Machinaal aangebrachte overlagingen van zwaar gewapend hogesterktebeton P. Buitelaar, Contec ApS (DK) dr.ir.drs. C.R. Braam, TU Delft, Fac. CiTG
1 | A 37 Vooraanzicht van de paver met een werkbreedte van 12,5 m
2 | D etailopname van de trilnaalden
In Cement is eerder ingegaan op zwaar gewapende hogesterktebeton overlagingen [1], bijvoorbeeld toegepast op orthotrope stalen rijdekken [2]. Materiaaleigenschappen en uitvoeringswijze zijn besproken, een en ander uitgaande van het verdichten met een trilbalk. Recent is ook ervaring opgedaan met het gebruik van een slipformpaver (foto 1). In dit artikel wordt ingegaan op de achtergronden en de ervaring die met deze techniek is opgedaan.
Hoge staalspanningsvariaties die aanleiding geven tot het ontstaan van vermoeiingsscheuren in stalen bruggen met een orthotroop dek bleken sterk te kunnen worden gereduceerd als het dek wordt overlaagd met zwaar gewapend hogesterktebeton (HSB) [3-5]. Door deze techniek toe te passen, kan de restlevensduur van de brug aanzienlijk worden verlengd. De vermoeiingsproblematiek speelt met name als sprake is van grote aslasten in combinatie met een hoge belastingsfrequentie. Het gevolg is dan ook dat de problematiek vooral een rol speelt op bruggen die onderdeel zijn van een druk bereden traject. De Calandbrug, de brug bij Hagestein en de Moerdijkbrug zijn hiervan voorbeelden. De ontwikkelde techniek blijkt ook geschikt voor andere toepassingen. Zo moet een aantal betonnen viaducten in verband met de toegenomen verkeersintensiteit en/of het toevoegen van een spitsstrook worden opgewaardeerd tot de vigerende norm (ROBK versie 5). Het overlagen bleek ook hier een perspectiefvol en praktisch toepasbaar alternatief te zijn. Een toepassing is bijvoorbeeld een betonnen viaduct bij Wilp (overlaagd in 2003). Hier was sprake van het met een (dubbele) ‘trilbalk’ verdichten van het mengsel. Omdat tijdens de werkzaamheden de verkeershinder tot een minimum moet worden beperkt, is gezocht naar alternatieven voor ‘het met de trilbalk verdichten’. Voorgesteld werd het proces te versnellen door een slipformpaver toe te passen. Slipformpaver
De werking van een slipformpaver is gebaseerd op de volgende drie
principes: • het verdichten van vrij droge betonspecie (lage wcf / hoog percentage toeslagmateriaal) met behulp van hoogfrequente trilnaalden (foto 2); • het ‘samenpersen’ van de betonspecie onder druk; • het afwerken met een afwerkbalk, eventueel gevolgd door het afwerken met een supersmoother en sleepplaat. Deze wijze van verdichten is bekend uit de betonwegenbouw en heeft bewezen zeer efficiënt te zijn. Door Bache is reeds in het begin van de jaren ‘70 veel onderzoek verricht naar het gecombineerde effect van het trillen en verdichten onder druk [6]. Het principe voor het aanbrengen van een zwaar gewapende HSBoverlaging op een betonnen brug bestaat uit de volgende fasen: • het verwijderen van het asfaltbeton; • het reinigen van de betonnen druklaag voor het verkrijgen van een zo goed mogelijke aanhechting; • het inlijmen van ankers (circa 6 – 9 ankers per m2); • het aanbrengen van drie lagen wapening Ø10 met h.o.h.-afstan den van 50 mm (een staaf in de breedte, hierop een staaf in de lengte en hierop weer een staaf in de breedte); • het aanbrengen van het HSB. Dankzij de intensiteit waarmee de paver verdicht, mede door zijn grote eigen gewicht, bleek het ook mogelijk de samenstelling van het betonmengsel te wijzigen om aldus de eigenschappen verder te verbeteren. De meeste aandacht is daarbij uitgegaan naar het krimpgedrag [7]. Krimp
Het ‘slipformpavermengsel’ heeft, ten opzichte van het ‘trilbalkmengsel’, een lagere water-bindmiddelfactor en bevat naar verhouding meer grof (graniet 2 - 4 mm) en minder fijn (zand 0 - 1 mm) toeslagmateriaal. Tevens bevat het mengsel wat minder staalvezels.
3, 4 | Twee mengsels met de gemiddelde krimprek voor elk van de vier sets van drie prisma’s. Aanvang registraties na het ontkisten (en eventueel sealen), zijnde 1 dag na storten. (N.B.: Een positieve waarde voor de krimp duidt op een verkorting)
Wel worden glasvezels aan dit mengsel toegevoegd. In het experimentele onderzoek is onder meer het krimpgedrag van prisma’s (100 x 100 x 400 mm3) onderzocht, zowel geseald (alleen autogene krimp) als niet-geseald (uitdrogingskrimp plus autogene krimp). Figuur 3 en 4 tonen het resultaat van de prisma’s. De getoonde krimp (een verkorting is als positief weergegeven) is het gemiddelde van zes registraties over drie prisma’s, met per prisma twee waarnemingen. De langs de horizontale as vermelde ‘tijd’ is de tijd verstreken na het moment van storten. Bij aanvang van de metingen hadden alle proefstukken een ouderdom van een dag. De curves met bijschrift ‘autogene
krimp – 3 d’ en ‘autogene krimp – 7 d’ refereren naar de prisma’s die tot drie, respectievelijk zeven, dagen ouderdom waren geseald, waarna de sealing werd verwijderd. Tot het moment waarop de sealing werd verwijderd, is dan sprake van autogene krimp; nadien is sprake van een combinatie van autogene krimp en uitdrogingskrimp. Het bijschrift ‘uitdrogings- en autogene krimp’ verwijst naar prisma’s die na het ontkisten niet werden geseald en daarom al direct vanaf het moment van het starten van de registratie onderhevig zijn aan een combinatie van uitdrogingskrimp en autogene krimp. De krimp van prisma’s blijkt, zoals verwacht, de grootste waarde te bereiken voor prisma’s die na
Hierbij moet wel de kanttekening worden gemaakt dat een prisma dat continu is geseald een andere autogene krimp zal ondergaan dan een prisma dat tegelijkertijd ook aan uitdrogingskrimp is onderworpen; de vochthuishouding zal anders zijn. Uit figuren 3 en 4 is duidelijk af te lezen hoe de krimp ‘versnelt’ als de sealing is verwijderd. De verkorting van de continu aan uitdroging onderworpen prisma’s wordt echter niet meer bereikt. Pilotprojecten
5 | D etailopname van het betonstaal. Een ingelijmd anker ten behoeve van de verankering met het bestaande betonnen kunstwerk is duidelijk zichtbaar
6 | D etail van een boorkern met daarin de drie lagen betonstaal
ontkisten niet geseald worden. De resultaten van deze prisma’s geven de combinatie van uitdrogingskrimp en autogene krimp. Bij het bereiken van een ouderdom van 28 dagen (registratieperiode 27 dagen) geeft het trilbalkmengsel een krimp van 0,39‰. Zoals verwacht toont het mengsel met de laagste water-bindmiddel (w/b)-factor - het slipformpavermengsel - de laagste krimp:
0,33‰. Opvallend is echter dat het slipformpavermengsel, ondanks de laagste w/b-factor, ook een kleinere autogene krimp vertoont: 0,19‰ op 28 dagen ouderdom. Als eenvoudigheidshalve de uitdrogingskrimp gelijk wordt gesteld aan de totale krimp minus de autogene krimp, geven de mengsels bij het bereiken van 28 dagen ouderdom nagenoeg dezelfde krimpwaarde: 0,13-0,14‰.
In opdracht van Rijkswaterstaat Bouwdienst is in oktober 2004 door Bruil Ede BV een proefvak zwaar gewapend HSB machinaal aangebracht met een slipformpaver. Hierdoor kon worden onderzocht of het snel en efficiënt aanbrengen van de zwaar gewapende HSB-overlaging met het oog op voorziene toekomstige projecten mogelijk was. De ervaringen met het machinaal aanbrengen van dit proefvak waren zondermeer positief. Vervolgens is in 2005 door Wegenbouwmaatschappij J. Heijmans BV in vier fasen een zwaar gewapende HSB-overlaging machinaal aangebracht op een betonnen viaduct te Voorst. Ondanks de onbekendheid met het materiaal en het ontbreken van praktijkervaring (vooraf werd geen proefvak aangelegd) waren de ervaringen positief. Wel moest een klein deel (circa 50 m2) vervangen worden vanwege onvoldoende doordringen tot en/of verdichting bij het hechtvlak. Dit werd mogelijk veroorzaakt door combinatie van de horizontale plaatsing van de trilnaalden en stilstand van de machine. Het verwijderen van de verankerde en hechtend aangebrachte, zwaar gewapende HSBoverlaging is, zoals ook recent is ondervonden op de Moerdijkbrug waar 1800 m2 moest worden verwijderd, een moeilijke opgave en kan dus beter worden voorkomen. Huidige projecten
Vanwege de te verwachten verkeerstoename is besloten de N37
op te waarderen tot een autosnelweg (de A37). Daarom is een onderzoek ingesteld naar de kwaliteit van de aanwezige kunstwerken. Hieruit kwam naar voren dat twee kunstwerken moesten worden vervangen; bij zes kunstwerken nabij Emmen bleek een overlaging met zwaar gewapend hogesterktebeton C90/105 te volstaan om de kunstwerken voldoende op te waarderen. Alvorens de daadwerkelijke uitvoering ter hand werd genomen is door Bruil Ede BV een proefvak aangelegd om het hele proces inclusief mengen te toetsen aan de praktijk. Voor het produceren van het HSB voor zowel het proefvak als de zes storten is gebruik gemaakt van een stationaire menger (een trogmenger van 1 m3) van DRM uit Emmen. Het bindmiddel en het grove toeslagmateriaal zijn als bulk geleverd, terwijl de zandfracties droog en afgewogen in big bags zijn aangeleverd. Naar aanleiding van de resultaten verkregen met dit proefvak zijn enkele verbeteringen doorgevoerd. Deze hebben voornamelijk betrekking op de wapening en de verankering hiervan bij de randen (foto 5). Ook boorkernen genomen op locaties met veel overlappende en dichte wapening bleken goed te zijn verdicht (foto 6). De zes kunstwerken (met een totaal oppervlak van circa 4535 m2) zijn daarna bijna opeenvolgend in een periode van vier maanden voorzien van een overlaging. De laagdikte varieerde van 75 mm tot 150 mm. Vanwege de ligging van de viaducten was het niet mogelijk het HSB-mengsel via de zijkant over de weg aan te voeren. Omdat het ook de wens was bij voorkeur niet over de wapening zelf aan te voeren, werd besloten het HSB per kubel (foto 7) aan te voeren met behulp van een torenkraan. Hierdoor was het echter niet mogelijk het HSB gelijkmatig in grote hoeveelheden aan te voeren.
7 | H et legen van de kubel
Het was daarom noodzakelijk de slipformpaver regelmatig stil te laten staan, waardoor plaatselijk onvlakheden ontstonden (foto 8). Deze moesten naderhand worden weggeschuurd. De mogelijkheid te werken over de volle breedte van de viaducten resulteerde wel in een naadloos aangebrachte overlaging. Deze wordt later nog overlaagd met een dunne asfaltdeklaag.
De verkregen resultaten zijn als ‘goed’ te beoordelen. De grondige voorbereiding en afstemming bleken tot het gewenste resultaat te hebben geleid. Ondanks het verwerken van een relatief gering aantal kubieke meters beton (circa 600 m3 beton voor de zes projecten) moest een groot aantal truckmixers worden ingezet omdat elke mixer maar tot circa 1/3 van zijn capaciteit kon worden geladen. De
8 | H et resultaat direct nadat de slipformpaver de overlaging heeft aangebracht
samenstelling van het mengsel (met name de hoeveelheid water) werd voor het mengen intensief gecontroleerd en, indien nodig, aangepast. De gebruikte materialen werden overdekt en droog opgeslagen. Verbeterpunten zijn echter altijd mogelijk. Dit geldt zeker als sprake is van nog grotere werken waar een snelle aanvoer van het HSB noodzakelijk is om de slipformpaver voldoende snel (40 – 60 m/uur) en regelmatig te laten rijden, waardoor de vlakheid beter kan worden gegarandeerd. Ervaringen in het buitenland leren dat productie op de bouwplaats (een mobiele menger op een dieplader) en snelle aanvoer, bijvoorbeeld met een systeem van lopende banden, resulteren in een hogere stortsnelheid. Conclusies
De zwaar gewapende HSB-overlaging blijkt een goede methode voor het opwaarderen van bestaande constructies. Een grondige voorbereiding, nauwgezette productie van het mengsel en een goed afgestemde wijze van storten,
blijken echter cruciaal. De meeste ervaringen zijn positief en de overlagingen blijken goed te voldoen aan de gestelde eisen. Het inzetten van een slipformpaver biedt mogelijkheden de techniek verder te verbeteren. Meer onderzoek naar de wijze van aanbrengen en gebruik maken van de aanwezige kennis in binnen- en buitenland kunnen het toepassingsgebied en de kennis verder vergroten. Niet alleen in Nederland, maar zeker ook wereldwijd zullen de komende decennia kunstwerken worden gerenoveerd en/of opgewaardeerd. De zwaar gewapende HSB-overlaging kan daarbij, zeker indien machinaal aangebracht, een belangrijke rol spelen. n Literatuur
1. Buitelaar, P., Zeer dunne overlaging met hogesterktemortels. Cement 1999, nr. 7. 2. Braam, C.R., N. Kaptijn en P. Buitelaar, Hogesterktebeton als brugdekoverlaging. Cement 2003 nr.1. 3. De Jong, F.B.P., Renovation techniques for fatigue cracked
orthotropic steel bridge decks. Dissertatie, TU Delft, januari 2007. 4. Buitelaar, P. en C.R. Braam, Ultra Thin White Topping to re-strengthen infrastructural structures and pavements. 6th International DUT - Workshop on Fundamental Modelling of Design and Performance of Concrete Pavements, September 15 - 16, 2006, Priorij Corsendonk, Oud-Turnhout, België. 5. Buitelaar, P., C.R. Braam en M. de Wit, Heavily Reinforced Ultra Thin White Topping to re-strengthen infrastructural structures. 10th International Symposium on Concrete Roads, 18 - 22 September 2006, Brussel. 6. Bache, H.H., The processing of fresh concrete. Physical survey (Flow of particle-liquid system in which cohesive and viscous forces are the major contributions to resistance to deformation). Private publication, January 1973. 7. Braam, C.R., Krimp en sterkteontwikkeling van varianten van het Contec Ferroplanbetonmengsel. Stevinrapport 25.5-05-14, TU Delft, 2005. Pr ojec tg eg evens A37
opdrachtgever: Rijkswaterstaat hoofdaannemer: Dura Vermeer aannemer overlaging: Bruil Ede BV materieel: betonpaver SP 1600 uitgebouwd tot 12,50 m aanlegbreedte
