Bodembescherming met colloïdaal beton Breuksteen gevuld met colloïdaal beton als bodembescherming bij de nieuwe spuigroepen van de Afsluitdijk 1 Kraanschip in actie met het aanbrengen van colloïdaal beton in de breuksteen (foto: Liz Kemp) 1 48? CEMENT 7 2024 De twee nieuwe spuigroepen in de Afsluitdijk bij Den Oever heb- ben als functie het overtollige water vanuit het IJsselmeer af te voeren (spuien) naar de Wadden - zee. Dit gebeurt via afsluitbare spuikokers onder vrij verval; het spuien vindt plaats wanneer de waterstand in de Waddenzee lager is dan in het IJsselmeer. Door de spui-openingen ontstaan grote stroomsnelheden van het water. In de spui - kokers is de snelheid het hoogst. Naarmate de afstand tot de spuikoker groter wordt en de waterdiepte toeneemt, neemt de stroom- snelheid af. Bodembescherming rondom de spui - groepen is nodig om erosie van de bodem door de zeer hoge stroomsnelheid en tur- bulentie van het water tegen te gaan. Hier- mee wordt voorkomen dat de spuigroepen hun (geotechnische) stabiliteit kunnen ver- liezen. Type bodembescherming Bij de nieuwe spuigroepen zijn aan de Waddenzeezijde drie verschillende typen bodembescherming toegepast (fig. 2): A harde bodembescherming van onder- waterbeton; B breuksteen gevuld met colloïdaal beton; C los gestorte breuksteen. Ook aan de IJsselmeerzijde van de spuigroe- pen wordt een bodembescherming toege- past (en op diverse andere plekken in het project, zoals de Vismigratierivier en de pompgroepen), maar hierop wordt in dit artikel niet nader ingegaan. Het toegepaste type bodembescherming aan de Waddenzeezijde is afhankelijk van de stroomsnelheid van het water en van de mogelijkheden ter plaatse. De bodem van de spuikoker en de in- en uitstroomopening is uitgevoerd in type A, onderwaterbeton (fig. 3). Dit type kan alleen worden aangebracht in afgesloten delen waar het beton niet kan wegvloeien (door middel van bijvoorbeeld een damwand of gesloten bouwkuip). De harde betonnen bodembescherming biedt weerstand tegen de hier aanwezige hoge stroomsnelheden van het water. Direct aansluitend is de bodembe- scherming uitgevoerd in type B: breuksteen gevuld met colloïdaal beton. Deze toepassing is ook bestand tegen hoge stroomsnelheden terwijl een afgesloten situatie niet noodzake- lijk is. Op grotere afstand van de spuikokers neemt de stroomsnelheid van het water af en volstaat een bodembescherming van type C: los gestorte breuksteen. Zoals in figuur 3 is aangegeven zijn er twee gebieden met type C. Het groene gedeelte is aangevuld met breuk - steen van 300-1000 kg en het paarse gedeelte met breuksteen 60-300 kg. De zwaardere stenen worden toegepast op de locatie waar de stroomsnelheid hoger is. ING. HARRY CORPORAAL MICT Materiaaltechnoloog Levvel / BAM Infraconsult IR. LIZ KEMP Kustwaterbouwkundig Ingenieur Levvel / BAM Infraconsult IR. INEKE VOS Kustwaterbouwkundig Ingenieur Levvel / BAM Infraconsult auteurs Bij de nieuwe spuigroepen bij Den Oever is aan de Waddenzeezijde een bodembescherming aangebracht. Deze is bestand tegen de hoge stroomsnelheden die optreden tijdens het spuien. De bodembescherming bestaat uit onderwaterbeton, breuksteen gevuld met colloïdaal beton en losse breuksteen. CEMENT 7 2024 ?49 A: Harde bodembescherming van beton B: Breuksteen gevuld met colloïdaal beton C: Los gestorte breuksteen 1. Onderwaterbeton 2. Grindlaag 30/60 mm Toepassing: Afgesloten bouwlocatie Bestand tegen hoge stroomsnelheden Volumieke massa 2350 kg/m 3 1 2 1 2 1. Breuksteen 10-60 kg, vol en zat gevuld met colloïdaal beton 2. Filterlaag(grind) 30/90 mm of direct op de bodem van keileem Toepassing: Niet afgesloten bouwlocatie Bestand tegen hoge stroomsnelheden Volumieke massa:  Breuksteen 2650 kg/m 3 Colloïdaal beton 2255 kg/m 3 1 2 3 1. Breuksteen 60-300 kg of 300-1000 kg 2. Grindlaag 63/180 mm 3. Zinkstuk of filterlaag(grind) 30/90 mm Toepassing: lagere stroomsnelheden Volumieke massa:  Breuksteen 2650 kg/m 3 Breuksteen gevuld met colloïdaal beton Dit artikel gaat verder alleen in op de bodem - bescherming die is opgebouwd met breuk - steen van 10-60 kg, gevuld met colloïdaal beton (B, fig. 3). De breukstenen zijn direct op de bodem van keileem geplaatst of op een laag grind (30/90 mm), ook wel filterlaag ge- heten. Dit is afhankelijk van de ondergrond. De grindlaag is toegepast om de uitspoeling van het fijnere bodemmateriaal (zand) tegen te gaan. Bij de keileemondergrond is een filterlaag niet noodzakelijk. De breukstenen (10-60 kg) zijn aange- bracht in laagdiktes verlopend van 0,8 m tot 1,0 m, afhankelijk van de belasting door de stroomsnelheid. De bodem verloopt hier in hoogte en heeft een maximale helling van 1:7 (fig. 3). Door het vullen van de breuksteen met colloïdaal beton is een samenhangende laag gemaakt, waarbij alle poriën (holle ruimtes) tussen de breuksteen zijn gevuld met beton. Hierdoor is de massa per m² gro- ter ten opzichte van de oplossing met losse breukstenen en kunnen de stenen niet meer losraken als gevolg van stroming. Colloïdaal beton De reden om colloïdaal beton toe te passen is dat de betonspecie tijdens aanbrengen voldoende weerstand moet hebben tegen 2 Opbouw van de verschillende typen bodembescherming aan Waddenzeezijde VERSCHIL TUSSEN ONDERWATERBETON EN COLLOÏDAAL BETON Onderwaterbeton en colloïdaal beton worden vaak door elkaar gehaald. Ze worden echter op verschillende manieren gebruikt: Onderwaterbeton is een speciaal samengesteld betonmengsel om beton onderwater te kunnen storten. Het wordt over het algemeen in afgesloten delen toegepast zoals bouwkuipen. Hierbij is het uit - gangspunt dat de betonspecie in het reeds gestorte beton wordt gepompt door middel van een zogenoemde 'hopdobber'. Onder- waterbeton biedt geen weerstand tegen uitspoelen en het zou, als het door het water heen zou vallen, uitspoelen, waardoor we niet meer kunnen spreken van beton. Binnen de Afsluitdijk is er voor het onderwaterbeton gewerkt met een sterkteklasse C20/25 of C30/37, met een verwerkbaarheid SF1 (vloeimaat 550-650 mm), 25% fijn grind. Dit beton is geschikt om over 200 m te kunnen verpompen. Colloïdaal beton is beton dat wordt gebruikt als het beton een stuk door het water heen moet verplaatsen, zonder daarbij uit elkaar te vallen. Aan het beton is een stabilisator (colloïdale hulp- stof) toegevoegd die alle materialen in de betonspecie bij elkaar houdt. De betonspecie krijgt hiermee een taaie/kleverige samen- hang. Door deze hogere viscositeit wordt het verpompen minder makkelijk. Bij de Afsluitdijk vindt dit type beton zijn toepassing in de bodem- bescherming waar het de holle ruimte tussen de onderwater aan- wezige breuksteen moet vullen en het daar aanwezige water moet verdringen. Er is een sterkteklasse van C20/25 toegepast met een vloeimaat van 350?550 mm en een maximale korreldiameter van 8 mm. 2 50? CEMENT 7 2024 A C B C A C B C A B NAP -17m NAP -7m Onderwaterbeton Breuksteen 10-60kg met colloïdaal beton Breuksteen 300-1000kg Breuksteen 60-300kg C C uitspoelen. De weerstand moet niet alleen groot genoeg zijn om water tussen de breuk - steen vandaan te kunnen verdrijven tijdens de stort, maar de betonspecie moet ook be- stand zijn tegen uitspoeling door golfslag kort na het storten. Om dit te bereiken is een colloïdale hulpstof toegepast. Het beton heeft verder voldoende vloei nodig om de maximaal 1,0 m dikke breuk - steenlaag te kunnen vullen. De viscositeit is met de colloïdale hulpstof zo gemaakt, dat de betonspecie tegen de breuksteen blijft aanhangen en zo ook onder een helling van 1:7 de gehele laagdikte, tot de bovenste ste- nen, zogezegd 'vol en zat', kan vullen. Het mengselprincipe is volledig an - ders dan bij normaal beton of onderwater- beton. Weerstand tegen uitspoelen wordt be- paald door de verhouding colloïdale hulpstof en water. De weerstand tegen uitspoelen en de viscositeit worden lager bij meer water ten opzichte van colloïdale hulpstof. Bij meer water ten opzichte van colloïdale hulp- stof worden de viscositeit en de weerstand tegen uitspoelen door water lager. Het vloeigedrag is ten slotte nog bij te sturen met superplastificeerder (PCE). In dit project is dit gedaan om verlies van ver- werkbaarheid als gevolg van het verpompen te kunnen opvangen (over het aanbrengen verderop meer). Belangrijk is dat er geen hulpstoffen worden toegepast die de opper- vlaktespanning van het water verlagen, zo- als lignosulfonaat. Deze stoffen doen de wer- king van de colloïdale hulpstof teniet. Er is een vloeimaat van 350-550 mm toegepast, een sterkteklasse van C20/25 en een maxi - male korreldiameter van 8 mm. Dit laatste opdat het beton in alle holle ruimtes tussen de breuksteen kan doordringen. Weerstand tegen uitspoeling De weerstand van het beton tegen uitspoelen is getest volgens de methode zoals omschre- ven in CUR-Aanbeveling 18 ? Colloïdaal beton. Bij deze proef wordt 2 kg betonspecie in 3 Typen bodembescherming bij de nieuwe spuigroepen (foto: Rijkswaterstaat/0Levvel/Topview) Door het vullen van de breuksteen met colloïdaal beton wordt een samenhangende laag gemaakt 3 PROJECTGEGEVENS project Afsluitdijk, Bodembescherming opdrachtgever Rijkswaterstaat opdrachtnemer LevveL, bestaande uit BAM, Van Oord, Rebel en Invesis ontwerp BAM Infraconsult, afdeling Water uitvoering Van Oord mengselontwerp Dyckerhoff Basal Betonmortel, BAM Infraconsult, afdeling Materiaaltechnologie levering betonmortel Dyckerhoff Basal Betonmortel CEMENT 7 2024 ?51 4 5 6 4 Breuksteen 10-60 kg 5 Colloïdaal beton 6 2 kg betonspecie in de korf voor het bepalen van de weerstand tegen uitspoeling (foto's: Harry Corporaal) een korf gestort (foto 6). De korf is voorzien van een in de Aanbeveling vastgestelde per- foratie. Aan de bovenzijde van de korf is een koord bevestigd om de korf in en uit het water te kunnen halen. In de testopstelling is een verticale buis van plexiglas toegepast met een diameter van 190 mm. Deze buis is gevuld met water over een hoogte van 1,7 m. De korf wordt vervolgens van boven in een vrije val door de 1,7 m waterkolom naar beneden gelaten en komt met een schok op de bodem te- recht. Daarna wordt de korf in vijf seconden tijd omhooggetrokken door dezelfde water- kolom. Op basis van weging wordt bepaald hoeveel cement of ander fijn materiaal is uitgespoeld. CUR-Aanbeveling 18 geeft een eis dat het massaverlies maximaal 5% mag zijn nadat de korf drie keer naar beneden is gevallen en weer omhoog is gehesen. Het col - loïdaal betonmengsel in dit project kent een massaverlies van 3,7% na drie keer door de buis te zijn afgelaten en opgetrokken (tabel 1). Testen tot op de bodem De werkelijke kwaliteit van de bodembe- scherming met breuksteen en colloïdaal be- ton is vooraf getest in een 1:1-proefopstelling. uitspoeling eerste val 0,6% tweede val 2,3% derde val 3,7% Eis CUR-18 < 5% (voldoet) 52? CEMENT 7 2024 Hierbij is een laagdikte van 1,5 m breuksteen aangehouden. Er is voor deze 1,5 m gekozen omdat dat de maximale toe te passen laag - dikte is bij andere delen van de Afsluitdijk. De testen geven ook een beeld van een de bodembescherming met een kleinere laag - dikte van 0,8-1,0 m. De testen geven invulling aan de eis in CUR-Aanbeveling 18 om prak - tijktesten uit te voeren. Bij de testen is de breuksteen van 10-60 kg geplaatst in een geperforeerde sta - len kist (foto 7) gebaseerd op BAW-proef (BAW-2017-129-D). Deze kist is onderwater geplaatst en er is met een grijper colloïdaal beton in gestort. Na het ontkisten is visueel vastgesteld of de betonspecie volledig tot op de bodem tussen de breukstenen is gevloeid. Tevens is met behulp van weging bepaald hoeveel beton hiervoor nodig is (foto 8). De belangrijkste conclusie was dat bij grotere laagdiktes breuksteen de viscositeit van het beton moest worden verhoogd om voldoende weerstand te bieden tegen uit- spoeling. Daarnaast bleek het cruciaal dat de grijper de betonspecie vlak boven de ste- nen in één keer lost, zodat de betonspecie als een 'lava-bel' in één keer het water kan verdringen. De testen hebben de bevestiging gegeven dat het mengsel samenhangend van samenstelling de juiste kwaliteit kan leveren. Ook is gebleken hoeveel liter beton per m³ aangebrachte stortsteen moet te worden toegepast. Praktijk In de praktijk is het beton gestort met een kraanschip. Het schip had containers aan boord waar de colloïdale betonspecie vanaf de oever met truckmixers in is verpompt (foto 9). Het schip had een grijper van onge- veer 1,5 m³ inhoud. Toen de containers wa - ren gevuld, voer het schip naar de juiste 7a De betonspecie moet voldoende weerstand hebben tegen uitspoelen 7 Praktijktest: (a) stalenkist, (b) breuksteen 10-60 kg, (c) storten van colloïdaal beton (foto's: Harry Corporaal) 8 1,5 m dikke laag breuksteen 10-60 kg gevuld met colloïdaal beton (foto: Harry Corporaal) 7b 7c 8 CEMENT 7 2024 ?53 9 10 9 Colloïdaal beton verpompen naar de containerbakken op het kraanschip (foto: NSM-Drone Levvel)10 Surveyschip met multibeam (foto: Liz Kemp) 54? CEMENT 7 2024 12 locatie. Daar aangekomen is de grijper ge- vuld met betonspecie en onderwater tot net boven de breuksteen gebracht. De grijper loste op deze diepte in één keer de colloïdale betonspecie, die vervolgens tussen de breukstenen vloeide. Het kraanschip werkte met een nauw - keurig GPS-systeem, en een kaart waar dambord vakjes (2D in bovenaanzicht) op zijn weergegeven. De grootte van het vakje is afgestemd op de inhoud van de grijper en de laagdikte van de breuksteen. De machinist stortte in elk vakje één volle grijper beton - specie. Monitoring Na het aanbrengen van de colloïdale beton - specie moest worden vastgesteld of alle breuksteen was gevuld (vol en zat). Dit is gedaan vanaf een surveyschip met een zoge- noemde 'multibeam' (foto 10). Hiermee is het oppervlak en de diepte van de bodem gescand met geluidsgolven. Met deze techniek kon de breuksteen goed zichtbaar worden gemaakt. In figuur 11 is een tussentijdse bodemopname weergege- ven die is gemaakt om de voortgang van het aanbrengen van het colloïdale beton inzich - telijk te maken. Op locatie 1 bevindt zich alleen nog losse breuksteen en is duidelijk reliëf zichtbaar. Na het vullen met beton is dit reliëf verdwenen en is de bovenzijde is nu vol en zat gevuld (locatie 2). Nederland veilig Het maken van hoogwaardige bodem - bescherming is een hele uitdaging. In 2024 is de gehele bodembescherming aan de Waddenzeezijde naar tevredenheid gereali - seerd. De 28.000 m² bodembescherming met 77.000 ton breuksteen en 3400 m³ colloïdaal beton helpen om Nederland veiliger te maken. Met een multi - beam wordt zichtbaar of alle breuksteen is gevuld met colloïdaal beton 11 11 Multibeamscan: locatie 1 is met alleen losse breuksteen, locatie 2 is de breuksteen gevuld met colloïdaal beton DANK Het slagen van dit project is mogelijk gemaakt door de samenwerking van BAM, Van Oord, Dyckerhoff Basal en Rijkswaterstaat. Speciale dank gaat uit naar Willem Frederik Louwersheimer, Ferdy Willemsen en Frans Hoksbergen. CEMENT 7 2024 ?55