DURA VERMEER BETON- EN WATERBOUW ; HOGESCHOOL VAN ARNHEM EN NIJMEGEN. Hoofdrapportage. Een concrete blik op de CO2-footprint van civiele betonwerken

Transcriptie

1 DURA VERMEER BETON- EN WATERBOUW ; HOGESCHOOL VAN ARNHEM EN NIJMEGEN Hoofdrapportage Een concrete blik op de CO2-footprint van civiele betonwerken Ruben van der Zanden

2 1

3 Voorwoord Voor u ligt de scriptie Een concrete blik op de CO2-footprint van civiele betonwerken. Een onderzoek dat is gehouden om een bewustzijn te creëren binnen de betonwereld dat de CO2-uitstoot van de betonketen niet gereduceerd wordt zolang men de CO2-footprint over het grote geheel analyseert en beoordeeld. Deze scriptie is geschreven in het kader van mijn afstuderen aan de opleiding Civiele Techniek aan de Hogeschool van Arnhem en Nijmegen (HAN). Van februari 2015 tot en met augustus 2015 ben ik actief geweest met het onderzoek en het schrijven van deze scriptie. Graag wil ik mijn schoolbegeleider Ruud de Boer bedanken voor het meedenken in oplossingen voor de problemen die ik ben tegengekomen tijdens het afstudeerproces. Het bedrijf van waaruit deze opdracht gekomen is, is Dura Vermeer Beton- en Waterbouw (DVBW). Ik mag van geluk spreken dat ik hier mijn onderzoek heb kunnen uitvoeren, gezien de warme sfeer op de werkvloer die zorgde voor veel communicatie, kennisuitwisseling en ontspanning met mijn collega s van Dura Vermeer. Graag wil ik de heren Hans Kooijman en Maarten van de Ven bedanken voor de bovenmatige interesse, tijd en input die jullie in mijn onderzoek hebben gestoken. Daarnaast wil ik in het speciaal mijn begeleider Joost van Bezooijen bedanken vanwege het feit dat je mij de kans hebt gegeven mijn onderzoek in volledige vrijheid uit te voeren en klaarstond op de momenten dat ik vast leek te lopen. Ruben van der Zanden Auteur Ruben van der Zanden Haarhamer VB, Wanroij Civiele Techniek rubenvdzanden@hotmail.com Betrokken organisaties Afstudeerbedrijf Dura Vermeer Beton- en Waterbouw Schoenaker 8 Ruitenberglaan AB Beuningen 6826 CC, Arnhem Betrokken personen Onderwijsinstelling Hogeschool van Arnhem en Nijmegen Faculteit Built Environment Verzorger opdracht Hans Kooijman Statutair Directeur h.kooijman@duravermeer.nl Eerste begeleider Ruud de Boer Hoofddocent ruud.deboer@han.nl Bedrijfsbegeleider Joost van Bezooijen Hoofd Procesmanagement joost.v.bezooijen@duravermeer.nl Tweede begeleider Jaap Kerstma Hoofddocent j.kerstma@han.nl 2

4 Voor dit document geldt: Indien bij een afbeelding of figuur geen bron vermeld is, is er sprake van eigen werk van R.A. van der Zanden, Hogeschool van Arnhem en Nijmegen, in opdracht van Dura Vermeer Beton- en Waterbouw. 3

5 Inhoud Voorwoord... 2 Samenvatting Inleiding Onderzoeksgegevens Aanleiding... 8 Probleemstelling... 8 Doelstelling... 8 Onderzoeksvragen CO2-footprint CO2-uitstoot beton project Ruimte voor de Waal Toegepaste betonmengsels L-wand Toegepaste betonmengsels Milieuklasse Eisen Afwegingen Ontwerplevensduur Eisen Afwegingen Eindsterkte Eisen Afwegingen Bouwmethode Eisen Afwegingen Planning Eisen Afwegingen Samenvatting Conclusie Aanbevelingen en suggesties Ontwerpeisen Bibliografie Bijlagen Bijlage A Tabel Cementbouw CO2-emissies en samenstelling beton project Ruimte voor de Waal Addendum Inleiding

6 8.2 Scheurvorming Inleiding Randvoorwaarden en uitgangspunten Berekening Resumé Mengselberekening Inleiding Randvoorwaarden en uitgangspunten Berekening Conclusies Verhardingsbeheersing Inleiding Randvoorwaarden en uitgangspunten Berekening Conclusies Eindconclusie

7 Samenvatting Het doel van dit afstudeeronderzoek is het creëren van een bewustzijn omtrent de CO2-footprint van beton binnen de civiele betonketen. Het reduceren van CO2-uitstoot is binnen de betonwereld een veelbesproken onderwerp. Het verminderen van CO2-uitstoot wordt momenteel getracht aan de hand van gemiddelde jaarcijfers van betoncentrales. Echter, voordat deze CO2-uitstoot drastisch verlaagd kan worden, dient men eerst bewust te zijn van de specifieke herkomst van deze emissies. Om dit bewustzijn te creëren is de CO2-footprint van de civiele betonketen van grof naar fijn geanalyseerd. In eerste instantie is onderscheid gemaakt tussen de civiele bouw en de woning- en utiliteitsbouw. Vervolgens is de CO2-uitstoot van betonwerken van vijf projecten van Dura Vermeer Beton- en Waterbouw (DVBW) vergeleken. Daarna is ingezoomd op één van deze vijf projecten: Ruimte voor de Waal. Hierin is de CO2-uitstoot per betonwerk geanalyseerd en vergeleken, waarna één betonconstructie tot in de uiterste details is geanalyseerd op CO2-uitstoot. Bij de CO2-analyse van deze constructie is gekeken naar milieuklasse, ontwerplevensduur, eindsterkte, bouwmethode en stortplanning. Wanneer de CO2-uitstoot van beton in de civiele bouw ten opzichte van de woning- en utiliteitsbouw vergeleken wordt, valt direct op dat deze twee branches dermate van elkaar verschillen, dat het onmogelijk is dezelfde doelen en eisen m.b.t. CO2-reductie te stellen. De civiele betonbouw produceert namelijk de helft van de totale hoeveelheid beton die de woning- en utiliteitsbouw produceert, terwijl de totale CO2-uitstoot van beide branches gelijk blijft. Als vervolgens gekeken wordt naar de gemiddelde CO2-uitstoot van vijf afzonderlijke betonprojecten van DVBW, blijken de emissies te variëren tussen de 120 kg en de 250 kg CO2-uitstoot / m3 betonmortel. Om te kijken waar dit verschil vandaan komt is ingezoomd op project Ruimte voor de Waal. Ook hier variëren de cijfers per betonconstructie tussen de 130 kg (ondersteunde constructie) en 230 kg (overspanning) CO2-uitstoot / m3 betonmortel. Daarom is ook hier weer gekeken naar één betonconstructie. Na het bekijken van de mengselsamenstellingen i.v.m. de ontwerpeisen m.b.t. milieuklasse, ontwerplevensduur, eindsterkte, bouwmethode en stortplanning, blijkt dat door de aanwezigheid van de strengste eisen op deze constructie weinig ruimte is om de uitstoot van CO2 te reduceren. Belangrijkste conclusie uit het onderzoek is dat geen enkel civiel betonproject hetzelfde is qua CO2- uitstoot. Het is daardoor onmogelijk om voor het reduceren van de CO2-uitstoot doelen en eisen te stellen die worden gebaseerd op de gemiddelde CO2-uitstoot per m3 beton van de jaarproductie van betoncentrales in Nederland. Dit is momenteel echter wel het geval. Concluderend kan worden gesteld dat een duidelijk en concreet beeld geschetst is over de CO2- footprint binnen de civiele betonketen. Wil men de CO2-uitstoot van de keten drastisch verlagen, is het van belang dat betonconstructies apart geanalyseerd en beoordeeld worden. Dit in tegenstelling tot het feit dat betoncentrales momenteel beoordeeld en geanalyseerd worden op basis van de jaarlijkse gemiddelde CO2-uitstoot van de centrale. Om het reduceren van de CO2-uitstoot binnen de civiele betonketen een boost te geven wordt aanbevolen een index samen te stellen. Deze index geeft per type betonconstructie weer wat de gemiddelde CO2-uitstoot is van de toe te passen beton. Daarna kunnen bij projecten concrete doelen gesteld worden m.b.t. het reduceren van de CO2-uitstoot van een specifieke betonconstructie. Gevolg is dat de gehele civiele betonketen een grote slag maakt in het reduceren van de CO2-uitstoot. De scheurwijdte en het betonmengsel zijn in principe los van elkaar te berekenen. Echter, om tot een optimaal ontwerp te komen, dienen deze twee berekeningen wel samengevoegd te worden. Alle gegevens van beide berekeningen komen samen in de verhardingsbeheersing van een computersimulatieprogramma, in dit geval Femmasse Heat. Via dit programma worden de spelende krachten en de temperatuurontwikkeling inzichtelijk gemaakt en kan het ontwerp geoptimaliseerd worden door warmtebeheersing toe te passen, in dit geval koelleiding. 6

8 1. Inleiding De betonketen is een erg conservatieve branche. Door weinig (lees: moeilijk door te voeren) innovaties loopt de keten achter op het gebied van CO2-emissiereductie. Het probleem waar de betonketen mee te maken heeft is de grote impact dat de keten heeft op het milieu, door de grote hoeveelheid CO2-emissie dat dankzij de keten uitgestoten wordt. Dura Vermeer Beton- en Waterbouw BV wil zien waar kansen voor het bedrijf liggen binnen een duurzame betonketen en wat DVBW hierin kan betekenen. Diverse thema s als energiegebruik en vervuiling van bodem, water en lucht zijn hieraan verbonden. Daarnaast behoren onderzoeken naar mogelijkheden in het verbruik en hergebruik van grondstoffen ook bij dit item. De vele raakvlakken van bovengenoemde thema s dienen hiervoor geanalyseerd en uitgewerkt te worden. Ontwerp, logistiek en transport spelen hier natuurlijk ook een grote rol in die na nader onderzoek ook uitgewerkt kunnen worden. Het gehele plaatje zal voor DVBW duidelijk maken waar kansen, maar ook valkuilen, liggen en wat het bedrijf hierin kan betekenen. 7

9 2. Onderzoeksgegevens 2.1Aanleiding Wereldwijd is men bezig de klimaatveranderingen tegen te gaan door onder andere CO2-emissie te reduceren (Europa Nu, 2014). De bouwwereld, met de betonketen als grote aandeelhouder in de CO2-uitstoot, mag natuurlijk niet achterblijven in het reduceren van de CO2-uitstoot. Dura Vermeer Beton- en Waterbouw BV wil als grote aannemer voorop lopen in het maatschappelijk verantwoord ondernemen, waar het reduceren van CO2-emissie vanzelfsprekend een belangrijk onderdeel van is. Dura Vermeer Beton- en Waterbouw BV heeft in november 2014 een ketenconvenant gesloten met de Vereniging van Ondernemers van Betonmortelfabrikanten in Nederland (VOBN). Dit convenant houdt in dat betonmortelfabrikanten die beton leveren aan DVBW alle data met betrekking tot het geleverde beton delen met Dura Vermeer Beton- en Waterbouw BV. Dura Vermeer verzamelt alle data en analyseert deze getallen. Vervolgens kijkt DVBW samen met VOBN op welke punten van het gehele proces rondom beton verbeteringen m.b.t. CO2-emissiereductie kan plaatsvinden. Nu spelen bij Dura Vermeer een aantal vragen op die betrekking hebben op het analyseren van de verzamelde data. Daarnaast is DVBW benieuwd naar mogelijkheden om de CO2-emissie te reduceren binnen de betonketen. Verder wordt DVBW als aannemer gedwongen duurzame projecten te ontwikkelen. De sinds april 2013 geldende aanbestedingswet waarin opdrachtgevers verteld wordt dat ze op basis van EMVI-criteria moeten aanbesteden, maakt duurzaamheid binnen een project steeds belangrijker. Wil DVBW in de toekomst nog in aanmerking komen voor projecten, zal het duurzame bouwtechnieken moeten ontwikkelen, waar binnen de betonketen grote kansen liggen. Daarnaast onderschrijft Dura Vermeer het standpunt zelf een zorgtaak te hebben voor de schaarse middelen waarover de maatschappij kan beschikken en streeft het ernaar een goede en zo mogelijk betere wereld achter te laten voor degenen die na ons komen. 2.2Probleemstelling Een aannemer heeft zelf geen directe invloed op de CO2-uitstoot van het product beton. Waar het wel direct invloed op heeft met betrekking tot de CO2-uitstoot van beton is de manier van toepassing van beton. Denk hierbij aan het type mengsel dat ingekocht wordt, de hoeveelheid beton dat gestort wordt en de bouwmethode en planning die toegepast wordt. Feit is dat deze factoren, ondanks de wetenschap dat ze veel raakvlakken met elkaar hebben, vaak los van elkaar bepaald worden, waardoor er mogelijk sprake is van veel overbodige CO2-uitstoot. 2.3Doelstelling Dura Vermeer Beton- en Waterbouw is zich na dit afstudeeronderzoek aan de hand van statistieken bewust wat de CO2-footprint is op het project Ruimte voor de Waal. Daarnaast is dan ook bekend hoe DVBW de CO2-footprint al dan niet kan verlagen op de onderdelen milieuklasse, uitharding, eindsterkte, planning, bouwmethode en schoonbeton. 8

10 2.4Onderzoeksvragen Om de doelstelling van dit onderzoek te kunnen behalen, wordt gebruik gemaakt van onderzoeksvragen die leidend zullen zijn tijdens de studie naar het vraagstuk. Deze onderzoeksvragen zijn, zoals hieronder te zien is, verdeeld in één hoofdvraag en vier deelvragen. Hoofdvraag: Deelvraag 1: Deelvraag 2: Deelvraag 3: Deelvraag 4: Hoe had Dura Vermeer Beton- en Waterbouw op het project Ruimte voor de Waal, op het onderdeel de L-wand, de CO2-footprint van toegepast beton kunnen optimaliseren op het gebied van milieuklasse, eindsterkte, planning, bouwmethode en ontwerplevensduur? Wat is de CO2-footprint van de toegepaste beton op het project i-lent? Wat zijn in de ontwerpfase, bij de onderdelen milieuklasse, eindsterkte en ontwerplevensduur, de afwegingen geweest bij het kiezen van het ontworpen type betonmengsel? Wat zijn de afwegingen geweest bij de globale planning van betonstorten en bouwmethoden met betrekking tot beton? Hoe had de CO2-uitstoot tot een optimum gereduceerd kunnen worden door de afzonderlijk behandelde factoren uit deelvraag 2 en deelvraag 3 te koppelen en te combineren? 9

11 3. CO2-footprint In de bij dit rapport behorende literatuurstudie Een concrete blik op de CO2-footprint van de civiele betonketen wordt de CO2-uitstoot van de civiele betonketen in kaart gebracht. Het is aan te raden dat document eerst door te nemen voordat u aan het rapport dat nu voor u ligt begint. Het geeft u namelijk de juiste invalshoek en gedachten over de civiele betonwereld die nodig zijn om dit rapport correct tot u te nemen. 3.1CO2-uitstoot beton project Ruimte voor de Waal Het project Ruimte voor de Waal heeft 56 verschillende soorten betonmengsel toegepast op het gehele project. Deze zijn onderverdeeld in veertien groepen, die ieder een eigen sterkteklasse, milieuklasse en watercementfactor hebben. In Bijlage A Tabel Cementbouw CO2-emissies en samenstelling beton project Ruimte voor de Waal is een overzicht te zien van alle cijfers met betrekking tot CO2-uitstoot die geleverd zijn door Cementbouw. Onderstaande Tabel 3.1 geeft het totaal aan van alle cijfers die in Bijlage A Tabel Cementbouw CO2-emissies en samenstelling beton project Ruimte voor de Waal weergegeven zijn. Tabel 3.1 Gemiddelde CO2-uitstoot totale hoeveelheid geleverde beton op project Ruimte voor de Waal Project Hoeveelheid beton CO2-uitstoot Cementbouw [m3] [kg/m3] Ruimte voor de Waal - Nijmegen Aangezien het op project Ruimte voor de Waal om betonmengsels gaat die in diverse hoeveelheden geleverd zijn, wisselend van één kuub beton tot ruim zevenduizend kuub beton, worden in Tabel 3.2 hieronder enkel de betonmengsels behandeld waarvan meer dan duizend kuub beton is geleverd op het project. Dit zijn tien mengsels die met een totale hoeveelheid van ruim vijfentwintigduizend kuub beton ruim driekwart van de totale geleverde hoeveelheid beton op het project vertegenwoordigen. 10

12 Tabel 3.2 Betonmengsels geleverd boven duizend m3 beton op project Ruimte voor de Waal CO2-EMISSIES BETON PROJECT RUIMTE VOOR DE WAAL VOLGENS CIJFERS CEMENTBOUW Mengselcode Sterkteklasse Water / cementfactor Consistentieklasse Korrelgroep Milieuklasse hoeveelheid beton CO2- uitstoot [mm] [m3] [kg/m3] i-lent20-3 C30/37 0,50 S3 32 XC4/XD2/XF i-lent30-z C35/45 0,45 RZ XC4/XD3/XF i-lent30-4 C35/45 0,45 F4 32 XC4/XD3/XF i-lent80-3 C30/37 0,45 S3 32 XC4/XD3/XF i-lent90-4 C45/55 0,45 F4 32 XC4/XD3/XF i-lent90-z C45/55 0,45 RZ XC4/XD3/XF i-lent120-3 C30/37 0,50 S3 32 XC4/XD2/XF i-lent132-4c C45/55 0,45 F4 16 XC4/XD3/XF i-lent141-3c C45/55 0,45 S2 50% 16 XC4/XD3/XF i-lent142-3c C45/55 0,45 S3 16 XC4/XD3/XF Totaal Wat in Tabel 3.2 opvalt is dat de tien meest geleverde betonmengsels een juiste afspiegeling zijn van het totaal aantal mengsels. Alle 56 mengsels samen hebben namelijk, zoals Tabel 3.1 hierboven weergeeft, een gemiddelde CO2-uitstoot van 182 kg per kuub beton. De tien meest geleverde mengsels hebben een gemiddelde CO2-uitstoot van 183 kg per kuub beton. Het is dus realistisch om enkel deze tien mengsels te analyseren en deze voor het gehele project toe te passen. Opvallende cijfers in Tabel 3.2 zijn de grote verschillen in CO2-uitstoot per kuub beton tussen bepaalde mengsels. Vijf mengsels zitten rond de 220 kg CO2 / m3 beton, waar de vijf andere mengsels ruim onder de 170 kg CO2 / m3 beton uitstoten. De CO2-uitstoot per kuub beton is erg afhankelijk van de krachten die de betonconstructie in de gebruiksfase op moet kunnen nemen. Om dit duidelijk te maken wordt dit in de volgende alinea aan de hand van cijfers uit de civiele betonbouw en de woning- en utiliteitsbetonbouw uitgelegd. De gemiddelde CO2-uitstoot per kuub betonmortel in Nederland in de jaren 2011, 2012 en 2013 bedraagt circa 160 kg (VOBN, 2014). Tegenwoordig worden bij enkele bouwprojecten zelfs doelen gesteld om de CO2-uitstoot van beton te garanderen met een maximum van 100 kg CO2 per kuub betonmortel (Van der Weij & Van Eldik, 2015). Bij beide cijfers heeft de woning- en utiliteitsbouw echter de grootste invloed op de resultaten. Hier gaan, zoals onderstaande Tabel 3.3 (van Lieshout, Bergsma, & Bijleveld, Milieu-impact van betongebruik in de Nederlandse bouw, 2013) weergeeft, de meeste kuubs beton in om. De civiele en grond-, weg- en waterbouw zijn qua betonwerk absoluut niet te vergelijken met de woning- en utiliteitsbouw. Civiele betonconstructies hebben, in vergelijking met de woning- en utiliteitsbouw, namelijk vele malen vaker te maken met extreme milieuklassen en grote overspanningen. Dit betekent dat er meer ingrediënten in de betonmengsels verwerkt worden die veel CO2-uitstoot veroorzaken. Het is dus van belang dat voor deze twee verschillende betonbranches verschillende doelen met betrekking tot CO2-uitstoot gesteld worden. 11

13 Tabel 3.3 Hoeveelheden beton, toegepast in de Nederlandse bouw (van Lieshout, Bergsma, & Bijleveld, Milieu-impact van betongebruik in de Nederlandse bouw, 2013) Betonmortel (in situ) Betonproducten (prefab) Totaal m3 x 1000 m3 x 1000 m3 x 1000 Aandeel Woningbouw ,5% Utiliteitsbouw ,0% Civiel/GWW ,5% Agrarisch inbegrepen bij 905 utiliteitsbouw Overig 550 n.v.t. Totaal % Het feit dat er onderscheid gemaakt moet worden tussen woning- en utiliteitsbetonbouw en civiele betonbouw, laat ook meteen zien dat in de civiele betonbouw gekeken dient te worden naar de diverse toepassingen van beton. Dit wordt in Tabel 3.4 hieronder ook gedaan met de tien meest geleverde betonmengsels op project Ruimte voor de Waal die eerder in Tabel 3.2 weergegeven zijn. Tabel 3.4 Betonconstructies met tien grootste hoeveelheden verwerkte betonmortel op project Ruimte voor de Waal CO2-EMISSIES BETON PROJECT RUIMTE VOOR DE WAAL VOLGENS CIJFERS CEMENTBOUW Mengselcode Betonconstructie Sterkte -klasse CO2- uitstoot [kg/m3] i-lent20-3 poer Citadelbrug / poer Promenadebrug C30/ i-lent30-z Harde Kade C35/ i-lent30-4 Harde Kade C35/ i-lent80-3 pijler deel 1 Verlengde Waalbrug C30/ i-lent90-4 langswanden Verl. Waalbrug / dwarsbalk Verl. Waalbrug C45/ i-lent90-z langswanden Verl. Waalbrug / dwarsbalk Verl. Waalbrug C45/ i-lent120-3 poer Promenadebrug C30/ i-lent132-4c pijler deel 2 Verlengde Waalbrug C45/ i-lent141-3c dek Promenadebrug / dek Verlengde Waalbrug C45/ i-lent142-3c dek Verlengde Waalbrug C45/ Totaal 183 Zoals eerder aangegeven heeft de betonconstructie een grote invloed op de CO2-uitstoot per kuub beton. Dit wordt volgens Tabel 3.4 hierboven eens te meer duidelijk op project Ruimte voor de Waal. De vijf grote betonconstructies die rond de 220 kg CO2-uitstoot per kuub beton zitten, betreft allen een constructie met een grote overspanning. Langswanden, dwarsbalken en dekken zijn in deze gevallen allen overspanningen. 12

14 Bij Figuur 3.1 (i-lent) hiernaast is het tweede deel van de bekisting van een van de pijlers van de Verlengde Waalbrug op project Ruimte voor de Waal te zien. Dit is de overgang van de pijler naar het brugdek, wat dus onderdeel van de overspanning tussen de brugpijlers is. Ook hier wordt om deze reden beton met een hogere sterkteklasse toegepast, met als gevolg dat er meer CO2-uitstoot per kuub betonmortel geproduceerd wordt: 229 kg CO2 / m3 betonmortel. Het eerste deel van de pijler is reeds gestort en te zien in de kern van de bekisting. Bij dit deel is geen sprake van een overspanning, wat ook terug te zien is in de hoeveelheid CO2 die uitgestoten wordt: 141 kg CO2 / m3 betonmortel. Figuur 3.1 Bekisting pijler deel 2 Verlengde Waalbrug (i-lent) Om te weten te komen waar het verschil zit in de mengselsamenstelling tussen de vijf toegepaste betonmengsels met een grote CO2-footprint tegenover de vijf betonmengsels met een lagere CO2- uitstoot per kuub betonmortel is in Tabel 3.5 een overzicht te zien met de mengselsamenstellingen. Tabel 3.5 Samenstelling tien meest toegepaste betonmengsels op project Ruimte voor de Waal CO2-EMISSIES EN SAMENSTELLING BETON PROJECT RUIMTE VOOR DE WAAL VOLGENS CIJFERS CEMENTBOUW Mengselcode CEM CEM I CEM I Vliegas Glenium Pozzolith CB 02 K Dmax Dmax CO2- III/B 45,5 LH HS 52,5 R 52,5 R wit Sky R 32 mm 16 mm uitstoot [kg/m3] [kg/m3] [kg/m3] [kg/m3] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [kg/m3] i-lent % 129 i-lent30-z ,36% 100% 165 i-lent ,45% 100% 165 i-lent ,35% 100% 141 i-lent ,39% 0,10% 100% 220 i-lent90-z ,39% 0,10% 100% 220 i-lent ,33% 100% 128 i-lent132-4c ,30% 0,20% 100% 229 i-lent141-3c ,40% 0,60% 50% 50% 214 i-lent142-3c ,40% 0,60% 100% 220 Totaal

15 Tabel 3.5 geeft de mengselsamenstelling van de op project Ruimte voor de Waal tien meest toegepaste betonmengsels weer. De vijf licht gearceerde rijen geven de betonconstructies weer die een overspanning vormen. Deze vijf mengsels hebben een grote hoeveelheid CEM I 52.5 R en/of CEM I 52.5 R wit in de samenstelling. Zoals in alinea Productie grondstoffen van bijbehorende literatuurstudie Een concrete blik op de CO2-footprint van de civiele betonketen al beschreven staat heeft portlandklinkercement (CEM I) de grootste invloed op de CO2-uitstoot van een betonmengsel. Dit is in Tabel 3.5 duidelijk terug te zien aan de hoge CO2-uitstoot bij de mengsels waarin onder andere CEM I wordt toegepast. CEM I 52.5 R: cementsoort met meer dan 95% portlandcementklinker, sterkteklasse 52,5 en een hoge beginsterkte R. CEM I 52.5 R wit: cementsoort met meer dan 95% witte portlandcementklinker, sterkteklasse 52,5 en een hoge beginsterkte R. Het wordt dus eens te meer duidelijk dat het overgrote deel van de winst bij het reduceren van CO2- uitstoot in het beperken van de toepassing van het bindmiddel CEM I te halen valt. De hoeveelheid toegepaste CEM I in een betonmengsel is van diverse factoren afhankelijk. Voorbeelden hiervan zijn: Overspanningsconstructies (ontwerp) Sterkteontwikkeling (planning & eindsterkte & bouwmethode) Aantasting door omgeving (milieuklasse & schoonbeton) Door deze factoren te analyseren en te optimaliseren kan er mogelijke winst behaalt worden in het verminderen van de CO2-uitstoot van betonconstructies. 14

16 4. Toegepaste betonmengsels 4.1L-wand Om de toepassing van de gebruikte betonmengsels diepgaand te kunnen analyseren wordt een selectie gemaakt door enkel het betonwerk van één deelproject van Ruimte voor de Waal te behandelen. Het te behandelen deelproject betreft de primaire waterkering, ofwel de nieuwe harde kade. Deze harde kade bestaat uit een circa twintig meter diep ondergronds kwelscherm (in cementbentoniet) en een ruim acht meter hoge L-vormige bovengrondse wand (in beton). Verderop in dit verslag zal deze bovengrondse betonnen wand de L-wand genoemd worden. In onderstaande Figuur 4.1 is een gedeelte van de ruim twee kilometer lange betonnen L-wand te zien. Figuur 4.1 Harde Kade op project Ruimte voor de Waal De drie fases waarin de L-wand wordt gemaakt zijn duidelijk te onderscheiden in bovenstaande Figuur 4.1. Vooraan wordt op de werkvloer het vlechtwerk gereed gemaakt voor de betonstort van de vloer. In de moot erachter is de vloer al gereed en zijn rode steljukken te zien waar de wapening van de wand tegenaan gesteld wordt. De moten verder naar achter zijn wat betonwerk betreft allen gereed. Figuur 4.2 geeft de drie verschillende onderdelen van de L-wand aan; werkvloer, vloer, wand Toegepaste betonmengsels Voor de realisering van de L-wand zijn zeven verschillende betonmengsels gebruikt. Het gaat hierbij om mengsels die toegepast zijn voor de werkvloer, vloer en wand. Zoals in onderstaande Tabel 4.1 weergegeven is, zijn voor de werkvloer de mengsels 10-3 en 10-4 toegepast. De vloer van de L-wand is gestort met de mengsels 30-3, 30-Z en 30-3W. Ook de wand van de L-wand bestaat uit deze drie mengsels, maar de mengsels 30-4 en 30-4W zijn ook verwerkt in de wandconstructie. Figuur 4.2 Dwarsdoorsnede betonwerk L-wand 15

17 Tabel 4.1 Toegepaste betonmengsels in L-wand CO2-EMISSIES EN SAMENSTELLING BETON L-WAND VOLGENS CIJFERS CEMENTBOUW Sterkteklasse Korrelgroep Mengselcode betonconstructie in L-wand Water / cementfactor Consistentieklasse Milieuklasse hoeveelheid beton CO2- uitstoot [mm] [m3] [kg/m3] i-lent10-3 werkvloer C12/15 0,70 S X0 75,0 101 i-lent10-4 werkvloer C12/15 0,70 F X0 543,0 105 i-lent30-3 wand & vloer C35/45 0,45 S XC4/XD3/XF4 7506,0 165 i-lent30-z wand & vloer C35/45 0,45 RZ XC4/XD3/XF4 789,0 165 i-lent30-4 wand C35/45 0,45 F XC4/XD3/XF4 1555,0 165 i-lent30-3w wand & vloer C35/45 0,45 S XC4/XD3/XF4 813,5 192 i-lent30-4w wand C35/45 0,45 F XC4/XD3/XF4 316,5 187 Totaal De mengsels 30-3W en 30-4W steken met zo n 190 kg CO2-uitstoot per kuub betonmortel ruim boven het gemiddelde van 165 kg CO2-uitstoot per kuub betonmortel uit. Deze mengsels zijn een variant op de mengsels 30-3 en De W in de mengselcode staat voor wintermengsel. In onderstaande Tabel 4.2 is te zien dat de wintermengsels een hogere dosering CEM I in de mengselsamenstelling hebben. Tabel 4.2 Samenstelling toegepaste betonmengsels in L-wand CO2-EMISSIES EN SAMENSTELLING BETON L-WAND VOLGENS CIJFERS CEMENTBOUW CEM I Vliegas Slakgehalte Glenium 52,5 R Sky 696 Mengselcode CEM III/B 45,5 LH HS Dmax 32 mm minimale hoeveelheid hoeveelheid beton CO2- uitstoot [kg/m3] [kg/m3] [kg/m3] [%] [%] [%] [m3] [kg/m3] i-lent >50% 100% ,0 101 i-lent >50% 0,22% 100% ,0 105 i-lent >50% 0,30% 100% ,0 165 i-lent30-z >50% 0,36% 100% ,0 165 i-lent >50% 0,45% 100% ,0 165 i-lent30-3w >50% 0,30% 100% ,5 192 i-lent30-4w >50% 0,45% 100% ,5 187 Totaal Zoals eerder in de hierbij horende literatuurstudie Een concrete blik op de CO2-footprint van de civiele betonketen is aangegeven, hangt de verhardingstijd van beton voor een groot deel samen met de warmteontwikkeling binnen het beton. Wanneer de omgevingstemperatuur laag is, wat in de winterperiode vaak het geval is, zal de warmteontwikkeling binnen het beton ook minder snel op gang 16

18 komen. Gevolg is dat de sterkteontwikkeling minder snel op gang komt en dat de uithardingstijd langer wordt. Om geen vertraging in de planning op te lopen, wordt bij de L-wand een grotere dosering CEM I toegevoegd aan het betonmengsel. Dit cementtype brengt het sterkteontwikkelingsproces, in tegenstelling tot CEM III, namelijk ook op gang bij lage temperaturen onder de 7 C (Hunger, 2015). Gevolg is echter wel dat door de toename van het gebruik van CEM I ook de CO2-uitstoot per kuub betonmortel toeneemt. 4.2Milieuklasse Met een milieuklasse wordt aangegeven welke aantastingmechanismen van toepassing zijn voor de constructiedelen. Voor meer informatie wordt verwezen naar de paragraaf Milieuklasse van bijbehorende literatuurstudie Een concrete blik op de CO2-footprint van de civiele betonketen Eisen In onderstaande Tabel 4.3 (NEN, 2014) zijn de milieuklassen weergegeven die bij project Ruimte voor de Waal op de L-wand van toepassing zijn op het gestorte betonwerk. In de wetenschap dat met XC4, XD3 en XF4 de zwaarste milieuklassen vereist zijn, moeten de betonwerken aan strenge eisen voldoen, waardoor er minder ruimte is om de betonsamenstelling CO2-vriendelijk te maken. Tabel 4.3 Milieuklassenindeling beton (NEN, 2014) Aantastingsmechanisme Klasse Omgeving Geen aantasting Aantasting wapening X0 (0 = zero risk) Geen risico op corrosie of aantasting XC (C = carbonatation) Corrosie ingeleid door carbonatatie X0 XC4 Voor beton zonder wapening of ingesloten metalen, behalve bij vorstdooi of chemische aantasting Wisselend nat en droog XD (D = deicing salts) Corrosie ingeleid door chloriden anders dan afkomstig uit zeewater XD3 Wisselend nat en droog Aantasting beton XF (F = frost) aantasting voor vorst/dooi-wisselingen met of zonder dooizouten XF4 Verzadigd met water, met dooizouten of zeewater Het betonwerk dat slechts aan milieuklasse X0 dient te voldoen betreft enkel de werkvloer van de L- wand. De wand en de vloer dienen te voldoen aan de zwaarste milieuklasse XC4/XD3/XF Afwegingen In het ontwerponderdeel milieuklasse zit weinig speling met betrekking tot CO2-reductie in het betonwerk. De eis dat de L-wand moet voldoen aan de zwaarste milieuklasse is er nu eenmaal en moet in het ontwerp gerealiseerd worden. In onderstaande Tabel 4.4 zijn de door NEN NEN: document waarin de nationale normen zijn opgestelde eisen (NEN, 2008) weergegeven vastgelegd door Nederlands Normalisatie-instituut waaraan de betonmengsels voor de L-wand aan de hand van de vastgestelde milieuklasse moeten voldoen. 17

19 Tabel 4.4 Eisen toegepaste betonsamenstellingen afhankelijk van de milieuklasse (NEN, 2008) Milieuklasse EISEN AAN DE BETONSAMENSTELLING AFHANKELIJK VAN DE MILIEUKLASSE Maximaal toelaatbare water-cementfactor/ water-bindmiddelfactor Minimaal vereist cement- /bindmiddelgehalte Minimumlucht-gehalte Grootste Luchtgehalte korrelafmeting D % [kg/m3] [mm] [V/V] 1 Geen risico op corrosie of aantasting X0 0, Corrosie ingeleid door carbonatatie XC4 0, Corrosie ingeleid door chloriden anders dan afkomstig uit zeewater XD3 0, Aantasting door vorst/dooi-wisselingen met of zonder dooizouten XF4 0, , ,0 3,5 4,0 5,0 Zoals bovenstaande Tabel 4.4 weergeeft is de maximaal toelaatbare w/c-factor voor een werkvloer 0,70 en voor de vloer en wand 0,45. In de eerder behandelde Tabel 4.1 is te zien dat de toegepaste betonmengsels deze maximale waarde aanhouden. Dit betekent dat er een zo laag mogelijke dosering bindmiddel in het betonmengsel is verwerkt. In de ontwerpfase zijn de volgens NEN toegestane minimale hoeveelheden cement verwerkt in het betonmengsel. Hier is dus een zo laag mogelijke CO2-uitstoot gerealiseerd. 4.3Ontwerplevensduur Met een ontwerplevensduur van een betonconstructie wordt de tijdsperiode aangeduid waarin de constructie moet voldoen aan de gestelde prestatie-eisen voor de constructie, ervan uitgaande dat deze solide onderhouden is Eisen Voor de L-wand is een honderdjarige levensduur geëist van de betonconstructie Afwegingen Om de honderdjarige levensduur te kunnen garanderen is bij de L-wand de honderdjarige levensduur vanaf de ontwerpfase tot en met de uitvoeringsfase ingevoerd. In de voorbereidingsfase zijn de betontechnologische gegevens bepaald en getoetst aan de duurzaamheidcriteria. In de uitvoeringsfase zijn de meetresultaten (dekking, nabehandeltijd, temperaturen) van de constructiedelen gecontroleerd. Als een duidelijke aanpak is op het project Ruimte voor de Waal gebruik gemaakt van De regel van 5. Dit is een manier om onder alle omstandigheden honderd jaar levensduur te waarborgen, zonder dat verder onderscheid gemaakt wordt in milieuklassen. 18

20 De regel van 5 bestaat uit de volgende 5 basis regels: 1. Nominale dekking van minimaal 50 mm 2. Toepassing van hoogovencement met een slakgehalte van minimaal 50% 3. Toepassing van een water-cementfactor van maximaal 0,50 4. Nabehandeling tot minimaal 50% van de beoogde eindsterkte (de sterkteklasse) is bereikt. 5. Een gemiddelde Drcm-waarde na 28 dagen van maximaal 5 x 10^-12 m2/s Aan deze vijf regels heeft de L-wand zowel in ontwerpfase als in uitvoeringsfase voldaan. De minimale dekking is in het ontwerp opgenomen en vastgesteld op 50 mm. Deze dekking is in de uitvoering ook aangehouden, waardoor er niet onnodig veel dekking op de wapening gestort wordt, wat doorspeelt op de hoeveelheid beton die geleverd dient te worden. Daarnaast is in Tabel 4.2 te zien dat bij alle zeven mengsels in de L-wand hoogovencement is toegepast met een slakgehalte van minimaal 50%. Door deze eis wordt er minder CEM I in de betonmengsels verwerkt, wat de CO2-uitstoot reduceert. Aan de maximale water-cementfactor van 0,50 is voldaan. In paragraaf 4.2 Milieuklasse is immers al aangegeven dat de maximale water-cementfactor aan de hand van de milieuklasse op 0,45 is gesteld en is voldaan. Zoals eerder in de hierbij horende literatuurstudie Een concrete blik op de CO2-footprint van de civiele betonketen is aangegeven, hangt de verhardingstijd van beton voor een groot deel samen met de warmteontwikkeling binnen het beton. Wanneer de omgevingstemperatuur laag is, wat in de winterperiode vaak het geval is, zal de warmteontwikkeling binnen het beton ook minder snel op gang komen. Gevolg is dat de sterkteontwikkeling minder snel op gang komt en dat de uithardingstijd langer wordt. Om geen vertraging in de planning op te lopen, wordt bij de L-wand een grotere dosering CEM I toegevoegd aan het betonmengsel. Dit cementtype brengt het sterkteontwikkelingsproces, in tegenstelling tot CEM III, namelijk ook op gang bij lage temperaturen onder de 7 C (Hunger, 2015). Gevolg is echter wel dat door de toename van het gebruik van CEM I ook de CO2-uitstoot per kuub betonmortel toeneemt. Voor iedere betonstort is een rijpheidsmeter in de wapening van de L-wand aangebracht. Wanneer de L-wand op het moment van ontkisten nog niet minimaal 50% van de beoogde eindsterkte bereikt heeft, is er curing compound op het betonoppervlak aangebracht. Rijpheidsmeter: Een rijpheidsmeter is een hulpmiddel om te bepalen of de druksterkte bereikt en of er ontkist kan worden. Curing compound: vloeistof die op een pas gestort betonoppervlak wordt aangebracht en het verdampen van water uit het oppervlak voorkomt dan wel vermindert. Om aan te tonen dat de L-wand na 28 dagen aan de gemiddelde Drcm-waarde van maximaal 5 x 10^- 12 m2/s voldoet, is de CUR Leidraad 1 toegepast. In deze CUR zijn tabellen opgenomen waaruit de Drcm-waarde kan worden afgelezen. Zoals in bijbehorende literatuurstudie Een concrete blik op de CO2-footprint van de civiele betonketen in paragraaf Drcm-waarde is aangetoond, is de Drcmwaarde afhankelijk van de gemiddelde betondekking, milieuklasse en cementklasse. Bij i-lent30-3w, het zwaarste mengsel dat is toegepast bij de L-wand, is de Drcm-waarde 3,4 x 10^-12 m2/s indien de dekking minimaal gelijk is aan 40 mm (CUR Bouw & Infra, 2008). Deze waardes voldoen aan de duurzaamheidseisen van een maximale Dcrm-waarde van 5 x 10^-12 m2/s en een minimale dekking van 50 mm. 4.4Eindsterkte De eindsterkte van beton is niet concreet vast te stellen. De sterkteontwikkeling van beton blijft namelijk alsmaar doorgroeien, al is deze ontwikkeling na verloop van tijd nog zo miniem. Beter kan er 19

21 gesproken worden over beoogde eindsterkte. Dit is de sterkte waar de betonconstructie voor tijdens de gebruiksfase op ontworpen is Eisen De L-wand mag ontkist worden op het moment dat het beton 50% van de beoogde eindsterkte bereikt heeft Afwegingen Om de doelstelling van cyclus van één wand storten per week te behalen dient de gestorte wand al ontkist te worden voor het moment dat de 50% van de beoogde eindsterkte behaald is. Twee dagen na de stort wordt de wand ontkist. Om te voorkomen dat het nog uit te harden beton niet op de juiste manier kan uitharden, doordat er bijvoorbeeld vocht uit het beton onttrokken wordt door de omgeving, dient de het beton nabehandeld te worden. Dit wordt gedaan door het betonoppervlak in te spuiten met curing compound met een spercoëfficiënt van 70%. Het (boven)stortoppervlak wordt gedurende dezelfde periode in sommige gevallen afgedekt met PE-folie of isolerend zeil, maar wordt grotendeels ook ingespoten met curing compound. Deze behandeling is benodigd tot het moment daar is dat 50% van de beoogde eindsterkte behaald is. 4.5Bouwmethode Een betonnen constructie kan op diverse manieren gerealiseerd worden. Dit kan aan de hand van het aanbrengen van prefab elementen. Daarnaast kan er ook voor gekozen worden de constructie in situ te bouwen. Bij in situ bouw zijn de twee meest voorkomende technieken het stellen van een traditionele bekisting en een herbruikbare bekisting. In situ bouw: Het ter plekke bouwen van een constructie. Dit in tegenstelling tot Prefab, waarbij constructies op een andere plaats gebouwd worden Eisen Met betrekking tot de bouwmethode zijn geen eisen door de opdrachtgever opgelegd. Dura Vermeer Beton- en Waterbouw is dus volledig vrij in het toepassen van de beste bouwmethode Afwegingen Gezien de lengte van zo n drie kilometer van de L-wand is het vooraf duidelijk dat er veel arbeid zit in het plaatsen van een traditionele bekisting langs de gehele lengte van de wand. Daarnaast gaat er veel transport en hout gemoeid in het opbouwen en afbreken van de traditionele bekisting. De andere optie, het toepassen van een stalen herbruikbare bekisting lijkt vooraf al een betere optie. De L-wand is op een aantal knikken na over de gehele lengte een repeterend stuk werk met dezelfde afmetingen. Nadat op beide bekistingsopties berekeningen zijn losgelaten op de te verwachten kosten, transport, materiaalgebruik en tijd is de stalen herbruikbare bekisting gekozen vanwege het feit dat deze enkel voordelen heeft ten opzichte van een traditionele bekisting. De investeringskosten van de stalen bekisting zijn dan wel hoog. Dit weegt echter niet op tegen de vele transportritten (CO2-uitstoot) die benodigd zouden zijn bij het toepassen van een traditionele bekisting en de grote hoeveelheid arbeidsuren die voor het plaatsen van een Figuur 4.3 De groengele stalen bekisting in gebruik bij de L-wand (i-lent) traditionele bekisting benodigd. In Figuur 4.3 (i-lent) is de uiteindelijke stalen bekisting te zien terwijl deze dient als bekisting voor de betonnen constructie van de L-wand. 20

22 4.6Planning In de planning van een betonconstructie kunnen zowel kosten als CO2-uitstoot op grote schaal bepaald worden. Door de betonplanning over een grotere tijdsdeel uit te smeren, hoeft het beton minder snel uit te harden. Gevolg is dat er minder bindmiddel (cement) in het betonmengsel verwerkt hoeft te worden, wat direct zowel de kosten als de CO2-uitstoot verminderd Eisen De opdrachtgever heeft met betrekking tot de planning van de L-wand geen eisen, zolang de waterkerende functie van de L-wand in combinatie met de te ontgraven dijk gegarandeerd blijft. Daarnaast dient de nieuwe waterkering, en daarmee ook direct de L-wand, in het derde kwartaal van 2015 gereed te zijn voor oplevering Afwegingen In het ideale geval maak je als aannemer de stortplanning zo ruim dat er een minimale hoeveelheid bindmiddel in het betonmengsel verwerkt hoeft te worden. Echter, in deze tijd is de prestatie- en tijdsdruk zo hoog dat het voor aannemers niet mogelijk is om beton de tijd te geven om onder ideale omstandigheden het uithardingsproces volledig af te werken. Dura Vermeer heeft getracht de betonplanning zo breed en praktisch tegelijk uit te smeren over de beschikbare tijd die het gekregen heeft van de opdrachtgever. Door telkens in cyclussen van een week zowel een werkvloer als een vloermoot als een wandmoot te storten kan er efficiënt en overzichtelijk gewerkt en vooruit gepland worden. Op deze manier van werken worden zowel de CO2-uitstoot als de kosten van de L-wand laag gehouden. 4.7Samenvatting Vanwege het feit dat veel factoren de samenstelling van een betonmengsel beïnvloeden is vanzelfsprekend de eerste gedachte dat op veel manieren de CO2-uitstoot verkleind kan worden. Echter, in de civiele betonbouw zijn vaak strenge eisen op de betonconstructie van toepassing, wat ook bij de L-wand het geval is. Hierdoor blijft het moeilijk voor zowel ontwerp, als werkvoorbereiding, als uitvoering, de CO2-uitstoot drastisch te verlagen. Bij de L-wand is toch getracht om zowel de kosten als de CO2-uitstoot van de L-wand zo laag mogelijk te houden door telkens op de minimale eis te dimensioneren, zowel in hoeveelheden cement, als planning als in transportritten. Op deze manier van werken zijn zowel de CO2-uitstoot als de kosten van de L-wand laag gehouden. 21

23 5. Conclusie Het doel van het onderzoek was om een bewustzijn te creëren van de CO2-footprint die van toepassing is op de civiele betonwereld. Er wordt namelijk ontzettend veel gesproken over de CO2- reductie die in de betonwereld plaats moet vinden. Om dit bewustzijn te creëren is van grof naar fijn gewerkt, door eerst naar de gehele betonketen te kijken en vervolgens stap voor stap in te zoomen op één enkele betonconstructie. Uiteindelijk is gekeken hoe de CO2-uitstoot van de behandelde betonconstructie verlaagd had kunnen worden. Belangrijkste conclusie uit het onderzoek is dat het een ontzettend grote uitdaging gaat worden om een plan voor de gehele betonketen op te stellen waarmee de CO2-uitstoot drastisch verminderd kan worden. Iedere betonconstructie heeft namelijk zijn eigen eisen en voorwaarden, waardoor iedere betonconstructie zijn eigen specifieke betonmengsel heeft en dus ook zijn eigen CO2-footprint. Daarnaast heeft de civiele betonwereld in het grootste deel van de gevallen te maken met zowel de strengste milieueisen, als de sterkteklasse, als de ontwerplevensduur. Gevolg is dat er voor de ontwerpers erg weinig speling zit in het optimaliseren van betonconstructies met betrekking tot CO2- uitstoot. De wil is er wel om innovatief en duurzaam te ontwerpen. Echter, dit wordt tegengehouden door de strenge eisen waaraan voldaan dient te worden. Door de bouw van een betonconstructie, in dit onderzoek de L-wand op het project Ruimte voor de Waal, te analyseren nadat deze voltooid is, had duidelijk moeten worden op welke onderdelen CO2- uitstoot bespaard had kunnen worden. Achteraf blijkt dat er weinig mogelijkheden zijn om meer CO2- uitstoot te reduceren dan vooraf in het ontwerp is getracht. Concluderend kan worden gesteld dat er een duidelijk beeld geschetst is over de stand van zaken m.b.t. de CO2-footprint van de civiele betonketen. Wil men de CO2-uistoot van de betonketen drastisch verlagen is het van groot belang dat betonconstructies apart geanalyseerd en beoordeeld worden, in plaats van betoncentrales die geanalyseerd en beoordeeld worden op de jaarlijkse gemiddelde CO2-uitstoot. De scheurwijdte en het betonmengsel zijn in principe los van elkaar te berekenen. Echter, om tot een optimaal ontwerp te komen, dienen deze twee berekeningen wel samengevoegd te worden. Alle gegevens van beide berekeningen komen samen in de verhardingsbeheersing van een computersimulatieprogramma, in dit geval Femmasse Heat. Via dit programma worden de spelende krachten en de temperatuurontwikkeling inzichtelijk gemaakt en kan het ontwerp geoptimaliseerd worden door warmtebeheersing toe te passen, in dit geval koelleiding. 22

24 6. Aanbevelingen en suggesties In dit hoofdstuk wordt een aanbeveling/suggestie gedaan die gebruikt kan worden bij een vervolgonderzoek of een vergelijkbaar project. 6.1Ontwerpeisen Zoals in hoofdstuk 5 Conclusie al wordt aangegeven is de wil er binnen de civiele betonwereld er wel degelijk om duurzamere en CO2-vriendelijke betonconstructies te realiseren. Ontwerpers worden echter tegengehouden door de strenge eisen waaraan de betonconstructies moeten voldoen. De bouw wordt regelmatig een conservatieve wereld genoemd. Deze uitspraak heeft zeker recht van bestaan. De eisen waaraan een betonconstructie moet voldoen zijn namelijk in een aantal gevallen al meer dan tientallen jaren oud en nooit bijgesteld. Een voorbeeld hiervan is de sterkteontwikkeling die na 28 dagen zijn eindsterkte bereikt heeft. Deze regel werd in de jaren 80 ook al toegepast. Sindsdien zijn de betonmengsels al fors geoptimaliseerd, wat de eindsterkte logischerwijs vervroegd. Een suggestie voor een vervolgonderzoek op dit project is het zeer kritisch onder de loep nemen van de huidige ontwerpeisen waaraan het ontwerp van een betonconstructie dient te voldoen. Wanneer hier innovaties plaatsvinden, zal de rest van de betonketen direct volgen. 23

25 7. Bibliografie BASF Nederland BV, Construction Chemicals. (2015, februari 2). MasterGlenium SKY prestatieverklaring. Opgeroepen op februari 22, 2016, van master-builders-solutions.basf.nl: Betoniek. (2009). Spelregels voor 100 jaar. Betoniek, 4-5. Boven- / zijaanzicht Lammermarkt Leiden. Parkeergarage Lammermarkt in Leiden. JHK Architecten, Utrecht. Breugel, K. v. (1998). Betonconstructies onder Temperatuur- en Krimpvervormingen. 's Hertogenbosch: BetonPrisma. Broere, P. (2007). Recyclinggranulaat in de wegenbouw. BRBS, CBS. (2011, januari). Emissies naar lucht; alle bronnen. Opgeroepen op Februari 3, 2015, van opendata.cbs.nl: Cement&BetonCentrum. (2012). Alkali-silicareactie, ASR. Cement&BetonCentrum. Cement&BetonCentrum. (2015). BetonLexicon. Boxtel: Aeneas Media. CUR. (2002). CUR-Aanbeveling 89, Maatregelen ter voorkoming van betonschade door alkalisilicareactie (ASR). Gouda: CUR. CUR Bouw & Infra. (2008). Leidraad 1; Duurzaamheid van constructief beton met betrekking tot chloride-geïnitieerde wapeningscorrosie. Boxtel: Aeneas Media. De Betonvereniging. (2012). Basiskennis Betontechnologie. Gouda: De Betonvereniging. Dyckerhoff Basal. (2013). Betonwijzer volgens NEN EN en NEN Nieuwegein. Europa Nu. (2014). Europese aanpak klimaatveranderingen. Opgeroepen op Februari 10, 2015, van Europa Nu: Fotoalbum verbindingsweg Houten - A12. Verbindingsweg Houten - A12. Dura Vermeer. Halte Goffert. Halte Goffert slide. Dura Vermeer. HCM Cement. (2015, januari 01). Productinformatie CEM III/B 42,5 LH HS. Opgeroepen op februari 15, 2016, van hcmcement.nl: Hofstra, U. Detail van informatie betonmengsel. 'Dashboard' voor optimalisatie duurzaamheid beton. SGS Intron, 's-hertogenbosch. Hunger, M. (2015, juni 25). Versneld of vertraagd verharden. Opgeroepen op augustus 2, 2015, van Betonvereniging: i-lent. Ruimte voor de Waal. Ruimte voor de Waal, Lent. NEN. (1990). NEN-EN 1990 art Delft: Nederlands Normalisatie Instituut. NEN. (1992). Eurocode NEN-EN : EC2. Delft: Nederlands Normalisatie Instituut. NEN. (1992). NEN-EN art Delft: Nederlands Normalisatie Instituut. NEN. (2008). NEN-EN 206-1: Beton - Deel 1: Specificatie, eigenschappen, vervaardigingen en conformiteit. Delft: Nederlands Normalisatie-instituut. NEN. (2014). NEN Delft: NEN Uitgeverij. NEN. (2014). NEN-EN 206:2014. Delft: NEN Uitgeverij. Overzichtsfoto Rubis Terminal. Voortgang intra-project Rubis Terminal RT-2 fase 1. Dura Vermeer, Rotterdam. Reuver, A. d. 1.0 m3 betonmortel AF-15s3h65-260B1650-ABAHHCH. Betonmortelbedrijven Cementbouw, Huissen. Rijkswaterstaat. (2012). DuboCalc. Utrecht, Utrecht, Nederland. Rijkswaterstaat. (2014, Maart 10). Economisch Meest Voordelige Inschrijving (EMVI). Opgeroepen op April 16, 2015, van rijkswaterstaat: RWS. (2011). Richtlijnen Ontwerp Kunstwerken 1.2. RWS Dienst Infrastructuur. Van der Weij, E., & Van Eldik, J. (2015). Is een emissie van 100 kg CO2/m³ beton haalbaar? BETONIEK, van Lieshout, M., Bergsma, G., & Bijleveld, M. (2013). Milieu-impact van betongebruik in de Nederlandse bouw. Delft: CE Delft. 24

26 van Lieshout, M., Warringa, G., & Bergsma, G. (2013). Prioritering handelingsperspectieven verduurzaming betonketen. Delft: CE Delft. van Wolfswinkel, T., & Köhne, H. (2013). CUR-Aanbeveling 100:2013. Boxtel: Aeneas Media. Vastbinder, M., & Termeer, G. (2014). Handboek CO2-Prestatieladder 2.2. Utrecht: Stichting Klimaatvriendelijk Aanbesteden & Ondernemen. VOBN. (2014). Resultaten keurmerk Beton Bewust. Veenendaal: VOBN. VOBN. (2015, maart 20). Betonmortel en CO2-emissie. Opgeroepen op april 20, 2015, van VOBNbeton: VOBN. (2015, maart 3). Keurmerk Beton Bewust. Opgeroepen op april 20, 2015, van VOBN-beton: 25

27 Bijlagen 26

28 Bijlage A Tabel Cementbouw CO2-emissies en samenstelling beton project Ruimte voor de Waal 27

29 28

30 Mengselcode Sterkteklasse Water / cementfactor Consistentieklasse Korrelgroep CO2-EMISSIES EN SAMENSTELLING BETON PROJECT RUIMTE VOOR DE WAAL VOLGENS CIJFERS CEMENTBOUW Milieuklasse CEM III/B CEM I CEM I Vliegas Glenium Pozzolith CB 02 K Dmax Dmax hoeveelheid 45,5 LH HS 52,5 R 52,5 R wit Sky R 32 mm 16 mm beton CO2- uitstoot [mm] [kg/m3] [kg/m3] [kg/m3] [kg/m3] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [m3] [kg/m3] Betonconstructie i-lent20-32 C30/37 0,50 S3 32 XC4/XD2/XF % poer Citadelbrug / poer Promenadebrug i-lent30-z2 C35/45 0,45 RZ XC4/XD3/XF ,36% 100% Harde Kade i-lent30-42 C35/45 0,45 F4 32 XC4/XD3/XF ,45% 100% Harde Kade i-lent80-32 C30/37 0,45 S3 32 XC4/XD3/XF ,35% 100% pijler deel 1 Verlengde Waalbrug i-lent90-42 C45/55 0,45 F4 32 XC4/XD3/XF ,39% 0,10% 100% langswanden Verl. Waalbrug / dwarsbalk Verl. Waalbrug i-lent90-z4 C45/55 0,45 RZ XC4/XD3/XF ,39% 0,10% 100% langswanden Verl. Waalbrug / dwarsbalk Verl. Waalbrug i-lent C30/37 0,50 S3 32 XC4/XD2/XF ,33% 100% poer Promenadebrug i-lent132-4c6 C45/55 0,45 F4 16 XC4/XD3/XF ,30% 0,20% 100% pijler deel 2 Verlengde Waalbrug i-lent141-3c6 C45/55 0,45 S2 50% 16 XC4/XD3/XF ,40% 0,60% 50% 50% dek Promenadebrug/ dek Verlengde Waalbrug i-lent142-3c6 C45/55 0,45 S3 16 XC4/XD3/XF ,40% 0,60% 100% dek Verlengde Waalbrug Totaal

31 8. Addendum Vanwege het feit dat de scriptie Een concrete blik op de CO2-uitstoot van civiele betonwerken in eerste instantie onvoldoende is gebleken op het gebied van technische diepgang, zijn aanvullende berekeningen gemaakt om deze diepgang alsnog in het afstudeeronderzoek te krijgen. Deze berekeningen zijn uitgewerkt in de komende hoofdstukken. 8.1Inleiding In dit plan wordt de scheurvorming van de betonnen constructie L-wand berekend, waarna een betonmengselberekening kan worden uitgevoerd. Deze scheurwijdteberekening en het ontwerp van het betonmengsel worden uiteindelijk in een computersimulatieprogramma gemodelleerd, waarmee de verhardingsbeheersing kan worden uitgevoerd. Hierin komen zowel de werkelijke scheurvorming, als sterkte- en temperatuurontwikkeling en eventuele temperatuurbeheersing (isolatie, koelleiding) naar voren. 29

32 8.2Scheurvorming Een zeer bepalende factor in de duurzaamheid en levensduur van een betonconstructie, is de manier waarop de constructie reageert op temperatuur- en krimpvervormingen. Deze vervormingen kunnen er voor zorgen dat er scheuren in het betonoppervlak ontstaan. Scheuren in het betonoppervlak zijn niet direct een reden voor ongerustheid. Wanneer wapeningstaal is aangebracht in de betonconstructie neemt het staal de trekkrachten in de scheuren over van het beton, waardoor de constructie zijn stabiliteit behoudt. Echter, wanneer de scheurwijdte in het betonoppervlak te groot wordt, beschermt de betondekking het wapeningstaal niet meer tegen corrosie. Corrosie ontstaat wanneer het chloridegehalte in het beton overschreden wordt of wanneer de PH-waarde verlaagt als gevolg van carbonatatie. Het is dus van groot belang dat de scheurwijdte in de betonconstructie beheerst wordt en de sterkte van het wapeningstaal gegarandeerd kan blijven Inleiding Beton heeft de eigenschap dat het een hoge druksterkte heeft. Dit in tegenstelling tot de treksterkte van beton, die juist erg laag is. Op het moment dat trekkrachten in een betonconstructie ontstaan, wordt het beton opgerekt. Wanneer deze trekkrachten de treksterkte van het beton overschrijden, ontstaan er scheuren in de trekzone van de constructie. Onderstaand Figuur 8.1 geeft dit fenomeen duidelijk weer. Op de verticale as is de trekkracht in het beton uitgezet tegenover de rek (=verlenging) van het beton. Figuur 8.1 Kracht-vervormingsrelatie van een gewapend-betonnen trekstaaf (Breugel, 1998) De krachtvervormingsrelatie van een gewapend-betonnen trekstaaf bestaat uit drie fasen. Fase I. Ongescheurde trekstaaf: In deze fase is er wel sprake van trekkracht in het beton, maar nog geen sprake van scheurvorming. Betontreksterkte N;cr is namelijk groter dan aanwezige trekkracht N. Deze fase loopt van de oorsprong van de grafiek, tot het punt dat wordt bepaald door trekkracht N=N;cr en breukrek Ɛ;cr. Zolang N<N;cr blijft, reageert de trekstaaf lineair-elastisch. Fase II. Scheurvormingsfase: In deze fase is de aanwezige trekkracht N groter dan de betontreksterkte N;cr, oftewel, het beton kan de trekkrachten niet meer opvangen, gaat scheuren en laat de trekkrachten opvangen door het aanwezige wapeningstaal. De scheurvormingsfase begint waar breukrek Ɛ;cr bereikt wordt en N>N;cr. Deze eerste scheur ontstaat waar het beton de laagste treksterkte heeft. 30

33 Hierdoor wordt de rekstijfheid E;c A;c van de trekstaaf af. Aangezien de vervorming is opgelegd en ook na scheuren constant blijft, neemt de staafkracht na scheuren weer af tot N<N;cr. In het geval dat de opgelegde vervorming verder toeneemt, en hiermee ook de bijbehorende trekkracht, zal op het moment dat N>N;cr een tweede scheur ontstaan op de op één na zwakste plek van de scheurzone. Dit proces blijft bij doorgaan zolang er grotere trekkrachten ontstaan dan de laatste scheur kan opnemen. Fase III. Voltooid scheurenpatroon: In deze fase ontstaan, bij een oplopende trekkracht, geen nieuwe scheuren meer in het beton. Het aantal scheuren blijft dus constant, maar ook de gemiddelde afstand tussen de scheuren blijft gelijk. Op dit moment loopt de staalspanning Ɛ;s in de bestaande scheuren op. Hiermee neemt ook de scheurwijdte van deze scheuren toe. De staalspanning in de scheuren zal blijven toenemen tot de vloeispanning van het wapeningstaal Ɛ;sy bereikt is. Er zijn twee situaties waardoor scheurvorming kan ontstaan: door een uitwendige belasting of door een verhinderde opgelegde vervorming. Bij een uitwendige belasting is sprake van een voltooid scheurenpatroon. In dit geval liggen de scheuren op regelmatige afstand van elkaar. Bij een verhinderde opgelegde vervorming is er meestal sprake van een onregelmatig scheurenpatroon en bevinden de scheuren zich soms op grote afstand van elkaar. In deze situatie spreekt men van een onvoltooid scheurenpatroon Randvoorwaarden en uitgangspunten De randvoorwaarden en uitgangspunten waarmee in de berekening van de scheurwijdte rekening gehouden dient te worden, zijn hieronder uiteengezet. De berekeningen zullen uitgevoerd worden conform het dictaat Betonconstructies onder Temperatuur- en Krimpvervormingen Theorie en Praktijk van prof. dr. ir. K. van Breugel. De L-wand is een constructie waarbij eerst een vloer gestort wordt. Wanneer deze de gewenste sterkte heeft wordt er een verticale wand op gestort. In onderstaande Figuur 8.2 is de uitgeharde vloer aangegeven met een blauwe markering en de nieuw te storten wand met een grijze markering. Figuur 8.2 Dwarsdoorsnede L-wand In dit rapport wordt de scheurwijdte in het beton van de wand berekend. De situatie is dus zo dat er vers beton aan uitgehard beton wordt gekoppeld. Tijdens het verhardingsproces van jong beton wordt er veel meer warmte in het beton geproduceerd dan in dezelfde periode kan worden afgestaan. Deze warmte zorgt er voor dat het beton onder druk komt te staan en gaat uitzetten. Wanneer het grootste deel van de betonsterkte bereikt is, koelt de constructie af en krimpt deze. Echter, de wand is gestort 31

34 op een starre (verharde) vloer, waardoor de constructie tegengehouden wordt en krimpen niet mogelijk is. In dit geval is er sprake van verhinderde vervorming. Onderstaande Figuur 8.3 geeft dit duidelijk weer. Figuur 8.3 Wand gestort op starre ondergrond (Breugel, 1998) In bovenstaande figuur is de situatie te zien die zich ook bij de L-wand voordoet. De starre ondergrond is de oude betonvloer met daarop de jonge betonnen wand. Aan drie zijden kan de wand vrij vervormen, oftewel de krimp van het afkoelende beton kan vrij zijn gang gaan. De onderzijde van de wand, waar deze hecht aan de vloer, wordt echter tegengehouden door de vloer waardoor er sprake is van verhinderde opgelegde vervorming. Bij een verhinderde vervorming is er sprake van een onvoltooid scheurenpatroon, wat bij het berekenen van de scheurwijdte van belang is voor de keuze van de toe te passen formule volgens (Breugel, 1998). Zowel in de tijdelijke situatie als in de definitieve situatie krijgt de L-wand te maken met dooizouten. Daarnaast bevindt de wand zich in de tijdelijke fase (bouwfase) in de sprayzone en nevelzone naast de weg, en wordt dus hieraan blootgesteld. Om de betonkwaliteit blijvend te kunnen garanderen, dient de wand minimaal te voldoen aan de milieuklasse XC2 / XC4, XF1 / XF3, XD3 / XF4. Om de minimale dekking te kunnen bepalen dient de constructieklasse te worden vastgesteld: Basis S4 + 2 (100 jaar) 1 (plaatgeometrie) = S5 = Constructieklasse S5 (NEN, 1990). De minimaal te hanteren dekking wordt bepaald volgens NEN-EN art (NEN, 1992). C;nom = c;min + Δc;dev Voor de wand geldt (bij minimale milieuklasse XD3): C;min = 45 mm Δc;dev = 5 mm C;nom = = 50 mm. De dekking C,toegepast is dan ook 50 mm. De aanwezige hoeveelheid wapening A;s is 3141 mm²/m (Ø20-100), conform Ontwerpnota VO Object L-wand (Fase II). De aanbevolen minimale sterkteklasse volgens Tabel F.1 in NEN-EN 206-1:2001 bij milieuklasse XD3 is C35/45. Deze waarde wordt dan ook in de scheurwijdteberekening toegepast. De bijbehorende E- modulus is N/mm² en uitzettingscoëfficiënt is 10*10^6 / C. De E-modulus van het wapeningstaal B500B is N/mm². 32

35 De warmte die ontstaat door de sterkteontwikkeling zal waarschijnlijk onderin de wand, waar deze het dikst is, dusdanig hoog oplopen dat met redelijke zekerheid kan worden gesteld dat de wand hierdoor gaat scheuren. Uitdrogingskrimp is een zeer traag optredend proces. Doordat de wand dik is en in de vochtige buitenlucht staat kan worden aangenomen dat de spanningen door uitdrogingskrimp weer zullen relaxeren (Breugel, 1998). In combinatie met uitwendige belastingen mag een totaal temperatuurverschil worden aangehouden van 17 C (RWS, 2011). Het totale systeem van de bekleding en de voegen van de L-wand dient functioneel waterkerend te zijn om dienst te kunnen doen als primaire waterkering Voor scheurvorming, met een waterdichtheidsklasse 0, geldt de eis dat scheurwijdte w;max 0,3 mm conform tabel 7.1N van NEN- EN (NEN, 1992) Berekening De gegevens die in de berekening worden toegepast uit de hierboven genoemde uitgangspunten zijn hier onder elkaar uitgezet. Dikte beton h = 1100 mm Betondekking c = 50 mm Sterkteklasse = C35/45 Milieuklasse = XC2 / XC4, XF1 / XF3, XD3 / XF4 Scheurwijdte-eis w;max 0,3 mm Wapeningstaal = B500B Hoeveelheid wapening A;s = 3141 mm²/m (Ø20-100) E-modulus beton E;c = N/mm² E-modulus staal E;s = N/mm² Uitzettingscoëfficiënt α;c = 10*10^-6 / C Temperatuurbelasting ΔT = 17 C Opgelegde vervorming = onvoltooid scheurenpatroon Om de krachten die het beton op kan nemen te berekenen dienen de gemiddelde treksterkte f;ctm [N/mm²] en de gemiddelde kubusdruksterkte f;ccm [N/mm²] aan de hand van de karakteristieke kubusdruksterkte f;cck [N/mm²] berekend te worden. De gemiddelde kubusdruksterkte wordt berekend door bij de karakteristieke kubusdruksterkte een vaste waarde van 8 N/mm² op te tellen. Karakteristieke kubusdruksterkte f;cck bij sterkteklasse C35/45 = f;cck = 45 N/mm² Gemiddelde kubusdruksterkte f;ccm = f;cck + 8 = = 53 N/mm² Gemiddelde treksterkte f;ctm = 1 + 0,05 * f;ccm = 1 + 0,05 * 53 = 3,65 N/mm² Scheurvorming treedt op wanneer de betonspanning σ;cr [N/mm²] gelijk is aan 0,75 * f;ctm (t) op het tijdstip van scheuren. Scheurvorming treedt op bij σ;cr = 0,75 * f;ctm = 0,75 * 3,65 = 2,74 N/mm² Het scheurmoment M;cr [knm/m] wordt bepaald door spanning waarbij beton scheurt σ;cr [N/mm²] te vermenigvuldigen met het weerstandsmoment W in de betondoorsnede. 33

36 Het weerstandsmoment W [mm³] wordt berekend met de breedte b [mm] en de hoogte h [mm] van de betondoorsnede. Weerstandsmoment W = 1/6 * b * h² = 1/6 * 1000 * 1100² = 202*10^6 mm³ Scheurmoment M;cr = σ;cr * W = 2,74 * 202*10^6 = 553 knm/m De staalspanning die direct na scheuren in de scheur aanwezig is σ;s,cr [N/mm²], wordt berekend aan de hand van het scheurmoment M;cr [knm/m] en de hoeveelheid wapening A;s [mm²/m] maal de hefboomsarm z [mm]. De hoeveelheid aanwezige wapening A;s is 3141 mm²/m (Ø20-100). De hefboomsarm z wordt berekend door de nuttige hoogte d [mm] te vermenigvuldigen met 0,9. Nuttige hoogte d [mm] is de hoogte h [mm] waar de dekking c [mm], doorsnede hoofdwapening Ø;hw [mm] en de helft van doorsnede langswapening Ø;lw [mm] vanaf getrokken worden. Nuttige hoogte d = h c Ø;hw 0,5 * Ø;lw = = 1015 mm Hefboomsarm z = 0,9 * d = 0,9 * 1015 = 913 mm Staalspanning scheur σ;s,cr = M;cr / ( A;s * z ) = 553*10^6 ( 3141 * 913 ) = 193 N/mm² Om te controleren of er inderdaad sprake is van een onvoltooid scheurenpatroon, moet bekeken worden of de totaal opgelegde rek (verkorting) Ɛ;optr in het gebied op de grafiek ligt tussen de rek waarbij de eerste scheur ontstaat Ɛ;cr en de rek waarbij het voltooide scheurenpatroon bereikt wordt Ɛ;fdc. Figuur 8.4 Kracht-vervormingsrelatie van een gewapend-betonnen trekstaaf (Breugel, 1998) 34

37 De rek waarbij de eerste scheur ontstaat Ɛ;cr wordt berekend met de gemiddelde treksterkte f;ctm [N/mm²] en de E-modulus van beton E;c [N/mm²]. Gemiddelde treksterkte f;ctm = 3,65 N/mm² Elasticiteitsmodulus beton E;c = N/mm² Rek ontstaan eerste scheur Ɛ;cr = f;ctm / E;c = 3,65 / = 1,07*10^-4 De rek waarbij het voltooide scheurenpatroon wordt bereikt Ɛ;fdc wordt berekend met de staalspanning in de scheur σ;s,cr [N/mm²]. Staalspanning scheur σ;s,cr = 193 N/mm² Rek bij voltooid scheurenpatroon Ɛ;fdc = (60 + 2,4 * σ;s,cr) * 10^-6 = 523 * 10^-6 Nu moet de totaal opgelegde verkorting door temperatuur en krimp Ɛ;optr van de wand berekend worden. Dit gebeurt met de temperatuurbelasting ΔT [ C], uitzettingscoëfficiënt α;c [ C^-1] en de rek waarbij de eerste scheur ontstaat Ɛ;cr. Temperatuurbelasting ΔT = 17 C Uitzettingscoëfficiënt α;c = 10*10^-6 / C Rek ontstaan eerste scheur Ɛ;cr = 1,07*10^-4 Totaal opgelegde verkorting Ɛ;optr = ΔT * α;c + Ɛ;cr = 17 * 10*10^-6 + 1,07*10^-4 = 277 * 10^-6 Als de totaal opgelegde verkorting Ɛ;optr groter is dan de rek waarbij de eerste scheur ontstaat Ɛ;cr en kleiner dan de rek waarbij het voltooid scheurenpatroon bereikt wordt Ɛ;fdc, bevindt het totale proces waarbinnen de scheurvorming plaats vindt zich in het onvoltooid scheurpatroon: Ɛ;cr Ɛ;optr Ɛ;fdc. Ɛ;cr = 1,07*10^-4 Ɛ;optr = 277 * 10^-6 Ɛ;fdc = 523 * 10^-6 à onvoltooid scheurenpatroon De gemiddelde scheurwijdte in een onvoltooid scheurenpatroon w;mo als functie van de staalspanning σ;s,cr [N/mm²] en betonspanning σ;cr [N/mm²] (beiden direct na scheuren) wordt bepaald aan de hand van de gemiddelde kubusdrukstertke f;ccm [N/mm²], de staafdiameter Ø [mm], de elasticiteitsmodulus van de wapening E;s [N/mm²] en de verhouding E-moduli n [-]. Gemiddelde kubusdruksterkte f;ccm = 53 N/mm² Staafdiameter Ø;s = 20 Elasticiteitsmodulus wapening E;s = N/mm² Verhouding E-moduli n = E;s / E;c = / = 5,88 Staalspanning scheur σ;s,cr = 193 N/mm² Betonspanning scheuren σ;cr = 2,74 N/mm² Gemiddelde scheurwijdte onvoltooid w;mo = 2 * ( ( (0,4 * Ø;s) / (f;ccm * E;s) ) * σ;s,cr * (σ;s,cr n * σ;cr))^0,85 = 2 * ( ( (0,4 * 20) / (53 * ) ) * 193 * (193 5,88 * 2,74))^0,85 = w;mo = 0,089 mm 35

38 De gemiddelde scheurwijdte in een onvoltooid scheurenpatroon w;mo mag niet groter zijn dan de maximaal toelaatbare scheurwijdte w;max, oftewel, de constructie voldoet op dit punt wanneer w;mo w;max. w;mo = 0,089 mm w;max = 0,30 mm à scheurwijdte voldoet in onvoltooid scheurenpatroon. De gemiddelde scheurwijdte dient echter ook gecontroleerd te worden in het voltooide scheurenpatroon w;mv. Dit gebeurt aan de hand van optredende spreiding ɣ;s en langeduurbelasting ɣ;. Optredende spreiding voltooid ɣ;s = 1,7 Langeduurbelasting ɣ; = 1,3 Maximale scheurwijdte w;max = 0,30 mm Gemiddelde scheurwijdte voltooid w;mv = w;max / (ɣ;s * ɣ; ) = 0,30 * (1,7 * 1,3) = 0,136 mm Ook in een voltooid scheurenpatroon mag de gemiddelde scheurwijdte w;mv mag niet groter zijn dan de maximaal toelaatbare scheurwijdte w;max: w;mv w;max. w;mv = 0,136 mm w;max = 0,30 mm à scheurwijdte voldoet in voltooid scheurenpatroon. De scheurwijdte voldoet dus met deze wapening en sterkteklasse. Nu dient echter ook gecontroleerd te worden of de staalspanning in de scheuren σ;s,cr [N/mm²] voldoet aan de te berekenen maximaal toelaatbare staalspanning σ;s [N/mm²]. Staalspanning scheur σ;s,cr = 193 N/mm² Gemiddelde scheurwijdte onvoltooid w;mo = 0,089 mm Gemiddelde scheurwijdte voltooid w;mv = 0,136 mm Toelaatbare spanning σ;s = σ;s,cr * ( (w;mv / (1,8 * w;mo) ) + 0,5 ) = 193 * ( (0,136 / (1,8 * 0,089) ) + 0,5 ) = 260 N/mm² Hier komt dan nog de spanning door opgelegde vervormingen Δσ als temperatuurbelasting ΔT [ C], uitzettingscoëfficiënt α;c [ C^-1] en de E-modulus van staal E;s [N/mm²] bij. Temperatuurbelasting ΔT = 17 C Uitzettingscoëfficiënt α;c = 10*10^-6 / C E-modulus staal E;s = N/mm² Spanning opgelegde vervormingen Δσ = α;c * ΔT * E;s = 10*10^-6 * 17 * = 34 N/mm² Deze spanning zit in de toelaatbare spanning σ;s, dus om de staalspanning in de scheur te controleren, dient de staalspanning door opgelegde vervormingen Δσ van de toelaatbare staalspanning σ;s afgetrokken te worden. Toelaatbare spanning σ;s = 260 N/mm² Spanning opgelegde vervormingen Δσ = 36 N/mm² Maximaal toelaatbare staalspanning σ;toelaatbaar = σ;s Δσ = = 226 N/mm² 36

39 Controle of de staalspanning in de scheuren σ;s,cr [N/mm²] voldoet aan de maximaal toelaatbare staalspanning σ;toelaatbaar [N/mm²]: σ;s,cr σ;toelaatbaar σ;s,cr = 193 N/mm² σ;toelaatbaar = 226 N/mm² à staalspanning in scheur voldoet aan maximaal toelaatbare staalspanning Resumé Hieronder in het resumé zijn de uitkomsten van de belangrijkste bovenstaande berekeningen terug te vinden. Scheurvorming treedt op bij σ;cr = 2,74 N/mm² Scheurmoment M;cr = 553 knm/m Staalspanning scheur direct na scheuren σ;s,cr = 193 N/mm² Rek ontstaan eerste scheur Ɛ;cr = 1,07*10^-4 Rek bij voltooid scheurenpatroon Ɛ;fdc = 523 * 10^-6 Totaal opgelegde verkorting Ɛ;optr = 277 * 10^-6 è Onvoltooid scheurenpatroon Gemiddelde scheurwijdte onvoltooid w;mo = 0,089 mm Check aan maximale scheurwijdte w;max = 0,30 mm w;mo = 0,089 mm è scheurwijdte voldoet in onvoltooid scheurenpatroon. Gemiddelde scheurwijdte voltooid w;mv = 0,136 mm Check aan maximale scheurwijdte w;max = 0,30 mm w;mv = 0,136 mm è scheurwijdte voldoet in voltooid scheurenpatroon. Maximaal toelaatbare staalspanning σ;toelaatbaar = 226 N/mm² Check aan werkelijke staalspanning σ;s,cr = 193 N/mm² σ;toelaatbaar = 226 N/mm² è staalspanning in scheur voldoet aan maximaal toelaatbare staalspanning. De betonsterkte C35/45 en hoeveelheid wapening 3141 mm²/m (Ø20-100) geven een constructie die voldoet aan de maximale scheurwijdte en maximaal toelaatbare staalspanning. 37

40 8.3Mengselberekening Een betonmengsel moet ten minste voldoen aan de volgende vijf basiseisen: druksterkteklasse, milieuklasse(n), consistentieklasse, grootste korrelafmeting en de klasse voor chloridegehalte. Om hier aan te voldoen wordt mengselberekening gemaakt Inleiding In de mengselberekeningen worden alle benodigde ingrediënten bepaald op basis van de gestelde randvoorwaarden en uitgangspunten. Beton wordt in normen ingedeeld in drie verschillende klassen: - Milieuklassen: op basis van mogelijke aantastingsmechanismen bij verschillende omgevingsomstandigheden volgen hieruit randvoorwaarden voor de betonsamenstelling. - Sterkteklassen: hieruit kiest de ontwerper de betonsterkte die voor de betreffende betonconstructie nodig is en berekent daarmee de verdere dimensionering. - Consistentieklassen: hier wordt de verwerkbaarheid van betonspecie in verschillende gebieden opgedeeld. In de berekening wordt gerekend met betondruksterktes en normsterktes van toegepaste cementen. Daarnaast wordt op basis van verschillende voorwaarden de watercementfactor berekend. Verder dient de waterbehoefte en het cement-/bindmiddelgehalte berekend te worden. Uiteindelijk wordt de dosering van alle ingrediënten bepaald en dient er een controleberekening uitgevoerd te worden op duurzaamheid. Hier komt de ASR (alcali-silicareactie), chlorideindringing en carbonatatie naar voren. De mengselberekening is gemaakt op basis van het dictaat Basiskennis Betontechnologie, samengesteld door de Betonvereniging (De Betonvereniging, 2012) Randvoorwaarden en uitgangspunten De eisen waaraan elk betonmengsel moet voldoen zijn vastgelegd in de norm NEN-EN en NEN Zoals de scheurwijdteberekening heeft laten zien moet het mengsel een sterkteklasse van C35/45 hebben. Zowel in de tijdelijke situatie als in de definitieve situatie krijgt de L-wand te maken met dooizouten. Daarnaast bevindt de wand zich in de tijdelijke fase (bouwfase) in de sprayzone en nevelzone naast de weg, en wordt dus hieraan blootgesteld. Om de betonkwaliteit blijvend te kunnen garanderen, dient de wand minimaal te voldoen aan de milieuklasse XC4, XD3, XF4. Het beton moet een honderdjarige levensduur garanderen, waarin het blijvend aan de bij realisatie gestelde eisen voldoet. De wand wordt gestort met een betonpomp en vervolgens verdicht met de op de stalen bekisting aanwezige trilmotoren. Om te zorgen dat de betonspecie verpompbaar blijft en het feit dat de specie onderin de wand, waar deze een dikte heeft van 1200 mm, moeilijker te trillen is vanaf de bekisting, zal het betonmengsel een consistentieklasse S3 moeten hebben. NEN-EN 206-1:2001 schrijft voor dat beton waarin niet-voorgespannen wapening aanwezig is een chlorideklasse Cl 0,40 moet hebben. Het bijbehorende maximaal chloridegehalte is 0,40% (m/m) Om een zo laag mogelijke waterbehoefte te krijgen moet er voor de grofste korrelgroep gekozen worden. Daarbij mag de korrelafmeting niet groter zijn dan de in paragraaf in NEN 8005 gegeven voorwaarden. Uitgaande van deze voorwaarden is D32 de grootste korrelafmeting. De meest gunstige toe te passen korrelgroep wordt dan grind 4/32. De korrelverdeling wordt berekend in ontwerpgebied I, waarin de meest gunstige waterbehoefte verkregen kan worden. Het minimale cementgehalte (bindmiddel) bij een betonsterkteklasse C35/45 en milieuklasse XC4/XD3/XF4 conform Tabel F.1 in NEN-EN 206-1:2001 is 340 kg/m³ betonspecie. Daarnaast wordt er door de opdrachtgever een minimum slakgehalte van 50% verplicht. Dit houdt in dat minimaal 50% van het totale cementgehalte moet bestaan uit hoogovenslakcement, oftewel CEM III. In het kader van minimalisering van de CO2-uitstoot zal een zo groot mogelijk percentage van het bindmiddel uit CEM 38

41 III dienen te bestaan. De L-wand is echter een constructie waarbij productiesnelheid ook belangrijk is. Iedere week dient er één moot van de L-wand gerealiseerd te worden. Wanneer in een betonmengsel enkel CEM III aanwezig is, komt de reactie van de hoogovenslak met water langzaam op gang, waardoor de verharding van het beton ook langzaam op gang komt. Een hoeveelheid portlandcementklinker (CEM I) kan als activator voor de hoogovenslak worden gebruikt. CEM I brengt de reactie tussen het bindmiddel en water namelijk dermate sneller in gang, dat de ontwerpsterkte wel binnen het tijdsbestek van één moot per week gehaald kan worden. Verder is vanuit de milieuklasse vereist dat de betonconstructie bestand moet zijn tegen dooizouten. Hoogovenslak is hier minder goed tegen bestand dan portlandcementklinker. Wanneer deze twee cementen gecombineerd worden, is de constructie goed bestand tegen de betreffende dooizouten. Een beschikbare cementcombinatie van CEM III en CEM I dat voor deze eisen in aanmerking komt: CEM III/B 42,5 LH HS à 335 kg/m³ CEM I 52,5 R à 40 kg/m³ Met deze cementen zal de mengselberekening gemaakt worden. De chemische reactie voor de sterkteontwikkeling wordt snel in gang gebracht door de kleine hoeveelheid CEM I en vervolgens doorgezet door CEM III. De maximale watercementfactor bij een betonsterkteklasse C35/45 en milieuklasse XC4/XD3/XF4 conform Tabel F.1 in NEN-EN 206-1:2001 is 0, Berekening De gegevens die in de berekening worden toegepast uit de hierboven genoemde uitgangspunten zijn hier onder elkaar uitgezet. Betonsterkteklasse = C35/45 Milieuklasse = XC4 / XD3 / XF4 Consistentieklasse = S3 Chlorideklasse Cl = 0,40 Maximaal chloridegehalte = 0,40% (m/m) Minimaal vereiste cementgehalte = 340 kg/m³ Minimaal vereiste slakgehalte = 50% van totale hoeveelheid cement Cement = CEM III/B 42,5 LH HS 335 kg/m³ = CEM I 52,5 R 40 kg/m³ Maximale watercementfactor = 0,45 Toeslagmateriaal d/d = 4/32 = Ontwerpgebied I Berekenen van de benodigde gemiddelde betondruksterkte. Bij de berekening van het mengselontwerp wordt uitgegaan van een gemiddelde betondruksterkte f;ccm [N/mm²]. Deze wordt berekend door bij de karakteristieke kubusdruksterkte f;cck [N/mm²] een vaste waarde van 8 N/mm² op te tellen (NEN, 1992). Er zal gerekend worden met een vroege sterkte, aangezien er drie nachten na de stort ontkist moet worden om aan de eis van één moot per week realiseren te voldoen. De karakteristieke kubusdruksterkte f;cck [N/mm²] van dit mengsel is na drie dagen 18 N/mm² (NEN, 2014). Daar komt vervolgens nog de vaste waarde van 8 N/mm² bovenop. Karakteristieke kubusdruksterkte na 3 dagen f;cck = 18 N/mm² Gemiddelde kubusdruksterkte na 3 dagen f;ccm = f;cck + 8 = = 26 N/mm² Bepaling van de normsterkte van het toegepaste cement Voor de normsterkte N [N/mm²] zal ook met een vroege sterkte van drie dagen gerekend worden. Bij een cementmengsel, waar in dit geval sprake van is, mag de normsterkte van het mengsel worden 39

42 berekend naar rato van het aandeel van beide cementen in het mengsel (De Betonvereniging, 2012). Om te beginnen zal dus eerst de verhouding tussen beide cementsoorten berekend moeten worden. CEM III/B 42,5 LH HS CEM I 52,5 R Totale hoeveelheid cementmengsel = 335 kg/m³ = 40 kg/m³ = 375 kg/m³ Percentage CEM III/B 42,5 LH HS = CEM III / totaal * 100% = 335 / 375 * 100% = 89% Percentage CEM I 52,5 R = CEM I / totaal * 100% = 40 / 375 * 100% = 11% Nu kan de normsterkte N [N/mm²] van het cementmengsel berekend worden. Conform Tabel 6.2 van dictaat Basiskennis Betontechnologie is de normsterkte N [N/mm²] van CEM III/B 42,5 LH HS na drie dagen 25 N/mm². CEM I 52,5 R heeft conform deze tabel na drie dagen een normsterkte van 44 N/mm². De normsterkte N (N/mm²) wordt vervolgens berekend aan de hand van de verhouding van aanwezigheid van het cement in het mengsel. Normsterkte CEM III/B 42,5 LH HS N (3d) = 25 N/mm² 89% Normsterkte CEM I 52,5 R N (3d) = 44 N/mm² 11% Normsterkte cementmengsel N (3d) = 25 * 0, * 0,11 = 27 N/mm² Berekenen van de ontwerp watercement-factor De watercement-factor (w/c-factor) kan op twee manieren berekend worden. Dit aan de hand van de benodigde gemiddelde sterkte en op basis van duurzaamheid, ofwel de gestelde milieuklasse. Met de laagste van de twee w/c-factoren moet in het mengsel worden doorgerekend. In eerste instantie wordt de ontwerp w/c-factor aan de hand van de betonsterkte berekend. Dit gebeurt met de gemiddelde kubusdruksterkte f,ccm [N/mm²] na drie dagen en de normsterkte N [N/mm²] van het cementmengsel. Gemiddelde kubusdruksterkte f;ccm (3d) = 26 N/mm² Normsterkte cementmengsel N (3d) = 27 N/mm² Ontwerp w/c-factor (betonsterkte) = 25 / (f;ccm(3d) 0,8 * N(3d) + 45) = 25 / (26 0,8 * ) = 0,51 Nu de ontwerp w/c-factor op basis van betonsterkte bekend is, zal bekeken moeten worden wat de ontwerp w/c-factor moet zijn aan de duurzaamheidseisen te voldoen. Dit volgt uit de gestelde milieuklassen. De maximale w/c-factor bij een betonsterkteklasse C35/45 en milieuklasse XC4/XD3/XF4 conform Tabel F.1 in NEN-EN 206-1:2001 is gesteld op 0,45. Voor het berekenen van de betonsamenstelling wordt de rekenwaarde voor de milieuklasse met een veiligheidsmarge 0,02 verlaagd. Ontwerp w/c-factor (duurzaamheid) = 0,45 0,02 = 0,43 De laagste waarde van de berekende w/c-factor volgens de betonsterkte en duurzaamheid is leidend voor de berekening van het betonmengsel. w/c-factor (sterkte) = 0,51 > w/c-factor (duurzaamheid) = 0,43 à ontwerp w/c-factor = 0,43 40

43 Berekenen van het toeslagmaterialenmengsel Vanuit de ontwerpeisen en paragraaf in NEN 8005 is voorgeschreven dat in het betonmengsel een toeslagmaterialenmengsel van korrelgroep 4/32 verwerkt dient te worden. Dit bestaat enkel uit grind en is behoort tot het grove toeslagmateriaal. Zand (<4mm) wordt dus niet toegepast. Het toeslagmaterialenmengsel bestaat zodoende uit 100% grind (4/32). Toeslagmaterialenmengsel = 100% grind Bepaling van de waterbehoefte van het beton Op basis van de consistentieklasse en de maximale korrelgrootte D;max kan bepaald worden hoeveel water nodig is voor de juiste verwerkbaarheid van beton. Onderstaande Tabel 8-1 geeft de richtwaarde die bij een bepaalde consistentie, maximale korrelgrootte en ontwerpgebied hoort. Tabel 8-1 Richtwaarden waterbehoefte in liters per m³ betonspecie (NEN, 2014) De vereiste consistentieklasse S3 is een plastische consistentie. De grootste korrelafmeting, oftewel de grootste zeefmaat, is 32 mm en vanwege de duurzaamheid en het niet aanwezige fijne toeslagmateriaal dient ontwerpgebied I toegepast te worden. Deze combinatie levert een richtwaarde voor de waterbehoefte m;water van 175 kg per m³ betonspecie. Om de waterbehoefte te verlagen wordt gebruik gemaakt van superplastificeerder Glenium Sky 696. Deze stof reduceert de eigenlijke benodigde hoeveelheid water met 8% (BASF Nederland BV, Construction Chemicals, 2015). Richtwaarde waterbehoefte m;water (richtwaarde) = 175 kg / m³ betonspecie Reductie water superplastificeerder = 8% Effectieve waterbehoefte m;water = m;water (richtwaarde) * reductie = 175 * 0,92 = 161 kg /m³ betonspecie Berekenen cementgehalte uit waterbehoefte en w/c-factor De w/c-factor wordt berekend door het effectief watergehalte te delen door het cementgehalte. Om het cementgehalte m;cement [kg/m³] te berekenen zijn dus de w/c-factor en het effectief watergehalte m;water [kg/m³] nodig. Ontwerp w/c-factor = 0,43 Effectief watergehalte m;water = 161 kg / m³ betonspecie Cementgehalte m;cement = m;water / wc-factor = 161 / 0,43 = 374 kg / m³ betonspecie Vooraf is een cementmengsel met een hoeveelheid van 375 kg/m³ betonspecie vastgesteld. Dit voldoet aan het berekende cementgehalte 374 kg/m3 betonspecie, waarmee aan de w/c-factor en het minimaal vereiste cementgehalte (340 kg/m³) voldaan wordt. 41

44 Berekenen hoeveelheid toeslagmaterialen De korrelgrootteverdeling en de hoeveelheid cement en water zijn bekend. In het mengsel is geen extra ingebrachte lucht aanwezig, dus wordt er gerekend met het standaard percentage lucht in een mengsel van 2%. In het vervolg wordt het mengsel cement, water en lucht cementlijm genoemd. Het volume dat over blijft om 1 m³ beton te aan te vullen met toeslagmateriaal (grind) kan nu berekend worden. Cementmengsel C = 375 kg à dichtheid = 2950 kg / m³ Water W = 161 kg à dichtheid = 1000 kg / m³ Lucht L = 2% Hoeveelheid cementlijm Volume = C [m³] + W [m³] + L [m³] Cementmengsel C = 375 [kg] / 2950 [kg/m³] = 0,127 m³ Water W = 161 [kg] / 1000 [kg/m³] = 0,161 m³ Lucht L = 2% = 0,020 m³ Totaal cementlijm = 0,308 m³ Hoeveelheid toeslagmaterialen 4/32 = 1 m³ beton cementlijm = 1 0,308 = 0,692 m³ Opgave voor mengmeester In de opgave voor de mengmeester van de betoncentrale worden de hoeveelheden [kg] van de toe te voegen ingrediënten voor 1 m³ beton berekend. Daarbij moet gelet worden op het feit dat het grind buiten opgeslagen is, waardoor er sprake is van natte korrels. Voor het gebruikte grind mag uitgegaan worden van een absorptie van 0,8% (De Betonvereniging, 2012). Dit geabsorbeerde water speelt geen rol bij de berekening van de w/c-factor. Het aanhangend water van de korrels dient echter wel in mindering gebracht te worden op de toe te voegen hoeveelheid water. De dichtheid van grind ρ;grind is 2650 kg/m³ en het vochtgehalte van grind is 2,9% (m/m t.o.v. droog). Droog grind = hoeveelheid grind * ρ;grind = 0,692 m³ * 2650 kg/m³ = 1834 kg Totaal water;grind = vochtgehalte grind * droog grind = 0,029 m³ * 1833 kg/m³ = 53 kg Nat grind = droog grind + totaal water;grind = 1833 kg + 53 kg = 1887 kg Absorptiewater = absorptie grind * droog grind = * 1834 = 15 kg Nu bekend is hoeveel water via het toeslagmateriaal in het mengsel terecht komt, kan berekend worden wat de overige hoeveelheid water is die nog toegevoegd moet worden om aan een totaal van 161 kg effectief water te komen. Toe te voegen water = totaal water totaal water;grind + absorptiewater = 161 kg 53 kg + 15 kg = 123 kg Doseeropgave voor mengmeester, per m³ betonspecie: Cement Water Nat grind Superplastificeerder = 375 kg = 123 kg = 1887 kg = te bepalen door mengmeester 42

45 Controle betonsamenstelling De berekening van de ingrediënten van het betonmengsel is nu gereed. Vervolgens dient gecontroleerd te worden of het mengsel aan alle eisen voldoet. Dit dient gedaan te worden over de volgende punten: a) Controle minimaal cement-/bindmiddelgehalte b) Controle op het gehalte aan fijn materiaal ( 0,250 mm) c) Controle op het chloridegehalte d) Controle op het alkaligehalte a) Controle minimaal cement-/bindmiddelgehalte Het cementgehalte dient getoetst te worden aan het minimaal vereiste cementgehalte voor de milieuklasse. Minimaal vereiste cementgehalte = 340 kg/m³ Minimaal vereiste slakgehalte = 50% van totale hoeveelheid cement Cement = CEM III/B 42,5 LH HS 335 kg/m³ = CEM I 52,5 R 40 kg/m³ Slakgehalte CEM III/B 42,5 LH HS = 67% (HCM Cement, 2015) Hoeveelheid slak CEM III/B 42,5 LH HS m;slak = 335 kg/m³ * 0,67 = 224 kg/m³ Slakgehalte cementmengsel = m;slak / totaal * 100% = 224 / 375 * 100% = 60% De toegepaste hoeveelheid cement is met 375 kg/m³ hoger dan de minimaal vereiste hoeveelheid 340 kg/m³. Daarnaast is het slakgehalte van het cementmengsel 60%, wat ruim voldoet aande minimaal vereiste 50%. Het cement voldoet dus aan de gestelde duurzaamheid via de milieuklasse. b) Controle op het gehalte aan fijn materiaal ( 0,250 mm) Volgens NEN 8005 dient bij een grootste korrelafmeting D32 in het betonmengsel een minimale hoeveelheid van 0,115 m³ aan fijn materiaal <0,250 mm aanwezig te zijn. Het toeslagmateriaal 4/32 heeft een minimale grootte van 4 mm. Aan fijne delen <0,250 mm in het mengsel is dus enkel cement aanwezig. Volume van 375 kg cement = hoeveelheid cement / ρ;cement = 375 / 2950 = 0,127 m³ Aanwezig fijn materiaal = 0,127 m³ > minimaal vereiste hoeveelheid = 0,115 Het gehalte aan fijn materiaal <0,250 mm voldoet dus aan de gestelde eisen in NEN c) Controle op gehalte aan chloriden Om corrosie van betonstaal te voorkomen, stelt de NEN-EN eisen aan het maximale chloridegehalte van gewapend beton. Het maximum chloridegehalte in gewapend beton is 0,40% (m/m) ten opzichte van het cementgehalte (NEN, 2008). Van de materialen zijn de volgende chloridegehaltes bekend: CEM III/B 42,5 LH SR = 0,03 % m/m Cl^-1 CEM I 52,5 R = 0,05 % m/m Cl^-1 Nat riviergrind = 0,0004 % m/m Cl^-1 Aanmaakwater = 0,011 % m/m Cl^-1 De chloridegehaltes dienen berekend te worden op de droge massa grind (NEN, 2008). Chloridegehalte CEM III= 335 * 10^3 * 0,03 / 100 (m/m) Cl^-1 = 101 g Cl^-1 Chloridegehalte CEM I = 40 * 10^3 * 0,05 / 100 (m/m) Cl^-1 = 20 g Cl^-1 Chloridegehalte grind = 1887 * 10^3 * 0,0004 / 100 (m/m) Cl^-1 = 8 g Cl^-1 43

46 Chloridegehalte water = 123 * 10^3 * 0,011 / 100 (m/m) Cl^-1 = 14 g Cl^-1 Totaal = 143 g Cl^-1 Gehalte aan chloride t.o.v. het cementgehalte = 0,143 kg / 375 kg * 100% = 0,038% (m/m) Cl^-1 Aanwezig gehalte chloride = 0,038% (m/m) Cl^-1 << maximaal vereiste gehalte = 0,400% (m/m) Cl^-1 Het aanwezige gehalte aan chloride voldoet ruimschoots aan de gestelde eisen in NEN-EN d) Controle op het alkaligehalte van het beton Alkaliën zijn aanwezig in het poriewater van beton. Wanneer te veel reactief silica aanwezig is in toeslagmaterialen, kan er een reactie ontstaan waarbij reactieproducten water absorberen en daardoor gaan zwellen. Gevolg is dat drukspanningen in het beton worden opgebouwd, die bij een te hoge spanning zal zorgen voor scheuren in het beton. In dat geval is sprake van schadelijke alkalisilicareactie (ASR) (Cement&BetonCentrum, 2012). Er zijn geen verdere preventieve maatregelen nodig als gewerkt wordt met hoogovencement (CEM III/B) of een cementmengsel met minimaal 50% hoogovenslak. Met deze cementen wordt een beton met een zodanig dichte structuur verkregen, dat alkaliën van buitenaf nauwelijks kunnen binnendringen (CUR, 2002). Het cementmengsel dat is toegepast in de berekende mengselsamenstelling bestaat uit zowel CEM III/B als uit meer dan 50% hoogovenslak. Hiermee wordt voorkomen dat het beton schade zal ondervinden aan een alkali-silicareactie en voldoet het aan de gestelde eis in CUR-Aanbeveling 89. CO2-footprint betonmengsel Het berekende betonmengsel heeft grotendeels door de aanwezigheid van CEM I en CEM III een CO2-footprint van 165 kg/m³ (Reuver). Het betonmengsel bevat 224 kg / m³ aan hoogovenslakcement en voor 151 kg / m³ aan portlandcement. Productie van mengsel 335 kg CEM III + 40 kg CEM I = 141 kg CO2-uitstoot (Reuver) Productie van mengsel 281 kg CEM III + 94 kg CEM I = 167 kg CO2-uitstoot (Reuver) Slakgehalte CEM III/B 42,5 LH HS = 67% Portlandgehalte CEM III/B 42,5 LH HS = 33% Portlandgehalte CEM I 52,5 R = 100% Het toepassen van de substitutie- en eliminatiemethode op bovenstaande gegevens levert de volgende CO2-uitstoot van portlandcement en hoogovenslakcement. CO2-uitstoot portlandcement CO2-uitstoot hoogovenslakcement = 0,806 kg CO2 / kg portlandcement = 0,087 kg CO2 / kg hoogovenslakcement De CO2-uitstoot die voortkomt uit de productie van de toegepaste cementen wordt hieronder berekend. Hoeveelheid portlandcement = 151 kg / m³ beton Hoeveelheid hoogovenslakcement = 224 kg / m³ beton CO2-uitstoot productie cementmengsel = 0,806 * ,087 * 224 = 141 kg / m³ beton Door de grote hoeveelheid aan hoogovenslakcement in plaats van portlandcement, wordt een grote besparing op CO2-uitstoot gedaan. Het produceren van hoogovenslak levert namelijk bijna een factor 10 minder aan CO2-uitstoot op dan het produceren van portlandcement: = 0,087 <<< 0,806 kg CO2. 44

47 8.3.4 Conclusies Een betonmengsel met de onderstaande ingrediënten voldoet aan alle ontwerp- en duurzaamheidseisen. Ingrediënten betonmengsel Betonkwaliteit = C35/45 Milieuklasse = XC4 / XD3 / XF4 CEM III/B 42,5 LH HS = 335 kg/m³ CEM I 52,5 R = 40 kg/m³ Poederkoolvliegas = - kg/m³ Water-cementfactor = 0,43 Hulpstoffen (superplastificeerder) = Glenium Sky 696 Consistentieklasse = S3 Korrelgrootte = D4-32 Opgave voor mengmeester per m³ beton CEM III/B 42,5 LH HS = 335 kg CEM I 52,5 R = 40 kg Water = 123 kg Nat grind D4-32 = 1887 kg Superplastificeerder = te bepalen door mengmeester Het mengsel heeft door de geringe hoeveelheid toegevoegd portlandcement (CEM I) en de grote hoeveelheid hoogovenslakcement (CEM III) een relatief lage CO2-uitstoot van 165 kg CO / m³ beton. Doordat gerekend is in ontwerpgebied I, is ook de kleinst mogelijke hoeveelheid water toegevoegd aan het mengsel, wat de duurzaamheid van het mengsel ten goede komt. 45

48 8.4Verhardingsbeheersing Verhardingsbeheersing is een werkwijze waarbij door middel van een rekenmodel de temperatuur- en sterkteontwikkeling van beton in een constructie kan worden voorspeld en beheerst. De warmte die zich in het beton ontwikkelt wordt inzichtelijk gemaakt en eventuele koel-/verwarmingsmethodes kunnen worden toegevoegd Inleiding Het toe te passen betonmengsel en de scheurwijdteberekingen zijn bepaald. Door deze gegevens in het computersimulatieprogramma Femmasse Heat in te voeren, kan inzicht worden verkregen in de temperatuurontwikkeling binnen de betondoorsnede van de L-wand, tijdens de verharding in de praktijksituatie. Met dit programma wordt het verhardingsproces gesimuleerd en kan nauwkeurig berekend worden of het noodzakelijk is koeling of isolatie toe te passen tijdens de verharding en daarmee het risico op scheurvorming worden beperkt Randvoorwaarden en uitgangspunten De L-wand wordt gestort in een stalen bekisting. Deze heeft een 6 mm dikke staalplaat en zal tot drie nachten na aanvang betonstort aanwezig zijn. De warmteoverdracht van de bekiste wanden is met stalen bekisting 20 W / m² / K en na ontkisten 25 W / m² / K. De bovenkant van de L-wand wordt niet afgedekt en heeft dus vanaf aanvang stort direct een warmteoverdracht van 25 W / m² / K. De volgende gegevens m.b.t. temperatuur en wind zijn afkomstig uit Ontwerpnota VO Object L-wand (Fase II) en het productspecificatieblad van het toegepaste betonmengsel en gelden voor zowel het voor- als het najaar. Omgeving 8±4 C Grond / oude beton 8 C Mengseltemperatuur 15 C Windsnelheid 4 m/s Om scheurvorming te beheersen is uitgegaan van het gegeven dat de optredende trekspanning kleiner moet zijn dan de treksterkte van het beton. De treksterkteontwikkeling van het beton wordt gereduceerd met een veiligheidsfactor in verband met onvolkomenheden. Volgens het programma Femmasse Heat is scheurvorming niet te verwachten wanneer de volgende formule geldt: S;zz S;limit, met S;limit = veiligheidsfactor * f;ctm Hierin is: S;limit f;ctm S;zz S;xx = lange duur treksterkte = korte duur splijttreksterkte = hoofdspanning loodrecht op het vlak van de doorsnede = spanning in het vlak van de doorsnede Aangezien het in het geval van de L-wand gaat over een waterkerende constructie, is scheurvorming een groot gevolg. Daarom wordt de maximale lange duur treksterkte met een veiligheidsfactor 0,50 vergroot. De maximaal berekende trekspanningen mogen hierdoor tijdens de afkoelfase niet hoger zijn dan 50% van de aanwezige gemiddelde splijttreksterkte. Dit geeft de volgende formule: S;zz S;limit, waarin S;limit = 0,50 * f;ctm [N/mm²] Plaatselijke spanningspieken in het begin van de verhardingsfase zijn geoorloofd tot 70% S;limit Berekening De gegevens die in de verhardingsbeheersing via Femmasse Heat worden toegepast uit de hierboven genoemde uitgangspunten zijn hier onder elkaar uitgezet. 46

49 Betonmengsel: Betonkwaliteit = C35/45 Milieuklasse = XC4 / XD3 / XF4 CEM III/B 42,5 LH HS = 335 kg/m³ CEM I 52,5 R = 40 kg/m³ Poederkoolvliegas = - kg/m³ Water-cementfactor = 0,43 Hulpstoffen (superplastificeerder) = Glenium Sky 696 Consistentieklasse = S3 Korrelgrootte = D4-32 De door Femmasse, op basis van bovenstaande mengselgegevens, berekende adiabaat, druksterkte en treksterkte zijn hieronder weergegeven. Bekisting/stortvlak Bekiste oppervlakken L-wand: Zijkist L-wand Warmteoverdracht Aanwezig = 6 mm staalplaat = 20 W / m² / K, na ontkisten 25 W / m² / K = 3 nachten na aanvang stort Betonoppervlak Stortvlak wanden = onafgedekt Warmteoverdracht = 25 W / m² / K Aanwezig = - Klimaat en initiële temperaturen (voorjaar) Temperatuur omgeving = 8±4 C Temperatuur grond / oude beton = 8 C Mengseltemperatuur = 15 C Windsnelheid = 4 m/s Om te beginnen is de constructie van de L-wand ten behoeve van de berekeningen geschematiseerd gemodelleerd in Femmasse Heat. Dit aanzicht is in onderstaande Figuur 8.5 weergegeven. 47

50 Figuur 8.5 Dwarsdoorsnede L-wand in Femmasse Heat Temperaturen L-wand Wanneer de gegevens met betrekking tot betonmengsel, bekisting en klimaat ingevoerd zijn op bovenstaande doorsnede, is de temperatuurontwikkeling in de kern onder (1) en in de kern boven (2) in de wand weergegeven in onderstaande Figuur 8.6. Figuur 8.6 Temperatuurontwikkeling in de kern onder (1) en kern boven (2) De golven in de grafiek worden veroorzaakt door de dag- en nachtelijke temperatuurwisselingen. De maximum temperatuur in punt 1 in de kern L-wand onder is 27 C en in punt 2 in de kern onder is 18 C. Deze maximum temperaturen zijn in de L-wand ontwikkeld na t = 36 uur. Onderstaande Figuur 8.7 geeft de temperaturen binnen de L-wand weer op het maximum moment t = 36 uur. 48

51 Figuur 8.7 Aanzicht maximum temperaturen L-wand op t = 36 uur Aan de kleuren is te zien dat in de kern van het breedste gedeelte van de L-wand de temperatuur het hoogst is. Hier wordt veel meer warmte in het beton geproduceerd dan in dezelfde periode kan worden afgestaan aan de omgeving. De temperatuurgradiënten op t = 36 uur, ofwel het verschil in temperatuur tussen kern- en buitenzijde beton, van horizontaal door punt 1 en punt 2 en verticaal door de punten 2 en 1 is in onderstaande Figuur 8.8 te zien. Horizontaal door punt 1 Horizontaal door punt 2 Verticaal door punten 2 en 1 Figuur 8.8 Temperatuurgradienten in de doorsneden op maximum temperatuur, t = 36 uur De temperatuurgradiënt in het beton kern onder zijkant bedraagt 27 C - 13 C = 14 C De temperatuurgradiënt in het beton kern boven zijkant bedraagt 17 C - 11 C = 6 C De temperatuurgradiënt in het beton kern oude beton bedraagt 27 C - 8 C = 19 C Spanningen S;zz De trekspanningen S;zz op t = 150 uur die door de warmteontwikkeling in de doorsnede ontstaan, worden in onderstaande Figuur 8.9 weergegeven. 49

52 Figuur 8.9 Aanzicht maximum spanningen L-wand t = 150 uur Duidelijk is dat de grootste spanningen in de L-wand in punt 1 in de kern onder ontstaan. Dat is volgens verwachting, aangezien op dit gedeelte van de wand sprake is van verhinderde vervorming. In punt 2 in de kern boven kan de wand vrij vervormen, de spanningen zijn daar dan ook nagenoeg gelijk aan nul. Dit is duidelijker weergegeven in onderstaande Figuur Het verloop van de trekspanning over de tijd t is hier af te lezen. Figuur 8.10 Spanningsontwikkeling in de kern onder (1) en kern boven (2) De gele lijnen hierin zijn de geoorloofde S;limit van punt 1 en 2, oftewel de maximale trekspanningen die in de constructie mogen ontstaan (inclusief veiligheidsfactor) om de scheurvorming te beheersen, volgens S;limit = 0,50 * f;ctm. De rode lijnen zijn de maximale trekspanningen die in de constructie mogen ontstaan zonder veiligheidsfactor. De groene lijnen laten de werkelijk aanwezige trekspanning S;zz [MPa] zien. Hierin is MPa = N/mm². 50

53 Uit de berekeningen blijken de maximum spanningen S;zz [N/mm] begin S;zz rest S;zz Punt 1 in de kern L-wand onder 2,9 2,5 Punt 2 in de kern L-wand boven - 0,2 S;limiet 50% 1,6 2,0 De spanningsgradiënten in de horizontale en verticale doorsneden op t = 174 en 653 uur, ofwel het verschil in spanning tussen kern- en buitenzijde beton, van horizontaal door punt 1 op t = 174 en 653 uur en verticaal door de punten 2 en 1 is in onderstaande Figuur 8.11 weergegeven. Horizontaal door punt 1 op Horizontaal door punt 1 op Verticaal door punten 2 en 1 t = 174 uur t = 653 uur op t = 174 Figuur 8.11 Spanningsgradiënten in de horizontale en verticale doorsneden op t = 174 en 653 uur Duidelijk te zien is dat de werkelijke trekspanning S;zz in punt 1 ruim over de toegestane trekspanning S;limiet 50% heen gaat. De spanningen in punt 2 zijn kleiner dan S;limiet 50%. Aangezien in punt 1 de toegestane trekspanning ruim overschreden wordt, zijn aanvullende maatregelen nodig om het risico op scheurvorming te beperken. Deze worden hieronder behandeld. Koeling L-wand Door koelleidingen voor het storten tussen de wapening aan te brengen, kan na het storten de temperatuurstijging gestuurd worden. De koelleidingen verlagen de warmteontwikkeling, waardoor het uithardende beton minder uitzet en vervolgens dus ook minder wil krimpen. Hierdoor kunnen de trekspanningen in de L-wand aanzienlijk verlaagd worden, waardoor het risico scheurvorming beperkt wordt. De temperatuur van het ingaande koelwater wordt ingesteld op 10 C. Bij het plaatsen van de koelleiding is voor de in onderstaande Figuur 8.12 weergegeven standaardverdeling van de koelbuizen gekozen. In totaal zijn er zestien tyleenslangen Ø50 mm aangebracht waar een debiet van 1000 liter per uur door stroom. 51

54 Figuur 8.12 Indeling koelbuizen in L-wand Wanneer de gegevens met betrekking tot betonmengsel, bekisting, klimaat en koelleiding ingevoerd zijn op bovenstaande doorsnede, is de temperatuurontwikkeling in de kern onder (1) en in de kern boven (2) in de wand weergegeven in onderstaande Figuur Figuur 8.13 Temperatuurontwikkeling in de kern onder (1) en kern boven (2) - gekoeld Duidelijk is dat de maximum temperatuur van het beton met koelleiding stukken lager ligt dan wanneer er geen koelleiding toegepast is. De golven in de grafiek worden veroorzaakt door de dag- en nachtelijke temperatuurwisselingen. De maximum temperatuur in punt 1 in de kern L-wand onder is 22 C en in punt 2 in de kern onder is 16 C. Deze maximum temperaturen zijn in de L-wand ontwikkeld 52

55 na t = 18 uur. Onderstaande Figuur 8.14 geeft de temperaturen binnen de L-wand weer op het maximum moment t = 18 uur. Figuur 8.14 Aanzicht maximum temperaturen L-wand op t = 18 uur - gekoeld Aan de kleuren is te zien dat de maximum temperaturen binnen de L-wand gelijkmatig verdeeld is en een stuk lager ligt dan wanneer er geen koelleidingen aangebracht worden. De temperatuurgradiënten op t = 18 uur, ofwel het verschil in temperatuur tussen kern- en buitenzijde beton, van horizontaal door punt 1 en punt 2 en verticaal door de punten 2 en 1 is in onderstaande Figuur 8.15 te zien. Horizontaal door punt 1 Horizontaal door punt 2 Verticaal door punten 2 en 1 Figuur 8.15 Temperatuurgradienten in de doorsneden op maximum temperatuur, t = 18 uur De temperatuurgradiënt in het beton kern onder zijkant bedraagt 22 C - 12 C = 10 C De temperatuurgradiënt in het beton kern boven zijkant bedraagt 19 C - 12 C = 7 C De temperatuurgradiënt in het beton kern oude beton bedraagt 22 C - 8 C = 14 C Spanningen S;zz De trekspanningen S;zz op t = 653 uur die door de warmteontwikkeling in de doorsnede ontstaan, worden in onderstaande Figuur 8.16 weergegeven. 53

56 Figuur 8.16 Aanzicht maximum spanningen L-wand t = 653 uur De spanningen die in de L-wand in punt 1 in de kern onder ontstaan zijn nu beduidend lager. Dat is volgens verwachting, aangezien de maximum temperatuur ten opzichte van de niet gekoelde betonnen wand ook aanzienlijk lager ligt. De werkelijke spanningen zijn duidelijker weergegeven in onderstaande Figuur Het verloop van de trekspanning over de tijd t is hier af te lezen. Figuur 8.17 Spanningsontwikkeling in de kern onder (1) en kern boven (2) De gele lijnen hierin zijn de geoorloofde S;limit van punt 1 en 2, oftewel de maximale trekspanningen die in de constructie mogen ontstaan (inclusief veiligheidsfactor) om de scheurvorming te beheersen, volgens S;limit = 0,50 * f;ctm. De rode lijnen zijn de maximale trekspanningen die in de constructie mogen ontstaan zonder veiligheidsfactor. De groene lijnen laten de werkelijk aanwezige trekspanning S;zz [MPa] zien. Hierin is MPa = N/mm². Te zien is dat de piekspanningen in het begin de S;limiet nipt overstijgen. Met het in paragraaf genoemde uitgangspunt wordt echter aangegeven dat in de beginfase piekspanningen tot een hoogte van S;limiet 70% geoorloofd zijn. Uit de berekeningen blijken de maximum spanningen S;zz [N/mm] begin S;zz rest S;zz Punt 1 in de kern L-wand onder 2,0 1,8 54

57 Punt 2 in de kern L-wand boven - 0,2 S;limiet 50% 1,5 2,0 S;limiet 70% in begin piekspanningen 2,1 De spanningsgradiënten in de horizontale en verticale doorsneden op t = 174 en 653 uur, ofwel het verschil in spanning tussen kern- en buitenzijde beton, van horizontaal door punt 1 op t = 174 en 653 uur en verticaal door de punten 2 en 1 op t = 653 uur is in onderstaande Figuur 8.18 weergegeven. Horizontaal door punt 1 op Horizontaal door punt 1 op Verticaal door punten 2 en 1 t = 174 uur t = 653 uur op t = 653 Figuur 8.18 Spanningsgradiënten in de horizontale en verticale doorsneden op t = 174 en 653 uur Te zien is dat de werkelijke trekspanning S;zz in punt 1 onder de toegestane trekspanning S;limiet 50% blijft. De beginspanningen in punt 1 zijn beperkt groter dan S;limiet 50%, maar blijven wel beneden de eerder gestelde S;limiet 70%. De restspanningen in punt 1 en 2 zijn kleiner dan S;limiet 50%. Geconcludeerd kan worden dat de aanvullende koelingsmaatregelen voldoen om het risico op scheurvorming te beperken. Druksterktes Nu de treksterktes door aanvullende koelingsmaatregelen voldoen aan de scheurwijdte-eisen, dient gecontroleerd te worden of de druksterktes van het beton na 72 uur (drie dagen) voldoende zijn om te ontkisten. De eis is dat de betonsterkte bij ontkisting een minimale druksterkte van 18 N/mm² heeft. Femmasse Heat geeft in Figuur 8.19 de druksterktes binnen de L-wand na 72 uur uitharden. Figuur 8.19 Aanzicht druksterktes L-wand t = 72 uur 55

58 De bijbehorende grafiek van de ontwikkelde druksterkte is in onderstaande Figuur 8.20 weergegeven. Figuur 8.20 Druksterkte ontwikkeling in de kern onder (1) en kern boven (2) t = 72 uur Uit de grafiek blijken de druksterktes in N/mm² na t = 72 uur: Punt 1 in de kern L-wand onder 25 N/mm² Punt 2 in de kern L-wand boven 21 N/mm² Dit wordt duidelijk in onderstaande horizontale doorsnedes op t = 72 uur. Horizontaal door punt 1 Horizontaal door punt 2 Figuur 8.21 Druksterkteverloop in de doorsneden op t = 72 uur Op het moment van ontkisten dient de druksterkte van de L-wand 18 N/mm² te zijn. Bij deze wanden voldoet zowel het gekoelde onderste als het bovenste gedeelte deel hieraan na 72 uur en kan de wand na drie dagen ontkist worden Conclusies Het programma Femmasse Heat geeft bij de L-wandconstructie met het berekende betonmengsel een groot risico op scheurvorming. Dit risico ontstaat doordat de temperatuur van de kern in de onderzijde van de wand en het oude beton waarop de wand gestort wordt, zich tot een maximaal verschil van 19 C ontwikkelt. Om het temperatuurverschil te verkleinen, en daarmee direct het risico op scheurvorming te beperken, zal koelleiding toegepast dienen te worden. Met het toepassen van zestien koelleidingen, verdeeld over de kern van de wand, wordt het verschil tussen maximale temperaturen verkleind tot 14 C. Hiermee worden de trekspanningen in het beton zodanig verlaagd, dat het beton met een veilige range voldoet aan de eis S;limiet 50%. 56