Lichte materialen - Aanpassen bestaand dijkmateriaal

Wanneer een bestaande dijk niet voldoet aan de gestelde eisen kan het materiaal uit de dijk worden vervangen door een mate­riaal dat wel aan de eisen voldoet. Om dit te bereiken zal eerst de bestaande dijk geheel of gedeeltelijk moeten worden afgegraven. Er moet wel worden nagegaan of in de tijdelijke situatie geen falen optreedt.

Kennis van materiaaleigenschappen is van belang om te komen tot het ontwerp van een verantwoorde constructie. De eigenschappen van klassieke materialen in de dijksbouw zoals zand en klei worden in dit rapport buiten beschouwing gelaten. De in dit rapport behandelde materialen zijn in een vijftal hoofdgroepen ingedeeld, te weten:

• lichte materialen;
• kunststoffen;
• stabilisatiematerialen.

De verschillende groepen van materialen worden achtereenvol­gens behandeld.

Hierbij zal per groep worden aangegeven:

• Een overzicht van mogelijk toe te passen materialen;
• Berekeningsmethoden voor de in de selectietabel vanhoofdstuk 4 gekozen uit te werken materialen (technie­ken).
  Aangegeven wordt op welke wijze de technieken kunnen worden berekend en met welke randvoorwaarden moet worden gerekend. Daarbij is alleen aandacht besteed aan de mechanismen en aspecten die voor de betreffende techniek in het bijzonder van belang zijn. De andere aspecten voor het ontwerp van de dijk worden daarbij buiten be­schouwing gelaten.
• Uitvoeringsmethoden voor de in de genoemde tabel gekozen uit te werken materialen;
• Beheer, monitoring en onderhoud bij toepassen van de in de genoemde tabel gekozen uit te werken materialen.

Lichte materialen

Overzicht en beschrijving

Er is een grote verscheidenheid aan alternatieve materialen. Een bijzondere groep binnen de alternatieve materialen is de groep met lichte materialen. Bij de beoordeling van de geschiktheid en toepasbaarheid van de verschillende materialen moet met name gelet worden op de volgende materiaaleigenschappen:

• volumieke massa;
• sterkte;
• wrijvingseigenschappen;
• stijfheidseigenschappen;
• weerstand tegen mechanische, chemische en atmosferische aantasting;
• veranderingen eigenschappen in de tijd;
• aantasting van het milieu.

De alternatieve materialen die volgens de selectie in tabel 1 van hoofdstuk 4 voor toepassing in rivierdijken in aanmerking komen zijn flugsand, geëxpandeerde kleikorrels en schuimbeton.

Flugsand

Flugsand is een grof (0.8 - 7 mm) loskorrelig poreus materiaal van vulkanische oorsprong, dat van nature een percentage fijne bestanddelen bevat. De belangrijkste materiaaleigenschappen die worden gevonden of de eisen die aan het materiaal dienen te worden gesteld om te worden mogen toegepast zijn hierna vermeld.
Schijnbare soortelijke massa: circa 1600-2100 kg/m³ (massa van flugsandkorrels inclusief het gebonden water) ;
Volumieke massa: verdicht 1100-1500 kg/m³ ; onder water 1400-1900 kg/m³ ;
Sterkte: C.B.R. waarde 10% - 20%; wrijvingseigenschappen:  φ = 40° - 45°; grote schijncohesie, geen echte cohesie;
Stijfheidseigenschappen: E = 50 - 200 N/mm² , ν = 0.35;
Weerstand tegen mechanische, chemische en atmosferische aan­tasting: Flugsand vertoont bij belasting in geringe mate verbrijzeling;
Veranderingen eigenschappen in de tijd: er treedt geen veroudering op, de duurzaamheid is goed;
Aantasting van het milieu: niet toxisch en niet biologisch afbreekbaar.

Om aan de eisen van vorstgevoeligheid te voldoen mag niet meer dan 8 % van het materiaal kleiner zijn dan 63 µm.

Nadere informatie is te vinden in lit (6].

Geëxpandeerde kleikorrels

De kwaliteit van de geëxpandeerde kleikorrels is mede afhanke­lijk van het oorspronkelijke materiaal. In Nederland wordt in het algemeen gewerkt met korrels, die zijn vervaardigd uit een mengsel van Boomse klei.

De bolletjes ontstaan doordat tijdens het bakproces binnen in het bolletje enige gasvorming plaatsvindt. De belangrijkste eigenschappen zijn hieronder vermeld.
Volumieke massa: boven water 360 - 485 kg/m³ ; onder water 1245 - 1300 kg/m3 ;
Sterkte: druksterkte bij 2% vervorming 100 - 200 kPa; wrij­vingseigenschappen: φ = 35°, c = 0 kPa;
Stijfheidseigenschappen: E = 21073 - 106,83 * σ_kv kPa, ν = 0,2 - 0,3;
Weerstand tegen mechanische, chemische en atmosferische aantasting: weerstand tegen aantasting vergelijkbaar met de weerstand van baksteen;
Veranderingen eigenschappen in de tijd: vochtopname loopt vrij lang door in de tijd, waardoor sprake kan zijn van toename van gewicht, tussen 7 dagen en 1 jaar na onderdompeling is de vochtopname toegenomen van 19 tot 40 vol %;
Aantasting van het milieu: het materiaal is opgebouwd uit natuurlijke kleimaterialen en bevat geen andere toevoegingen, terwijl in de gebakken vorm de aan de klei gebonden mineralen zijn geïmmobiliseerd.

Bovenstaande gegevens zijn ontleend aan CUR rapport C68/2-01, lit [6].

Schuimbeton

Schuimbeton is beton samengesteld uit de gebruikelijke bouw­stoffen met daaraan toegevoegd een schuimmiddel. Soms worden ook lichte toeslagstoffen toegepast. Het schuimmiddel kan reeds tijdens het mengen van de bouwstoffen worden toegevoegd of in een later stadium aan de reeds eerder vervaardigde betonspecie worden toegevoegd.
Volumieke massa: 400 - 1800 kg/m³ ; volledig met water verzadigd 1235 - 2050 kg/m³;
Sterkte: druksterkte 3 - 15 N/mm² ; treksterkte 0,3 - 2,5 N/mm² ; buigsterkte 0,3 -1,2 N/mm² ;
Stijfheidseigenschappen: E = 300 - 2500 N/mm² , ν = 0,35;
Weerstand tegen mechanische, chemische en atmosferische aan­tasting: bij blootstelling aan de lucht zonder nabehandeling sterk gevoelig voor veroudering, niet bestand tegen de inwer­king van zuren en sulfaten;
Veranderingen eigenschappen in de tijd: afhankelijk van de keuze van het type schuimmiddel kan sterke vochtopname plaats­vinden en doorgaan in de tijd;
Aantasting van het milieu: schuimbeton bevat geen chemische stoffen die schadelijk zijn voor het milieu en/of toxische stoffen, de oorspronkelijk gebruikte stoffen zijn niet terug te winnen, terwijl ook hergebruik niet mogelijk is omdat schuimbeton bij het breken vergruist.

Bovenstaande gegevens zijn ontleend aan CUR rapport C68/2-01, lit [6].

Berekeningsmethoden/ontwerp

Geëxpandeerde kleikorrels

Wanneer geëxpandeerde kleikorrels worden toegepast in een bestaand dijklichaam moet eerst het reeds aanwezige materiaal worden afgegraven. Hiervoor in de plaats komen dan geëxpandeerde kleikorrels. De op deze wijze aangepaste dijk moet met name worden getoetst op macro stabiliteit.

Voor de berekening van de macro stabiliteit kan gebruik worden gemaakt van een gangbaar stabiliteitsprogramma op basis van bijvoorbeeld de methode Bishop. De in te voeren waarden voor de te kiezen materiaalparameters zoals volumegewicht en hoek van inwendige wrijving zijn vermeld in hoofdstuk 5.2.

Het materiaal is grofkorrelig en daardoor goed waterdoorlatend. Indringend water uit de rivier of door de kruin zal zich daardoor snel in het materiaal verplaatsen. Onder voorwaarde dat het water uit de dijk kan afvloeien hoeft in de berekening geen rekening te worden gehouden met een extra verhoging van de grondwaterstand in de dijk. Bij toepassing van de kleikorrels in een natte omgeving of onder de grondwaterstand moet er van worden uitgegaan dat uiteindelijk de korrels volledig met water verzadigd raken. Ook onder die omstandigheden mag geen bezwijken van de dijk optreden. De in hoofdstuk 5.2 vermelde waarden van de droge volumieke massa gaat uit van met lucht gevulde kleibolletjes en met lucht gevulde poriën tussen de bolletjes. Bij het ontwerp met deze korrels boven water moet ook gerekend worden met vochtige kleikorrels die geheel met water verzadigd zijn, terwijl de poriën tussen de korrels met lucht gevuld zijn. Dan bedraagt de volumieke massa 600 tot 750 kg/m³. De in hoofdstuk 5.2 vermelde waarden voor de natte volumieke massa gaat uit van een volledige verzadiging van de inwendige holle ruimte van de kleikorrels. Bij het ontwerp met geëxpandeerde kleikorrels onder water moet ook de situatie worden berekend met inwendig met lucht gevulde kleibolletjes terwijl de poriën tussen de bolletjes gevuld zijn met water. De volumieke massa bedraagt dan circa 800 kg/m³.

Een dijklichaam opgebouwd uit geëxpandeerde kleikorrels moet worden gecontroleerd op horizontaal evenwicht. Daarbij is de aandrijvende kracht de druk van het water in de rivier. Dit moet worden opgenomen door het dijklichaam. De te leveren horizontale kracht is beperkt wegens het geringe gewicht van de dijk. Uitgegaan moet worden van het laagste gewicht. Daar­bij geldt de aanname dat de korrels geen water hebben opgeno­men en de waterstand in de dijk laag is.

Voorwaarde is verder dat de geëxpandeerde kleikorrels worden omgeven door een gronddicht geotextiel. De eisen die aan het geotextiel moeten worden gesteld hangen samen met de korreldi­ameter van de omringende grond en de aard van de grondwater­stroming. De eisen die aan een geotextiel moeten worden gesteld zijn vermeld in tabel 7.

Lichte materialen, en dat geldt dus ook voor geëxpandeerde kleikorrels, hebben relatief weinig massa. Demping van tril­lingen is daardoor verhoudingsgewijs minder. Het materiaal is echter goed doorlatend en moet bij het aanbrengen worden verdicht zodat geen rekening met verweking gehouden behoeft te worden.

Schuimbeton

Bij het gebruik van schuimbeton plaatselijk in de dijk moet worden gekeken naar zettingen onder de betonconstructie. Op basis van de te verwachten zettingen en zettingsverschillen kan een inschatting worden gemaakt van de mate van de te verwachten scheurvorming en het ontstaan van holle ruimtes onder de constructie van schuimbeton.

Ter plaatse van scheuren en voegconstructies moet worden nagegaan of er sprake kan zijn van grondwaterstroming en uitspoeling van grond of zand.

Verder moet worden gecontroleerd of stroming onder de constructie door, uitspoeling kan opleveren.

Uitvoeringsmethoden

In hoofdstuk 4 is aangegeven welke technieken verder zijn uitgewerkt in dit rapport. In dit hoofdstuk wordt aangegeven welke uitvoeringsmethoden hiervoor geschikt zijn en wat hier­ van de gevolgen kunnen zijn.

Geëxpandeerde kleikorrels

Om inspoelen van zand uit het omringende zandpakket te voorkomen dient de laag met geëxpandeerde kleikorrels te worden omgeven door een zanddicht geotextiel. De mate van zanddicht­heid hangt samen met de korreldiameter van het omringende zand en de aard van de grondwaterstroming. Het geotextiel moet eerst op de plaats worden uitgelegd. Daarna worden in lagen van 0,25 tot 0,35 m dikte de geëxpandeerde kleikorrels aange bracht en verdicht met behulp van trilplaten of bandenwalsen. Wanneer reeds vooraf langs de randen een steunberm aanwezig is zal ook over die steunberm een geotextiel worden aangebracht. Is er geen opsluiting aan de randen, dan wordt na het aanbrengen van het geotextiel het talud afgedekt met een afdeklaag. Aan de bovenzijde wordt eerst een geotextiel aangebracht, en daarna een drukverdelingslaag van 0,25 tot 0,50 m zand of een ander materiaal. Die laag wordt verdicht met relatief zwaar materieel, maximaal 15.000 kg/m² voor korrels 10/16 of 25.000 kg/m² voor korrels 4/10.

Bij het vervangen van het bestaande dijkmateriaal door geëxpandeerde kleikorrels moet eerst het bestaande materiaal worden ontgraven en afgevoerd. De omvang van de ontgraving hangt af van de steilheid van de taluds die men kan handhaven bij het ontgraven. Wanneer het ontgraven deel weer snel wordt aangevuld kan relatief steil worden gewerkt.
Voordat kan worden aangevuld moet eerst het geotextiel worden aangebracht en daarna moeten de geëxpandeerde kleikorrels in lagen worden aangebracht en verdicht. Deze werkwijze vereist een ruimte tussen het nog niet ontgraven en het weer herstelde dijkvak van minimaal 100 m.

Kabels en leidingen kunnen in het korrelpakket worden opgenomen, wel moet daarvoor plaatselijk het geotextiel worden doorsneden. Op deze plaatsen zal door het gebruik van tape het zandtransport moeten worden voorkomen

Schuimbeton

Aangemaakt schuimbeton moet onmiddellijk worden verwerkt in verband met verlies aan luchtbellen en het voortschrijdend verhardingsproces. De maximaal in een keer te storten laagdik­te is 0,30 - 0,40 m in verband met de hoeveelheid vrijkomende hydradatiewarmte. Schuimbeton mag niet worden verwerkt tijdens regen omdat regendruppels de luchtbellen aan het oppervlak vernietigen. De minimum verwerkingstemperatuur is 5° c, de maximaal te overbruggen pompafstand 200 tot 250 m.

Het schuimbeton is in hoge mate vloeibaar. Om voldoende consistentie te waarborgen dient de watercementfactor van het beton 0,40 - 0,45 te bedragen, de watercementfactor van het schuimbeton is dan 0,50 - 0,60.

De volumieke massa dient regelmatig en intensief te worden gecontroleerd, tot 3 maal per mixer. De bereikte sterkte kan worden gecontroleerd met proefkubussen of boorkernen.

Ten behoeve van de aanleg van kabels en leidingen moeten doorvoeren worden vrijgehouden of moeten de kabels en leidin­gen buiten de plaatsen met schuimbeton worden aangelegd.

Beheer monitoring en onderhoud

In hoofdstuk 4 is reeds aangegeven welke technieken verder zijn uitgewerkt in dit rapport. In dit hoofdstuk wordt aange­geven welk onderhoud is vereist en op welke wijze de construc­tie moet worden beheerd.

Geëxpandeerde kleikorrels

De geëxpandeerde kleikorrels zijn in principe inert, het materiaal zal niet van eigenschappen veranderen. In het ont­werp is er reeds rekening mee gehouden dat de kern van de kleibolletjes verzadigd raakt met water. Wateropname behoeft dus niet te worden gecontroleerd en vereist geen onderhoud.

De eigenschappen van geotextielen kunnen wel in de tijd veran­deren. Het hier toegepaste geotextiel vervult alleen een scheidende functie, achteruitgang van de sterkte van het textiel is geen probleem. Pas bij een grote mechanische be­schadiging of wanneer plaatselijk ernstige verzakkingen worden geconstateerd moet worden ingegrepen. Daarmee wijkt het niet af van de traditionele constructies die ook van tijd tot tijd visueel worden geïnspecteerd.

Herstel of vervangen van kabels en leidingen is lastig omdat het geotextiel moet worden verwijderd of na afloop worden hersteld.

Schuimbeton

Schuimbeton vergt geen bijzondere beheersmaatregelen of onder­houd. Visuele controle kan volstaan bij toepassing aan het oppervlak. Door gebruik van schermen rondom kan uitspoeling van grond onder de constructie vandaan worden voorkomen en vereist ook dit geen extra controle. Aandacht verdient de aansluiting van het beton aan de omringende grond. Er zal een regelmatige visuele controle nodig zijn.

Herstel van kabels en leidingen onder een laag schuimbeton vergt opbreken en opnieuw aanleggen van het schuimbeton. Dit moet worden voorkomen. Bij doorvoer van kabels en leidingen moet aandacht worden besteed aan het voorkomen van uitspoe­ling van onder- of achterliggende grond.