Eenmaandelijkse uitgave van de Nederlandse Cementindustrie redactie-adres Herengracht 507Amsterdam telefoon 020-238531 jUli/augustus 1973 Onderwaterbeton Inleiding Indecember 1972verscheen GUR-rapport nr. 56 'Onderwaterbeton', uitgebracht door Gom­ missie G 17. Dit rapport behandelt opweten­ schappelijke wijzealleproblemen die ver­ bonden zijn aan het onderwaterstorten van beton. In ons land met zijnvele waterbouwkundige werken is het onder waterstorten vanbeton, dus zonder eenvooraf te maken en droogte malen bouwput, eenstortmethode diedikwijls zal worden overwogen. Een van degrootste gevaren bij het onder waterstorten vanbeton is de kans op uitspoelingvancement enandere fijne bestanddelen, terwijlbij een minder juiste wijze vanstorten de kans op ontmenging veel groter is dan bijnormaalgestortbeton. In het genoemde GUR-rapport wordt uitvoeriginge­ gaan op allemaatregelendie moetenworden genomen om ook bijonder waterstorten een goede kwaliteit betonteverkrijgen. Bij het verrichte onderzoek isgebleken dat het ver­ krijgen van een goedebetonkwaliteit beslist mogelijk is.Wanneer men nubedenkt dat het droogleggen van eenbouwput door middelvan een bronbemaling nietalleen vrij duuris, maar onder bepaalde omstandigheden ook zettings­ gevaar voordeomgeving kanopleveren, dan is het duidelijk dat het onderwaterstorten een aantrekkelijk alternatiefkan zijn. Gezien het grotebelang van dit onderzoek meenden wij er goed aan te doen in dit nummer van BETON/EK de hoofdpunten uit hetbetref­ fende rapport samen te vatten. Wie er meer van wil weten, kan uiteraardaltijdin GUR- rapport 56terecht. Naast de resultaten van het onderzoek bevat dit rapportook nog een vrij uitvoerige literatuuropgave. Stortmethoden Deverschillende methodenvoor het onder water storten van beton vallenuiteen :in twee groepen, nl. diewaarbij despecie bovenwater wordt gemengd en diewaarbij eenonder water aangebracht grof toeslagmaterialenpakket wordt geïnjecteerd met eencement-zand­ mortel. Uit groep 1moet in deeerste plaatsworden genoemd decontractor- ofbuismethode. Hier­ bij wordt de betonspecie in het werk gebracht door middelvanverticale stortkokers, waarvan het ondereinde steeds in de reedsgestorte massa moet steken om uitspoelingtevoor­ komen. Bovendien wordtzijdelingse verplaat­ sing van de stortkokerhierdoorvoorkomen. Naarmate het storten vordert, wordt destort­ buis langzaam opgetrokken.Hierbijzijn ver­ schillende constructievormen van destortpijp mogelijk. Deeenvoudigste is eenpijpvan constante lengte,waarbij tijdenshetoptrekken de erop geplaatste vultrechter steedshoger boven de stortbrugkomt. Een tweedemogelijk­ heid is een pijp, die uit sectiesisopgebouwd en tijdens hetstorten stukvoor stuk wordt gedemonteerd. Tenslotte kan men ook werken met een telescopische buis, dietijdenshet werk inelkaar schuift. De uit de stortpijpen komendespecie drukt de reeds gestorte massa op zij en naar boven. Rondom de pijpenzal de gestorte speciealtijd opbollen. Een geheel vlakkebovenkant zal op deze wijzenooitworden verkregen. Men kan hieraan tegemoet komen door deonderlinge afstand van destortpijpen niette groot te kiezen. Gewoonlijk wordt eenafstand van 4 tot 6meter aangehouden. Dediameter van de stortpijpenis meestal 250 tot 300 mmo Ermoet een minimum indompeldiepte wordenaange­ houden van 1 à m. Degebruikelijke zet­ maat van de specieis 15 cm. Met de contractor­ methode kan beton van goedekwaliteit wor­ den vervaardigd, zowel watbetreftdedruk­ sterkte als wat betreftdehomogeniteit. Een variant op decontractormethode is de pompmethode. Hierbijwordtdebetonspecie door middel van een betonpomp in destort­ buis gebracht. Voordeminimale indompel­ diepte geldthetzelfde als bij de contractor­ methode, mengebruikt echtereen iets stijvere specie, nl. met een zetmaatvan 10 tot 12 cm. De eis dat de stortpuntenniet te veruiteen mogen liggen,geldtdaardoor inverhoogde mate. Met inachtneming van de eisen die altijd aan pompbeton moetenworden gesteld(zie BETON/EK 1/2) kan ook met deze methodeeen homogeen beton van hoge kwaliteitworden verkregen. Een andere variantis deenkele jarengeleden in Nederland ontwikkelde hydroventielmethode. Het hydroventiel is eenstortpijp in de vorm van een platgeperste broekspijpvanflexibel en waterdicht materiaal.Brengtmen nu een 2 Contractormethode kleinehoeveelheid betonspecie de pijp, dan zal deze door de combinatie vanwaterdruk en wrijving tegen de pijpwand niet naar beneden zakken. Wordtdehoeveelheid speciegroter dan zal op een gegeven ogenblikhetgewicht ervan de waterdruk overwinnen en depijp openen, waardoor eenprop specie naar be­ neden zakt. De toenemendewaterdrukvoor­ komt dat de valsnelheid te veeltoeneemt en drukt de pijp boven depropweer dicht. Het onderste gedeeltevan destortpijp is omgeven door eenstar cirkelvormig buisstuk.Dit zgn. schild wordt langzaam over het reeds gestorte beton verplaatst. Schildenpijp kunnen nauw­ keurig ophoogte worden gesteld, waardoor een goede maatvoering mogelijkis. De ge­ wenste zetmaat :is dezelfde als bij de con­ tractormethode (ca. 15 cm).Doordat bij deze methode debetonspecie nietin een continue stroom maar stootsgewijs wordt verplaatst, vormt zefeitelijk eenovergang naareen geheel andere wijzevanstorten. Deze andere wijzevanstorten is de kubeI­ methode. Bij deze :in Nederland veeltoegepaste methode wordt boven watereen bak gevuld met betonspecle, daarnaonderwatergebracht PompmethodeFoto: Mi/es Cummings,Lenenster en daar gelost.De bak wordt op debodem van de kuip of op eerder gestorte betonspecie ge­ plaatst, waarbij hetgewenst is dat de bak in de betonspecie dringt.Er zijn twee uitvoerings­ vormen. Bij deeerste wordt delosklep ge­ opend door het ophalen van de bak. Het gevaar van ontmengen ishierbij vrijgroot. Bij de andere vorm wordt de klep geopend terwijl de bak in de betonspecie blijft staan. Bij deze vorm is het gevaarvanuitspoelen kleinerdan bij de eerste maartochaltijd groter dan bij de contractormethode. Er zijnverschillende moge­ lijkheden voor hetbeperken van deuitspoeling al kan men deze nooit helemaal voorkomen. De volgende maatregelen hebbeneengunstige invloed: het gebruiken vanvolle kubels; het langzaam neerlatenen ook ophalenvan dekubels; hettoepassen van eenspeciesamenstelling die niet gemakkelijk ontmengt. lniectiebeton In deze tweedegroepvanstortmethoden wordt eerst een grindpakket in dekuipaangebracht en vervolgens geïnjecteerd met eencement- zandmortel. Hetinjecteren geschiedt door middelvanpijpen, die tot vlakboven dekuip­ bodem reikenomwaterinsluitingen tegente gaan. Tijdens hetinjecteren wordendepijpen geregeld opgetrokken. Depijpafstand is woonlijk ongeveer2 m. Eenvoordeelvan de injectiemethode is dat het aanbrengenvan bovennetten en/of andere constructiedelen zeer eenvoudig is.Verder wordt tijdens het injecteren veelminder materiaal verwerktdan anders tijdenshetstorten. Bovendien isminder opslagterrein nodigomdat hetgrind direct in de bekisting kanworden gebracht. Daartegen­ over staan ook enkele nadelen. Desterkte is geringer en deporeusheid hogerdoordat niet alle holle ruimte volledig zalworden gevuld. Bovendien zijn dezemethoden duurder. Er bestaan twee uitvoeringvormen, dePrepakt en de Colcrete methode. BijPrepakt wordteen dun vloeibare mortelzeerintensief gemengd, waarbij door het toevoegen van eenhulpstof (Intrusion Aid) deinjectiespecie minderge­ makkelijk ontmengt, terwijltevens een zwel­ effect optreedt. Bij hetColcretesysteem wor­ den de speciale eigenschappen van de in­ jectiespecie bereikt door eersthetwater en het cement in eencentrifugaalmenger tot een colloïdale cementlijm temengen endaarna het zand in een tweedetrommel erbijte voegen. 4 Kube/methode Doorsnedevan eenhydroventie/ Andere methode Er bestaan nogandere systemen om beton onder wateraan te brengen, namelijkdiewaar­ bij het beton door eenomhulling tegen uit­ spoeling wordtbeschermd. Eenvoorbeeld hiervan is hetwerken metzakken dieboven water worden gevuldmetbetonspecie en dan onder waterop de gewenste plaatsworden gebracht. Feitelijkis dit eenhulpmethode om gaten tussen bij voorbeeldbekistingenbodem te dichten. Betonsamenstelling Voor het stortenvanbeton onder waterzal de samenstelling moetenzijnaangepast aan de speciale eisen die de omstandigheden hier stellen. Daartoe behoortallereerst eengoede vloeibaarheid, waartoevrij hoge zetmaten wor­ den toegepast. Verdermoet de samenhang voldoende zijn,zodat zo min mogelijk ont­ menging optreedt. Deze eis is natuurlijkenigs­ zins in strijd met de eerste. Enige ontmenging is bij storten onderwaternooithelemaal te voorkomen. Niet alleen zal altijd wel wat cement worden uitgespoeld, maarbovendien hebben de grove toeslag korrels, zekerin een tamelijk plastisch mengsel, de neigingnaaronderen te zakken endaarbij cement enfijne toeslag naar boven te dringen. Uit het onderzoek van deCUH-commissie is gebleken dat moetwordengestreefd naar een zetmaat van 15 tot 17 cm. :Een dergelijke beton­ specie behoeft geenverdichting, terwijlnog sterkten mogelijk bleken van 35 tot 50 N/mm 2 (350-500 kgf/cm 2 ) . Voor hettoeslag materiaal moet aan afgeronde korrels devoorkeur wordengegeven. Welis­ waar kunnen bij gebrokenmateriaalhogere sterkten wordenbereikt,maaralleen wanneer 5 volledig wordt verdicht. Waar nu bij het onder water gestort beton de verdichting doorhet eigen gewicht moetplaatshebben, is alleen daarom al rondtoeslagmateriaal beter. In ver­ band met de geringerewaterbehoefte van af­ gerond toeslagmateriaal is ook de kans op waterafscheiding kleiner. In de onderzochte literatuurvond decommissie de aanbeveling eenhoge zand-grindverhou­ ding toe te passen, namelijk42 tot 45gewichts­ procent zand ten opzichtevan hettotaletoe­ slag materiaal. Dit isbelangrijk meer dan normaal. Decommissie heeft zelfuitspoel­ proeven gedaan,waarbijbleekdat een tot 40% verhoogd zandpercentage inderdaad tot ver­ minderde uitspoeling leidde. Boven 45% werd geen verdere verbetering meergevonden. Voor de vereiste verwerkbaarheid is danbovendien ook weermeer water nodig, waardoor de sterkte nadelig wordtbeïnvloed. Ten einde een zogoed mogelijkesamenhang tekrijgen ishet van veel belang dat er zeer fijn materiaalin het zand zit. Ontbreekt dit danmoet ander fijn materiaal, bijv.kwartsmeel of trasworden toe­ gevoegd. De uitspoeling van hetcement blijkt in deprak­ tijk veelminder sterkdan men vroegerveelal aannam. Het is daaromookhelemaal niet nodig uitzonderlijk hogecementgehalten toe te passen. Bij proeven met volgensde con­ tractormethode gestortonderwaterbeton bleek eencementgehalte van 325 kg per m3beton voldoende sterkteop te leveren. Daarbijis dan natuurlijk deontwikkelde hydratatiewarmte duidelijk geringerdan bij de in de literatuur veel aanbevolen 375 kg per m3 ,waardoor de scheurgevoeligheid vermindert. Aangezien onderwaterbeton voortdurendin contact staat met water(grondwater of zee- water),kunnen de in het watervoorkomende bestanddelen het betonaantasten. Alsagres­ sieve stoffen kunnen in dit verband humus­ zuren en sulfatenwordengenoemd. Beton met een laag kalk-enaluminaatgehalte, met name hoogovencement, is tegen deinwerkingvan sommige schadelijke stoffen beter bestand. Wanneer dus met het oog op aantastingreeds de voorkeur wordt gegeven aan toepassingvan hoogovencement, dan istegelijkertijd met het oog op de warmteontwikkeling eenjuiste keuze gemaakt, aangezien bij dehydratatie vanhoog­ ovencement minderwarmte vrijkomt dan bij portlandcement. Dit isvooral belangrijk omdat onderwaterbeton vrijwelaltijdmassabeton is. Hulpstoffen Een belangrijk deel van het onderzoekvan de commissie bestonduitlaboratoriumonderzoek aan onder water gestorte betonspecie waaraan hulpstoffen warentoegevoegd. Onderzocht werd of door middel vanhulpstoffen dekwali­ teit van onderwaterbetonkon worden ver­ beterd. Omdatwerdaangenomen dat de ce­ mentuitspoeling debelangrijkste oorzaak vormde vankwaliteitsverlaging, werdenbij het onderzoek devolgende eisengesteld: a. De sterkte van boven watergestort beton met een hulpstofmag iniedergeval nietbe- 6 duidend lagerzijn dan die vanhetzelfde beton zonder hulpstof, eveneens boven watergestort. b. De sterkte vanonder watergestort beton met een hulpstofmoet hoger zijn dan die van hetzelfde betonzonder hulpstof, eveneens onder watergestort. c. Tijdens hetstorten onderwatermoet ten opzichte vanhetzelfde betonzonder hulpstof minder uitspoeling vancement optreden. Vrijwel de enige hulpstofdie demoeite waard was om te wordentoegepast, bleekbentoniet te zijn. Bij gebruik vanhoogovencement gaf bentoniet nauwelijks eeninvloed te zien op sterkte enuitspoeling. Bijportlandcement, waar de resultaten normaalietsminder waren dan bij hoogovencement, kwamen de resul­ taten door toevoegen vanbentoniet (eensoort klei) in de buurtvan die met hoogovencement. Eigenschappen vanonderwaterbeton Hoewel onderwaterbeton inprincipe vergelijk­ baar is met bovenwatervervaardigd beton,is over de materiaaleigenschappen zeerweinig bekend aangezien het onderwaterbetonmeest­ al onder waterblijften dan niet kanworden gekeurd. Deerover bekende gegevens zijn daardoor watminder betrouwbaar dan die over boven watergestort beton.Bij het ontwerpen Hydroventiel;aanvoervan despeciemet be­ hulp van een betonpomp (links)en met een transportband voorzienvan een zgn. afwerper (rechts) Foto's: Nederhorst, Gouda vanonderwaterbetonconstructies moetdaarom de nodige voorzichtigheid wordenbetracht. Krimp enkruip Uitdrogingskrimp treedtbij beton dat onder water blijft niet op. Integendeel is zelfszwelling mogelijk. Afkoelingskrimp tengevolge van het afvoeren van deontwikkelde hydratatiewarmte treedt natuurlijk, evenalsboven water, wel op. Omdat hierdoor spanningen enzelfs scheuren kunnen optreden, is het gewenstdeontwikkelde warmte tebeperken. Dit kan gebeuren door hetcementgehalte niet hoger op tevoeren dan in verband met devereiste sterkteonvermijde­ lijk is enbovendien door hetkiezen van een cement met lage hydratatiewarmte, bijv. een hoogovencement. I Druksterkte enhomogeniteit Bij het bespreken van deverschillende stort­ methoden is reeds ter sprakegekomen dat de druksterkte vanonderwaterbeton ruimvol­ doende kan zijn. Aan de hand van een groot aantalproeven dat door decommissie werd uitgevoerd, konworden vastgesteld dat de contractormethode over hetalgemeen de hoogste sterkten opleverde. Bij depompbeton­ methode en dehydroventielmethode waren de sterkten wat lager. Deze lage druksterkten 7 wordenwaarschijnlijk veroorzaaktdoordatbij laatstgenoemde methodendoorgaans minder plastische specieswordenverwerkt, diedoor­ dat niet wordt verdicht, meer holle ruimten bevatten. Bij deze drie methoden wordteenhomogeen beton verkregen. Bij het stortenvolgens de kubelmethode was dehomogeniteit duidelijk minder, hoeweldesterkten toch wel goed waren. Bij de injectiemethoden werdenduide­ lijk lageredruksterkten gevonden,vermoede­ lijk tengevolge Van hetoverblijven vanholle ruimten in de massa en daardoormindergoede aanhechting van deinjectiemortel aan het grove toeslag materiaal. Waterdichtheid Bij goed samengesteld onderwaterbeton is voldoende fijnmateriaal (cement + vulstof) aanwezig vooreengoede waterdichtheid. De hoge zetmaat isbovendien gunstigvooreen goede verdichting. Uiteraardkunneninhomo­ geniteiten ofscheuren ongunstig werkenop de waterdichtheid. Vlakheid van hetbetonoppervlak De vlakheid van hetbetonoppervlak hangtaf van de consistentie van degebruikte beton­ specie en van de stortmethode. Verderis de vlakheid in hoge mate afhankelijkvan de onderlinge afstandtussen de stortpunten. De vlakste oppervlakten kunnenworden bereikt met de hydroventiel- en met dekubelmethode. Conclusies Uit het door decommissie gedaneonderzoek, zowel in de literatuurals door eigen proeven is gebleken dat onderwaterbeton beslistvan goede kwaliteit kan zijn. De wijzevanonder water brengen Van debetonspecie isdaarbij de belangrijkste factorvoordeuiteindelijke betonkwaliteit. Voor onderwaterbeton heefthet gebruik van hoogovencement voordelenboven dat van portlandcement. Verdermoeten betonspecies worden gebruikt met een hogezetmaat en tevens eengoede samenhang. Ditlaatste wordt bereikt door een hoger gehalte aanfijnmate­ riaal dan normaalgebruikelijk. Er moet bij voorkeur nietmeer cement worden toegepast dan voor de gewenste sterktenoodzakelijk is. Voor verder benodigd fijnmateriaal kan ge­ bruik wordengemaakt vanfijne vulstoffen zoals kwartsmeel, vliegas,tras, e.d, Ten aanzien van het gebruik van hulpstoffen voor het verhogen van de samenhang konden geen duidelijke aanwijzingen voor het nut ervan worden gevonden. Er magworden verwacht dat het gebruik vanhulpstoffen geen ver­ betering van dekwaliteit geeft. 8