Kalksteenfillers : welke toekomst in beton ? 2008/03.03

Kalksteenfillers : welke toekomst in beton?Binnen het FILLTECH-project, een samenwerking tussen het WTCB, het Centre Terre et Pierre en het departement ArGEnCo van de universiteit van Luik, wordt de aandacht toegespitst op kalksteenfillers. Dit project wordt deels gefinancierd door het Waalse Gewest en heeft tot doel de mogelijkheden en beperkingen van het gebruik van deze producten als betonbestanddeel na te gaan.
Het stof dat vrijkomt bij de ontginning van kalkhoudende rotsen wordt aangeduid als kalksteenfiller. In Wallonië wordt er tegenwoordig op jaarbasis naar schatting zo'n miljoen ton van geproduceerd. De omvang van deze productie kan verklaard worden door de alsmaar toenemende activiteit in de steenhouwerssector. In de meeste gevallen wordt dit stof niet geëxploiteerd. De integratie ervan in een bouwmateriaal zoals beton kan dus belangrijke perspectieven openen, zowel op economisch als op ecologisch vlak. Het FILLTECH-project werd in het leven geroepen om de haalbaarheid van een dergelijke valorisatie te bestuderen.

Beschikbare grondstoffen

De actieve kalksteengroeven in Wallonië beslaan een groot deel van het grondgebied. De kalkhoudende rots die erin ontgonnen wordt, wordt gebruikt voor de productie van granulaten, kalk of siersteen.

De kalksteenfillers, afkomstig uit de kalkproducerende sector, zijn gewoonlijk droog en uiterst rijk aan calciet (CaCO3 > 95 %). Omwille van hun grote zuiverheid (en bijgevolg ook omwille van hun constante samenstelling) worden ze tegenwoordig reeds gecommercialiseerd in de meest uiteenlopende domeinen : glasblazerij, voedingsmiddelenindustrie, farmaceutische industrie, beton, bitumineuze materialen, ...

Hoewel de kalksteenfillers die voortkomen uit de bewerking van siersteen erg rijk zijn aan calciet, worden ze tegenwoordig niet gevaloriseerd en worden ze beschouwd als industrië­le bijproducten. Dit geldt eveneens voor het merendeel der fillers die vrijkomen tijdens de productie van kalkhoudende granulaten. Deze laatste kunnen echter ook verontreinigingen bevatten (in variabele hoeveelheden).

Afb. 1 Activiteitensectoren waarin kalksteenfillers gegenereerd worden.
Productie van granulaten
Bewerking van siersteen
Productie van granulaten Bewerking van siersteen

De onderzochte kalksteen­fillers

Er werden zes kalksteenfillers geselecteerd met fysico-chemische karakteristieken die representatief zijn voor de Waalse bodem (tabel 1). Voor de fillers, verkregen in vochtige toestand (zaag- en wasslib), werd een methode ontwikkeld voor de gecombineerde droging en verbrijzeling van de samengeklonterde deeltjes. Deze voorbehandeling is gerechtvaardigd door het feit dat de fillers in een betoncentrale gemakkelijker in droge toestand in een silo opgeslagen kunnen worden dan in vochtige toestand. Aangezien de economische analyse aan het licht gebracht heeft dat er een aanzienlijk prijskaartje verbonden is aan de drogingsfase, werd tevens beslist om de gebruiksmogelijkheden van deze fillers in suspensie na te gaan.

Tabel 1 Kalksteenfillers die geselecteerd werden voor het onderzoek (en die representatief zijn voor de Waalse productie).
Kalk-
steenfil-
ler
Productiewijze
Activiteiten-
sector
Selectiecriteria
F1
Onder droge omstandigheden
Zeven
Kalk
Zuivere kalksteenfiller (rijk aan calciet)
F2
Zuivere kalksteenfiller, bimodale granulometrische verdeling
F3
Droging / Zeven
Granulaten
Aanwezigheid van klei, kwarts en sulfaten
F4
Onder vochtige omstandigheden
Verzagen / Polijsten
Siersteen
Grote fijnheid
F5
Wassen
Granulaten
Aanwezigheid van klei
F6
Aanwezigheid van klei, dolomiet en sulfaten

Problematiek van de waterbehoefte

Het water in het beton vervult een dubbele rol : het is niet alleen nodig voor de hydratatie van het cement, maar ook voor de verwerkbaarheid van het verse beton. Een toename van de hoeveelheid fijne stoffen in het beton geeft gewoonlijk aanleiding tot een grotere waterbehoefte voor de verwerkbaarheid, vermits er meer water nodig is om de korrels te omhullen en te bevochtigen. Vermits de toevoeging van water leidt tot een vermindering van de mechanische sterkte van het beton en aangezien superplastificeerders (waterreducerende hulpstoffen) redelijk duur zijn en in geval van een overdosering bepaalde nevenwerkingen kunnen hebben, is het aanbevolen de waterbehoefte van de kalksteenfillers te beperken.

In het specifieke geval van fillers die rijk zijn aan calciet, mag de invloed van de fijnheid van de deeltjes op de waterbehoefte niet onderschat worden (hoewel deze niet altijd even uitgesproken is). Voor de fillers, afkomstig uit de andere sectoren, heeft de studie aangetoond dat de verontreiniging door actieve kleideeltjes (aangetoond door een adsorptieproef met methyleenblauw) de voornaamste invloedsparameter is. De klei is immers verantwoordelijk voor de mobilisatie van een deel van het aanmaakwater, nodig voor de verwerkbaarheid van het beton.

De k-coëfficiënt : ook van toepassing op kalksteenfillers ?

Afb. 2 Druksterkte van een referentiebeton zonder fillers (Ref.) en van betonstalen waaraan de zes kalksteenfillers toegevoegd werden (F1 tot F6).
Afb. 2 Druksterkte van een referentiebeton zonder fillers (Ref.) en van betonstalen waaraan de zes kalksteenfillers toegevoegd werden (F1 tot F6).
Om de levensduur van betonconstructies te waarborgen, worden er eisen opgelegd aan de formulering van het beton, meer bepaald met betrekking tot de minimale cementhoeveelheid en de maximale water-/cementverhouding. De eventuele minerale toevoegsels (met hydraulische of puzzolane eigenschappen) die in het beton verwerkt worden, nemen deel aan de hydratatiereacties van de cementmatrix. De huidige betonnormen - de Europese norm NBN EN 206-1 en diens Belgische aanvulling NBN B 15-001 - laten daarom toe rekening te houden met welbepaalde toevoegsels voor het naleven van de eisen ten aanzien van de betonformulering. Dit gebeurt door de invoering van een k-coëfficiënt, die de 'bindende werking' van het minerale toevoegsel kwantificeert, en waarmee het mogelijk is de hoeveelheid van het toevoegsel te bepalen die (op dezelfde wijze als het cement) deelneemt aan de hydratatiereactie. De beschouwde toevoegsels zijn vliegassen, silica fume en gemalen hoogovenslakken.

Voor kalksteenfillers ligt de situatie enigszins anders. Ondanks het feit dat uit verschillende studies gebleken is dat deze weldegelijk bijdragen tot de verharding van het beton, wordt het concept van de k-coëfficiënt er vooralsnog niet op toegepast (noch in België, noch op Europees niveau). In de Franse norm NF EN 206-1 wordt er daarentegen een k-coëfficiënt van 0,25 verbonden aan bepaalde kalksteenfillers, voor zover deze gebruikt worden met een Portlandcement van het type CEM I.

Wanneer uit de duurzaamheidseisen, geassocieerd met de plaats waar het beton gebruikt wordt, blijkt dat er een minimale cementhoeveelheid van 320 kg per m³ beton nodig is, dan laat de toepassing van een k-coëfficiënt van 0,25 toe deze hoeveelheid met 25 kg te verminderen, voor zover er 100 kg kalksteenfiller toegevoegd wordt. De proeven, uitgevoerd op betonstalen waarin de zes kalksteenfillers verwerkt werden, hebben aangetoond dat de druksterkteverliezen ten opzichte van een referentiebeton zonder fillers verwaarloosbaar tot zwak zijn (zie afbeelding 2).

De duurzaamheid van beton : een essentiële eigenschap

Hoewel het vaststaat dat het door de toepassing van de k-coëfficiënt mogelijk is om een equivalente mechanische sterkte te bereiken, moeten de duurzaamheidsprestaties eveneens gecontroleerd worden. De toevoeging van de kalksteenfillers mag immers niet leiden tot de vroegtijdige beschadiging van het betonelement, bijvoorbeeld als gevolg van carbonatatie of de indringing van chloride-ionen (wat de corrosie van de wapening in de hand werkt) of door een blootstelling aan vorst-dooicycli.

Verder is het belangrijk voldoende aandacht te besteden aan de beschadiging van het beton door sulfaten, tengevolge van de vorming van expansieve zouten zoals thaumasiet, gips en secundair ettringiet. Deze expansieve producten, gevormd in de verharde cementpasta, brengen inwendige spanningen teweeg, die kunnen leiden tot scheurvorming of het afbrokkelen van het beton. Het risico op het ontstaan van deze schade is groter indien er kalksteenfillers gebruikt worden. Deze producten bestaan immers voornamelijk uit calciumcarbonaat (CaCO3), waarvan de ionen een rol spelen bij de vormingsreactie van thaumasiet.

Al deze aspecten worden nader onderzocht in het kader van het FILLTECH-project.

J. Piérard, ir., technologisch adviseur (*) en projectleider, laboratorium 'Betontechnologie', WTCB
F. Michel, ir., projectingenieur, departement ArGEnCo, sector GeMMe, ULg

(*) Technologische Dienstverlening 'Mise en œuvre des bétons spéciaux' (Toepassing van speciale betonsoorten), gesubsidieerd door het Waalse Gewest.