Carbonatatie van beton

In het milieudebat wordt er bijna enkel gesproken over de CO2-uitstoot die door de mens veroorzaakt wordt. In dit artikel gaan we het niet hebben over CO2-uitstoot, maar wel over CO2-opname. Iedereen weet dat bomen CO2 opnemen, maar wat velen niet weten is dat ook beton CO2 opneemt en dat dit invloed kan hebben op de levensduur van de constructie en op de milieu-impact ervan. We staan even stil bij een innovatie op dit vlak. Staalslakken binden onder invloed van CO2 en zorgen zo voor een volwaardige cementvervanging in bijvoorbeeld betonblokken.

Koolstofdioxide

CO2 is de chemische aanduiding voor het kleur- en reukloos gas koolstofdioxide. Ongeveer 0,04 % (420 ppm; parts per million) van de lucht om ons heen bestaat uit CO2 [1]. De andere bestanddelen zijn stikstofgas (78 %), zuurstofgas (21 %) en argon (0,9 %). Daarnaast bevat lucht nog een kleine hoeveelheid waterdamp en sporen van andere edelgassen [2]. Planten nemen water en CO2 op en zetten dit onder invloed van zonlicht om in zuurstof en glucose, wat een bouwsteen is voor de productie van cellulose, een hoofdbestanddeel van de celwanden van planten. Zonder CO2 kunnen planten niet groeien en in leven blijven. De toename van het CO2-gehalte in de atmosfeer resulteert dan ook in een algehele vergroening van de aarde en een toenemende productiviteit van landbouw en veeteelt [3]. Niet voor niets dat in de glastuinbouw het CO2-gehalte in de kassen wordt verhoogd voor een optimale groei van de gewassen [4].

De houtbouwindustrie beweert dat houtproducten uit duurzaam beheerde bossen CO2-neutraal zijn omdat bomen CO2 opnemen en vasthouden tot aan het einde van de levensduur [12]. Nochtans ontstaat er een tijdelijke koolstofschuld bij het kappen van bomen, heeft een nieuw bos tot 41 jaar nodig om de koolstofschuld in evenwicht te brengen, wordt in Europa slechts 18,7 % van het gekapte hout voor langetermijndoeleinden gebruikt en veroorzaken het transport en de verwerking van het ruwe hout ook koolstofemissies. Wanneer al deze factoren in rekening worden gebracht wordt de term koolstofneutraliteit enigszins vaag [13].

Carbonatatie en levensduur

Door de aanwezigheid van vrije kalk in beton (calciumhydroxide of Ca(OH)2), een product van de reactie van cement met water, heeft het poriewater een hoge concentratie OH– en Ca2+-deeltjes, waardoor het ook een hoge pH-waarde heeft (12  à  13). De Fe2+-deeltjes van de wapeningsstaaf vormen met de OH-deeltjes een laag ijzeroxide (Fe(OH)2) op het staaf­oppervlak. Deze laag zorgt ervoor dat het staal niet meer direct in contact staat met het poriewater en voorkomt dat de wapening corrodeert[5].

Carbonatatie is de chemische reactie waarbij calciumcarbonaat (CaCO3) en water gevormd worden uit de reactie tussen CO2 uit de lucht en de OH– en Ca2+-deeltjes in het poriewater van het beton. Door voortgaande carbonatatie kan de pH-waarde van het poriewater dalen. Bij een pH-waarde van ongeveer 9 of lager wordt de laag ijzer­oxide dunner, totdat deze compleet verdwenen is. Vanaf dat moment kan de wapeningsstaaf corroderen. Bij corrosie door carbonatatie is de lage pH-waarde in het poriewater overal redelijk gelijk, waardoor de staaf overal gelijkmatig dunner wordt. Hierdoor is er minder staal beschikbaar voor het opnemen van trekspanningen in de constructie. Een ander gevolg is dat het ontstane roest een groter volume heeft dan het verdwenen staal, waardoor het beton rond de wapening wordt weggeduwd en kan scheuren of zelfs afbrokkelen[5].

De omzetting van calciumhydroxide in calciumcarbonaat kan alleen in een vochtig milieu plaatsvinden. CO2 kan daarentegen uitsluitend binnendringen als de poriën open zijn, dus opgedroogd. Carbonatatie kan dan ook alleen optreden onder drogende omstandigheden. De plaats tot waar het carbonatatieproces is doorgedrongen wordt het carbonatatiefront genoemd. Zolang het carbonatatiefront de wapening nog niet bereikt heeft, is het wapeningsstaal afdoende beschermd. De snelheid waarmee de carbonatatie in het beton voortschrijdt, is een belangrijk gegeven om iets te kunnen zeggen over de kans dat corrosie zal optreden. Maar voor het optreden van corrosie moet aan meer randvoorwaarden worden voldaan dan alleen carbonatatie. Beton in droge ruimten carbonateert vaak tot voorbij de wapening zonder dat er sprake is van corrosie. Er is namelijk geen water in het beton aanwezig om corrosie te veroorzaken [6].

De betondekking speelt bij corrosie een belangrijke rol. Mits voldoende aanwezig en verdicht, verhindert de betondekking dat de wapening voortdurend vochtig wordt. De permeabiliteit van de betondekking bepaalt vooral hoe snel het vochttransport van buiten naar binnen en van binnen naar buiten gebeurt. Vanaf een diepte van +/- 15 mm zullen geen vochtuitwisselingen meer optreden. De verschillende omstandigheden waaraan betonconstructies kunnen worden blootgesteld, leveren geen wezenlijk verschil op in de diepte tot waar vochtfluctuaties worden waargenomen. Het dieper gelegen beton droogt gedurende de droge periodes langzaam maar zeker uit. Wapeningsstaal dat in gecarbonateerd beton ligt, kan enkel roesten als de betondekking te klein is [6].

De beste maatregel ter voorkoming van wapeningscorrosie is in de ontwerpfase rekening te houden met voldoende betondekking, in de uitvoering ervoor te zorgen dat de betondekking ook gerealiseerd wordt en dat het betonoppervlak goed nabehandeld wordt [6]. De NBN EN 1992-1-1 + ANB[7] geeft richtlijnen met betrekking tot de minimale betondekking (tabel 1).

Carbonatatie en milieu-impact

Aangezien CO2 uit de atmosfeer via het oppervlak in het beton dringt, zal in verschillende stadia van de levens­cyclus van een gebouw carbonatatie optreden. De hoeveelheid CO2 die opgenomen wordt is afhankelijk van het type beton, de omgevings­omstandigheden bij gebruik en het scenario aan het einde van de levensduur. Vooral na het afbreken van het gebouw en het breken van het beton neemt de carbonatatie drastisch toe, omdat het specifieke oppervlak wordt vergroot. Hierbij is de korrelgrootte van belang, hoe kleiner hoe beter. Opslag van zeer fijne deeltjes in grote hopen is echter niet optimaal voor carbonatatie vanwege de beperkte CO2-penetratie door de hoop [8].

De CO2-opname in de gebruiksfase van de constructie kan worden gekwantificeerd met behulp van de norm NBN EN 16757[8], welke de basis vormt voor de EPD’s (Environmental Product Declarations) van prefab betonproducten. De maximale theoretische CO2-opname in volledig gecarbonateerd beton (Utcc) is gecorreleerd met de hoeveelheid reactief calciumoxide (CaO) in de bindmiddelen. Als conservatieve benadering kunnen berekeningen worden gedaan met enkel het CaO-gehalte in de klinker. CEM I bevat minstens 95 % klinker en heeft een Utcc-waarde van 0,49 kg CO2/kg cement. Voor andere cementsoorten dan CEM I kan de Utcc-waarde berekend worden door de CO2-opname van CEM I te vermenigvuldigen met het klinkergehalte van het cement in % en te delen door 0,95. Voor verschillende cementsoorten zijn de Utcc-waarden weergegeven in tabel 2[8].

Om de CO2-opname van niet volledig gecarbonateerd beton te schatten moeten we de carbonatatiediepte kennen. Deze kan berekend worden
met formule 1: d=k.√t

met d: carbonatatiediepte (mm);
k: k-factor (mm/jaar 0.5);
t: de tijd (jaar).

De CO2-opname per m² betonoppervlak gedurende ‘t’ jaren kan berekend worden met formule 2: CO2-opname = k.(√t ⁄1000).Utcc.C.Dc

met k: zie formule 1
t: zie formule 1
Utcc: zie tabel 2
C: hoeveelheid cement (kg/m³)
Dc: carbonatatiegraad (%)

De k-factor en carbonatatiegraad ‘Dc’ kunnen teruggevonden worden in tabel 3 voor verschillende sterkteklassen en omgevingsomstandigheden. Voor andere cementsoorten dan CEM I of voor de combinatie van CEM I en toevoegsels, moet de k-factor vermenigvuldigd worden met de correctiefactor ‘Kk’ uit tabel 4 vanwege de hogere carbonatatiesnelheid. Als conservatieve benadering mag slechts één toevoegsel in rekening worden gebracht. De berekeningsmethode voor de CO2-opname in de gebruiksfase kan in principe ook worden toegepast op het einde van de levensduur [8]. Meer informatie is terug te vinden in CEN/TR 17310[9].

Carbonatatie van staalslakken Staalslakken zijn resten die ontstaan bij de productie van staal. In hoogovens wordt ijzererts omgezet in ruwijzer en hoogovenslak. Het vloeibare ruwijzer wordt met kalk, schroot en zuurstof omgezet in staal en staalslak. De belangrijkste elementen van staalslakken zijn silicium, aluminium, ijzer, calcium en mangaan, veelal in de vorm van oxides[10]. De fijnste restfracties van deze staalslakken kunnen als bindmiddel dienen. De calciumoxides in de staalslakken reageren met CO2 in de atmosfeer en vormen op die manier calciumcarbonaat. Door deze natuurlijke carbonatatie hechten de deeltjes aan elkaar. Onderzoek en ontwikkeling leidden tot een technologie waarbij dit natuurlijk proces versneld wordt om van de fijne restfractie (filler) een hoogwaardig materiaal te maken voor toepassing in o.a. beton. In de fabriek wordt de filler gemengd met diverse slakkenzanden en water. Het water dient om de aanwezige CaO te hydrateren en om carbonatatie mogelijk te maken. Door middel van een pers kunnen bijvoorbeeld holle en volle blokken, dakpannen en tegels gevormd worden die vervolgens in een autoclaaf geplaatst worden voor de carbonatatie. Hierbij wordt CO2 onder hoge druk en temperatuur in de elementen gebracht zodat ze versneld uitharden. Samen met een energie-efficiënt productieproces en het feit dat ze gedurende de volledige levenscyclus CO2 uit de lucht halen kunnen dit soort producten resulteren in een negatieve CO2-voetafdruk [11]. (BHE)

REFERENTIES

1 Voorwaarden voor draagbare en vervoerbare CO2-meters, Prebes, www.prebes.be.
2 De samenstelling van de atmosfeer, KMI, www.meteo.be.
3 Nutritive value of plants growing in enhanced CO2 concentrations, CO2 Coalition, march 2024.
4 Hoe kan je de hoeveelheid CO2 in de kas verhogen?, Royal Brinkman, www.royalbrinkman.nl.
5 Corrosie uitvergroot, BETONIEK 15/26, augustus 2012.
6 Carbonatatie en corrosie, BETONIEK 8/22, februari 1991.
7 NBN EN 1992-1-1:2005 + ANB:2010 – Eurocode 2 : Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings.
8 NBN EN 16757:2022 – Sustainability of concrete works – Envrionmental product declarations – Product Category Rules for concrete and concrete elements.
9 CEN/TR 17310:2019 – Carbonation and CO2 uptake in concrete.
10 Wageningen Marine Research rapport C025/24, Uitloging LD-staalslakken, mei 2024.
11 www.orbix.be.
12 https://www.hout100procent.nl/hout-bevat-veel-vastgelegde-co2.
13 Carbon Accounting for Building Materials – An assessment of Global Warming Potential of biobased construction products, LBPSIGHT, version 03, June 8th, 2022.