Gerecycled cement

We moeten bouwmaterialen niet voor niets zo lang mogelijk gebruiken. Recyclen kost energie, de kwaliteit gaat meestal achteruit en het lukt vrijwel nooit voor de volle 100 %. Dat geldt overigens voor de meeste materialen. Zo recyclen we papier heel goed, maar na een keer of zes à zeven recyclen van papier en karton zijn de vezels zo kort geworden dat er alleen nog toiletpapier van gemaakt kan worden.

Alhoewel regulier betongranulaat al decennia volledig wordt hergebruikt, geldt bij de productie van nieuw beton dat er een groot aandeel primair materiaal nodig is. En de cementsteen wordt bij traditioneel breken van betonpuin niet separaat gerecycled. Met de komst van nieuwe breektechnieken gaat dat compleet veranderen.

Waarschijnlijk was uitvinder Koos Schenk de eerste die zich realiseerde dat de toeslagmaterialen in beton, meestal zand en grind, veel sterker zijn dan de cementsteen die de korrels bij elkaar houdt. Hij was in ieder geval de eerste die een breker wist te bouwen waarmee hij betonpuin kon splitsen in de oorspronkelijke componenten zand, grind en cementsteen (met water gereageerd cement). Toeslagmateriaal zoals grind of graniet heeft een druksterkte van tussen de 150 tot 300 MPa. Net als bij beton is de treksterkte grofweg 10 procent daarvan. De druksterkte en daarmee ook de treksterkte van cementsteen is veel lager, waardoor het technisch mogelijk is om de cementsteen te breken en van de toeslagkorrels te schuren zonder de toeslagkorrels te breken. De gewone kaakbreker gaat met zoveel geweld te werk dat breuk dwars door de grindbiggels gaat. Klassieke betongranulaatkorrels bestaan daardoor uit een combinatie van toeslagmateriaal en cementsteen. Bij selectief breken ontstaan, met een extra bewerking voor de cementsteen, weer de oorspronkelijke grondstoffen.

De breektechniek van Koos Schenk wordt gebruikt door de Rutte Groep in Zaandam, de eerste locatie waar op industriële schaal selectief wordt gebroken. Maar er zijn inmiddels meerdere technieken op de markt die op verschillende wijzen gebruik maken van het sterkteverschil tussen de toeslagkorrels en de cementsteen en daarmee selectief kunnen breken.

Over het uit de selectieve breektechnieken vrijkomende zand en grind kunnen we kort zijn. Die materialen zijn nu al bijna gelijk aan de oorspronkelijke materialen en de technieken worden nog verder verbeterd. We gaan het daarom nu vooral hebben over hergebruik van de cementsteen.

De cementsteen komt als een aparte materiaalstroom als poeder uit de selectieve breker. Meestal moet het daarna nog wel fijner gemaald worden, maar daarna kan het worden toegepast als grondstof voor nieuw cement. Voor het maken van nieuw cement zijn er twee mogelijkheden: gebruik van de cementsteen als grondstof voor de productie van portlandcementklinker of gebruik als hoofdbestanddeel van cement.

De gerecyclede cementsteen kan kalksteen en klei vervangen bij de productie van portlandcementklinker, de basisgrondstof voor cement. Bij gebruik van kalksteen komt er CO₂ vrij en dat is bij gebruik van cementsteen vrijwel niet het geval. De cementsteen bestaat voor het grootste gedeelte uit zogeheten CSH-gel en in mindere mate uit kalkhydraat (afgekort CH) en hieruit kunnen in de oven bij hoge temperatuur weer de belangrijkste klinkermineralen C₃S en C₂S worden gevormd. Dat dit prima kan is niet alleen theoretisch en op laboratoriumschaal maar ook op industriële schaal aangetoond.

Het is echter milieutechnisch nóg interessanter om de gerecyclede cementsteen in te zetten als hoofdbestanddeel van cement. Voor toepassing in cement is sinds juni 2023 een Europese norm beschikbaar: EN 197-6 – Cement with recycled building materials. Gerecyclede cementsteen, in het Engels recycled concrete fines (RCF), mag afhankelijk van het type cement tot 35 % worden toegepast. Dit nieuwe hoofdbestanddeel wordt in de norm aangeduid met de letter F. In totaal zijn er zes verschillende typen cement met RCF gedefinieerd in EN 197-6. Naast toepassing van RCF in composietcement (RCF en slak) en portlandcomposietcement (RCF en een of meer van de andere bekende hoofdbestanddelen) kennen we nu ook twee typen portland-recycled-fines cement: CEM II/A-F en CEM II/B-F.

Alhoewel niet noodzakelijk voor toepassing als hoofdbestanddeel in cement is het milieutechnisch nóg interessanter om de RCF eerst te laten reageren met CO₂. Door de RCF te laten reageren met CO₂ wordt de RCF reactief, er wordt CO₂ intensieve klinker vervangen én er wordt CO₂ permanent vastgelegd. Het gaat bij deze (gepatenteerde) technologie om grote hoeveelheden: een ton RCF kan tot zo’n 200 kg aan CO₂ permanent vastleggen. Die carbonatatie verloopt natuurlijk al van nature snel omdat het om een poeder gaat, maar wordt bij industriële productie versneld door het te laten plaatsvinden bij hogere temperatuur en CO₂-concentratie. De rookgassen van de klinkeroven kunnen hiervoor worden gebruikt, zoals ook bij het project FastCarb is gedaan.

Bij de carbonatatie van RCF carbonateert niet alleen calciumhydroxide maar ook de CSH-gel. Bij carbonatatie van CSH-gel ontstaat er (net als bij de calciumhydroxide) kalksteen maar ook een aluminium-silicagel. Die silicagel kan in nieuw beton weer reageren met de bij de reactie tussen water en portlandcementklinker vrijkomende calciumhydroxide tot nieuwe CSH-gel. Het is dus door carbonatatie een zogeheten puzzolane stof geworden. Gecarbonateerde RCF levert hierdoor als hoofdbestanddeel van cement een wezenlijke bijdrage aan de sterkte-ontwikkeling en technische levensduur van nieuw beton. De sterktebijdrage is vergelijkbaar met tot beter (sneller) dan die van poederkoolvliegas, een grondstof die door het uitfaseren van kolengestookte elektriciteitscentrales in Nederland nauwelijks nog beschikbaar is.

Het carbonateren van RCF met rookgassen van de klinkeroven is door Heidelberg Materials op industriële schaal getest in Engeland en Noorwegen. In 2024 zal een fabriek van Heidelberg Materials in Polen van een aparte installatie worden voorzien om RCF met rookgassen te carbonateren, waarna met deze gerecyclede cementsteen weer nieuw cement zal worden geproduceerd.

Traditioneel gebroken betongranulaat wordt al decennia volledig nuttig hergebruikt. Het grootste gedeelte wordt toegepast als fundatiemateriaal en vervangt daarbij primaire materialen zand en cement. Maar hergebruik in nieuw beton is natuurlijk veel mooier. Nu we in staat zijn om beton aan het einde van een zeer lange levensduur weer terug te brengen in de oorspronkelijke grondstoffen zullen we in de komende jaren steeds meer ‘secundair zand en grind’ in plaats van traditioneel betongranulaat gaan zien. En cement met de letter F in de naam.