Minder beton onder de weg

Er is veel aandacht voor de recycling van beton. Al jarenlang wordt betonpuin uit sloop, bouw en misproductie bij betonfabrikanten opgewerkt door puinrecyclingbedrijven voor toepassing als funderingsmateriaal onder de weg.

In de huidige trend naar een circulaire economie wordt gestreefd naar het sluiten van productketens en hoogwaardig hergebruik van grondstoffen. De betonindustrie pakt deze handschoen op en daardoor neemt de vraag naar oud beton voor toepassing in nieuw beton toe. Het Betonakkoord formuleert hoge ambities, tot 100% hergebruik van oud beton in nieuw beton. De recyclingbranche werkt hier graag aan mee, maar ziet op termijn mogelijke tekorten aan betongranulaat voor de wegenbouw ontstaan. Daarom heeft Kiwa-KOAC in opdracht van BRBS Recycling een onderzoek gedaan naar menggranulaten met lagere gehalten beton en het effect daarvan op het gedrag van de funderingslaag.

Wegenbouw

Toepassing in de wegenbouw van steenachtige materialen uit sloop en bouw is al sinds de jaren 1980 de standaard in Nederland. Door de Nederlandse recyclingbedrijven wordt gezorgd voor de nuttige toepassing ven miljoenen tonnen steenachtige producten die anders zouden worden gestort. Het stortverbod voor deze materialen heeft sterk bijgedragen aan deze vorm van recycling.

Nederland beschikt niet zelf over goede bronnen (primaire steenslag) voor deze toepassing en recyclinggranulaten, waarvan de grondstoffen afkomstig zijn uit urban mining, zijn een prima oplossing.

Recyclinggranulaten voldoen aan een reeks eisen waarbij (naast de korrelverdeling) vooral de samenstellende bestanddelen bepalend zijn voor het gedrag. Menggranulaat moet voor circa 50% bestaan uit betondelen en vormt een uitstekend funderingsmateriaal. Er zijn geen (ongebonden of niet gemodificeerde) primaire materialen die beter presteren. Dit blijkt uit onderstaande tabel waarin de belangrijkste eigenschap (draagvermogen, uitgedrukt als stijfheidsmodulus) is weergeven. Primaire materialen hebben in het algemeen een lagere stijfheidsmodulus van hooguit 150 MPa.

Een te hoge stijfheidmodulus leidt tot meer scheurvorming in de toplagen en is niet gewenst. Menggranulaat heeft een licht bindende werking en de sterktegroei gaat lang door. Daardoor is het een zeer geschikt materiaal voor toepassing als funderingslaag.

Onderzoek

In het onderzoek van Kiwa-KOAC zijn mengsels onderzocht met 50% betongranulaat (referentie), 32,5% betongranulaat en 15% betongranulaat. Zoals bij normaal menggranulaat bestaat de rest van de mengsels uit voornamelijk baksteen en andere vergelijkbare steensoorten. Door gestuurde samenstelling (fractioneren en sorteren van de monsters en gericht weer samenstellen) en homogeniseren zijn de te onderzoeken mengsels gelijkwaardig samengesteld. De monsters zijn gekarakteriseerd aan de hand van standaardproeven korrelverdeling en eenpuntsproctordichtheid.

Vervolgens zijn de mengsels ingebouwd in grote proefopstellingen waarin meting met handheld valgewichtdeflectie (Light weight deflectometer - LWD – Prima 100) mogelijk was. Deze methode is door Kiwa-KOAC gestandaardiseerd en onderbouwd. Hierdoor kan het materiaal in een praktijkdikte worden ingebouwd en ingesloten waardoor een goede simulatie van de praktijktoepassing van funderingsmaterialen mogelijk is.

Op verschillende momenten in de tijd is de stijfheid in MPa gemeten. Dit leverde de in figuur 1 opgenomen resultaten op.

Resultaten

Opvallend was dat de resultaten van de onderzoeken zich vrij goed voegden naar de verwachting en dat bij hogere betongehalten een betere prestatie optrad. Echter bleek dat het monster met 32,5 % beton minder goed presteerde dan het monster met 15% beton. Bij nadere inspectie bleek dat de verdichting van dit monster niet de beoogde 101% had bereikt (maar 96%). Door dit monster in te bouwen met een juiste verdichting bleek ook dit monster (zie figuur 1, mengsel 4) goed volgens verwachting te presteren.

Conversie meetwaarden naar praktijkwaarden

De primaire meetresultaten zijn niet direct vergelijkbaar met de waarden die in de praktijk worden gemeten. Daarom is er een conversie toegepast om tot een schatting van de werkelijke stijfheidswaarden te komen. Op basis daarvan kon worden vastgesteld dat de verkregen laboratoriumwaarden vergelijkbaar zijn met praktijkwaarden. Op basis van deze conversie zijn, vertaald naar ontwerpwaarden, de volgende stijfheidsmoduli aangehouden:

Menggranulaat met 50% beton: 400 MPa
Menggranulaat met 32,5% beton: 300 MPa
Menggranulaat met 15% beton: 200 MPa

Door de statistisch beperkte omvang van het onderzoek moeten deze waarden als indicatief worden beschouwd. Uit de ruime ervaring met menggranulaten met 50% beton is bekend dat de standaard ontwerpwaarde voor menggranulaat, van 400 tot 600 MPa, een conservatieve inschatting geeft van de werkelijke waarden die in de praktijk worden gerealiseerd. Uiteraard onder voorbehoud van een kwalitatief goed product, gecertificeerd volgens BRL 2506-1, en ook goede inbouw in het werk zijn hogere waarden goed haalbaar (o.a. RWS onderzoek ‘Eindrapportage proefvakken Alphen’ 2001).

Wegconstructie

Omdat mengsels met minder beton een lagere stijfheid leveren, is vervolgens bekeken of deze lagere waarden te compenseren zijn met meer asfalt of met een grotere laagdikte van de fundering, zodat dezelfde levensduur van de wegconstructie zou worden bereikt. De berekeningen zijn uitgevoerd met OIA, Ontwerpinstrumentarium Asfalt: de Nederlandse standaardsoftware voor dit soort berekeningen. Hier zijn veel variabelen van invloed (aslasten, snelheid verkeer, wegontwerp, kwaliteit onderlaag, etc.). Deze zijn zo veel mogelijk gelijk gehouden.

Tabel: Compensatie funderingsstijfheid met asfalt- en funderingsdikte

Het blijkt dat compenseren van een minder sterke funderingslaag al snel een flinke toename vereist van funderingsdikte en of asfaltdikte. Omdat het asfaltpakket het duurste onderdeel is van de wegconstructie is dat geen aantrekkelijke optie, ook al omdat dan wordt ingeleverd op duurzaamheid. Erg dikke funderingslagen zijn evenmin een aantrekkelijke optie omdat er toch al sprake is van een schaarse grondstof.

Er zijn ook rekenexperimenten gedaan met variaties op verkeersintensiteit, stijfheid en ondergrond.

Het blijkt dat deze variaties beperkt invloed hebben op de laagdikte-compensaties in het asfalt voor lagere funderingsstijfheid, maar dat de stijfheid van de ondergrond veel invloed heeft op de dikte van de funderingslaag. Hierbij worden al snel funderingsdikten bereikt van meer dan 1000 mm, wat voor de praktijk niet als realistisch wordt beschouwd.

Conclusies

De stijfheid van mengsels met variërend betongehalte gedraagt zich volgens verwachting: naarmate het betongehalte afneemt van 50, naar 32,5 en 15%, neemt ook de stijfheid af. Kleinere variaties in betongehalte zijn niet onderzocht.

De ontwikkeling van de stijfheid van mengsels met recyclinggranulaten is belangrijk, ontwikkelt zich aanvankelijk snel (ruim 60% in 28 dagen), maar blijft langzaam doorgroeien in de tijd. Bij een lagere verdichtingsgraad neemt deze minder toe.

Het effect van een goede verdichting is groot.

De ontwerp-asfaltdikte wordt slechts beperkt beïnvloed door de stijfheid van het funderingsmengsel bij een vergelijkbare levensduur. Compenseren van lagere stijfheid door een grotere funderingsdikte leidt rekenkundig al snel tot grote laagdiktes. Bij een ontwerpstijfheid van 300 MPa (32,5% beton) is dit nog enigszins mogelijk (< 700 mm funderingsdikte), maar verdere stijfheid verlaging kan niet realistisch worden gecompenseerd door grotere funderingsdikte.

Innovatie

Ook via alternatieven kan eventueel de kwaliteit van een funderingslaag op peil worden gehouden. Dit zou kunnen door toevoegingen te vinden die de sterkte-ontwikkeling bevorderen, de korrelstapeling verbeteren of dergelijke. Deze innovaties waren geen onderdeel van dit onderzoek. Het is aan de markt om hier invulling aan te geven.

Vervolg

Vanuit de visie dat minder oud beton in de wegenbouw moet worden toegepast, ten voordele van toepassing in beton, zou het al interessant kunnen zijn dat er in de wegenbouw 10% minder beton in menggranulaat wordt toegepast. (uitgaande van 18 Mton wegenbouwgranulaat, zou 10% bijna 2 Mton betongranulaat kunnen opleveren). Het is daarom een optie om te gaan komen tot standaardisatie van een mengsel met 30 of 40% beton in het menggranulaat. Lagere gehalten lijken minder kansrijk (los van andere innovaties).
Dit vraagt om verdere onderbouwing en uitbreiding van dit onderzoek en tests in proefvakken. Dit is kostbaar en langdurig onderzoek. Vooralsnog neemt de vraag naar beton nog onvoldoende toe om tot een dergelijke investering te komen, maar indien Betonakkoord en Circulaire innovaties dit vergen zal er aanvullend onderzoek nodig zijn.