Zand, cement en beton: geologie van een essentiële grondstof

Zand is overvloedig. Woestijnen en stranden liggen er vol van. Maar naast water horen zand en grind bij de meest ontgonnen grondstoffen. Samen met cement zijn ze onmisbaar voor het maken van beton, een proces dat in alle productiestadia een grote impact heeft op milieu en klimaat. Sinds de Romeinen het Pantheon bouwden draait de planetaire betonmolen op volle toeren. Kunnen we die afremmen? 

Schrijver: Kathelijne Bonne.

Ik kan me geen materiaal voorstellen dat minder inspireert dan beton. Vroeger werd het gebruikt voor schitterende monumenten zoals het Pantheon in Rome, maar vandaag vormt het geraamtes van zielloze nieuwbouw, onnodige verharding en andere absurde vormen van brutalisme. 

Het Las Marías II bouwproject (Torrelodones, Madrid) is een ontnuchterend voorbeeld van de betonparadox waarbij in tijden van droogte, erosie en overstromingen de meest urgente noden van het Antropocene tijdperk worden genegeerd. Zogenaamd luxueuze villa's – met goedkope materialen in elkaargeflanst – springen als paddenstoelen uit de grond. Ook tuinen krijgen een laag beton, waarschijnlijk om te bedekken met kunstgras zoals hier de gewoonte is. 

"De natuur komt bij je wonen", beloven de slogans van de Acciona-groep.

Betonnen dystopie van Orwell

Las Marías is nu een distopie van betonwildgroei. Ik liep er onlangs rond, na maanden niet te durven gaan kijken. En terwijl ik tussen hoge kranen, betonmolens en bouwpuin wandel, waan ik me in het boek '1984' van George Orwell. Wat hiervoor was, natuur, rotsen, struiken, mos en wandelpaadjes, is simpelweg 'opgelost'. Ik kan me de kurkeiken en parasoldennen die hier vorig jaar nog stonden niet meer voor de geest halen. Ze zijn gewist, verdampt uit mijn brein. Dat is waarschijnlijk de bedoeling.

Ik loop om een veel te grote nieuwe rotonde heen. Vorig jaar lag hier een grintpad om te joggen in de natuur. Nu heeft het meer weg van een autostrade. En het betonnen voetpad lijkt wel tien meter breed. 

Terwijl de novemberzon mijn sproeterige voorhoofd verbrandt en het witte cement mijn ogen verblindt, laat ik mij overspoelen door paradoxale gedachten over beton en cement. 

Ze geven een cleane look terwijl natuur wordt verminkt.

Ze lijken het toppunt van beschaving maar brengen haar tot wankelen.

En hetzelfde zand dat wordt ontgonnen voor de productie van beton, is een bron van silicium in computerchips, die nu denkwerk voor ons doen zodat we ons zelf geen vragen meer stellen. 

Net zoals geo-schrijfster Roseanne Chambers, maak ik me grote zorgen om beton, waarover zij al schreef in haar artikel Concrete Concerns (zie biografie). 

Eeuwig zand

Uiteindelijk komen alle 'bouwstenen' van beton ook uit de natuur, het is namelijk gemaakt uit zand en kalksteen, maar niet zonder eerst industriële transformaties te ondergaan en emissies te creëren. Paradoxaal genoeg is het typische granietlandschap van het Guadarramagebergte zelf een bron van zand. Dit soort gesteente, graniet, is rijk aan kwarts, de bron van zand. In dit droge klimaat ondergaat graniet fysische erosie: water in rotsspleten bevriest en zet uit, waardoor rotsblokken verkruimelen en verkorrelen tot steeds kleinere fragmenten, en uiteindelijk tot grint en zand. Wind en rivieren zullen dit zand transporteren, herverdelen en uiteindelijk accumuleert het in zandafzettingen. Daar wordt het ontgonnen in dagbouwmijnen. Het keert in camions terug naar de plaats waar het misschien ooit vandaan kwam, waar het door de natuur werd losgemaakt toen hier nog oermensen rondliepen.

Beton bestaat uit drie ingrediënten: aggregaat (mengsel van zand en grint), water en cement. Zand geeft vulling aan beton, de body en de sterkte. Het ene zand is het andere niet: er is een hele waaier aan soorten. Zo verschillen woestijnzanden van rivier-, strand- of mariene zanden. Zanden kunnen fijn- of grofkorrelig zijn, elke individuele korrel heeft een bepaalde mate van ronding – van gaaf en afgerond tot hoekig.  Zand kan goed tot slecht gesorteerd zijn waarbij alle korrels eenzelfde korrelgrootte bezitten of niet. Ook kunnen individuele korrels sferisch zijn, langwerpig of oblaat. Het zijn allemaal kenmerken, geboetseerd door de natuur – zoals ook de zandsteenlandschappen van Narnia –, die materialen hun bouwkundige eigenschappen geven. En ook de mineralen waaruit het zand bestaat variëren naargelang het brongesteente. Zuiver kwartszand is hard en wit, en omdat kwarts bijna niet verweert trosteren deze zanden de eeuwigheid.

Van schelpjes naar cement

Al die zandkorrels moeten aan elkaar kitten om hard beton te verkrijgen. Daarvoor is cement nodig, een stof die bij contact met water onomkeerbaar verhardt. Cement bindt de boel. En ook cement wordt van gesteente gemaakt, o.a. van kalksteen, dat op haar beurt bestaat uit schelpjes en skeletjes van microscopische zeeorganismen, of van grotere schelpen en koraalriffen. Deze deeltjes van de zee, die op onevenaarbare wijze in beeld zijn gebracht door biologe Helena Cruz de Carvalho, eindigen in menselijke bouwsels. Het doet mij een beetje pijn dat deze prachtige schepseltjes in parkings en garages terecht komen. Maar iets zegt mij dat ze ooit naar de natuur zullen terugkeren. 

De ontgonnen kalk uit steengroeves wordt gebroken, vermalen, gezeefd, gemengd met mineralen zoals silicium- en andere oxides, verhit in hoogovens aan extreem hoge temperaturen, tot uiteindelijk klinkers en een cementmengsel worden verkregen dat wordt opgeslagen in silo's. Heel dit proces is goed voor 10% van de wereldwijde uitstoot. CO2 komt vrij enerzijds voor de brandstof om de ovens te verhitten en de mechanische maalprocessen aan te drijven, maar ook als nevenproduct van het procedé zelf.

Puzzolaan

Naast schelpjes, doen ook vulkanen soms een bijdrage aan de productie van beton. De Romeinen hebben de cementrecepten van de Grieken geperfectioneerd. Ze maakten hun bouwwerken aan de hand van mortel die puzzolaan bevatte. Puzzolaan is een materiaal dat in aanwezigheid van water en calciumhydroxide cementachtige eigenschappen verkrijgt. De Romeinen ontgonnen het uit vulkanische tufsteen en as, die om en rond het stadje Pozzuoli te vinden was, het epicentrum van de Campi Flegrei-vulkaan. De Romeinse monumenten zoals het Pantheon, die net als zand de eeuwen trotseren, danken hun sterkte zowel aan het vernuft van hun meester-bouwers als aan de bijzondere eigenschappen van puzzolaan. De koepel van het Pantheon is tot op de dag van vandaag de grootste koepel gemaakt van ongewapend beton. Geen aardbeving, geen barbaarse invasie, geen massa's toeristen, noch de tand des tijds deren het Pantheon. Daar staat het in het stadgedruis, onevenaarbaar, onverstoorbaar. Volgens recente studies is de duurzaamheid van Romeins cement, waarvan de formule nog steeds niet volledig gekend is, mogelijks het gevolg van het vermogen om zichzelf te repareren.

De Romeinen moesten zich nog geen zorgen maken over klimaat (*) of overconsumptie, hoewel filosoof-keizer Marcus Aurelius zijn appreciatie voor de natuur reeds uitdrukte, hij zag schoonheid in de nerven van een blad. Wat een activist zou hij geweest zijn. Maar nu leven we in tijden waarin zelfs het oneindige eindig is en waarin we ons bewust worden van de begrensdheid van de planeet. Zand bijvoorbeeld, is eindig. Er is een welbepaald aantal zandkorrels. En dat zijn er minder dan sterren in het heelal, zei space-goeroe Carl Sagan. Hij wou daarmee aangeven hoe onmetelijk veel sterren en werelden er zijn, maar de uitspraak krijgt in deze context een andere betekenis. Er is wel nog heel veel zand, maar het wordt sneller ontgonnen (50 miljard ton per jaar) dan het door de natuur wordt aangevuld (15 miljard ton per jaar) om de menselijke betonmolen draaiende te houden. Woestijnen liggen inderdaad nog vol, maar wegens de hoge massa van zand (en de transportkost) wordt het meestal lokaal ontgonnen, waar vraag is. En er ontstaan tekorten. 

(*) Natuurlijke, regionale klimaatverandering heeft mogelijks bijgedragen aan de desintegratie van het Romeinse Rijk. 

Muur om de aarde

Elk jaar wordt een muur van 27 meter breed en hoog om de aarde geproduceerd aan beton. Daarvoor is 4,1 miljard ton cement nodig plus 50 miljard ton zand. De zandontginning zelf, de eerste stap naar de productie van beton, heeft een milieu-impact. Dagmijnbouw-projecten zoals ook asbestmijnen laten grote littekens achter in het landschap. Als de zandwinning aan kusten plaatsvindt worden stranden, mangroves, onderzeese weilanden, koraalriffen, getijdevlaktes en riviermondingen ernstig aangetast. Natuurlijke kusten verliezen hun bufferwerking tegen tsunami's, stormvloeden en stijgend zeeniveau. Langs rivieren kan bodemerosie optreden wat leidt tot grotere schade bij overstromingen, meer sedimenttransport naar lagergelegen gebieden, en vernietiging van aquatische habitats. In landen zoals India, waar het zandtekort nijpend is, is een zandmaffia ontstaan in de vorm van illegale zandwinbedrijven die leiden tot conflict en zelfs moord.

Duurzaam beton? 

Er bestaan manieren om met minder beton door het leven te gaan: Tweedehandsbeton (zoals beton weggenomen bij ontharding), bouwafval en oude bakstenen kunnen hergebruikt worden. Materialen zoals vliegas (bijproduct van steenkoolcentrales) en slakken (metaalproductie) kunnen dienen als vervanging voor cement en aggregaten. Striktere regelgeving kan helpen om zandwinning te verduurzamen. AI en planning kunnen helpen bij het efficiënter maken van bouwprojecten. Het uitgestoten koolstofdioxide van betonfabrieken kan afgevangen worden zodat die niet in de atmosfeer terecht komt. En gewoon minder verharden en enkel beton opnemen in het gebouw en niet in tuinen en ommuringen is nog beter. Doorlaatbaar beton, dat de bouwers van Las Marías duidelijk niet kennen (pavicesped in het Spaans), is een oplossing om de impact van overmatige verharding tegen te gaan. Dit zijn slechts enkele van vele manieren. Onderzoekers zijn nog steeds aan het uitpluizen hoe de Romeinen hun beton maakten, dat veel slijtvaster is dan modern beton.

Bewustzijn creëren is misschien de belangrijkste stap. Ervoor zorgen dat AI - dat draait op silicium uit zandkorrels - niet de plaats van ons brein gaat innemen, hoewel we het wel om oplossingen kunnen vragen. Uiteindelijk zijn wij het, mensen, met onze lichamen en denkvermogen die er vier miljard jaar over hebben gedaan om op deze planeet te gedijen, die tegen al dat beton zullen moeten aankijken en de gevolgen van de impact dragen. 

------

Beton is naast vleesproductie en transport een van de grootuitstoters. Lees meer over duurzaam vlees, stikstof in kunstmeststoffen, of fris even de planetaire grenzen op. Lees verder over bodemverzilting, woestijnvorming, of de Tethyszee, die ook dikke lagen van kalk achterliet waar in ons menselijke tijdperk zowel de David als beton worden gemaakt. 

Bronnen

Roseanne Chambers, 3 Aug 2023, Concrete Concerns, https://roseannechambers.com/concrete-concerns/

Will Sullivan, 2023, Smithsonian, 'Self-Healing' Concrete May Have Preserved Ancient Roman Structures. https://www.smithsonianmag.com/smart-news/self-healing-concrete-may-have-preserved-ancient-roman-structures-180981411/

On Roman disintegration and climate: Valerie Trouet, 2022, Tree Story (Wat bomen ons vertellen), The History of the World Written in Rings, John Hopkins University Press, 264.

UN Environment Programme, 26 April 2022, Sand and Sustainability: 10 Strategic Recommendations to Avert a Crisis. https://www.unep.org/resources/report/sand-and-sustainability-10-strategic-recommendations-avert-crisis

Several Wikipedia sources: pozzolan, Pantheon, concrete, cement.

Images

Sand: pexels-karolina-grabowska-5202473

Elbe sandstone Mountains: By Thomas Wolf, www.foto-tw.de - Own work, CC BY-SA 3.0 de, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27758130

Solfatara crater: Peter Fabris' Illustrations for William Hamilton's Campi Phlegraei (1776–79). 

trefwoorden: beton grondstoffen, beton klimaat, beton duurzaam, duurzaam beton, zand grondstof, cement grondstof, cement impact, cement duurzaam, zandontginning, beton romeinen, pantheon beton, AI zand, AI silicium, zand geologie, zand beton, zand oorsprong

Kathelijne: Ik ben geboeid door hoe aarde, oceaan, lucht en leven op elkaar inwerken op geologische en menselijke tijdsspannes.

Waarom ik met GondwanaTalks begon.

Recente artikels:

Vind je dit goed leesvoer? Schrijf je in voor een korte nieuwsbrief bij elk nieuw artikel (om de zoveel weken, vrij van zware bestanden en irritante gifs):

Ook over grondstoffen maar met minder klimaatpraat: