RESULTATEN VAN ONDERZOEK NAAR GEOPTIMALISEERDE BETONMENGSELS VOLGENS TWEE METHODES Met korrelpakkingsmodellen kan de samenstelling van beton worden geoptimaliseerd en daarmee de CO 2 -uitstoot worden verminderd. Om de bruikbaarheid van twee van die modellen te testen, is een betonsamenstelling geoptimaliseerd en zijn vervolgens diverse eigenschappen getest. Ook is onderzocht wat de milieuwinst is. Laboratorium onderzoek toepassing korrel- pakkings modellen D e korrelpakking van beton beschrijft in welke mate het volume wordt gevuld met korrels. Deze korrelpakking is belang- rijk, omdat veel relevante eigenschappen van zowel betonspecie als van het verharde beton erdoor worden beïnvloed. Door de korrelpak- king te optimaliseren kan het cementgehalte worden gereduceerd en zo het milieupro?el worden verbeterd. Het optimaliseren van de korrelpakking is dan ook een van de reductie- initiatieven in de Roadmap CO 2 -reductie voor cement en beton in Nederland [1]. Voor de optimalisatie van de korrelpakking kun- nen verschillende soorten modellen worden gebruikt. Over de toepasbaarheid van de zoge- noemde korrelpakkingsmodellen is elders in deze Betoniek een artikel verschenen (Edwin Vermeulen [2]). In aanvulling op dat artikel heeft het betononderzoekslaboratorium van Heidelberg Materials in Rotterdam een beton- samenstelling onder de loep genomen en geop- timaliseerd. Dit zowel met de Packing-app van het Cement&BetonCentrum, die is gebaseerd op het Modi?ed Toufar model, als met het Modi- ?ed Andersen & Andreasen model (A&A- model) [3-5]. Daarbij is uitgegaan van een vaak toegepaste standaardbetonsamenstelling. MODIFIED A&A-MODEL De theoriën van het Modi?ed Toufar Model en het A-A model zijn beschreven in het artikel van Vermeulen [2]. Het A&A-model stuurt de te optimaliseren betonsamenstelling via de ver- houding grof/?jn (incl. poederfracties) in het mengsel. Brouwers, Hüsken en Hunger [3-5] ontwikkelden deze ontwerpmethodiek voor 26 VAKBLAD 2 2025 Auteur Przemek Spiesz en Marcel Bruin, Heidelberg Materials Nederland BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 26BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 26 16-05-2025 12:4516-05-2025 12:45 mengselsamenstellingen voor aardvochtig- en zelfverdichtend beton (ZVB) en maakte daar- voor gebruik van de gemodi?ceerde Andreas- sen & Andersen formule (omschreven in [6]). Deze ontwerpmethodiek is voornamelijk ontwik- keld voor beton met hoge cementgehaltes (zoals in zelfverdichtend beton). In dit soort pakkings- optimalisaties wordt sterk rekening gehouden met de korrelstapelingsoptimalisatie. Niet alleen van ?jne en grove toeslagmateriaalfracties, maar ook van de poeders (cement en vulstof). Deze methode kan echter ook worden toegepast op alle soorten beton (lichtgewicht, aardvochtig, ready-mix of hoge sterkte). Belangrijke parameter in het A&A-model is de distributiefactor q. Door het kiezen van de juiste waarde van deze parameter kan in de verhouding ?jne delen (incl. cement), zand en grind een juiste korrelverdeling (gewenste doellijn) worden berekend. Typische waarden van de parameter q zijn voor hogesterktebeton 0,15-0,20, voor zelfverdichtend beton 0,20- 0,23 en voor normaal beton 0,30-0,35. Hoe lager de q-waarde, hoe meer cement en vul- stof nodig is voor optimale pakking van het korrelskelet, zoals te zien in ?guur 1. REFERENTIE BETONMENGSEL In dit onderzoek is als referentie een veel toe- gepaste betonsamenstelling op een beton- mortelcentrale gebruikt. Uitgangssamenstel- ling is een C35/45 met milieuklasse XC4 (dus minimaal cementgehalte 300 kg/m 3 en maxi- male watercementfactor (wcf) van 0,50). De wcf in het referentiemengsel is 0,455 en de gewenste consistentie S3/S4. Als bindmiddel wordt een mengsel van 50 kg CEM I 52,5 N en 285 kg CEM III/B 42,5 N toegepast met 0,20% superplasti?ceerder. Het toegepaste toeslag- materiaal is zeegrind 4-32 mm en zeezand 0-4 mm. Op de centrale is daarnaast ook zeegrind 2-8 mm en 4-16 beschikbaar, rivierzand 0-1 mm en graniet 4-22 mm. Figuur 2 toont de kor- relverdeling van alle beschikbare toeslagma- terialen op de centrale. Figuur 3 geeft de kor- relopbouw weer van het referentie -betonmengsel inclusief de A, B en C ontwerp-richtlijnen en de Fullerkromme. OPTIMALISATIE BETONONTWERP Met behulp van de twee beschreven methodes zijn nieuwe samenstellingen ontworpen. Het doel is om te kijken of het cementgehalte kan worden verminderd door een optimale pak- 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Cumulatieve zeefdoorvall [% V/V] Zeefgrootte [mm] Invloed van de q-parameter (distributiefactor) in het A-A model op de doellijn korrelstapeling q = 0,15 q = 0,25 q = 0,35 Fullerkromme lm o F e k ! ! "# "#$ ! # "%& ! "# "#$ !-modifiedA&A model lm o F e k ! ',) # "%& ',)-Fullerkromme 1 Invloed van de distributiefactor q in het A&A-model op de korrelstapeling van betonmengsel 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,01 0,1 1 10 100 Cumulatieve zeefdoorvall [% V/V] Zeefgrootte [mm] eschikbare grondstoffen op de centrale Rivierzand 0-1 Zeezand 0-4 Zeegrind 2-8 Zeegrind 4-16 Graniet 4-22 Zeegrind 4-32 2 Korrelopbouw beschikbare toeslagmaterialen 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,01 0,1 1 10 100 Cum ulatieve zeefdoorvall [% V/ V] Zeefgrootte [mm] Korrelopbouw -referentie mengsel A lijn B lij n C lij n Refer enti e meng sel Fullerkromme 3 Korrelopbouw referentie-betonontwerp inclusief A, B en C ontwerp-richtlijnen 27 VAKBLAD 2 2025 BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 27BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 27 16-05-2025 12:4516-05-2025 12:45 king. Uiteindelijk zijn vijf optimalisaties uitge- voerd. Drie met het A&A-model en twee met de Packing-app. De parameters die gebruikt zijn voor beide methodes worden getoond in Tabel 1. De hulpstofdosering was in alle onderzochte betonmengsels ongeveer gelijk (0,67 ? 0,71 kg/m 3 , 0,20 ? 0,22% t.o.v. cement). Daardoor zijn de verse specie-eigenschappen van de geoptimaliseerde samenstellingen alleen beïnvloed door de optimalisatie van het korrel- skelet en het verminderen van het cementpas- tagehalte. De Packing-app heeft als beperking dat het niet toepasbaar is voor de optimalisatie van meer dan vier fracties. Optimalisatie 1 Het uitgangspunt van optimalisatie 1 is om beide methoden (A&A-methode en de Packing-app) te gebruiken om het cementgehalte ten opzichte van het referentiemengsel te verminderen, van 335 kg/m 3 naar 320 kg/m 3 (15 kg/m 3 ), met gebruik van dezelfde grondsto!en als in het referentiemengsel (zand 0-4, grind 4-32). Voor een betonmengsel met 320-340 kg cement/m 3 beton en Dmax van 32 mm is een q-waarde van 0,30 nodig in het A&A-model, dus deze waarde is toegepast in dit onderzoek. Figuur 4 toont een voorbeeld van de optimali- saties uitgevoerd met de Packing-app. Figuur 5 toont de korrelopbouw van de refe- rentie en de aangepaste samenstellingen. De samenstellingen staan in tabel 2. 4 Screenshots van de optimalisaties via de Packing-app. Tabel 2. Onderzochte betonsamenstellingen SAMENSTELLING REFERENTIEOPTIMALISATIE #1 - A&A MODEL OPTIMALISATIE #1 - PACKING-APP OPTIMALISATIE #2 - A&A MODEL OPTIMALISATIE #2 - PACKING-APP OPTIMALISATIE #3 - A&A MODEL CEM I 52,5 N kg/m!50 48 48 48 48 45 CEM III/B 42,5 N kg/m!285 272 272 272 272 270 Cementgehalte totaalkg/m!335 320 320 320 320 315 Zeezand 0-4 mm kg/m!806 844 777 676 598 677 Zeegrind 2-8 mm kg/m!? ? ? 243 373 243 Zeegrind 4-32 mm kg/m!1007 1000 1063 913 857 922 Superplast. (conc. 30%)kg/m!0,67 0,71 0,70 0,68 0,70 0,68 Water totaal kg/m!183 177 177 180 182 178 Water e"ectief kg/m!152 146 146 146 146 143 Wcf ? 0,455 0,455 0,455 0,455 0,455 0,455 Tabel 1. Invoerparameters gebruikt voor beide optimalisatiemethodes A&A MODEL ! ! !PACKING-APP ZEEZAND 0-4 ZEEGRIND 2-8 ZEEGRIND 4-32 q ? 0,30#karakteristieke diametermm 0,95 4,7 16,0 D min mm 0,001#pakking ? 0,667 0,596 0,614 D max mm 32 ## ## # # 28 VAKBLAD 2 2025 BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 28BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 28 16-05-2025 12:4516-05-2025 12:45 Optimalisatie 2 Zowel voor het A&A-model als voor de Pac- king-app is een tweede optimalisatie uitge- voerd waarbij ook met andere toeslagmateria- len dan in de referentie gewerkt is, om de optimale betonsamenstelling te vinden. Het A&A-model gebruikt een eigen Excel- rekentool om de beste combinatie van alle deze grondsto!en te selecteren om de korrel - stapelingsdoellijn zo goed mogelijk te benade- ren. Het model kan daarbij gebruikmaken van alle fracties die aanwezig zijn op een beton- centrale (zoals weergegeven in ?guur 1). Voor deze speci?eke optimalisatie heeft het algo- ritme gerekend met zand 0-4, grind 2-8 en grind 4-32. De andere fracties waren niet nodig voor de beste pakking. Ook de Packing-app is gebruikt om een opti- malisatie uit te voeren met dezelfde drie frac- ties toeslagmateriaal. Figuur 6 toont de korrel- verdelingen van optimalisatie 2. De samenstellingen staan ook in tabel 2. Optimalisatie 3 Als derde optimalisatie is er een betonmengsel ontworpen met nog 5 kg/m 3 minder cement (dus 315 kg/m 3 ) met het A&A-model. De samenstelling lijkt op de A&A samenstelling uit optimalisatie 2, met de fracties zand 0-4 en grind 4-32 en ook grind 2-8. Figuur 7 geeft deze optimalisatie weer, de samenstelling staat in tabel 2. LABORATORIUMONDERZOEK Om de eigenschappen van alle samenstellin- gen (zie tabel 2), zowel van de referentie als de optimalisaties, te kunnen onderzoeken zijn deze in duplo of in triplo aangemaakt (tabel 2). De verse betonspecie-eigenschappen (ver- werkbaarheid en luchtgehalte) zijn gemeten (tabel 3) evenals de 1-daagse, 7-daagse en 28-daagse druksterktes bepaald, op 4 tot 6 proefkubussen per leeftijd (tabel 4). Per samenstelling zijn bovendien de Global War- ming Potential (GWP) en Milieukostenindica- tor (MKI) berekend volgens de Ontwerptool Groen Beton, versie 7 van het Betonhuis (tabel 5). De berekening is uitgevoerd op basis van levenscyclusfasen, set A1-A3. Bespreking meetresultaten Tussen de onder zochte mengsels zijn geen sig- ni?cante verschillen gevonden qua verse spe- cie-eigenschappen en ook niet in druksterkte. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Cum ulatieve zeefdoorvall [% V/ V] Zeefgrootte [mm] Korrelopbouw -geoptimaliseerde mengsels met 320 kg cement en dezelfde grondstoffen als in het referentie mengsel Refer enti e meng s el Ri cht lij n A & A model Optimalisatie 1 - A&A model Optimalisatie 1 - Packing-app 5 Korrelopbouw optimalisatie 1 (A&A model en Packing-app) inclusief cement 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Cum ulatieve zeefdoorvall [% V/ V] Zeefgrootte [mm] Korrelopbouw -geoptimaliseerde mengsels met 320 kg cement en dezelfde grondstoffen als in het referentie mengsel + zeegrind 2-8 Refer enti e meng s el Ri cht lij n A & A model Optimalisatie 2 - A&A model Optimalisatie 2 - Packing-app 6 Korrelopbouw optimalisatie 2 (zowel model A&A als Packing-app) inclusief cement 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Cum ulatieve zeefdoorvall [% V/ V] Zeefgrootte [mm] Korrelopbouw -geoptimaliseerd mengsel met 315 kg cement en dezelfde grondstoffen als in het referentie mengsel + zeegrind 2-8 Ri cht lij n A & A model Optimalisatie 3 - A&A model 7 Korrelopbouw optimalisatie 3 (model A&A) inclusief cement 29 VAKBLAD 2 2025 BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 29BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 29 16-05-2025 12:4516-05-2025 12:45 De verwerkbaarheid in het gewenste consisten- tiegebied S3/S4 is gebleven, evenals de schud- maat in gebied F3/F4. Echter voor optimalisatie 1 en 3 met het A&A model is een lagere verwerk- baarheid te zien ten opzichte van de referentie. De resultaten tonen ook aan dat de druksterktes van alle betonmengsels, beproefd in deze stu- die, nagenoeg identiek zijn bij alle leeftijden. Als gevolg van het lagere aandeel cement is de MKI van de geoptimaliseerde samenstellingen lager. Beide modellen leiden tot ongeveer dezelfde resultaten op het gebied van betonei- genschappen ? en blijken dus beide geschikt om in te zetten als model om cementgehaltes te optimaliseren. TOT SLOT Dit onderzoek heeft aangetoond dat het moge- lijk is om de beschikbare methodes voor kor- relpakkingsoptimalisatie te gebruiken om het cementgehalte in betonmengsels te verlagen (en daarmee dus ook CO 2 -emissies, kostprijs, etc.). Daarbij moet goed worden gekeken naar de verse specie-eigenschappen (gewenste verwerkbaarheid, minimale gehaltes aan ?jne delen voor verpompbaarheid, enzovoorts). Door optimale pakking was het mogelijk om met minder cement in een betonsamenstelling (315-320 kg cement per m3 beton i.p.v. 335 kg), betonmengsels te produceren met verge- lijkbare eigenschappen, zowel op het gebied van verse specie-eigenschappen als voor het verharde beton. Vast te stellen is dat de druk- sterkte voornamelijk afhankelijk is van de water-cementfactor en niet per se van het cementgehalte. Heidelberg Materials heeft voor dit onderzoek een speci?eke betonsamenstelling onderzocht en geoptimaliseerd, maar zal in de toekomst verder onderzoek blijven doen naar optimali- sering van meerdere regelmatig toegepaste samenstellingen. Hiermee wordt een bijdrage geleverd aan de doelstellingen op het gebied van CO 2 - reductie. Tabel 3. Meetresultaten verse betoneigenschappen MEETRESULTATEN VERSE SPECIEREFERENTIEOPTIMALISATIE #1 - A&A MODEL OPTIMALISATIE #1 - PACKING-APP OPTIMALISATIE #2 - A&A MODEL OPTIMALISATIE #2 - PACKING-APP OPTIMALISATIE #3 - A&A MODEL Zetmaat mm 195 150 190 195 200 155 Zetmaat - std. dev.mm 25 15 10 10 20 10 Schudmaat mm 490 445 485 495 525 475 Schudmaat - std. dev.mm 10 5 5 10 20 5 Luchtgehalte % 2,0 2,3 1,4 1,2 1,2 1,5 Luchtgehalte - std. dev.% 0,1 0,1 0,2 0,2 0,2 0,1 Specietemperatuur °C 21,5 21,6 21,8 21,9 21,4 22,1 Tabel 4. Meetresultaten verharde betoneigenschappen MEETRESULTATEN VERHARD BETON REFERENTIEOPTIMALISATIE #1 - A&A MODEL OPTIMALISATIE #1 - PACKING-APP OPTIMALISATIE #2 - A&A MODEL OPTIMALISATIE #2 - PACKING-APP OPTIMALISATIE #3 - A&A MODEL Vol. massa - gemiddeldkg/m 3 2315 2310 2320 2330 2335 2335 Vol. massa - std. dev.kg/m 3 5 5 5 5 5 10 Kubusdruksterkte 1d - gemiddeld MPa 8,6 8,5 8,7 8,6 8,5 8,9 1d - std. dev. MPa 0,3 0,3 0,6 0,2 0,2 0,3 7d - gemiddeld MPa 34,3 34,2 34,5 34,7 33,5 34,5 7d - std. dev. MPa 0,9 0,7 0,7 0,8 0,3 0,9 28d - gemiddeld MPa 52,9 51,1 52,0 52,8 52,1 52,9 28d - std. dev. MPa 1,0 0,9 1,5 0,8 1,1 0,7 Tabel 5. CO 2 footprint en MKI SAMENSTELLING ! REFERENTIEOPTIMALISATIE #1 - A&A MODEL OPTIMALISATIE #1 - C&BC APP OPTIMALISATIE #2 - A&A MODEL OPTIMALISATIE #2 - C&BC APP OPTIMALISATIE #3 - A&A MODEL GWP kgCO 2 eq 144,0 139,4 139,8 140,3 140,8 137,6 MKI $11,00 10,70 10,76 10,85 10,93 10,69 Literatuur 1 Roadmap CO!-reductie voor cement en beton in Nederland, Cement&BetonCentrum, November 2024. 2 Vermeulen, E. Inleiding korrelpakkingsmodellen. Betoniek 2025/2. 3 Brouwers, H.J.H. and Radix, H.J. (2005) Self-Compacting Concrete: Theoretical and Experimental Study. Cement and Concrete Research, 35, 2116-2136. 4 Husken, G., A multifunctional design approach for sustainable concrete with application to concrete mass products. TU Eindhoven, 2010. 5 Hunger, M., An integral design concept for ecological self-compacting concrete. TU Eindhoven, 2010. 6 Betoniek 16/21: Op de korrel, Over de korrelpakking van beton, Aeneas, september 2017. 30 VAKBLAD 2 2025 BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 30BV 02-2025_Laboratoriumonderzoek korrelpakkingsmodellen.indd 30 16-05-2025 12:4516-05-2025 12:45