O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetontechnologiecement 2003 572De onderzochte sluizen, voor eengroot deel als onderdeel van deZuiderzeewerken, zijn rond 1930gebouwd. Het gaat hierbij om:? de Lorentzsluizen,Kornwerderzand, SpuisluizenAfsluitdijk;? de Lorentzsluizen,Kornwerderzand, SchutsluizenAfsluitdijk (foto 1);? de Haukesschutsluis,Wieringerwerf (foto 2);? de Ulkekeersluis,Wieringerwerf;? de Keersluis Pijnacker-Hordijk,Gouda;? de West-Friese sluis, Kolhorn;? de Molenkolkbrug en -sluis,Kolhorn;? de Stontelerschutsluis,Den Oever.In vergelijking met de door ASRaangetaste viaducten, waarover inCement reeds eerder is gepubli-ceerd [1], hebben deze objecteneen aantal wezenlijk andere ken-merken:? de sluizen zijn ongeveer 70 jaaroud (viaducten circa 30 jaar);? de sluizen staan doorlopend ineen vochtig milieu;? de constructies zijn gedurendede gebruiksperiode waar-schijnlijk in contact geweestmet brak of zout water, waar-door alkali?n in het beton ge-drongen kunnen zijn;? het beton is afgedekt doorspuitbeton, spachtel, basalt ofandere stenen bekleding;? een aantal sluizen is massief,pijlers of wanden bestaan uitzeer dikke (stamp)betonnenmassa's.O n d e r z o e k s a a n p a kHet onderzoek wordt in het alge-meen in drie fasen uitgevoerd.De uitvoering is vergelijkbaar metde werkwijze, beschreven in eennoginvoorbereidingzijndeCUR-Aanbeveling.1.is gevaar aanwezig voor des-tructieve expansie door ASR?? dossieronderzoek;? visuele inspectie;? beperkt aantal kernen borenen beoordelen.2.is de gebruiksfunctie nu of inde toekomst in gevaar?? globale risicoanalyse;? kernen boren voor petro-Alkali-silicareactie inoude sluizenir. M.R.J. Swinkels en dr. M.M.R. Boutz, INTRON BVOngeveer 10 jaar geleden is in Nederland het besef ontstaan dat ook in onsland betonconstructies, veelal viaducten, voorkomen die door Alkali-silica-reactie (ASR) zijn aangetast. De meeste van die viaducten zijn gebouwd in dejaren zeventig. Inmiddels is het aantal door ASR aangetaste constructiesopgelopen tot enkele tientallen. Afgelopen jaren heeft INTRON veel oude slui-zen onderzocht. Enkele hiervan vertoonden gebreken die aanleiding gaven totASR-verdenking. In dit artikel wordt het onderzoek beschreven en worden demogelijk te nemen maatregelen besproken.1 | Lorentzschutsluis2 | HaukesschutsluisO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB etonte ch n o l o g i ecement 2003 5 73grafisch en mechanisch on-derzoek;? door petrografisch onder-zoek vaststellen of ASRopgetreden is;? de mechanische eigenschap-pen van de kritische sluisde-len bepalen;? risicoanalyse van de kriti-sche delen.3. welke maatregelen zijn nood-zakelijk?? voorstellen voor mogelijk tenemen maatregelen.F a s e 1DossieronderzoekHet is voor het uitvoeren van deconstructieve risicoanalyses vanbelang de (wapenings)tekenin-gen van de sluizen te achterhalen.Verder is het nuttig te beschikkenover het bestek, informatie overtoegepaste materialen en versla-gen van eerder verrichte inspec-ties en onderzoeken.Visuele inspectieDe volgende uitwendige gebrekenhebben tot ASR verdenking geleid:? witte uitbloeiing uit scheuren(foto 3);? grofmazige netwerkscheuren;? opbollen van bestrating;? scheefstand van sluisonder-delen;? gedesintegreerde betondelen(foto 4);? scheuren in natuurstenenbekleding door zwelling vanbetonnen ondergrond.Het valt op dat de schade bij allesluizen sterker aanwezig is inzones die meestal droog zijn.In uitzondering hierop vertoonthet beton in kelders en onderbruggen, minder schade. Bij demeeste sluizen is zelfs onder hetlaagwaterpeil geen schade waar-genomen. Dit is opvallend daarASR zich alleen kan ontwikkelenindien het beton met vocht wordtbelast. De meeste schade verto-nen de delen die ver boven hetwater uitsteken en alleen doorregen worden belast.De wanden van verschillendesluizen hebben een afwerklaagvan spuitbeton of zijn gespach-teld.Deschadeindezeafwerklaagbestaat steeds uit grofmazige net-werkscheuren. Hieruit treedt eenwitteuitbloeiing,dieinhoofdzaakuitkalkblijkttebestaanennietuitASR-gel. Op veel plaatsen ligt deafwerklaag los.De bovenzijden van massieveconstructiedelen zoals pijlers,staan in veel gevallen bol. Granie-ten platen zijn vaak gebroken opeen wijze die duidt op zwellingvanuit het massieve beton. Dooreenzijdige zwellingen staan be-tonelementen soms scheef. Bij deinspecties werd vrijwel nergensroestende wapening aangetrof-fen.Kernen boren en beoordelenMet het boren van kernen kan demogelijke aanwezigheid van ASRworden beoordeeld en een beeldworden verkregen van de schadein de diepte. Het beton achter deafwerklaag, in zones die meestaldroog zijn, vertoont bij veelsluizen een ernstige mate van de-laminatie, waarbij scheuren d??rde grove toeslag en de cement-steen lopen. De netwerkscheurenin de afwerklaag zetten zich nietvoort in het beton.Bij gewapende (dunwandige) con-structiedelen ligt de wapening inde gedelamineerde zone en is deaanhechting tussen beton en wa-pening grotendeels verloren ge-gaan. Delaminatie is waargeno-men tot dieptes van 200 mm. Bijhet boren vielen, door delamina-tie, sommige kernen gedeeltelijkuit elkaar (foto 5). Langs anderedelaminatiescheuren heeft hetbeton nog enige samenhang enzijn witte ASR-achtige afzettin-genindescheurzichtbaar.Dewa-pening is niet gecorrodeerd. Inenkele kelders werden wel scheu-ren volgens een regelmatig pa-troon, loodrecht op het oppervlak,aangetroffen, echter delaminatiekwam hier niet voor. Op basis vandeze bevindingen is overgegaantot uitvoering van fase 2.F a s e 2Globale risicoanalyseEen belangrijk aspect is de risico-analyse. Door ASR wordt in hetbijzonderdetreksterktevanbetonaangetast, treedt delaminatie open kan zwelling ontstaan. Dezeverschijnselen zijn niet zondermeer schadelijk voor het functio-neren van de betonconstructie.Het feit dat deze sluizen al 70 jaarhun functie vervullen, illustreertdit. De risicoanalyse moet duide-lijk maken waar de beschrevenASR-verschijnselen het functio-nerenkunnenbelemmeren.Inde3 | Detail uitbloeiing encraquel? Ulkekeersluis4 | Gedesintegreerd deelMolendijkbrug5 | Gedelamineerde kernO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetontechnologiecement 2003 574sluizen werden vooral de delenmet hoge dwarskracht in dedunne plaatvormige onderdelenen delen, waarbij de wapening ingedelamineerd beton ligt, als kri-tisch beschouwd.Kernen boren voor petrografisch enmechanisch onderzoekVoor nader onderzoek zijn bij allesluizen, voornamelijk in de eerderbeschreven kritische zones, ker-nen geboord. Bij de keuze van deboorlocaties is verder zorgvuldigafgewogen of het boren vankernen onder water noodzakelijkis. Het nemen van deze kernen isdoor de inzet van duikers zeerkostbaar en in tijd en geld moei-lijk te voorspellen.ASR vaststellen doorbetonpetrografieVan elke sluis zijn verschillendekernen ge?mpregneerd met fluo-rescerende hars. De hars vult deaanwezige scheuren en onderUV-licht zijn die goed zichtbaar.Hiermee kan worden vastgesteldtotopwelkedieptedelaminatie,ofandere scheuren, aanwezig zijn.Met betonpetrografie is op dege?mpregneerde kernen de oor-zaak van de schades onderzocht(foto 6 en 7).EenvoorASRtypischschadebeeldtoont foto 7. Hierin is te zien dateen scheur vanuit een reactievetoeslagkorrel doorloopt in de ce-mentsteen. Vanuit de toeslagkor-rel treedt ASR-gel door de scheurnaar buiten. Bij alle onderzochtesluizen bestaan de reactieve toe-slagkorrels in hoofdzaak uit fijn-korrelig,glimmerhoudendezand-steen (foto 8). Verdere reactievebestanddelen zijn poreuze vuur-steenenvulkaniet.OokbijdedoorASR aangetaste A59-viaducten isfijnkorrelige zandsteen hoofdver-antwoordelijk voor de opgetredenschades [2].Bij alle sluizen is voor het con-structieve beton in hoofdzaakportland- of portlandtrascementgebruikt, met uitzondering vande Stontelerschutsluis. Hier is ce-ment met een hoog slakgehaltegebruikt. De sluizen zijn alle ver-vaardigd rond 1930. Vanaf 1931startte in Nederland de productievan hoogovencement. De kwali-teit en herkomst van de in desluizen verwerkte hoogovenslakis onbekend.Uit het petrografisch onderzoekblijkt dat delaminatie van desluizen is veroorzaakt door ASR,bij veel sluizen waarschijnlijk incombinatie met vorstaantasting.Door te hoge water-cementfacto-ren en/of een slechte verdichting(stampbeton) is het beton van veelsluizen niet vorstbestendig. Inmet water verzadigde construc-tiedelen, die in de winter bloot-staan aan vorst, treedt vorstscha-de op. Het vocht dringt hierdoordieper in de constructie en ASRontwikkelt zich in het beton opgrote diepte. Dit is tevens een ver-klaring voor de waarneming datonder water de schade veelminder is. Delen onder waterkunnen immers door vorst nietworden aangetast. Daarnaast kande ontwikkeling van ASR ver-sneld worden door aangroei vanalkali?n in de nat/droog zones enbij nat/droog wisselingen doorregen. Diep in het beton zijnsporen van ASR gesignaleerd inde vorm van gescheurd toeslag enscheurtjes in de betonsteen. Nietzeker is echter of deze ASRschadelijk is.In de Stontelerschutsluis, ver-vaardigd met slakrijk cement,komt alleen ASR voor direct langs??n grote constructieve, water-voerende scheur. Ook na meerdan 70 jaar treedt dus geen ASRop in constructies vervaardigdmet slakrijke cementen.BetonpetrografieBij betonpetrografisch onderzoekworden dunne betonplakjes (dikte0,02 ? 0,03 mm) door polarisatie-fluorescentie-microscopie in door-vallendlichtbekeken.Hiermeekanvastgesteld worden ?f ASR-gel aan-wezig is, uit welk type gesteente dereactieve toeslagkorrel bestaat, inwelke mate scheurvorming opge-treden is en/of nog andere aantas-tingsmechanismen werkzaam zijn geweest. Daarnaast levert het infor-matie over de betonkwaliteit, de toegepaste grondstoffen, de mate vanverdichting, homogeniteit enz. (foto 9).6-7 | Gescheurde kern met (6)en zonder UV-licht (7)8 | Fijnkorrellige gescheurdezandsteen met uittreden-de ASR-gel.9 | SlijpplaatjeO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB etonte ch n o l o g i ecement 2003 5 75Constructieve eigenschappenAan de kernen zijn verder trek-sterkte en splijttreksterkte be-paald. Voor het opstellen van eenconstructieve berekening is detreksterktenodigvoorhetbepalenvan de maximaal toelaatbareschuifspanning. Het blijkt dat detreksterkte aanmerkelijk lager isdan de splijttreksterkte, terwijldeze bij normaal beton ongeveer90% van de splijttreksterkte is. Dezeer lage treksterkte is waar-schijnlijk te wijten aan het feit datbij de normale wijze van beproe-ven de trekspanning loodrecht opeen scheur staat. Bij bepaling vande splijttreksterkte daarentegenloopt de trekspanning evenwijdigmetdescheuren(fig.10).Vanveelkernen zijn de scheuren voorafreeds duidelijk zichtbaar. TNOheeft bij eerder onderzoek vastge-steld dat de treksterkte in oude(niet door ASR aangetaste) con-structies lager is dan algemeenwordt aangenomen [3]. Dit kanook een deel van de lage sterkteverklaren.Met welke treksterkte gerekendmoet worden is afhankelijk vande heersende spanningstoestand(??n- of meerassig) in de con-structie.Zwellingsmetingen en -proevenIn diverse onderzoekssystematie-ken voor ASR moeten de scheur-wijdten nauwkeurig opgemetenen gesommeerd worden omhiermee een maat voor de zwel-ling van de constructie te verkrij-gen. In de onderzochte sluizenbleek dit veelal niet mogelijk ofniet nuttig te zijn. Door de uit-bloeiingen was de scheurwijdtevaak niet te bepalen en door delosse afwerklaag heeft de scheur-wijdte geen relatie meer met hetbeton in de ondergrond.Daarnaast schrijven deze syste-matieken voor dat kernen onder-worpen worden aan zwellings-proeven om de toekomstige ont-wikkelingvanASRtevoorspellen.Deze proeven zijn voor de onder-zochte sluizen niet uitgevoerd,omdat de relaties van de bestaan-de proeven met de realiteitonzeker zijn en de proeven zeerlang duren.Risico-analyse van de kritische delenASRheeftvoordeconstructiedrienadelige gevolgen:? door de ernstige scheur-vorming is de effectieve beton-doorsnede plaatselijk vermin-derd;? door delaminatie ligt de bui-tenste laag wapening plaat-selijk in zeer slecht beton enheeft daardoor nauwelijks aan-hechting meer;? de maximaal toelaatbareschuifspanning van het res-terende effectieve wanddeelwordt verminderd.Bij analyse van de constructieveveiligheid wordt beoordeeld waareen lage treksterkte kritisch is enwaar niet functionerende wape-ning tot kritische situaties kanleiden. De treksterkte is voorbeton op zich geen rekenvariabe-le die van belang is. In een bere-kening wordt uitgegaan dat detrekkrachten in het beton door dewapening worden overgenomen.Zolang de wapening en het betonvoldoende samenwerken zal bijbuiging meestal geen probleemontstaan. Door delaminatie wordtechter in enkele gevallen niet aande laatste voorwaarde voldaan enis de veiligheid van enkele opbuiging belaste constructiedelenniet meer aantoonbaar.Bij platen kan de maximaal toe-laatbare schuifspanning, afhan-kelijk van de betontreksterkte, telaag worden. Bij de onderzochtesluizen was dit bij dunne con-structies het probleem. In zwaremassieve constructies, bij eenaantal sluizen en sluisdelen, wasdit geen probleem.Bij het beoordelen van de con-structieve sterkte waren de exactemateriaaleigenschappen niet ofonvoldoende bekend. Bij eenaantal analyses bleek dat dehuidige situatie tot bezwijken zoumoeten leiden. Uit constructieveanalyses van de aangetastesluizen komen vaak conclusies,die betrokkenen het gevoel gevendat de uitkomsten te conservatiefzijn.Indien van delen de veiligheidniet meer aantoonbaar is, zijn degevolgen van bezwijken voor desluis als geheel en voor het func-tioneren tijdens het gebruik be-oordeeld. Aan de hand hiervan isvastgesteld of het treffen vanmaatregelen noodzakelijk is.De functies van sluizen zijn: be-scherming van het achterland envoorzien in scheepvaartverbin-dingen. De sluis moet kunnenblijven functioneren. Onder in-vloed van ASR kunnen betonde-len, door het zwellen van beton,bol of scheef (bij eenzijdige zwel-ling) staan. Hierdoor kan hetfunctioneren van de sluis, bij-voorbeeld het sluiten van dedeuren, in het geding komen.Ook plaatselijke aantasting vanhet beton, die de constructievesterkte van de sluis niet bedreigt,kan het gebruik van een sluis ingevaar brengen. Denk hierbij aande ophanging van de deuren.Veel sluizen vertonen delamina-tie en hierdoor kunnen afwerkla-gen naar beneden vallen. De con-Treksterkte Splijttreksterkte10 | Bepaling treksterkte ensplijttreksterkteO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eBetontechnologiecement 2003 576structieve veiligheid van de sluisin zijn geheel wordt hiermee inde regel niet aangetast. Echter val-lende delen kunnen voor aanleg-gende schepen, met name kleine-re vaartuigen, grote risico's ver-oorzaken.F a s e 3Voorstellen maatregelenBetonaantasting door ASR kan inprincipe niet hersteld worden.ASR kan wel vertraagd wordendoor de constructie voor vocht afte sluiten. Dit is echter praktischonmogelijk bij een sluis.Nadat ASR is aangetroffen zijn demogelijk te treffen maatregelenvoor het blijven functioneren vande sluis divers en sterk afhanke-lijk van de ernst van de aantastingendesituatieterplaatse.Demaat-regelen komen in veel gevallenneer op:? vervanging van delen of lagen;? verlaging van (mogelijkoptredende) belastingen;? ondersteuning van deconstructie;? beperking van de gevolgen vanvallende delen;? monitoring.V o o r b e e l d e nh e r s t e l m a a t r e g e l e nHaukesschutsluisBij afkloppen van de sluiskolkklonk het spuitbeton op veleplekken hol. Hierdoor was dekans op vallende delen groot.Voor de recreatieve vaart is ditrisico onaanvaardbaar. Eerst isoverwogen vallende delen meteen zeil of een net op te vangen.Een zeil beschadigt snel, maaktverdere inspectie onmogelijk enbemoeilijkt sterk het gebruik vande sluis. Bij gebruik van een netis de kans groot dat een schip erinzou blijven hangen. Uiteindelijkis gekozen voor het regelmatig af-kloppen van het oppervlak en hetpreventief verwijderen van lossedelen.Bij andere sluizen werd dezemaatregel niet nodig geacht om-dat losse delen niet voorkwamenof omdat schepen niet zoudenaanleggen ter plekke van die lossedelen.De sterkte van sluisdelen is on-voldoende of niet rekenkundigaantoonbaar. Besloten is de sluisniet te herstellen maar voorberei-dingen te treffen om elders eennieuwe sluis te bouwen, omdat denoodzaak van de sluis reeds terdiscussie stond. Wel zijn tijdelij-ke maatregelen getroffen om in-storten uit te sluiten. De meestkritische situatie daarbij is eenlaag waterpeil in de sluis en eenhoog waterpeil in het grondli-chaam achter de sluiswand. Er isoverwogen, deze situatie te simu-leren met een proefbelasting.Omdat de mogelijkheid van be-zwijken tijdens de proef niet ac-ceptabel was, is de proef niet uit-gevoerd.Momenteel wordt een alternatiefuitgewerkt waarbij de grondwa-terstand achter de kolkwand doordrainage wordt verlaagd. Hier-door wordt de optredende belas-ting verlaagd en de kritieke situ-atie vermeden.Holle compartimenten bevindenzich achter een deel van de front-muren van de sluis en hebbengeen functie voor de sluis. Doorvermindering van de wanddiktezouden de wanden wellicht geenhoogwater kunnen keren. Over-wogen wordt de compartimentenmet schuimbeton te vullen, zodatde krachten op de wand op eenandere wijze overgenomen kun-nen worden.UlkesluisDe lichte bovenbouw van de sluisvoldoet niet. De massieve ge-wichtsconstructie die de onder-bouw vormt, voldoet nog wel. Omandere redenen moest verder debrug op de sluis vervangen wor-den. Gekozen is voor vervangingvan de bovenbouw door een vol-ledig zelfdragende constructie.Hiermee wordt de ontwerpvrij-heid voor een nieuwe beweegba-re brug groter.Spuisluis KornwerderzandDe pijlers van de spuisluis zijnvanongewapendestampbeton.Inde constructie komen alleen nor-maalkrachten voor. Maatregelenom de constructieve veiligheid teverhogen worden daarom (nog)niet genomen. Wel wordt voor deconstructie een monitoringspro-gramma opgezet.Schutsluis kornwerderzandDe afdekstenen in de kolk blekendoor vorstaantasting van zeerslechte kwaliteit te zijn. In het in-wendige werd ASR geconsta-teerd. De schade is echter gering.Besloten is alleen de afdekstenente vervangen door een ter plaatsegestorte betonnen voorzetwand.Deze wand is met ankers in deachterliggende beton worden be-vestigd. Met trekproeven is vast-gesteld dat de vereiste trekkrachtovergebracht kan worden op hetdoor ASR `aangetaste' beton. L i t e r a t u u r1. Siemes, A.J.M., Herstel ASR-schade ? onderzoek naar ASRleidt tot herstel van twintigkunstwerken, Cement 1997,nr. 10.2. Broekmans, M.A.T.M., Thealkali-silica reaction: minera-logical and geochemicalaspects of some Dutch con-cretes and Norwegian myloni-tes. Geologica Ultraiectina,faculteit Aardwetenschappen,universiteit Utrecht.3. Siemes, A.J.M., 0nverwachtlage treksterkte in betoncon-structies; Cement 2002, nr. 7.