Over het initiatief / About the initiative

CO2-neutraal beton

In welke fase zit jouw initiatief? / In what stage is your initiative?

Uitgewerkt conceptfase

Heb je jouw initiatief al gevalideerd? / Did you validate your initiative?

Ja

Meer informatie over jouw initiatief / More info about your initiative

Voor de BKR 2024 heeft studententeam Arnhem opgeschaald in vergelijking met vorige jaren. In het najaar heeft een deel onderzoek plaatsgevonden, wat als onderbouwing gebruikt zal worden in dit rapport. Hiernaast zal dit rapport de werkwijze, materialen en belemmeringen toelichten.

Het team bestaat uit 28 leden (raceteam en een aantal bouwers), met als doel om 4 kano’s te bouwen en te racen. Het team wordt gesponsord door de HAN en Gebr. V. Kessel. Hiernaast is advies van experts van Voorbij Beton en ABT ingezet.

Met de 4 kano’s worden verschillende concepten achtervolgt. Eenmaal met het doel op de duurzaamheidsprijs, eenmaal met het doel op de innovatieprijs, en tweemaal met het doel op raceprijzen. Voor dit innovatieve onderzoek is hieronder de werkwijze van onderzoek aangegeven en de resultaten van ons  team op duurzaamheidsvlak beschreven:

Onderzoek Beton

Er is onderzoek uitgevoerd naar een aantal materialen en methodes voor de bouw van de kano.

De belangrijke onderwerpen zullen hieronder besproken worden.

Betonmengsel

Voor de BKR is het beton het materialen waar de kano vooral van gemaakt wordt. Een goede kano moet sterk en licht zijn. De meeste massa is te besparing in het beton, daarom is een hoogwaardig beton nodig. Beton moet sterk zijn om de grote krachten van de inzittende te kunnen dragen maar tegelijkertijd dun voor het gewicht. Om deze redenen zijn wij betontesten gaan doen

                Welke soorten cement worden er gebruikt in onze testen?

Hoe zorgen we voor een zo glad mogelijk beton door de samenstelling aan te passen?

Voeg super plastificeerders toe aan het betonmengsel. Deze additieven verbeteren de werkbaarheid en verminderen de water-cementverhouding, wat resulteert in een dichter en gladder betonoppervlak.

Kies voor een betonmengsel met een fijn aggregaat (zoals zand) om een gladder oppervlak te verkrijgen. De verhouding van grof naar fijn aggregaat is af te beelden in een zogeheten curve. De optimale curve is dan toe te passen op zeer fijn zand. Hierdoor zijn ook de grotere deeltjes nog zeer fijn en krijg je dus een zeer glad beton.

Zorg voor een consistente en juiste hoeveelheid water in het betonmengsel. Te veel water kan leiden tot segregatie, terwijl te weinig water kan resulteren in een moeilijk te verwerken mix. Door hier een balans in te vinden en deze iedere keer bij het maken van een nieuwe batch beton goed aan te houden wordt een glad en vooral overal even sterk beton toegepast.

Voor onze betonmengsels gebruiken we superfijn speelzand.

Hoe maken we een duurzamer beton door de samenstelling te veranderen?

Geopolymeren zijn in de wereld van betontechnologie eigenlijk gewoon een soort betonvariant. Ze worden gemaakt van mineralen zoals SiO2 en Al2O3, en niet van de gebruikelijke fossiele brandstoffen. De vorming van geopolymeren, bekend als geopolymerisatie, is een kunstmatige reactie tussen deze silicium- en aluminiummineralen. Hierdoor krijgt het materiaal eigenschappen die lijken op natuursteen, zoals hardheid, chemische stabiliteit en weerstand tegen erosie. Geopolymeren worden beschouwd als een alternatief voor het traditionele cement.

Deze geopolymeren functioneren als bindmiddelen die geactiveerd worden door alkalische stoffen, vergelijkbaar met “cement”, maar dan zonder het daadwerkelijke cement. Ze hebben allerlei voordelige eigenschappen, afhankelijk van het specifieke type geopolymer:

Ze kunnen hoge temperaturen weerstaan en zijn brandveilig vanwege hun chemische stabiliteit tot ongeveer 1000 graden Celsius.

Ze zijn herbruikbaar, waarbij betongranulaat van geopolymeer-beton (AAM-granulaat) zelfstandig of samen met traditioneel betongranulaat (CEM-granulaat) kan worden toegepast.

De levensduur is vergelijkbaar met of zelfs beter dan beton van Portlandcement.

De samenstelling van geopolymeren bestaat uit “hoogwaardige secundaire mineralen uit industriële reststoffen”, zoals een reactieve stof die aluminium-silicaathoudend is (bijvoorbeeld vliegas, hoogovenslak of metakaoline) en een sterke alkalische activator (bijvoorbeeld natronloog of waterglas).

Een andere wijze van duurzaam beton maken is het toevoegen van koolstof, en hiermee koolstof op te slaan in het materiaal. Op deze wijze wordt voorkomen dat het koolstof in de atmosfeer wordt opgenomen en wordt uitstoot voorkomen.

Hypothesen

Er worden drukcilinders gemaakt en getest, bij het maken van deze cilinders wordt er gevarieerd op 5 punten. We pakken telkens het basis mengsel waarna er gevarieerd wordt met de hoeveelheid water, de hoeveelheid zand, het toevoegen van superplast, het toevoegen van microsilica en een test met geopolymeer beton.

De hypothese is dat beton met cement sterker zou zijn dan geopolymeer beton. Er wordt getest met geopolymeer beton of een duurzame kano zonder cement ook een mogelijkheid is.

Voor het normale beton wordt er meer water toegevoegd voor de bewerkbaarheid van het beton, de verwachting is dat dit de sterkte zou verminderen. Ook wordt er meer zand (toeslagmateriaal) toegevoegd om te kijken wat de inpakt op de sterkte is, in theorie zou dit geen verandering moeten geven. Meer toeslagmateriaal betekend minder cement voor dezelfde massa beton.

Het toevoegen van plastificeerde maakt het beton meer bewerkbaar (vloeibaarder) maar zou de sterkte niet moeten aanpassen. Als laatste het toevoegen van super silica, dat zou het beton sterker moeten maken.

Betontesten

Er is op 5 variabelen getest. In de bovenste rij is er in de basissamenstelling met portland cement, zand en water gevarieerd. Deze cilinders zijn met een steeds groter deel zand of een steeds groter deel water gemaakt. In de eerste kolom straat met de codering aangegeven wat de samenstelling is. Het eerste cijfer is altijd 1 omdat een betonmensel altijd gemaakt wordt aan de hand van de massa van het cement. Het tweede cijfer is hoeveel delen in massa van het zand wordt toegevoegd, en het laatste cijfer is hoeveel delen water. Onze basis waar we mee zijn begonnen 1-2-0,3 heeft 1 deel cement, 2 delen zand en 0,3 water gebaseerd op het gewicht.

In de volgende rij is een deel van het water vervangen door superplast. Hier is een basis mengsel gebruikt van 1-2-0,4, hier is 0,1 deel vocht aan toegevoegd bestaande uit water en superplast. hierdoor komt het mengsel op een totaal percentage van superplast ten opzichte van het water deel. Dus 2% SP van een totale cilinder van 700 gram is 2 ml (gram) superplast, dat is 0,29% van het totale gewicht.

In de 3^e rij is een deel van het cement vervangen voor microsilica. Van het cement is een deel eruit gehaald en dezelfde massa microsilica is toegevoegd waardoor er een percentage cement en percentage microsilica in het mengsel zit, samen maakt dit nog steeds 1 deel van het mengsel. In de kolom is het eerste percentage het deel cement en het tweede percentage het deel microsilica.

De beste resultaten zijn samen tot in theorie één super mengsel gekomen, de sterkte daarvan staat in de rij van plast en silica.

Helemaal onderaan zijn de resultaten van het geopolymeer beton genoteerd. Bij de twee mengsels daaronder is vocht toegevoegd tot het vloeibaar genoeg is om het te gebruiken als spuitmortel. De middelste is met extra water en de onderste is met superplast.

Voor de betonsamenstelling hebben wij een recept voor Geopolymeer beton ontvangen. Dat staat hiernaast geschreven. Het basismengsel is in kilo’s, dat is daarnaast vertaald naar procenten, daarnaast naar een samenstelling voor 1Kg en daarnaast voor onze 3 proeven voor de hoeveelheid zand die wij hadden.

Ook zijn we gewezen op de mate van invloed van een goede zeefcurve op de sterkte van het beton door het bezingen van het toeslagmateriaal tijdens het uithardingsproces.

Op basis van de testen werken we bij het maken van de kano’s met een aantal mengsels. Ten tijde van de testen is koolstofpoeder niet tot onze beschikking. Dit hebben we later bij het opstellen van mengsels uitgeprobeerd.

Bouwen kano’s

We hebben meerdere kano’s gebouwd, maar om het simpel te houden beschrijven we hieronder alleen de poging met super duurzaam beton. Hierbij hebben we met geopolymeer en koolstofpoeder een kano gemaakt:

Betonkano geopolymeer + koolstofpoeder

Als eerste is een mengsels getest met geopolymeer en plastificeerder tot vloeibaar in combinatie met koolstofpoeder. Dit mengsel is technisch gezien Co2-negatief, dus zeer interessant. Zonder extreem veel water toe te voegen wil dit mengsel niet tot beton mengen.

Met het toevoegen van veel water is het mengsel bruikbaar. Er is een poging gedaan dit toe te passen op een kano.

Om een Co2 neutrale kano nog verbeterd te maken, zal meer onderzoek moeten plaatsvinden. Wel zijn wij voor zover bekend de eerste die dit materiaal gemaakt hebben, en hiermee een Co2 neutrale kano hebben gebouwd. We hopen deze nieuwe technieken door te ontwikkelen.

De kano welke gemaakt door ons gemaakt is:

Carbonkel:

Het toppunt van duurzaamheid. Het originele plan om met Geopolymeerbeton, koolstofpoeder en carbonwapening een Co2 neutrale of negatieve kano te maken is helaas mislukt, zoals omschreven bij onderzoek. Het doel is een duurzame kano te bouwen en de duurzaamheidsprijs winnen.

Met een uitstoot van 160kg Co2/m3 voor normaal beton bespaard geopolymeerbeton ongeveer 75% op de uitstoot, tot 40kg/m3. Voor de kano is ongeveer 50 Liter beton benodigd, met een uitstoot van slechts ~2kg Co2. In dit mengsel wordt 4kg koolstof in poedervorm opgeslagen, en ongeveer 0,5kg koolstof opgeslagen in de wapening. Hiermee heeft het ontwerp een CO2 uitstoot van -2,5kg CO2, waarmee het (naar ons weten) de eerste klimaat bevorderende betonnen kano is.

Wat is er anders/nieuw aan jouw idee/oplossing t.o.v. bestaande oplossingen? / What is different/new about your idea/solution compared to existing solutions??

De ontwikkeling van CO2-neutraal beton door het toepassen van geopolymeer beton gemengd met koolstof is een grote stop richting de toekomst ten opzichte van traditioneel beton. Traditioneel beton maakt gebruik van Portlandcement, waarvan de productie verantwoordelijk is voor ongeveer 8% van de wereldwijde CO2-uitstoot. Dit komt door het energie-intensieve proces van het verhitten van kalksteen en klei tot zeer hoge temperaturen.

Wat nieuw is aan deze oplossing, is het gebruik van geopolymeren als bindmiddel, waardoor cement niet meer nodig is. De geopolymeren worden gemaakt van industriële bijproducten zoals vliegas en hoogovenslak, wat niet alleen de CO2-uitstoot drastisch vermindert, maar ook bijdraagt aan het hergebruik van afvalmaterialen. Bovendien worden deze geopolymeren gemengd met koolstof om het volledig neutraal te maken.

Door deze innovatieve combinatie wordt de CO2-voetafdruk van betonproductie aanzienlijk verkleind, terwijl tegelijkertijd de prestaties van het materiaal worden verbeterd. Deze aanpak biedt een duurzame en efficiënte oplossing voor de bouwsector, die traditioneel sterk afhankelijk is van milieubelastende materialen en processen.

Wat zijn jouw volgende stappen om het verder te ontwikkelen? / What are your next steps to develop the initiative?

Dit onderzoek is tot stand gekomen omdat wij als school deelnemen aan de Betonkanorace en we wilden een CO2-neutrale kano maken. Nikki van Loonen speelde een cruciale rol in dit project. We hebben kennissessies gehouden bij ABT, die ons hebben geholpen met de ontwikkeling. Ook hebben wij de prefab betonfabriek van Voorbij Beton TBI bezocht waar wordt gewerkt aan innovatieve betonmengels. Tijdens de race hebben we de duurzaamheidsprijs gewonnen met ons onderzoek en concept, een opmerkelijke prestatie gezien het aantal deelnemende internationale scholen.

Ons project heeft ons ook gericht op slim, schoon en sociaal bouwen:

– Slim: Door innovatieve materialen zoals geopolymeer beton en koolstof te gebruiken, verbeteren we de prestaties en duurzaamheid van beton.
– Schoon: Door het vermijden van traditionele cementproductie verminderen we de CO2-uitstoot aanzienlijk en dragen we bij aan een schoner milieu.
– Sociaal: Door afvalmaterialen te hergebruiken en duurzamere bouwmethoden te promoten, dragen we bij aan een maatschappelijke verschuiving naar verantwoord bouwen.

We hebben een kano gemaakt, maar deze was geen groot succes omdat hij niet in een warme ruimte is uitgehard, wat essentieel is voor geopolymeer beton omdat het geen warmte van zichzelf genereerd tijdens het uithardingsproces zoals traditioneel beton. Hierdoor verslechterde het uithardingsproces drastisch.

Hoewel de kano niet optimaal presteerde, geloven wij dat het product potentie heeft, maar verdere engineering vereist. We willen dit verder onderzoeken als afstudeerproject, met een focus op de toepassing van geopolymeer beton in betonnen kanaalplaten en de mogelijkheden daarvan. In dit onderzoek nemen we ook de principes van slim, schoon en sociaal bouwen mee om een breed scala aan duurzame en maatschappelijke voordelen te verkennen.

Wat heb je nodig om (nog meer) impact te maken met dit initiatief? / What do you need to make (more) impact with this initiative?

Om dit onderzoek verder te brengen, zijn de volgende onderwerpen nodig:

1. Meer kennis:
– Diepgaande studie van geopolymeer beton en de eigenschappen.
– Inzicht in de invloed van omgevingsfactoren op het uithardingsproces.
– Onderzoek naar geschikt koolstof die de mechanische eigenschappen van beton evenaart of zelfs kan verbeteren.

2. Onderzoek:
– Systematische analyse van verschillende mengsels en composities van geopolymeer beton met koolstof.
– Vergelijkende studies met traditioneel beton om de voordelen en beperkingen duidelijk te maken.
– Onderzoek naar de schaalbaarheid en praktische toepassing in de bouwsector.

3. Testen:
– Experimenten onder gecontroleerde omstandigheden om optimale uithardingsomstandigheden te bepalen.
– Mechanische tests om de sterkte, duurzaamheid en andere essentiële eigenschappen van het materiaal te evalueren.
– Prototypetests, zoals het maken van kleinere betonstructuren, om praktische uitvoerbaarheid te controleren.

4. Tijd:
– Voldoende tijd voor uitgebreide experimenten.
– Tijd om samen te werken met experts en bedrijven die ervaring hebben met duurzame bouwmaterialen.
– Planning en uitvoering van langdurige duurzaamheidstests om de prestaties van het materiaal over de tijd te beoordelen.

Door te investeren in deze gebieden kunnen we de mogelijkheden en beperkingen van CO2-neutraal beton met geopolymeer beton gemengd met koolstof beter begrijpen en ontwikkelen, en uiteindelijk bijdragen aan duurzamere bouwpraktijken.