Ontwerp en karakterisering van duurzame mortels met materialen afkomstig van industriële afvalstromen

Bouwen met afval in plaats van vers gesteente

Beton en mortel vormen stilletjes onze steden, maar de productie van het cement dat alles bijeenhoudt is een belangrijke bron van CO₂ die bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Deze studie verkent een ander pad: mortels die grotendeels bestaan uit industriële afvalstoffen, zoals vliegas van elektriciteitscentrales en slak uit staalproductie. Door deze poeders zorgvuldig te activeren met alkalische oplossingen laten de auteurs zien dat het mogelijk is sterke, duurzame bouwmaterialen te maken, terwijl de klimaatvoetafdruk wordt verkleind en de behoefte aan nieuwe grondstoffen afneemt.

Waarom het heroverwegen van cement ertoe doet

Traditioneel Portlandcement wordt geproduceerd in enorme ovens die kalksteen en klei verhitten tot ongeveer 1450 °C; dat vergt veel energie en stoot CO₂ uit, zowel door verbranding als door de ontleding van de kalksteen zelf. Nu de wereldwijde vraag naar gebouwen en infrastructuur groeit, is cement alleen al verantwoordelijk voor ongeveer 7% van de wereldwijde CO₂-uitstoot. Veel landen zoeken daarom naar schonere bouwmaterialen die nog steeds de sterkte en duurzaamheid leveren waar ingenieurs op vertrouwen, maar met lagere emissies en een betere toepassing van industriële bijproducten die anders op stortplaatsen zouden belanden.

Vliegas en slak omzetten in nieuwe mortel

De onderzoekers ontwierpen drie mortelrecepten die Portlandcement vervangen door mengsels van vliegas (een fijn poeder uit kolenverbranding), gemaalde hoogovenslak uit de staalindustrie en silica fume, allemaal gecombineerd met zand. Deze poeders werden niet door hoge temperatuur gehard, maar ge"activeerd" door ze te mengen met een kaliumhydroxideoplossing en vloeibare natriumsilicaat, waarna de mortels werden uitgehard bij normale kamertemperatuur en gematigde luchtvochtigheid. Eén mengsel gebruikte vliegas uit een Roemeense elektriciteitscentrale, een ander gebruikte vliegas uit Canada, en een derde combineerde de Canadese vliegas met slak. Ter vergelijking bereidde het team ook een standaard op cement gebaseerde mortel als controle voor.

Hoe sterk zijn deze op afval gebaseerde mortels?

Gedurende 28 dagen werden de mortels getest op druksterkte (hoeveel belasting ze kunnen verdragen voordat ze bezwijken) en buigsterkte (weerstand tegen buigen). Het type vliegas en de exacte verhoudingen van de vloeibare activator bleken erg belangrijk. Mortel gemaakt met Roemeense vliegas behaalde slechts ongeveer 8 MPa in compressie, terwijl de Canadese vliegas die prestatie bijna verdrievoudigde tot ongeveer 26 MPa. Het aanpassen van de vloeistof‑tot‑poederverhouding liet zien dat te veel activator het materiaal poreus en zwak maakt, terwijl een gebalanceerde hoeveelheid een dichtere, sterkere matrix creëert. Het verhogen van de concentratie van de kaliumhydroxideoplossing van 3,8 naar 5,1 molair versterkte de sterkte verder, waarschijnlijk omdat het de deeltjes van de vliegas effectiever oploste en herstructureerde.

Prestatieverbetering met slak uit staalproductie

Het opvallende resultaat kwam van het mengsel dat Canadese vliegas met hoogovenslak en een kleine hoeveelheid silica fume combineerde. Dit recept behaalde na 28 dagen een druksterkte van ongeveer 44 MPa en een buigsterkte van 7,4 MPa—waardes die vergelijkbaar met of beter waren dan de controlemortel op basis van Portlandcement. Microscopische beeldvorming toonde aan dat het best presterende mengsel een dicht, continu netwerk van gel vormde dat om de resterende deeltjes en het zand heen lag, met minder scheuren en holtes. Thermische tests gaven aan dat deze mortels zeer weinig massa verliezen bij hoge temperaturen, wat wijst op goede stabiliteit bij vuur of hittebelasting.

Klimaatimpact en praktische belofte

Buiten de mechanische prestaties schatte het team ook de koolstofvoetafdruk van hun op afval gebaseerde mortels. Omdat vliegas, slak en silica fume bijproducten zijn van andere industrieën, is geen nieuwe hoogtemperatuurverwerking nodig om ze in mortel te gebruiken. Wanneer de productie van activatoren wordt meegenomen maar transport wordt uitgesloten, stoten de resulterende mortels ongeveer 220 kilogram CO₂ per kubieke meter uit. Dat is ongeveer 30% lager dan typische betonsamenstellingen uitsluitend met Portlandcement en ongeveer 45% lager dan sommige in de literatuur gerapporteerde cement‑slak mortels. Met andere woorden: deze mengsels kunnen hoge sterkte leveren terwijl ze de emissies wezenlijk verminderen.

Wat dit betekent voor toekomstige gebouwen

Kort gezegd toont de studie aan dat goed ontworpen mortels van industriële afvalpoeders, geactiveerd bij kamertemperatuur met bescheiden alkalische oplossingen, kunnen concurreren met of conventionele cementmortels kunnen overtreffen in sterkte, terwijl ze aanzienlijk minder CO₂ uitstoten. Bij opschaling zouden dergelijke materialen bouwers in staat kunnen stellen vliegas en slak te gebruiken als waardevolle grondstoffen in plaats van kostbaar afval, waardoor de druk op steengroeven en ovens afneemt. Hoewel langdurige duurzaamheid en grootschalige productie nog getest moeten worden, wijst het werk op een toekomst waarin gebouwen letterlijk op gerecyclede fundamenten staan.

Bronvermelding: Caftanachi, M., Vrabie, M., Harja, M. et al. Design and characterization of sustainable mortars incorporating industrial waste–derived materials. Sci Rep 16, 12145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41743-5

Trefwoorden: duurzame mortel, alkali-geactiveerde materialen, vliegas, hoogovenslak, lage-koolstofbouw