Metselwerk opbakken bij 540 graden

wetenschap & onderzoek

8

Metselwerk opbakken bij 540 graden Verhitting van metselwerk en magnetische scheiding van puin sluiten de cyclus bij de recycling van bakstenen

astrid van der graaf

In Nederland wordt jaarlijks zo’n 16 miljoen ton steenachtig bouw- en sloopafval geproduceerd. Het is hoofdzakelijk afkomstig van gebouwen uit de jaren dertig, zestig en zeventig. De jaren ’60 bouw ken-

Steenachtig bouw- en sloopafval verdwijnt al decennia als fundering onder onze wegen. Zoeken naar andere gebruiksmogelijkheden voor dit mengsel van beton- en metselwerkpuin was tot op heden niet nodig. Nu de voorraden mergel en grind (twee van de drie benodigde grondstoffen voor cement c.q. beton) eindig zijn gebleken en de prijzen daarvoor beginnen te stijgen, ontstaat er een groeiende interesse bij de betonbranche om betonpuin te recyclen. Omdat metselpuin alleen in combinatie met betonpuin als wegenbouwgranulaat kan worden toegepast, doemt het visioen van metselwerkpuinhoop op waarvoor geen afzet is. Vooruitlopend op dit probleem heeft civiel ingenieur Koen van Dijk van Civieltechnische Materiaalkunde aan de TU Delft een aantal verwerkingstechnieken ontwikkeld om ook metselwerkpuin opnieuw te gebruiken. Binnenkort promoveert Van Dijk op een proces waarmee 50% van de bakstenen heel terug zijn te winnen. Uit het resterende metselpuin vangt hij magnetisch het baksteengruis af, dat gemengd met verse klei weer een nieuw leven als baksteen krijgt. Hiermee is de cyclus voor de recycling van bakstenen gesloten. delft

∫

i n t e g r a a l 2004.1

merkt zich door het hoge aandeel aan beton, waar in de jaren dertig vrijwel uitsluitend metselwerk werd toegepast.

wetenschap & onderzoek

9

Per jaar produceert Nederland 23 miljoen ton bouw- en sloopafval (bsa). Ruwweg 70% hiervan is steenachtig puin. Volgens het Bouwstoffenbesluit mag sinds het jaar 2000 herbruikbaar afval niet meer worden gestort. Het mag zelfs de provinciegrens niet meer over, dus een gemeente kan er nauwelijks mee uit de voeten. Dit was tot op heden ook niet nodig, want het steenachtige puin wordt geheel gebruikt voor de wegenbouw. ‘Het afval is voldoende om in Nederland jaarlijks een zesbaansweg van 340 kilometer aan te leggen: de afstand van Maastricht tot Groningen. Maar nu de overheid besloten heeft niet extra wegen te bouwen om het fileprobleem op te lossen, zal de vraag naar wegenbouwgranulaat onherroepelijk afnemen. Het aanbod echter niet’, vertelt promovendus ir. Koen van Dijk. ‘Delftse Ladder’ ¶ Vooruitlopend op deze ontwikkeling hebben de TU Delft en tno Milieu, Energie & Procesinnovatie (mep) in Apeldoorn alvast het initiatief genomen om hoogwaardig en duurzaam hergebruik van steenachtig puin te onderzoeken. ‘Het gebruik als wegenbouwgranulaat is een zinvolle toepassing, maar het is een laagwaardig vorm van hergebruik. We spreken pas echt van recyclen als aan afval dezelfde invulling geven wordt, als het oorspronkelijk had. De afvalstof gaat dan als bouwstof door in zijn eigen cyclus. Alleen zo sluit je de kringloop.’ Hiermee introduceert Van Dijk de «Delftse Ladder», het hedendaagse duurzame alternatief van de Ladder van Lansink die dateert uit 1979 toen de wetgeving op het gebied van afvalstoffen tot stand kwam. Zo is uit deze optiek het toepassen van betonpuin bij de betonproductie een hoogwaardige vorm van hergebruik. De promotor van Van Dijk, prof. dr. ir. Charles Hendriks van de sectie Civieltechnische Materiaalkunde, is een van de bedenkers van het huidige Bouwstoffenbesluit en de Delftse Ladder. Beton ¶ Het steenhoudend afval van de sloop bevat in het algemeen zo’n 65% betonpuin en 35% metselwerkpuin. Hergebruik van vermalen betonpuin is volgens Van Dijk inmiddels goed mogelijk, maar het kan nog wel worden verbeterd. Het breken en vermalen van betonpuin levert namelijk een hoekig granulaat op, waardoor de korrels niet lekker langs elkaar glijden. Van Dijk: ‘Beton moet goed kunnen vloeien. De consistentie van beton meten we door een conische cilinder vol te storten met het betonmengsel, en die vervolgens weg te trekken. De mate waarin deze cilinder ineenzakt, zegt iets over de consistentie. Elke toepassing vraagt zijn eigen vloeibaarheid. Zo is voor een afwerklaag op een plaatvloer een hogere consistentie vereist dan bij de toepassing in een funderingsbalk.’ Door een superplastificeerder als smeermiddel toe te voegen, kan de consistentie worden verhoogd bij een gelijkblijvende water-cement verhouding. Van Dijks collega-promovendus Hiroshi Ishiguro is bezig dit deel van de puinstroom verder te onderzoeken. Het grootste probleem bij de verwerking van steenachtig puin is dus dat er een grote berg metselwerkpuin overblijft, dat ongeschikt is voor de toepassing als wegenbouwgranulaat door de lage druksterkte en hoge waterabsorptie van het materiaal. De zwakste schakel ¶ De verbinding tussen baksteen en mortel is de zwakke schakel die menig doe-het-zelf-metselaar al voor problemen heeft gesteld. Wanneer de baksteen te droog is, onttrekt hij te veel water uit de cementmortel. De cement op het grensvlak komt dan bij uitharding (hydratatie) water te kort en de verbinding wordt zwak. Is de baksteen daarentegen te nat, dan heeft het cement aan het grensvlak een overschot aan water, wat na verdamping holle ruimtes oplevert. Eigenlijk is het dus nooit goed, volgens Van Dijk, alleen minder slecht. Tijdens de begeleiding van een eerstejaars practicum kwam Van Dijk op het idee om brokken metselwerk te gaan verhitten. ‘De studenten moesten de lineaire uitzettingscoëfficiënt van een aluminiumbalkje meten. Een standaardpracticum. Toen bedacht ik ineens: als elk materiaal zijn eigen uitzettingscoëfficiënt heeft, waarom dan niet baksteen en mortel? En als dat verschil groot genoeg is, dan zal door de spanning de verbinding breken.’

De grote stroom aan sloopafval maakte de reclyclingindustrie tot een florerende tak met een moderne aanpak. Waar voorheen het afval ongemengd werd afgevoerd om elders te worden gescheiden, staan nu mobiele scheiders die ter plekke een bruikbaar eindproduct opleveren.

Een van de belangrijkste eindproducten is meng-

De betonindustrie is ook geen afzetgebied voor

granulaat. Dit bestaat uit min. 60% beton korrels

het menggranulaat, vanwege de hoge fractie bak-

en max. 40% gemengde baksteen- en mortelfrac-

steen en mortel. Er is echter wel belangstelling

tie. Het wordt gebruikt als funderingsmateriaal

voor de pure betonfractie, maar dan zit men met

voor de wegenbouw. Het aantal wegenbouwpro-

de baksteenfractie in de maag.

jecten neemt echter af en daarmee ook de afzetmarkt voor de recyclingsbranche.

De sloopbranche zoekt ook naar alternatieven. Een daarvan is het selectief slopen. Bij het verwijderen van een eenvoudig object als een NS-gebouwtje aan de Boezembocht in Rotterdam werden diverse puinstromen al tijdens de sloop gescheiden.

Met het oog op hergebruik werd getracht om zo groot mogelijke stukken metselwerk in een keer los te halen. De brokken muur werden afgevoerd naar de baksteenfabriek. De overige fracties die werden afgescheiden

Gebrande schelpjes ¶ Onder laboratoriumomstandigheden brak het metselwerk spontaan tijdens verhitting in de gasoven bij een temperatuur van 540°C.

waren: betonpuin, gemengd steenachtig puin, metaal, stalen liggers, dakbedekking, steenwol, hout in verschillende kwaliteiten en een gemengde restfractie.

delft

∫

i n t e g r a a l 2004.1

wetenschap & onderzoek

10

‘Deze temperatuur geeft voldoende spanningsverschil. Je hoort het spontaan losknappen. Daarna kan je de mortel als plakken van de bakstenen aftillen. De baksteen is nagenoeg schoon. Alleen daar waar het mortelwater de baksteen is ingetrokken, is een grijze waas zichtbaar.’ De truc lukt overigens alleen met cementmortel. Dit is een hard materiaal waardoor er een goed spanningverschil ontstaat tussen baksteen en mortel. ‘De ouderwetse kalkmortel, gemaakt van gebrande schelpjes en zand, is veel milder en volgt de uitzetting van baksteen. Die is overigens goed met de hand eraf te bikken, wat voor terugwinning van stenen voor restauratie wordt gedaan. Tegenwoordig wordt 80% van het metselwerk echter uitgevoerd met (portland)cementmortel. Die krijg je er met de hand niet af.’ Experiment ¶ In Rotterdam nam Van Dijk de proef op de som. Bij de sloop van een oud ns-gebouw op het rangeerterrein «Boezembocht» had hij geregeld dat het metselwerk selectief gesloopt werd. Onderdelen van hout, metaal en kunststof worden altijd al selectief gestript, maar het stenen casco van beton en metselwerk wordt met het nodige geweld kapot gebeukt en als grof puin afgevoerd. Voor het praktijkexperiment had Van Dijk een paar ton aan «hele» brokken muur nodig die opeengestapeld op ovenwagens de gasoven in konden rijden. Dat betekent dat een sloopmachine het buitenste gemetselde deel van een spouwmuur apart moet losmaken en verwijderen, wat vrij lastig is als beide delen met muurankers verbonden zijn. Voor thermische behandeling van de stukken metselwerk kon Van Dijk terecht bij één van de grootste baksteen en dakpanproducenten van Nederland: Terca Baksteen in het Limburgse Reuver, waarvan technisch directeur ing. Fons Wagener lid was van de begeleidingscommissie. Met een thermische behandelingsprocedure van 3 uur opwarmen, 2 uur op 540° C en met vervolgens het afkoeltraject, lukte het hem om 45% van de bakstenen heel uit het metselwerk terug te winnen. Geen onaardig resultaat voor een eerste praktijktest. Subtiel slopen ¶ Thermische terugwinning van bakstenen is energetisch gunstig. Bovendien is er minder energie voor nodig dan voor het bakken van nieuwe stenen (zie bijgaand kader). Dat een sloper ervoor moet zorgen dat stukken muur in hun geheel worden afgeleverd, is echter een nadeel. Subtiel slopen is een contradictio in terminis. Om het proces in de praktijk toe te passen, moet nog worden geïnvesteerd in een nieuwe aanpak om gebouwen te lijf te gaan, aldus dr. Peter Rem van de sectie Grondstoffentechnologie bij Technische Aardwetenschappen. Rem is gespecialiseerd in het inzetten van beproefde scheidingstechnieken uit de mijnbouw voor nieuwe toepassingen. Volgens hem is het nog niet zo’n slecht idee om een gebouw in zijn geheel te verhitten. ‘Dat klinkt misschien vreemd, maar het is logistiek gezien best handig. Wanneer het verhitten van een geheel gebouw integraal onderdeel is van de sloop, heeft het grote kansen. Dat kan best eenvoudig: inpakken en stoken.’ ‘Magnetische’ bakstenen ¶ Toch blijft er nog een groot deel van het metselpuin achter. Bij het zoeken naar een geschikte methode om het resterende baksteen en mortel van elkaar te scheiden, kwam Van Dijk terecht bij Rem. De ideale scheidingstechniek was snel gevonden toen bleek dat klei zo’n 5% ijzer bevatte. Rem: ‘Magnetisch scheiding wordt in de mijnbouw gebruikt voor het winnen van bijvoorbeeld ilmeniet (FeTiO3 – red., AvdG). Voor een goede scheiding van baksteen en mortel moet het puin worden vermalen tot deeltjes met een diameter van maximaal 2 millimeter, anders krijgt de magneet er geen vat op. Je hebt een sterke magnetische gradiënt nodig en daardoor is het bruikbare veld erg ondiep. Het is overigens verbazingwekkend dat alle bakstenen magnetisch zijn: ook de gele, waarvan je zou verwachten dat die minder ijzer bevatten, omdat die meer kalk bevat.’ Een ijzergehalte van 2 à 3% blijkt voldoende om metselpuin in baksteen granulaat en mortelgruis te scheiden. Van Dijk: ‘Wanneer het verschil in magnetische aantrekkingskracht maar groot genoeg is, is het mogelijk om materialen met behulp van een magnetisch veld te scheiden. Baksteen heeft een magnetische aantrekkingskracht van gemiddeld 550 10-9 m3/kg, en cementmortel van 17 10-9 m3/kg. Hierdoor konden we voor de scheiding van steen en cementmortel een rendement van 90% halen.’ Wat er nu overblijft is een grote bak met zuiver baksteengranulaat van 2 mm of kleiner. Daarmee is Van Dijk zelf bakstenen gaan bakken. Hiervoor kon hij delft

∫

i n t e g r a a l 2004.1

Voor de recycling van het metselwerkpuin is er in

Vervolgens werd het puin in drie uur tot een tem-

een samenwerkingsverband tussen tno en

peratuur van 540 °C gebracht. Na twee uur op die

TU Delft een thermisch procédé ontwikkeld om de

temperatuur werd het afkoelingstraject ingezet.

bakstenen terug te winnen uit metselwerkpuin.

De hoog opgetastte bakstenen waren losgebro-

De bakstenen ondergingen in de kamerovens van

ken van de mortel en naast de ovenwagen terecht

raamdorpelfabriek Terca in het Limburgse Reuver

gekomen.

een warmtebehandeling.

De scheuren op het breukvlak van de bakstenen

Met de teruggewonnen retro-bakstenen is dat tra-

en de mortel ontstaan door het verschil in lineaire

ject met succes afgerond. Het is nu aan de indus-

uitzettingscoëfficiënt.

trie om deze methode in de praktijk toe te passen.

Stenen bakken Verse bakstenen worden gedurende 40 tot 60 uur gebakken bij een temperatuur van 1.000 tot 1200 °C, afhankelijk van de kleisoort. De stenen liggen hiervoor opgestapeld op ovenwagens die via rails door een honderdtwintig meter lange tunneloven worden geschoven. In het eerste traject worden de gedroogde kleistenen langzaam opgewarmd om het vrije, fysisch en chemisch gebonden water er uit te stoken. Tot 100 °C verdampt het vrije water, dat is het water dat zich tussen de korrels bevindt. Tussen 100 °C en 250 °C verdwijnt het fysisch en het chemisch gebonden water. Hierdoor krimpt de baksteen een paar procent. Het organisch materiaal dat nog in de klei zit, brandt eruit wanneer de temperatuur verder wordt verhoogd van 250 tot 500 °C. Opwarming kost bij elkaar 20 uur, dezelfde tijd als het afkoeltraject – al verschilt dit per kleisoort. Naast verdamping van water is de zogenoemde kwartsprong die optreedt bij opwarming en afkoeling een belangrijke factor voor het welslagen van het bakproces. Bij 573 °C vindt deze kwartsprong plaats: alfa-kwarts springt over in beta-kwarts, een plotselinge uitzetting van de moleculair structuur. Bij opwarming is er minder kans op scheuren. De drukspanningen die de sprong veroorzaakt, kunnen door de nog losse deeltjes makkelijker worden opgevangen. Tijdens het afkoelen kan de sprong waarbij krimp optreedt sneller schade aanrichten, doordat de plotselinge trekspanning scheuren veroorzaakt. Bij bakken van klei ofwel de vaste-fasesintering vormen zich moleculaire bindingen tussen de kleideeltjes. Ir. Koen van Dijk: ‘Je kunt het vergelijken met een zak drop die je op een warme dag in de auto hebt laten liggen, op de contactpunten zijn de dropjes aan elkaar gesmolten en als je er één wilt pakken heb je plotseling een heel blok drop beet.’ Voor een goede hechting tussen de deeltjes is een lutumgehalte van 10% noodzakelijk. Dit zijn fractiedeeltjes met een diameter kleiner dan 10 micrometer. Hoe kleiner de deeltjes, hoe groter de ‘groene sterkte’ voor het bakken en hoe beter de kwaliteit van de baksteen. Bij hogere lutumgehaltes neemt de kans op krimpscheuren tijdens het drogen echter weer toe.

wetenschap & onderzoek

11

terecht bij de keramische afdeling van tno-tpd in Eindhoven en Terca Baksteen. Voor de ideale mengverhouding van klei en baksteengranulaat heeft Van Dijk verschillende variaties van kleisoorten, hoeveelheden en soorten granulaat getest. ‘In het lab konden we met een percentage van 95% baksteengranulaat en 5% nieuwe klei nog goede bakstenen bakken die aan de vereiste productspecificaties voldoen, zoals druk- en buigtreksterkte, vorst-dooi bestandheid en wateropzuiging. Maar in de praktijk bleek 50% hergebruik de grens. Dit heeft te maken met de «groene sterkte»: de sterkte van de gedroogde kleisteen,’ probeert Van Dijk te verduidelijken. Groene sterkte ¶ Klei heeft van nature een groenige kleur. Als de verse klei, of in dit geval het granulaatmengsel, in een steenvorm is gedrukt en gelost, moet de natte steen drogen voordat hij de oven in kan. Die gedroogde «groene steen» moet minimaal een buigtreksterkte van 0,5 N/mm2 kunnen verdragen. Deze sterkte is nodig voor het interne transport van de stenen in de fabriek, maar ook om het opbouwen van het ovenpakket te overleven. Over kleuren gesproken: de bekende roodbruine kleur van de baksteen ontstaat tijdens het bakken van de gedroogde klei. Er zijn twee manieren om te stoken: oxiderend met toevoer van extra zuurstof of reducerend in een gesloten ruimte. Als er oxiderend wordt gestookt, reageert het ijzer in de klei met de toegevoerde zuurstof tot ijzeroxide (FeO) wat een rode kleur heeft. Wordt er reducerend gestookt, dan krijgen bakstenen een zwarte kleur door het elementair ijzer (Fe). Zit er veel kalk in de klei dan worden de bakstenen door het calciumoxide (CaO) juist weer geel, terwijl bepaalde metalen, zoals mangaan en koper, een groene of blauwe kleur opleveren. Van Dijk vond het opvallend dat zelfs met een hoog percentage van 75% aan geel baksteengranulaat, de verse kleisoort de uiteindelijk kleur van de baksteen bepaalde. ‘Pas wanneer je de steen doorzaagt, zie je gele structuurtjes in de rode steen.’

Bij baksteenfabriek de Kijfwaard in Pannerden werd een proef uitgevoerd waarbij de baksteenfractie na vermalen met klei werd vermengd in een verhouding 50%-50%. Met het in Nederland gangbare vormbakprocédé (vanwege de slappe klei) kunnen uit dit mengsel bakstenen worden geproduceerd. De kleimassa wordt in mallen geslagen die zijn bestrooid met zand om de ‘groene’ steen gemakkelijker te lossen.

De restfractie, bestaande uit gebroken en beschadigde bakstenen en mortel, blijkt uit onderzoek bij de faculteit Technische Aardwetenschappen door middel van magnetische scheiding te kunnen worden gescheiden in een zuivere fractie baksteen en

Infrastructuur ¶ De cyclus is rond, vindt Van Dijk, maar de stap naar toepassing is ingewikkeld omdat het van meerdere marktpartijen afhangt. Afzonderlijk hergebruik van beton- en metstelwerkpuin heeft een uitwerking op heel de keten: van slopers, brekers, recyclingsbedrijven, producenten van bouwmaterialen, de bouwers en ook de architecten. ‘Een belangrijke spil zijn de recyclebedrijven die puin verwerken tot wegenbouwgranulaat. Voorlopig is het nog een lucratieve business, zoals blijkt uit het aantal recyclingcentrales dat sinds 1995 uit de grond is geschoten. Voor zowel het afnemen van puin van de sloper als het leveren van granulaat krijgen ze betaald. Maar je kan er op wachten dat de vraag naar wegenbouwgranulaat afneemt, omdat er minder wegen worden gebouwd en de betonbranche bovendien de fractie betonpuin «opeist». Dan ligt de weg open voor hergebruik van baksteen, en wordt het een noodzakelijkheid.’ Maar volgens Rem is daar meer voor nodig: ‘Geen enkel bedrijf start met een product waarvoor nog geen markt is, in de hoop dat de rest van de keten zal volgen. Het sluiten van de cyclus vergt een samenhangende infrastructuur.’ tno-mep is inmiddels dan ook met een zevental bedrijven uit de keten aan de slag om het concept voor de gesloten materiaalkringloop voor beton en metselwerk verder te ontwikkelen. Garanties ¶ Het ligt niet in de lijn der verwachting dat de overheid het hergebruik van bakstenen zal afdwingen. Rem: ‘De regelgeving is juist aan het versoepelen en de verantwoordelijkheid van de marktpartij aan het vergroten. Dit is funest voor innovatie. Het gaat namelijk om de aansprakelijkheid. Wanneer over tien jaar blijkt dat gerecyclede bakstenen scheuren gaan vertonen, dan wordt de aannemer verantwoordelijk gesteld. Dat risico weegt niet op tegen de kostenbesparing door hergebruik. De overheid is de enige die een dergelijke aansprakelijkheid op zich kan nemen, door bijvoorbeeld een soort productgarantiecertificaat af te geven.’ Of de markt deze stenen gaat gebruiken, hangt niet alleen af van de kwaliteit van de steen maar ook van de esthetische waarde. Dit geldt ook voor de lichte grijze verkleuring van de hele bakstenen. ‘Misschien wordt het een succes wanneer architecten een recycling-look introduceren in plaats van knalrood,’ aldus Van Dijk. Toch ziet Van Dijk toekomst in zijn nieuwe vinding en volgt hij de ontwikkelingen nauwlettend. Meer kun je ook niet doen als je een oplossing voor een toekomstig probleem ontwikkelt. Nu werkt hij bij kh-Engineering in delft

∫

i n t e g r a a l 2004.1

mortel. Dat is mogelijk doordat de baksteendeeltjes zo’n 3-5 % ijzer bevatten en de morteldeeltjes minder dan 0,5%.

Om te voorkomen dat de «groene» stenen breken

De vormelingen werden enkele dagen in rekken

tijdens het interne transport in de fabriek, is het

aan de lucht gedroogd.

belangrijk dat de vormelingen voldoende zijn gedroogd.

De nieuw gebakken fifty-fifty-stenen uit oud

Tijdens het bakken ondergaat het materiaal een

gruis: 50% baksteengranulaat en 50% klei.

fase-overgang van alpha naar beta kwarts, dit gaat gepaard met plotselinge uitzetting.

wetenschap & onderzoek

12

Schiedam en rekent als civiel constructeur aan diverse staal- en betonconstructies in de industriële bouw. Daarnaast heeft hij zijn eigen adviesbureau Bouwen civieltechnisch ingenieursbureau Van Dijk & Swart b.v. samen met collegapromovendus Edwin Swart, voor het doorrekenen van buiselementen en het opzetten van websites, een andere hobby van de baksteenspecialist. Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met ir. Koen van Dijk, tel. (010) 208 8757, e-mail [email protected], of met prof. dr. ir. Charles Hendriks, tel. (015 ) 278 7439, e-mail [email protected]

Het oppervlak neemt de kleur van de gebakken klei aan, terwijl in de doorsnede baksteendeeltjes met verschillende kleuren zichtbaar zijn. De doorsneden zijn geïnjecteerd met hars om op deze wijze sterke slijpplaatjes te maken die microscopisch kunnen worden onderzocht.

V.l.n.r. De referentie-baksteen (puur klei), de fifty-fifty-baksteen (50% mestelgranulaat) en de fifty-fiftybaksteen (50% baksteengranulaat). De granulaatkorrels zijn niet zichtbaar aan het oppervlak, maar wel in de doorgesneden baksteen.

Wanneer de temperatuursbehandeling tijdens het bakproces te snel wordt doorlopen, kunnen inwendig in het product scheurtjes ontstaan. De mechanische kwaliteit van de baksteen wordt daardoor negatief beïnvloed.

delft

∫

i n t e g r a a l 2004.1