Onderzoek en praktijkervaring met X10, een betonmengsel voor diepwanden met betere stabiliteit en verwerkbaarheid Betonmengsel voorkomt problemen diepwanden De kwaliteit van beton in diepwanden blijkt vaak minder te zijn dan die van gewoon ter plaatse gestort beton. Veel gehoorde problemen zijn onvoldoende dekking en insluitingen van bento- niet. Minder bekend zijn holten rond wapening en een te poreuze dekking. Deze problemen worden veroorzaakt door onvoldoende verwerkbaarheid en stabiliteit van de specie. Er is nu een innovatief mengsel ontwikkeld, genaamd X10, gebaseerd op een nieuwe hulpstof, dat veel betere resultaten geeft. De eerste resultaten zijn opvallend positief. auteur dr. Michel Boutz SGS INTRON Verantwoording Dit artikel is een vertaalde bewerking van de paper X10 concept to improve quality and durability of diaphragm walls voor de DFI-EFFC International Conference on Deep Foundations and Ground Improvement in 2018 in Rome, geschreven door M.M.R. Boutz (SGS INTRON), B.J. Admiraal (Volker Staal en Funderingen), R. van Berkel (BAM Infraconsult) en P.R.B. van der Werff (Volker Staal en Funderingen) 1 Met zowel het basisre- ferentiemengsel als het X10-mengsel (X10-4 WP) is een praktijk- proef uitgevoerd op de Tweede Maasvlakte met twee aaneenslui- tende, gewapende diepwandpanelen 18 VAKBLAD I 1 2019 3 X10.indd 18 12-04-19 14:56 Tabel 1 Eigenschappen en samenstelling referentiemengsel sterkteklasse C28/35 milieuklasse XS2 water-cementfactor 0,46 cement (CEM III/B 42.5 N) 360 kg/m 3 vulstof (vliegas) 40 kg/m 3 zand 0-155 kg/m 3 zand 0-4751 kg/m 3 grind 4-16955 kg/m 3 water169 kg/m 3 Betonmengsel voorkomt problemen diepwanden D iepwanden worden in Nederland veelvuldig toegepast maar de kwaliteit ervan is vaak niet constant. Die kwaliteit hangt nauw samen met de verwerkbaarheid en stabiliteit van de specie, temeer omdat verdichten met trilnaalden niet mogelijk is. Een belangrijk risico vormt bleeding. Dit risico wordt nog eens versterkt door de hoge hydrostatische druk in de diepe panelen. Deze wordt veroorzaakt door de bovenstaande kolom betonspecie in de plastische fase. Het gevolg van overmatige bleeding kan zijn de vorming van watervoerende kanaaltjes langs de verticale wapening en in de dekking. Er is dus veel behoefte aan een beton- mengsel met een juiste en constante verwerkbaarheid, waarmee een dichte en voldoende grote betondekking kan worden gerealiseerd. Dat zou de toe- pasbaarheid van diepwanden sterk kun- nen vergroten, met name in agressieve milieus (XD3, XS3). Volker Staal en Fun- deringen (VSF), BAM Infra en SGS INTRON zijn in 2017 een samenwer- king aangegaan om een dergelijk betonmengsel te ontwikkelen. Aanpak laboratoriumonderzoek Er zijn diverse betonsamenstellingen onderzocht in het laboratorium. De samenstellingen zijn afgeleid van een referentiemengsel, zoals dat in Neder- land veel wordt toegepast in diepwan- den (tabel 1). Om het mengsel te verbeteren, is een nieuwe minerale hulpstof toegepast met veelbelovende prestaties onder laboratoriumomstandigheden. Met deze hulpstof is het zogenoemde X10-betonmengsel ontwikkeld, dat een hoge vloeibaarheid, goede stabili- teit en een hoge thixotropie heeft. Ideaal dus voor lastige stortomstandig- heden. Bij de ontwikkeling van het mengsel is uitgegaan van NEN-EN 1538 'Diepwanden'. Het onderzoek naar het mengsel is onderverdeeld in twee delen: stabiliteit en verwerkbaarheid. Stabiliteit Om de stabiliteit de beïnvloeden, is gekeken naar de hoeveelheid fijn zand, andere hulpstoffen en vulstof. De nadruk lag hierbij op het vaststellen van bleeding, met name onder verhoogde hydrostatische druk. De volgende para- meters zijn daarbij onderzocht: ? initiële verwerkbaarheid via de schud- maat en vloeimaat; ? Ontmenging en bleeding, gebruik- makend van een 1,0 m hoge perspex-standpijp; ? bleeding, gebruikmakend van een API-filterpers (foto 2) met een gasdruk van 5 bar gedurende 5 min (testmethode voor cement-bentoniet mengsels); ? bleeding, gebruikmakend van een Oostenrijkse filterpers (foto 3) met een gasdruk van 3 bar gedurende 60 min (volgens Oostenrijkse Merkblatt 'Weiche Betone'). 2 API-filterpers 3 Oostenrijkse filterpers 19 VAKBLAD I 1 2019 3 X10.indd 19 12-04-19 14:56 Verwerkbaarheid Voor de verwerkbaarheid is gekeken naar mengsels met de minste bleeding en die het meest lijken op in de markt beschikbare mengsels. De nadruk lag op (de ontwikkeling van) de verwerk- baarheid en het vloeigedrag rond de wapeningsstaven. De volgende testen zijn uitgevoerd (ver- gelijkbaar met zelfverdichtend beton, gezien de hoge vloeibaarheid van het mengsel): ? behoud van verwerkbaarheid, gedu- rende 2 uur na mengen; ? J-ring-test (t.b.v. vermogen om wape- ning te passeren); aangepaste J-ring met staven Ø32; ? L-box-test (t.b.v. vermogen om wapening te passeren); ? V-trechtertest (t.b.v. viscositeit). Resultaten laboratoriumonderzoek Er zijn zes mengsels onderzocht, waar- van één referentiemengsel, vier varian- ten daarop en een X10-mengsel. Van alle mengsels zijn twee varianten gemaakt, A en B (tabel 2). Zoals gezegd is zowel de stabiliteit als de verwerk- baarheid bekeken. Stabiliteit De stabiliteit van het X10-mengsel was aanzienlijk beter dan die van de overige mengsels, zo bleek uit de testen met de filterpersen. De test met API-filterpers liet zeer goede resultaten zien. Het duurde twee- tot vijfmaal langer voor- dat waterverlies optrad en de totale hoeveelheid waterverlies was ook een stuk lager. Ook de Oostenrijkse filterper- stest liet duidelijk betere resultaten zien voor het X10-mengsel (fig. 4). Die test had ook een heel verschillende uitwer- king op de consistentie na afloop. De traditionele mengsels waren ontwaterd over de volle hoogte, terwijl de X10-mengsels nog plastisch waren na de test (foto 5 en 6). Verwerkbaarheid Voor het testen van de verwerkbaar- heid, en met name het vloeigedrag rond de wapeningsstaven, is een aantal varianten gebruikt van de eerderge- noemde mengsels. Deze staan genoemd in tabel 3. Voor alle mengsels geldt: wcf= 0,45 en k-factor vliegas = 1,0. Zelfs met toepassing van een PCE- superplastificeerder kon de consistentie van het referentiemengsel niet verder worden verhoogd dan F5 (schudmaat 560 ? 620 mm). Voor de X10-mengsels kon een consistentie van F6 worden bereikt (schudmaat > 630 mm), waar- door de consistentie met de vloeimaat moest worden bepaald. In figuur 7 staat de vloeimaat van beide X10-mengsels afgezet tegen de tijd. Door de hoge vloeibaarheid van de X10-mengsels lieten zij ook betere resultaten zien in de J-ring-test (foto 8 Tabel 2 Onderzochte mengsels mengsel kenmerk variant AB 0 referentie 1 hoger percentage zand + 3% + 9% 2 extra vliegas +10 l +30 l 3 toepassing vertrager -0,39% (8 u vertraging) 4 toepassing PCE-superplastificeerder 0,27% 0,40% 5 X10 0 kg vliegas +40 kg vliegas, -40 kg cement Tabel 3 Variantenonderzoek verwerkbaarheid mengsel kenmerk / toevoeging bindmiddel 1 referentiemengsel 360 kg cement + 40 kg vliegas 2 referentiemengsel PCE-superplastificeerder 360 kg cement + 40 kg vliegas 3 referentiemengsel PCE WP 320 kg cement + 80 kg vliegas 4 X10-4-mix X10 360 kg cement 5 X10-4 WP-mix X10 + PCE 320 kg cement + 40 kg vliegas 5 Conventionele mengsels na de Oostenrijkse filter- perstest 6 X10-mengsel (5B) na de Oostenrijkse filterperstest waterverlies [ml] mengsel nr. 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 1a 3a 3b 4a 4b 5a 5b 60 min 15 min 1b 2a 2b 4 Waterverlies na 15 en 60 minuten in de Oostenrijkse filterpers 20 VAKBLAD I 1 2019 3 X10.indd 20 12-04-19 14:56 mengsel nr. 28dg56dg RCM-waarde [10- 12 m 2/s] 1 80 60 40 20 0 2 3 4 5 en 9). Dit zou dus leiden tot een volle- dige omsluiting van de wapeningssta- ven, hetgeen bij de referentiemengsels zeker niet het geval zou zijn. Op basis van deze resultaten is het X10-4 WP-mengsel geselecteerd voor een praktijkproef. Dit mengsel voldoet weliswaar niet aan het minimum cementgehalte zoals genoemd in de norm voor diepwanden, NEN-EN 206, maar volgens deze norm mag het op basis van geschiktheidsonderzoek (equi- valent concrete performance concept) worden toegepast. Druksterkte en RCM-waarde Van de vijf mengsels (3? referentie en 2 ? X10-mengsels) zijn in het laborato- rium ook de ontwikkeling van de kubus- druksterkte bepaald en de ontwikkeling van de weerstand tegen chloride- indringing. Deze laatste is gemeten met de Rapid Chloride Migration (RCM)- test, conform NT Build 492. Na 28 en 56 dagen was de kubusdruk- sterkte van beide X10-mengsels hoger dan de referentiemengsels (fig. 10). Ook de weerstand tegen chloride- indringing van de X10-mengsels was hoger (lagere RCM-waarde, fig. 11). Praktijkproef Met zowel het basisreferentiemengsel als het X10-mengsel (X10-4 WP) is een praktijkproef uitgevoerd. Hiertoe zijn op de Tweede Maasvlakte twee aaneenslui- tende, gewapende diepwandpanelen vervaardigd. Deze panelen hebben een 'landzijde' en een 'waterzijde'; de wapening aan de landzijde is anders dan aan de waterzijde. De breedte van het referentiepaneel was 3 m (1-gangspaneel), het X10- paneel 7,5 m (3-gangspaneel). Beide panelen waren 1,2 m dik en 22 m diep en gescheiden door een voeg. Verwerkbaarheid Tijdens het storten zijn diverse parame- ters bekeken. Een daarvan is de ver- werkbaarheid, die zowel op de beton- centrale als op de bouwplaats is gemeten om de terugloop ervan te 8 Referentiemengsel in de J-ring 9 X10-mengsel in de J-ring 11 Ontwikkeling RCM- waarde vloeimaat [mm] 700 600 500 400 300 200 100 00 20 40 60 80 100 tijd [min] X10 ? 4 X10 ? 4 WP 10 Ontwikkeling druksterkte 21 VAKBLAD I 1 2019 3 X10.indd 21 12-04-19 14:56 kunnen vaststellen. De vloeimaat van het X10-mengsel was 570 ? 640 mm na aanmaak en 590 ? 655 mm bij aankomst op de bouwplaats (na 30 minuten rijden; het is niet ongebruike- lijk dat bij toepassing van PCE-super- plastificeerders de vloeimaat tijdens het eerste halfuur tot uur nog toeneemt. Pas hierna loopt de vloeimaat terug). De verwerkbaarheid van het referentie- mengsel was F5 bij aankomst. De storthoogte is op drie posities in het X10-paneel bepaald (links, midden en rechts). Er werd slechts een klein verschil in hoogte waargenomen bij het X10-mengsel tussen de twee uit- einden (0 ? 40 mm). Oppervlaktekwaliteit Na ontgraven tot NAP -1 m zijn de panelen visueel geïnspecteerd, aan beide zijden (waterzijde (foto 12) en landzijde (foto 13)). Vóór de inspectie is een uitstulping aan de bovenzijde verwijderd. Opvallend was dat het oppervlak van het X10-mengsel veel strakker was dan van het referentiepa- neel. Voor beide panelen zijn verder aan de buitenzijde geen gebreken zoals grindnesten geconstateerd. Dekking De dekking op de wapening is geme- ten in horizontale sleuven die zijn opengehakt op NAP -1 m. De resulta- ten staan in tabel 4. De dekking aan de landzijde van beide panelen is duidelijk groter dan ter plaatse van de water- zijde en valt zelfs buiten de toegestane tolerantie (120 ± 50 mm). Ook is bij het X10-paneel een iets grotere dek- king waargenomen, vooral aan de waterzijde. Deze grotere dekking is niet te wijten aan het mengsel maar wordt veroorzaakt door het feit dat dit een 3-gangspaneel betreft. Ter plaatse van de overlap vinden meer graafbewegin- gen plaats waardoor de maatafwijkin- gen groter zijn. Trekstaven In de panelen zijn trekstaven opgeno- men om de invloed van de kwaliteit van de dekking op de verankering te testen. De capaciteit van de ankers in de X10-panelen komt overeen met de maximale capaciteit (vloeispanning staal). Voor de staven in het referentie- paneel ligt die een stuk lager (200 kN voor de X10-panelen versus 100 ? 170 kN voor het referentiepanelen). Proeven op betonkernen Uit het tot NAP -3 m ontgraven deel zijn kernen Ø100 mm geboord voor druksterkte en kernen Ø145 mm voor betonpetrografie. De kernen voor druksterkte zijn tussen de wapening geboord en de kernen voor betonpe- trografie óp de verticale wapening. In totaal zijn 26 kernen Ø145 mm geboord, 10 uit de landzijde en 16 uit de waterzijde. Druksterkte De druksterkte van de boorkernen is getest op 27 ? 28 dagen. De voorge- schreven sterkteklasse bedroeg C28/35. De daadwerkelijke druksterkte was echter veel hoger. De gemiddelde druksterkte was voor beide mengsels ongeveer hetzelfde en bedroeg 52 ? 53 MPa. Petrografie De kernen zijn allemaal visueel onder- zocht. Van 16 kernen is de buitenste 200 mm geïmpregneerd met een fluo- rescerende hars die alle van buitenaf bereikbare poriën en holten vult. Nadat ze zijn geïmpregneerd, zijn de kernen in lengterichting doorgezaagd en gefotografeerd onder uv-licht. Hier- door worden eventuele defecten goed zichtbaar gemaakt. De kwaliteit van de dekking en de omhulling van de wapening bleek voor het X10-mengsel veel beter dan de 12 Waterzijde van de testpanelen; het donkergrijze deel is de plek waar de uit- stulping is verwijderd 13 Landzijde van de testpanelen Tabel 4 Gemiddelde betondekking op de buitenste verticale staven referentie X10 referentie X10 landzijde landzijde waterzijde waterzijde betondekking (mm) 185190115145 Referentie Referentie X10 X10 22 VAKBLAD I 1 2019 3 X10.indd 22 12-04-19 14:56 referentie (fig. 14a). Ook foto's van de kernen zonder hars laten dit beeld zien (fig. 15a en 15b). In deze figuren is de linkerzijde van de kern steeds gelijk aan het wandoppervlak. Toepassing in de praktijk Zowel de laboratoriumproeven als de praktijkproef laten een sterke verbete- ring zien van de kwaliteit van de dek- king van het beton. Wapening wordt goed omsloten, de permeabiliteit van de dekking is beperkt en het aantal onvolkomenheden verwaarloosbaar. Ook de verwerkbaarheid, de stabiliteit en de weerstand tegen bleeding, ook onder druk, zijn uitstekend. Al deze resultaten maken het mengsel zeer geschikt voor toepassing in de praktijk. De toepassing van de minerale hulp- stof X10 en de vereiste dosering super- plastificeerder voor het verkrijgen van de hoge verwerkbaarheid, leiden wel tot een verhoging van de kostprijs in vergelijking met normaal diepwandbe- ton (F5). Andere toepassingen dan diepwanden zijn ook denkbaar. Een nadeel ten opzichte van traditioneel zelfverdichtend beton is echter dat eenzelfde hoge oppervlaktekwaliteit niet haalbaar is. Dijkversterking in Krimpen a/d Lek In 2015 is het X10-mengsel voor het eerst toegepast in een project van Vol- ker Staal en Funderingen. In totaal is 4500 m 3 X10-beton toegepast voor 24 m diepe diepwanden voor een dijkver- sterking in Krimpen a/d Lek. De vloeimaat van het mengsel op de betoncentrale bedroeg 680 ± 40 mm (consistentieklasse SF2) en op de bouw- plaats (reistijd 45 min) 620 ± 45 mm (consistentieklasse SF1). De eigenschap- pen van de betonspecie zijn uitvoerig getest bij de betoncentrale door de TU München als onderdeel van een DFI EFFC R&D-programma naar diepfunde- ringen. De belangrijkste resultaten van dit onderzoek waren: ? verwerkbaarheid vergelijkbaar met ZVB; ? goed behoud van deze verwerkbaarheid; ? goede stabiliteit; ? uitstekend waterbehoud onder druk; ? uitstekende vloei-eigenschappen (L-box). Uit een van de panelen zijn kernen geboord en onderzocht door SGS INTRON. Het beton in de dekking en ook van de kern was erg dicht en er werden geen onvolkomenheden geconstateerd. Zeesluis IJmuiden De positieve eigenschappen van het X10-beton maken het mogelijk diep- wanden toe te passen in agressief milieu, zoals de spat- en getijdezone (milieuklasse XS3). Dit heeft erin gere- sulteerd dat X10 is toegepast bij de Nieuwe Zeesluis in IJmuiden (door combinatie OpenIJ, bestaande uit BAM en VolkerWessels). Hier is 90.000 m 3 X10-beton verwerkt in de kolkwanden van de sluis en de zogenoemde tussen- dam (fig. 16). De gewenste levensduur is 100 jaar. 16 De Zeesluis in IJmuiden, impressie: Fotostudio Honging Beverwijk 14a Betonkern met fluorescerende hars van het X10-mengsel (landzijde, NAP +1,5 m) 14b Betonkern met fluorescerende hars van het referentiemengsel (landzijde, NAP +1,5 m) 15a Betonkern van het X10-mengsel (water- zijde, NAP +1,0 m) 15b Betonkern van het referentiemengsel (waterzijde, NAP +1,0 m) 23 VAKBLAD I 1 2019 3 X10.indd 23 12-04-19 14:56