TWEELAAGS DOORGAAND GEWAPEND BETON IN DE TUNNELSECTIE VAN DE A11

Transcriptie

1 TWEELAAGS DOORGAAND GEWAPEND BETON IN DE TUNNELSECTIE VAN DE A11 Brecht VYNCKIER Conducteur principal du chantier/ Hoofdwerfleider ASWEBO NV Geert LAMBERT Plantmanager A-Beton ASWEBO NV Anne BEELDENS Ingénieur consultant/raadgevend ingenieur AB-Roads 1. Inleiding situering Om een betere ontsluiting van de Zeehaven van Zeebrugge te krijgen wordt een nieuwe autosnelweg aangelegd tussen de N31 en de N49: de A11. Hierdoor wordt het havenverkeer gescheiden van het lokale verkeer waardoor de verkeersveiligheid sterk toeneemt en de groeimogelijkheden van de haven vergroten. De aanleg van de A11 is een multimodaal project. Bij de ontwerpvoorwaarden werden strenge eisen opgelegd inzake de integratie in de omgeving en werd zowel rekening gehouden met de havenindustrie, de landbouw, de natuurgebieden als met de polderdorpen. Het project houdt dan ook veel meer in dan enkel de aanleg van de autosnelwegen. Het onderliggende wegennetwerk wordt geëvalueerd, waar nodig verplaatst of opnieuw aangelegd en ook het fietsroutenetwerk wordt uitgebreid en verder verbonden. Het project wordt uitgevoerd in een publiek-private samenwerking waarbij ASWEBO NV instaat voor de asfalt- en betonverhardingen; de wegfunderingen zijn uitgevoerd door Aclagro. Omwille van de (brand-)veiligheid, de duurzaamheid, de verhoogde lichtreflectie en het beperkt onderhoud is geopteerd om de verharding in de sleuf aan te leggen met een doorgaand gewapende betonverharding. De tweelaagse uitvoering, nat-in-nat, met een deklaag in een beton met een maximaal kaliber 6,3 mm voor het granulaat, resulteert in een geluidsarme verharding, vergelijkbaar met een verharding in splitmastiekasfalt.

2 Figuur 1: Aanleg tweelaags doorgaand gewapend beton in open sleuf en in tunnel. 2. Doorgaand gewapend beton als duurzame verharding voor de tunnel 2.1. Tweelaags doorgaand gewapend beton In België wordt DGB al bijna vijftig jaar op grote schaal toegepast. Het standaardontwerp onderging in de loop van de tijd een aantal wijzigingen op vlak van diverse ontwerpparameters zoals het percentage langswapening, de hoogteligging van de wapening, de aanwezigheid van een asfalt tussenlaag, de dikte van de verharding, de betonsamenstelling, de oppervlakafwerking en de strookbreedte. Naast een optimalisatie van deze parameters (0,75% langswapening 80 mm betondekking boven de wapening 50 mm asfalt tussenlaag dikte 250 mm voor bouwklasse B1 beton met luchtbelvormer fijn uitgewassen beton als oppervlakafwerking breedte trage rijstrook 3,75 m) is sinds 2012 de actieve scheuraanzet ingevoerd, om te komen tot een meer regelmatig scheurpatroon en zo de kans op vroegtijdige schade omwille van punch-outs te verkleinen. De eerste ervaring in België met tweelaags uitgewassen DGB dateert van 1996 in Herne waar een reeks van proefvakken met geluidsarme wegdekken werd gerealiseerd. Het betrof een onderlaag van 18 cm DGB en een deklaag van 4 cm in fijn uitgewassen beton 0/7, nat-in-nat aangelegd. Na 20 jaar is het proefvak nog steeds in goede staat. Dit kan wereldwijd als een van de eerste toepassingen van tweelaags doorgaand gewapend beton aanzien worden. Verschillende autosnelwegen zijn reeds in tweelaags doorgaand gewapend beton aangelegd. Na een negatieve ervaring op de E34 is besloten om het deels vervangen van de grove granulaten in de onderlaag door hoogwaardige betongranulaten niet meer toe te passen en om ook het gebruik van luchtbelvormer in de onderlaag te vermijden om zo een optimale aanhechting tussen het beton en de langswapeningsstaven te bekomen. Tevens wordt de langswapening bij een tweelaagse betonverharding, in overeenstemming met het eerste project in tweelaags DGB te Herne, 1 cm lager geplaatst in vergelijking met een DGB in één laag aangelegd, om zo te verhinderen dat er een verstoring van het beton rond deze wapening zou optreden tijdens het verdichten van de deklaag.

3 2.2. Actieve scheuraanzet De uitdaging voor het DGB blijft het verkrijgen van een regelmatig scheurpatroon. Bij scheuren die zeer dicht bij elkaar liggen, bestaat het gevaar dat het tussenliggende gedeelte zich als een balk zal gedragen waardoor de kans op punch-out groter wordt. Ook ver uiteen gelegen scheuren vormen een gevaar. De scheuren zullen in dit geval meer open komen te staan waardoor water vrij snel kan binnendringen. Dit kan leiden tot horizontale scheuren ter hoogte van de wapening. Gezien het hoge wapeningsgehalte dat in België gehanteerd wordt, is het risico op dit type scheuren beperkt, maar enkele recente schadegevallen tonen toch het belang van een goed scheurpatroon aan, met een regelmatige tussenafstand, optimaal gelegen tussen 0,6 m en 2,4 m. Door gebruik te maken van de actieve scheuraanzet zal een meer regelmatig scheurpatroon bekomen worden. Actieve scheurvorming is reeds langer gekend in het buitenland. Hier werd telkens vastgesteld dat door het aanbrengen van een scheuraanzet de scheuren sneller ontstonden en een regelmatiger patroon vertoonden dan bij passieve scheurvorming. Bij de vakken met passieve scheuren duurde het 18 maanden om hetzelfde aantal scheuren te bekomen die bij de secties met actieve scheurcontrole al na 1 maand aanwezig waren. De methodes toegepast in het buitenland waren echter zeer omslachtig en bovendien moeilijk toe te passen in combinatie met het uitwassen van het oppervlak. De actieve scheuraanzet werd bovendien vaak over de volledige breedte aangebracht waardoor het duurzame karakter van het DGB in het gedrang komt gezien dan als het ware voegen ontstaan. Waarnemingen op rotondes in DGB hebben echter aangetoond dat een eenvoudige dwarsvoeg in het middeneiland reeds voldoende is als aanzet voor een radiale scheur in het DGB. Dit is omgezet naar een korte zaagsnede aan de zijkant van de aangelegde betonstrook. Eerste ervaringen, onder andere bij de heraanleg van de E313 ter hoogte van Grobbendonk in tweelaags DGB (2012) hebben geleid tot volgende voorschriften, opgenomen in het Standaardbestek 250 versie 3.1: zaagsnede van 40 cm lang en een diepte van 40 mm aangebracht binnen de 24 uur na betonneren, om de 1,20 m. Doctoraatswerk, uitgevoerd door Dongya Ren, heeft aan de hand van een theoretische analyse en een validatie in de praktijk aangetoond dat dit inderdaad vrij snel tot een optimaal scheurpatroon leidt Geluidsarme betonverharding Het bekomen van een geluidsarm wegdek is ook hier een belangrijk punt, gezien de verharding slechts gedeeltelijk in een tunnel loopt. Het overgrote deel bevindt zich in een open sleuf. Daarom is hier gekozen voor de uitvoering in twee lagen, met in de bovenlaag een beton met maximale korrelafmeting gelijk aan 6,3 mm. Dit leidt tot een optimale textuur aan het oppervlak. Ervaringen met reeds aangelegde betonwegen in een- of tweelaags doorgaand gewapend beton leren dat inderdaad stille wegdekken kunnen bekomen worden, zoals blijkt uit de resultaten weergegeven in figuur 2, opgemeten met CPX (Close Proximity measurements), bij 80 km/uur voor een personenwagen. Ter vergelijking: de CPX-waarde van de referentieverharding (SMA-C, korrelmaat 0/10) bedraagt 99 db(a). In het geval van eenlaags DGB wordt de maximum korrelmaat beperkt tot 20 mm, in sommige gevallen zelfs 14 mm, en wordt er een overmaat aan de fractie 4/6,3 toegepast. Het gehalte aan fijne stenen 4/6,3 dient minstens 20% van het zandsteenslagmengsel te bedragen. Door de verdichting van het beton met de trilnaalden van de glijbekistingmachine zakken de grotere stenen en komen de fijnere stenen meer naar het oppervlak, waar ze na het uitwassen verschijnen.

4 Wanneer tweelaags DGB wordt toegepast, wordt een deklaag voorzien met uitsluitend steenslag van de fractie 4/6,3 naast de zandfractie 0/4, zodat de textuur op vlak van rolgeluid werkelijk geoptimaliseerd wordt. Figuur 2: Overzicht van rolgeluidsniveaus gemeten met CPX-methode (met SRTT band aan 80 km/h) op verschillende betonverhardingen in functie van het jaar van aanleg [metingen uitgevoerd door AWV]. 3. Ontwerp van de A Opbouw van de verharding De A11 is een autosnelweg met telkens twee rijstroken. Voor de autosnelweg is gekozen voor een asfaltverharding. In het sleuf/tunnel-gedeelte is geopteerd voor een verharding in DGB. Deze bestaat per rijrichting uit twee rijstroken, telkens 3,75 m breed, een pechstrook met variabele breedte, en een redresseerstrook, 2,02 m breed, zoals aangegeven in figuur 3. De verharding steunt op de vloerplaat van de tunnel, met een dikte van 1,00 m. Deze vloerplaat, geplaatst op een paalfundering, doet dienst als fundering voor de verharding.

5 Figuur 3: Dwarsdoorsnede van de tunnel op de A11. Volgende opbouw is voorzien: 5 cm deklaag in uitgewassen beton 0/6,3 mm 17 cm onderlaag, de wapening bevindt zich op een 5-tal cm van het oppervlak van de onderlaag 5 cm sandwichlaag 5 cm ZOAB draineerlaag 100 cm vloerplaat tunnel 10 cm zuiverheidsbeton Funderingspalen 3.2. Betonsamenstelling Voor de betonsamenstelling (A-Beton Brugge) zijn de eisen van het SB 250 gevolgd, zoals weergegeven in tabel 1. Tabel 1: Eisen opgelegd aan de betonsamenstellingen voor de onderlaag en de deklaag. Beton voor onderlaag Beton voor deklaag D max Minimale cementhoeveelheid Beoogde w/cfactor Beoogd luchtgehalte Gemiddelde druksterkte 31,5 mm 375 kg/m³ 0,42 ( 0,45) - 70 MPa op kernen na 90 dagen 6,3 mm 425 kg/m³ 0,40 ( 0,42) 5,0% 50 MPa op kubussen na 28 dagen Voor de deklaag is gebruik gemaakt van porfier 4/6 en rond zand. Een luchtbelvormer en plastificeerder zijn toegevoegd om het vereiste luchtbelgehalte te bekomen evenals de gewenste verwerkbaarheid. De onderlaag is aangelegd met kalksteengranulaat als grof granulaat. Gezien niet op deze laag gereden wordt vervalt de eis betreffende de polijstbaarheid van het granulaat en kan dus overgegaan worden naar een kwalitatieve kalksteen. Ook hier is een plastificeerder toegevoegd, maar geen luchtbelvormer.

6 4. Uitvoeringsaspecten De uitvoering in de sleuf en in de tunnelsegmenten wijkt op zich weinig af van de klassieke uitvoering van een verharding in doorgaand gewapend beton. De logistieke kant vraagt wel meer aandacht, gezien de toegankelijkheid niet altijd gegarandeerd kan worden. In het geval van de A11 is meer dan 5,00 m voorzien als hoogte in de tunnel, waardoor het mogelijk blijft de aanvoer van beton te realiseren met behulp van kipwagens en een kraan. De aanleg is in verschillende fasen gebeurd: eerst de pechstrook met de helft van de rechter rijstrook en vervolgens de andere helft samen met de linkerrijstrook. De aanleg per strook gebeurde continu, 24h op 24h, zonder eindedagvoeg. De eerste sleuf is aangelegd van maart tot juni 2016, waarbij de verharding geplaatst is in de periode april-mei, de tweede sleuf is een jaar later aangelegd (maart-juni 2017) met de aanleg van de eerste zone (pechstrook en helft rechterrijstrook) in de week van 20 maart 2017 en de tweede zone in de week van 3 april Na het plaatsen van de verschillende asfaltlagen start de aanleg van de betonverharding met de plaatsing van de wapening. Het beton voor de onderlaag wordt geleverd in kipwagens, die het beton lossen in een wachtcontainer, zie figuur 4. Hierdoor kan de continue aanvoer verzekerd worden en kan de glijbekistingsmachine een constante snelheid aanhouden. Het beton wordt over de wapening gespreid door middel van een kraan. Vervolgens wordt het beton verder verspreid en verdicht door middel van een glijbekistingsmachine. Deze zorgt ook voor de automatische indrijving van de ankerstaven in het verse beton ter hoogte van de langsvoeg. Achter deze glijbekistingsmachine is geen supersmoother voorzien. Figuur 4: Evolutie van de betonwerken: plaatsen van de wapening aanvoer beton onderlaag met kipwagens in wachtcontainer verspreiding beton onderlaag met behulp van kraan verdichting beton onderlaag met glijbekistingsmachine aanvoer beton deklaag met betonmixer verspreiden beton deklaag met kraan verdichten met behulp van glijbekistingsmachine aanbrengen bindingsvertrager en plastiekfolie. Het beton voor de deklaag wordt aangeleverd door een betonmixer en verder verspreid met behulp van een kraan. De verdichting gebeurt door een tweede glijbekistingsmachine, die vrij kort na de eerste volgt. De tijd tussen aanbrengen van de eerste en de tweede laag mag volgens het SB 250 maximaal een half uur zijn. Hierdoor wordt een volledige hechting tussen beide lagen gegarandeerd.

7 Achter de tweede glijbekistingsmachine bevindt zich een supersmoother. Deze zal kleine oneffenheden die ontstaan zijn tijdens het verdichten van het beton wegwerken. Ten slotte wordt een oppervlakte-bindingsvertrager aangebracht op het oppervlak van het pas aangelegde beton en wordt het geheel afgedekt met een plastiekfolie. Belangrijk hierbij is dat de wind niet onder de folie kan komen en dat ook de zijkanten beschermd worden. Dit gebeurt door het aanbrengen van ballast op de zijkanten. In het geval van de A11 zijn hiervoor houten planken gebruikt, zie figuur 5. Figure 5: Aanbrengen en verzwaren van plastiekfolie na het aanbrengen van de oppervlaktebindingsvertrager op het oppervlak van de betonverharding. Binnen de 24 uur na aanleg wordt vervolgens het oppervlak uitgewassen door middel van nat borstelen, zoals aangegeven in figuur 6. Drie overgangen van de borstelwagen worden voorzien. Hierbij is het van belang dat de cementslurry niet blijft liggen op de naastgelegen strook. Een goede reiniging van de asfalt tussenlaag, zoals aangegeven in figuur 7, zorgt ervoor dat de hechting tussen het beton en de asfaltlaag niet in het gedrang komt. Deze hechting zal immers mee de levensduur van de betonverharding bepalen. Figuur 6: Uitwassen van de betonverharding resulteert in een optimale textuur aan het oppervlak.

8 Figuur 7: Reinigen van de naastgelegen strook na het uitwassen van het beton om opnieuw een goede hechting te bekomen. De zaagsnedes voor de actieve scheuraanzet worden gelijktijdig met of juist na het uitwassen aangebracht. In de tweede strook van fase 2 is het inzagen zelfs voor het uitwassen gebeurd. Hierdoor zijn sommige zaagsnedes opnieuw licht opgevuld met cementslurry (zie verderop in figuur 10). Dit heeft echter niet verhinderd dat de scheuraanzetten hun werking gedaan hebben, zoals blijkt uit de metingen, aangegeven in volgende paragraaf. Figuur 8: Aanbrengen van zaagsnedes onmiddellijk na het uitwassen van de betonverharding met een tussenafstand van 1,20 m. Ter hoogte van de (nog met plastiekfolie afgedekte) kolk wordt een extra zaagsnede aangebracht.

9 5. Scheuropmetingen Op 2 augustus 2017 is een visuele inspectie uitgevoerd ter bepaling van de werking van de scheuraanzetten. Tijdens deze inspectie is enerzijds nagegaan of de scheuraanzet aanleiding gegeven heeft tot een scheur en of er extra scheuren tussen de scheuraanzetten aanwezig waren. De exacte afstand tussen deze scheuren en de scheuraanzetten is niet opgemeten. Er is voor de verwerking verondersteld dat deze in het midden tussen twee scheuraanzetten gelegen waren. In realiteit was deze afstand gelegen tussen 10 cm en 60 cm. De afstand tussen de twee aanzetten ter hoogte van de slokker bedraagt ongeveer 0,65 m. De inspectie is uitgevoerd op de rijbaan, richting Knokke, zowel op de eerste strook (pechstrook en helft van rechter rijstrook) als op de tweede strook (helft rechter rijstrook en linker rijstrook). Op elke strook werd ongeveer 1 km opgemeten, en dit zowel in het tunnelsegment als in de open sleuf. In figuur 9 is het cumulatief aandeel van de scheuren in functie van de scheurafstand weergegeven. Een optimaal scheurpatroon zal streven naar scheurafstanden tussen 0,6 en 2,4 m. Dit dient wel bekeken te worden in functie van de betonsamenstelling en het wapeningspercentage. Figuur 9: Cumulatief aandeel van de scheurafstanden, opgemeten op de A11, richting Knokke. Een duidelijk verschil is merkbaar tussen het gedeelte in de open sleuf en in de tunnel, niet zozeer wat de scheurafstand betreft, maar wel wat de scheurwijdte betreft. De scheuropening in het tunnelsegment is veel kleiner vergeleken met de scheuropening in het gedeelte in de open sleuf, zoals zichtbaar op figuur 10. Dit effect is in beide stroken zichtbaar en is enerzijds een gevolg van de kleinere (gemiddelde) temperatuurvariatie en van de beperktere opwarming aan het oppervlak omwille van de rechtstreekse bezonning wat leidt tot een kleinere temperatuurgradiënt. De scheurwijdte was in sommige gevallen zo beperkt dat de scheur bijna niet meer zichtbaar was. Zo is bij strook 1 een zone van 18 m in de tunnelzone vastgesteld waarbinnen geen zichtbare scheuren aanwezig waren. Dit effect was meer merkbaar in strook 1 dan in strook 2, waar wel op regelmatige basis zeer fijne scheuren merkbaar waren. In beide gevallen (open sleuf of tunnel) is een regelmatig scheurpatroon aanwezig met respectievelijk 74% en 78% van de scheuren gelegen in de optimale zone tussen 0,6 en 2,4 m.

10 Ter vergelijking kan verwezen worden naar vroegere metingen op autosnelwegen zonder scheuraanzet, waarbij enkele maanden na aanleg slechts een kleine 30% in deze zone gelegen was. Figuur 10: Scheuren ter hoogte van scheuraanzet in tunnelsegment (strook 2) en in open sleuf segment (zone 1). De scheurwijdte is zeer beperkt in het tunnelsegment. De gemiddelde scheurafstand is kleiner voor strook 2 dan voor strook 1 (zie ook in tabel 2). Dit is hoogstwaarschijnlijk het gevolg van het vroeger aanbrengen van de scheuraanzetten. Het uitwassen bij strook 1 is iets later gestart, na ongeveer 20 uur, dan bij strook 2, waar het uitwassen na ongeveer 16 uur gestart is. Bovendien is bij strook 2 het inzagen tijdens het uitwassen gebeurd. Bij strook 1 was dit na het beëindigen van het uitwassen. Het vroeger aanbrengen van de scheuraanzetten leidt tot meer werkende scheuraanzetten en een hoger percentage van de scheuren die zich aan de scheuraanzet vormen. Strook 2 heeft dan ook een meer regelmatig scheurpatroon dan strook 1, maar beiden bevinden zich grotendeels in de optimale zone. Er dient opgemerkt te worden dat de tussenliggende scheuren in strook 2 zich voornamelijk bevinden ter hoogte van de detectielussen. Het hoger aantal scheuraanzetten in strook 1 is het gevolg van de aanwezigheid van de kolken. Hier is telkens een zaagsnede bij het begin en het einde aangebracht. Deze extra zaagsnedes leiden niet noodzakelijk tot een extra scheur. Bij de 55 opgemeten kolken bleek in evenveel gevallen de dubbele scheuraanzet te leiden tot twee (18%) of geen scheuren (18%). Bij de overgrote meerderheid, namelijk 64% was een van beide scheuraanzetten doorgegroeid tot een scheur, wat overeenstemt met het verwachte scheurpatroon. Een put in de verharding leidt steeds tot een scheur. Tabel 2: Resultaten van de visuele inspectie van de scheuraanzetten. Strook 1 Strook 2 Aantal geïnspecteerde scheuraanzetten Geïnspecteerde lengte 968 m 981 m (20 m extra geïnspecteerd in tunnelgedeelte dat volgt op startpunt) Aantal scheuren Aantal werkende scheuraanzetten 36% 65% Aantal scheuren aan aanzet 69% 83% Gemiddelde scheurafstand In tunnelsectie In open sleuf 2,26 m 2,59 m 2,16 m 1,58 m 1,89 m 1,45 m

11 6. Besluit Voor de aanleg van de verharding in de open sleuf en in het tunnelsegment op de A11 is gekozen voor een tweelaagse betonverharding, met scheuraanzetten. Een eerste evaluatie van het scheurpatroon toont inderdaad een zeer regelmatig patroon, met gemiddeld meer dan 75% van de scheurafstanden gelegen tussen de 0,6 m en de 2,4 m. Dit wijst erop dat er zeer weinig dicht bij elkaar gelegen scheuren aanwezig zijn, maar dat ook grote scheurafstanden vermeden worden. Het vroeger aanbrengen van de scheuraanzetten leidt tot een meer regelmatig scheurpatroon en kortere scheurafstanden en een snellere vorming van het optimale scheurpatroon ter hoogte van deze scheuraanzetten. De tweelaagse uitvoering leidt tot een stillere betonverharding. Geluidsmetingen waren echter nog niet uitgevoerd ten tijde van het schrijven van deze paper. 7. Referenties Beeldens A., De Winne P., Hoeghe K., Horizontal cracking: analysing the problem, 8th International DUT-Workshop on Research and Innovations for Design of Sustainable and Durable Concrete Pavements, Prague, Czech Republic, September 20-21, Houben Lambert, Ren Dongya, Beeldens Anne, Rens Luc, Durable continuously reinforced concrete pavements through active crack control, 3rd International Conference on Best Practices for Concrete Pavements, October 2015, IBRACON, Bonito, Brazil, p. 17, Kohler Erwin; Roesler Jeffery, Active crack control for continuously reinforced concrete pavements; University of Illinois; Journal of the Transportation Research Board N 1900, TRB, National Research Council, Washington D.C., pp , Ren Dongya, Houben Lambert, Rens Luc, Characterization of cracking behaviour of continuously reinforced concrete pavements under current design concept in Belgium; Annual Meeting of the Transportation Research Board, Ren Dongya, Houben Lambert, Rens Luc, Beeldens Ann, Active crack control for continuously reinforced concrete pavements in Belgium through partial surface notches; Annual meeting of the Transportation Research Board, Ren, Dongya, Probabilistic structural design of continuously reinforced concrete pavements; Delft: Doctoral dissertation, TU Delft, The Netherlands, Rens Luc, Beeldens Anne, De Winne Pieter, Recent developments in the design and construction of CRCP - Towards a more durable concept, International symposium on Concrete Roads, Prague, Czech Republic, 2014.