Invloed van de eindelevensduurbehandeling op de milieu-impact van betonnen constructies

Suzanne Kelem
Persbericht

BETONRECYCLAGE, EEN DUURZAME OPLOSSING?

 

Momenteel wordt de eindelevensduurbehandeling van een gebouw nog te vaak achterwege gelaten bij een levenscyclusanalyse, i.e. de methode om de milieu-impact van een materiaal of gebouw(element) te bepalen. Bij een eindelevensduurbehandeling wordt er namelijk een toekomstig gebruik van de materialen vastgelegd, wat logischerwijs gepaard gaat met onzekerheden in verband met de milieu-impact van het gebouw. Hierdoor is het nog onduidelijk of enerzijds de milieu-impact van de eindelevensduur van een gebouw weldegelijk een invloed heeft, en anderzijds of de voordelen van de gerecycleerde granulaten de lasten van het recyclageproces kunnen opheffen.

Beton is één van de meest gebruikte constructiematerialen over de hele wereld. Het materiaal heeft echter een grote ecologische voetafdruk door de combinatie van de nodige hoeveelheid grondstoffen en de CO2-uitstoot bij de productie van portlandcement. Dit resulteert in een aanzienlijke bijdrage aan de hoeveelheid bouw- en sloopafval op het einde van de levensduur van een gebouw. Het is dus noodzakelijk om te bepalen wat er met het betonpuin zal gebeuren na het slopen van een constructie, om zo de invloed op het milieu te kunnen schatten. Naast het storten, wat in principe niet meer gebeurt, kan het beton ook gerecycleerd worden. Hierbij is er een onderscheid tussen laagwaardige recyclage, waarbij men de gerecycleerde granulaten gebruikt in toepassingen zoals wegenbouw, en hoogwaardige recyclage, waarbij men de gerecycleerde granulaten gebruikt in structureel beton. Momenteel wordt het merendeel van het betonpuin in België laagwaardig gerecycleerd, waardoor er slechts een beperkt milieuvoordeel ten gevolge van vermeden primaire materialen geldt. Dit is te wijten aan de lagere kwaliteitseisen van granulaten in de wegenbouw, wat benoemd wordt door het fenomeen ‘downcycling’.   

Betonrecyclage  

Het recyclageproces van betonpuin bestaat uit drie hoofdstappen: het breken, het zeven en het wassen. Elke stap vergt bepaalde hulpmachines en brengt een aandeel materiaalverliezen met zich mee, dat resulteert in ongeveer 40% van het originele betonpuin. De laatste stap, het wassen, is overbodig bij laagwaardige recyclage door de minder strenge kwaliteitseisen van granulaten in de wegenbouw.

Recyclageproces

Figuur 1: Recyclageproces, volgens Degetec

De verkregen gerecycleerde granulaten bestaan uit natuurlijke grove granulaten in combinatie met aangehecht mortel. Deze oude mortel is de belangrijkste oorzaak voor de lagere kwaliteit van gerecycleerde granulaten door een lagere dichtheid en sterkte, maar ook door een hogere porositeit, doordringbaarheid en waterabsorptie. Dit resulteert in een maximaal vervangingspercentage van 20% in secundair beton. Hierbij is er ook 5% extra cement nodig om eenzelfde sterkte te kunnen garanderen, wat een behoorlijke milieu-impact met zich meebrengt in de tweede levenscyclus door de aanzienlijk CO2-uitstoot van cement.

Het belang van de eindelevensduurimpact   

Wanneer de milieu-impact van de drie eindelevensduurbehandelingen van beton vergeleken wordt, worden de verschillen snel duidelijk. De voordelen van betonrecyclage zijn aanzienlijk minder dan die van staalrecyclage, maar zijn zeker niet te verwaarlozen. Wanneer staalrecyclage achterwege gelaten wordt, kan de milieu-impact van de eindelevensduur met 25% verminderd worden als het betonpuin hoogwaardig gerecycleerd wordt in plaats van het te storten. De voordelen van de vermeden primaire materialen kunnen dus opwegen tegen de lasten van het recyclageproces, aangezien het stortscenario de hoogste milieu-impact impliceert.

Bij deze vergelijking, mogen de verminderde technische prestaties van de gerecycleerde granulaten niet vergeten worden. Om eenzelfde sterkteklasse te kunnen garanderen in de tweede levenscyclus is er 5% extra cement nodig. Zelfs wanneer de voordelen van de 20% vermeden primaire granulaten worden meegerekend, resulteert de milieu-impact van de productiefase in een stijging van 2,5%. Indien er dus rekening gehouden wordt met de gevolgen van hoogwaardig gerecycleerde granulaten in de tweede levenscyclus, wordt laagwaardige recyclage interessanter.

Drie mogelijke eindelevensduurbehandelingen van beton

Figuur 2: Vergelijking van de milieu-impact van drie mogelijke eindelevensduurbehandelingen van beton. - Voor elke levenscyclusfase wordt het scenario met de hoogste score vetgedrukt. De netto-impact is aangegeven met een kruis.

Verbeteringstechnieken van het recyclageproces 

Aangezien het verschil in milieu-impact tussen de eindelevensduurbehandelingen noemenswaardig is, kan verder onderzoek nuttig zijn om het recyclageproces te optimaliseren en zo de milieulasten verder te verminderen. Verliesmaterialen van het recyclageproces kunnen bijvoorbeeld gebruikt worden ter vervanging van primair zand in structureel beton, waardoor de milieu-impact met 74% kan verminderen. Hoewel deze techniek veelbelovend is, is het momenteel nog verboden door de vele onzuiverheden in de verliesmaterialen. Verder kan men ook het carbonatatieproces van beton gebruiken om het voordeel van CO2-opname te implementeren. Bij een gemiddelde opname van 25 kg CO2-equivalent per kubieke meter is er reeds een reductie van 20% van de milieu-impact ten opzichte van hoogwaardige recyclage. Ook de energievorm van de recyclagemachines kan de lasten van het recyclageproces met 20% doen verlagen door het gebruik van diesel te vervangen door windenergie.

De optimale eindelevensduurbehandeling van een gebouw 

Indien er gekeken wordt naar verschillende mogelijke eindelevensduurscenario’s van een bestaand gebouw, heeft hoogwaardige recyclage van het betonpuin de grootste potentie. Hoogwaardige recyclage van de gehele betonstructuur is echter niet mogelijk wanneer de sterkte van het beton, die getest wordt voor het slopen van de constructie, te laag is. Hierdoor zijn er scenario’s meegenomen waarbij slechts bepaalde onderdelen zoals de vloerplaten en kolommen hoogwaardig gerecycleerd worden. Algemeen geldt er: hoe groter het volume beton hoogwaardig gerecycleerd wordt, des te gunstiger voor het milieu.

Eindelevensduurscenario's case study

Figuur 3: Eindelevensduurscenario’s case study Campus Sterre - Voor elke levenscyclusfase wordt het scenario met de hoogste milieu-impact vetgedrukt. De netto-impact is aangegeven met een kruis. De scenario’s zijn gerangschikt van hoogste naar laagste milieu-impact.

Conclusie

Hoewel de productiefase logischerwijs de grootste lasten met zich meebrengt, is er een duidelijk onderscheid in milieu-impact tussen de verschillende eindelevensduurbehandelingen van betonpuin. Het is dus belangrijk om deze impact volledig mee te nemen in een levenscyclusanalyse, zodat hoogwaardige recyclage de nieuwe standaard kan worden. Daarbij kan men de verschillen in milieulasten aanzienlijk verminderen door het recyclageproces te optimaliseren. Zo kan onderzoek naar hergebruik van de verliesmaterialen de milieu-impact beduidend beïnvloeden. Op gebouwniveau blijft volledig hoogwaardige recyclage de ideale oplossing. Indien dit niet mogelijk is door een lage betonsterkte, is het gunstig om alsnog zoveel mogelijk betonpuin hoogwaardig te recycleren.

Bibliografie

Behera, M., Bhattacharyya, S., Minocha, A., Deoliya, R., and Maiti, S. (2014). Recycled aggregate from c&d waste and its use in concrete – a breakthrough towards sustainability in construction sector: A review. Construction and Building Materials, 68:501–516.

Bergmans, J., Dierckx, P., Regel, S., Eynde, A., Velde, P., and Broos, K. (2017). Semi-selective demolition: current demolition practices in flanders.

Blengini, G. and Garbarino, E. (2010). Resources and waste management in turin (italy): The role of recycled aggregates in the sustainable supply mix. Journal of Cleaner Production - J CLEAN PROD, 18:1021–1030.

Borghi, G., Pantini, S., and Rigamonti, L. (2018). Life cycle assessment of non-hazardous construction and demolition waste (cdw) management in lombardy region (italy). Journal of Cleaner Production, 184:815–825.

CarbonTrust (2020). Conversion factors - introductory guide.

Casuccio, M., Torrijos, M., Giaccio, G., and Zerbino, R. (2008). Failure mechanism of recycled aggregate concrete. Construction and Building Materials - CONSTR BUILD MATER, 22:1500–1506.

Courard, L., Parmentier, V., and Michel, F. (2015). Carbonated concrete blocks for co2 captation. Materialy Budowlane, 10:116–118.

Delem, L. and Wastiels, L. (2019a). Module d in the building life cycle: Significance based on a case study analysis. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 290:012042.

Delem, L. and Wastiels, L. (2019b). The practical use of module d in a building case study: assumptions, limitations and methodological issues. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 323:012048.

Ecoinvent Database (2020). System models.

Etxeberria, M., Vázquez, E., Marí, A., and Barra, M. (2007). Influence of amount of recycled coarse aggregates and production process on properties of recycled aggregate concrete. Cement and Concrete Research, 37(5):735–742.

Febelcem (2021). Cement en beton roadmap 2050 - wist u dat beton ook co2 opneemt? Belgische Cementnijverheid.

Fořt, J. and Černý, R. (2020). Transition to circular economy in the construction industry: Environmental aspects of waste brick recycling scenarios. Waste management (New York, N.Y.), 118:510–520.

Fraj, A. and Rachida, I. (2017). Concrete based on recycled aggregates – recycling and environmental analysis: A case study of paris’ region. Construction and Building Materials, 157:952–964.

Ghanbari, M., Abbasi, A., and Ravanshadnia, M. (2017). Production of natural and recycled aggregates: the environmental impacts of energy consumption and co2 emissions. Journal of Material Cycles and Waste Management, 20.

Gholizadeh-Vayghan, A., Bellinkx, A., Snellings, R., Vandoren, B., and Quaghebeur, M. (2020). The effects of carbonation conditions on the physical and microstructural properties of recycled concrete coarse aggregates. Construction and Building Materials, 257:119486. 

Grünewald, S. (2020). Betontechnologie. Universiteit Gent.

Gupta, H. and Fan, L.-S.(2002). Carbonation-calcination cycle using highreactivity calcium oxidefor carbon dioxide separation from flue gas. Industrial and Engineering Chemistry Research - IND ENG CHEM RES, 41.

Hansen, T. C. and Narud, H. (1983). Strength of recycled concrete made from crushed concrete coarse aggregate. Concrete International, 5(1):79–83.

Huijbregts, M., Steinmann, Z., Elshout, P., Stam, G., Verones, F., Vieira, M., Hollander, A., Zijp, M., and van Zelm, R. (2016). ReCiPe 2016: A harmonized life cycle impact assessment method at midpoint and endpoint level - Report I: Characterization. National Institute for Public Health and the Environment, rivm report 2016-0104a edition.

International Energy Agency (2001). Life cycle assessment methods for buildings. Energy-related environmental impacts of buildings, Annex 31.

ISO (2006). Environmental management - Life cycle assessment - Principles and framework. International Organization for Standardization, ISO 14040-2:2006(E) edition.

ISO (2012a). Beton-Specificatie, eigenschappen, vervaardiging en conformiteit - Nationale aanvulling bij NBN EN 206-1:2001. International Organization for Standardization, NBN B 15-001 edition.

ISO (2012b). Liquid petroleum products - Fatty acid methyl esters (FAME) for use in diesel engine and heating application - Requirements ans test methods. International Organization for Standardization, nbn en 14214:2012+a2 edition.

ISO (2012c). Sustainability of construction works - Assessment of environmental performance of buildings - Calculation method. International Organization for Standardization, NBN 15978:2011(E) edition.

ISO (2012d). Sustainability of construction works - Environmental product declarations - Core rules for the product category of construction products. International Organization for Standardization, NBN 15804:2012+A2:2019 edition.

ISO (2013). Concrete - Specification, performance, production and conformity. International Organization for Standardization, nbn en 206:2013+a2:2021 edition.

ISO (2017). Sustainability of construction works - Environmental product declarations - Product Category Rules for concrete and concrete elements. International Organization for Standardization, nbn en 16757:2017 edition.

Jain, S., Singhal, S., and Pandey, S. (2020). Environmental life cycle assessment of construction and demolition wasterecycling: A case of urban india. Resources, Conservation and Recycling, 155:104642.

Janssen, A., Wastiels, L., and Delem, L. (2013). Infofiche 64: Levenscyclusanalyse of lca. WTCB.

Kikuchi, T. and Kuroda, Y. (2011). Carbon dioxide uptake in demolished and crushed concrete. Journal of Advanced Concrete Technology, 9(1):115–124.

KLEEMANN (2021a). Technical information - track-mounted impact crushers - mobirex mr 130(i) evo2.

KLEEMANN (2021b). Technical information - track-mounted jaw crushers - mobicat mc 100 (i) evo.

KLEEMANN (2021c). Technical information - track-mounted screening plant - mobiscreen ms 12 z.

Kosmatka, S. and Wilson, M. (2011). Design and Control of Concrete Mixtures.

Kou, S. and Poon, C. S. (2012). Enhancing the durability properties of concrete prepared with coarse recycled aggregate. Construction and Building Materials, 35:69–76.

Leroy, C., Thomas, J.-S., Avery, N., Bollen, J., and Tikana, L. (2012). Tackling recycling aspects in en15804.’. In International symposium on life cycle assessment and construction, Ed. A. Ventura and C. de la Roche. http://www. rilem. org/gene/main. php.

Li, J., Liang, J., Zuo, J., and Guo, H. (2020). Environmental impact assessment of mobile recycling of demolition waste in shenzhen, china. Journal of Cleaner Production, 263:121371.

Lopes, M., Serrano, L., Ribeiro, I., Cascão, P., Pires, N., Rafael, S., Tarelho, L., Monteiro, A., Nunes, T., Evtyugina, M., Nielsen, O., Gameiro da Silva, M., Miranda, A., and Borrego, C. (2014). Emissions characterization from euro 5 diesel/biodiesel passenger car operating under the new european driving cycle. Atmospheric Environment, 84:339–348.

Marinkovic, S., Radonjanin, V., Malešev, M., and Ignjatovic, I. (2010). Comparative environmental assessment of natural and recycled aggregate concrete. Waste management (New York, N.Y.), 30:2255–64.

Matias, D., de Brito, J., Rosa, A., and Pedro, D. (2013). Mechanical properties of concrete produced with recycled coarse aggregates – influence of the use of superplasticizers. Construction and Building Materials, 44:101–109.

Miller, S. A., John, V. M., Pacca, S. A., and Horvath, A. (2018). Carbon dioxide reduction potential in the global cement industry by 2050. Cement and Concrete Research, 114:115–124. Report of UNEP SBCI WORKING GROUP ON LOW-CO2 ECO-EFFICIENT CEMENT-BASED MATERIALS.

Nagataki, S., Gokce, A., Saeki, T., and Hisada, M. (2004). Assessment of recycling process induced damage sensitivity of recycled concrete aggregates. Cement and Concrete Research, 34(6):965–971.

Neves, R. and de Brito, J. (2022). Estimated service life of ordinary and high-performance reinforced recycled aggregate concrete. Journal of Building Engineering, 46:103769.

Otsuki, N., Miyazato, S., and Yodsudjai, W. (2003). Influence of recycled aggregate on interfacial transition zone, strength, chloride penetration and carbonation of concrete. Journal of Materials in Civil Engineering - J MATER CIVIL ENG, 15.

OVAM (2013). Environmental profile of building elements.

OVAM (2022). Tarieven en capaciteiten voor storten en verbranden.

OVAM and WTCB (2018). Catalogus van secundaire en gerecycleerde granulaten - brekerzand.

Ponsioen, T. (2015). Finding your way in multifunctional processes and recycling.

Poon, C. S., Shui, Z., and Lam, L. (2004). Effect of microstructure of itz on compressive strength of concrete prepared with recycled aggregates. Construction and Building Materials - CONSTR BUILD MATER, 18:461–468.

Pré (2020). End-of-life allocation.

Rahal, K. (2007). “mechanical properties of concrete with recycled coarse aggregate”. Building and Environment, 42:407–415.

Ram, V. G., Kishore, K., and Satyanarayana, K. (2020). Environmental benefits of construction and demolition debris recycling: Evidence from an indian case study using life cycle assessment. Journal of Cleaner Production, 255:120258.

Sagoe-Crentsil, K., Brown, T., and Taylor, A. (2001). Performance of concrete made with commercially produced coarserecycled concrete aggregate. Cement and Concrete Research, 31(5):707–712.

Sapuay, S. (2016). Construction waste – potentials and constraints. Procedia Environmental Sciences, 35:714–722.

Simion, I., Fortuna, M., Bonoli, A., and Gavrilescu, M. (2013). Comparing environmental impacts of natural inert and recycled construction and demolition waste processing using lca. Journal of Environmental Engineering and Landscape Management, 21:273–287.

Sims, I. and Brown, B. (1998). 16 - concrete aggregates. In Hewlett, P. C., editor, Lea’s Chemistry of Cement and Concrete (Fourth Edition), pages 907–1015. Butterworth-Heinemann, Oxford, fourth edition edition.

Stripple, H. (2013). Greenhouse gas strategies for cement containing products.- Part of the research project CO2 cycle in cement and concrete. IVL Swedish Environmental Research Institute Ltd., ivl report b2024 edition.

Stripple, H., Ljungkrantz, C., Gustafsson, T., and Andersson, R. (2021). CO2 uptake in cement - containing products - Background and calculation models for implementation in national greenhouse gas emission inventories. IVL Swedish Environmental Research Institute Ltd., ivl report b2309 edition.

Tam, V., Gao, X., and Tam, C. (2005). Microstructural analysis of recycled aggregate concrete produced from two-stage mixing approach. Cement and Concrete Research, 35:1195–1203.

Terex (2020). Product specification - tracked trommel screen - phoenix 1600t.

van den Broek, J. (2018). Besluit activiteiten leefomgeving; staatsblad 2018-293 en bijgewerkt t/m staatsblad 2022-110. Boom juridisch, 1.

Vandeweghe, E. (2019). Universiteitscampus de sterre.

Vossberg, C., Mason-Jones, K., and Cohen, B. (2014). An energetic life cycle assessment of c&d waste and container glass recycling in cape town, south africa. Resources, Conservation and Recycling, 88:39–49.

Vrijders, J. and Desmyter, J. (2008). Een hoogwaardig gebruik van puingranulaten stimuleren. WTCB in opdracht van OVAM.

Wan-Wendner, R. (2021). Gewapend en voorgespannen beton. Universiteit Gent.

Wastiels, L., Delem, L., and Dessel, J. (2013a). To module d or not to module d? the relevance and difficulties of considering the recycling potential in building lca.

Wastiels, L., Dessel, J., and Delem, L. (2013b). Relevance of the recycling potential (module d) in building lca: A case study on the retrofitting of a house in seraing.

Wernet, G., Bauer, C., Steubing, B., Reinhard, J., Moreno Ruiz, E., and Weidema, B. (2016). The ecoinvent database version 3 (part i): Overview and methodology. The International Journal of Life Cycle Assessment, 21:1–13.

World Steel Association (2017). Life cycle inventory methodology report for steel products.

Xi, F., Davis, S., Ciais, P., Crawford-Brown, D., Guan, D., Pade, C., Shi, T., Syddall, M., Lv, J., Ji, L., Bing, L., Wang, J., Wei, W., Yang, K.-H., Lagerblad, B., Galan, I., Andrade, C., Zhang, Y., and Liu, Z. (2016). Substantial global carbon uptake by cement carbonation. Nature Geoscience, doi:10.1038/ngeo2840.

Xiao, J., Li, W., Corr, D. J., and Shah, S. P. (2013). Effects of interfacial transition zones on the stress–strain behavior of modeled recycled aggregate concrete. Cement and Concrete Research, 52:82–99.

Zhang, J., Shi, C., Li, Y., Pan, X., Poon, C. S., and Xie, Z. (2015). Performance enhancement of recycled concrete aggregates through carbonation. Journal of Materials in Civil Engineering, 27.

Universiteit of Hogeschool
Master in de ingenieurswetenschappen: architectuur — afstudeerrichting architectuurontwerp en bouwtechniek
Publicatiejaar
2022
Promotor(en)
prof. dr. ir. arch. Marijke Steeman en prof. dr. Nele De Belie
Kernwoorden
Share this on: