Experimentele analyse en numerieke modelering van beton met toevoeging van gecalcineerde baggerspecie

De cementindustrie is verantwoordelijk voor 10% van de globale antropogene CO2-uitstoot. Door de toenemende bevolkingsgroei, industrialisatie en urbanisatie in ontwikkelingslanden, wordt er echter verwacht dat het aandeel van de cementindustrie in de totale broeikasgasemissies enkel maar zal stijgen. Eén van de meest effectieve manieren om de milieu-impact van de cementindustrie te verminderen, is door gebruik te maken van supplementair cementerende materialen (SCMs) als gedeeltelijke vervanging van cement in beton. Door de beperkte beschikbaarheid en verminderde productie van de klassieke SCMs, zoals vliegas en hoogovenslak, is er echter dringend nood aan nieuwe alternatieven, om de CO2-uitstoot gepaard gaande met de cementindustrie verder te reduceren en om bij te dragen aan het bereiken van de klimaatdoelstellingen van de Verenigde Naties.

Dit onderzoek bestudeert het nuttig hergebruik van baggerspecie uit de haven van Antwerpen als potentieel nieuw SCM voor de productie van een duurzaam beton, en is deel van het BIND-AMOR project. De baggerspecie wordt eerst verwerkt tot filterkoeken in een state-of-the-art mechanische ontwateringsinstallatie. Na flash calcinatie worden de filterkoeken puzzolaan reactief, wat het potentieel aantoont voor het gebruik als cementvervanger. Het hoofddoel van deze thesis is het evalueren van het effect van CFC als SCM op de eigenschappen van beton op jonge leeftijd, om zo het vervormingsgedrag op jonge leeftijd te begrijpen en om tijdsafhankelijke vervormingen op latere leeftijd te voorspellen. De invloed van de gedeeltelijke vervanging van cement door CFC wordt enerzijds experimenteel bestudeerd. Zowel het hydratatieproces, de eigenschappen van beton op jonge leeftijd, de mechanische eigenschappen en het krimp- en kruipgedrag van beton worden onderzocht. Anderzijds worden verschillende numerieke modellen gebruikt om de eigenschappen van het beton te beschrijven en wordt er een tool ontwikkeld om het scheurgedrag van het beton te voorspellen.

CFC verbetert de hydratatie van Portland cement (OPC) door het `filler effect' op jonge leeftijd en door de vorming van extra hydratatieproducten op latere leeftijd. De hoge specifieke oppervlakte van CFC verhoogt de waterbehoefte van beton en noodzaakt het gebruik van een superplastificeerder, die de binding van het beton enigszins zal vertragen. Het gebruik van CFC cement vermindert de betonsterkte op jonge leeftijd, maar verhoogt de betonsterkte op latere leeftijd significant door de puzzolane activiteit van CFC, en sterkteklasse C45/55 wordt bereikt. Zowel de autogene krimp als de uitdrogingskrimp worden gereduceerd door gebruik van CFC cement, als het gevolg van de ontwikkeling van een autogene zwelling, het verdunningseffect en de gewijzigde porositeit en porieverdeling. Ook de basis-kruip zal gereduceerd worden door gebruikt te maken van CFC cement. Het thermisch-krimp geïnduceerde risico van het beton op scheuren, tenslotte, wordt ook gereduceerd door CFC cement te gebruiken, als gevolg van het gecombineerd effect van de totale vervormingen, de treksterkte en de elasticiteitsmodulus van het CFC beton op het risico op scheurvorming.

De resultaten van deze thesis tonen duidelijk het potentieel aan van CFC als nieuw SCM voor de productie van een duurzaam cement en beton in Vlaanderen. Op voorwaarde dat de reologische eigenschappen, duurzaamheidseigenschappen, het structureel gedrag en het hechtgedrag van het beton verder onderzocht worden, en dat aan de relevante eisen wordt voldaan, worden in situ toepassingen beoogd.