Joost Gulikers Dienst Infrastructuur Afdeling Civiele Techniek LEVENSDUUR VAN INFRASTRUCTUUR: DE (ONGEZONDE) SPANNING TUSSEN THEORIE EN PRAKTIJK Inleiding Dienst Infrastructuur: Ontwikkeling, realisatie en management van viaducten, bruggen, tunnels, sluizen en (water)wegen 2 hoofdspecialismen: technologie en project management DOEL RWS-DI: DE NATIONALE INFRASTRUCTUUR IN EEN VEILIGE EN BRUIKBARE CONDITIE HOUDEN 2
Kenmerken Infrastructuur: economisch belang Eigen richtlijnen (ROK/RBK): annex bij de normen Ontwerplevensduur: 100 jaar Onderhoudsarm/vrij Preventief onderhoud Groot deel: beton (gewapend voorgespannen) 3 Beton Cement-toeslagmateriaal-water D max = 16 32mm; 2400 kg/m 3 Cementgehalte: 280-400kg/m 3 Water: wcf = 0.35-0.60 Bindmiddelen: hoogovenslak poederkoolvliegas Vulmiddelen: kalksteenmeel kwartsmeel Hulpstoffen: plastificeerder luchtbelvormer Toeslagmaterialen: riviergrind - zeegrind 4
Gewapend beton Druksterkte: 15-120 MPa (bijv C35/45) Treksterkte: ca. 10% Wapeningsstaal: 6-32mm Alkalisch milieu (ph > 13) (Open) porositeit: 10-20% 5 Levensduur duurzaamheid betonnen kunstwerken Degradatiemechanismen: Vorst-dooi Sulfaataantasting ASR Wapeningscorrosie (CO 2 Cl - ) 6
Vorst-dooischade 7 ASR (Alkali-Silica-Reactie) 8
Duurzaamheid - ontwerp Normen deemed-to-satisfy: Milieuklasse: XC XD - XS Max wcf; min. cementgehalte Scheurwijdte Betondekking: basis is 50jr Betondekking 100jr: +10mm 35 60mm Verdichting Nabehandeling (betonoppervlak) 9 Duurzaamheid - ontwerp Prestatie-eisen: Doel is het behalen van een bepaalde prestatie en hoe dat behaald wordt is aan de ON Onderscheid in cementen Meest economische oplossing 10
Voorbeeld (A2-Maastricht) ON: onderschrijdingskans van 10% Probabilistische aanpak??? 11 MaVa Project 12
Project MaVa Afstand van ca. 30km Maasvlakte-Vaanplein Combinatie van nieuwe bestaande constructies (kunstwerken) Ontwerplevensduur: 100 jaar DBFM contract: Design, Build, Finance and Maintain Opdrachtnemer: meer vrijheid in oplossingen MAAR verantwoordelijk gedurende contractduur van 25-30 jaar Criterium voor betaling: aantoonbaar optimale verkeerscapaciteit 13 Project MaVa conditie startconditie model voorspelling huidige conditie minimum niveau minimum niveau t Insp restlevensduur 100 ouderdom van het kunstwerk [jr] 14
15 Tabellen voor 80, 100 en 200(!!) jaar 16
CUR LEIDRAAD 1 Semi-probabilistische aanpak DuraCrete model (goede ervaring in praktijk: GHT/Westerscheldetunnel) Draaiknoppenmethode ; geen kritische evaluatie Argumentatie voor prestatiegerichte aanpak: Onderscheid in cementsoort Variabele ontwerplevensduur 17 CUR Leidraad 1 mean migration coeff., µdrcm,o [10-12 m 2 /s] 50 40 30 20 10 t dsl = 100yr marine environment (XS2 - XS3) t o = 28d 0 30 40 50 60 70 mean cover depth, µc [mm] CEM II/B-V CEM I CEM III/A CEM III/B 18
Realistisch?? gem. betondekking, µc [mm] 41 40 39 38 37 36 35 34 CUR Leidraad 1 t dsl,ref = 50jr µc ref = 35mm XD1-XD2-XD3-XS1 referentiesituatie 0 50 100 150 200 250 ontwerplevensduur, t dsl [yr] CEM I CEM III/A CEM III/B CEM II/B-V 19 Afleiding van prestatie-eisen - 1 2 δc δ C = δt δx Oplossing van de 2 e Wet van Fick: 2 ( ) = C ( ) s Cs Ci erf 2 Da t C x,t x 20
Chlorideprofiel chloride content, C [%m/m cement] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 C s 100yr 40yr 10yr C i D a = 5.274mm 2 /yr C s = 1.5% C i = 0.1% C crit 0,0 0 20 40 60 80 100 distance to exposed concrete surface, x [mm] 21 Afeleiding van prestatie-eisen 2 Kwantiteit ( ) = C ( ) s Cs Ci erf 2 Da t C x,t Einde levensduur: C(c; t dsl ) = C crit Tijd-afhankelijkheid: Beproevingsmethode: 22 x D D a a D a ( t) = D ( t ) a ref c = Cs C 2inverf Cs Ci a tref t ( t ) = Πk D ( t ) ref j test ref crit 2 Kwaliteit 1 t dsl
Afleiding van prestatie-eisen - 3 DuraCrete D nssm c = Cs C 2inverf Cs Ci crit 2 1 t ke k c t ref dsl a t dsl Chloride migratiecoëfficiënt k e : omgevingsfactor k c : nabehandelingsfactor a: verouderingsexponent 23 Semi-probabilistische benadering - 1 Toeslag in betondekking c (Rostam) 24
Semi-probabilistische benadering - 2 CUR Leidraad 1; toeslag in betondekking c µ D nssm c c = Cs C 2inverf Cs Ci crit 2 1 a 0.0767 ke k c t tdsl dsl Wapeningsstaal: c = 20mm P dep < 10% Voorspanstaal: c = 30mm P dep < 5% 25 CUR Leidraad 1 Semi-probabilistische???????? 26
Kans van circa 10%? 20.6% probability, Pi [%] 25 20 15 10 5 t dsl = 100yr target level CEM II/B-V; XD CEM III/B; XD CEM III/A; XD CEM I; XD CEM II/B-V; XS CEM III/B; XS CEM III/A; XS CEM I; XS 0.5% 0 30 40 50 60 70 mean cover depth, µc [mm] 27 Opstelling versnelde migratieproef - 1 DC spanningsbron Rubber mof Anode Anolyt proefstuk kathode Catholyt Kunststof ondersteuning Kunststof reservoir 28
Opstelling versnelde migratieproef - 2 29 Versnelde Chloride Migratieproef - 1 Drijvende kracht: opgelegd elektrisch veld (400 1200 V/m 1 ) Duur: 12-48h Vertaling van de indringdiepte naar D nssm D nssm is afhankelijk van de ouderdom (verouderingseffect; type cement) 30
Versnelde Chloride Migratieproef - 2 free Cl - concentration, C [mol/l] 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 48h 90d diffusion D nssm = 10 10-12 m 2 /s U eff = 30V L = 50mm t = 48h c o = 1.9M migration 48h 0 10 20 30 40 50 distance to concrete surface, x [mm] Tsunami profiel 31 Versnelde Chloride Migratieproef - 3 32
Versnelde Chloride Migratieproef - 4 chloride content, C [%m/m concrete] 0,5 total 0,4 water soluble free 0,3 0,2 0,1 0,0 0 5 10 15 distance to exposed concrete surface, x [mm] 33 RELATIE W/B - D nssm D nssm [10-12 m 2 /s] 40 CEM I 30 20 CEM II/B-V 10 CEM III/B 0 w/b 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 34
RELATIE W/B - D nssm D nssm [10-12 m 2 /s] 40 30 20 CEM II/B-V 10 0 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 w/b 35 Theorie Laboratorium Praktijk! 36
Spanningsveld - conclusies Wetenschapper: iets nieuws ontwikkelen en zsm publiceren Wetenschapper: bedenkt oplossing en later wordt het bijbehorende probleem gezocht Wetenschapper: denkt in modellen/amper besef van praktijk Wetenschapper: vrijwel geen risico Toegevoegde waarde? Wat is het rendement? Wat is nu het feitelijke probleem? 37