Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

Beton is het meest gebruikte bouwmateriaal op aarde, een mengsel van zand, water en een bindend poeder dat cement wordt genoemd. Wanneer water in contact komt met cement, begint er een chemische reactie die het zachte mengsel verandert in een harde, steenachtige vaste stof. Dit proces, bekend als hydratatie, geeft warmte af. In massieve structuren zoals dammen of funderingen van wolkenkrabbers kan deze warmte op gevaarlijke niveaus oplopen, waardoor het beton scheurt tijdens het afkoelen. Om dit te beheersen, zoeken ingenieurs vaak naar manieren om de reactie te vertragen of de totale gegenereerde warmte te verminderen. Tegelijkertijd produceert de bouwsector enorme hoeveelheden afval, waaronder vermalen bakstenen, oude tegels en stukjes gesloopt beton. Terwijl de grote brokken van dit puin vaak worden gerecycled tot nieuw grind, wordt het fijne, stoffige poeder dat ontstaat bij het malen vaak weggegooid. Onderzoekers onderzoeken nu of dit fijne afvalpoeder een deel van het cement in nieuw beton kan vervangen, waardoor een afvalprobleem wordt omgezet in een nuttige grondstof die ook de chemische reactie afkoelt.

Een team wetenschappers in Algerije zette zich in om dit idee te testen met drie specifieke soorten bouwafval: poeder gemaakt van gerecyclede keramische tegels, poeder van gerecyclede bakstenen en poeder van gerecycled beton. Ze maakten een reeks mortelmengsels, die vergelijkbaar zijn met beton maar alleen fijn zand gebruiken. In hun experimenten vervingen ze in elk mengsel 10%, 20% en 30% van het standaardcement door een van deze afvalpoeders. Vervolgens plaatsten ze deze mengsels in een speciale geïsoleerde container die ontworpen is om de temperatuurveranderingen te meten terwijl de materialen uitharden. Door bij te houden hoeveel warmte er vrijkwam en hoe snel deze vrijkwam, konden de onderzoekers de volledige levenscyclus van de chemische reactie in kaart brengen vanaf het moment dat het water werd toegevoegd.

De resultaten toonden aan dat het toevoegen van deze afvalpoeders het gedrag van het cement aanzienlijk veranderde. In elk geval waarin cement werd vervangen, daalde de totale hoeveelheid vrijgekomen warmte over vijf dagen. Hoe meer poeder ze toevoegden, hoe minder warmte er werd geproduceerd. Wanneer ze 30% van het cement vervingen door gerecycled betonpoeder, was de totale vrijgekomen warmte slechts ongeveer 70% van wat een standaardmengsel zou produceren. Deze vermindering is bijzonder waardevol voor de bouw in warme klimaten, waar overtollige warmte de structuur kan beschadigen voordat deze volledig is uitgehard. Naast het louter verminderen van de totale warmte, vertraagden de afvalpoeders ook de snelheid van de reactie. Het moment waarop de warmteafgifte piekte — het punt van de meest intense chemische activiteit — werd met twee tot drie uur vertraagd in vergelijking met gewoon cement. Deze vertraging geeft arbeiders meer tijd om het beton te storten en te vormen voordat het begint uit te harden.

De onderzoekers keken ook nauwgezet naar de verschillende stadia van de chemische reactie om te begrijpen waarom deze veranderingen plaatsvonden. Ze ontdekten dat het type afvalpoeder ertoe deed. Het gerecyclede keramische poeder, dat zeer fijn is, verkortte de initiële nucleatie- en groeifase van de reactie, terwijl de baksteen- en betonpoeders deze fase verlengden. Echter, ongeacht het type poeder, werd de piek van de warmtestroom met 2 tot -3 uur vertraagd voor alle mengsels. De studie onthulde dat de reactie een opeenvolging van gebeurtenissen omvat: eerst vormen en groeien er nieuwe kristallen; daarna interageren deze kristallen met de resterende cementkorrels; en tot slot vertraagt de reactie naarmate ionen door het stollende materiaal moeten reizen om nieuwe plaatsen te vinden om te reageren. De afvalpoeders veranderden de timing van deze stappen. Zo verlengden de baksteen- en betonpoeders de initiële kristalgroeifase, terwijl het keramische poeder de laatste, langzame diffusiefase veel dominanter maakte.

Uiteindelijk bevestigt de studie dat deze fijne fracties van bouwafval niet slechts inerte vulstoffen zijn, maar actieve ingrediënten die het gedrag van cement veranderen. De afvalpoeders bezitten eigenschappen die hen in staat stellen om deel te nemen aan het uithardingsproces, waardoor een materiaal ontstaat dat chemisch actief is maar minder warmte produceert. De bevindingen suggereren dat het gebruik van tot 30% van deze gerecyclede poeders een levensvatbare strategie is voor het creëren van duurzamere bouwmaterialen. Door de warmte die tijdens de bouw wordt gegenereerd te verminderen, kunnen deze mengsels helpen om scheuren in grote structuren te voorkomen, terwijl ze tegelijkertijd tonnen afval van stortplaatsen afwenden. Het onderzoek biedt een duidelijk beeld van hoe deze materialen werken en biedt een praktisch pad vooruit om de constructie-industrie efficiënter en minder milieubelastend te maken.