? bruggenbouw ? materialen ? betontechnologieir.~T. van der Meer, Ballast Nedam Beton en Waterbouw bving.N.Kapti}n, Bouwdienst Rijkswaterstaatdr.ir.C. van der Veen, TU DelftDe ervaringen met hogesterktebeton en lichtbeton leiden naar een nieuwe uitdaging: ho-gesterkte-lichtbeton. Voor de in voorbereiding zijnde Dintelhavenbrug te Rotterdam-Eu-ropoort, in grindbeton B85, is als afstudeeronderzoek aan deTU Delft een viertal alterna-tieven in hogesterkte-Iichtbeton ontworpen.Door het niet beschikbaar zijn van Nederlandse rekenregels zijn deze afgeleid uit eencombinatie van de CUR-aanbevelingen 37 en 39 en getoetstaan de literatuur. De alterna-tieven worden qua kosten vergeleken met het ontwerp in grindbeton. Ten slotte wordt te-ruggekoppeld naar ervaringen met lichtbetonbruggen in het verleden.HOGESTERKTE-LICHTBETONINUITBOUWBRUGGEN42Enkelejaren geleden was hogesterktebetonnog een relatief nieuw materiaal, waarmeeweinig ervaring was opgedaan. Inmiddelswordt er al een brug mee gebouwd in B 85:de tweede Stichtse brug over het Eemmeer.In voorbereiding is een tweede grote brug inB 85, de Dintelhavenbrug in Rotterdam-Eu-ropoort. Door toepassing van hogesterkte-beton is het mogelijk dezeuitbouwbrug eenoverspanning te geven van 185 m. Dit is totnu toe de grootste overspanning die in Ne-derlandmeteen dergelijke brugis gemaakt.Er staan echter al weer nieuwe ontwikkelin-gen voor de deur: een combinatie van licht-beton en hogesterktebeton. Lichtbeton isbeton met een volumieke massa tot 2100kg/m3 . Eris dus sprake van een flinke reduc-tie van het eigen gewicht.Aangezien het eigen gewicht bij grote over-spanningen de grootste belasting veroor-zaakt, kunnen er besparingen worden be-reikt bij een brugconstructie in lichtbeton, teoptimaliseren met het tegelijkertijd toepas-sen van hogesterktebeton.HeUs dus interessant demogelijkheid te on-derzoeken van een variant op de Dintelha-venbrug in hogesterkte-lichtbeton (HSLB).Van belang hierbij is vooral het reducerenvan de constructiehoogte en een mogelijkekostenbesparing.LichtbetonLichtbeton is lichter dan grindbeton doordatmateriaal vervangen is door lucht. Dezelucht bevindt zich hoofdzakelijk in het toe-slagmateriaal. De toeslagkorrels hebbeneen poreuze structuur, waardoor deze wateropzuigen. Dit verschilt overigens bij de ver"schillende typen toeslagmateriaal. Bij hetmengselontwerp moet hiermee rekeningworden gehouden. Er bestaan veel typenlicht toeslagmateriaal;de bekendste enmeest toegepaste zijn Lytag (gesinterdevliegas) en Liapor (ge?xpandeerde klei).Lytagkorrels bijvoorbeeld absorberen inzeer korte tijd bijna al het opneembare wa-ter. Wanneer de Lytagkorrels in het beton-mengsel worden verwerkt,wordt binnen en-kele minuten al ongeveer 80% van het doorde korrel opneembarewatergeabsorbeerd.Bij een mengselontwerp met Lytag kan wor-den uitgegaan van een waterabsorptie van12%. Een bijkomend voordeel van het in dekorrel aanwezige water is de interne nabe-handeling. Tevens houden Lytagkorrels tij-dens de verharding vrijkomende warmte lan-ger vast, waardoor de temperatuur in hetverhardende betonminder snel daalt en hetverhardingsproces iets sneller verloopt.Eenmaal verwerkt ligt de volumieke massavan Lytagbeton tussen 1900 en 2100kg/m3 , afhankelijk van de mengselsamen-stelling.De fabrikant van Liapor brengt verschillendetoeslagkorrels op de markt, waardoor de vo-lumieke massa van Liaporbeton verschillen"de waarden kan hebben. Verkrijgbaar zijnLiapor 3 tot en met Liapor 10, waarvan Lia-por 10 de zwaarste is met een volumiekemassa (droog) van ongeveer 1000kg/m3.Het absorberen van water gaat bij Liapor ge-leidelijker dan bij Lytag. Deze toeslagmate-rialen hebben ook het voordeel van de inter-ne nabehandeling van het beton.CEMENT1997/5(volgens CUR-39)Het grootste verschil tussen lichtbeton engrindbeton is het toeslagmateriaal en het isdus logisch dat de meeste eigenschappendaarmee samenhangen. Doordat bij lichtbe-ton de toeslagkorrels een aanzienlijk lageresterkte hebben dan de cementmatrix, werktde krachtsoverdracht daar tegengesteld alsbij grindbeton.Als grindbeton op druk wordt belast, zullende toeslagkorrels een grotere weerstandbieden dan de cementmatrix. Hierdoor ver-loopt de krachtsoverdracht bij grindbetonvoornamelijk via de grove toeslagkorrels. Dematrix tussen de toeslagkorrels, die gemak-kelijk vervormbaar is, wordt daarbij op drukbelast.In lichtbeton met een gesloten structuurbiedt de matrix een grotere weerstand tegenvervorming dan de toeslagkorrels, zodat hetoverbrengen van de krachten grotendeelsvia de matrix gaat. De matrix vormt daarbijeen ruimtelijk vakwerk.Een grotere normsterkte van het cement eneen lagere water-cementfactor maken dematrix, en daarmee het lichtbeton, sterker.Bij lichte toeslagmaterialen zijn de grootstekorrels meestal het minststerk. Hierdoorzalde sterkte van lichtbeton bij een groteremaximum-korrel afnemen. Dit verklaartwaarom bij grindbeton de sterkte voorname-lijk afhangt van de normsterkte van het ce-ment en de water-cementfactor, terwijl bijlichtbeton bovendien vergroting van het ce-mentgehalte en verkleining van de maxi-mum-korrel desterkte gunstig be?nvloeden.De druksterkte is de belangrijkste eigen-schap van beton; deze eigenschap kan wijzi-gen bij toepassing van lichte toeslagmate-rialen. Dat ligt niet per definitie aan hettoe-slagmateriaal, maar deste meer aan hetbe-tonmengsel. De eigenschappen die als ge-volg van de veranderde druksterkte zoudenmeeveranderen, hoevendus ook niet onder-hevig te zijn aan verandering. Het is natuur-lijk wel zo dat als in een zelfde mengsel hetgrind vervangen wordt door licht toeslagma-teriaal, de druksterkte lager uitvalt.Bij lichtbeton veranderen ook enkele anderebasiseigenschappen van het beton. De CURheeft in 1994 Aanbeveling 39 uitgegeven,waarin rekenregels voor beton met lichtetoeslagmaterialen worden voorgesteld. Ditgebeurt vooral door middel van een aantalcorrectiefactoren, die na vele proefnemin-gen zijn afgeleid en als belangrijkste para-meter de volumieke massa van het lichtbe-ton hebben.CEMENT1997j5HogesterktebetonDe sterkteontwikkeling en eindsterkte vanhogesterktebeton worden voor een grootdeel bepaald doorde keuze van het cement.Een cementmatrix is een poreus, inhomo-geen materiaal. De sterkte van de cement-matrix hangt af van:? de totale porositeit;? deverdelingvan degroottevan de pori?n;? de cementeigenschappen.Een hogere sterkte van de cementmatrixkan worden verkregen door:? de water-cementfactor te reduceren;? hettoepassen van cement met potentieelhoge sterkte;? het toepassen van puzzolanen.De cementsoort is dusvan grootbelangvoorhet fabriceren van hogesterktebeton. Dekorrelopbouw van het mengsel moet een mi-nimalewaterbehoefte met een zo groot mo-gelijke verwerkbaarheid combineren. Eenkleine maximale korrelgrootte is te prefere-ren, daar het totale oppervlak van het toe-slagmateriaal hierbij groter is, waardoor degemiddeldehechtspanning tussen cement-matrix en toeslagmateriaal kleiner is en ver-storende spanningsconcentraties in minde-re mate optreden.Aangezien een lagere water-cementfactofgunstig is voor de sterkte, zal een hogesterk"tebetonspecie problemen kunnen opleve-ren met de verwerkbaarheid (te droge spe-cie). Dit kan worden verholpen door hettoe-voegen van superplastificeerders. Deze zor-gen ervoor dat bij een lage water-cementfac-torde specie makkelijk verwerkbaarblijft. Ditis zeer belangrijk, daar er anders geen spra-ke zou kunnen zijn van het toepassen vanhogesterkte beton. Een andere belangrijketoevoeging is de puzzolane vulstof silicafu"me, die zorgt voor een grotere dichtheid, het-geen ook de sterkte ten goede komt.De sterkteontwikkeling vanhogesterktebe-ton tijdens de verharding gaat zeer snel. Ze-ker in vergelijking met beton met normalesterkte. Dit kan zeer voordelig zijn, omdat erdan sneller ontkist kan worden.Het belangrijkste gedragsprincipe van ho-gesterktebetonisdatdescheuren nietmeerlangs de toeslagkorrels lopen, maar er door-heen. Ditzal een aantal constructieve eigen-schappen veranderen, zoals bijvoorbeeld deafschuifsterkte. De materiaaleigenschap-pen zullen echterook niet meerallemaal vol-gens hetzelfde principe gelden als bij betontot B65. Hiernaar is veel onderzoek verricht.De CUR heeft in 1994Aanbeveling 37 uitge-geven voor hogesterktebeton, aangezien deVBC slechts tot en met B 65 geldig is.Hogesterkte-lichtbetonAan de hand van het materiaalgedragvan detwee hiervoor genoemde materialen zijn errekenregels opgesteld voor HSLB. De meestlogische optie is uitgevoerd, namelijk hetcombineren van de CUR-aanbevelingen 37en 39. Deze gegevens zijn vervolgens ge-toetst aan de hand van de beschikbare Iite"ratuur over HSLB. Veel van deze literatuurwas beschikbaar door in Noorwegen gehou-den congressen over dit materiaal.Ter informatie volgt een voorbeeld van eendergelijke gecombineerde rekenregel, in ditgeval de formule voor de elasticiteitsmodu-lus.Voorstel:E'HSLB = E'HSB ? k2waarin:E'HSB (35900 + 40f~k) Njmm2(volgensCUR-37);c~or5p is de volumieke massa van het betonin kgjm3.Op een dergelijke wij:ze kunnen ook de overi-ge materiaaleigenschappen worden gefor"muleerd.De voorgestelde formules zijn ook vergele-ken met de Noorse norm NS 3473; dezebleek conservatiever dan nodig. Uit de waar-den uit de literatuur bleek dit ook (fig. 1).43? bruggenbouw ? materialen ? betontechnologieCD Vergelijking elasticiteitsmoduli volgens combinatie CUR-aanbeveJingen 37 en 39,Noorse norm NS 3473 en testwaarden uit [2, 3J0I~?II):? li 9Q I I J r'\II ? I I,,f T~/; II I I I?111 0 III ,\ ~1'1 I I I I II I ~ I I J I ,\! I I t I I,!. x ~ I Ix! I x x~,\,\I'"o {UH 37+39------x Noorse norm NS 3473? testwaarde uit [2. 3]Case?study: Dintelhavenbrug EuropoortOm de technische haalbaarheid te onder-zoeken van HSLB isvoor de Dintelhavenbrugin Rotterdam een aantal alternatieven in ditMet betrekking tot de uitvoerbaarheid blijktzowel uitde literatuur als uiteigen materiaal-onderzoek dat het zeer goed mogelijk isHSLB te maken. De verwerkbaarheid wasook geen probleem. In de literatuur is zelfssprake van een lichtbeton tot LB 95. Hierbijwordt opgemerkt dat deze zeer hoge sterk-ten in een laboratorium zijn behaald. Op hetwerk gelden andere randvoorwaarden, maartoch is er in Noorwegen een booreiland ge-bouwd met LB 75. Materiaalkundiggezien isde vervaardiging van HSLB dus geen pro-bleem.Alternatief.Toeslagmateriaal bij dit alternatief is Liapor8. Hiermee is op het werk een betonsterkte-klasse tot ongeveer LB 75 bereikt, die hierook wordt aangehouden. De voorgeschre-ven volumieke massa van Liapor 8-beton is1900 kgjm3in droge toestand.De constructiehoogte bij het hamerstuk isverlaagd naar 7 m en bij het middenstuknaar 2,5 m. Deze 2,5 misjuist genoeg omhet uitvoeringstechnisch mogelijk te hou-den. De tweede Stichtse brug. momenteel inaanbouw, heeft bij de middendoorsnedeook een hoogte van 2,5 m.De geometrie bij deze constructiehoogtewordt grotendeels bepaald door de afme-ting van hetbovendek, die afhankelijk is vande te plaatsen voorspanning. Als de bereke-ning uitwijst dat de geometrie niet voldoet,zal dele aangepast dienen te worden. Deberekening moet dan opnieuw worden ge-maakt.Het bovendek zal wel iets dunner kunnenworden gemaakt dan bij alternatief0, omdatde verwachting is dat er minder voorspan-ning behoeft te worden toegepast.De wanden van de koker worden iets dunneraangenomen dan bij alternatief0, als gevolgvan de kleinere dwarskracht door de vermin-deringvan het eigen gewicht. Hierworden zegesteld op 350 mmovloed hiervan zou zijn op de constructie ende benodigde voorspanning. Hieruit bleekdat de voorspanning ook iets gereduceerdkon worden. Deze reductie van degeometrieis dan ook verder uitgewerkt.Een belangrijk punt blijft natuurlijk of de hoe-veelheid uitkragingskabels in het dek kun-nen worden ondergebracht. De inwendigeuitkragingskabels worden in het dek afge-spannen en hebben dus een geheel horizon~taal verloop. Anders zal een alternatief metuitwendige kabels uitkomstmoeten bieden.De afmetingen van wanden en vloer van dekoker zijn mede afhankelijk van de wapeningdie hierin ondergebracht moet worden enkunnen dus niet ongestraft te dun wordenuitgevoerd.Een lager eigen gewicht reduceert het mo-ment als gevolg van het eigen gewicht, maareen kleinere geometrie heeft een lagertraagheidsmoment. wat een hogere span-ning zal opleveren. Hiertussen zal een opti-mum gezocht moeten worden.De alternatieven die hierna aan bod komen,zijn allen aan bovenstaande criteria onder-worpen, alvorens zij gedetailleerd werdendoorgerekend.100908070materiaal ontworpen. Deze brug wordt ver-nieuwd en is inmiddels aanbesteed. Het hui-dige ontwerp (verder te noemen: alternatief0) is een uitbouwbrug in B 85 met enkele(Westbrug) en dubbele (Oostbrug) kokerlig~ger. Het hamerstuk is 8,5 m hoog en de mid-dendoorsnede 3 m. Doelstellingvan hettoe-passen van HSLB is het verlagen van dezeconstructiehoogten en tevens de kosten.De alternatieven zijn berekend voor de ??n-cellige kokerligger van het project (West-brug), omdat deze qua dimensionering dekritieke koker is. De tweecellige kokerligger(Oostbrug) is royaler gedimensioneerd.Bij alternatief 0 zijn de wanden 400 mm dik.De overige afrnetingen voor het hamerstuken de rniddendoorsnede van de Westbrugzijn weergegeven in figuur 2.De alternatieven in HSLB zullen een lager ei-gen gewicht hebben, waardoor lagere span-ningen zullen optreden. Bij een identiekeconstructie in lichtbeton is ruwweg 20% min-der eigen gewicht aanwezig.De overspanningen van de brugzijn in princi-pe niet aangepast; de breedte van de onder-en bovenkant van de koker ook niet.De brug heeft drie overspanningen; dehoofdoverspanning is 184,95 m lang. dezijoverspanningen 86.5 m. De verstoordebalans als gevolg van de kortere zijoverspan-ningen wordt opgevangen door de vloer in dezijoverspanningen iets dikker te maken.Allereerst is bij dezelfde hoeveelheid uitkra-gingsvoorspankabels (112 stuks bij alterna-tief 0) de constructiehoogte met ongeveer20% gereduceerd om na te gaan wat de in-60202530VI.:l:::J15 15EVI?:QJ~ 10:.;::::VIro(iji :40 50~ druksterkteHet blijkt dat de berekening volgens hetvoorstel redelijk goed overeenkomt met deexperimentele gegevens uit de literatuur. Degemiddelde afwijking is 6,6%. Bij de Noorsenorm bedraagt de gemiddelde afwijking17,4%.Hetzelfde beeld werd verkregen bij de ande-re materiaaleigenschappen waarvoor test-resultaten beschikbaar waren. Alleen overkrimp en kruip is noggeen literatuurbeschik-baar. Voor het spanning-rekdiagram zijn weltestresultaten beschikbaar. maar over hetalgemeen alleen over de eerste tak van hetdiagram. De plastische tak wordt bij op-lopende sterkten steeds korter, hetgeen ookhet geval is bijhogesterkte-grindbeton. BijHSLB is een hogere plastische rek te zien,hetgeen ook doorde CUR wordt aanbevolen.44 CEMENT1997j5ooU"1