Pijlers Galgenveldbrug in geopolymeerbeton Aantonen gelijkwaardigheid van geopolymeerbeton en de toepasbaarheid van Eurocode 2 1 Pijler Galgenveldbrug in geopolymeerbeton (foto: Van Hattum en Blankevoort) 1 32? CEMENT 5 20 23 De Galgenveldbrug is een voet- gangersbrug gelegen over het Buiksloterkanaal in Amsterdam. Het verbindt de Buiksloterweg met de Tol- huistuin. De brug bestaat uit drie overspan- ningen van elk circa 13,4 m, resulterend in een totale overspanning van 40,2 m. Gedu- rende een constructieve inspectie op 15 ok- tober 2020 zijn ernstige constructieve scha- des geconstateerd aan de pijlers. De schades waren van dien aard dat betonherstel niet meer mogelijk was. Het brugdek is tijdelijk verwijderd en vervolgens is er voor de pijlers een nieuw ontwerp gemaakt door Nebest. Als prestatie-eisen aan het beton golden een druksterkte van C35/45 en milieuklassen XC4/XD3/XF4. In de tussentijd is er een proces opgestart om toepassing van geopo- lymeerbeton mogelijk te maken. Gemeente Amsterdam wil graag ver- duurzamen en heeft het gebruik van geopo- lymeerbeton in het bestek opgenomen om de CO 2-uitstoot van beton te verlagen. Van Hattum en Blankevoort heeft samen met Sqape de gelijkwaardigheid aangetoond en gepresenteerd aan de omgevingsdienst, die vervolgens een positief advies heeft uitge- bracht aan de vergunningverlenende in- stantie, de gemeente Amsterdam. Aan het einde van 2022 zijn de bestaande pijlers af- gebroken, opnieuw gewapend en gestort in geopolymeerbeton. Veiligheid op basis van gelijk- waardigheid Op grond van de gelijkwaardigheidsbepaling mag op een andere manier aan een voor- schrift uit het Bouwbesluit 2012 worden vol- daan dan is aangegeven [1]. Voorwaarde is dat de gekozen oplossing minstens dezelfde mate van veiligheid, bescherming van de gezondheid, bruikbaarheid en bescherming van het milieu biedt. In tabel 1 is kort vermeld hoe hier voor de Galgenveldbrug invulling aan is gegeven. Omdat over geopolymeerbeton (nog) niets is opgenomen in de regelgeving, moet op basis van deze gelijkwaardigheid worden aangetoond dat de constructieve integriteit van geopolymeerbeton vergelijkbaar is met traditioneel beton. Hiertoe moeten de pres- taties bekend zijn. Dit betreft mechanische eigenschappen en technische levensduur. Om hier invulling aan te geven kan de RTD 1034 Leidraad voor de beoordeling van nieuwe betonmengsels [2] van Rijkswaterstaat wor- den gebruikt. Hierin zijn, afhankelijk van de beoogde toepassing, de verschillende te onderzoeken eigenschappen benoemd met de bijbehorende testmethode. Wereldwijd is er al veel onderzoek gedaan naar de prestaties van geopolymeer- beton, maar resultaten kunnen niet zomaar worden overgenomen omdat de samen- FELIX LEENDERS Betonadviseur en Constructeur Van Hattum en Blankevoort auteur PROJECTGEGEVENS project Herstel pijlers Galgenveldbrug opdrachtgever Gemeente Amsterdam aannemer Van Hattum en Blankevoortleverancier geopolymeerbeton Jansen Beton Amsterdam bindmiddelleverancier Sqape (type RAMAC) Geopolymeerbeton staat de laatste tijd flink in de belangstelling. Het aantal constructief dragende en gewapende elementen in de infrastructuur uitgevoerd in geopolymeerbeton, is in Nederland echter op ongeveer één hand te tellen. Dit heeft waarschijnlijk te maken met onder meer prijs, onbekendheid, onderbouwing mechanische eigenschappen en het garanderen van de technische levensduur. In dit artikel wordt beschreven hoe dit proces is doorlopen bij de onderbouw van de Galgenveldbrug in Amsterdam, met speciale aandacht voor rekenregels uit Eurocode 2 en de technische levensduur. CEMENT 5 2023 ?33 stelling van de mengsels sterk kunnen ver- schillen. Het uitvoeren van onderzoek op Nederlandse mengsels is dus belangrijk. Er is een groot scala aan mogelijk te onderzoe- ken eigenschappen. Denk hierbij aan trek- sterkte, elasticiteitsmodulus, langeduurdruk- sterkte (1 jaar), hechtsterkte aan wapening, zwelmechanismen, carbonatatie, chloride- indringing, elektrische geleidbaarheid, spanning-rekrelatie, brand en vermoeiing. Hierbij moet men zich ervan bewust zijn dat ter plaatse gestort beton als halffabricaat wordt geleverd (betonspecie) en dat de pres- taties van het verharde eindproduct (beton) sterk worden beïnvloed door de mate van aandacht in de uitvoering. Denk hierbij aan een correcte nabehandeling en voorkomen van vroegtijdige blootstelling aan aantastings- mechanismen. Rekenen aan geopolymeerbeton Als de eigenschappen zijn aangetoond, kan in principe Eurocode 2 (NEN-EN 1992-1-1) worden gehanteerd om te rekenen aan geo- polymeerbeton. Maar men moet kritisch blijven op de invloed van afwijkende eigen- schappen. In de basis is het bezwijkgedrag, uitgedrukt in de spanning-rekrelatie, gelijk aan cementbeton. Wel heeft geopolymeer- beton een iets hogere stuikrek en een iets lagere breukrek. De veiligheidsfilosofie van een gewa - pend element is vergelijkbaar aan cement- beton [3]. Er is een bepaalde hoeveelheid minimale wapening nodig om brosse breuk te voorkomen en er moet niet te veel wape- ning in het beton zitten om bezwijken op betonstuik te voorkomen, zonder dat er excessieve scheurvorming heeft opgetreden (voldoende rotatiecapaciteit). In de uiterste grenstoestand moet de maximale momenten- en dwarskrachtcapa- citeit worden getoetst. Het berekenen van de maximale momentencapaciteit is gelijk aan cementbeton. De dwarskrachtweerstand is een complexe samenwerking van hoofdza- kelijk de deuvelwerking van de getrokken wapening, interlock in de scheur en de drukspanningen in de ongescheurde zone. Er zijn verschillende onderzoeken gedaan naar de dwarskrachtcapaciteit van (gewa- pend) geopolymeerbeton, waaruit blijkt dat de capaciteit, bezwijkgedrag en scheurpa- troon vergelijkbaar was met cementbeton [4, 5, 6]. Deze resultaten zijn op zichzelf niet verwonderlijk, aangezien bij een gelijke druksterkte de treksterkte van geopolymeer- beton iets hoger is. Er is echter wel vervolg- onderzoek nodig. In de benadering van de huidige Euro- code is het interne krachtenspel niet inbe- grepen. In de Eurocode-benadering wordt de capaciteit, door middel van een empirische formule, enkel bepaald door de betondruk- sterkte (f ck), het wapeningspercentage en de geometrie. Het is bekend dat de dwarskracht- weerstand afneemt bij een hoog moment [7] en dat de treksterkte afneemt in de aanwe- zigheid van hoge laterale hoofddrukspan- ningen ('bi-axiale sterkte') [8]. Verder kan een betere hechting aan de wapening een negatieve invloed hebben op de dwars- krachtcapaciteit. Er kan namelijk eerder splijten optreden bij het twee-assig gedrag van beton in drukdiagonalen gekruist door beugels. Of dit in gelijke mate een rol speelt bij geopolymeerbeton moet nog worden onderzocht. In geval van significante dwars- krachten in combinatie met een moment of trekkracht, kan het raadzaam zijn om dwarskracht eerder af te wapenen, bijvoor- beeld vanaf 0,7 V Rd,c. De sterkteberekeningen van de Galgen - veldbrug zijn opgesteld voor C35/45, ongeacht of het in traditioneel of geopolymeerbeton zou worden uitgevoerd; beide betontypen Op grond van de gelijkwaardig- heidsbepaling mag op een andere manier aan een voorschrift uit het Bouwbesluit 2012 worden voldaan GEOPOLYMEERBETON IN HET KORT Geopolymeerbeton bestaat net als cementbeton uit grof en fijn toeslagma- teriaal, een bindmiddel en water. Verder kunnen er nog vul- en hulpstoffen aan worden toegevoegd. Het verschil is dat het bindmiddel geen cement bevat. Minerale stoffen (zogenoemde precurs- ors) worden alkalisch geactiveerd (door zogenoemde activators). Momenteel zijn precursors in Nederland veelal geba- seerd op een blend van hoogovenslak en vliegas, in verschillende verhoudingen. Geopolymeerbeton valt in de categorie AACM's: Alkali Activated Cementitious Materials. Tabel 1?Invulling gelijkwaardigheid Galgenveldbrug voorwaarde gelijkwaardigheidsbepaling wijze aantonen in dossier dezelfde mate van veiligheid presenteren mechanische eigenschappen en technische levensduur bescherming van de gezondheid veiligheidsvoorschrift bruikbaarheid beschrijven uitvoeringsmethode bescherming van milieu diffusietest t.b.v. besluit bodemkwaliteit 34? CEMENT 5 20 23 moeten immers aan minimaal dezelfde druksterktes voldoen. De optredende dwarskracht was rekenkundig hoger dan de dwarskrachtcapaciteit van het beton (V Rd,c), wat sowieso leidde tot het toepassen van dwarskrachtbeugels. Vanuit de omgevings- dienst was het overigens een voorwaarde om de dwarskracht volledig af te wapenen ongeacht de optredende dwarskracht. Hechting wapening en beton Bij een gewapende betonnen constructie speelt de hechting tussen wapening en het materiaal een belangrijke rol. Deze hechting heeft invloed op onder andere scheurvor- ming, verankering, krachtsoverdracht tussen staven, minimale dekking en rotatiecapaci- teit. Ten aanzien van de hechting gelden twee mechanismen: chemische binding van bindmiddel aan wapening en wrijving; mechanische binding ofwel interlock tussen de ribbels van de wapening en het beton. Eerder is vergelijkend onderzoek uitgevoerd tussen een op portlandklinker gebaseerd traditioneel cementbeton en een op vliegas gebaseerd geopolymeerbeton [9], voor zowel gladstaal als geribd staal. Hieruit volgt dat het bezwijkpatroon tussen beide beton- soorten en de maximale hechtsterkte voor geribte staven vergelijkbaar is (fig. 3 en 4). Maar er zijn ook verschillen. Zo laat geopoly- meerbeton een hogere chemische hechting zien op gladde staven, een lagere piekspan- ning aan het uiteinde van de staaf bij hogere belastingen en een hogere spanningsstijf- heid, wat zich vertaalt in een lagere slip bij eenzelfde belasting. Door Chang [10] wordt geconcludeerd dat ter plaatse van overlappingen het bezwijk - mechanisme door langssplijten bij geopoly- meerbeton gelijk is aan dat van traditioneel beton. Alleen bij hogere betonsterkte reageert het geopolymeerbeton iets brosser. Uitgaande van een gelijke hechtsterkte en geen hogere piekspanningen van geopo- lymeerbeton aan geribt wapeningsstaal, zul- len het scheurpatroon, de benodigde dekking en overlappings- en verankeringslengtes niet significant negatief afwijken ten opzichte van traditioneel beton. Hierom zijn bij de Galgenveldbrug dan ook dezelfde rekenregels uit de EC2 gehanteerd. Vanwege het ontbreken van voldoende onderzoek, is een aandachtspunt of het bij volledig uitgenutte constructies voldoende is om constructief de minimale dekking 2 Plaatsen Galgenveldbrug over het Buiksloterkanaal in Amsterdam (foto: Van Hattum en Blankevoort) 2 Van geopoly- meerbeton is bekend dat de elasticiteits- modulus door- gaans lager is en de krimp en kruip hoger CEMENT 5 2023 ?35 50 kN 60 kN 70 kN 80 kN 10 kN 20 kN 30 kN 40 kN Load level 0 5 10 15 20 25 40 35 30 Bond stress (MPa) 20 40 60 80 100 120 0 Distance from the loaded end (mm) 50 kN 60 kN 70 kN 80 kN 10 kN 20 kN 30 kN 40 kN Load level 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Bond stress (MPa) 20 40 60 80 100 120 0 Distance from the loaded-end (mm) 3 4 3 Gemiddelde verdeling hechtsterkte op geribd staal voor geopolymeerbteon [9] 4 Gemiddelde verdeling hechtsterkte op geribd staal voor traditioneel cementbeton [9] van de staafdiameter te hanteren, vooral bij grotere diameters. Bij minimale betondek- kingen, tot bijvoorbeeld de staafdiameter, zou afsplijten van dekking eerder kunnen optreden. In de infrabouw zijn de dekkingen doorgaans groter dan de staafdiameter, zo- als ook bij de Galgenveldbrug, en is er van- wege de strenge scheurwijdte-eisen vaak voldoende overcapaciteit in de UGT, mits de overlappingen niet tot het minimale zijn ge- reduceerd. Daarnaast is het de vraag of het verstandig is alle overlappingen in een kriti- sche zone te leggen, waar maximaal buigend moment en maximale dwarskracht samen optreden; bij overlappingen treden namelijk ook dwarsspanningen op. Aanvullend aandachtpunt is dat bij voorspanning met aanhechting de span- ningen wel degelijk hoger zijn omdat de krachtsoverdracht via chemische binding plaatsvindt. Voor de detaillering van de splijt- wapening moet hier rekening mee worden gehouden. Elasticiteitsmodulus Van geopolymeerbeton is bekend dat de elasticiteitsmodulus doorgaans lager is en de kruip hoger. Dit zal leiden tot meer ver- vorming. De lagere elasticiteitsmodulus is het gevolg van een hoger aandeel pasta (een fenomeen dat ook is te zien bij zelfverdich- tend beton). Overigens heeft het type toeslag - materiaal (grind, kalksteen of granulaat) ook een significante invloed op de elastici- teitsmodulus bij traditioneel beton met een bandbreedte van wel 30%. Door gebruik van grind is de elasticiteitsmodulus 'relatief hoog' en daardoor vergelijkbaar aan de waarde van dezelfde sterkteklasse uit de EC2. Deze ongunstigere eigenschappen van geopolymeerbeton geven overigens weer lagere spanningen bij elementen die onder- hevig zijn aan verhinderde vervormingen [11]. Doorbuiging en vervormingen speelden geen maatgevende rol bij de pijlers en daar- om is hier verder geen aandacht aan besteedt. Krimp Krimp is een verzamelbegrip van verschil - lende fenomenen die tot verkorting leiden. Als krimp tot trekspanningen leidt, dan be- staat er risico op scheurvorming. De drie soorten krimp waar standaard in de bereke- ning rekening mee wordt gehouden, zijn: uitdrogingskrimp, autogene krimp en krimp door afkoelen in de hydratatiefase. De som van uitdrogings- en autogene krimp van het geopolymeerbeton is hoger dan die van cementbeton, zoals berekend met de EC2. Hierbij moet worden opgemerkt dat metingen van de autogene krimp bij traditi- oneel beton een enorme spreiding laten zien 36? CEMENT 5 20 23 en deze zelfs vijf keer zo hoog kan zijn als uit de Eurocode volgt (fig. 5) [12].Voor de pijlers van de Galgenveldbrug heeft krimp geen invloed en is dit fenomeen genegeerd. Wanneer krimp wél een signifi- cante rol speelt, is het advies om een krimp- proef uit te voeren op het beoogde geopoly- meermengsel; dit advies geldt uiteraard ook voor traditioneel beton. Vermoeiing Een relatief onbekend mechanisme in geo- polymeerbeton is vermoeiing. Maar in feite is daar voor traditioneel beton ook niet alles over bekend. Er zijn tal van factoren die een rol spe- len bij het beoordelen van de vermoeiings- weerstand. Opgedeeld in drie hoofdthema's zijn er: 1) de belastingkant (grootte van de belasting, frequentie, mate van impact); 2) berekeningsmethode; 3) materiaalsamen- stelling. Uit de beperkte hoeveelheid onder- zoeken volgt dat de vermoeiingsweerstand van geopolymeerbeton niet significant afwijkt van cementbeton, zoals Balamuralikrishnan [13] aantoont voor op vliegas gebaseerd geo- polymeerbeton. Nader onderzoek is noodza- kelijk, maar voor licht dynamisch belaste constructies zijn er geen aanwijzingen die duiden op een verminderde vermoeiings- weerstand. De Galgenveldbrug wordt overigens enkel belast door voetgangers en fietsers en is daarmee niet onderhevig aan vermoei- ingsbelasting. Levensduur De technische levensduur van beton is af- hankelijk van de mate waarin het beton én de wapening worden beschermd tegen bloot - stelling aan invloeden van buitenaf, vertaald in milieuklassen. In N ederland is nog maar beperkt ervaring met hoe geopolymeerbeton zich in de praktijk gedraagt en is de kennis gebaseerd op laboratoriumonderzoek. Een van de aantastingsmechanismen is corrosie ingeleid door carbonatatie, waar- bij het risico afhankelijk is van de carbona- tatiegevoeligheid en de alkaliteit van gecar- bonateerd geopolymeerbeton. Bij een pH > 9 vormt zich een passiveringslaag om het wa- peningsstaal, wat corroderen voorkomt. Verhard beton heeft een pH van circa 11 tot 13. Door indringing van koolzuur treedt bij cementbeton echter een verlaging van de pH op tot onder 9. Volgens recente wetenschappelijke publicaties kunnen versnelde carbonatatie- testen niet worden gebruikt om een voor- spelling te doen over het corrosierisico of de levensduur en moet er eigenlijk een geschik- tere test worden ontwikkeld. Bij de versnel- de carbonatatietesten in het laboratorium ontstaat er een ander reactieproduct met een lagere pH dan wat er in de praktijk wordt waargenomen [11]. Uit onderzoek aan de TU Delft volgt dat, ongeacht de omgevingscondities, de pH van gecarbonateerde geopolymeerpasta's niet daalde tot onder de 9,2, een waarde waarbij staal nog gepassiveerd blijft [14]. 5 5 Autogene-krimpverkorting traditioneel beton versus berekening EC2 [12] De pijlers worden de komende vijf jaar gemonitord om het vertrouwen te bevestigen CEMENT 5 2023 ?37 Uit andere literatuur blijkt dat door carbona- tatie de pH zelfs niet daalde tot onder de 11 [15]. Voor zowel geopolymeerbeton als ce- mentbeton met laag klinkergehalte geldt dat het gecarbonateerde materiaal poreuzer wordt. Welke invloed dit heeft op andere aantastingsmechanisme is niet bekend. Een ander aspect wat leidt tot corrosie is chloride-indringing, wat voorkomt bij beton dat wordt blootgesteld aan dooizouten of zeewater. De weerstand tegen chloride- indringing is bij niet gecarbonateerd geopo- lymeerbeton hoger dan bij traditioneel beton, vooral als het vergeleken wordt met portland - klinkercement. Niet gecarbonateerd geopo- lymeerbeton heeft een zeer dichte structuur, waar chloride moeilijk doorheen diffundeert. Blootstelling aan zeewater heeft ook inwerking van sulfaten tot gevolg. In traditi- oneel beton treedt hierdoor een reactie op met ongereageerd C3A, wat uiteindelijk leidt tot een expansieve ettringietvorming dat het cementsteen inwendig kapot drukt. Vanwege het ontbreken van cement in geopolymeer- beton treedt dit mechanisme niet op. De weerstand tegen vorst-dooiwisse- lingen van geopolymeerbeton is net als voor cemenbeton sterk afhankelijk van de samen - stelling en de nabehandeling. Geopolymeer- beton kan in principe zo worden samenge- steld dat het gelijkwaardig presteert als traditioneel beton [11, 18]. Het in dit project toegepaste geopolymeerbeton voldoet aan de eisen van maximaal massaverlies beho- rend bij vorstbestandheidsklasse FT1. Het geopolymeerbeton dat in de jaren 80 en 90 in Rusland is gebruikt, blijkt de strenge om- standigheden goed doorgekomen te zijn [16]. Er zijn echter ook mengsels die minder goed presteren [17, 19]. Het is dus geen vaststaan- de prestatie-eigenschap van geopolymeer- beton en onderzoek per mengsel is noodza- kelijk. In de reactieproducten van geopoly- meerbeton zitten minder calciumgebaseer- de stoffen, waardoor de weerstand tegen zuren sterk verbeterd is ten opzichte van traditioneel beton. Samen met de verhoogde sulfaatweerstand maakt dat geopolymeer- beton een zeer goede weerstand biedt tegen chemische aantasting [11]. Monitoring Op papier is de gelijkwaardigheid conform het bouwbesluit aangetoond. Hiermee is er een gerechtvaardigd vertrouwen dat het materiaal zich gedraagt zoals we verwacht- ten en dat de constructieve integriteit ge- waarborgd is. Toch zijn er mechanismen te bedenken die misschien negatief kunnen werken. Zal het carbonatatiefront dermate diep het beton in gaan dat een significant deel van de doorsnede poreus wordt? Is bij toenemende porositeit de wapening vol- doende beschermd tegen vorst en chloride- indringing? Gedraagt het materiaal zich ge- lijk als het volledig verzadigd is met water of juist volledig uitgedroogd? Blijven hierdoor de langdurige mechanische eigenschappen intact? Er zijn tot nu toe geen redenen voor zorgen over het toegepaste mengsel, maar toch gaan de pijlers de komende vijf jaar worden gemonitord om dit vertrouwen te bevestigen. Dit was een voorwaarde voor de omgevingsdienst om geopolymeerbeton toe te mogen passen, maar ook voor Van Hattum en Blankevoort en Sqape levert dit waarde- volle informatie op. Er zijn drie aspecten waarop wordt gemonitord: 1) behoud van mechanische eigenschappen door elk jaar de druksterkte en splijttreksterkte te meten van separaat gemaakte kubussen; 2) bescherming van wapening tegen corrosie door het staalpo- tentiaal te meten; 3) visuele inspectie waar- mee betonschade door bijvoorbeeld vorst kan worden gesignaleerd. Toepassingsgebied Het toepassingsgebied voor geopolymeerbe- ton is behoorlijk breed. Wel moet per project een gedegen afweging worden gemaakt van de risico's. Bij constructies met bijzondere of hoge prestatie-eisen, denk aan bijvoor- beeld hoge vermoeiingsbelastingen of hoge dwarskrachten, is aanvullend onderzoek nodig en is uitgebreide praktijk ervaring wenselijk. BRONNEN 1?Informatieblad Gelijkwaardigheid Bouwbesluit 2012. 2?RTD 1034 Leidraad voor de beoordeling van nieuwe betonmengsels, Rijkswaterstaat. 3?Kumaravel, S., Thirugnanasambandam, S., Flexural behaviour of geopolymer concrete beams, 2013. 4?Visintin, P., Mohamed Ali, M.S., Albitar, M., Lucas, W., Shear behaviour of geopolymer concrete beams without stirrups, 2017. 5?Chang, E.H., Shear and Bond Behaviour of Reinforced Fly Ash-Based Geopolymer Concrete Beams, 2009. 6?Cárdenas-Pulido, J, Reyes, J.C., Carrillo, J, Ramírez, F, Shear behavior of geopolymer concrete panels under diagonal tensile stresses, 2020. 7?Goeij, R. de, Kleinman, C., Interactie moment en dwarskracht. Cement 2013/8. 8?Roosen, M., Yang Y. Dwarskracht- weerstand in gebieden zonder buigscheuren (1). Cement 2021/7. 9?Cui, Y., Zhang, P., Bao. J., Bond Stress between Steel-Reinforced Bars and Fly Ash-Based Geopolymer Concrete, 2020. 10?Chang, E.H et al, Bond Behaviour of Reinfoced Fly Ash-Based Geopolymer Concrete Beams, 2009. 11?Verweij, M., Geopolymeerbeton: hoe zit het nu? Betoniek Vakblad 2022/3. 12?Studie autogene krimp, Stutech. 13?Balamuralikrishnan, R., Fatigue behaviour of geopolymer concrete beams, 2015. 14?Nedeljkovic, M., Carbonation mechanism of alkali-activated fly ash and slag materials, 2019. 15?Preadvies geopolymeerbeton voorgespannen kanaalplaten, 6 maart 2017. 16?Shi, C., Roy, D, Krivenko, P., Alkali- Activated Cements and Concretes, 2006. 17?Vermeulen, E., Geopolymeerbeton: een hype of de toekomst? Betoniek Vakblad 2022/2. 18?RILEM TC 224-AAM ? Alkali Activated Materials ? 2014. 19?Zhang, S. Ye, G., Lukovic, M., Herder, H., Scharringa, A.,, Geopolymeerbeton voor infrastructurele toepassingen (1). Cement 2022/7. 38? CEMENT 5 20 23