NIEUWE COMPOSIETCEMENTEN TER VERVANGING VAN DE HUIDIGE PORTLANDCEMENTEN Als alternatief voor portlandcement worden diverse nieuwe samen- gestelde cementen (portlandcomposietcementen) ontwikkeld met een lagere CO 2 -footprint. Zo kan de portlandcementklinker worden vervangen door een combinatie van gecalcineerde klei en kalksteen, waarmee de milieuprestatie wordt verbeterd. Lage CO 2 -cementen met gecalcineerde klei P ortlandcementklinker is een belangrijke veroorzaker van CO 2 -uitstoot van cement. Het is mogelijk portlandcement- klinker gedeeltelijk te vervangen door geschikte puzzolane of latent-hydraulische materialen, zogenoemde Supplementary Cementitious Materials (SCM's). Voorbeelden zijn natuurlijke puzzolaan, vliegas en hoog- ovenslak. Met deze materialen kunnen samen- gestelde cementen worden gemaakt. Echter, de beschikbaarheid van dergelijke materialen is niet altijd gegarandeerd. De verminderde lokale beschikbaarheid van vliegas is nu al actueel. De aanstaande transitie van de staal- industrie gaat de komende 5 tot 10 jaar tot sterk verminderde beschikbaarheid van hoog- ovenslak leiden. Daarom is het zoeken naar alternatieve materialen essentieel. GECALCINEERDE KLEI Een van de meest interessante alternatieven is gecalcineerde klei. Klei is over de hele wereld in zeer grote hoeveelheden beschikbaar (?g. 1 en 2). Wanneer klei wordt behandeld in een gecontroleerd thermisch proces (calcinatie), kan het met een geschikte samenstelling puz- zolane eigenschappen ontwikkelen. De haal- 1 en 2 Globale beschikbaarheid van SCM's De cementfabriek van Heidelberg Materials in Bussac-Forêt (Frankrijk), waar wordt geïnvesteerd in de productie van gecalcineerde klei (foto: Heidelberg Materials) 18 VAKBLAD 2 2025 Auteur Marcel Bruin, Heidelberg Materials BV 02-2025_Cementen met gecalcineerde klei.indd 18BV 02-2025_Cementen met gecalcineerde klei.indd 18 16-05-2025 12:4416-05-2025 12:44 bare materiaalkwaliteit hangt sterk af van de kleisamenstelling en het toegepaste calcina- tieproces. Bovendien moet bij toepassing in samengestelde cementen rekening worden gehouden met verschillende eigenschappen, bij toepassing in mortel en/of beton, zoals onder andere waterbehoefte, sterkteontwik- keling, interactie met hulpsto!en en kleur. KLEI CALCINEREN EN REACTIVITEIT Niet elke klei is geschikt om er een reactieve grondstof voor cement van te maken. Dit heeft voornamelijk te maken met de chemische en mineralogische samenstelling van de klei. Als een klei na een geologische beoordeling geschikt lijkt te zijn, kan via chemische analyse een indruk worden verkregen van de samen- stelling. Een hoog aandeel Al 2 O 3 in combinatie met een hoog gloeiverlies geeft een eerste indicatie. Dit zegt echter niets over de minera- logische samenstelling. Via kwantitatieve XRD KLEIMINERAAL 700 °C 750 °C 800 °C 850 °C 900 °C 950 °C 1000 °C Kaolinite Palygorskite/Sepiolite Montmorillonite Illite Mixed layer clays 3 Optimale activatietemperatuur van verschillende kleimineralen 4 Productieproces van gecalcineerde klei ten opzichte van portlandcementklinker (QXRD) kan de een beter beeld worden verkre- gen van de kleisoorten. QXRD is een techniek waarbij je met röntgendi!ractie (XRD) niet alleen bepaalt welke kristallijne sto!en aan - wezig zijn in een materiaal, maar ook hoeveel van elke stof erin zit. Vervolgens wordt via calcinatieproeven op laboratoriumschaal bij verschillende tempera- turen en onder verschillende omstandigheden gekeken naar onder andere de reactiviteit. Geschikte klei kan reactief worden gemaakt door deze te calcineren bij een temperatuur tussen 650-1000°C (?g. 3). De kleimineralen worden geactiveerd doordat bij deze tempera- turen hydroxides (OH - ) worden verwijderd, in combinatie met de afbraak van de kristalstruc- tuur waardoor een deel van het materiaal glas- achtig (amorf) wordt. Het is belangrijk vast te stellen wat de minimale benodigde tempera- tuur is om de kleimineralen glasachtig te maken. Maar ook wat de maximumtemperatuur is om te voorkomen dat nieuwe mineralen ont- staan die niet reactief zijn. REACTIVITEIT BEPALEN Gecalcineerde klei heeft interessante eigen- schappen; het draagt bij aan sterkteontwikke- ling en heeft positieve duurzaamheidseigen- schappen. Daarbij komt er bij het calcineren van klei minder CO 2 vrij dan bij de productie van portlandcementklinker. (?g. 4) Al in de eerste uitgave van de Europese cement norm in 2000 (EN 197-1) is gecalcineerde klei toegelaten als hoofdbestanddeel van cement, en wordt aangeduid met de hoofdletter Q. In de norm staan eisen beschreven waaraan Q moet voldoen. Een van die eisen is dat het reactief aandeel silica groter dan 25% dient te zijn. Om de reactiviteit van gecalcineerde klei vast te stellen wordt een zogenoemde activiteitsin- dex bepaald. In deze test wordt 25% gemalen gecalcineerde klei gemengd met een referen- 19 VAKBLAD 2 2025 BV 02-2025_Cementen met gecalcineerde klei.indd 19BV 02-2025_Cementen met gecalcineerde klei.indd 19 16-05-2025 12:4416-05-2025 12:44 tiecement, een portlandcement. Van het samengestelde cement alsook van het refe- rentiecement wordt de sterkteontwikkeling gemeten volgens de standaard morteltest EN 196-1. Hieruit wordt de activiteitsindex (?g. 5) berekend zoals beschreven in de vliegasnorm EN 450. EN 450 vereist een activiteitsindex van > 75% na 28 dagen en van > 85% na 90 dagen. In deze test kan ook een indruk worden verkre- gen van de waterbehoefte en een spreidmaat van de mortel . Aandachtspunt bij toepassing van gecalcineerde klei is de invloed op de ver- werkbaarheid vanwege een hogere waterbe- hoefte. In vergelijking met vliegas heeft gecal- cineerde klei een hogere reactiviteit. Afhankelijk van de kleisoort en calcinatiecon- dities worden vaak activiteits-indices (na 28 dagen) boven 100% gerealiseerd. Dit betekent dat bij 25% vervanging van portlandcement- clinker, het cement met gecalcineerde klei tot een hogere sterkteontwikkeling komt op 28 dagen dan het referentiecement. Een alternatieve testmethode voor snelle beoordeling van de prestaties van SCM's, waaronder ook gecalcineerde klei, is de zoge- noemde R3-testmethode, volgens EN 196-12. Deze norm beschrijft twee methoden. Eén van de methoden is een test waarbij wordt bepaald hoeveel water de SCM kan binden. De ander methode kijkt naar de isotherme warmteont- wikkeling van een SCM-activatormengsel. Belangrijk is om te vermelden dat gecalci- neerde klei-activatie kan variëren, afhankelijk van de eigenschappen van de aanwezige port- landcementklinker (met name de mineralogie van de klinker). Daarnaast is ook de cementsa- menstelling van belang. Door toevoeging van een aandeel kalksteen in een cementcomposi- tie kan bijvoorbeeld de prestatie van de gecal- cineerde klei worden geoptimaliseerd (syner- gie). CALCINATIE Het calcineren van klei op industriële schaal kan gebeuren via verschillende technologieën. Elke technologie en systeem heeft voor- en nadelen. Het proces kan van invloed zijn op het gecalcineerde product in termen van samen- stelling en prestaties in cement. Daarnaast is het ook van belang om rekening te houden met brandsto!en, speci?ek warmteverbruik, pro - ductiesnelheid en emissies. Er zijn verschillende thermische systemen beschikbaar voor de calcinatie van klei. 5 Activiteitsindex en waterbehoefte/verwerkbaarheid van cement met Q 6 Flash Calciner 20 VAKBLAD 2 2025 BV 02-2025_Cementen met gecalcineerde klei.indd 20BV 02-2025_Cementen met gecalcineerde klei.indd 20 16-05-2025 12:4416-05-2025 12:44 De voornaamste zijn: roterende ovens (verge- lijkbaar aan portlandcement klinkeroven), ?ash-calciners (?g. 6) en ?uidized bed reactors. Alternatieve systemen zijn: schachtovens, batch-ovens, tunnelovens en magnetronovens. Geen enkele speci?eke technologie is superieur in termen van materiaaleigenschappen. Zodra het systeem in staat is om de gespeci?ceerde calcinatietemperatuur te bereiken en de nood- zakelijke structuurwijzigingen in de klei te reali- seren, heeft het systeem in principe weinig of geen invloed op de materiaalkwaliteit. KLEUR Naast typische technische aspecten moet ook rekening worden gehouden met de impact van de kleur van gecalcineerde klei op het eindpro- duct. Afhankelijk van de procesomstandigheden tijdens het calcineren, kan de kleur van gecalci- neerde klei variëren van (donker)grijs tot rood- achtig. (?g. 7). De rode kleur wordt veroorzaakt door de omzetting van ijzer naar de driewaar- dige kation Fe (III) tijdens verbranding in een oxiderende atmosfeer. Wanneer gecalcineerd wordt onder reducerende omstandigheden dan wordt een grijze / bruine kleur verkregen. CEMENTEN MET GECALCINEERDE KLEI Zoals reeds gemeld is uit onderzoek gebleken dat de positieve eigenschappen van gecalci- neerde klei in cement worden versterkt door het te combineren met gemalen kalksteen. Zo heeft Heidelberg Materials een aantal nieuwe composietcementen ontwikkeld, waarbij een steeds groter aandeel van de portlandcement- klinker is vervangen door een mengsel van gecalcineerde klei en kalksteen: ? CEM II/A-M (Q-LL) 52,5 R (ca. 15% klinkervervanging) ? CEM II/B-M (Q-LL) 52,5 N (ca. 30% klinkervervanging) ? CEM II/C-M (Q-LL) 42,5 N (ca. 45% klinkervervanging) Deze nieuwe cementen kunnen voor een groot deel de huidige portlandcementen (CEM I) in de overeenkomstige sterkte- klassen gaan vervangen. Momenteel loopt het certi?catietraject voor deze nieuwe cementen, evenals het geschiktheidsonder- zoek volgens CROW-CUR Aanbeveling 48 om deze cement toe te mogen passen in gewapend en voorgespannen beton. binnenland kuststreek zeewater zoetwater gevel, borstwering XC4, XF1 balkon, galerij XC4, XD3, XF4 parkeerdek XC4, XD3, XF4 gevel kelderwand XS2 kelderwand, kade XC4, XF4, XS3, XA2 XC4, XF2, XS1, XD1 vloeren, wanden binnen XC1 zwembad XC2, XD2 zwembad XC3, XD1 keldervloer XC3, XD2 kelderwand, kade werkvloer X0 funderingspalen XC2, XA2 kelderwand XC3, XD1, XF2 XC4, XF3 8 Milieuklassen beton Naar verwachting zullen deze trajecten medio 2025 worden afgerond. Intern onderzoek naar deze cementen is gaande en vooralsnog blijkt uit de tot dusver bekende resultaten dat het cement in alle milieuklassen volgens EN 206 zou kunnen worden toegepast (?g. 8). Vanaf eind 2025 worden deze nieuwe cemen- ten met gecalcineerde klei geïntroduceerd op de Nederlandse markt. Voor bedrijven die nu al ervaring met deze cementen zouden willen opdoen, is er industrieel geproduceerd cement beschikbaar. 7 Invloed procesomstandigheden op de kleur van Q Literatuur 1 Halderen, M., van, Heidelberg Materials Lea?et: "Lage CO 2 cementen met gecalcineerde klei" ten behoeve van het betonevent. 2 Ho!eins, M., Majchrowicz, M., Mikanovi", N., Burns, A., Rosani, D., Heidelberg Materials Technology Center internal publication: Calcined Clay Handbook, mei 2016 3 Hanein, T., Rilem TC Report: Clay calcination technology: state-of-the-art review by the RILEM TC 282-CCL, december 2021. 4 Betoniek Standaard 17-21, februari 2025. 5 Dr. Harder, J., ZKG Cement / Lime / Gypsym: OneStone Consulting Ltd., Varna / Bulgaria, juni 2021. 21 VAKBLAD 2 2025 BV 02-2025_Cementen met gecalcineerde klei.indd 21BV 02-2025_Cementen met gecalcineerde klei.indd 21 16-05-2025 12:4416-05-2025 12:44