auteur ing. Peter de Vries FICT ENCI B.V. ir. Hans Galjaard RO Volker InfraDesign B.V.Resultaten van Stufib/Stutech-studie over massabetonMassabeton,neeIn infraprojecten als tunnels, sluizen en stuwen, wordt vaakgebruikgemaakt van grote, massieve betonconstructies.Deze constructies gedragen zich anders dan gewone beton-constructies en verdienen daarom extra aandacht. Ook isbestaande regelgeving niet altijd zomaar toepasbaar. Om alleaspecten in beeld te brengen die spelen bij ontwerp, techno-logie en uitvoering van zware betonconstructies, hebben Stufiben Stutech samen een studie uitgevoerd over massabeton.De Stufib/Stutechstudiecel is ontstaan mede op initiatief van deBouwdienst Rijkswaterstaat, die veel metmassabeton heeft te maken. Opdrachtvan de studiecel was om alle aspecten inkaart te brengen die een rol spelen bijontwerp, technologie en uitvoering vanzware betonconstructies. Het uiteindelijkerapport is gebaseerd op een uitgebreideliteratuurstudie, beschikbare buitenlandseregelgeving en het gezond verstand. Destudiecel heeft onder meer bereikt dathet begrip massabeton nu is gedefinieerden dat deze definitie door NEN 8005, deNederlandse aanvulling op NENEN 206,is overgenomen. Ook is een aantal betontechnologische aanbevelingen tot normgeving verheven in NEN 8005.ProbleemstellingWaarom verdient massabeton extraaandacht en waarom zitten er somslacunes in de bestaande regelgeving?Een deel van het antwoord op dezetweeledige vraag heeft te maken methet fenomeen scheurvorming. Gewapend beton behoort te zijn gescheurd;een constructeur rekent met scheurwijdtes en stemt daar de wapening opaf. Maar de berekeningen zijn grotendeels gebaseerd op mechanischebelastingen en de daaruit voortvloeiende trekspanningen.In massabeton is de scheurvormingvoor een belangrijk deel het gevolgvan spanningen die ontstaan door hetverhinderen van vervormingen. Naastde (autogene) krimp speelt bij massabeton de temperatuur in de constructie een belangrijke rol. Verhardendbeton warmt op omdat bij de hydratatie, de chemische reactie tussencement en water, warmte vrijkomt.1De vier elementen vande afzinktunnel vande Tweede Coentunnelfoto: https://beeldbank.rws.nl/Rijkswaterstaat/Aerophoto SchipholVAKBLAD I 4 201416mhetniettelicht!Na opwarming zal de constructie ookweer afkoelen en daarbij krimpen.Deze krimp wordt thermische krimpgenoemd en kan bij verhinderingervan leiden tot spanningen. Wanneerdeze spanningen groter zijn dan aanwezige treksterkte zal het betononherroepelijk scheuren (fig. 2). Hierbij geldt dat hoe hoger de temperatuur oploopt hoe groter de krimp endaarmee de kans op scheurvorming.Hoe hoog de temperatuur uiteindelijkwordt, is afhankelijk van verschillendefactoren:? afmetingen van de constructie;? type bekisting (staal, hout, kleur,warmtegeleidingsco?ffici?nt);? zoninstraling;? windsnelheid;? temperatuur van de omgeving;? betonspecietemperatuur; en? betonsamenstelling.Definitie van massabetonDe problemen van scheurvorming alsgevolg van krimp door afkoeling spelenvanaf een bepaalde constructiegrootte.Immers, des te groter de massa van hetbetonelement des te hoger de temperatuur in het nog jonge betonelementkan oplopen. De studiecel heeft hetaangedurfd om op basis van ervaringen afhankelijk van het type bouwdeel,een classificatie als massabeton te defini?ren (tabel 1). De in het rapport endit artikel genoemde aspecten geldenin het bijzonder indien de constructieaan deze definitie voldoet.De in tabel 1 genoemde waarden zijnarbitrair tot stand gekomen. Het isgoed te bedenken dat de waarden kunnen wijzigen, afhankelijk van de constructie, situatie en mengselsamenstelling. Toepassing van hogesterktebetonzal er bijvoorbeeld voor kunnen zorgendat constructies met kleinere afmetingen te maken krijgen met de gevolgenvan massabeton. Zoals eerder gememoreerd, is deze classificatie inmiddelsook opgenomen in NEN 8005.Achtereenvolgens worden nu eenaantal aandachtspunten benoemdvoor massabeton vanuit ontwerp(beheersing van de scheurvorming),technologie (beheersing van de temperatuurstijging door hydratatie) enuitvoering (aandachtspunten bij relatiefvolumineuze constructiedelen enconstructies).StudiecommissiesStufib/Stutechstudierapport 16/32 `Massieve zware betonconstructies' is tot stand gekomen dankzij een gezamenlijkeinspanning van Stufib studiecel 12 en Stutech studiegroep 57,bestaande uit: ir. J.C. Galjaard (voorzitter), ir. R.P.H. Vergoossen(secretaris), ir. B.E.J. Baetens, ing. G.T. Bakker, ing. R.H.C. vanBerkel, ir. W.J. Bouwmeester, ing. J. Dudar, ing. E. Freriks, dr.ir.H.W.M. van der Ham, W. de Moor, H.H.M. Soen, ing. J. deVries, ing. P. de Vries FICT, ir. G.M. Wolsink, ing. R.A. AlbersMICT (mentor Stutech), ir. G.Chr. Bouquet MICT (mentorStufib). Het rapport is verkrijgbaar op www.stufib.nl enwww.stutech.nl.OrganisatieTijdens het eerste overleg heeft de studiecel zich opgesplitstin drie taakgroepen met elk een eigen werkgebied: ontwerpof constructie, technologie en uitvoering. De bemensing vande taakgroepen was zodanig dat in elke groep in ieder gevaleen constructeur, aannemer en betontechnoloog kennis koninbrengen. De taakgroepen hebben grotendeels zelfstandigeen deel van het rapport geschreven, waarna deze drie delendoor een eindredactie in elkaar zijn geschoven. Met name datlaatste traject heeft nogal voor wat hoofdbrekens gezorgd.temperatuurtreksterktetrekspanningtijdop dit moment scheurt beton2Schematisch verlooptemperatuur, trekspanning en treksterktetijdens verhardenTabel 1 Classificatie als massabeton als aan beide criteria wordt voldaanpoer vloer kolom wand balk dekkleinste afmeting [m] > 1,25 > 0,80 > 1,0 > 0,7 > 0,8 > 0,8hoeveelheid [m3] > 10 > 80 > 8 > 40 > 50 > 8017VAKBLAD I 4 2014Ontwerp: wel of niet scheuren?Wanneer scheurvorming redelijkerwijsmag worden verwacht maar tegelijkertijd ongewenst is, moet in het ontwerpworden gezocht naar mogelijkhedenom de kans op scheurvorming te be?nvloeden. De mogelijkheden zijn vooralgericht op vermindering van de temperatuurstijging en vermindering van deverhindering:1 Beperk de constructieafmeting zoveel mogelijk.2 Maak het mogelijk gebruik te makenvan mengselsamenstelling met minder warmteproductie.3 Houd rekening met het seizoenwaarin de constructie wordt gestort.4 Beperk zo mogelijk de mate vanverhindering.Of scheurvorming toelaatbaar is of niet,wordt in NENEN 19923 gekoppeldaan een dichtheidsklasse. Hierbij is 0 delichtste categorie zonder beperkingenen staat 3 voor een volledig vloeistofdichte constructie. Voor dichtheidsklassen 2 en 3 zijn doorgaande scheurenniet toelaatbaar. In veel praktischegevallen zal sprake zijn van categorie 1,waarbij de maximaal toelaatbarescheurwijdte is gerelateerd aan de verhouding tussen de waterdruk en dewanddikte.Ontwerp: scheurwijdtebeheersenAls er een re?le kans op scheurvormingbestaat dan zal scheurvorming moetenworden beheerst. Daarvoor moet descheurwijdte worden bepaald en speelteen aantal factoren een rol. Naast deeigenschappen van het beton, zijn ditde grootte van vervormingen door bijvoorbeeld krimp en afkoeling en demate waarin deze vervormingen worden verhinderd door aansluitende,reeds verharde constructiedelen. Nietonbelangrijk zijn verder de hoeveelheiden de verdeling van het wapeningsstaal. Omdat het een `zware' constructie betreft, zal de constructeur bij debepaling van de scheurwijdte gebruikmaken van de effectieve wapeningszone van het beton. De effectievewapeningszone is dat deel van debetondoorsnede waarin de wapeningactief meewerkt tijdens het scheurvormingsproces in de betondoorsnede enbepaalt in belangrijke mate de scheurafstand in het beton. Tegenover hetvolledig meerekenen van de doorsnedewordt hiermee een zekere reductie vande benodigde wapening gevonden.Voor het bepalen van de voor hetbeheersen van de scheurwijdte benodigde wapening, werd een bruikbaremethode gevonden in Ciria rapportC660. Dit rapport geeft deze bepalingsmethoden voor interne verhindering (zonder invloeden van buitenafdoor (temperatuur)verschillen in dedoorsnede) en twee vormen van uitwendige verhindering (met invloedenvan buitenaf). Daarnaast is in dit rapport veel bruikbare informatie te vinden met betrekking tot de eigenschappen van verhardend beton. Ook doethet rapport een serie aanbevelingenten aanzien van het aanpassen van eenaantal parameters in NENEN 1992. Decommissie heeft deze aanbevelingenonverkort overgenomen.BetontechnologieZoals gezegd spelen temperatuur enmengselsamenstelling een belangrijkerol bij scheurvorming in massabeton.Deze onderdelen zijn bij uitstek hetdomein van de betontechnoloog. Zijntaak is het om de temperatuurontwikkeling in het betonelement zo laagmogelijk te houden. Daartoe heeft hijde nodige vrijheidsgraden tot zijnbeschikking, maar daar staat tegenoverdat hij te maken heeft met de voorschriften betontechnologie.BindmiddelVerreweg de belangrijkste stuurparameter die de betontechnoloog tot zijnbeschikking heeft, is het cement.Cement is als het ware de kachel in hetbeton en door dit vuur te temperen, zalde temperatuur minder hoog oplopen.Daarom ligt het voor de hand zo minmogelijk cement toe te passen. Maarbelangrijker nog dan het cementgehalte is de cementsoort. Het meestreactieve deel van cement is de portlandcementklinker en beperken van hetaandeel portlandcementklinker beperktdan ook de warmteontwikkeling.De warmteontwikkeling van cementwordt door de cementproducentbepaald en wordt uitgedrukt in de hoeveelheid energie die gedurende eenbepaalde tijd vrijkomt, uitgedrukt injoule/gram. Wanneer een cement eenhydratatiewarmte heeft kleiner of gelijkaan 270 J/g na zeven dagen verhardingdan noemen we dat cement een`cement met een lage hydratatiewarmte'. Dit is conform de cementnorm NENEN 1971 en wordt aangeduid met de letters LH, low heat. NaastNENEN 1971 bestaat er nog eencementnorm voor bijzondere cementsoorten met als specifieke eigenschapeen zeer lage hydratatiewarmte:NENEN 14216 (tabel 2). Cementen3Zware betonnen poerenondersteunen de kapconstructie van destationsterminal vanRotterdam Centraalfoto: Hendrik Jan deWaard, GemeenteRotterdam18 VAKBLAD I 4 2014die aan deze norm voldoen, worden inafwijking van de normale cementenniet aangeduid als CEM maar als VLH(very low heat). Een VLHcement heefteen hydratatie warmte 220 J/g nazeven dagen verharding.Hierbij moet wel worden opgemerktdat deze cementen niet zonder meermogen worden toegepast, omdat zeniet in NEN 8005 worden benoemd als`zonder meer toegelaten'. Het gebruikvan deze cementsoorten moet wordenovereengekomen met de opdrachtgever of eigenaar van een betonconstructie. De geschiktheid ervan kan wordenvastgesteld door de procedure te volgen zoals is vastgesteld in CURAanbeveling 48 `Procedures, criteria enbeproevingsmethoden voor de toetsing van de geschiktheid van nieuwecementen voor toepassing in beton envoor de gelijkwaardige prestatie vanbeton met vulstoffen'.Een andere mogelijkheid is het verlagen van het cementgehalte door hetcement te combineren met een vulstof.Met name vulstoffen met puzzolane(poederkoolvliegas) of hydraulische(gemalen hoogovenslak) eigenschappen komen hiervoor in aanmerking.Een kenmerk van de puzzolane enhydraulische werking is dat de verhardingsreactie trager verloopt en datdaardoor de warmteontwikkelingbeperkt blijft. Bovendien hebben poederkoolvliegas en gemalen hoogovenslak een positieve uitwerking opde duurzaamheid van beton. Bij de toepassing van inerte vulstoffen (vulstoffenzonder bindmiddelfunctie) bestaat hetgevaar dat het combineren van hetcementaandeel ten koste gaat van dekwaliteit van de cementsteen.WaterbindmiddelfactorIn NEN 8005 ligt op basis van demilieuklasse de maximale waarde vande waterbindmiddelfactor (wbf) vast.De waterbindmiddelfactor is namelijkvoor een groot deel bepalend voorzowel sterkte als duurzaamheid.Gecombineerd met de waterbehoeftevan een betonmengsel bepaalt dewaarde van de waterbindmiddelfactordirect de toe te passen hoeveelheidcement.Studiecel 12 heeft kritisch gekeken naarde mogelijkheden om de gesteldegrenswaarden van de waterbindmiddelfactor te verruimen. Hiervoor isvooral gebruikgemaakt van de DuitseDAfStbRichtlinie `Massige Bauteile ausBeton', uitgave maart 2005. In dezeDuitse richtlijn wordt voor verschillende milieuklassen een hogere waterbindmiddelfactor toegestaan incombinatie met een lager minimaalcementgehalte, zonder aanvullendeeisen. De studiecel heeft in navolginghiervan voorgesteld om voor zwarebetonconstructies in enkele gevallendeze verruiming, zij het onder voorwaarden, toe te staan (tabel 3). Alsvoorwaarde geldt het gebruik van minimaal 50% hoogovenslak (m/m) of 25%vliegas (m/m).UitvoeringNadat de ontwerper of constructeur enbetontechnoloog hun werk hebbengedaan, is het aan de aannemer om deuitvoering van de constructie in massabeton in goede banen te leiden. Wathierbij helpt, is het opstellen van eenstortplan. In dit stortplan kunnen alleaandachtspunten worden benoemddie bij een constructie in massabetonaan de orde zijn. Dit zijn:VervormingenDe stijfheid van de bekisting, wel ofniet onderheide tussensteunpuntenTabel 2 VLH-cement conform NEN-EN 14216hoofdsoort notatie bijzonder cement meterg lage warmteontwikkelingsamenstelling (gehalte in massaprocenten) nevenbestand-delenklinker hoogovenslag puzzolanen en/of vliegasVLH III hoogovencementVLH III/B 20 ? 34 66 ? 80 0 ? 5VLH III/C 5 ? 19 81 ? 95 0 ? 5VLH IV puzzolaancementVLH IV/B 65 ? 89 11 ? 35 0 ? 5VLH IV/C 45 ? 64 36 ? 55 0 ? 5VLH V composietcementVLH V/B 40 ? 64 18 ? 30 18 ? 30 0 ? 5VLH V/C 20 ? 38 31 ? 50 31 ? 50 0 ? 5Tabel 3 Advies Studiecel voor verhoging van water-bindmiddelfactor en verlaging van het minimumbindmiddelgehalte afhankelijk van de toe te passen milieuklassevorige NEN 8005 advies Studiecel 12 en opgenomenin nieuwe NEN 8005milieuklasse max. wbf min. bindmiddelgehalte [kg/m3] max. wbf min. bindmiddelgehalte [kg/m3]XD3 0,45 300 0,5 300XS2 0,45 300 0,5 300XS3 0,45 320 0,5 30019VAKBLAD I 4 2014en de draagkracht of zettingsgevoeligheid van de ondergrond spelen eenbelangrijke rol bij het tegengaan vanontoelaatbare vervormingen van hetverhardende beton.LogistiekHet storten van massabeton gaat veelalgepaard met vele truckmixerbewegingen. Die bewegingen moeten ongestoord kunnen plaatsvinden. Dat betekent dat de uitvoerder van het werkmoet nadenken over de toegankelijkheid tot de bouwplaats en het realiseren van voldoende opstelmogelijkheden. Afstemming van aanvoersnelheiden verwerkingssnelheid vraagt om eencontinue communicatie tussen bouwplaats en betoncentrale. En dat geldtzeker in het geval van stagnatie bij ??nvan beide partijen.WapeningBij vloeren en dekken kan door de groteafmetingen de afstand tussen hetboven en ondernet aanzienlijk zijn.Extra aandacht wordt gevraagd voorde supportconstructie van het bovennet en het bovennet zelf. Deze moetenqua sterkte, stijfheid en bovenal stabiliteit zijn berekend op het veilig dragenvan de stortploeg.StortenHet storten in lagen, het beheersen vanhet stortfront, het verschil in omstandigheden tussen zomer en winter, deterugloop van de verwerkbaarheid enhet natinnat verwerken van debetonspecie, zijn allemaal aspecten diehoren terug te komen in het stortplan.VerdichtenBij grote oppervlakken kan het verdichten onoverzichtelijk worden. Belangrijkis het om overzicht te houden van waaral wel en waar nog niet is verdicht. Hetstramien waarin wordt verdicht, moetzijn aangepast aan de vorm van hetbouwdeel en moet van tevoren zijndoorgesproken en vastgelegd.De uitvoering moet er ook rekeningmee houden dat massabeton een groter risico op nazakken met zich meebrengt met scheurvorming tot gevolg.Afhankelijk van de plasticiteit waarmeehet betonmengsel wordt gestort,gedraagt het vers gestorte beton zichmin of meer als een vloeistof. Alsgevolg hiervan kan de betonspecienazakken. De wapening of andereingestorte voorziening die door middelvan afstandhouders of supporten isgefixeerd, zakt niet mee. Door hetnazakken van de betonspecie ontstaatscheurvorming boven de wapening.Ook zal door het nazakken ruimteonder de bovenwapening ontstaan,wat weer nadelig is voor de onderlingehechting en de duurzaamheid van dewapening. Kenmerkend bij dit typescheurvorming is dan ook dat over hetalgemeen het patroon van de wapening in het betonoppervlak zichtbaaris. Door natrillen of naverdichten vande betonspecie is deze scheurvormingop te heffen.Afwerken of nabehandelingDoor de vaak grote oppervlakken ende daaruit voortkomende stortopbouw en tijdsduur, zullen betonafwerkers al met hun werkzaamheden moeten beginnen terwijl de stortploeg(en)nog niet gereed is (zijn). Vooral tijdenshet betonstorten onder zomerseomstandigheden moet hiermee rekening worden gehouden. En wat voorhet afwerken geldt, geldt ook voor detijdsduur van het nabehandelen. Bijmassabeton zal vaak worden gekozenvoor een trager verhardend cement.Door de langzamere verharding isbeton op basis van deze cementsoorten gevoelig voor uitdroging en moeter voldoende lang worden nabehandeld. Een goed uitgangspunt is om na4Pyloonmoot van deMuiderbrug voor enna ontkisten20 VAKBLAD I 4 2014te behandelen totdat 50% van debeoogde sterkteklasse is bereikt.VerhardingsbeheersingHet beheersen van het verhardingsproces is erop gericht spanningen tengevolge van (te) grote temperatuurgradi?nten in het constructieonderdeelte voorkomen. In de uitvoering heeftde aannemer de keuze uit koelen ofisoleren. Het koelen van de constructieis een kostbare handeling.Maar de aannemer is in staat grotetemperatuurverschillen die kunnenleiden tot scheurvorming, te vermijdenmet de keuze van het aantal koelleidingen, het debiet, de temperatuur vanhet koelwater en het nauwkeurig monitoren van de temperatuurontwikkelingvan het verhardende beton. Met hetisoleren van een betonconstructiewordt bereikt dat de afkoeling, nahet bereiken van de temperatuurpiek,gelijkmatig verloopt. Grote temperatuurverschillen over de doorsnede vande betonconstructie kunnen ook hiermee worden voorkomen.Conclusies en aanbevelingenHet rapport van de Stufib/Stutechcommissie `Massieve zware betonconstructies' was geen lichte bevalling. Welblijkt het resultaat in de praktijk al tevoorzien in een behoefte, wat ondermeer tot uiting komt door de overname van de aanbevelingen in NEN8005. De commissie hoopt dat dit rapport ertoe zal bijdragen dat de verschillende disciplines betrokken bij ontwerpen realisatie van massieve betonconstructies, elkaar beter zullen begrijpen.Het geven van een definitie van eenmassieve betonconstructie helpt hierzeker bij.Zoals in elk onderzoek is ook hiergebleken dat niet alle vragen kondenworden beantwoord. In het rapport iseen aantal daarvan gesignaleerd. Hetbepalen van de scheurwijdte voor eencombinatie van opgelegde vervormingen en opgelegde belastingen is erdaar ??n van. Ook de benodigde dekking tegenover een verdere verhogingvan de waterbindmiddelfactor kanpunt van verder onderzoek zijn.Voorts kan het bij massieve betonconstructies handig zijn om niet van de28daagse sterkte, maar van een sterkteop een later moment uit te gaan.Momenteel wordt dit in Eurocode 2echter afgestraft met een factor 0,85op de sterkte. De vraag is of dit welterecht is.Ook lijkt onderzoek gewenst naarmogelijke cementbindmiddelcombinaties (denk aan poederkoolvliegas) incombinatie met de nabehandelingstijden in relatie tot de dichtheid van dedekking. Ten slotte lijkt het wenselijknader onderzoek te doen naar het verschijnsel autogene krimp. De commissie hoopt dat het gebruik van dit rapport leidt tot minder faalkosten inrelatie tot het maken van massievebetonconstructies.5Betonstort van eenpoer van 100hoogin Rotterdamfoto: Jan de GoedeMeer lezen?Meer over de temperatuurontwikkeling en verharding vanbeton is terug te vinden in Betoniek Standaard 15/17 `Metenis hot' en Betoniek Standaard 15/21 `Temperaturen'. Deze ziijnte raadplegen op www.betoniek.nl.BetonLexiconHet BetonLexicon geeft uitleg over begrippen als massabeton, verhardingsbeheersing, nabehandelen, puzzolaan,hydraulisch en inert (www.betonlexicon.nl).21VAKBLAD I 4 2014