| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste |

Miljøvurdering af nye betontyper

2 Litteraturstudie

• 2.1 Produktion af cement og beton i Danmark
• 2.2 Karbonatiseringens kemi
• 2.3 CO₂-optag
• 2.4 Testmetoder
  • 2.4.1 Test på blokke
  • 2.4.2 Test på pulveriseret materiale
  • 2.4.3 Test på granuleret materiale
• 2.5 Udvaskning fra beton

2.1 Produktion af cement og beton i Danmark

Der blev i 2003 produceret 2,5 mio. tons Portlandcement i Danmark (Aalborg Portland), hvoraf 47 % blev eksporteret. Herudover importeredes der ifølge Danmarks Statistik 0,192 mio. tons Portlandcement til Danmark i 2003. I alt må der således have været anvendt 1,517 mio. ton Portlandcement i Danmark i 2003.

Langt den overvejende del af Portlandcement anvendes til fremstilling af beton, mens en mindre del anvendes i kalkcementmørtler og i diverse tørblandede produkter.

De tre største brancheforeninger i Danmark inden for betonfremstilling er Betonelement-Foreningen, Dansk Beton Industriforening og Fabriksbetonforeningen. Fabriksbetonforeningen dækker producenter af færdigblandet beton, som leveres med betonbil (kanon). Betonelement-Foreningen omfatter producenter af huldæk samt diverse typisk blødstøbte betonelementer. Dansk Beton Industriforening omfatter primært producenter af betonvarer såsom belægningssten, men også letklinkerbetonelementer hører under denne kategori.

I tabel 2.1, 2.2 og 2.3 er produktionsdata for år 2003 fra medlemmerne af de tre brancheforeninger angivet. Det skønnes, at de tre brancheforeninger hver især repræsenterer ca. 85 % af betonproduktionen (ref.: NICe project ”CO₂-uptake during concrete life cycle”).

Tabel 2.1 Betonelementproduktionen i 2003 ifølge Betonelementforeningen

Alle de i tabel 2.1 nævnte typer af betonelementer støbes med beton af ”høj” kvalitet, idet v/c-tallet er 0,45 eller mindre. Der anvendes cement af typen basiscement (CEM II/A-LL 52,5 R(IS/LA/=2)), som er en Portlandcement med ca. 15 vægt% fintformalet kalksten. Alle betonelementrecepter indeholder 340-360 kg/m³ cement. Huldæk støbes med jordfugtig beton i en kontinuert ekstruderingproces, mens alle øvrige elementer støbes med plastisk beton, ofte i form af selvkompakterende beton. Varmehærdning anvendes i udstrakt grad.

Tabel 2.2. Produktionen af betonvarer i 2003 ifølge BIH. NICe project ”CO₂-uptake during concrete life cycle”

Betonvarer støbes hovedsagelig med jordfugtig beton med et lavt vandcementtal (< 0.45). Der anvendes enten basiscement (CEM II/A-LL 52,5 R (IS/LA/=2)) eller rapidcement CEM I 52,5 N (MS/LA/=2). Ofte anvendes der også flyveaske i blandingerne. Cementindholdet ligger på ca. 350 kg/m³. Betonvarer udstøbes ved presning i form. Betonemnerne er umiddelbart formstabile og dampvarmehærdes, inden de stilles på lager.

Fabriksbeton adskiller sig fra elementbeton og betonvarer ved, at der er meget større variationer i de anvendte betonrecepter. Således fremstilles færdigblandet beton med vandcementtal på mellem 0,35 og 1,00. Cementindholdet varierer fra ca. 100 til ca. 350 kg/m³. Til fabriksbeton anvendes også alt efter anvendelsen af betonen forskellige cementtyper, dog er rapidcement den mest anvendte.

Tabel 2.3. Produktionen af fabriksbeton i Danmark i 2003 ifølge ERMCO’s årsstatistik

2.2 Karbonatiseringens kemi

Frisk beton består af Portlandcement, tilslag (sand og sten) og vand. Herudover vil beton i Danmark ofte indeholde flyveaske, mikrosilika og kemiske tilsætningsstoffer.

Når betonen hærder, skyldes det, at cementen reagerer med vandet under dannelse af forskellige calciumforbindelser – hydratiseringsprodukter. Alle de dannede calciumforbindelser er stabile ved højt pH, mens de nedbrydes ved lavt pH.

Ved karbonatisering af beton forstås et svagt surt angreb på betonen forårsaget af atmosfærisk CO₂ eller sjældnere kulsurt vand (blødt vand). Atmosfærisk CO₂ opløses i betonens porevæske, som danner karbonat-ioner, idet pH er højt. Karbonat-ionerne vil reagere med calciumforbindelserne dannet ved cementens hydratisering og danne calciumkarbonat.

I tabel 2.4 er lidt forenklet vist, hvordan cementpastaens sammensætning ændrer sig gennem de forskellige faser af karbonatisering (Ref: NICe project ”CO₂-uptake during concrete life cycle).

Tabel 2.4. Ændringer i cementpastaens sammensætning under karbonatisering. CH er calciumhydroxid, CC er calciumkarbonat, CSH er calciumsilikathydrat, AFt er ettringit (Tri-calcium-aluminium-sulfat-32hydrat), AFm er monosulfat (Tetra-calcium-aluminium-sulfat-12hydrat), SH er SiO₂-”hydrat”

Karbonatiseringsprocessen er diffusionskontrolleret og kan tilnærmelsesvis beskrives ved følgende ligning:

d_c =k√t                                       (1)

hvor,

d_c = karbonatiseringsdybde

k = hastighedsfaktor

t = tid

Hastighedsfaktoren bestemmes primært af betonens kvalitet samt det miljø, som betonen er eksponeret for. Betonens kvalitet kan langt hen ad vejen beskrives ved betonens styrke, som ofte er omvendt proportional med betonens vandcementtal (vægt af vand i beton divideret med vægt af cement i beton). Jo lavere v/c-tal, større styrke og højere kvalitet en beton har, des langsommere vil karbonatiseringen ske.

Miljøet, som beton udsættes for, har stor betydning for karbonatiseringshastigheden. Således er karbonatiseringshastighed lav i såvel meget vådt som meget tørt miljø. I meget vådt miljø sker diffusion ind i beton meget langsomt, idet alle betonens mikroporer er vandfyldte, hvorfor diffusionen sker som væske-diffusion, som er en relativt langsom proces. I meget tørt miljø hæmmes karbonatisering ved, at der simpelthen ikke er vand til stede til at omdanne CO₂ til karbonat-ioner. Effekten af overfladebehandling i form af maling, tapet etc. er ikke kendt. Ydermere er det hovedsageligt betoner til indendørs brug (passiv miljøklasse), som overfladebehandles. Da der som nævnt kun er begrænset kendskab til karbonatiseringshastigheden af betoner i passiv miljøklasse, udgør overfladebehandling en parameter, som øger usikkerheden med hensyn til vurdering af det totale CO₂-optag over tid.

Som eksempler kan nævnes, at anlægskonstruktioner (fx motorvejsbroer og marinekonstruktioner) vil karbonatisere meget langsomt, mens indendørs vægelementer af letklinkerbeton og tørre fundamenter/gulve vil karbonatisere hurtigt.

Karbonatiseringsdybden af beton måles som regel ved at påsprøjte betonen en opløsning af pH-indikatoren phenolphthalein. Karbonatiseret beton vil være farveløst, mens ”ukarbonatiseret” beton vil være pink. Undersøgelser har vist, at ca. 75 % af cementens oprindelige CaO er karbonatiseret ved phenolphthaleinomslag. For karbonatiseret beton kan CO₂-optaget således beregnes som (Ref: NICe project ”CO₂-uptake during concrete life cycle”):

             (2)

C, er massen af Portlandcement (klinker) pr. m³ beton

CaO, er massefraktionen af CaO i cementen

M, molærmassen (af CO₂ henholdsvis CaO).

En stor del (mere end 90 %) af beton bliver genbrugt i Danmark. Genbruget finder stort set udelukkende sted ved nedknusning og efterfølgende anvendelse af det knuste materiale som stabilgrus. Ved nedknusning af beton sker der en mangedobling af den tilgængelige overflade, hvilket betyder, at karbonatiseringshastigheden alt andet lige forøges kraftigt.

Det skal nævnes, at karbonatisering inden for betonteknologien traditionelt set er et uønsket fænomen, idet den elektrokemiske passivering af betons armering forsvinder, når beton karbonatiserer. Denne beskyttelse er naturligvis kun nødvendig for armeret beton, og i mange tilfælde vil karbonatisering af indendørs beton ikke give problemer med armeringskorrosion inden for konstruktionens levetid, idet fugtforholdene betinger en meget langsom korrosionshastighed. For uarmeret beton kan karbonatisering ofte være gavnlig, fordi den øger betonens styrke.

Undersøgelser af karbonatisering har primært koncentreret sig om de ca. 30 % af betonerne, hvor der er risiko for armeringskorrosion. Der er derfor kun lidt viden om karbonatisering af den største del af betonvolumenet.

2.3 CO₂-optag

CO₂-optaget i beton kan udregnes ved hjælp af ligning 1. K-værdien for de enkelte betontyper og eksponeringsklasser tages fra tabel 2.5:

Tabel 2.5. Hastighedskoefficient for karbonatisering af beton (NICe project ”CO₂-uptake during concrete life cycle”)

Styrke	< 15 MPa	15-20 MPa	25-35 MPa	> 35 MPa
Udendørs	5 mm/	2.5 mm/	1.5 mm/	1 mm/
Udendørs, beskyttet	10 mm/	6 mm/	4 mm/	2.5 mm/
Indendørs	15 mm/	9 mm/	6 mm/	3.5 mm/
I vand	2 mm/	1.0 mm/	0,75 mm/	0,5 mm/
I jord	3 mm/	1.5mm/	1.0 mm/	0.75mm/

Nye undersøgelser i det nordiske projekt ”CO₂-uptake during concrete life cycle” har vist, at knust beton karbonatiserer relativt hurtigt, formodentlig på grund af den væsentlige forøgelse af den eksponerede overflade. Under accelererede forsøgsbetingelser, 0,3 – 3,5 % CO₂ og 55 % relativ luftfugtighed, kan ikke-karbonatiseret beton karbonatiseres til 75 % af cementens CaO-indhold i løbet af uger. Dette indikerer, at det er realistisk at regne med, at 75 % af al cementens klinker-CaO karbonatiseres inden for en kort årrække efter nedrivning og nedknusning af beton.

Set i geologisk perspektiv vil al CO₂ afgivet som følge af kalcinering under Portlandcementfremstilling blive optaget i mineralfaser igen.

2.4 Testmetoder

Der findes et utal af metoder til vurdering af risikoen for udvaskning af miljøfremmede stoffer fra industrielle affaldsprodukter og forurenet jord. I de enkelte lande verden over er der udviklet en række nationale metoder. Især i Holland har man i flere år arbejdet med udvaskningstest, og man har i Holland det såkaldte "Building Material Decree", hvor der stilles krav til den tilladte udvaskning af miljøfremmede stoffer fra byggematerialer.

De forskellige testmetoder kan typisk opdeles i tre kategorier:

2.4.1 Test på blokke

I denne test som fx den Hollandske test NEN 7345 udstøbes en betonblok, som placeres i en vaskevæske. På denne måde testes, hvor store mængder miljøfremmede stoffer der diffunderer ud gennem overfladen på en færdig konstruktion.

Denne test er særlig relevant i forbindelse med at vurdere den potentielle udvaskning af fx tungmetaller fra konstruktioner tidligt i deres livscyklus, medens de stadig er i funktion og før nedrivning.

2.4.2 Test på pulveriseret materiale

I denne type test som fx den Hollandske test NEN 7341 pulveriseres prøven fuldstændigt til meget lille kornstørrelse, og prøven udvaskes med vand og fortyndet salpetersyre.

Denne test er relevant til at fortælle om de maksimale mængder, fx tungmetaller, der kan udvaskes.

2.4.3 Test på granuleret materiale

Denne test kan være en kolonnetest, hvor granuleret materiale placeres i en kolonne, som gennemstrømmes med vand. Dette er fx tilfældet i den Hollandske test NEN 7343, som har til formål at vurdere koncentrationen af miljøfremmede stoffer, som ville kunne perkulere ned til grundvandet fra et lag af det testede materiale.

Test med granuleret materiale foretages også ofte som batch-udrystningstest som fx EN 12457, hvor nedknust materiale rystes med vand i en nærmere fastlagt periode. Eluatet filtreres og sluttelig analyseres for indhold af fx tungmetaller.

I den danske "Bekendtgørelse om genanvendelse af restprodukter og jord til bygge- og anlægsarbejder, Bek. nr. 655 27/06/2000" foreskrives at anvende batch-udvaskningstest CEN pr.EN 12457-3 med et væske faststofforhold L/S på 2 l/kg.

Denne test er relativ overkommelig rent økonomisk, og den er velegnet til at sammenligne forskellige typer restprodukter og jord.

Endelig har myndighederne i ovennævnte bekendtgørelse angivet en række grænseværdier for koncentrationer i eluatet, der relaterer sig netop til denne test.

2.5 Udvaskning fra beton

I litteraturen er der beskrevet adskillige undersøgelser af udvaskning af især tungmetaller fra beton. Kun ganske få artikler beskriver udvaskningen af disse metaller fra ældet eller karbonatiseret beton.

I en omfattende hollandsk undersøgelse (H.A. van der Sloot et al.) er det vist, at udvaskningen af tungmetaller fra beton er stærkt afhængig af pH-værdien i eluatet, som anvendes i testene. Der er i denne hollandske undersøgelse gennemført et omfattende analysearbejde, hvor udvaskningen af tungmetaller er målt for en lang række pH-værdier i eluatet. I disse test er pH-værdien indstillet på en forudbestemt værdi ved tilsætning af syre.

Undersøgelserne viser tydeligt, at den maksimale udvaskning af de forskellige metaller finder sted ved forskellige pH-værdier. Udvaskningen af nikkel fra beton er således mindst ved pH-værdien 10-11, medens såvel højere pH-værdi som lavere pH-værdi resulterer i kraftigere udvaskning af nikkel. Tilsvarende resultater finder man for vanadium som udvaskes kraftigst fra beton ved en pH-værdi på omkring 9, medens såvel højere som lavere pH-værdi resulterer i lavere udvaskningshastighed.

Krom derimod ser ud til at udvaskes med den mindste hastighed ved høje pH-værdier over 12.

Undersøgelsen konkluderer, at udvaskningen af de forskellige metaller styres af komplekse mekanismer, og at man ikke umiddelbart kan korrelere udvaskningen af metallerne med koncentrationen af de enkelte metaller.

Undersøgelsen konkluderer bl.a., at især udvaskningen af krom bør undersøges nøjere på grund af, at netop dette stof har en speciel respons på pH-ændringer m.m.

Tilsvarende konkluderes, at man må forvente, at karbonatisering af beton i slutningen af betones livscyklus fx ved deponering vil have en afgørende betydning for udvaskningen af en række sporstoffer.

Udvaskningen af tungmetaller fra karbonatiseret beton er undersøgt i en kinesisk/japansk undersøgelse (Qijun Y et al. og Nagataki, S et al.).

I denne undersøgelse er der dels undersøgt udvaskningshastighedens afhængighed af betonens alder op til et år, og dels er der undersøgt udvaskningen fra karbonatiseret beton.

I den ovennævnte undersøgelse er den karbonatiserede beton fremstillet ved, at betonen er karbonatiseret i et kammer indeholdende ca. 5 % CO₂. Den relative fugtighed er fastholdt på 50 %, og prøverne er behandlet i denne atmosfære i 28 dage, indtil de er fuldstændigt karbonatiseret.

Konklusionen på undersøgelsen er, at udvaskningshastigheden ikke ændres nævneværdigt ved en ældning inden for et år.

Udvaskningen fra beton hærdet i et år er ikke nævneværdig forskellig fra beton, der er hærdet over 3 måneder. Undtaget herfra er dog hexavalent krom, som i disse undersøgelser er målt i relativt høje koncentrationer. For hexavalent krom ser man imidlertid et fald i udvaskningen fra den et år gamle beton i forhold til den kun 3 måneder gamle beton.

Undersøgelsen viser i øvrigt, at størsteparten af den krom, der udvaskes, foreligger som hexavalent krom.

Udvaskningstest på karbonatiserede og ikke-karbonatiserede prøver viser en kraftig forøget udvaskning af fx krom, nikkel og vanadium fra de karbonatiserede prøver, medens udvaskningen af bly er næsten uforandret.

Der er i de kinesisk/japanske undersøgelser gennemført udvaskningstest på forskellige betontyper med forskelligt indhold af flyveaske og med lidt forskellige vandcementtal.

Koncentrationen af krom i eluaterne fra karbonatiseret beton er målt fra 201 til 498 µg/liter, og praktisk talt hele krommængden foreligger som hexavalent krom.

Belgiske undersøgelser af karbonatisering af beton og karbonatiseringens effekt på udvaskningshastigheden viser, at udvaskningen af kalcium, barium kobber og bly reduceres, når betonen er karbonatiseret, og at udvaskningen af magnesium forøges med karbonatiseringen. I denne undersøgelse er der ikke undersøgt udvaskningen af krom (T. Van Gerven et al.).

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Næste | | Top |

Version 1.0 Oktober 2006, © Miljøstyrelsen.