3D-geprint beton ontwerpen om meer CO₂ op te nemen

De milieugrenzen van beton: zandverbruik en CO₂-uitstoot

Beton is de afgelopen decennia uitgegroeid tot het belangrijkste bouwmateriaal, vooral in dichtbebouwde stedelijke gebieden. Het heeft geleidelijk baksteen, natuursteen en hout verdrongen dankzij de lage kosten, het gebruiksgemak en de schaalbaarheid.

Maar beton kent ook problemen.

Om te beginnen is beton wat het verbruik van grondstoffen betreft allesbehalve duurzaam. Er wordt enorm veel zand voor gebruikt, zo veel zelfs dat berichten erop wijzen dat “de wereld zonder zand komt te zitten”.

Bron: Visual Capitalist

Ook de productie van cement kost bijzonder veel energie. Die wordt vrijwel volledig opgewekt met fossiele brandstoffen, waardoor de cementproductie verantwoordelijk is voor 8% van de wereldwijde CO₂-uitstoot.

Dat is vergelijkbaar met de uitstoot van auto’s en bestelwagens, die verantwoordelijk zijn voor 10% van de wereldwijde uitstoot. Beton duurzamer maken zou dan ook net zo veel impact hebben als alle auto’s ter wereld vervangen door elektrische voertuigen en die uitsluitend op groene energie laten rijden.

Deze uitstoot kan echter ook gedeeltelijk worden gecompenseerd door een verschijnsel dat carbonatatie wordt genoemd: daarbij nemen cementgebonden materialen CO₂ uit de atmosfeer op.

In een nieuwe studie onderzoeken onderzoekers van ETH Zurich (Zwitserland), University of Bath (VK) en University of Manchester (VK) of 3D-geprint beton door snellere carbonatatie een kleinere CO₂-voetafdruk kan hebben dan gewoon beton. Voor het geprinte beton dat in Tor Alva is onderzocht, schatten de onderzoekers dat carbonatatie over een periode van 50 jaar ongeveer 21% van de oorspronkelijke CO₂-voetafdruk kan compenseren.

Ze publiceerden hun bevindingen in Cement and Concrete Research¹, onder de titel “(Re)carbonatatie: een nieuwe kans voor duurzaam 3D-geprint beton”.

Beton en CO₂

De belangrijkste reden dat beton een groot aandeel heeft in de wereldwijde CO₂-uitstoot, is de calcinatie van kalksteen (CaCO3), waarbij CO₂ en calciumoxide, oftewel ongebluste kalk (CaO), ontstaan. De ongebluste kalk versmelt vervolgens onmiddellijk met silica (SiO₂), aluminiumoxide (Al₂O₃) en ijzeroxide (Fe₂O₃) uit klei of schalie om het uiteindelijke cement te vormen.

“Het grootste deel van deze uitstoot (doorgaans 60% [2]) is het gevolg van de calcinatie van kalksteen (CaCO3), waarbij CO₂ en calciumoxide (CaO) ontstaan voordat het klinkerproces in de oven plaatsvindt. De rest van de CO₂-uitstoot van cement houdt vooral verband met de fossiele brandstoffen die nodig zijn voor thermische energie.”

De volgende stap, waarin het cement wordt gebruikt om betonconstructies te maken, kan deze CO₂-uitstoot enigszins compenseren.

In de verharde cementpasta reageren de calciumhoudende hydratatieproducten langzaam met CO₂ uit de lucht. Daarbij ontstaan calciumcarbonaten en wordt CO₂ vastgelegd.

“Vanuit duurzaamheidsperspectief kan dezelfde reactie waarbij CO₂ wordt gebonden, (re)carbonatatie worden genoemd. Deze hoeveelheid komt overeen met ongeveer 43% van de CO₂-uitstoot die met de cementproductie samenhangt.”

Dit carbonatatieproces heeft echter ook nadelen. Het verlaagt de alkaliteit van de poriënoplossing in beton, waardoor de passiveringslaag op de stalen wapening instabiel kan worden. Dit kan leiden tot corrosie van het staal en zo de levensduur van gewone constructies van gewapend beton verkorten.

Dit kan een ernstig probleem zijn bij beton met een lage CO₂-uitstoot, omdat dat doorgaans sneller carbonateert dan gewoon portlandcementbeton.

Beton 3D-printen

Een praktijkvoorbeeld

Van de nieuwe bouwmethoden waarbij digitale fabricage met beton wordt toegepast, is 3D-geprint beton de meest verbreide en veelbelovende technologie.

Om de werkelijke CO₂-voetafdruk van deze techniek te bepalen, ontwikkelden de auteurs van de studie een methode voor een dynamische levenscyclusanalyse (LCA). Als praktijkvoorbeeld gebruikten ze de 3D-geprinte toren “Tor Alva” in het dorp Mulegns, in de Zwitserse Alpen. Daarbij richtten ze zich op de 3D-geprinte vertakte kolommen en de koepel.

Bron: Cement and Concrete Research

Eerst maten ze de carbonatatie op drie verschillende manieren: met een versnelde test (in een carbonatatiekamer die op 4% CO₂, 67% relatieve vochtigheid en 20 °C werd gehouden) en met twee methoden op basis van natuurlijke carbonatatie: een rechtstreekse meting van de carbonatatiediepte en een bepaling van carbonaten/CO₂ met thermogravimetrische analyse.

De werkelijke carbonatatiesnelheid bepalen

Om de gevolgen van de waargenomen carbonatatie in kaart te brengen, hanteerden de onderzoekers een tijdshorizon van 50 jaar. Ook vergeleken ze de resultaten voor de 3D-geprinte betonconstructie met die voor een ter plaatse gestorte constructie met een vergelijkbare buitengeometrie en een vergelijkbare cementsamenstelling.

Ze stelden vast dat in het gebied waar het beton carbonateerde al het beschikbare materiaal reageerde en CO₂ opnam.

‘In de gecarbonateerde zone ligt de hoeveelheid gebonden CO₂ tussen 44,16 en 51 g CO₂ per 100 g gehydrateerd bindmiddel. De laatstgenoemde hoeveelheid komt overeen met genoeg CO₂ om al het beschikbare calciumsilicaathydraat te decalcificeren.’

Bron: Cement and Concrete Research

Vervolgens is de vraag hoeveel koolstof het 3D-geprinte beton gedurende zijn levensduur daadwerkelijk zal opnemen. Door met versnelde tests te analyseren hoe diep het carbonatieproces doordringt, stelden de onderzoekers vast dat binnen 50 jaar 86% van alle geprinte mortel in de toren gecarbonateerd zou zijn. Dat komt neer op in totaal 32 m3 geprint, gecarbonateerd beton.

Bron: Cement and Concrete Research

Bij vergelijking van deze resultaten met metingen van natuurlijke carbonatie kwam de directe meting van de carbonatiediepte uit op een vergelijkbaar percentage (89%). De methoden leverden verschillende schattingen op van de omvang van de carbonatie, maar die percentages meten de totale CO₂-opname niet rechtstreeks. De onderzoekers leggen uit dat pH-indicatoren een aanzienlijke opname over het hoofd kunnen zien voordat het materiaal van kleur verandert. Thermogravimetrische analyse meet de opname rechtstreeks en onderbouwde een geschatte vermindering van de CO₂-voetafdruk van het geprinte beton met 21%, tegenover 14% op basis van pH-metingen van natuurlijke carbonatie.

Bron: Cement and Concrete Research

Vergeleken met de ter plaatse gestorte constructie heeft Tor Alva een gunstigere CO₂-voetafdruk, dankzij het gebruik van 25% minder beton en een betere carbonatie.

‘Hoewel er 25% minder cementgebonden materiaal is gebruikt, kan de 3DPC-constructie 2,5 keer zoveel CO₂ binden als de ter plaatse gestorte referentieconstructie (4,6 tCO₂ voor de geprinte constructie en 1,9 tCO₂ voor de ter plaatse gestorte constructie).’

Betere koolstofopname

Deze studie wijst erop dat snelle carbonatie kan leiden tot een grotere koolstofopname door beton, waardoor de totale CO₂-uitstoot gedurende de levenscyclus van een gebouw sterk afneemt. Dit geldt vooral voor betonconstructies zonder stalen wapening en voor 3D-geprint beton, dankzij de snellere carbonatie.

Ook moet worden opgemerkt dat de vries-dooicycli, zoals in het onderzochte voorbeeld in de Zwitserse Alpen, waarschijnlijk zowel de randvoorwaarden als de interne transporteigenschappen hebben beïnvloed die bepalend zijn voor het transport van vocht en CO₂.

Bron: Cement and Concrete Research

In de praktijk zou dit kunnen betekenen dat 3D-geprint beton in warmere klimaten nog meer koolstof kan opslaan, maar dit moet nader worden onderzocht om het te kunnen aantonen.

‘Bevriezing van poriewater kan het poriënnetwerk gedeeltelijk blokkeren en daardoor het effectieve transport verminderen en de carbonatie vertragen. Deze resultaten wijzen erop dat effecten van lage temperaturen — door gedeeltelijke blokkering van poriën, veranderingen in de vochttoestand of een combinatie daarvan — moeten worden meegewogen bij de beschrijving van carbonatie onder zulke omgevingsomstandigheden.’

Dit biedt ook een nieuw perspectief op de optimalisatie van 3D-betonprinten. Carbonatie optimaliseren kan een extra parameter worden bij de geometrische optimalisatie van 3D-geprinte betonconstructies, waarbij het oppervlak zo veel mogelijk aan carbonatie wordt blootgesteld.

Dit betekent niet dat 3D-geprint beton een CO₂-vrije bouwmethode is. Zelfs bij geoptimaliseerde carbonatie blijft de uitstoot tijdens het calcineren bij de cementproductie aanzienlijk. Bovendien zal de CO₂ die in de loop van 50 jaar opnieuw wordt opgenomen, in de tussentijd aanzienlijk bijdragen aan klimaatverandering.

Als deze CO₂-uitstoot echter op het niveau van de cementfabriek zou worden afgevangen, zou de latere carbonatie van het betonnen gebouw zulke infrastructuur daadwerkelijk kunnen veranderen in een netto koolstofput, ondanks het gebruik van beton.

3D-geprint beton zal dat doel waarschijnlijk als eerste bereiken door een geoptimaliseerde geometrie, bindmiddelen met een lage CO₂-uitstoot en geschikte wapening te combineren. Dit zou op zijn beurt kansen kunnen bieden aan leveranciers van bouwmaterialen.

Investeren in geavanceerde betontechnologie

CRH

Als een van ‘s werelds grootste cementproducenten zal CRH een cruciale rol spelen bij het verduurzamen van de cementbouwsector. Het bedrijf staat op nummer 1 wat betreft het totale volume bouwmaterialen dat het levert op zowel de Amerikaanse als de Europese markt.

Bron: CRH

Het bedrijf is actief in 28 landen en op 3.390 locaties, en heeft 78.500 mensen in dienst. CRH Americas is goed voor 65% van de wereldwijde omzet. Het is bovendien met afstand het grootste cementbedrijf; die positie als marktleider is verder verstevigd door de recente overname van Arcosa.

‘De transactie versterkt de positie van CRH als marktleider in de Amerikaanse granulaatsector en wereldwijd, en vergroot de blootstelling aan enkele van de snelst groeiende statistische metropoolgebieden (MSA’s) in de VS.’

Bron: CRH

CRH verwacht dat de forse infrastructuuruitgaven van westerse overheden de groei van het bedrijf zullen stimuleren. Ook de trends van herindustrialisering en het terughalen van hightechproductie naar eigen land zouden daarbij moeten helpen.

CRH heeft aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van duurzaamheid met een reeks initiatieven:

• Het is de grootste recycler van Noord-Amerika: in 2023 werd 43,9 miljoen ton afval en bijproducten uit andere industrieën gerecycled.
• In 2023 verlaagde het zijn CO₂-uitstoot met 8%, dankzij het gebruik van 36% alternatieve brandstoffen in zijn cementfabrieken.
• Het streeft naar een uitstootverlaging van 30% tegen 2030, vergeleken met de uitstoot in 2021.

CRH is ook een aanjager van ingrijpendere veranderingen in de sector. Zo heeft het samen met de Europese betonreus Holcim 75 miljoen dollar geïnvesteerd in Sublime, een cementbedrijf dat cement met een lage CO₂-uitstoot produceert.

Sublime Systems is in 2020 voortgekomen uit MIT. Het bedrijf gebruikt een elektrolyser om cement bij omgevingstemperatuur te produceren, ter vervanging van ovens die veel energie en fossiele brandstoffen verbruiken. De methode maakt ook het gebruik van calciumbronnen als grondstof mogelijk, waardoor er geen CO₂ vrijkomt uit de kalksteen die als grondstof wordt gebruikt.

De eerste commerciële vestiging van Sublime in Holyoke zal naar verwachting al in 2026 opengaan. Als de technologie succesvol blijkt, kan die een echte doorbraak betekenen voor de cementindustrie en de weg vrijmaken voor beton met lage emissies dat op grote schaal kan worden geproduceerd.

CRH heeft ook geïnvesteerd in andere start-ups die zich richten op decarbonisatie en duurzaamheid:

• € 23,7 miljoen in Cool Planet Technologies, dat oplossingen voor koolstofafvang ontwikkelt voor industrieën die traditioneel moeilijk te decarboniseren zijn.
• CRH en andere investeerders hebben $ 34,7 miljoen geïnvesteerd in Carbon Upcycling Technologies. Het bedrijf gebruikt een volledig elektrische mineralisatietechnologie om CO₂ permanent op te slaan in industriële bijproducten en mineralen, zoals cement, kunststoffen, consumentenproducten, meststoffen en geneesmiddelen.
• AICrete is een platform voor receptuur-als-dienst dat samenwerkt met lokale betonproducenten. Met behulp van AI-analyses optimaliseert het lokale grondstoffen en beperkt het de hoeveelheid gebruikt cement, waardoor zowel de CO₂-voetafdruk als de productiekosten van beton dalen.
• De Series B-financiering van FIDO AI is bestemd voor een start-up die AI inzet om het waterverbruik te verlagen en meer water te besparen.

Tot slot investeert CRH ook in 3D-betonprinten (3DCP) via zijn dochteronderneming Amerimix.

Al met al is CRH een winstgevende marktleider in de beton- en bouwsector. Het bedrijf bereidt zich actief voor op de decarbonisatie van de sector, zowel rechtstreeks in bestaande vestigingen als door een belangrijke kapitaalverstrekker te zijn voor innovatieve start-ups die de volgende generatie technologie voor de productie van cement en beton ontwikkelen, onder meer op het gebied van decarbonisatie en 3D-printen.

Laatste nieuws en ontwikkelingen rond het aandeel CRH (CRH)

Aangehaald onderzoek

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Re)carbonatatie: een nieuwe kans voor duurzaam 3D-geprint beton. Cement and Concrete Research. december 2026. Artikel: 108411. Jaargang 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}