Korrelpakking optimalisatie voor verduurzaming

Beton is een speciaal materiaal omdat het is opgebouwd uit korrelachtige materialen met een enorme spreiding in korrelgrootte. De korrelgrootte kan wel variëren van enkele micrometers voor speciale vulstoffen tot brokken steen van groter dan 150 mm voor bijvoorbeeld het toeslagmateriaal in beton voor stuwdammen. De manier waarop deze korrels in het beton zijn gestapeld of ‘gepakt’, heet de korrelpakking van beton. Door effectief gebruik te maken van de verdeling tussen de verschillende formaten korrels (de gradering) wordt het verharde beton dichter en sterker, zodat er minder cement in hoeft, wat direct een CO₂-besparing oplevert.

In dit artikel leggen we de werking uit. Lees vooral ook Ontwerpparameters extreme korrelpakking voor duurzaam beton als je bezig bent met het optimaliseren van je betonmengsel.

Verse betonspecie bestaat grofweg uit toeslagmaterialen (zand en grind) en cementlijm (cement en water). Het zand en grind nemen veruit het grootste volume in. De ruimte die overblijft tussen de zand- en grindkorrels wordt opgevuld met cementlijm. Hoe minder holle ruimtes tussen de zand- en grindkorrels, hoe minder cementlijm er nodig is.

Om korrelpakking te duiden bekijken we eerst de droge betonmortel, zonder het toe te voegen cement en water, het korrelskelet. Voor de uitleg gaan we eerst uit van ronde korrels, later wordt dit genuanceerd.  Wanneer een container gevuld wordt met dezelfde grootte korrels, dan ontstaat er lege ruimte tussen die korrels. Deze ruimte kan opgevuld worden met kleinere korrels – en de ruimte daartussen door nog kleinere korrels. Cement heeft de kleinste korrels en vult daarmee, samen met het water de laatste holle ruimte.

In het kort betekent een nauwkeurige verdeling in korrelgrootte, dat de holle ruimte zo goed mogelijk gevuld wordt met droog toeslagmateriaal, zodat vervolgens een minimale hoeveelheid cement en water toegevoegd hoeft te worden. Alhoewel het basis principe wel zo werkt, spelen er een aantal factoren mee, die het geheel ingewikkelder maken. De korrels hebben een wat grilliger vorm en liggen niet zo netjes in een matrix als hiernaast is verbeeld. Ook speelt de eis voor de verwerkbaarheid van de betonspecie mee. Daar gaan we later in dit artikel nader op in.

Een betontechnoloog streeft naar een zo laag mogelijk volume aan holle ruimtes door de beschikbare toeslagmaterialen in een zo optimaal mogelijke verhouding te mengen. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van de zeefanalyses van de toeslagmaterialen, op basis waarvan een optimale korrelgrootteverdeling van het mengsel kan worden berekend. Deze berekening houdt echter geen rekening met de vorm van de korrels, oppervlaktekrachten en andere fenomenen die van invloed zijn op de korrelpakking. Bovendien vindt er in de regel geen optimalisatie plaats van de korrelpakking van de toegepaste poeders (cement en eventueel vulstoffen). Met korrelpakkingsmodellen, die met meer factoren rekening houden dan alleen de korrelgradering, kan een hogere pakkingsdichtheid worden bereikt. Een hogere pakkingsdichtheid betekent dat er minder cementlijm nodig is en dus ook minder cement bij gelijkblijvende sterkte.

Er is vrijwel geen informatie beschikbaar over praktijkervaringen met de toepassing van modellen voor korrelpakking. Er is wel veel literatuur beschikbaar over onderzoeken op laboratoriumschaal, waarvan de resultaten veelbelovend zijn. Het Uitvoeringsteam Road Map CO₂-reductie van het Betonakkoord heeft ingeschat dat met gebruikmaking van korrelpakkingsmodellen uiteindelijk gemiddeld een besparing van 10 kg cement per m³ haalbaar moet zijn. Uitgaande van een CEM III/A als landelijk gemiddelde levert dit een besparing op van 4,5 kg CO₂ per m³. Op een totaal betonvolume van 15.000.000 m³ levert dit op termijn bij volledige implementatie een jaarlijkse besparing op van 67.500 ton CO₂.

Om over de mate van effectiviteit van een korrelpakking te kunnen spreken, wordt de korrelpakkingsdichtheid (factor α) bepaald door het volume van alle individuele droge korrels (cement, zand en grind) bij elkaar opgeteld te delen door het materiaalvolume dat de korrels gezamenlijk innemen (zie afbelding 2.).

In de praktijk wordt dit letterlijk zo uitgevoerd om de korrelpakkingsdichtheid van het toeslagmateriaal te kunnen meten: een cilinder van vaste afmeting wordt gevuld met het droge mengsel en eventueel met trillingen verdicht. Dan wordt het stortgewicht bepaald. De pakking is het stortgewicht gedeeld door de volumieke massa. Het is van belang om steeds dezelfde methode te hanteren voor alle materialen, daarom is deze omschreven in NEN-EN 1097-3.

Zoals aangegeven zijn de grind- en zandkorrels niet perfect rond, laat staan de grillige vormen van gebroken toeslagmateriaal. Daarom passen ze niet perfect in elkaar. Voor een perfecte invulling van een matrix zoals in afbeelding 1 getekend met de ronde korrels, is er een factor 7 nodig tussen de groottes van de korrels, dan passen ze ‘perfect’ in elkaar. In de praktijk wordt geen toeslagmateriaal geleverd van één specifieke maat, het gaat altijd om een gradering, bijvoorbeeld van 2-8 mm of 4-32 mm. De tussenmaten korrels drukken in principe de grootste korrels verder uit elkaar waardoor er juist meer holle ruimte ontstaat, dit wordt ‘particle interference’ of ‘loosening effect’ genoemd. Er is dan ook meer trillingsenergie nodig om deze korrels te compacteren na het storten.

De betontechnoloog maakt van het toeslagmateriaal een zeefanalyse (waardoor hij/zij weet hoeveel er van elke grootte aanwezig is) en kan zo de meest perfecte verdeling van korrelgroottes samenstellen door verschillende beschikbare graderingen te mengen en het resultaat te vergelijken met pakkingsmodellen. Het meest toegepaste pakkingsmodel is van de Amerikaan Fuller. Hij heeft deze ideale verdeling proefondervindelijk vastgesteld aan het begin van vorige eeuw. Dit model met een ontwerpgebied I en II wordt heel vaak als uitgangspunt genomen om betonmengsels te ontwerpen. In het algemeen geldt dat een verdeling van 1/3 fijn en 2/3 grof toeslagmateriaal als eerste uitgangspunt het laagste gehalte aan holle ruimte oplevert. Dit wordt in de pakkingsmodellen fijner uitgewerkt en gespecifieerd.

Het optimaliseren van een betonmengsel is het vakgebied van de betontechnoloog. Deze houdt rekening met de relevante eigenschappen van zowel betonspecie als van het verharde beton. De eigenschappen worden beïnvloed door de pakkingsdichtheid van het mengsel. Voorbeelden van deze relevante eigenschappen zijn de waterbehoefte en de verwerkbaarheid van betonspecie, maar ook de dichtheid en de sterkte van het verharde beton. In het artikel Ontwerpparameters extreme korrelpakking voor duurzaam beton gaan we dieper in op de relevante ontwerpaspecten.

Met korrelpakking werd zelfs de Cobouw Innovatie Award 2023 gewonnen, in dit geval voor CO₂-arme en krimpvrije monolietvloeren door middel van korrelpakking.