Assessing Engineering Properties of Concrete Produced with Broken Earthenware as a Partial Replacement of Coarse Aggregate

Technische Samenvatting: Beoordeling van de technische eigenschappen van beton met gebroken aardewerk als gedeeltelijke vervanging van grof aggregaat

Probleemstelling
De constructie-industrie staat voor aanzienlijke uitdagingen met betrekking tot de snelle uitputting van natuurlijke hulpbronnen en de stijgende kosten verbonden aan de winning van aggregaten. Beton, het op één na meest geconsumeerde materiaal wereldwijd na water, is sterk afhankelijk van aggregaten, die 75–80% van het volume beslaan. In ontwikkelende landen zoals Ghana leidt overmatige steenwinning tot milieuschade en ecosysteemvervuiling. Tegelijkertijd genereren de keramische en aardewerkindustrieën aanzienlijke hoeveelheden afval; ongeveer 30% van de grondstoffen in de keramische productie en 2% van de eindproducten worden als schroot weggegooid. Dit afval belandt vaak op stortplaatsen, waar het negatief kan interageren met het grondwater. De studie adresseert de dubbele noodzaak om bouwkosten te verlagen en de milieu-impact te beperken door de levensvatbaarheid te onderzoeken van het gebruik van gebroken aardewerkkommen als gedeeltelijke vervanging voor traditionele grove aggregaten (geplette graniet) in de betonproductie.

Methodologie
Het onderzoek maakte gebruik van een experimentele benadering om de mechanische, fysische en duurzaamheidseigenschappen van beton te evalueren.

• Materialen: De studie maakte gebruik van Ordinary Portland Cement (GHACEM Super Strong 42.5R), zand uit een zandgroeve, gebalde graniet en gebroken aardewerkkommen. Water voldeed aan de norm BS EN 1008:2002.
• Mengontwerp: Een doelsterkte van 25 N/mm² werd vastgesteld met een 1:2:4 mengverhouding en een water-cementfactor van 0,55.
• Specimenvoorbereiding: Betonmonsters werden gegoten in stalen kubussen (100 mm³) en cilinders (100 mm diameter × 200 mm hoogte). De gebalde graniet werd gedeeltelijk vervangen door gebroken aardewerkaggregaten bij 0% (controle), 10%, 20%, 30% en 40% op gewicht.
• Uitharding en Testen: De monsters werden uitgehard gedurende 7, 14, 21 en 28 dagen. Het testen omvatte:
  • Dichtheid: Gemeten volgens BS EN 12390-7:2019.
  • Druksterkte: Getest met een Universal Testing Machine (UTM) volgens BS EN 12390-3:2019.
  • Splits treksterkte: Uitgevoerd volgens BS EN 12390-6:2009.
  • Waterabsorptie: Bepaald na 28 dagen volgens BS EN 1881-122:2011.
  • Magnesiumsulfaat (MgSO₄) aantasting: De monsters werden 28 dagen in een MgSO₄-oplossing uitgehard en vervolgens getest op druksterkte volgens BS EN 206-1:2000.
• Data-analyse: De resultaten werden geanalyseerd met Microsoft Excel en One-Way ANOVA om statistische significantie te bepalen (P < 0,05).

Belangrijkste Resultaten

• Dichtheid: De dichtheid nam af naarmate het percentage vervanging door aardewerk toenam. Het controlemonster (0%) bereikte de hoogste dichtheid (2486,67 kg/m³ bij 28 dagen), terwijl de 40% vervanging de laagste registreerde (2276,67 kg/m³). De 10% vervanging leverde een dichtheid op van 2432,00 kg/m³, wat 2,2% lager is dan de controle, maar nog steeds binnen het bereik van normaal gewicht beton valt (1842–2483 kg/m³ volgens ASTM C138).
• Druksterkte: De sterkte nam toe met de uithardingsleeftijd, maar nam af bij hogere vervangingspercentages. Bij 28 dagen registreerde de controle 27,13 N/mm². De 10% vervanging registreerde 26,39 N/mm² (2,7% lager dan de controle), terwijl de 40% vervanging 24,76 N/mm² registreerde. Ondanks de afname voldeden alle monsters, behalve de 40% vervanging, aan de doelsterkte van 25 N/mm², en alle vielen binnen de acceptabele standaard voor dragende metselwerkunits (minimum 13,8 MPa volgens ASTM C90-22).
• Splits treksterkte: De trends weerspiegelden de druksterkte en namen af bij stijgende vervangingspercentages. Bij 28 dagen varieerden de waarden van 2,769 N/mm² (controle) tot 2,487 N/mm² (40% vervanging). De splits treksterkte bleef tussen 8% en 15% van de druksterkte, wat consistent is met standaard betongedrag.
• Waterabsorptie: De waterabsorptie nam toe met hogere vervangingspercentages. De controle vertoonde 2,44% absorptie, terwijl de 10% vervanging 2,52% liet zien (3,2% hoger dan de controle). De 40% vervanging bereikte 3,19%. Alle waarden bleven onder de 5% drempelwaarde die vaak wordt aangehaald voor hoogwaardig beton en binnen het optimale bereik van 4–6%.
• Magnesiumsulfaat aantasting: Blootstelling aan MgSO₄ veroorzaakte sterkteverliezen bij alle monsters. Opvallend genoeg vertoonde de 40% vervanging de hoogste weerstand, met slechts 0,3% sterkteverlies, vergeleken met 2,5% voor de controle. De 10% vervanging vertoonde een verlies van 1,6%.

Conclusies en Betekenis
De studie concludeert dat gebroken aardewerkaggregaten een levensvatbare gedeeltelijke vervanging zijn voor grove aggregaten in beton.

• Naleving van Normen: Beton geproduceerd met tot 40% vervanging voldoet aan de technische normen gesteld door BS EN 12390:2019 en BS 1881-122:2011 met betrekking tot dichtheid, sterkte en waterabsorptie.
• Aanbevolen Toepassingen: De auteurs bevelen een 10% vervanging aan voor standaard betonwerken, aangezien dit een balans biedt tussen sterkte en duurzaamheid met minimale afwijking van de controle-eigenschappen. Een 40% vervanging wordt specifiek aanbevolen voor omgevingen met een hoge magnesiumsulfaatblootstelling, aangezien het 40% mengsel een superieure weerstand tegen chemische aantasting vertoonde.
• Economische en Milieu-impact: Het gebruik van gebroken aardewerk vermindert de bouwkosten door dure natuurlijke aggregaten te vervangen door goedkope industriële afvalstoffen. Bovendien bevordert het de duurzaamheid van het milieu door keramisch afval van stortplaatsen weg te leiden en de ecologische voetafdruk van de winning van aggregaten te verkleinen.

Het onderzoek bevestigt dat het hergebruiken van keramisch afval zowel de kostenefficiëntie als de milieustabiliteit in de bouwsector verbetert zonder de structurele integriteit die vereist is voor dragende toepassingen in gevaar te brengen.