75.000 betonblokken op de Afsluitdijk Ontwerp en productie Levvel-blocs 1 Versterking van de Afsluitdijk met XBlocPlus, foto: Levvel / Rijkswaterstaat / Jan Wessels 1 36? CEMENT 7 20 21 Ter bescherming van golfbrekers en dijklichamen worden van oudsher vaak steenachtige blok- ken toegepast. Deze blokken hebben twee functies: enerzijds het absorberen van golfenergie, zodat de golfoploop, -overslag en -reflectie worden gereduceerd, en ander- zijds het beschermen van het lichaam dat onder de blokken ligt. Door de jaren heen zijn voor deze toepassing diverse betonblok- ken in verschillende vormen ontwikkeld, variërend van Tetrapodes tot Accropodes. In 2003 werd door Delta Marine Consultants (DMC) het zogenoemde Xbloc geïntrodu- ceerd (foto 2, 3). Het zijn ongewapende be- tonblokken die een ruw oppervlak creëren aan de bovenzijde en tegelijkertijd voldoen- de holle ruimte. Om de vorm van dit blok te bepalen zijn modelproeven gedaan. Daarbij is gezocht naar een optimum tussen materiaalgebruik, sterkte en hydraulische stabiliteit. Die stabili - teit ontstaat met name door het eigen gewicht en het in elkaar haken van de blokken. XblocPlus Mede naar aanleiding van de vernieuwing van de Afsluitdijk en gebaseerd op de vele jaren ervaring, heeft DMC in 2018 een nieuw type blok op de markt gebracht, het XblocPlus (ook wel Levvel-bloc). Het is niet zozeer een verbeterde versie van het bestaande blok, maar een blok dat principieel anders werkt. Het is net als het Xbloc een ongewapend betonnen blok, maar in tegenstelling tot het Xbloc dat min of meer random wordt neer- gelegd, wordt het XblocPlus in een vast patroon en gefixeerd aangebracht. Groot voordeel van dit nieuwe concept is dat de elementen sneller, efficiënter en veiliger zijn aan te brengen. Doelstellingen bij de ontwik- keling waren verder een verbeterde stabili - teit en een reductie van het materiaalgebruik. Gemiddeld zijn van het XblocPlus 25% minder elementen nodig dan van het Xbloc. Ook gunstig voor het materiaalgebruik is dat de blokken in zijn geheel kunnen worden her- gebruikt, beter dan het oude Xbloc. Het blok is immers stabieler en heeft minder kans op schade. Bovendien kunnen ze eenvoudiger worden opgepakt. Naast technische criteria speelde ook esthetica in het ontwerp een rol. Dankzij de vorm van de blokken en de plaatsing in een regelmatig patroon ontstaat een strak uiter- lijk (foto 4). Doordat op en om de blokken water kan blijven staan wordt bovendien groei van vegetatie gestimuleerd. Nadelen zijn er ook. Zo is het XblocPlus niet toepasbaar bij te scherpe rondingen, zo- als op de ronde kop aan het einde van een golfbreker. Het oude Xbloc is iets flexibeler inzetbaar. De praktijk is dan ook dat het Xbloc en het XblocPlus vaak worden gecombineerd. Vorm? Het XblocPlus is zo vormgegeven dat de elementen goed op elkaar kunnen wor - den gestapeld, enigszins vergelijkbaar met hoe dat bij dakpannen g ebeurt. Het blok be- staat uit een snavel, twee vleugels en een staart ( fig. 5). De snavel wordt geplaatst op de vleugels van twee ondergelegen elemen - ING. ARJAN CHEIZOO Adviseur Materiaaltechnologie Levvel / BAM Infraconsult IR. PIETER BAKKER Global Manager Xbloc BAM IR. JACQUES LINSSEN Redactie CementAeneas Media auteurs Om de Afsluitdijk te versterken worden op het ondertalud maar liefst 75.000 speciaal gevormde betonblokken geplaatst: de zogenoemde Levvel-blocs. De vorm van de blokken is het resultaat van een intensieve zoektocht naar het optimum tussen functionaliteit en duurzaamheid. Vanwege het grote aantal loonde het om speciaal voor dit project een volledig geautomatiseerde productielocatie op te zetten. CEMENT 7 2021 ?37 ten, waarbij ze door de hoekige vorm vast worden geklemd en gezamenlijk een stabiele constructie vormen. Uit proeven bleek dat ze in tegenstelling tot de Xbloc onder belasting helemaal niet bewegen, waardoor de kans op breuk nog lager is. Net als de eerdere Xbloc is de maat van het XblocPlus afhankelijk van de lokale golfcondities (onder meer golfhoogte en -kracht). De vorm en de verhoudingen zijn wel altijd hetzelfde. De grootste blokken zijn 2,25 m hoog, 4,5 m breed en 5,7 m lang. Bij deze maat wegen ze 48 ton. Het kleinste for- maat is 0,75 m hoog en weegt 1,8 ton. Centraal in het element zit een ronde sparing. Het doel hiervan is tweeërlei. In de eerste plaats reduceert deze sparing de w aterdruk van onderaf, waarmee wordt voorkomen dat het water de blokken optilt. In de tweede plaats kunnen de blokken dankzij deze sparing worden opgetild door een klem (gripper) die precies in de sparing valt (foto 6). Capaciteit? Wat de capaciteit is van de indi- viduele blokken, onder meer ten aanzien van de sterkte en stabiliteit, is uitvoerig onder- zocht. Daarbij zijn ook eindige-elementen- modellen gebruikt. De keuze voor de afmeting van de blok - ken is zoals gezegd afhankelijk van de lokale situatie. Ook de plaatsing ten opzichte van elkaar is bepalend, onder meer doordat het gewicht uit bovengelegen blokken een posi - tieve bijdrage levert. Dit alles leidt tot een complex samenspel van factoren, waardoor het uiteindelijke gedrag lastig is te voorspellen. Om die reden worden er voor de meeste pro- jecten fysieke modelproeven gedaan. Het zou in theorie ook op basis van numerieke model - len kunnen, maar dat vraagt veel rekentijd en energie en biedt nog niet altijd voldoende zekerheid. Bij de modelproeven worden ver- zwaarde kunststof blokken in een waterbak geplaatst. De schaal van de blokken bedraagt, afhankelijk van het type proef (2D of 3D), 1:20 2 34 ton wegend Xbloc, foto: BAM 3 Xblocs op golfbreker in Turkije, foto: BAM 4 Toepassing van XblocPlus leidt tot een strak uiterlijk; op de foto t.p.v. de Afsluitdijk, foto: Levvel / Rijkswaterstaat / Jan Wessels DE AFSLUITDIJK De Afsluitdijk beschermt sinds 1932 grote delen van Nederland tegen overstro- ming vanuit de zee. De omstandigheden zijn sinds die tijd veranderd: de zeespie- gel stijgt en er zijn vaker extreme weers- condities. Daardoor voldoet de dijk niet meer aan de huidige wettelijke normen voor waterveiligheid en is hij aan ver- nieuwing toe. Om die reden wordt de dijk over de volledige 32 km sterker en hoger gemaakt. Daarbij worden aan de Waddenzeezijde Quattroblocks (boven- ste deel van de dijk), Levvel-blocs (onder- ste deel) en Berm-blocs (bovenste rij van het onderste deel) geplaatst (fig. 8 en 9). Andere onderdelen van het project zijn de bouw van twee volledige nieuwe keersluizen, inspectie en reparatie van de bestaande Stevinsluizen (voltooid), de versterking van bestaande spuislui- zen, de bouw van twee extra spuisluizen en twee gemalen en de aanleg van een vismigratierivier. In het project is er ook een proeftuin opgenomen voor Duur- zaam beton (zie onder 'Proeftuin'). 2 3 4 38? CEMENT 7 20 21 tot 1:70 (foto 7). Waar de proeven worden uit- gevoerd is afhankelijk van de wens van de klant. Dat kan in Nederland, maar gebeurt ook regelmatig bij laboratoria in het buiten- land. In dat laatste geval worden testblokken vanuit Nederland opgestuurd. Toepassing in de Afsluitdijk Het XblocPlus is voor het eerst toegepast in De Afsluitdijk (zie ook kader 'De Afsluitdijk'). De blokken vormen een nieuwe huid op het ondertalud van één zijde van de 32 km lange dijk (Waddenzeezijde), waarmee hij zwaar- dere en meer frequente stormen moet kunnen weerstaan. De blokken meten 1,1 x 2,25 x 2,8 m (h x b x l) en zijn 6 ton zwaar. Speciaal voor dit project zijn ze om- gedoopt tot 'Levvel-blocs', vernoemd naar de bouwcombinatie die verantwoordelijk is voor de realisatie van het project, bestaande uit BAM, Van Oord en Rebel. Productie Voor de productie van de blokken voor de Afsluitdijk is een productielocatie opgezet in H arlingen (foto 10). Het productieproces 5 XBlocPlus 6 XblocPlus kan worden opgetild met een klem die precies in sparing valt, foto: Levvel / Rijkswaterstaat / Jan Wessels Het X blocPlus is niet zozeer een verbeterde versie van het bestaande X bloc, maar een blok dat principieel anders werkt 5 6 CEMENT 7 2021 ?39 7 Modelproef XblocPlus, bron: BAM 8 Dijkbescherming Afsluitdijk, bron: De Afsluitdijk / Rijkstwaterstaat 7 8 40? CEMENT 7 20 21 vindt plaats in een hal en is bijna volledig geautomatiseerd, waarbij gebruik wordt ge- maakt van een soort lopende band (car- rousel). Dit proces is schetsmatig toegelicht in figuur 11. Bij stap 1 wordt beton geproduceerd, dat bij stap 2 in een stalen mal wordt gegoten (foto 12). Er worden twee type mallen gebruikt, een voor het Levvel-bloc met 2,5 m³ inhoud en een voor het Berm-bloc met 4,6 m³ inhoud. In totaal worden meer dan 100 stalen mallen ge - bruikt, die uit twee delen zijn opgebouwd. In stap 3 krijgt het beton de g elegenheid uit te harden. Tijdens die verharding worden ze langzaam getransporteerd naar de plek waar ze worden ontkist (stap 4, foto 13) en waar het sparingselement (de doorn) wordt verwijderd. De mallen worden vervolgens geïnspecteerd, schoongemaakt en opnieuw ingeolied. Nadat de elementen zijn ontkist, gaan ze verder in de carrousel (stap 5, foto 14), waar ze de tijd krij - gen verder te verharden. Dit alles leidt tot de pr oductie van één Levvel-bloc per 9 minuten. Die productie gaat 24 uur per dag door van Het productie- proces is bijna volledig geauto- matiseerd, waarbij gebruik wordt gemaakt van een carrousel 9 10 9 Afsluitdijk bij hoog en laag water, bron: Rijkstwaterstaat 10 Productiefaciliteit Harlingen, foto: Levvel CEMENT 7 2021 ?41 maandag t/m zaterdag en sinds 1 september 2021 zelfs t/m zondag, 24/7 dus. Aan het eind van de carrousel worden de blokken via een portaalkraan en een spe- ciaal ontwikkeld klemmechanisme, dat zich in de sparing van het blok klemt, op de juis- te positie op het tasveld geplaatst (stap 6, foto 15). Daarvandaan worden ze, via diezelf- de portaalkraan, op een ponton in een in- steekhaven geladen (stap 7, foto 16) en naar de Afsluitdijk vervoerd. Daar worden ze via een kraan, voorzien van hetzelfde klemme- chanisme als eerder genoemd, naar de juiste plek gehesen (foto 17). Beton Voor het beton dat wordt toegepast gelden spe- cifieke eisen. Dat betreft onder meer de eind - sterkte, de sterkteontwikkeling, de warmte- ontwikkeling, de duurzaamheid (durability, in zeewater) en het gewicht. Daarnaast is het doel zo laag mogelijke CO 2-uitstoot te realiseren. De vereiste sterkte is afhankelijk van de grootte van het blok; hoe groter het blok des te hoger de benodigde sterkte. De sterkte - ontwikkeling is van belang voor het produc- tieproces. De blokken moeten meestal na 16 uur kunnen worden ontkist bij een ontkis - tingssterkte van 5 N/mm². Dit proces mag niet worden verstoord. Voor monitoring van sterkteontwikkeling wordt gebruikgemaakt van de methode van gewogen rijpheid. Hier - mee wordt gelijktijdig de warmteontwikke- ling en het temperatuurgradiënt in het blok g emonitord, en het tijdstip van ontkisten, hijsen en transport vastgesteld. De verhardingssnelheid is zowel afhan - kelijk van de keuze van het mengsel als de omgevingsomstandigheden. Daarom wordt in de winter het mengsel aangepast. Daarbij wordt niet het cementgehalte verhoogd, maar worden versnellers toegevoegd. Dit omwille van duurzaamheid (sustainability). Doordat het beton geen wapening bevat was het moge- lijk chloridehoudende versneller toe te passen. Om aan regelgeving ten aanzien van duurzaamheid (durability) te voldoen is een minimum cementgehalte nodig. Dat cement leidt tot warmteontwikkeling, dat zeker gezien de grote afmetingen een risico op scheurvor- ming tot gevolg heeft. Om dat risico te beheer- sen zijn vooraf thermische en mechanische analyses gedaan met numerieke eindige- elementenmodellen. Op basis hiervan zijn limieten aan de maximale warmteontwikke- ling bepaald. Om hieraan te kunnen voldoen wordt hoogovencement toegepast waardoor de warmteontwikkeling beperkt blijft. Bijzonder aan deze blokken is dat eisen worden gesteld aan het soortelijk gewicht Bijzonder bij deze blokken is dat eisen worden gesteld aan het soorte- lijk gewicht van het beton Legenda: 1. Bet on maken 2. St orten in mal 3. Uithar den in mal 4. Ontkisten 5. Uithar den op plaat 6. In opslag plaatsen 7 . Op pont on laden 11 11 Schematische inrichting productiefaciliteit Harlingen, bron: BAM 42? CEMENT 7 20 21 12 Storten beton 13 Ontkisten?14 Lopende band?15 Plaatsing op tasveld 16 Plaatsing op ponton in insteekhaven?17 Plaatsing op dijk foto 12 t/m 17: Levvel / Rijkswaterstaat / Jan Wessels 12 14 16 13 15 17 CEMENT 7 2021 ?43 van het beton, iets waaraan normaal niet veel aandacht wordt geschonken in betontoepas- singen op het land. Het soortelijk gewicht is van groot belang om bestand te zijn tegen hoge golven in zware stormcondities. Overi- gens is dat gewicht meestal niet hoger dan gebruikelijk. Slechts een enkele keer, bijvoor- beeld als met de gekozen afmetingen de be- lasting toch niet kan worden opgenomen, kan het nodig zijn zwaarder toeslagmateriaal toe te passen. Bij de Levvel-blocs is weliswaar zwaarder secundair basalt als toeslagmateri - aal toegepast (10% grindvervanging). Dit was echter niet nodig voor het verhogen van de volumieke massa, maar is gedaan vanuit duurzaamheidsoverwegingen (hergebruik). De ontwerpsamenstelling zonder basalt vol - doet ook aan de minimale volumieke massa. Proeftuin Rijkswaterstaat (RWS), de opdrachtgever van het project Afsluitdijk, heeft hoge ambities waar het gaat om het terugdringen van CO 2- uitstoot. Daarbij gaat veel aandacht uit naar beton. Om de ontwikkeling te stimuleren heeft Rijkswaterstaat, tezamen met Levvel, een proeftuin ingericht waarin de betonsec- tor de kans heeft gekregen om innovatieve, duurzame betonmengsels in de praktijk te testen. Dit programma moet bijdragen om de doelstellingen uit het Betonakkoord te reali - seren: 50 tot 60% CO 2 reduceren ten opzichte van 1990. De Afsluitdijk heeft als 'proeftuin' een aantal duidelijke voordelen. De blokken zijn ongewapend en zijn dus minder gevoelig voor tijdsafhankelijke schademechanismen. Ook zijn de blokken vervangbaar, mocht er iets misgaan. Er doen acht partijen mee aan deze proeftuin, waarbij RWS zelf ook nog vijf meng- selvariaties heeft toegevoegd. In totaal gaat het om 15 mengsels. De eisen voor deelname waren streng, te meer omdat het niet om proefblokken gaat; de blokken worden daad - werkelijk gebruikt om de Afsluitdijk te ver- sterken. Daarom moest er van de mengsels al het nodige bekend zijn; als eis gold Techno- logy Readiness Level 6 (TRL 6, System Ade- quacy Validated in Simulated Environment). Om te mogen worden toegepast in de Afsluitdijk moesten de mengsels aan de vol- gende eisen voldoen: sterkteklasse C25/30; splijttreksterkte (> 2,5 N/mm²); binmiddelgehalte > 300 kg/m³; ontwerpdichtheid > 2380 kg/m³; bestand tegen zeewater (sulfaat), vorst-dooizout belasting en ASR. Verder moesten van het materiaal de vol- gende gegevens bekend zijn: druksterkteontwikkeling op lange termijn (> 4 maanden); autogene en hygrische krimp; weerstand tegen chloride-indringing; hydratatiewarme; LCA (life cycle analysis); LCC (life cycle costs); circulariteitsindex; toxiciteit/uitloging. Deze eigenschappen zijn beoordeeld door SGS Intron. Ook werd gekeken naar beschikbaar- heid van de grondstoffen. Het zou natuurlijk niet zinvol zijn om een op zichzelf goed pres- terende innovatie te introduceren, die niet toepasbaar is wegens gebrek aan grondstoffen. Oplossingsrichtingen? De exacte mengsel- samenstelling van deelnemers is niet open- baar. De globale oplossingsrichtingen voor het verlagen van de milieu-impact zijn wel bekend. Dat zijn er drie: 1 toepassing g erecycled beton; 2 alk ali-geactiveerde bindmiddelen (geopo- lymeren); 3 alternatie ve cementen. De acht deelnemende partijen hebben een of meer mensgels aangeboden in deze richtin - gen [2]. De Levvel-blocs in de proeftuin worden nog 10 jaar gemonitord. Na 1, 2, 4 en 10 jaar wor- den de volgende aspecten onderzocht: visuele inspectie, druksterkte, volumieke massa, carbonatatie, chloride-indringing en micro- scopisch onderzoek naar eventuele aantas- tingsmechanismen. Na deze 10 jaar intensieve monitoring wordt beoordeeld of de blocs gelijkwaardig presteren aan de overige Levvel - blocs. Uiteindelijk moeten ze 100 jaar mee- gaan, net als de rest van de Levvel-blocs. LITERATUUR 1?Nijland, F., Vorm-Hoek, C.V.A. van der, Numeriek model Xbloc Golfbrekerelement. Cement 2006/2. 2?https://deafsluitdijk.nl/projecten/ proeftuin-afsluitdijk-duurzaam-beton. INTERNATIONAAL De Xblocs worden op veel plekken toegepast; in totaal zijn er wereld- wijd al meer 600.000 blokken ver- werkt. Ze worden meestal gefabri- ceerd vlakbij de plek waar ze nodig zijn, waarbij licentiekosten worden betaald aan de licentie- houder (BAM/DMC). De blokken moeten aan eendui- dige eisen voldoen. Vanuit BAM zijn daartoe specificaties opge- steld. Dat gaat onder meer om afmetingen, sterkteontwikkeling, nabehandeling, eindsterkte, gewicht, levensduur, temperatuur- ontwikkeling, consistentie. Het betreft voornamelijk prestatie- eisen, het mengsel ligt niet exact vast. Dat kan ook niet want grond- stoffen en omstandigheden zijn niet overal hetzelfde. Uitgangs- punt is meestal de Eurocode, de British Standaard of de Ameri- kaanse ASTM. Soms wordt er lokale regelgeving toegepast. Altijd gaat het uiteindelijke ont- werp ter beoordeling langs BAM. De manier van produceren ver- schilt. Lang niet altijd is het lonend om een hightech fabriek neer te zetten zoals in Harlingen. Dat is alleen interessant bij grote aan- tallen en in landen waar arbeid duur is. Alternatief is een wat meer ambachtelijke manier: het storten van blokken in een rij mallen van- uit een truckmixer of betonpomp. 44? CEMENT 7 20 21