitstoot verder omlaag te krijgen. Een van de recentste ontwikkelingen is het hergebruik van fijngemalen cementsteen uit bouw- en sloopafval, eventueel met een proces waarbij ook nog eens CO 2 kan worden opgenomen. 12 VAKBL AD 3 2023 Auteur Marcel Bruin, Heidelberg Materials Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 12Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 12 16-10-23 08:4716-10-23 08:47 W ereldwijd de meest toegepaste cementsoort is portlandcement, met als belangrijkste bestanddeel port- landcementklinker. Bij de productie hier van komt relatief veel CO 2 vrij, met verschillende oorzaken (fi g. 2). In de eerste plaats is energie nodig voor het verwarmen van de ovens waarin de klinker wordt gemaakt. De tweede, meest belangrijke oorzaak is dat er CO 2 vrijkomt bij de calcinatie van kalksteen. GEGR ANULEERDE HOOGOVENSL AK EN POEDERKOOLVLIEGAS Een eerste, voor de hand liggende strategie is om de CO 2-uitstoot door het energieverbruik bij de productie van cement te beperken. Op dat gebied vinden diverse ontwikkelingen plaats, waarbij wordt ingezet op het gebruik van alternatieve brandstoff en in plaats van fossiele en niet-hernieuwbare brandstoff en. Het terugdringen van de CO 2-uitstoot als gevolg van calcinatie is een complexer vraag- stuk. In het chemische proces bij de productie van portlandcementklinker komt CO 2 vrij, dat is niet te vermijden. Een mogelijkheid om dat deel van de CO 2-uitstoot bij de cementproduc- tie te verminderen, is het verlagen van het aan- deel portlandcementklinker in cement. Dit kan door andere grondstoff en te gebruiken, die door portlandcementklinker worden geacti- veerd, ook wel Supplementary Cementitious Materials (SCM's) genoemd. De activatie van alternatieve grondstoff en vindt plaats dankzij de hoge alkaliteit die ontstaat dankzij de calciumhydroxide (CH), samen met calcium- hydraatsilicaat (CSH) het belangrijkste reactieproduct van de calciumsilicaten uit de portlandcementklinker met water. cementmaling 10% calcinatie 61% CEM I 52,5 CEM II / B-V 42,5 N CEM III / A 42,5 CEM III / B 42,5 N CEM III / B 42,5 L kg CO 2 / ton CEM III/B 40% fossiele brand- stoen 29% CEM II10% CEM I 35% CEM III/A 15% 2 Oorzaak CO 2-emissies cement, bron: Heidelberg Materials België/Nederland 1 Cementfabriek LEIL AC (Low Emissions Lime And Cement Industr y) in Lixhe (België), waar een succesvol pilotproject is uitgevoerd met het afvangen van CO 2 Er wordt gezocht naar andere materialen dan gegranuleerde hoogovenslak en poederkoolvliegas, waarmee portland- cementklinker kan worden vervangen 13 VAKBL AD 3 2023 Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 13Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 13 16-10-23 08:4716-10-23 08:47 De bekendste alternatieve grondstof voor cement is gegranuleerde hoogovenslak, een latent-hydraulisch product dat vrijkomt bij de productie van ruwijzer. De CO 2-footprint van het op slak gebaseerde hoogovencement (CEM III/A of CEM III/B) is veel lager dan portlandce - ment (fig. 3). Een andere ver vanger voor klinker is poeder - koolvliegas, dat vrijkomt uit kolengestookte e lektriciteitscentrales. Daarmee wordt port - landvliegascement (CEM II/A-V of CEM II/B-V) g emaakt. In Nederland zijn er momenteel echter nauwelijks nog kolengestookte elektriciteits - centrales actief. In centrales die wel nog produ- ceren, wordt een deel van de kolen ver vangen door alt ernatieven zoals houtpellets en bio - massa. Dat levert biokoolvliegas op, die niet is t oegelaten en veel minder geschikt is als grond - stof in cement of als reactieve vulstof in beton. Toepassing van alternatieve grondstoffen voor cement is verre van nieuw. Hoogovencement (en tot voor kort portlandvliegascement) wordt in Nederland al decennialang op grote schaal toegepast. Hoogovencement is zelfs veruit het meest toegepaste bindmiddel (fig. 4). Dat is ook de reden dat de CO 2-uitstoot bij de cementproductie in ons land aanzienlijk lager is dan wereldwijd. ALTERNATIEVE BINDMIDDELEN Naast gegranuleerde hoogovenslak en poe - derkoolvliegas wordt gezocht naar andere materialen (SCM's) waarmee portlandce - mentklinker kan worden ver vangen. Dit is nodig omdat de verwachting is dat het aanbod gegranuleerde hoogovenslak de komende jaren sterk afneemt. Bekende alternatieven zijn kalk - steen, natuurlijke puzzolanen en gecalcineerde klei. Ook worden nieuwe cementsoorten ontwikkeld met een alternatief voor portlandcementklinker, met een lagere CO 2-footptint dan portlandce - ment. Voorbeelden zijn calciumsulfoaluminaat - cement (CSA), belietcement (bij HeidelbergMa- terials heet een combinatie van beide T ernocem), wollastonietcement (bijvoorbeeld Solidia van Holcim) en Celitement. Een andere ontwikkeling zijn de alkalisch geac - tiveerde bindmiddelsystemen, ook wel geopo- lymeren genoemd. Geopolymeerbeton, bestaat in de ba sis uit dezelfde grondstoffen als traditi - oneel beton, namelijk een bindmiddel, toeslag - materiaal (zand en grind), water en eventuele hulp- en v ulstoffen. Het bindmiddel wordt ech - ter niet geactiveerd door portlandcementklin- ker, maar door sterk alkalische stoffen (zoge - noemde activatoren, zoals natriumsulfaat, na triumhydroxide en waterglas (natrium - silic aat). De activator wordt toegepast op bestaande SCM's, met name gegranuleerde hoogovenslak. Maar andere SCM's (zoals poe - derkoolvliegas, natuurlijke puzzolanen en g ecalcineerde klei) kunnen ook alkalisch wor - den geactiveerd, al dan niet in combinatie met hoog ovenslak. De alkalisch te activeren mate - rialen worden precursors genoemd. Voor het verder beperken van de CO 2-footprint van beton is het belangrijk dat de schaarse hoogovenslak wordt ver vangen door andere precursors. Hoogovenslak wordt in Nederland immers al grotendeels toegepast in hoogoven- cement, waardoor er geen milieuwinst is bij het gebruik in geopolymeerbeton. Er zijn ontwikke - lingen om geopolymeerbeton ook op basis van andere precursors te produceren, zoals gecalci- neerde klei en natuurlijke puzzolanen (en even- tuele combinaties met elkaar), die al zijn toege - laten volgens de Europese cementnorm EN 197-1. Daarnaast wordt er ook gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe SCM's, zoals staalslak, koperslak, bauxietresiduen, AEC-vulstoffen, historische vliegassen en biokoolvliegassen. Een andere ontwikkeling is de toepassing van een combinatie van alkalische activatie van precursors met een klein aandeel portland - c ementklinker, zogenoemde hybride systemen (zie hier voor het artikel 'Balans tussen snel- heid en CO 2', elders in dit nummer). Al deze cementsoorten en alternatieven zijn nog in ontwikkeling en vragen meer onder - zoek. Vooralsnog is er niet één alternatief dat qua beschikbaarheid en kwaliteit portlandcement(klinker) en gegranuleerde hoogovenslak volledig kan ver vangen. De alternatieve bindmiddelen worden in dit artikel verder niet in detail beschreven. Meer hierover is te vinden in eerder verschenen Betoniek-artikelen (zie kader 'Meer lezen'). cementmaling 10% calcinatie 61% CEM I 52,5 CEM II / B-V 42,5 N CEM III / A 42,5 CEM III / B 42,5 N CEM III / B 42,5 L kg CO 2 / ton CEM III/B 40% fossiele brand- stoen 29% CEM II 10% CEM I 35% CEM III/A 15% cementmaling 10% calcinatie 61% CEM I 52,5 CEM II / B-V 42,5 N CEM III / A 42,5 CEM III / B 42,5 N CEM III / B 42,5 L kg CO 2 / ton CEM III/B 40% fossiele brand- stoen 29% CEM II10% CEM I 35% CEM III/A 15% 3 CO2-footprint cement (in kg CO 2 / ton) 4 G ebruik cement in Nederland MEER LEZEN Meet over alternatieve cementsoorten staan in de artikelen: ? CO 2-reductie: opties voor cement ? Ont wikkelingen grondstoffen in beton Door carbonatatie worden RCF's gemineraliseerd en krijgen ze puzzolane eigenschappen 14 VAKBL AD 3 2023 Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 14Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 14 16-10-23 08:4716-10-23 08:47 HERGEBRUIK 'FINES' Bij het slopen en breken van zuiver beton uit bestaande constructies komt materiaal vrij dat goed te hergebruiken is. Er is al veel er varing met het hergebruik van het grove en fijne toe- slagmateriaal bij de productie van nieuw beton. Dankzij de ontwikkeling van innova- tieve, extra selectieve breektechnieken, wordt de kwaliteit van die gerecyclede producten, zoals betongranulaat, alleen maar beter. Zo is het bij die technieken mogelijk het aan het toe - slagmateriaal aangehechte cementsteen gro- tendeels te verwijderen, wat de kwaliteit van het toeslagmateriaal bevordert. Hierbij is het de uitdaging net voldoende kracht op het al gebroken beton los te laten, zodat de cement - steen bezwijkt en de toeslagmateriaaldeeltjes in tact worden gelaten. Bij dat proces komt het verwijderde cement - steen als fijn materiaal vrij. Afhankelijk van de scheidingstechniek zal deze fijne fractie voor een groot deel uit cementsteen (gehydrateerd cement) bestaan, met daarnaast mogelijk ongehydrateerd cement en fijne delen toeslag- materiaal (silica). In het verleden wist men niet zo goed wat men met dit fijne materiaal aan moest, maar dankzij recente ontwikkelingen is het mogelijk het gerecyclede cementsteen (Recycled Concrete Paste, RCP) te gebruiken als zogenoemde Recycled Concrete Fines (RCF) bij de productie van portlandcementklinker als CO 2-vrije grondstof. Hierbij hoeft er vanwege het in de cementsteen aanwezige calcium minder kalk - steen te worden gebrand en vindt er dus een reductie van de CO 2-emissie plaats. Ook kun- nen deze fines direct worden gebruikt als SCM in cement, al dan niet na volledige carbonatatie (zie verderop). Regelgeving Voor de toepassing van RCF in cement is sinds kort nieuwe regelgeving beschikbaar. Zo is sinds 1 juni 2023 de EN 197-6 ? Cement with recycled building materials van kracht. Deze norm is opgezet door CEN/TC 51, de commissie verantwoordelijk voor Europese regelgeving op het gebied van cement en bouwkalk. Deze com- missie heeft de norm opgesteld op basis van een technisch dossier, gemaakt door de Euro- pese brancheorganisatie voor cement: CEMBU- RE AU. CEMBURE AU heeft een werkgroep geformeerd, omdat vanuit de leden (industrie) de wens is geuit ook circulaire materialen te hergebruiken in cement en beton. Het dossier bevat er varingen van de toepassing van RCF uit Zwitserland, Frankrijk, Duitsland en Nederland. Nu EN 197-6 beschikbaar is, zal deze ook wor - den opgenomen in de nationale annex van EN 206 (de Europese betonnorm), NEN 8005. Cement met RCF als bestanddeel kan echter pas worden toegepast in met name constructief beton, wanneer minimaal gelijkwaardigheid is aangetoond volgens CROW-CUR Aanbeveling 48. In de Europese norm heeft RCF de afkorting F (RCF (F)) gekregen. RCF kan mogelijk ook inzetbaar zijn als inerte (type l) of reactieve vulstof (type ll) recht - streeks in beton. EN 197-6 beschrijft een tweetal cementtypen CEM II en CEM VI die in combinatie met de andere SCM's uit de cementnorm kunnen worden samengesteld. EN 197-6 zou een basis kunnen zijn voor uit - breiding van de vulstofrichtlijnen voor toepas - sing in beton. CARBONATATIE Als cementsteen is verhard, start een fase waarbij met name calciumhydroxide kan car -bonateren. Dit is een natuurlijk proces waarbij CO 2 wordt gebonden: CO 2 reageert met calci- umhydroxide (Ca(OH) 2) tot calciumcarbonaat (CaCO 3). Het is in feite een omgekeerde reac - tie van de eerdergenoemde calcinatie. Dit is het mechanisme dat leidt tot een verlaging van de pH in het poriesysteem van beton, waarbij in geval van gewapend beton de corrosie - be scherming van de wapening vermindert. Het RCF dat vrijkomt bij het breken kan met CO 2 reageren, waarbij naast calciumcarbonaat door carbonatatie van de CSH, bij hoge druk en temperatuur een silica-aluminiumgel ontstaat die puzzolane eigenschappen heeft. Dus door carbonatatie van de RCF's worden deze gemi- neraliseerd en krijgen puzzolane eigenschap- pen. Hier wordt ook wel gesproken van [c]RCF. Dit materiaal kan als bestanddeel worden toe - gepast in cement. GEFORCEERDE CARBONATATIE Er zijn verschillende aspecten die invloed heb- ben op de carbonatatie van RCF. Zo is vochtig- heid van belang; het kan droog, semi-nat of nat plaatsvinden (foto 6). Daarnaast zijn ook tem- peratuur en druk van invloed op de mate en de snelheid van carbonatatie. Uit recent onder - zoek is gebleken dat ook fijne silicadeeltjes uit het toeslagmateriaal bij hoge temperatuur en druk puzzolaan kunnen worden. Behandeling bij hoge druk en met stoom wordt ook wel autoclaveren genoemd en is ook bekend als techniek om hydratatiereacties en sterkte - ont wikkeling in beton te versnellen. Omdat de carbonatatie van RCF interessant is bij het hergebruik, wordt gekeken hoe dit pro- ces kan worden geoptimaliseerd. Hoewel de carbonatatiereactie spontaan verloopt en exo- therm is (geen energie nodig), is er wel ener - gie nodig om dit proces op industriële schaal effectief uit te voeren, bijvoorbeeld in een wer - velbed. Er wordt aangenomen dat er 10 kWh elektriciteit nodig is om 1 ton RCF te fluïdiseren gedurende 30 minuten, ongeacht de chemi- sche samenstelling. Omdat de RCF al fijn is, is er geen verdere maalenergie nodig. Carbona- tatie op industriële schaal wordt ook wel geforceerde carbonatatie genoemd. In het ideale plaatje kan bij de carbonatatie van RCF gebruik worden gemaakt van CO 2 die vrij- komt bij de productie van portlandcementklin- ker. Bij Heidelberg Materials is deze techniek al tweemaal op industriële schaal getest. In Brevik (Noorwegen) is dit semi-droog gebeurd en in cementmaling 10% calcinatie 61% CEM I 52,5 CEM II / B-V 42,5 N CEM III / A 42,5 CEM III / B 42,5 N CEM III / B 42,5 L kg CO 2 / ton CEM III/B 40% fossiele brand- stoen 29% CEM II 10% CEM I 35% CEM III/A 15% 5 Van links naar rechts: portlandcement, gemalen gegranuleerde hoogovenslak, kalksteenmeel, poederkoolvliegas (op de achtergrond een betonprisma) 15 VAKBL AD 3 2023 Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 15Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 15 16-10-23 08:4716-10-23 08:47 Ribblesdale (Groot-Brittannië) onder natte omstandigheden. In deze testen is het CO 2-hou- dend gas van de oven direct gebruikt. Hierbij is vastgesteld dat het proces robuust is en e? ci- ent qua opname van CO 2. Momenteel wordt in een fabriek in Polen een selectieve recycle- installatie voor beton geïnstalleerd, waarbij een koppeling wordt gemaakt met de gassen die vrijkomen uit de klinkeroven. De materialen uit de recycle-installatie, met name de RCF, zullen in een soort reactor in contact worden gebracht met de afgassen die CO 2 bevatten en waarbij de RCF zal carbonateren. Deze installatie zal in 2024 operationeel zijn en het gecarbonateerde materiaal zal in deze fabriek als bestanddeel in cement worden toegepast. De hoeveelheid CO 2 die kan worden gebonden is sterk afhankelijk van de scheidingstechniek, ofwel het aandeel cementsteen in de RCF. Deze factor is dominant ten opzichte van de andere genoemde factoren vocht, druk en temperatuur. Verwacht wordt dat een RCF met een hoog aandeel cementsteen tot 200 kg aan CO 2 per ton aan materiaal kan opnemen. EIGENSCHAPPEN GECARBONATEERD RCF Gecarbonateerde betonfi nes ([c]RCF) zijn een zeer reactieve puzzolaan met een hoog specifi ek opper vlak. Uit onderzoek is gebleken dat, in vergelijking met andere puzzolanen, [c]RCF extreem snel kan reageren, sneller dan bijvoor- beeld poederkoolvliegas (fi g. 8). In vergelijking met kalksteen zijn positieve resultaten bekend bij 40% ver vanging van portlandcement door [c]RCF (fi g. 9). Op laboratoriumschaal is al onderzoek gedaan met 60% [c]RCF resulterend in een goed presterend cement in de 32,5-klasse. AFVANGEN, GEBRUIKEN EN OPSL A AN CO 2 Bij het geforceerd carbonateren van RCF snijdt het 'CO 2-mes' aan twee kanten. Enerzijds wordt gerecycled cement geschikt gemaakt voor toepassing in nieuw cement, wat het gebruik van de relatief CO 2-onvriendelijke portlandcementklinker beperkt. Anderzijds wordt CO 2 dat vrijkomt bij de productie van cement afgevangen en gebonden. Demolishing Mineralization substrate New SCM Fresh concrete Old concrete Recycled a ggregates and sand 1 2 3 1 2 3 ? Disintegration of old concrete i nto constituents: aggregates, sand and cement paste (RCP) ? 100 % mechanical process: low energy / costs ? CO2 mineralization from raw fue gas using RCP = Carbon Capture and Storage tec hnology ? Thermodynamically favorable: fast, low energy demand, robust ? RCP becomes pozzolanic upon carbonation ? Highly reactive Si - Al gel allows high replacementlevels 6 Labopstelling carbonatatie cementsteen 7 Schematische weergave mogelijkheden RCP 16 VAKBL AD 3 2023 Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 16Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 16 16-10-23 08:4716-10-23 08:47 Dat laatste past in een van de belangrijke stra- tegieën van Heidelberg Materials: het afvangen, gebruiken en opslaan van CO 2. Dit is beter bekend onder de Engelse term Carbon Capture, Utilisation and Storage, ofwel CCUS . De over- tuiging is dat de doelstelling ? het reduceren van de CO 2-footprint tot 0 in 2050 ? alleen mogelijk is door ook op deze strategie in te zetten. Het gebruik van CO 2 bij de mineralisatie van cementsteen is een van de voorbeelden van utilisation. Daar zijn diverse andere manieren voor. Zo kan de afgevangen CO 2 worden gebruikt bij de productie van brandstoff en en het kweken van algen. Recent heeft Heidel- berg Materials een contract afgesloten met Linde voor de verkoop van afgevangen CO 2 uit de cementfabriek in Lengfurt voor toepassing in de chemische en voedingsindustrie. Ook kan CO 2 worden gebruikt voor zoge- noemde CO 2-verharding. Hier van is sprake bij het al eerdergenoemde wollastoniet. Maar ook andere materialen kunnen met CO 2 verharden. Staal- en roestvaststaalslakken kunnen als fi jngemalen product worden gebruikt bij de productie van bouwblokken, waarbij CO 2- ve r- harding plaatsvindt onder de juiste omstandig- heden (druk, vocht en temperatuur). Een voor- beeld hier van is Carbstone. Als CO 2 niet wordt gebruikt kan het worden opgeslagen. Deze storage kan bijvoorbeeld in oude gasvelden, maar wellicht ook in minera- len (zoals in olivijn). 's Werelds eerste groot- schalige carbon capture and storage-project bij een cementfabriek komt te staan in Brevik in Noorwegen, waar jaarlijks 400.000 ton CO 2 zal worden afgevangen (foto 10). Die techniek wordt inmiddels op meerdere plekken toege- past, zoals bij een cementfabriek in Mitchell in de Verenigde Staten, waar jaarlijks 2 miljoen CO 2 wordt afgevangen en opgeslagen. 1 d 2 d7 d28 d 90 d 0 10 20 30 40 50 60 70 )aPM( htgnerts evisserpmoC Time (Days) L-2 L-4 cRCP-d-2 cRCP-d-4 cRCP-w-2 cRCP-w-4 SCM: L=limestone, cRCP =carbonated RCP Clinker replacement 2=20 % 4=40 % Carbonation method d=semi - dry w=wet EN 197 - 2 M. Zajac, Efect of semi-dry carbonated paste on cement hydration a nd performance. Submitted to Cement a nd Concrete Research DOELSTELLINGEN Samenvattend zijn er drie pijlers in de strategie van Heidelberg Materials om de CO 2-uitstoot te verminderen: 1 het ontwikkelen van alternatieve innova- tieve bindmiddelen met andere SCM's, waarbij circulariteit (van met name beton) een van de speerpunten is; 2 het gebruik van alternatieve brandstoff en bij de productie van portlandcementklinker; 3 Carbon Capture, Utilisation and Storage. Met deze drie pijlers is Heidelberg op weg naar een reductie van CO 2-emissies (wereldwijd) met 47% in 2030 2030 en naar 'net zero' in 2050 (fi g. 11). 8 Gecarbonateerde RCF reageert sneller dan andere puzzolanen 9 Gecarbonateerde betonfi nes presteren goed als SCM bij 40% ver vanging van portlandcementklinker in vergelijking met kalksteen 11 Verlaging van CO 2-footprint van cement tot 2050 door alternatieve bindmiddelen (optimise products), alternatieve brandstoff en (optimise process) en Carbon Capture, Utilisation and Storage (CCUS) 10 Cementfabriek in Brevik, de eerste grootschalige cementfabriek waar CO 2-afvang en -opslag plaatsvindt 17 VAKBL AD 3 2023 Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 17Binding CO2 bij hergebruik cementsteen.indd 17 16-10-23 08:4716-10-23 08:47