Hele keten is onderdeel pilotproject zelfhelend beton

Bij een spooronderdoorgang in Rijen (Vijf Eikentunnel) is zelfhelend beton gecombineerd met reductie van horizontale wapening. Het moet leiden tot een duurzamer resultaat met een langere levensduur en beperkte beheerkosten. De Vijf Eikentunnel is afgelopen zomer in gebruik genomen, ongeveer een jaar na de stort van de ondergrondse wanden voor de pompkelder. De eerste bevindingen zijn in alle opzichten positief. Komende jaren blijven ProRail en Heijmans samen met de projectpartners de staat van de spooronderdoorgang volgen.

Integraal en gedocumenteerd

Het is niet het eerste pilotproject met zelfhelend beton, maar wel het eerste project waarbij veel verder wordt gekeken dan alleen de materiaaleigenschappen. Het project is integraal bekeken en gedocumenteerd, van ontwerp tot betoncentrale en toepassing op locatie. Zo kan het hele proces als het ware worden ‘teruggelezen’ en levert het een belangrijke bijdrage aan kennisontwikkeling op het gebied van duurzaam bouwen en duurzaam materiaalgebruik.

In het project komen drie lijnen samen: langjarig onderzoek op het gebied van zelfhelende materialen aan de TU Delft, de ambitie van ProRail om in 2030 vijftig procent MKI-reductie en vijftig procent materiaalreductie door de inzet van secundair materiaal (re-use en recycle) te realiseren, en de strategische verduurzamingsagenda van Heijmans. De provincie Noord-Brabant is betrokken als eigenaar van de tunnel. Henk Jonkers (TU Delft), Marc Ottelé (TU Delft), Arend Kremer (ProRail) en Jeroen van Oosten (Heijmans) vertellen over de totstandkoming van het pilotproject en de integrale opgave die erachter schuilt in de uitwerking in de praktijk.

Vergelijkend onderzoek

In de onderdoorgang zijn twee oplossingen naast elkaar gezet. In een 25 meter lange wand van de pompkelder onder een van de toeritten is de vooraf berekende scheurvorming opgevangen met de traditionele hoeveelheid horizontale wapening. In de tegenoverliggende wand is 35% minder horizontale wapening gebruikt, waarbij de toepassing van zelfhelend beton ervoor moet zorgen dat optredende scheurvorming wordt hersteld. Het is het eerste infrastructurele project waarbij zelfhelend beton is gecombineerd met wapeningreductie. De extra duurzaamheidswinst van het pilotproject zit in de CO₂-reductie als gevolg van de wapeningreductie. De totale reductie kan oplopen tot zo’n 10% van de totale CO2-uitstoot van een betonconstructie (beton en wapening).

Uitvoering

Om de bacteriën (zie kader) in het zelfhelend beton hun werk te kunnen laten doen, is de pompkelder langzaam vol water gezet. Er was een andere uitvoeringsmethodiek vereist dan men standaard gewend is. Na realisatie in één keer de bronbemaling uitzetten (zoals gebruikelijk), zou resulteren in extra druk op de krimpscheuren. Daardoor zou er al lekkage optreden voor de bacteriën hun werk konden doen. De andere uitvoeringstechniek heeft gewerkt, zo blijkt uit de eerste analyse van Jeroen van Oosten.

‘Er was een andere uitvoeringsmethodiek vereist dan men standaard gewend is.’

“We hebben allereerst gezocht naar een passend project en een passende locatie, waarbij we alle omstandigheden in eigen hand hadden en alles binnen onze organisatie konden regelen. De onderdoorgang bij Rijen bleek daarvoor geschikt. Met ProRail en de provincie Noord-Brabant hebben we opdrachtgevers die openstaan voor innovatie. We kregen de ruimte om onze werkwijze in te vullen. Als eerste stap hebben we zelfhelend beton als ontwerptool geïmplementeerd, waarmee we de eisen ten aanzien van waterdichtheid met de innovatieve techniek konden invullen. Vervolgens wilden we uiteraard weten of het in de praktijk ook echt zou werken. Een onafhankelijke onderzoekspartij (SGS Intron) en Basilisk hebben gezamenlijk een geschiktheidsonderzoek uitgevoerd. Werken de bacteriën (de zogeheten healing agent) in dit mengsel en leidt de combinatie tot de gewenste betoneigenschappen, waaronder voldoende sterkte en levensduur? Die proef is in het laboratorium van SGS Intron uitgevoerd. Vervolgens hebben we het mengsel verder gefinetuned voor uitvoering, waarbij we onder meer hebben gekeken naar verwerkbaarheid, verwerkbaarheidstijd en inzicht in sterkteontwikkeling.”

Controles

“De uitwerking op de bouwplaats bestond uit het gelijktijdig storten van twee wanden in de pompkelder. We hebben dat bewust met twee ploegen gedaan, waarbij ook alle voorbereidende werkzaamheden gescheiden plaatsvonden. In elke stap van het uitvoeringsproces hebben we controles uitgevoerd, zodat we zeker wisten dat de juiste mix in de juiste wand terecht zou komen. Op de bouwplaats is per mengsel nog een test op verwerkbaarheid uitgevoerd voordat het mengsel de pomp in ging. Na ontkisting van de wanden zijn diverse controles uitgevoerd op de scheurvorming, zowel voor, tijdens en nadat we de pompkelder zes weken onder water hadden gezet. Bij de tweede controle bleek dat de scheurvorming volledig hersteld was. Ook in de traditioneel gewapende wand werd geen scheurvorming gedetecteerd. We zitten nu in de monitoringsfase die vijf jaar zal duren.”

Langetermijnperspectief

“Als opdrachtgever acteert ProRail vanuit de beheerfilosofie. Die komt in de basis neer op de vraag: waar hebben we op lange termijn last van?”, vat Arend Kremer de achtergrond van het pilotproject samen. “Kortom, we willen moeilijkheden in de beheerfase reduceren. Waar we investeren in innovatie, kijken we naar rendement in de komende honderd jaar. Waterdichtheid van constructies als deze onderdoorgang is daarbij essentieel. De berekeningen leveren vaak zoveel wapening op, dat het bijna niet meer maakbaar is. Dus ook vanuit dat perspectief is zelfhelend beton een interessant alternatief.”

Arend Kremer: “Niet elke innovatie is een succes. Dat moet je als beheerder incalculeren. Je kunt ook niet altijd garanderen dat een toepassing volledig succesvol zal zijn. Bij een constructie als de onderdoorgang bij Rijen kun je eigenlijk pas na tachtig jaar de balans opmaken. We moeten het dus doen met innovaties die naar onze inschatting van vandaag zullen werken, en die toepassen. Daarbij probeer je zo robuust te bouwen als je denkt dat nodig is om onzekerheden in de toekomst, zoals klimaatverandering, het hoofd te kunnen bieden. Je houdt in je ontwerp rekening met wat je op dat moment weet, maar het blijft een spanningsveld.”

‘We moeten het doen met innovaties die naar onze inschatting van vandaag zullen werken, en die toepassen.’

“Bij innovaties zien we wel vaker dat het resultaat niet matcht met de verwachtingen op basis van berekeningen en laboratoriumtests. Dat betekent dat je naar de hele keten moet kijken” vervolgt Arend Kremer. “En dat doen we in deze pilot. We nemen het volledige proces mee, van ontwerp tot en met realisatie plus de eerste tien jaar instandhouding. Wat we uiteindelijk willen weten, is wat het herstellende vermogen van zelfhelend beton is en de mate van betrouwbaarheid die daarmee gepaard gaat. ProRail is bereid daarin te investeren en subsidieert dit pilotproject. Maar dat betekent wel dat je niet met willekeurig welke marktpartij aan het werk gaat. Wij zochten een partner die het proces van voor tot achter kon overzien en met een gedegen uitvoeringsplan kwam. Die hebben we gevonden in Heijmans. Daarnaast heeft een collega vanuit ProRail erop toegezien dat alle stappen in het proces geborgd waren. Aanvullend hebben we een intern vervolgproject, waarin we vastleggen wat ervoor nodig is om in elke fase van het beheerproces de juiste maatregelen te nemen. Alles bij elkaar leidt dit tot goede prestatie- en contracteisen. Dan weet de aannemer wat er van hem verwacht wordt en de handhaver waar hij op moet letten.”

Zelfhelend sinds 2006

“Beton vertoont soms kuren”, vertelt Henk Jonkers over de beweegredenen binnen de TU Delft om in 2006 de stap te zetten naar nader onderzoek naar materiaaleigenschappen. “We zagen dat we de theorie niet altijd naar de praktijk konden vertalen. In betonconstructies is sprake van scheurvorming, lekkages, aantasting van wapening en daardoor een kortere levensduur van objecten dan voorspeld. In 2006 zijn we een onderzoekstraject gestart waaraan zeven faculteiten en 21 onderzoekgroepen samenwerken. Dat werd het Delft centre for materials (DCMat). Het onderzoek richt zich op beton, asfalt, keramiek, metalen en polymeren met dwarsverbanden op het niveau van mechanismen. Bij het Max Planck Instituut was eerder al onderzoek gedaan naar kalksteen producerende bacteriën. Daarmee zijn we verder gaan werken. We hebben in het laboratorium kunnen aantonen dat beton mét bacteriën beter resultaat geeft dan zonder. Daarmee hadden we een product op technology readiness level (TRL)-niveau 6, dat klaar was voor de demonstratiefase (TRL 7 en 8) en het opschalen en vermarkten (TRL 9). We hebben patent aangevraagd en dat patent ondergebracht in een commerciële start-up waarin ook de TU Delft participeert. Dat werd Basilisk, het bedrijf dat de ‘healing agent’ voor dit project levert en met pilots als nu bij de Vijf Eikentunnel, zoekt naar bewijsvoering in de praktijk.”

Weerbarstige praktijk

In eerdere pilotprojecten is het lastig gebleken om de voordelen die men in het laboratorium zag ook in de praktijk aan te tonen. Resultaten van pilotprojecten geven niet per definitie voldoende garantie voor volgende projecten. Daardoor is acceptatie van een innovatie als toepassing van zelfhelend beton niet vanzelfsprekend. Henk Jonkers: “Het is lastig, omdat specifieke toepassingen zoals een onderdoorgang een specifiek ontwerp met specifieke wapening vragen. Je kunt dat wel berekenen, maar er zijn allerlei aspecten – denk aan transport naar de locatie, en verwerking – die maken dat de praktijk een stuk weerbarstiger is. Als in de praktijk blijkt dat er meer scheurvorming optreedt dan berekend, is de aannemer al aan het repareren. In de praktijk zien we dat men vooraf de noodzaak voor toepassing van zelfhelend beton niet ziet omdat het duurder is en men in de uitvoeringsfase verzucht: ‘waarom waren jullie niet eerder bij ons?’.”

“Met het pilotproject Vijf Eikentunnel hebben de betrokken partijen om die reden naast het ontwerptraject nadrukkelijk ook het uitvoeringstraject willen betrekken. Door alle processtappen en actoren in dat proces bij de pilot te betrekken, ontstaat inzicht in alle factoren die van invloed zijn op het resultaat: het gebruikte materiaal, de omstandigheden, het totstandkomingsproces en de rol van alle betrokken partijen daarin.”

Vervolg

De resultaten van de pilot gaan terug naar Basilisk en worden daar meegenomen in het continue leerproces. Dat geldt ook voor Heijmans. Marc Ottelé: “Voor een aannemer is het belangrijk om de resultaten en ervaringen mee te nemen naar volgende projecten, zonder steeds opnieuw hoge onderzoekskosten te moeten maken. Bovendien worden ervaringen ingebracht in de community of practice van het Betonakkoord, die is opgericht om kennis te verspreiden.”

Arend Kremer beaamt de noodzaak om resultaten te kunnen opschalen. “In de praktijk is sturing op wapeningreductie alleen onvoldoende. Je moet breder kijken naar de totale constructie en de daarmee veroorzaakte milieu-impact (MKI en CO₂). Verduurzamingsmaatregelen moeten wel kosteneffectief zijn. Want zolang verduurzamingsprojecten alleen op subsidie kunnen draaien, lukt het niet om ze breed toe te passen.”