Scheurpatroon, scheurwijdte en scheurafstand

Betonverhardingen zijn bij aanleg niet gescheurd. Binnen enkele dagen na aanleg ontstaan de eerste scheuren in het beton door een combinatie van factoren: de variaties in temperatuur en vochtgehalte over de hoogte van de doorsnede plus de wrijving door (gedeeltelijk) verhinderde vervorming van het beton ten opzichte van de onderliggende (funderings)laag. In de loop van de tijd komen daar onder invloed van de verkeersbelasting buigscheuren bij. Na ongeveer vier jaar heeft de verharding zijn definitieve toestand bereikt. De scheurafstand blijft daarna vrijwel constant. De (dwars)scheuren staan vrijwel loodrecht op de langswapening. Door het aanbrengen van langsvoegen ontstaan er geen scheuren in langsrichting. Door de strookbreedte te beperken tot maximaal 5,0 m zijn de wrijvingskrachten te gering om scheurvorming te laten ontstaan.

Het wapeningsstaal moet de scheurwijdte van de scheuren beperken. Hierdoor blijft de samenhang en duurzaamheid van de betonverharding behouden. Het wapeningspercentage en de wapeningsgeometrie (staafafstand, kenmiddellijn en ligging in de betondoorsnede) moeten zodanig zijn, dat wordt voorkomen dat scheurvorming van het beton leidt tot te hoge staalspanningen. De verkeersbelasting en spanningen door krimp- en temperatuurgradiënten over de hoogte van de betondoorsnede dragen bij aan het ontstaan van scheuren en aan de in het betonstaal aanwezige spanning.

Bij het ontwerpen van doorgaand gewapende betonverhardingen wordt gebruik gemaakt van de meer dan 40 jaar ervaring met deze verhardingen in binnen- en buitenland. Op basis van deze praktijkervaringen zijn onder andere de scheurafstandsklassen ontstaan. Ook op basis van theoretische modellen kan worden gerekend aan doorgaand gewapende betonverhardingen. Het trekstaafmodel van de Technische Universiteit Delft [10], dat al geruime tijd in de constructieve betonbouw is geaccepteerd, is voor doorgaand gewapende betonverhardingen gevalideerd met metingen tijdens de uitvoering van de autosnelwegen A5 en A50 [11]. Uit de vergelijking tussen de met het model voorspelde en de werkelijk gemeten scheurwijdten is geconcludeerd dat er een goede overeenkomst bestaat en dat het trekstaafmodel een ‘veilige’ benadering van de scheurvorming geeft. De hoeveelheid langswapening houdt verband met het gewenste scheurpatroon dat ontstaat door krimp en afkoeling van het jonge beton in de doorsnede. Het is van belang om een evenwicht te vinden tussen enerzijds een geringe scheurwijdte en anderzijds een grote scheurafstand. Om dat te bereiken wordt aanbevolen de volgende criteria in acht te nemen [12].

1. In de praktijk moet in zijn algemeenheid aandacht worden besteed aan:
   • een gelijkmatige betondikte. Hiervoor is een vlakke onderbaan noodzakelijk.
   • een gelijkmatige betonsterkte. Dit kan mede worden bereikt door een goede kwaliteitszorg.
2. De scheurwijdte mag volgens NEN 6720 [13] bij beton met milieuklasse 3 maximaal 0,2 mm bedragen. Bij doorgaand gewapende betonverhardingen mag vanwege de grote betondekking een correctie worden uitgevoerd. De scheurwijdte mag, gemeten aan het oppervlak, maximaal 0,4 mm bedragen. De scheurwijdte-eis wordt gesteld om:
   • corrosie van het wapeningsstaal te vermijden;
   • verlies aan krachtsoverdracht bij de scheur te voorkomen;
   • ongewenste overbelasting van het wapeningsstaal door scheurbewegingen tegen te gaan;
   • de buigstijfheid ter plaatse van de scheur niet al te zeer te reduceren;
   • afbrokkeling van de scheurranden te voorkomen;
   • indringing van vuil en water in de scheuren te beperken.
3. Het scheurenpatroon moet zo homogeen mogelijk zijn. De scheurafstand ligt bij voorkeur tussen 0,8 tot 3,0 m. Clustervorming van scheuren moet worden voorkomen. Clustervorming is een lokale concentratie van scheuren die liggen op tussenafstanden van 0,2 tot circa 0,5 m. Inherent aan een kleine scheurwijdte is een kleine afstand tussen de scheuren. Het is beter dit ook te voorkomen, omdat de verharding anders te veel aan continuïteit verliest (kruimeleffect).
4. Het wapeningspercentage is bij voorkeur zo laag mogelijk en het wapeningsstaal heeft een hoge aanhechting. Hieruit volgt een zo hoog mogelijke staalkwaliteit met een goede aanhechting aan het beton (geprofileerd betonstaal B500B voldoet aan deze eis).
5. De onderlinge afstand tussen de langswapeningsstaven moet bij voorkeur liggen tussen 125 en 200 mm; bij die afstand is de betonspecie goed te verwerken en te verdichten.
6. Een gelijkmatige en uniforme wrijving tussen de betonplaat en de onderliggende laag zorgt voor een gelijkmatige spanningsverdeling en daarmee voor een regelmatig scheurenpatroon.

• Klasse I: scheuren op tussenafstanden van 0 tot 0,4 m;
• Klasse II: scheuren op tussenafstanden van 0,4 tot 0,8 m;
• Klasse III: scheuren op tussenafstanden van 0,8 tot 3,0 m;
• Klasse iV: scheuren op tussenafstanden van groter dan 3,0 m.

Figuur 3 Afstandsklassen van het ontwerp en de invloed van de aanlegperiode [14]

Ongelijkmatige wrijving en/of heterogene, lage waarden van de betontreksterkte kunnen clustervorming accentueren en daarmee het ontstaan van ‘punch-outs’ bevorderen. Bij deze schade ontstaat tussen twee dwarscheuren een langsscheur in het rijspoor. Op den duur kan dit beton verbrokkelen en uitbreken (figuur 4). Ook een te hoog wapeningspercentage kan leiden tot punch-outs. Door het aanbevolen percentage langswapening in combinatie met een bitumineuze tussenlaag toe te passen, treedt deze schade niet op.

Figuur 4 Schade door een te kleine scheurafstand: het optreden van punch-outs [15

Naast het wapeningspercentage hebben de volgende factoren invloed op de scheurafstand:

• het aanhechtoppervlak van staal en beton;
• de diepte waarop de wapening ligt;
• de betonsterkte;
• de wrijving tussen betonplaat en ondergrond;
• de temperatuur bij het storten ten opzichte van de temperatuur in de winter (aanlegperiode);
• de temperatuur van de betonspecie.

Met specifieke ontwerpmethoden [16, 17] lijkt het mogelijk om rekening te houden met deze variabelen en de interactie hiervan. Toch gelden bij de dimensionering vaste waarden als uitgangspunt voor de ontwerpvariabelen. In de praktijk worden de waarden van deze ontwerpvariabelen beïnvloed door de omstandigheden, die optreden bij de verharding van jong beton. Uiteraard heeft dit zijn weerslag op de scheurwijdte en op de scheurafstand.