Korrelpakkingsmodellen: potentie voor cementreductie nog onderbenut

Hoewel korrelpakkingsmodellen in laboratoriumonderzoek veelbelovende resultaten laten zien, is er in de praktijk nog beperkt ervaring opgedaan met hun structurele toepassing in betonmengsels. De beschikbare vakliteratuur toont aan dat met geavanceerde optimalisatie van de korrelstructuur aanzienlijke efficiëntievoordelen te behalen zijn, maar brede implementatie blijft vooralsnog uit. In dit artikel laten we de resultaten van recent praktijkonderzoek zien, dat aantoont dat ook met eenvoudige pakkingsmodellen het cementgehalte in beton – en dus CO2 – gereduceerd wordt én dat zij in de praktijk toepasbaar zijn.

Het Uitvoeringsteam Roadmap CO₂-reductie van het Betonakkoord heeft in 2019 ingeschat dat toepassing van korrelpakkingsmodellen kan leiden tot een cementbesparing van gemiddeld 10 kg per m³ beton. Deze potentiële reductie is ook opgenomen als maatregel in de Roadmap CO₂-reductie voor cement en beton naar 2030.

Uitgaande van het CO2-profiel van een CEM III/A als representatief voor het Nederlandse gemiddelde, zou dit een CO₂-reductie betekenen van circa 4,5 kg per m³ beton. Bij een landelijk gemiddeld jaarlijks betonvolume van 15 miljoen m³ komt dat neer op een besparing van ongeveer 67.500 ton CO₂ per jaar – goed voor circa 1,6% van de totale emissie van de betonketen in 1990.

Een reductie van 10 kg cement per m³ beton vertaalt zich grofweg in een verlaging van de waterbehoefte met zo’n 5 liter per m³, door een efficiëntere korrelopbouw. Ter illustratie: het verschil in waterbehoefte tussen de ontwerpgebieden A-B en A-C (ofwel ontwerpgebieden I en II) kan al snel 20 liter per m³ bedragen. Een optimalisatie van 5 liter lijkt dus zeker haalbaar.

Lees over de werking van korrelpakking dit artikel: korrelpakking optimalisatie voor verduurzaming.

In de dagelijkse praktijk optimaliseren betontechnologen de korrelverdeling doorgaans op basis van de eerder genoemde graderingsgebieden. Het gebruik van geavanceerde korrelpakkingsmodellen in betonmengsels blijkt in de praktijk vaak lastig; verdere verfijning met behulp van geavanceerde korrelpakkingsmodellen vraagt om meer gedetailleerde metingen aan de toeslagmaterialen en – in sommige gevallen – extra opslagcapaciteit voor veel verschillende fracties toeslagmateriaal. De bijbehorende onderzoeksinspanning en behoefte aan veel aparte fracties toeslagmateriaal maken de toepassing kostbaar, complex en tijdrovend.

Toch is er ook een eenvoudiger alternatief dat wél goed bruikbaar is in de praktijk: het Modified Toufar model. Dit model maakt het mogelijk om met slechts drie fracties toeslagmateriaal al een aanzienlijk betere korrelverdeling te realiseren dan bij een standaard ontwerp volgens gebied A–B. Het resultaat: een dichtere pakking en een lagere waterbehoefte van het betonmengsel. Met vier fracties fijn en grof toeslagmateriaal is uiteraard nog meer mogelijk.

In een eerder artikel schreven we meer over korrelpakkingsmodellen, inclusief de gratis Android app Packing die Cement&BetonCentrum op basis van Modified Toufar model ontwikkelde: lees Ontwerpparameters voor extreme korrelpakking voor duurzaam beton.

Van de toeslagmaterialen (en indien het daarvoor wordt toegepast ook van cement en vulstoffen) hoeven voor het Modified Toufar model maar drie eigenschappen bepaald te worden:

1. Het stortgewicht. Het toeslagmateriaal wordt bij voorkeur verdicht voordat het stortgewicht wordt bepaald, bijvoorbeeld door het te verdichten op een triltafel. Voor alle materialen moet dezelfde methode worden gehanteerd;
2. De volumieke massa (ρrd);
3. De karakteristieke diameter (d). Dit is de theoretische zeefgrootte (in mm) waarbij de doorval 63 % is. Deze waarde kan worden bepaald door te interpoleren in de zeefkromme.

Alleen het stortgewicht is extra en kan eenvoudig worden bepaald; de zeefanalyse en de volumieke massa moeten al bekend zijn voor het berekenen van de betonsamenstelling.

Heildelberg Materials deed onderzoek naar de te behalen cementreductie door het toepassen van twee relatief eenvoudige korrelpakkingsmodellen afgezet tegen een veel toegepaste betonsamenstelling op een betonmortelcentrale.

Uitgangssamenstelling is een C35/45 met milieuklasse XC4 (dus minimaal cementgehalte 300 kg/m3 en maximale 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% superplastificeerder. Het toegepaste toeslagmateriaal is zeegrind 4-32 mm en zeezand 0-4 mm.

Ze werkten met het Modified Andersen & Andreasen model (A&A model) verwerkt in een spreadsheet en het Modified Toufar Model via de Packing app. Om de bruikbaarheid van deze twee modellen te testen, is de betonsamenstelling geoptimaliseerd en zijn vervolgens diverse eigenschappen getest.

In de eerste optimalisatie werden dezelfde grondstoffen als van het referentiemengsel genomen en ingevoerd in de beide modellen. Er werd een aanname gedaan om van 335 kg cement naar 320 kg te gaan en de modellen rekenden uit wat de ideale verhouding van beide fracties toeslagmateriaal zou moeten zijn.

In de tweede optimalisatie zijn ook de andere op de betoncentrale beschikbare toeslagmaterialen ingevoerd: zeegrind 2-8 mm en 4-16 mm, rivierzand 0-1 mm en graniet 4-22 mm. Uit het A&A model volgde dat alleen als extra fractie riviergrind 4-22 werd meegenomen, deze is vervolgens ter vergelijking ook in de Packing app ingevoerd.

Er is in het A&A model nog een derde optimalisatie uitgevoerd waarbij als uitgangspunt 315 kg cement werd aangenomen.

Om de eigenschappen van alle samenstellingen van de referentie en de optimalisaties te kunnen onderzoeken zijn deze mengsels twee tot drie keer gemaakt. De verse betonspecie-eigenschappen (verwerkbaarheid en luchtgehalte) zijn gemeten evenals de druksterkte (1-,7-, 28-daagse) op 4 tot 6 proefkubussen per leeftijd. In de tabel hieronder een samenvatting van de meetresultaten.

Uit het onderzoek blijkt dat optimalisatie van de korrelpakking een effectief middel is om het cementgehalte in betonmengsels te verlagen. Daarmee dalen niet alleen de CO₂-emissies, maar ook de kostprijs van het beton. Dankzij een optimale korrelverdeling konden betonmengsels worden samengesteld met minder cement (315–320 kg/m³ in plaats van 335 kg/m³), zónder concessies te doen aan de verwerking of prestaties van het verharde beton.

Dit laat zien dat het goed mogelijk is voor betonmortel centrales en prefab beton bedrijven om direct resultaat te boeken en zelf aan de slag te gaan met eenvoudige pakkingsmodellen. De gratis Android app Packing, van C&BC kan daarin behulpzaam zijn.

Dit artikel is gebaseerd op de presentaties van het Symposium Betontechnologie 2025 van Edwin Vermeulen (Cement&BetonCentrum) en Marcel Bruin (Heidelberg Materials) en de bijbehorende artikelen in Betoniek Vakblad 2-2025