? bruggenbouw ? onderzoek ? duurzaamheidDr.R,B.Polder, TNO Bouw, afdeling Bouwtechnologie, R?sw?k,secretaris/rapporteur CUR-onderzoekscommissie B67In de afgelopen jaren is bij beheerders van kunstwerken de indrukontstaan datin sommi-ge gevallen het beton onder de asfaltdeklaag schade vertoont in de vorm van verlies vansamenhang. De frequentie en de oorzaken waren onbekend. De CUR heeft hiernaar eersteen inventarisatie en vervolgens een gericht onderzoek uitgevoerd. Dit artikel geeft debelangrijkste bevindingen weer.DUURZAAMHEIDBETONNENBRUGDEKKENONDERASFALTDEKLAGENCEMENT1998/2CUR-preadviescommissie PB67 'Duur-zaamheid betonnen brugdekken' heeft in1994 de omvang ge?nventariseerd vanschade aan beton onder asfaltdeklagen.Schade is gedefinieerd als het losliggen ofverpulveren van de dekking. Informatie isverkregen door interviews met 16 beheer-ders van R?kswaterstaat en Provincies, dieb? elkaar ongeveer 6000 betonnen bruggenen viaducten met een asfaltdeklaagbehe-ren. Over een beheersperiode van ongeveer10 jaar z?n circa 100 schadegevallen ge-meld.Uit de interviews is gebleken dat een aantalsignalen w?st op mogel?ke schade aan hetbetonnen dek:? cementsporen, roestsporen ofscheuren inhet asfalt;? holklinken en losliggen van het asfaltFactoren die I?ken b? te dragen aan een gro-tere kans op schade z?n:? oude constructies (van de jaren zestig ofdaarvoor);? oud asfalt(meerdan 15jaar) ofniet-water-dicht, slecht of dun asfalt;? hoge verkeersintensiteit of hoge verkeers-belasting;? hoge intensiteit van strooien met zout;? slechte afvoeren of slechte detaillering,met name de goten;? geringe betondekking;? slechte verdichting van het beton of lagedichtheid van de toplaag.De schade I?kt het meest voor te komen na-bij goten en lage delen waar zich veel waterkan verzamelen. Opmerkel?k is dat de be-heerders hetop hoofdlijnen metelkaar eenswaren dat de aanwezigheid van deze scha-de vooraf vr? goed kan worden herkend,maar dat de omvang niet goed kan wordenvoorspeld. De kosten van herstel kunnengroot z?n, mede door kostbare verkeers-maatregelen. Lastig is ook datde reparatiesdoor onverwacht grote omvang van de scha-de, langer duren dan was voorzien en mo?I?k z?n te begroten.Gezien de omvang ten opzichte van het ge"hele areaal, is deze schade volgens de com-missie geen acuutprobleem. Mogel?kz?n deminder belangr?ke gevallen b? de inventari-satie niet naar voren gekomen. In het pread-vies is aanbevolen een verdere inventarisa-tie uit te voeren en onderzoek te doen naarpreventieve maatregelen, wat eventueel zoukunnen uitmonden in regelgeving. Niet on-derzochtis welke mechanismen de gemeldeschaden veroorzaakt zouden kunnen heb"ben.Onderzoek aan twee bruggenVan 1995 tot 1997 heeft CUR-onderzoeks-commissie B67 'Duurzaamheid van beton-nen brugdekken onder asfaltdeklagen' veld-en laboratoriumonderzoek begeleid [1tm.4]. Hetdoel van ditonderzoek was een beterinzicht te kr?gen in:? de oorzaken (schademechanismen) dieleiden tot schade aan betonnen brugdek"ken onder een (asfalt)deklaag;? de mogel?kheden die impulsradar biedt,naast bestaande technieken zoals visueleinspectie, afkloppen en dergel?ke, voorhet nauwkeuriger niet-destructief vastleg-gen van de verwachte omvang van deschade.Op basis van het onderzoek zou de commis-sie aanbevelingen moeten doen voor een re-ductie van de schade in de toekomst25? bruggenbouw ? onderzoek ? duurzaamheid1~ ~-,6"".5-=.,~-,m ,..-,f.,I< ,I'13.00 mCD Brug Asperen met gootdetail? Brug Druten met gootdetailsa. tussen de afvoerenb. ter plaatse van de afvoeren26Hetonderzoek is uitgevoerd aan twee brug-gen metaanwijzingen van schade in de vormvan desintegratie in de bovenlaag van hetbeton,onderhet asfalt. Het betreft eenbrugbij Asperen en een brug bij Druten.De brug bij Asperen is gebouwd in 1954. Hetis een gewapende plaatbrug van ongeveer85 m lang en 13 m breed (fig. 1), met viertussensteunpunten. Het dek bestaat uittwee rijstroken voor gemotoriseerd verkeermet aan weerszijden een wandel-jfietspad.Het rijdek is geasfalteerd. Bij de bouw zijn defietspaden afgewerkt met in specie gezettetegels, later vervangen door een asfaltdek-laag. De rijbanen zijn van de fietspaden ge-scheiden door een afdekrand van natuur-steen.De brug bij Druten is gebouwd in 1955. Hetiseen gewapende plaatbrug van ongeveer500 m lang en 12,60 m breed (fig. 2), met36 overspanningen. Het dek bestaat uittwee rijstroken voor gemotoriseerd verkeermet ter weerszijden een wandel-jfietspad.De rijstroken zijn geasfalteerd, de fietspa-den niet. De fietspaden liggen iets hogerdande rijbaan. Debrug is in hetverleden drukge-bruikt, maar de verkeersintensiteit is na1974 sterk verminderd. Sindsdien is waar-schijnlijk geen dooizout meer gebruikt engeen onderhoud meer aan het asfalt ge-pleegd.Gezien het bouwjaarvan beide kunstwerkenkan worden opgemerkt dat het mengen vandebetonspecie voor deze bruggen plaats-hadin betonmolens op het werk en het ver-dichten hoogstwaarschijnlijk door porren.Bij het onderzoek zijn een visuele inspectieen een radarinspectie uitgevoerd. Vervol-gens zijn kernen uit de dekken geboord voormateriaalkundig onderzoek. In 1996 is hetasfalt van het dek bij Asperen verwijderd tenbehoeve van onderhoud. Hierbij zijn veelplekken gevonden met desintegratie van detoplaag, waaruitnogmaals monsters zijn ge-nomen. Hierdoorwas een ??n-op-??n verge-lijking mogelijk metde eerder uitgevoerde ra-darinspectie.Onderzoek aan betonconstructies metimpulsradarRadargolven worden gereflecteerd aan eengrensvlak tussen twee materialen van ver-schillende dichtheid, bijvoorbeeld tussenasfalt en beton of tussen beton en wape-ning. De diepte van een reflectie (grensvlak)kan globaal worden berekend uit de looptijdvan de golf. Discrete objecten (wapening,holten, voorspanning) verstrooien de radar-golven, evenals plekken in beton met sterkescheurvorming. Een en ander is weergege-ven in figuur 3.Bij een inspectie met behulp van impulsra-dar wordt het oppervlak van de constructiemet een radarantenne langs lijnen in delengte- en breedterichting van het dek afge-tast. De reflecties worden ge?nterpreteerd intermen van aard en intensiteit van de ver-schijnselen (onthechting, vocht, verlies vansamenhang).Als vertrekpunt voor de interpretatie van deradarsignalen is bij dit onderzoek aangeno-men dat het asfalt gaaf en goed aan het be-ton gehecht zou zijn, en dat het beton gaafen homogeen zou zijn. Het radarbeeld zouCEMENT1998j2Ivoeding I+radarpulsgenerator gegevensopslagr-- en ----7- enstuureenheid verwerkingzender~ enger luchtrichting aftasten'//./i\\./ \./ \./ \./ \./ \./l\\.asfalt/ \./ \./ \.\./ \./ \./ \.z~ betondan ??n grensvlak (asfalt/beton) en een se-rie scherp afgetekende dieper gelegen ob-jecten (de wapeningsstaven) moeten latenzien. Afwijkingen daarvan vormen een nega-tieve indicatie: een zeer sterke reflectie tus-sen asfalt en beton en (vrijwel) geen signaalvan diepere delen (teken van onthechting);diffuus signaal vanuit het beton (scheurvor-ming of ontbreken van de toplaag). Het pro-duct van de radarinspectie is een kaart-beeld waarop plekken zijn aangegeven waarhet beton minder goed zou zijn.Resultaten onderzoekBij de visuele inspectie van beide bruggenzijn spoorvorming en een slechte afwateringgeconstateerd. De gebrekkige afwatering iseen gevolg van de slechte detaillering enverstopping van de afvoeren. Hierdoor wa-ren beide constructies zeer nat. In het bo-venvlak van de fietspaden in Druten zijnsoms meterslange scheuren aangetroffen,soms gevuld met een witte substantie.? Principeschets onderzoek met impuls-radar op een betonnen dek@) Enkele kernen uit Asperen; zichtbaar isde holle ruimte in het asfalt bij hetgrensvlakmet het betonAan de helft van de boorkernen uit Asperenis duidelijk zichtbaar dat de onderste laagasfalt slecht is verdicht of dat onthechtingtussen asfalt en beton is opgetreden (foto4). Dit blijkt onder meer uit de aanwezigheidvan holten van ??n tot twee centimeter indiameter. In bijna de helftvan deboorkernenzijn met het blote oog betrekkelijk geringedefecten in hetbeton aangetroffen, te wetenscheurtjes en reactieranden, een teken vanmogelijke alkali-silicareactie. Hierbij is geendesintegratie van het beton vastgesteld.Bij de boorkernen uit Druten is het asfaltdicht en goed aan het beton gehecht. Bij viervan de zes kernen zijn in het beton duidelijkedefecten aangetroffen in de vorm vanscheurvorming, afschilferen, reactierandenen holten. Veel kernen vielen uit elkaar bijhetboren ofmisten detoplaagvan hetbeton(foto 5).De gemiddelde druksterkte van het betonvan beide bruggen is ongeveer 55 N/mm2en de natte volumieke massa 2380 kg/m3.Omdatzij aan delen uitde kern van hetbetonzijn bepaald, geven de druksterkte en de vo-lumieke massa geen goed beeld van even-tuele schade in de toplaag.? Boorgat in Druten; zichtbaar is dat detoplaag van het beton ontbreekt door verliesvan samenhang en wegspoelen bij het bo-renCEMENT1998/2 27(J) FMA van een kern uitDruten, zichtbaarhorizontale scheurvorming dwars door de korrelsdoor ASR; afmeting 60 x 100 mm2? FMA van een kern uit Asperen, met groot aandeel por/en in decernentsteen; afmeting 50 x 100 mm2; pijl wijst naar bovenkantbrugdekMet FMA is gebleken dat alle kernen onge-bruikelijk poreuze cementsteen, veel ver-dichtingspori?n en/of luchtbellen en micro-scheuren bevatten (foto 6). Enkele kernenuit Asperen bevatten macroscheuren (langsde toeslagkorrels) parallel aan het brugdek,tot op enkele centimeters diepte. De mees-te kernen uit Druten bevatten macroscheu-ren, vooral parallel aan het oppervlak, tot opettelijke centimeters diep, die gedeeltelijkdoor de toeslagkorrels heen lopen (foto 7).Het beton rondom dewapening is in veel ge-vallen zichtbaar poreus. Vaak zijn holten on-der de staven aanwezig.Fluorescentie-macroscopieAchttien kernen zijn onderzocht met fluores-centie-macroscopie (FMA). Hierbij is deboorkern doorgezaagd en gepolijst. Het po-lijstvlak (ongeveer 100 x 50 mm2) is ge?m-pregneerd met een fluorescerende hars. Dehars licht onder ultraviolet licht sterk op.Scheuren, holten en poreuze plekken teke-nen zich hierdoorscherp af. Deze techniek iseerder gebruikt bij onderzoek van beton dat16 jaar in de Noordzee had gelegen [5].Gevonden is datde cementsteen niet homo-geen is door slechte menging van de be-tonspecie. De watercementfactor varieertdaardoor over afstanden van enkele miHi-metersvan 0,40 tot 0,65. Hierdoor ishet be-ton sterk permeabel voor water en agressie-ve stoffen. De hechtingtussen cementsteenen toeslagkorrels is met name in de kernenuit Asperen gebrekkig, mede door het hogeaandeel holle ruimte. In ??n monster uit As-peren is vorstschade aanwezig met als ty-pisch kenmerk scheuren langs de toeslag-korrels, parallel aan het bovenvlak van hetdek. In twee andere kernen is lichte tot mati-ge ASR aangetroffen, in ??n kern ook lichtesulfaataantasting. In de monsters uit Drutenzijn aanzienlijke ASR en lichtesulfaataantas-ting of secundaire (niet-schadelijke) ettrin-gietvorming aangetroffen. De reactieve be-standdelen zijn sericiethoudende kwartsiet,Polarisatie- en fluorescentie-microscopieZes kernen zijn met polarisatie- en fluores-centie?microscopie (PFM) onderzocht. De-zetechniek bekijkt plaatjes van 50x30mm2en 30 Ilm dikte metgepolariseerd offJuores?cerend licht bij een vergrotingvan 50 tot 200keer. De mineralogische samenstelling ende microstructuur kunnen zo in detail wor-den bestudeerd. Deze techniek wordt ondermeertoegepastvoor de diagnose van alkali-silicareactie (ASR) [6].???28CEMENT1998/2zandsteen en poreuze chert, afkomstig uithet grove (rivier)toeslagmateriaal. In beidebruggen is grofkorrelig portlandcement ge"bruikt.Chloride"indringingIn drie kernen uit derijweg van Asperen is opde diepte van de wapening tussen 0,5 en0,9% chloride op cementmassa gevonden,bepaald volgens [7]. In het beton van hetfietspad is vrijwel geen chloride aangetrof"fen. In de kernen uit de rijweg van Druten na"bij de goot is op de diepte van de wapening0,5 %totO,7% chloride op cementmassa ge"vonden. In het fietspad en nabij de wegas isgeen of nauwelijks chloride aanwezig.Bij de in de rijweg aangetroffen chloridege"halten is de kans op corrosie van wapeningmatig [8]. Of corrosie daadwerkelijk (metmerkbare snelheid) optreedt, hangt van an"dere omstandigheden af. De aanwezige ho"ge dekking opde wapening (50 tot 60 mm)is een gunstige factor. Het algemeen hogevochtgehalte en de (plaatselijk) hoge poro"siteit zijn ongunstige factoren.Conditie brug AsperenNa verwijderen van het asfalt van het dek bijAsperen door frezen is gebleken dat 10%van het betonoppervlak is gedesintegreerdtot een diepte van enkele centimeters. Hieris volledig verlies van samenhang van de ce"mentsteen opgetreden. Deze schade treedtgedeeltelijk op in kleine ge?soleerde plek"ken, gedeeltelijk in langgerekte plekken aanweerszijden van de gootconstructie (afdek-rand ) (foto 8). Overde restvan hetoppervlakziet het beton er goed uiten ishet nietzicht-baar beschadigd door het frezen. Verderblijkt datalle kernen die zijn geboord voordathet asfalt was verwijderd, zijn genomen opplaatsen waar geen desintegratie is opge-treden.De conditie van het beton is redelijk. Buitende echte schadeplekken is geen desintegra-tie aangetroffen. Wel zijn in het beton scha-demechanismen werkzaam die met een ho-ge vochtbelasting samenhangen en die lei-den tot scheurvorming. Dit is een voorlopervan desintegratie. Het belangrijkste mecha-nisme is hier vorstschade. Het beton in detoplaag heeft door de slechte menging enverdichting een hoge permeabiliteit en eengeringe weerstand tegen vorstinwerking.Door de slechte afwatering en het poreuzeasfalt kan de toplaag van het beton zeer natworden, wat bij vorstinval tot schade leidt.ASR en sulfaataantasting zijn in betrekkelijkCEMENT1998j2geringe mate aanwezig en zijn hier geenhoofdoorzaak van de desintegratie. On-danks de aanwezigheid van chloride in hetbeton van de rijweg en dankzij de zeer hogebetondekking, is de wapening nauwelijks ge-corrodeerd. De conditie van het asfalt isma-tig tot slecht, met name door een groot aan-deel holle ruimte. De hoge vochtbelasting isveroorzaakt door de poreusheid van het as-falt en door de slechte afwatering ten gevol-ge van een slechte detailleringvan de afvoe-ren en verstopping door gebrekkig onder-houd.Conditie brug DrutenDe conditie van de bovenlaag van het betonvan de brug bij Druten is slechter dan in As-peren. De gevonden horizontale scheurvor-ming vormt hetbegin van verlies van samen-hang. De schade is in hoofdzaak veroor-zaakt door alkali-silicareactie ten gevolgevan reactieftoeslagmateriaalin combinatiemet het gebruik van portlandcement, eenhoge permeabiliteit en een hoge vochtbe-lasting. Een gebrekkig ontwerp van de gooten verstoppen van de afvoeren vanwege on-voldoende onderhoud hebben geleid totslechte afwatering en de hoge vochtbelas-ting.? Betonoppervlak Asperen na wegfrezenvan het asfalt; met name bij de afdekrandveel plekken met verlies van samenhang vande bovenste centimeters29? bruggenbouw ? onderzoek ? duurzaamheidRadarinspectieBij de radarinspectie van de brugbij Asperenis gevonden dat ongeveer 30% van het be-tonoppervlak 'matig' of 'slecht' zou zijn. Dewerkelijke schade aan het beton is 10% vanhet oppervlak, terwijl circa 50% van het as-falt slecht is. Blijkbaarmaaktde impulsradargeen goed onderscheid tussen defecten inhet beton of in het asfalt. Verder zijn schade-plekken kleiner dan circa 200 x 200 mm2niet opgemerkt. De radarinspectie heeft deaanwezigheid van 'defecten' in het brugdekvan Asperen alleen in kwalitatieve zin goedgesignaleerd. Bij de radarinspectie in Drutenis gevonden dat het beton in ongeveer 34%van het oppervlak 'matig' of 'slecht' is. Ditklopt globaal met het beeld datis verkregenuitde boorkernen. De werkelijke omvangvande schade in het brugdek is op dit momentniet bekend, omdat het asfalt niet is verwij-derd.Conclusies ten aanzien van Asperen enDrutenBeide constructies zijn doorslechte detaille-ring en gebrekkig onderhoud zeer nat. In As-peren heeft dat, met de gebrekkige dicht"heid van zowel het asfalt als van hetbeton,geleid tot plaatselijke desintegratie van hetbeton direct onder het asfalt door vorstin"werking. In Druten is ernstige scheurvormingin en desintegratie van het beton opgetre-den door de aanwezigheid van alkali-silica-reactieftoeslagmateriaal in combinatie metpermeabel beton.Bij beide kunstwerken lOUminder of geen schade zijn opgetreden in-dien het beton dichter (homogener) of dro-ger zou zijn geweest. Bij beide is aan de zij-kant van het asfalt veel water in het betongedrongen door slechte afdichting tussenasfalt en beton en slechte afwatering doorverstopte afvoeren.Aanbevelingen voor preventieBestaande constructiesTot aan ongeveer 1965 werden bruggen ver-vaardigd met vergelijkbare technologie alsbij de bruggen te Asperen en Druten: mindergoed mengen en minder constante samen-stelling dan tegenwoordig, verdichten doorporren. Daarom kan de beschreven schadeaan de toplaag in principe optreden bij allebruggen die dateren van voor die tijd. Aanbe"volen wordt:? de afwatering regelmatig te onderhouden(tegengaan van verstopping);? bij onderhoud hetoude asfaltwegte frezen(niet overlagen) tot op 10tot20 mm bovenhet beton. Hierbij zal eventuele schade30zichtbaar worden, doordat het resterendeasfalt bij het frezen loskomt door ontbre~ken van hechting aan het beton;? daar waar schade of onthechting isont-staan, na repareren van de schadeplek-ken het beton af te dichten door middelvan een membraan of hydrofoberen;? gootconstructies zote verbeteren dat daar(door de asfaltdekconstructie) nagenoeggeen watertotinhet beton kan indringen.NieuwbouwEen belangrijk deel van mogelijke maatrege-len om bij nieuwbouw de beschreven schadete voorkomen, behoort tot de normale, mo-derne betontechnologie, zoals goede men-ging en verdichtingvan de betonspecie, goe-de stortvolgorde, afwerking en nabehande-ling. Men moet zich overigens wel realiserendat de toplaag (de bovenste laag van de con-structie die de dekking op de wapeningvormt) alt?d een hogere watercementfactorheeft dan de kern van het beton. Instrooienmet cement zoals bij dekvloeren wel ge-beurt, ofvacuumtrekkenkunnen hierverbe-teringbrengen. Tevens moet een goede ma"teriaalkeuze plaatshebben. Dit betekenttoetsen van de gevoeligheid van toeslagma-teriaal voor ASR en eventueel toepassenvan hoogovencement (CEM III/B) of port-landvliegascement (CEM IVB-V) [9].Daarnaast zijn een goed ontwerp en vooraleen goede detaillering en uitvoering van deafwatering (afvoeren, gootconstructie)noodzakelijk. Voor een goede aansluitingtussen asfalt en beton, zowel in het vlak vanhetdek als bij de goten, wordt tegenwoordighet asfalt aan de randen ingezaagd en wor-den de goten met gietasfalt gevuld. Het hy-drofoberen van het beton, zoals tegenwoor-dig gebruikelijk is bij Rijkswaterstaat, be-perkt het indringen van vocht in het beton[10 t.m. 12].Conclusies over impulsradarDe toepassing vanimpulsradar op brugdek-ken met een vermoeden van schade is on-derzocht. Gebleken is dat impulsradar glo-bale aanwijzingen oplevert over de omvangvan de schade. De aanwezigheid van veelkleine schadeplekken en van veel slecht as-falt hebben in Asperen verstorend gewerktOP de nauwkeurigheid. Bij Druten kon doorhet kleine aantal boorkernen en doordat hetasfalt nietwas verwijderd, geen goedeverge-lijking worden gemaakt.Verdere ontwikkeling van deze techniek isgewenst.Literatuur1. Duurzaamheid betonnen brugdekken -deelrapport1-hoofdrapport. TNO Bouw rap-port 97-BT-0688-03.2. Duurzaamheid betonnen brugdekken -deelrapport2 -Onderzoek aan de brugbij As-peren. TNO Bouw rapport 97-BT-0566-04.3. Duurzaamheid betonnen brugdekken -deelrapport 3 - Onderzoek aan de brug bijDruten. TNO Bouw rapport 97-BT-R0567-04.4. Duurzaamheid betonnen brugdekken -deelrapport 4 - Onderzoek met polarisatie-en fluorescentie-microscopie. TNO Bouwrapport 97-BT-R0673-02.5. Polder, R.B. en J.A.Larbi, Beton na 16jaarexpositie in de Noordzee. Cement 1995, nr.11.6. Heijnen, WM.M. en J. van der Vliet, Alkali-silicareactie ook in Nederland. Cement1991, nr. 7/8.7. BouwdienstRijkswaterstaat, Aanbevelingvoor de bepaling van het chloridegehalte inverhard cementbeton volgens de eisen vanBouwdienst Rijkswaterstaat. BSW-rapport96-01, 1996.8. Gulikers, J.J.W, J. de Vries, R.B.Polder, Debetrouwbaarheid van chloridebepalingen inverhard beton. Cement 1996, nr. 11.9. CUR-Aanbeveling 38, Maatregelen omschade door alkali-silicareactie te voorko-men. CUR, Gouda, 1994.10. De Vries, J. en R.B.Polder, Hydrofoberenvan beton. Cement 1994, nr. 3.11. Borsje, H., R.B.Polder, J. de Vries, Hydro-foberen van beton. Cement 1996, nr. 7-8.12. Rijkswaterstaat, Zeer open asfaltbetonop cementbetonnen kunstwerken. Brochu-re, december 1996.?CEMENT1998/2