Betonspeciedruk bij het volstorten van prefab wanden
Na het plaatsen van dubbele wandelementen moet de holle ruimte tussen de twee betonschillen volgestort worden met beton. Ook bij grondkerende constructies waarbij enkelzijdige wandelementen gebruikt worden, moet de ruimte tussen de grondkering en de wandelementen gevuld worden met betonspecie. Dit verse beton oefent een druk uit op de wandelementen, ook wel betonspeciedruk genoemd. Bij het ontwerp van beide wandelementen, maar ook bij het dimensioneren van de druk- en trekschoren voor enkelzijdige wandelementen, wordt rekening gehouden met de maximaal vooropgestelde betonspeciedruk. Om de kwaliteit van het eindresultaat en de veiligheid op de bouwplaats te vrijwaren, is het belangrijk dat deze druk tijdens de uitvoering niet overschreden wordt. In dit artikel geven we meer inzicht in de factoren die invloed hebben op de betonspeciedruk.
In een stilstaande vloeistof heerst een druk die lineair afhankelijk is van de afstand tot het vrije vloeistofoppervlak. Men noemt dit ook wel de hydrostatische druk welke in alle richtingen gelijk is. Voor water is deze druk op 1 m diepte gelijk aan, afgerond, 10 kN/m². Als een betonspecie zich zou gedragen als een vloeistof, zou op een diepte van 1 m een hydrostatische druk van ongeveer 24 kN/m² aanwezig zijn. Maar beton gedraagt zich niet als een vloeistof. Een betonspecie die valt in een lage consistentieklasse heeft een lage vloeibaarheid en zal zich minder als een vloeistof gedragen. Hierdoor zal een lagere horizontale druk optreden dan bij een specie die vloeibaarder is. Als de betonspecie door middel van trillen wordt verdicht, zal de specie zich meer als een vloeistof gedragen, waardoor de horizontale druk toeneemt. [1] [2] [3]
In smalle wanden zorgt brugvorming ervoor dat de horizontale betonspeciedruk tegen de betonschillen lager is dan de hydrostatische druk. Met brugvorming wordt bedoeld dat de grove toeslagmaterialen zich ‘vastzetten’ tussen de wapeningsstaven of tussen de wandelementen en de wapening, waardoor de speciedruk onvolledig wordt doorgegeven aan de diepere lagen. De vloeibaarheid van de specie bepaalt in grote mate de brugvorming. Hoe vloeibaarder het beton, hoe kleiner de kans op brugvorming. Vanaf een breedte van 500 mm is er geen brugvorming meer. [1] [2] [3]
Zodra de betonspecie een bepaalde stijfheid heeft bereikt, neemt de horizontale druk op de wandelementen bij verder storten niet meer toe. Het moment waarop dit gebeurt, hangt af van de betonsamenstelling en de specie- en omgevingstemperatuur. Een betonspecie met een hogere temperatuur zal sneller beginnen te verharden, waardoor een lagere horizontale betonspeciedruk zal optreden. Bij een lage omgevingstemperatuur verloopt het opstijven van de betonspecie trager. In de winterperiode moet de aannemer dan ook extra alert zijn op risico’s van te hoge horizontale betonspeciedruk. Hulpstoffen, zoals superplastificeerders, verhardingsvertragers en -versnellers, zijn stoffen die de eigenschappen van de betonspecie veranderen. Het is belangrijk om te weten welke invloed de hulpstof heeft op de verwerkbaarheid en het opstijfgedrag van de specie. Maar ook vulstoffen hebben invloed op de verwerkbaarheid en het opstijfgedrag. Deze worden toegevoegd aan het beton ter aanvulling van de hoeveelheid fijn materiaal. Het opstijfgedrag van de betonspecie wordt ook beïnvloed door het soort en het type cement. [1] [2] [3] Portlandcementen CEM I 52,5 N en R zorgen bijvoorbeeld voor een snelle sterkteontwikkeling van het beton, terwijl een hoogovencement CEM III/A 42,5 L resulteert in een trage sterkteontwikkeling. [4] Ook de stijgsnelheid heeft invloed op de horizontale betonspeciedruk. Dit is de snelheid waarmee het stortoppervlak van de betonspecie stijgt, uitgedrukt in m/uur. Hoe sneller het beton stijgt, hoe minder kans het beton heeft om op te stijven en dus hoe hoger de druk zal zijn. [2]
De valhoogte van beton is de afstand tussen het einde van de stortgoot, de onderzijde van de kubel, het einde van de rubberen buis die onder de kubel is bevestigd of het einde van de slang van de betonpomp en het niveau waarop de betonspecie terechtkomt. Bij een grote valhoogte zal het beton extra druk uitoefenen op de onderliggende laag. Deze druk kan oplopen tot 10 kN/m². Bij een valhoogte van maximum 2 m is de extra druk verwaarloosbaar. [1] [2] [3] Volgens de NBN B 15-400 [4] mag de valhoogte van het beton niet meer dan 1 m bedragen om onder andere ontmenging van de betonspecie en verplaatsing van de wapening te voorkomen. [5]
Het is onmogelijk alle factoren die de horizontale betonspeciedruk beïnvloeden exact in rekening te brengen. De stijgsnelheid is een van de belangrijkste factoren die de bouwvakkers direct kunnen beïnvloeden. Alle andere factoren zijn op het moment van storten min of meer bepaald en kunnen nauwelijks worden gewijzigd. [2] Er bestaan rekenmethoden waarmee de maximale horizontale betonspeciedruk of stijgsnelheid kan worden benaderd. Een interessante norm in dit kader is de Duitse DIN 18218 [6], waarin men uitgaat van een bilineaire drukverdeling. In het bovenste gedeelte van de wand wordt gerekend met de hydrostatische druk. Vanaf een bepaald punt neemt de horizontale druk naar de onderzijde van de wand niet meer toe door het opstijfgedrag van de betonspecie (Fig. 1). Voor elke consistentieklasse wordt een formule gegeven om de maximale horizontale betonspeciedruk (σhk,max, uitgedrukt in kN/m²) te berekenen in functie van de stijgsnelheid (v, uitgedrukt in m/uur) en de bindingstijd (tE, uitgedrukt in uur) van de betonspecie. De bindingstijd is de tijd die verstrijkt tussen het aanmaken van het beton en het tijdstip waarop het verse beton verhard is. Voor consistentieklasse S3(F3) en S4(F4) (volgens NBN EN 206 [7]) worden de formules uit de norm weergegeven in Formule 1 en 2. Met deze formules kan dus ook de maximale stijgsnelheid berekend worden in functie van de maximale horizontale betonspeciedruk en de bindingstijd.
Consistentieklasse S3(F3):
σhk,max = (14.v + 18).(1 + 0,077.(tE - 5)) (Formule 1)
Consistentieklasse S4(F4):
σhk,max = (17.v + 17).(1 + 0,14.(tE - 5)) (Formule 2)
De bindingstijd van de betonspecie kan worden bepaald met de Vicat-methode in overeenstemming met NBN EN 480-2. [8] Als alternatief voor deze methode kan de eenvoudige kneedzakproef uit DIN 18218 uitgevoerd worden. Bij deze test wordt de betonspecie in een plastic zak gestoken en om de 30 minuten de samendrukbaarheid getest door een kracht uit te oefenen met de duim, tot het punt bereikt wordt waarop het beton niet meer dan 1 mm samengedrukt kan worden. Door de verstreken tijd op dat moment te vermenigvuldigen met 1,25 vindt men bij benadering de bindingstijd van de betonspecie. Deze test is weinig wetenschappelijk met veel spreiding op het resultaat. [6] [3] Om een beeld te krijgen van de spreiding is het goed om de test verschillende keren uit te voeren, telkens door dezelfde persoon en onder dezelfde omstandigheden. Het gemiddelde van de resultaten geldt dan als de bindingstijd. DIN 18218 [6] geeft ook richtwaarden voor de bindingstijd van de betonspecie in functie van de theoretische sterkteontwikkeling van het beton en de betonspecietemperatuur (Tabel 1). De sterkteontwikkeling van het beton hangt af van het gebruikte type cement en kan gevonden worden in de NBN B 15-400 [4] (Tabel 2). De berekende stijgsnelheden op basis hiervan zijn weergegeven in Tabel 3, voor een maximale betonspeciedruk van 25 kN/m² en 30 kN/m² en voor consistentieklassen S3(F3) en S4(F4). Een maximale horizontale speciedruk van 30 kN/m² wordt meestal gehanteerd door de fabrikanten van prefab wandelementen.
Als de betonspecietemperatuur op het moment van plaatsing lager is dan deze op het moment van bepaling van de bindingstijd, dan zal de horizontale betonspeciedruk hoger zijn. Elk temperatuurverschil van 1 °C betekent een verhoging van de horizontale betonspeciedruk van 3 % bij dezelfde stijgsnelheid. Om de maximale druk niet te overschrijden, kan de stijgsnelheid gereduceerd worden met ± 7 % per temperatuurverschil van 1 °C. [6] In overleg met de betoncentrale kan ook het toevoegen van een verhardingsversneller, het verhogen van het cementgehalte of het toepassen van een snelhardend cement overwogen worden. Op die manier kan dezelfde stijgsnelheid aangehouden worden. Ook de omgevingstemperatuur heeft invloed op de horizontale betonspeciedruk. Als de omgevingstemperatuur of de temperatuur van de wandelementen lager is dan de betonspecietemperatuur bestaat het risico dat de betonspecietemperatuur tijdens het verharden gaat dalen. In dat geval is het ook raadzaam om de stijgsnelheid te verminderen, zoals hoger aangegeven, of in overleg met de betoncentrale de betonsamenstelling bij te sturen. [6] Het bijsturen van de betonsamenstelling is geen gemakkelijke opgave. Sommige fabrikanten van prefab wandelementen geven ondersteuning aan de aannemer en de betoncentrale om het storten van het beton optimaal voor te bereiden en uit te voeren. Wanneer zelfverdichtend beton vanaf de onderzijde in dubbele wandelementen wordt gepompt, moet de betonspecie vloeibaar blijven tot de wandelementen tot boven gevuld zijn. Dit betekent dat rekening gehouden moet worden met een hydrostatische betonspeciedruk. [2] [6] Om wanden van 3 m hoogte in één keer tot boven te kunnen vullen moeten ze ontworpen worden voor een hydrostatische betonspeciedruk van 72 kN/m². [BHE]
