Duurzaam versterken met schuimbeton Diverse onderzoeken naar mogelijkheden aardbevingsbestendig bouwen met schuimbeton 1 Toepassing van een fundering met TAS in Middelstum 1 6?CEMENT?1 2025 Schuimbeton is een materiaal dat bestaat uit cement, water en mogelijk toeslagmateriaal, waar- aan lucht is toegevoegd. Het materi- aal is daardoor aanzienlijk lichter dan nor- maal beton. De volumieke massa ligt tussen 300 en 2100 kg/m³, afhankelijk van de hoe- veelheid lucht en toeslagmateriaal. Ter vergelijking: normaal beton weegt circa 2400 kg/m³. Lucht in schuimbeton wordt inge- bracht door toepassing van een schuim- middel. Het schuim zorgt ervoor dat lucht- bellen stabiel blijven in de specie tijdens het verwerken en de verharding. Zodra het schuimbeton is verhard, zijn de luchtbellen gefixeerd. Een voordeel van schuimbeton is dat dankzij het lage gewicht de belastingen wor- den beperkt. Bovendien heeft schuimbeton door de aanwezigheid van lucht ook een iso- lerende werking. Daar tegenover staat dat de sterkte lager is dan van gewoon beton. Mogelijke toepassingen van het materiaal lopen uiteen. Bekend zijn werkvloeren, bo- demafsluiters in kruipruimten, isolatie on- der vloeren in woningen of bedrijfshallen, wegfunderingen en het opvullen van loze ruimtes zoals oude rioleringen en kelders. Hoewel de sterkte relatief laag is, kan schuimbeton ook als constructief materiaal en dus in een dragende functie worden ingezet, al dan niet gecombineerd met de isolerende werking. Daarmee is vloer- of funderingsherstel mogelijk bij renovaties of is het in te zetten als funderingsmateriaal in nieuwbouw. Een relatief onbekende toepassing is het dempen van seismische of andere tril- lingen vanuit de ondergrond. Hier is erva- ring mee opgedaan met een nieuw soort schuimbeton: het zogenoemde Trilling Absorberend Schuimbeton. Trilling Absorberend Schuimbeton Trilling Absorberend Schuimbeton, hierna te noemen TAS, is een ontwikkeling die is ontstaan naar aanleiding van de vraag naar oplossingen voor funderingen voor nieuw- bouw en herstel in het aardbevingsgebied in Groningen. TAS heeft een speciale samen- stelling. Als cement wordt CEM III/A (hoog- ovencement) of CEM II/B (portland-compo- siet cement) toegepast. Verder bevat het mengsel kunststof vezels en overige additie- ven. Staalvezels zijn niet toepasbaar in schuimbeton want die maken de luchtbellen in de specie kapot. De volumieke massa bedraagt 500 kg/m³. Het produceren van het schuimbeton gebeurt op locatie. In een menginstallatie worden het cement, het water en de toe- IR. JACQUES LINSSEN 1 ) Redactie Cement / Aeneas Media auteur 1) Dit artikel is tot stand gekomen in samenwerking met prof.dr.ir. Erik Schlangen (TU Delft, fac. CiTG, Sectie Materialen en Milieu), dr. Ihsan Bal (Hanze University of Applied Sciences Groningen / University of Groningen, Faculty of Science and Engineering), Wim Meilink (Econstruct) en Jos Nederstigt (Urban Base). Schuimbeton wordt in Nederland veelvuldig toegepast als opvulmateriaal of bodemafsluiter. Ook constructieve toepassingen zijn mogelijk, bijvoorbeeld in funderingen in de woningbouw. Door recente ontwikkelingen is er nu een hoogwaardigere variant beschikbaar, onder meer met toevoeging van kunststof vezels. Een van de mogelijke toepassingen is het dempen van seismische of andere trillingen. CEMENT 1 2025 ?7 voegingen (schuimmiddel, hulpstoffen en overige additieven) ter plaatse gemengd. Soort en type menginstallatie zijn mede be- palend voor het behalen van de juiste kwali- teit. Het produceren gebeurt met een zoge- noemde droge menginstallatie. Hierdoor is een nauwkeurige controle op soort en hoe- veelheid grondstoffen mogelijk. Dit in tegen- stelling tot een natte menginstallatie, waar- bij de basisspecie met betonmixers van de betonmortelcentrale wordt aangevoerd. Bij de productie wordt een nieuw ont- wikkeld type menger gebruikt, waardoor het mengen intensiever en gelijkmatiger ge- beurt dan met een gebruikelijke menginstal- latie. De gewenste samenstelling wordt in een geautomatiseerd elektronisch systeem ingevoerd. Dit tezamen leidt tot een homo- geen materiaal met contante prestaties en een hogere kwaliteit. Onderzoeken eigenschappen TAS In 2015 is aan de TU Delft onderzoek ver- richt naar de mechanische eigenschappen van het materiaal [1]. Daarbij zijn drukproe- ven, axiale trekproeven en cyclische druk- proeven uitgevoerd. In het onderzoek zijn druksterkte, treksterkte, E-modulus, breuk- energie en de vermoeiingseigenschappen onderzocht. Hierbij is TAS vergeleken met normaal schuimbeton. 2 Opstelling drukproef [1] 3 Opstelling trekproef [1] 2 3 Tabel 1?Resultaten drukproef Druksterkte [MPa] *) E-modulus [MPa] *) Referentie schuimbeton1,60 898 TAS 2,25 1367 *) Gemiddelde van zes waarnemingen, met uitsluiting van hoogste en laagste waarneming Tabel 2?Resultaten trekproef Treksterkte [MPa] Breukenergie [N/mm] Referentie schuimbeton0,1070 0,0029 TAS 0,1651 0,0074 8?CEMENT?1 2025 t (s) 1 2 Stress f 1 :around 60% of the compressive strength : around 10% of the compressive s trength c f2c f1c f2c Drukproeven?Om de druksterkte te onder- zoeken zijn prisma's van 50 × 50 × 150 mm³ beproefd (foto 2). Daarbij is ook de E-modu- lus bepaald. De druksterkte van normaal schuimbeton bedroeg gemiddeld 1,60 MPa en de E-modulus gemiddeld 898 MPa (tabel 1). Voor TAS was zowel de druksterkte als de E-modulus hoger, respectievelijk 40% en 50% (gemiddeld 2,25 MPa en 1367 MPa). Trekproeven?Om de axiale treksterkte te onderzoeken zijn cilinders met een diame- ter van 50 mm en een hoogte van 100 mm beproefd (foto 3). Halverwege de proefstuk- ken werd een inkeping aangebracht, om te forceren dat scheurvorming daar zou plaatsvinden. Naast de treksterkte is ook de beukenergie gemeten. Dit is een maat voor het scheurgedrag en de mate waarin trillin- gen worden geabsorbeerd (tabel 2). De treksterkte van normaal schuim- beton bedroeg gemiddeld 0,107 MPa en bij TAS lag die circa 60% hoger (gemiddeld 0,1651 MPa). De breukenergie van normaal schuimbeton was 0,0029 N/mm en van TAS gemiddeld meer dan 2× zo hoog (0,0074 N/mm). Overigens was er bij het reguliere schuimbeton geen nascheurgedrag vast te stellen. Daarvoor was het materiaal te bros. Cyclische drukproeven?Om de vermoeiing- seigenschappen te testen, zijn proeven uit- gevoerd op prisma's van 50 × 50 × 100 mm³. Eerst is een normale drukproef uitgevoerd, waarbij de drukkracht is opgevoerd tot ongeveer 60% van de druksterkte. Hierbij is de E-modulus gemeten. Vervolgens is een cyclische drukproef uitgevoerd. Hierbij varieerde de drukkracht van 10% tot 60% van de druksterkte (fig. 4). Tot slot is, na de cyclische belasting, nogmaals een normale drukproef uitgevoerd, waarbij ook weer de E-modulus is gemeten. De resultaten staan in tabel 3. De E-modulus bij normaal schuimbeton nam na de cyclische belasting af met gemiddeld 4%, van 866,73 tot 831,98 MPa. Bij TAS schuimbeton was die E-modulus aanvanke- lijk 40% hoger (gemiddeld 1210,17 MPa) maar nam deze na de cyclische belasting sterker af (9,93%). Aanvullend onderzoek In 2021 is hernieuwd onderzoek verricht aan de TU Delft [6]. Hierbij is wederom het TAS vergeleken met normaal schuimbeton. Er zijn drukproeven, trekproeven en cycli- sche trekproeven uitgevoerd. Als resultaat zijn druksterkte, treksterkte, E-modulus, breukenergie en de vermoeiingseigenschap- pen bepaald. Het was overigens niet eenvoudig om van het referentiemateriaal, het schuimbe- ton zonder vezels, goede proefstukken te vervaardigen. Het materiaal was moeilijk handelbaar en veel proefstukken hiervan bezweken al tijdens de productie. Daardoor konden slechts enkele proefstukken van 4 Cyclische drukproef [1] TAS bevat kunststof vezels en overige additieven 4 Tabel 3?Resultaten vermoeiingsproef E-modulus voor [MPa] E-modulus na [MPa] Afname Referentie schuimbeton 866,73 831,98 4,03% TAS 1210,17 1087,56 9,93% CEMENT 1 2025 ?9 het referentiemateriaal na het zagen daad- werkelijk worden getest. Drukproeven?Voor de nieuwe serie druk- proeven zijn prisma's van 50 × 50 × 150 mm³ beproefd. Daarbij zijn de druksterkte en de E-modulus bepaald. De druksterkte van TAS was 3× zo hoog als die van normaal schuimbeton (van 1,5516 MPa om 0,4836 MPa) en de E-modulus gemiddeld was zo'n 40% hoger (3501 MPa versus 2490 MPa) (tabel 4). Trekproeven?Er zijn voor het TAS en de re- ferentie ook axiale trekproeven uitgevoerd. Prisma's van 50 × 50 × 150 mm³ zijn beproefd, waarbij in het midden van de prima een inkeping is aangebracht. Hierbij zijn trek- sterkte en breukenergie bepaald bij ver- schillende vervormingen. De resultaten staan in tabel 5. De trek- sterkte was voor TAS 4× zo hoog, de breuke- nergie tot wel 18× zo hoog. Hierbij moet wor- den opgemerkt dat in de trekproeven op het materiaal zonder vezels het nascheurgedrag niet te meten was en er bros bezwijken op- trad. TAS vertoont na het bereiken van de treksterkte een vloeiende dalende tak die stabiel te meten is. Cyclische trekproef?Om de vermoeiings- eigenschappen te testen, is een cyclische trekproef uitgevoerd. Prisma's van 50 × 50 × 150 mm³ zijn beproefd, waarbij in het midden van de prima ook weer een in- keping is aangebracht. Voor elk proefstuk zijn acht cycli uitgevoerd. Elke cyclus be- stond uit een vervorming van +4 ?m en ver- volgens een ontlasting met 2 ?m (fig. 5). De resultaten staan in figuur 6. Omdat er geen proeven zijn uitge- voerd met normaal schuimbeton is er geen vergelijkingsmateriaal. Wel kan een conclu- sie worden getrokken ten aanzien van een hogere taaiheid. Het schuimbeton zonder vezels vertoont bros bezwijken. Na de piek is het meten van een dalende tak niet moge- lijk. Dit materiaal heeft dan ook een lage taaiheid. Bij TAS is het meten van de dalen- de tak wel mogelijk en zijn er cycli zowel voor het bereiken van de treksterkte alsook in de dalende tak uitgevoerd (zoals te zien in figuur 6). Deze data kunnen worden gebruikt als invoer voor numerieke modellen waarmee gerekend wordt aan het gedrag van schuim- beton in een toepassing met wisselende be- lasting. Toepassingen TAS kan worden toegepast om de gevolgen van aardbevingen te beperken, in een zoge- noemde Trilling Bestendige Fundering, in bestaande bouw bij herstel of versterking (foto 7). Bij versterkingen wordt de bestaan- 5 6 5 Cycli cyclische trekproef TAS 6 Resultaten cyclische trekproef TAS Tabel 4?Resultaten drukproef [6] Druksterkte [MPa] E-modulus [MPa] No Fibre 0,4836 2490 TAS5 VVI 1,5516 3501 Tabel 5?Resultaten trekproef [6] Treksterkte [MPa] Breukenergie [N/mm] No Fibre 0,048 1,49 ? 10 -4 TAS 0,1818 26,8 ? 10 -4 10?CEMENT?1 2025 7 Uit onderzoek blijkt dat de druksterkte, de treksterkte, de E-modulus en de breuk­energie aanzienlijk hoger zijn 7 Versterking van de fundering met TAS van een bestaand woonhuis in Ter Post (Groningen) 8 Schematische weergave funderingsversterking 9 Detail Trilling Bestendige fundering met TAS bij nieuwbouw de houten vloer verwijderd en wordt tussen funderingen en opgaande muren schuimbe- ton aangebracht met daarop een betonvloer (fig. 8). De fundering is opgebouwd uit een of meerdere lagen TAS en een constructieve betonvloer die met nokken aan de bestaan- de gevels en muren wordt gekoppeld. Direct op betonvloer komt een afwerklaag, veelal voorzien van vloerverwarming. De Trilling Bestendige Fundering kan ook in nieuwbouw worden toegepast, waar- bij de constructieve vloer wordt voorzien van een randbalk rondom (fig. 9). TAS kan ook worden toegepast bij het dragend vullen van aangetaste steenachtige begane grondvloeren als Kwaaitaal- en NeHoBo-vloeren. Deze vloeren kunnen niet worden verwijderd, dit zal de stabiliteit van het gebouw aantasten. Met een speciale vul- techniek worden de ruimten onder de 8 9 CEMENT 1 2025 ?11 vloeren volledig gevuld, zodanig dat het schuimbeton de vloer volledig draagt. Dempende werking TAS Met TAS wordt bij herstel en/of versterken van een strokenfundering een plaatfunde- ring gemaakt. Daarmee ontstaat een flink groter dragend oppervlak (tot 6× groter), waardoor de belasting per oppervlak lager is en er dus minder zetting op zal treden. Door de koppelingen aan de wanden ont- staat een stabiele plaat, waardoor gehele constructie beter bestand is tegen aardbe- vingstrillingen. Het TAS-schuimbeton creëert een dis- continuïteitzone onder de constructie. Deze zone heeft een lagere elasticiteitsmodulus dan de traditionele materialen die in de bovenbouw worden gebruikt. Deze zone ver- mindert de trillingen vanuit de grond naar de bovenliggende constructie. Daarbij behoudt het schuimbeton zijn constructieve integriteit tot zeer hoge ver- snellingen (PGA = 0,6 g). Dit is gebleken uit schudtafeltests bij BuildinG (met het door SiA gefinancierde project SafeGO), waar het materiaal is belast met metselwerk wanden en belastingen uit vloerplaten (foto 10). Het biedt een isolatielaag voor bepaalde trillings- frequenties. Dit geldt in ieder geval voor het bereik van magnitudes waargenomen in Groningen. 10 10 Schudtafeltest bij BuildinG PRODUCTSPECIFICATIE Volgens CROW-CUR Aanbeveling 59:2023 gelden voor het Trilling Absorberend Schuimbeton (TAS) de volgende speci- ficaties (waar nodig aantoonbaar met een verklaring van de producent) Productaanduiding: TAS5 VVI Gebruiksklasse: D (dragend) Volumieke massa: 500 kg/m³ Sterkteklasse: SB 2,0 (f ck = 2,0 N/mm²) Buigtreksterkte: f u = 0,4 N/mm 2 Elasticiteitsmodulus: E ? 1200 N/mm² De wateropname onder externe druk, capillaire wateropname, vermoeiing en de trillingsabsorptie van het materiaal en de demping van de constructie waarin het materiaal is toegepast (indien van toepassing) zijn aantoon- baar met een onderzoeksrapport en/of berekening. 12?CEMENT?1 2025 Met TAS wordt een plaat­fundering gemaakt waarmee een flink groter dragend oppervlak ontstaat 11 11 Testopstelling bij Building TAS-schuimbeton kan dus bijdragen om schades door aardbevingen, ook in de toe- komst, te voorkomen. Dit geldt vooral voor zwakke huizen met een metselwerk stro- kenfundering, die sowieso erg kwetsbaar zijn voor bodemzetting en gecombineerde seismische effecten. Op dit moment is het moeilijk om de exacte isolatiebijdrage van TAS in een technisch project te berekenen. Het moet dan ook worden beschouwd als een extra en niet-kwantitatieve maatregel. Onderzoek dempende werking TU Delft Door de TU Delft is in 2015 in samenwerking met TNO de dempende werking van TAS on - derzocht met een veldproef [2 en 3]. Hierbij zijn de versnellingen aan de gevels gemeten van twee vrijwel identieke huizen; een woon - huis met de originele kruipruimte en een huis waarbij de kruipruimte is volgestort met TAS. Uit de resultaten bleek dat TAS een po - sitief effect heeft op het dynamisch gedrag van de woningen, ten opzichte van toepas - sing zonder schuimbeton. Het effect ten op- zichte van een woning met regulier schuim- beton is niet onderzocht, dus er zijn nog geen conclusies trekken ten aanzien van de winst van TAS ten opzichte van regulier schuimbeton. Laboratoriumonderzoek BuildinG Ook bij het instituut BuildinG in Groningen is onderzoek verricht naar de dempende werking van TAS. Er is zowel onderzoek in het laboratorium (2019-2020) [4] als veldon- derzoek (2018) verricht (foto 11) [5]. De conclusie uit het laboratoriumonderzoek is dat TAS trillingen kan dempen zolang die ver buiten de eigen frequentie liggen. De demping kan oplopen tot circa 60%. Als de trillingen dicht in de buurt van de eigen fre- quentie van het systeem liggen, vindt geen demping plaats. Ook de verhouding tussen hoogte en breedte van het dempende mate- riaal is van belang. Ook hier geldt dat geen vergelijking is gemaakt ten opzichte van regulier schuim- beton. Veldonderzoek Building In 2018 is door Building ook veldonderzoek uitgevoerd (fig. 12) [5]. Hierbij zijn versnel- lingen gemeten in een schoolgebouw in CEMENT 1 2025 ?13 Structural wall Strip foundation Soil level Level 1 ?No foam concrete Level 2 ?1 layer foam concrete Level 3 ?2 layers foam concrete Foam concrete filling Bedum als gevolg van een passerende vrachtwagen. Om de trillingen te versterken reed de vrachtauto over een drempel. Uit dit onderzoek kan worden geconcludeerd dat, wat de geteste constructie betreft, het schuimbeton trillingen in lage frequenties, veroorzaakt door verkeer, dempt. Het schuimbeton vermijdt bovendien de ampli- ficatie van trillingen in een bepaald bereik van de trillingstijd. Ook hier geldt weer dat er geen verge- lijking is gemaakt ten opzichte van regulier schuimbeton. Specificaties Het schuimbeton in een Trilling Bestendige Fundering wordt beoordeeld volgens CROW- CUR Aanbeveling 59 (CUR59) [7] (zie kader 'CROW CUR-Aanbeveling 59:2023'). Op basis hiervan moeten onder meer gewicht en druksterkte worden gespecificeerd. Bij toepassing van schuimbeton is het normaal- gesproken een wens om het juiste evenwicht te zoeken tussen laag gewicht en hoge druksterkte. Op dit gebied onderscheidt TAS zich van normaal schuimbeton: ook bij relatief lage massa is een hoge druk- sterkte te realiseren en bovendien is de kwaliteit constant. De specificaties volgens CROW-CUR Aanbeveling 59 staan in het kader 'Productspecificatie'. Tot slot Uit onderzoek naar de materiaaleigenschap- pen blijkt dat de druksterkte van het mate- riaal circa 3× zo hoog is als regulier schuim - beton en de treksterkte zelfs 4× zo hoog. Ook de E-modulus en de breukenergie zijn aan- zienlijk hoger en de vermoeiingseigenschap- pen zijn beter. Ook de resultaten van onder- zoek naar de toepassing van TAS op het gebied van trillingsdemping zijn veelbelo- vend, hoewel over de prestaties ten opzichte van regulier schuimbeton geen concrete conclusies zijn te trekken. De verwachting is evenwel dat het materiaal beter presteert, gezien de betere mechanische eigenschap- pen. Met het concept is de afgelopen jaren bij verschillende funderingen ervaring opge- daan. De toepassing is opgenomen in de Groninger Maatregelen Catalogus (CMG), met een TRL Technology Readiness Level 7. Hoewel er veel over het materiaal bekend is, is het nog altijd een product in ontwikkeling. Voor een aantal facetten, met name met betrekking tot spoorweg-trillin- gen, aanvullend onderzoek gewenst (zie kader 'Trillingen rondom het spoor').? 12?Schuimbeton tussen de funderingen van het schoolgebouw in Bedum 12 14?CEMENT?1 2025 LITERATUUR 1?Schlangen, E., Xu, M., Nagtegaal, G., Leeuwen M. van, Foam concrete Final report for compression test, tensile test and cyclic compression test. TU Delft, 11 september 2015. 2?Haalbaarheidsonderzoek naar de trillingsdempende werking van schuim- beton ? Toepassing in de kruipruimte van woonhuizen ? Eindrapport. TU Delft, 19 november 2015. 3?TNO 2015 R11223 - Trillingsmetingen Schuimbeton huizen. TNO, 17 september 2015. 4?Bal, I. E., Smyrou, E., Dais, D., Arslan, O., Jaho, G., Shake-Table Tests on Vibration Isolation Foam Concrete, BuildinG report prepared for NederBoom, Report No: BG2019-103_v2, 2019. 5?Bal, I. E., Smyrou, E., Dais D., and Arslan O., School Restoration in Bedum, Foam Concrete Vibration Isolation Field Tests, BuildinG report prepared for NederBoom, Report No: BG2019-104_v2, 2019. 6?Schlangen, E., Xu, Y., Behaviour of foam concrete. TU Delft ML-2021-Needs-1, 1 november 2021. 7?CROW-CUR Aanbeveling 59:2023 ? Vervaardigen, verwerken en beproeven van schuimbeton. 13 Trilling barriers bij een woning in Oostvoorne CROW CUR-AANBEVELING 59:2023 Recent is CROW CUR-Aanbeveling 59 ? 'Vervaardiging en beproeving van schuimbeton' herzien en aangepast aan de nieuwste normen, inzichten en ontwikkelingen van deze tijd [7]. In deze nieuwe versie wordt onder meer onderscheid gemaakt tussen dragende en niet-dragende toepassingen. Ook de moge- lijkheden tot trillingsabsorptie worden genoemd. Dankzij deze Aanbeveling is het niet meer nodig om voor de toepassing van constructief schuimbeton een conformiteitsverklaring op te stellen. Een partijkeuring en conform de Aanbeveling volstaat. ?????????????????????????Deze Aanbeveling is beschikbaar op www.cur-aanbevelingen.nl. VERKEERS- EN SPOORWEGTRILLINGEN TAS is ook toepasbaar om trillingshinder door verkeer en bij het spoor te beperken. Onder- zoeken hebben aangetoond dat in deze toepassing het materiaal zelfs nog beter presteert dan bij het dempen van aardbevingstrillingen. Onderzoek naar de werking van TAS is onderdeel van het programma 'Innovatieagenda Bronaanpak Spoortrillingen' van ProRail. Bij verkeerstrillingen worden met het toepassen van TAS reducties van de trillingsintensiteit op de constructie tot 75% behaald. Een trillingenscherm tussen bron en ontvanger, opge- bouwd uit zogenoemde trilling barriers, biedt hierbij een goede oplossing. Trilling barriers zijn prefab elementen van TAS-schuimbeton. 13 CEMENT 1 2025 ?15