21bb2259 Bijlage 2 behorende bij 21bb2256 - Onderzoek naar het functioneren van Waterpasserende verhardingen in de gemeente Rotterdam
Tekst van het document
Onderzoek naar het functioneren van Waterpasserende verhardingen in de gemeente Rotterdam
Van Werkgroep WPV
Datum juni 2020
Inhoudsopgave 1
Inleiding
5
1.1
Doelstelling
5
2
Inventarisatie WPV’s
7
2.1
Bekende WPV’s en beschikbare informatie
7
2.2
Te registreren gegevens nog aan te leggen WPV’s
7
3
Ontwikkeling verbeterde DRI test
8
3.1
Inleiding
8
3.2
Bestaande meetmethoden
8
3.2.1
Handmatige DRI test
8
3.2.2
Full-scale test
9
3.3
Ontwerp verbeterde DRI test
10
3.3.1
Meetfout door lokaal afwijkend gedrag
11
3.3.2
Simulatie aangepaste proef en keuze ringdiameters
11
3.3.3
Eisen afdichting binnenring
15
3.3.4
Eisen afdichting buitenring
16
3.3.5
Praktische uitwerking
16
3.4
Meetresultaten DRI test
17
3.5
Validatie aan de hand van Full-scale test
17
3.5.1
Meetresultaten van uitgevoerde proeven
18
3.5.2
Analyse
19
3.6
Conclusie en aanbevelingen:
19
4
Keuze type WPV
21
4.1
Toepasbaarheid baksteen
21
4.1.1
Inleiding
21
4.1.2
Doorlatendheid testen direct na aanleg
22
4.1.3
Reinigingbaarheid straatbaksteen
23
4.1.4
Schadebeelden
23
4.2
Conclusies en aanbeveling
23
5
Doorlatendheid en reinigingstechnieken
24
5.1
Inleiding
24
5.2
Terugloop doorlatendheid bestaande WPV’s
24
5.3
Eerste testen met reinigingsmethoden
25
Datum
Pagina
19 juni 2020
2 van 73
5.3.1
ZOAB Cleaner
25
5.3.2
Milieu- en Incident Reinigingsmachine – groot materieel
26
5.3.3
Milieu- en Incident Reinigingsmachine – klein materieel
27
5.3.4
Effect heet water
28
5.3.5
Conclusies eerste testen
29
5.4
Methode van der Vleut
29
5.4.1
Uitgevoerde metingen en resultaten
30
5.4.2
Analyse
32
5.5
Conclusies en aanbevelingen
32
5.5.1
Betreffende de noodzaak tot reinigen en frequentie
32
5.5.2
Betreffende de wijze van reinigen:
32
5.5.3
Betreffende de uitgevoerde proeven:
33
6
Geohydrologisch effecten van WPV’s
34
6.1
Inleiding
34
6.2
Omschrijving onderzoek
34
6.3
Resultaten
36
6.3.1
Piekvertraging en ledigingstijd
37
6.3.2
WPV met of zonder kolken
38
6.3.3
Infiltratie vanuit WPV berekenen
38
6.3.4
Effecten van drainage
38
6.3.5
Effect achterliggend terrein
39
6.3.6
Effect DIT-riolering op drainage
40
6.3.7
Effect singelpeil
42
6.3.8
De ontwateringsdiepte (verschil grondwaterstand – maaiveld)
42
6.4
Conclusies
43
6.5
Aanbevelingen
45
7
Spoorvormingsmetingen
46
7.1
Inleiding
46
7.2
Uitgevoerde metingen en resultaten
48
7.2.1
Spoorvormingsmetingen met 1 m rei
48
7.2.2
Spoorvormingsmetingen met mobiele scanauto: Methodiek
49
7.3
Conclusies en aanbevelingen
51
8
Conclusies en aanbevelingen
53
8.1
Doorlatendheidsproeven
53
8.2
Reinigen
54
Datum
Pagina
19 juni 2020
3 van 73
8.3
Geohydrologisch effect WPV
55
8.4
Spoorvorming:
57
9
Literatuur
58
Bijlage 1 StandaardWegenbouwDetail voor WPV’s
59
Bijlage 2 overzichtskaart WPV’s
60
Bijlage 3 Full-scale test 2018 Wagenbergstraat
61
Bijlage 4 DRI tests vergelijking met Full-scale 2018
62
Bijlage 5 DRI tests reinigingstechniek 2019
65
Bijlage 6 Geohydrologische metingen
66
Bijlage 7 Achterliggende notities
73
Datum
Pagina
19 juni 2020
4 van 73
1
Inleiding Een aantal jaar geleden is in Rotterdam het beleid geformuleerd om, daar waar dat geohydrologisch en verharding technisch mogelijk is, elementenverhardingen aan te brengen met waterpasserende stenen. Dit wordt Waterpasserende Verharding of WPV genoemd. Via een WPV kan regenwater direct in de bodem infiltreren, zodat het dus niet, of in veel mindere mate en vertraagd, in het rioolstelstel terecht komt. Dit zorgt voor een lagere belasting van het rioolsysteem en lagere zuiveringskosten. Tevens is hiermee sprake van extra bergingscapaciteit in de verhardingsconstructie, hetgeen nodig wordt geacht bij het klimaatbestendig maken van de stad Rotterdam. Rotterdam heeft ondertussen diverse wegvakken met WPV’s aangelegd en beproefd, een inventarisatie is weergegeven in hoofdstuk 2. Op basis van een aantal eerdere onderzoeken is tevens een voor Rotterdamse bestekken verplicht toe te passen StandaardWegenbouwDetail voor WPV’s opgesteld, zie Bijlage 1. Daarnaast is een Leidraad Ontwerpaspecten WPV’s opgesteld met ontwerpcriteria en aandachtspunten bij toepassing in Rotterdam. Door diverse producenten van straatstenen worden steeds meer verschillende modellen betonnen en gebakken waterpasserende straatstenen aangeboden. In de toekomst zullen er ongetwijfeld nog weer andere varianten door de markt worden ontwikkeld.
In het genoemde StandaardWegenbouwDetail is weliswaar een keuze voor een standaardopbouw van de verharding gemaakt, in de Rotterdamse projecten zijn echter ook meerdere proefvakken met andere soorten straatstenen, voegvullingen en funderingstypen toegepast. Uitgangspunt voor dit onderzoek is echter de Rotterdamse opbouw: Betonklinker, split en 75 cm zandcunet.
Aanleiding tot dit onderzoek is het feit dat er op zowel verharding technisch- als geohydrologisch gebied vragen zijn over de effecten van WPV’s en over de invloed van onderhoudsschema’s hiervan voor de Rotterdamse situatie. Het feit dat er al diverse WPV’s in gebruik zijn bood een unieke kans om door monitoring en evaluatie van meetgegevens te komen tot antwoorden.
1.1
Doelstelling Vaststellen in welke mate de toepassing van WPV’s kan bijdragen aan verhoogde neerslaginfiltratie in Rotterdam, en wat daarvan de consequenties zijn voor het onderhoud aan de weg en de levensduur van de wegconstructie. De uitkomst van het onderzoek kan aanleiding zijn tot een advies om het standaard wegenbouwdetail aan te passen en/ of een bepaald onderhoudsregime toe te passen.
Datum
Pagina
19 juni 2020
5 van 73
Onderzoeksvragen 1) Hoe kan het doorlaatvermogen van een WPV in-situ betrouwbaar worden vastgesteld? Toelichting: Tot op heden is veelal de handmatige DRI test toegepast om het doorlaatvermogen in-situ te meten. Uit recent onderzoek door Tauw blijkt de reproduceerbaarheid van deze test matig en blijkt de correlatie met Full-scale testen bovendien slecht.
2) Wat is het doorlaatvermogen van verschillende typen WPV’s, hoe verandert dat in de tijd en hoe kan het onderhoudsregime bijdragen aan het in stand houden ervan? Toelichting: Doel van een WPV in vergelijking met andere typen verharding is om neerslagwater te kunnen infiltreren. Bekend is dat het doorlaatvermogen in de tijd afneemt door vervuiling.
3) Wat is het geohydrologisch effect van de WPV? Toelichting: Het doel van de infiltratie door de WPV is om de afvoer van de maatgevende regenbui te spreiden in de tijd, en dus pieken in de afvoer te vermijden, waarbij gebruik wordt gemaakt van de bergingscapaciteit van de onderliggende grond door daar de grondwaterstand tijdelijk te verhogen.
4) Hoe presteert WPV ten opzichte van traditionele verharding met betrekking tot wegbouwkundige levensduur?
Datum
Pagina
19 juni 2020
6 van 73
2
Inventarisatie WPV’s
2.1
Bekende WPV’s en beschikbare informatie Gedurende de looptijd van het project is een inventarisatie gemaakt van bestaande WPV’s in Rotterdam en zijn relevante gegevens daarvan opgeslagen. Op bijlage 2 is de laatst gemaakte overzichtskaart (d.d. 28-9-2017) weergegeven. Het complete dossier is beschikbaar in de map: K:\SO\IR\MRO_projecten\Dossiers 2012\20120279 Hemelwaterwerkgroep afkoppelen\2017 Monitoring WPV\5. Overzicht WPV Rotterdam. In bijlage 2 is tevens een voorbeeldbeschrijving weergegeven van de bestaande WPV’s.
2.2
Te registreren gegevens nog aan te leggen WPV’s Teneinde het functioneren van een WPV achteraf te kunnen evalueren, zijn diverse gegevens van belang. In de aanbevelingen van deze rapportage worden een aantal onderzoeksvragen benoemd. Uitgaande daarvan is het tenminste nodig over een minimum aantal gegevens te beschikken. Deze zijn: • Locatie aanduiding (kaartje) • Gekozen type straatsteen • Opbouw van het wegcunet • Voegvulling • Locatie en type drain • Gekozen opbolling weg • Straatkolken Ja/Nee
Datum
Pagina
19 juni 2020
7 van 73
3
Ontwikkeling verbeterde DRI test
3.1
Inleiding Het doel van de toepassing van Waterpasserende verhardingen (WPV’s) is het in korte tijd doorlaten van hemelwater. De doorlatendheid van de WPV is daarmee een belangrijke parameter die betrouwbaar moet kunnen worden gemeten. Bovendien is het belangrijk verandering van doorlatendheid in de tijd te kunnen vaststellen, om de effecten van vervuiling en reinigingsmethoden te kunnen evalueren. Omdat de vervuiling zich vooral manifesteert in de voegen van de verharding is vooral de doorlatendheid van de elementenverharding van belang. Er is derhalve behoefte aan een goedkope en betrouwbare in-situ meetmethode van de doorlatendheid van de elementenverharding.
3.2
Bestaande meetmethoden Veel gebruikte meetmethoden zijn de Full-scale test en de handmatige DRI (Double Ring Infiltrometer) test. Deze worden onderstaand beschreven.
3.2.1
Handmatige DRI test Een veel gebruikte eenvoudigere proef om de doorlatendheid in-situ te meten is de handmatige DRI test. Deze proef heeft weinig impact op de omgeving en is relatief goedkoop. Omdat het een lokale proef is, zal het water na door de elementenverharding te zijn gepasseerd, in het onderliggende zandpakket in alle richtingen kunnen afstromen. Indien ervan wordt uitgegaan dat zich onder de verharding een goed doorlatend zandpakket bevindt zal het resultaat van de proef vooral een uitspraak doen over de doorlatendheid van de WPV zelf. In opdracht van de gemeente Rotterdam is door Tauw (Tauw, 2017) een vergelijking gemaakt tussen deze test en de Full-scale test. Een belangrijke conclusie van Tauw is dat de handmatige DRI test slecht correleert met de Full-scale test. Een belangrijke reden voor de gevonden matige correlatie is het feit dat het resultaat van een Fullscale test niet uitsluitend wordt beïnvloed door de doorlatendheid van de elementenverharding en de handmatige DRI test wel, zoals beschreven in paragraaf 3.2.2. Daarnaast zijn er echter ook tegen de bestaande handmatige DRI test een aantal bezwaren in te brengen die verbetering behoeven. Onderstaand worden deze kort omschreven, waarna in 3.3 uitgebreider wordt in gegaan op de wijze waarop een nieuwe proefopzet hierin verbetering kan brengen.
Effect van horizontale afstroming Naast verticale afstroming zal nabij de rand van de ring tevens horizontale stroming in radiale richting naar buiten toe plaatsvinden. Dit leidt ertoe dat het gemeten debiet groter is dan datgene dat zou afstromen indien alleen verticale stroming mogelijk zou zijn. In een praktijksituatie waarbij de regenval regelmatig verdeeld is over een groot oppervlak, is namelijk in het algemeen sprake van uitsluitend verticale stroming. Bij de handmatige DRI test wordt dit bezwaar in principe opgelost door de toepassing van de dubbele ring. Het idee daarbij is dat de horizontale afstroming zich beperkt tot een zone nabij de buitenring en dat binnen de binnenring alleen verticale afstroming plaatsvindt.
Datum
Pagina
19 juni 2020
8 van 73
Door uitsluitend het debiet te meten binnen de binnenring zou dan een redelijk nauwkeurige doorlatendheid moeten kunnen worden gevonden. De veronderstelling dat binnen de binnenring geen horizontale afstroming plaatsvindt, is echter alleen juist, indien in de buitenste en binnenste ring exact hetzelfde waterniveau gehandhaafd wordt. Zodra er een verschil in waterniveau is, zal immers water horizontaal, onder de binnenring door, tussen beide ringen stromen. Het gelijk houden van de waterniveaus in beide ringen is in de praktijk een lastige opgave, vooral indien er sprake is van een grote doorlatendheid van de voegen tussen de straatstenen. De ongewenste waterstromen tussen de ringen, en vanuit de buitenring naar buiten worden extra vergroot in gevallen waar de ringen niet volledig rondom aansluiten op de straatstenen en voegen, maar er hier en daar kieren zijn als gevolg van niet vlakke ligging van de verharding. In de bestaande proefopzet wordt dit probleem van de kieren beperkt door het aanbrengen van een ring kneedbare klei langs de omtrek van beide ringen, die vervolgens goed tegen de verharding en de voegen wordt gedrukt. Deze werkwijze is arbeidsintensief en beperkt de dagproductie. Er kan sprake zijn van lokaal afwijkend gedrag De proef dient ter bepaling van de gemiddelde verticale doorlatendheid van de WPV.
Omdat binnen een ring met beperkte afmetingen wordt gemeten kunnen bij uitvoering van een enkele test in principe afwijkingen ontstaan ten opzichte van de werkelijke gemiddelde doorlatendheid door de volgende oorzaken: • Lokale variatie in voegvulling en/of voegbreedte. • Lokale variaties in mate van vervuiling. • Het aandeel van het voegoppervlak ten opzichte van het totale oppervlak binnen de binnenring wijkt af van het gemiddelde. Met deze aspecten wordt in de praktijk omgegaan door per meetlocatie meerdere testen (op verschillende sub-locaties) uit te voeren en de resultaten hiervan te middelen. Gebruikelijk is tot op heden een aantal van 3 per meetlocatie.
3.2.2
Full-scale test Full-scale impliceert het onder water zetten van een compleet wegvak, waarbij tevens alternatieve afvloeiingswegen voor het water worden dichtgezet. Het laatste betekent het aanbrengen van horizontale barrières om het water binnen het bedoelde wegvak te houden en het dichtzetten van straatkolken zodat het water alleen verticaal via de WPV kan afvloeien. Positief aan deze test is dat de proefsituatie lijkt op de werkelijkheid na een extreme regenbui. Ook worden eventuele lokale verschillen in doorlatendheid van het wegdek automatisch gemiddeld, op dezelfde wijze zoals dat gebeurt tijdens een regenbui. De met behulp van deze proef gevonden doorlatendheid blijkt in praktijkgevallen af te nemen in de tijd. Naarmate er al meer water door het wegdek is opgenomen, passeert er steeds minder water per minuut door de WPV. Zie bij voorbeeld figuur 5. De voor de hand liggende verklaring hiervoor is dat het onderliggende pakket gevuld raakt met water. De hydraulische weerstand neemt toe omdat de door het water af te leggen weg groter wordt, waardoor de afstroming wordt geremd. Het feit dat het effect van deze mate van vulling de meetresultaten beïnvloedt, betekent dat met behulp van deze proef op langere termijn het afvoervermogen van de wegverharding, inclusief het onderliggende
Datum
Pagina
19 juni 2020
9 van 73
zandpakket wordt onderzocht en niet uitsluitend de doorlatendheid van de elementenverharding. Bij lokale proeven (zoals de besproken DRI testen) zal zich in veel mindere mate hydraulische weerstand opbouwen in het onderliggende zandpakket, omdat het water op grotere diepte in alle richtingen kan en zal afstromen zoals gedemonsteerd in 3.3.2. In dat geval zal de doorlatendheid van vooral de verharding bepalend zijn. Om het resultaat van de Full-scale proef te kunnen duiden is het van belang na te gaan hoe de gebruikte waterhoeveelheid in de tijd zich verhoudt tot de maatgevende regenbui. De gevonden gemiddelde waterdoorlatendheid tijdens een Full-scale test is correct voor een regenbui die qua omvang gelijk is aan de waterhoeveelheid die gebruikt is in de test. Voor kleinere buien zal de werkelijke waterdoorlatendheid groter zijn, voor grotere buien lager. Indien aan de hand van deze test het verticale doorlaatvermogen van de WPV als functie van de tijd wordt geregistreerd, zal deze bruikbaar zijn om betrouwbare modelberekeningen te kunnen opzetten. Nadelen van deze proef zijn de overlast voor gebruikers van de straat door de impact die de proef heeft op de omgeving, de voorbereidingstijd per proef en de relatief hoge kosten.
3.3
Ontwerp verbeterde DRI test Vanwege de behoefte aan een eenvoudige betaalbare proef waarmee de doorlatendheid van de elementenverharding kan worden bepaald, is onderzocht of een geoptimaliseerde uitvoering van de DRI test tot een betere correlatie met Full-scale testen kan leiden. Vanwege het bezwaar van het moeilijk gelijk houden van waterniveaus in de binnen- en buitenring is een nieuwe proefopzet bedacht, waarbij beide niveaus elektronisch worden bewaakt en bijgestuurd. Vervolgens wordt het waterdebiet dat vanuit de binnenste ring afvloeit gemeten bij een constante waterhoogte in beide ringen. Door het (binnen een zeer geringe onnauwkeurigheidsmarge) gelijk houden van de waterniveaus, zal er niet of nauwelijks water in horizontale richting onder de binnenring doorstromen, zodat de aansluiting van de binnenring op de verharding minder kritisch is. De afdichting van de buitenring aan het oppervlak zal ook minder kritisch zijn, omdat het vanuit de buitenring weglekkende water niet met de hand, maar automatisch wordt gecompenseerd. Indien tijdens de uitvoering van de test zou blijken dat het niet lukt om beide niveaus binnen de wenselijke marge gelijk te houden dient ofwel de afdichting van de buitenring alsnog te verbeteren, ofwel een groter debiet te worden ingezet.
Omdat de waterniveau’s worden geregistreerd, zal achteraf uit de metingen blijken of de meting in dat opzicht goed is verlopen. Onderstaand wordt aan de hand van stromingsberekeningen nader ingegaan op de relatie tussen meetnauwkeurigheid en benodigde afdichting van de binnenring. Bovendien wordt aan de hand van die berekeningen nagegaan of de bestaande verhouding in diameters tussen binnen- en buitenring (resp. 56 en 30 cm) aanpassing behoeft.
Datum
Pagina
19 juni 2020
10 van 73
3.3.1
Meetfout door lokaal afwijkend gedrag Zoals genoemd zal bij uitvoering van een enkele test sprake zijn van variatie in resultaat ten opzichte van een Full-scale proef. Onderstaand worden de oorzaken van deze afwijkingen beschreven, evenals de wijze waarop hiermee in de nieuwe proefopzet zal worden omgegaan: Lokale variatie in voegvulling en/of voegbreedte. Dit kan worden opgelost door het doen van genoeg proeven per testlocatie om een representatieve steekproef te verkrijgen. Probleem daarbij is, dat het huidige inzicht in de werkelijke spreiding gering is. Op voorhand is dus nog niet te zeggen hoeveel proeven er per testlocatie zouden moeten worden gedaan om een voldoende nauwkeurig gemiddelde te vinden. Op basis van een statistische beschouwing van eerste meetresultaten dient hier nader inzicht in te worden verworven. De te volgen strategie is dat aanvankelijk per testlocatie relatief veel proeven zullen worden gedaan. Op basis van de statistische beschouwing zal worden beoordeeld of dit aantal kan of moet worden bijgestuurd. Variatie in aandeel voegoppervlak ten opzichte van het totale oppervlak Door toevalligheden in de positionering van de ringen zal er een variatie optreden in het aandeel van het voegoppervlak binnen de binnenring. De mate waarin dit kan variëren hangt af van de verhouding tussen de afmetingen van de stenen en de ringdiameter.
Als de stenen relatief groot zijn kan de variatie ook erg groot zijn. Uitgaande van stenen met werkende afmetingen 21 cm x 10,5 cm en een binnenring met een diameter van 0,3 m is aan de hand van configuratiebeschouwingen onderzocht hoe groot de variatie maximaal kan zijn. Dit blijkt een maximale afwijking omhoog of omlaag van 5% op te leveren.
3.3.2
Simulatie aangepaste proef en keuze ringdiameters Omdat de WPV ook in horizontale richting doorlatend is, mag verwacht worden dat nabij de rand van de buitenste ring een horizontale stroming optreedt, die in grootte afneemt met het kleiner worden van de afstand tot het middelpunt van de ring. De straal van de binnenring dient dusdanig klein te worden gekozen dat binnen de binnenring dit randeffect voldoende klein is om acceptabel te zijn. Immers bij uitvoering van een proef wordt het debiet in de binnenste ring gemeten en beoordeeld. Om het genoemde randeffect te beoordelen en kwantificeren zijn simulaties gemaakt met het stromingsmodel Plaxflow. Hierbij wordt de waterdruk binnen de ring als een belasting op de ondergrond gezet. De werkelijke situatie is uiteraard 3 dimensionaal, maar kan 2D, axiaal symmetrisch, worden benaderd. Parameterkeuze Een belangrijke invoerparameter bij deze berekeningen is de doorlatendheid van de verschillende lagen onder de ringen. Er is uitgegaan van achtereenvolgens een laag elementenverharding (de WPV) en direct daaronder goed doorlatend zand. Dit zand is verondersteld een veel hogere doorlatendheid te hebben dan de WPV, waarbij er bovendien vanuit is gegaan dat de grondwaterstand zich altijd dieper dan de bovenkant van deze zandlaag bevindt. Dat betekent dat de zandlaag de verticale afstroming tijdens de proef niet of nauwelijks beïnvloedt.
Omdat over de
Datum
Pagina
19 juni 2020
11 van 73
hoogte van de WPV in de praktijk ook verschillen in doorlatendheid kunnen optreden, is het model zo opgezet dat de WPV laag bestaat uit 2 sublagen, met elk separaat in te voeren eigenschappen. Indien ervan wordt uitgegaan dat de doorlatendheid van de elementenverharding vooral wordt bepaald door de voegen tussen de stenen, is voor de verticale doorlatendheid dus vooral de totale lengte voeg per m2 straatoppervlak van belang. Voor stenen met afmetingen a x b in het horizontale vlak is de gemiddelde verticale doorlatendheid dan recht evenredig met de voeglengte per oppervlak, ofwel: 𝑘𝑣𝑒𝑟𝑡;𝑔𝑒𝑚 = 𝜃 ∗
𝑎+𝑏
(1)
𝑎∗𝑏
Hierin staat θ voor een nader te bepalen doorlaatvermogen van de voegen in [m 2/s]. Voor θ kan aan de hand van de doorlatendheid van het voegmateriaal k vulling en de breedte van de voegen tvoeg direct een schatting worden afgeleid: θschatting = kvulling * tvoeg
(2)
Indien de stroomsnelheden relatief hoog zijn en / of de breedte van de voegen relatief gering, zal het snelheidsprofiel van de stroming binnen de voeg niet uniform zijn en zal vanwege randeffecten de werkelijke θ lager zijn dan θschatting. Uiteraard kan vervuiling van de voeg met fijn materiaal hetzelfde effect veroorzaken. Ook kan in de praktijk kort na aanleg een relatief lage dichtheid van de voegvulling voorkomen, waardoor θ in werkelijkheid juist hoger zou kunnen zijn dan θschatting. Voor de simulatie is het van belang onderscheid te maken tussen de horizontale en de verticale doorlatendheid. Op basis van het reeds hiervoor gehanteerde uitgangspunt dat alleen water afstroomt via de voegen, is de gemiddelde horizontale doorlatendheid omgekeerd evenredig met de voegafstand. Afhankelijk van de richting in het horizontale vlak is deze doorlatendheid dan respectievelijk: 𝑘ℎ𝑜𝑟;𝑥 = 𝜃 ∗
1
en
𝑎
𝑘ℎ𝑜𝑟;𝑦 = 𝜃 ∗
1
(3)
𝑏
In ons axiaal symmetrische model gaat het om de doorlatendheid in axiale richting. Omdat er langs de rand van de ring sprake is van een ronde vorm zullen de x- en y- richting zoals gebruikt in (3) in gelijke mate voorkomen en kan worden gesteld dat de gemiddelde doorlatendheid in deze richting recht evenredig is met het gemiddelde van de doorlatendheid langs de korte en lange voegafstand: 1
1
1
1
2
𝑎
𝑏
2
𝑘ℎ𝑜𝑟;𝑔𝑒𝑚 = 𝜃 ∗ ∗ ( + ) =
𝜃∗
𝑎+𝑏
(4)
𝑎∗𝑏
Uit (1) en (4) kan de verhouding van de gemiddelde verticale en horizontale doorlatendheid worden vastgesteld voor rechthoekige stenen. Deze blijkt onafhankelijk van de afmetingen: 𝑘𝑣𝑒𝑟𝑡;𝑔𝑒𝑚 = 2𝑘ℎ𝑜𝑟;𝑔𝑒𝑚
(5)
Uitgevoerde Plaxflow analyses en resultaten
Datum
Pagina
19 juni 2020
12 van 73
Opgemerkt wordt dat voor de beschouwing van de zone waarbinnen horizontale afstroming een rol speelt vooral de verhouding tussen horizontale en verticale doorlatendheid in de WPV van belang is en niet de absolute waarde. In alle gevallen is hiervoor de eerder gevonden verhouding uit (5) aangehouden. Ook van belang is of er een verschil in doorlatendheid is over het bovenste en onderste deel van de WPV. Om die reden zijn er 3 analyses uitgevoerd, zoals aangegeven in tabel 1: Tabel 1: Doorlatendheid lagen bij de 3 berekeningsgevallen grondlagen
Berekeningsgevallen A
B
C
kvert;gem
khor;gem
kvert;gem
khor;gem
kvert;gem
khor;gem
0 tot -50 mm
(WPV)
k *)
k/2
k/10
k/20
k
k/2
-50 tot -100 mm
(WPV)
k
k/2
k
k/2
k/10
k/20
-100 mm tot -1 m (zand **) 10k 10k 10k 10k 10k 10k *) De ingevoerde doorlatendheid in de berekeningen zijn o.b.v. bovenstaande tabel berekend met k = 3 m/dag; opgemerkt wordt dat de absolute waarde van k geen invloed heeft op het berekeningsresultaat in figuur 2. **)
De straatlaag direct onder de WPV en de zandlaag daaronder zijn als één laag gemodelleerd omdat het onderscheid geen invloed heeft op het model zolang de maximale waterberging nog niet is bereikt.
•
•
•
Geval A komt overeen met een WPV die kort geleden is aangelegd en waar de voegen gevuld zijn met split. Omdat bij een gelijkmatige vervuiling over de volle hoogte van de voeg alleen de absolute waarde van de doorlatendheid afneemt, is het resultaat ook voor een dergelijke situatie van toepassing. Geval B zou overeen kunnen komen met de situatie dat in het bovenste deel van de voeg vervuiling is opgetreden waardoor over de bovenste helft de doorlatendheid sterk is afgenomen. Geval C zou overeen kunnen komen met de situatie na een (matig gelukte) schoonmaakactie, waarbij de doorlatendheid in de bovenste helft van de voegen is verbeterd, maar daaronder niet.
Figuur 1: Resultaat voor case A; de pijltjes geven de stroming aan in richting en grootte.
Datum
Pagina
19 juni 2020
13 van 73
Om de invloed van het randeffect te kunnen beoordelen is de verticale stroomsnelheid vergeleken op 2 dieptes, namelijk 1 cm onder de bovenkant van de WPV en in de top van het zandpakket hieronder. Het relatieve verschil tussen beide snelheden is in figuur 2 uitgezet als functie van de afstand tot het middelpunt van de cirkel R. Uitgezet is hier: ∆(𝑅) =
𝑢1𝑐𝑚 (𝑅)−𝑢11𝑐𝑚(𝑅)
(6)
𝑢𝑚𝑎𝑥;11𝑐𝑚
met: 𝑢1𝑐𝑚 (𝑅) 𝑒𝑛 𝑢11𝑐𝑚 (𝑅) 𝑑𝑒 𝑔𝑒𝑣𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙𝑒 𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 𝑜𝑝 𝑟𝑒𝑠𝑝. 1 𝑒𝑛 11 𝑐𝑚 𝑑𝑖𝑒𝑝𝑡𝑒 𝑢𝑚𝑎𝑥;11𝑐𝑚 𝑑𝑒 𝑔𝑒𝑣𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎𝑙𝑒 𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 𝑜𝑝 11 𝑐𝑚 𝑑𝑖𝑒𝑝𝑡𝑒 Indien Δ gelijk is aan nul, zijn de snelheden op 1 en 11 cm diepte aan elkaar gelijk en is er dus geen meetfout door randeffecten.
Figuur 2: Resultaten voor de 3 cases als Rbuiten = 0,28m; De legenda geeft tevens de meetfout aan, uitgaande van Rbinnen = 0,15m. Er is sprake van een zuivere verticale stroming binnen de zone waarin gevonden wordt dat Δ = 0. Afwijkingen van deze nullijn wijzen op een meetfout door het randeffect. Zoals blijkt uit de grafieken lijkt de bestaande proef, met Rbinnen = 0,15 een redelijke keus, omdat in de zone van R = 0 tot 15 cm de lijnen redelijk constant zijn. De totale meetfout kan worden berekend door Δ te integreren over het grondoppervlak van de binnenring en vervolgens te delen door het totale oppervlak van de hiermee omsloten cirkel: 𝑅
𝑚𝑒𝑒𝑡𝑓𝑜𝑢𝑡 = [𝜋 ∫0 𝑏𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛 ∆(𝑅) 𝑑𝑅] ∗
1 𝜋∗𝑅𝑏𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛2
=
1 𝑅𝑏𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛 2
𝑅𝑏𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛
∫0
(7)
∆(𝑅)𝑑𝑅
De numeriek vastgestelde meetfout bedraagt voor de cases A en B slechts 1%. In het geval van een minder doorlatende onderste helft van de WPV, case C, zal uit de proef een te hoge waarde voor de Datum
Pagina
19 juni 2020
14 van 73
doorlatendheid worden gevonden. Uitgaande van een 10x minder doorlatende onderste helft is de afwijking van het resultaat 5%. Gelet op het doel van de metingen wordt dit als acceptabel beschouwd.
3.3.3
Eisen afdichting binnenring Tijdens uitvoering van de DRI test is er sprake van 2 met water gevulde compartimenten, namelijk binnen de binnenring en tussen de binnen- en buitenring. De afdichting van de binnenring moet ervoor zorgdragen dat binnen de regelnauwkeurigheid van de bijsturing van waterniveau’s het debiet dat tussen de 2 compartimenten stroomt qua orde van grootte ondergeschikt is aan het verticaal door het wegdek wegstromende debiet. Stroming tussen beide compartimenten kan bestaan 2 componenten: 1. Horizontale stroming via de voegen 2. Stroming door een spleet tussen binnenring en straatoppervlak. Ter kwantificering van het eerste punt is een analyse met Plaxflow uitgevoerd, uitgaande van een waterstand binnen de ringen van 0,1 m en een waterstandverschil tussen beide compartimenten van maximaal 1 mm. Hieruit blijkt dat de horizontale stroming via de voegen in dat geval ordes lager is dan de verticale via de WPV. Betreffende het 2e punt, de lekkage via een eventuele spleet, is bepaald welke spleetgrootte tussen de binnenring en het straatoppervlak nog acceptabel is. Hiertoe is er (vereenvoudigd) van uitgegaan dat sprake is van een constante spleetgrootte over de volledige omtrek van de binnenring.
Op basis van uitwerking van de Navier Stokes vergelijkingen kan, uitgaande van een ruw oppervlak waardoor er sprake is van een snelheid nul ter plaatse van de randen en een volledig ontwikkelde Poiseuille stroming, voor het totale debiet door een spleet het volgende worden afgeleid: 𝑄𝑠𝑝𝑙𝑒𝑒𝑡 = Met:
Δp L tkier tring μwater
∆𝑝∗𝐿∗𝑡𝑘𝑖𝑒𝑟3
(8)
12∗𝜇𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 ∗𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔
= drukverschil over de spleet (0,1mm*10 kN/m3 = 1 Pa) = Lengte spleet loodrecht op de stromingsrichting, in dit geval de omtrek van de binnenring: L= 2 π Rbinnenring = spleetgrootte (grootte opening) = lengte van de spleet, ofwel minimaal de ringdikte (3 mm) = dynamische viscositeit van water (1 centiPoise = 0,1 Pa*s)
Het debiet dat afstroomt door het wegdek is afhankelijk van de waterhoogte binnen de ring h en de hydraulische weerstand van de WPV, CWPV : 𝑄𝑊𝑃𝑉 =
𝜋∗ℎ 𝐶𝑊𝑃𝑉
𝑅𝑏𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛𝑟𝑖𝑛𝑔 2
𝑚𝑒𝑡: 𝐶𝑊𝑃𝑉 =
𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 𝑊𝑃𝑉
(9)
𝑘𝑣𝑒𝑟𝑡;𝑔𝑒𝑚
De nauwkeurigheid van de doorlatendheidsmeting wordt bepaald door de verhouding:
r = Qspleet / QWPV
(10)
Datum
Pagina
19 juni 2020
15 van 73
De toelaatbare spleetgrootte tkier;max kan worden bepaald op basis van een voor r te accepteren waarde en hangt dan af van de doorlatendheid van de WPV: 3 6 𝜇𝑤𝑎𝑡𝑒𝑟 𝑡𝑟𝑖𝑛𝑔 𝑅𝑏𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛𝑟𝑖𝑛𝑔 ℎ 𝑟 𝑘𝑊𝑃𝑉
𝑡𝑘𝑖𝑒𝑟;𝑚𝑎𝑥 = √
(11)
∆𝑝∗(𝑑𝑖𝑘𝑡𝑒 𝑊𝑃𝑉)
Uitgaande van een acceptabele nauwkeurigheid van 10% dient de verhouding r = 1/10 te zijn. Op basis van dit uitgangspunt, een maximaal regelbaar waterstandsverschil van 1 mm tussen beide compartimenten en een dikte van de WPV van 75 mm is het resultaat geplot in figuur 3. 0.4
acceptabele spleet [mm]
s pleetlengte 3mm s pleetlengte 10 mm 0.3
0.2
0.1
0
0
5
10
15
20
k_W PV [m/dag]
Figuur 3:
De acceptabele kier, het resultaat van (11), geplot als functie van de doorlatendheid van de WPV
De werkelijke doorlatendheid van een pas aangelegde WPV is in de orde van 15 m/dag. Ervan uitgaande dat deze na vervuiling maximaal een factor 10 terugloopt, zou een maximale kier van 0,13 mm juist acceptabel zijn bij een spleetlengte (in de stromingsrichting) van 10 mm. Hierop dient de afdichting te worden gebaseerd. Dit betekent in de praktijk dat de afdichting dusdanig moet worden gekozen dat deze goed op het wegdek aansluit.
3.3.4
Eisen afdichting buitenring De afdichting van de buitenring aan het wegdek moet dusdanig zijn dat de gewenste waterstand in het compartiment tussen de beide ringen constant kan worden gehouden. Als dat niet slaagt mislukt de proef, echter omdat de waterstand tijdens de proef continu wordt gemeten is dit altijd achteraf controleerbaar.
3.3.5
Praktische uitwerking Bij de uitwerking van de proefopstelling is gebleken dat een waarde van 2 mm verschil in waterstand tussen binnen- en buitenring praktisch haalbaar is. In de eerder uitgevoerde voorgaande berekeningen is uitgegaan van een waarde van 1 mm. Dat betekent dat de afdichting tussen binnenen buitenring nog belangrijker is dan al in 3.3.3 geconcludeerd. Omdat bij de opzet van de verbeterde proef uiteindelijk niet is uitgegaan van een rubber rand maar van klei in de aansluiting van
Datum
Pagina
19 juni 2020
16 van 73
binnenring op de verharding, zal deze zeker voldoen, mits de rand van klei voldoende zorgvuldig is aangebracht.
3.4
Meetresultaten DRI test In figuur 4 is het typische resultaat van een DRI test weergegeven.
figuur 4: Grafisch weergegeven resultaat DRI test Zoals blijkt uit de figuur bestaat het verloop van de proef uit 3 delen: De Opbouwfase, waarin de beide compartimenten binnen de ringen worden gevuld, de constant head-fase waarin de niveaus in de compartimenten gelijk worden gehouden en de falling head fase, waarin het binnencompartiment niet meer wordt bijgevuld zodat het niveau daalt. Theoretisch kan voor alle 3 de fasen een doorlatendheid worden bepaald, doch voor de opbouwfase zal de nauwkeurigheid bijzonder gering zijn, gelet op de beperkte waarnemingen. Wat opvalt is dat tijdens de de falling head fase de waterstand in het buitencompartiment hoger is dan in het binnencompartiment. Dat blijkt bij de meeste proeven het geval. Dat was op voorhand niet verwacht, omdat het 3-D effect aanleiding zou moeten geven tot een grotere lekkage naar buiten toe. Kennelijk spelen andere effecten, zoals toevallige verschillen in voegoppervlak een grotere rol. Dat betekent dat het falling-head fase niet zondermeer bruikbaar is voor de bepaling van de doorlatendheid, omdat deze vereist dat de niveau’s in binnen- en buitencompartiment gelijk zijn. Om bovengenoemde redenen dient te worden uitgegaan van de meetresultaten tijdens de constant head fase. Uit testen blijkt dat de uit die fase verkregen meetresultaten reproduceerbare resultaten oplevert.
3.5
Validatie aan de hand van Full-scale test Uit de theoretische beschouwing hierboven is geconcludeerd dat de nieuwe opzet zal kunnen leiden tot een betrouwbare proef, met een beperkte meetfout. Op basis van meetresultaten zal worden
Datum
Pagina
19 juni 2020
17 van 73
vastgesteld hoe de theorie zich verhoudt tot de praktijk en hoe groot de afwijking ten opzichte van Full-scale tests in werkelijkheid zal zijn.
3.5.1
Meetresultaten van uitgevoerde proeven Op 26 juni 2018 heeft samen met de Hogeschool Rotterdam een Full-scale test plaatsgevonden in de Wagenbergstraat. Hierbij is een wegvak afgesloten en afgedamd, zijn de aanwezige straatkolken dichtgezet en is vanuit een tankwagen gedurende circa 15 minuten een grote hoeveelheid water op het straatoppervlak geloosd, terwijl met behulp van divers op verschillende locaties het waterniveau op straat is gepeild. Een dergelijke proef is opeenvolgend 2x uitgevoerd, waarbij de start van de 2 e proef circa 1,5 uur na het droogvallen van de straat is uitgevoerd. In bijlage 3 zijn de kenmerkende gegevens van de test weergegeven. Ter vergelijking zijn op 20 september 2018 3 verbeterde DRI testen uitgevoerd op dezelfde locatie. Het resultaat daarvan is weergegeven op bijlage 4 Met beide typen proeven wordt een doorlatendheid gevonden die blijkt af te nemen in de tijd, zoals zichtbaar gemaakt in figuur 5.
figuur 5: Vergelijking DRI testen en Full-scale test Opgemerkt wordt dat de doorlatendheid in geval van een Full-scale test normaliter wordt vastgesteld voor de situatie dat het vullen klaar is. In die situatie is de zakking van de waterstand rechtstreeks te meten en kan de doorlatendheid daar ook direct uit worden berekend, omdat er geen water wordt toegevoerd. Het moment waarop het vullen klaar is, is voor de uitgevoerde proeven bereikt op een tijdstip van circa 15 minuten na de start. De in de figuur weergegeven doorlatendheid voor het tijdsinterval hieraan voorafgaand, is berekend uit het verschil in stijgsnelheid van het waterniveau op de straat en het vuldebiet. Hierbij is het vuldebiet van het straatvak vanuit de tankwagen constant
Datum
Pagina
19 juni 2020
18 van 73
verondersteld en berekend door de totale geloosde waterhoeveelheid te delen door de tijd waarin dat heeft plaatsgevonden. 3.5.2
Analyse Zoals beschreven in 3.2.2 is de afname van doorlatendheid in de tijd verklaarbaar uit het feit dat de droge voeg zich langzaam vult met water. De snelheid waarmee het waterpeil zakt is namelijk afhankelijk van de drukgradiënt van het water, en deze zal afnemen naarmate een groter deel van de voeg zich heeft gevuld. In geval van de Full-scale test raakt, nadat de voeg geheel is gevuld, tevens het ondergelegen zandpakket steeds verder gevuld met het verstrijken van de tijd, waardoor de doorlatendheid blijft afnemen in de tijd. Dat betekent dat de gevonden doorlatendheid tijdens de eerste minuten van de proef vooral een maat is voor de doorlatendheid van de elementenverharding en de waarden op latere tijdstippen iets zeggen over de afvoercapaciteit van het gehele systeem bij een extreme bui. Opgemerkt wordt dat in de uitgevoerde Full-scale proef, de omvang van de in dit geval geloosde waterhoeveelheid gelijk is geweest aan 168 mm in 15 minuten, hetgeen veel meer is dan een extreme regenbui. Dat roept de vraag op of de gevonden waarde voor de doorlatendheid in het 2e deel van de proef daarmee niet lager is dan de werkelijkheid in geval van te verwachten extreme regenbuien. Uit figuur 5 blijkt dat een behoorlijke correlatie wordt gevonden tussen de doorlatendheid uit de DRI testen en de Full-scale testen voor het tijdsinterval tot circa 15 minuten.
De werkelijke doorlatendheid van de WPV kan op basis van de beide Full-scale tests worden geschat op 320 mm/uur en op basis van de 3 DRI tests op 368 mm/uur. Wel wijst de gevonden spreiding in de DRI testen erop dat een aantal van 3 een minimum is, en het aanbevelenswaardig er meer te doen.
3.6
Conclusie en aanbevelingen: • • •
•
•
•
De verbeterde DRI test biedt een relatief eenvoudige en uitstekend uitvoerbare proef waarmee de doorlatendheid van een elementenverharding kan worden bepaald. Voor het bepalen van de afvoercapaciteit van het gehele systeem van elementenverharding en onderliggend zandpakket bij een extreme bui is een Full-scale test een betere test. Gelet op de gevonden spreiding dienen er per locatie voldoende DRI tests te worden uitgevoerd om een betrouwbaar gemiddelde te verkrijgen. Het tot op heden gebruikelijke aantal van 3 lijkt aan de krappe kant, aanbevolen wordt er tenminste 4 te doen. De doorlatendheid uit de DRI test dient te worden bepaald tijdens de constant-head fase waarin de waterstand in de ringen constant wordt gehouden. Deze fase dient per proef tenminste 10 minuten te duren. Indien uit een Full-scale test verkregen resultaten voor de doorlatendheid worden toegepast in modelberekeningen, dient rekening te worden gehouden met het eventuele verschil van de omvang van de waterlozing tijdens de proef en de extreme regenbui waar de modelberekeningen voor zijn bedoeld. Een manier om hier rekening mee te houden is het beoordelen van de doorlatendheid als functie van de tijd en daarmee als functie van het door de WPV gepasseerde debiet. Bij een vergelijkende test is een goede match gevonden tussen een Full-scale- en een verbeterde DRI test.
Het is aanbevelenswaardig deze vergelijking te herhalen op meer locaties.
Datum
Pagina
19 juni 2020
19 van 73
•
Bij het vergelijken van Full-scale en DRI tests, dient in acht te worden genomen dat ook het eerste deel van de meting van de Full-scale test (tijdens het vullen van het straatvak) moet worden uitgewerkt tot een doorlatendheid en dat juist de meting tijdens deze periode moet worden vergeleken met de DRI tests.
Datum
Pagina
19 juni 2020
20 van 73
4
Keuze type WPV
4.1
Toepasbaarheid baksteen
4.1.1
Inleiding De waterpasserende betonstraatsteen is onderdeel van de Rotterdamse Stijl en kan daarom worden toegepast in al die gebieden waar een betonstraatsteen gewenst is. Hiermee is inmiddels ervaring opgedaan en uit eerder onderzoek is bekend dat de doorlatendheidseis met deze typen straatstenen goed haalbaar is. In sommige stadswijken is vanuit uitstraling echter de toepassing van een gebakken straatsteen gewenst. Daarom is besloten een pilot met diverse soorten (waterpasserende) straatbakstenen uit te voeren. Doel is om te bepalen of er een type straatbaksteen bestaat dat voldoet aan beeld-, technische- en functionele kwaliteit. Besloten is om twee soorten waterpasserende straatbaksteen te testen en de Rotterdamse Stijl (RS) straatbaksteen. Per straat is één soort (waterpasserende) straatbaksteen toegepast met brekerzand als voegvulling en straatlaag. De toegepaste typen straatstenen zijn: Huwa, Wylandt en Drainflow. Daarnaast zijn in één gebied (Hoekersingel) ook 4 proefvakken ingericht met dezelfde waterpasserende straatbaksteen, waarbij in ieder vak een andere type voegvulling is toegepast, maar wel allemaal op eenzelfde straatlaag van split 2/6. Om de proefvakken met de (waterpasserende) straatbakstenen te beoordelen zijn een aantal vragen geformuleerd. De belangrijkste vragen was wat de doorlatendheid van de voegen van deze soort WPV zou zijn.
Hieraan gerelateerd waren de volgende vragen: • Hoe snel vervuild de verharding; • Hoe vaak of hoe snel moet er gereinigd worden; • Is reiniging van de voegen mogelijk. Om op deze vragen antwoord te geven was de inzet van zowel Full-scale-, als DRI tests gepland.
Datum
Pagina
19 juni 2020
21 van 73
figuur 6: Reiniging WPV’s
4.1.2
Doorlatendheid testen direct na aanleg Full-scale testen Bij deze testen is telkens een wegvak over een lengte van circa 25 m over de volle breedte van de straat afgedamd. Hierna is het vak gevuld met water tot bovenzijde trottoirband en is vervolgens gemeten hoe lang het duurt voordat het water is geïnfiltreerd door de waterpasserende verharding. In de Hoevebuurt zijn drie straten gemeten en in de Hoekersingel alle vier vakken met verschillende voegvulling. De uitkomsten staan in tabel 2: tabel 2: Meetresultaat Full-scale testen Straat Voegvulling type straatsteen Baljuwplein Harddraverstraat Hoevestraat Hoekersingel Hoekersingel Hoekersingel Hoekersingel
Brekerzand Brekerzand Brekerzand 2 x vilt en brekerzand Split 1/3 1 x vilt en brekerzand Split 2/6
Huwa, Wylandt en Drainflow
Eenzelfde type
Doorlatendheid [mm/h] 134 117 154 107 56 74 124
Datum
Pagina
19 juni 2020
22 van 73
In Rotterdam wordt als norm gehanteerd dat de waterpasserendheid van een WPV tenminste 194 mm/uur ( = 540 l/s/ha) moet bedragen. Dat betekent dat alle geteste type stenen en ook de geteste voegvullingen hier al direct na aanleg ruim onder blijven, dus niet voldoen. Overigens kan, conform verwachting, worden geconcludeerd dat de doorlatendheid toeneemt met een grovere voegvulling.
DRI testen Op de vakken van de Full-scale metingen zijn tevens handmatige Dubbele Ring Infiltrometingen uitgevoerd. Eerder is al geconcludeerd dat deze handmatige metingen niet voldoende betrouwbaar zijn geweest, om die reden wordt het resultaat ervan hier niet gepresenteerd.
4.1.3
Reinigingbaarheid straatbaksteen Om tevens de reinigbaarheid van de verschillende typen straatbaksteen te testen is gebruik gemaakt van een wegdekreiniger. De conclusie van de reinigingsproef is dat de gebakken steen zich niet met alleen zuigkracht laat reinigen; in vergelijking met een betonnen straatsteen komt de voegvulling minder makkelijk los. Vermoedelijk her directe gevolg van de smallere voegen in geval van een straatbaksteen. Nat reinigen (onder hoge druk leegspuiten van de voegen en het uitkomende materiaal direct opzuigen) geeft in dit geval het naar omstandigheden beste resultaat.
4.1.4
Schadebeelden In de Hoevebuurt zijn uit visuele inspectie lokaal schadebeelden aangetroffen, maar die zijn eerder aan de ondergrond dan aan het type steen te herleiden. Ten opzichte van de ‘normale’ gebakken steen zijn niet meer of minder schadebeelden waargenomen.
4.2
Conclusies en aanbeveling •
• •
•
•
De uitkomst van de pilot met de waterpasserende straatbaksteen is dat geen van de geteste typen stenen aan de eis voldoet qua waterdoorlatendheid indien de voegen zijn gevuld met brekerzand. Een grovere voegvulling leidt tot betere resultaten, althans voegen gevuld met split 2/6 geeft iets betere resultaten dan voegen gevuld met brekerzand. Het verschil in waterdoorlatendheid tussen gebakken en betonnen stenen is vermoedelijk te wijten aan de smallere voegen tussen de gebakken stenen. Er is geen aanleiding te veronderstellen dat de doorlatendheid van de steen zelf anders zou zijn. De reinigbaarheid van de voegen van de waterpasserende bakstenen is minder goed dan van waterpasserende betonstenen, hetgeen eveneens het gevolg is van de krappere voegen. Omdat al direct na aanleg geen van de geteste typen waterpasserende straatbaksteen voldoet aan de gestelde eis kunnen deze niet worden toegepast in Rotterdam.
Opgemerkt wordt dat, om toch aan de wens van beeld en klimaatadaptatie te voldoen inmiddels een alternatief is gevonden in een kleurechte waterpasserende betonstraatsteen. Dit type steen wordt inmiddels veelvuldig toegepast, onder andere in Middelland.
Datum
Pagina
19 juni 2020
23 van 73
5
Doorlatendheid en reinigingstechnieken
5.1
Inleiding In de praktijk blijkt dat WPV’s in de tijd minder doorlatend worden. Dit wordt veroorzaakt door het dichtslibben van de voegen tussen de stenen met een mengsel van organisch materiaal van planten en bomen, rubber van banden, etc.. Zowel eerder uitgevoerd praktijkonderzoek als uitgevoerd laboratoriumonderzoek tonen aan dat 5 jaar na aanleg van de verhardingen, de dichtslibbing tot ten minste een halvering van de infiltratiecapaciteit leidt (Advokaat, 2016). Om die reden is het belangrijk te beschikken over een effectieve reinigingsmethode waarmee de doorlatendheid na enige tijd weer vergroot kan worden. Vanaf 2015 is in Rotterdam reiniging van WPV’s toegepast, waarbij verschillende technieken zijn gebruikt. Omdat pas vanaf 2019 kon worden beschikt over een methode om de verandering in doorlatendheid goed te meten, heeft de beoordeling van de effectiviteit van de gehanteerde reinigingsmethoden voor die datum vooral visueel plaatsgevonden. Onderstaand worden de verschillende gebruikte technieken globaal beschreven.
5.2
Terugloop doorlatendheid bestaande WPV’s In de loop van de afgelopen jaren zijn er veel metingen gedaan met de handmatige DRI test, met een matig resultaat. Hierdoor is tot vóór 2019 nooit een gestructureerde opzet mogelijk geweest van reproduceerbare metingen over de jaren heen om het functioneren van de infiltrerende verharding op lange termijn te kunnen beoordelen, alhoewel enkele meetresultaten voldoende inzicht bieden om te kunnen vaststellen of er sprake is van terugloop van doorlatendheid in de tijd. Onderstaand wordt het resultaat van enkele van die handmatige metingen beschreven. De meeste metingen zijn uitgevoerd in de wijk Charlois, omgeving Schoonegge. In 2014 is in combinatie met rioolvervanging, in diverse straten waterpasserende verharding (8.500 m2) aangelegd. De doorlatendheidsmetingen zijn beperkt tot een zestal locaties. Alle vakken zijn gestraat en ingeveegd met split 2/6. De resultaten zijn vermeld in tabel 3. tabel 3: Meetresultaat handmatige DRI testen Straat Gemiddelde doorlatendheid (o.b.v. 3 metingen): [mm/uur] Elsenhoek 986 Lemsterhoek 179 Schoonegge *) 67 Steenvoorde 447 Boekenrode 419 Ruigenhoek 81 *) geen waterpasserende verharding
Voldoet aan de norm van 194 mm/uur (=540 l/s/ha) Ja Nee Nee, maar ook geen WPV Ja Ja Nee
Datum
Pagina
19 juni 2020
24 van 73
Geconcludeerd kan worden dat op 2 van de 5 locaties met WPV’s al na 2 jaar een dusdanige verslechtering van doorlatendheid is opgetreden dat er dient te worden ingegrepen.
5.3
Eerste testen met reinigingsmethoden
5.3.1
ZOAB Cleaner In 2015 is begonnen met de oudste projecten (2003 en 2005) in Nesselande te reinigen m.b.v. een standaard ZOAB cleaner. In oktober 2016 is dit herhaald op de locatie Luntershoek in Charlois en in 2018 in Schoonegge. Bij deze techniek wordt onder hoge druk (koud) water in de voegen gespoten. Direct daarna wordt het water, inclusief het losgekomen vuil ook weer opgezogen. Deze cyclus wordt één of meerdere keren herhaald over hetzelfde wegvak. Het resultaat is visueel beoordeeld. Er was sprake van een zeer wisselend resultaat, de ene locatie was niet te reinigen en de tweede is wel zodanig gereinigd dat de voegen visueel schoon waren. Onderstaand enkele beelden van het resultaat.
figuur 7: Reiniging WPV’s: Voorbeelden van een slecht (links) en een goed resultaat (rechts)
Datum
Pagina
19 juni 2020
25 van 73
Enkele conclusies over deze wijze van schoonmaken: • Veelal blijft in het onderste gedeelte van de voegen een zwarte substantie zitten. Dit duidt erop dat de voegen nog niet geheel leeggezogen waren. o Spoorvorming en oneffenheden hebben een ongunstig effect; hierdoor is het contact tussen de balk van het voertuig en de verharding niet optimaal waardoor het resultaat tegen kan vallen. o Sterk onkruid en mossen blijven meestal zitten. o Smallere voegen blijken minder vaak goed leeggezogen te worden.
Nadelen: • In veel gevallen nauwelijks of onvoldoende resultaat. • Een ongelijkmatig maaiveld door zakkingsverschillen of spoorvorming, zoals veel voorkomend in Rotterdam, beïnvloedt het resultaat bovendien ook nog in sterke mate ongunstig.
5.3.2
Milieu- en Incident Reinigingsmachine – groot materieel De eerste test met de Milieu- en Incident reinigingsmachine is uitgevoerd in december 2016 op de Beumershoek in Rotterdam Charlois. Deze straat is aangelegd in 2013 en de voegen zijn gevuld met split 2/6. Op een later moment zijn er ook testen geweest in Schoonegge. Met de Milieu- en Incident reinigingsmachine wordt onder hoge (onder)druk de voegvulling uit de voegen gezogen. Hierbij kan optioneel koud/heet water worden toegevoegd aan het reinigingsproces. Onderstaand een beschrijving van de testen gedaan waarbij al dan niet water is gebruikt. Tijdens de testen heeft de machine elk wegvak telkens één keer behandeld. De testen zijn visueel succesvol uitgevoerd. Enkele conclusies over deze wijze van schoonmaken: •
•
•
•
Een belangrijk nadeel is de grootte van het equipment; zie op onderstaande foto’s het verschil in formaat in vergelijking met een een ZOAB cleaner. Gevolg hiervan is dat deze zich niet leent voor smalle straten en dat ook parkeervakken niet te reinigen zijn met deze mehode. Het vuil en de voegvulling wordt, zowel met als zonder gebruik van water, gemiddeld circa 2 tot 5 centimeter uit de voeg gezogen. Over het algemeen is dit meer dan bij de ZOAB cleaner. Gebruik van koud water onder hoge druk lijkt vooral nadelen te hebben. Het schoonmaakresultaat is vergelijkbaar, maar de machine, die 5 m3 water bevat, moet regelmatig worden bijgevuld en bovendien moet er een grote hoeveelheid vervuild water gemengd met vuil split worden afgevoerd, dus dat is nadelig voor milieu, maar ook voor de productiesnelheid. Bij droog zuigen behoeft alleen de (droge) vervuilde split te worden afgevoerd. Een deel van het onkruid / mos blijft in de voegen zitten. Dit komt vermoedelijk omdat de testen in een relatief natte periode zijn uitgevoerd. De werknemers van de firma Wilchem
Datum
Pagina
19 juni 2020
26 van 73
•
gaven aan de voorkeur te hebben voor een droge periode, omdat de methode dan beter zou werken. De conclusie is dus dat de reiniging best plaatsvindt in een droge periode. De effectiviteit van het leegzuigen is in sommige gevallen ook lokaal (dus binnen dezelfde straat) sterk wisselend gebleken. Op sommige plekken, met name tussen de rijsporen, blijft mos en vuil soms in de voegen zitten, terwijl op andere plekken de voegen zo sterk worden leeggezogen, dat zelfs een deel van de onder de voegen aanwezige straatlaag wordt meegezogen.
Betreffende het laatst punt kan worden opgemerkt dat het voor de hand liggend is dat de benodigde zuigdruk sterk afhankelijk is van de mate waarin het vuil zich heeft vastgehecht aan de voeg, hetgeen kennelijk lokaal nogal kan schelen. De zuigdruk is bij dit equipment niet op basis van het resultaat regelbaar.
Milieu- en Incident Reinigingsvoertuig
ZOAB cleaner
figuur 8: Reinigingsvoertuigen
5.3.3
Milieu- en Incident Reinigingsmachine – klein materieel In 2017 is circa 5.000 m2 waterpasserende verharding gereinigd met een kleiner type Milieu- en Incident Reinigingsvoertuig, dat nog wel wendbaar genoeg is voor normale woonstraten. Er is voor gekozen het voertuig in te zetten samen met een waterwagen en een vuilwaterwagen. Hierdoor hoeft het reinigingsvoertuig het werkvak niet te verlaten. De reiniging met deze drie voertuigen heeft een week geduurd. Aansluitend zijn de voegen met split ingeveegd. Omdat deze machine een geringere zuigkracht heeft is aansluitend reinigen met water nodig om toch voldoende resultaat te krijgen. De ervaring van afgelopen jaar was dat het bovendien regelmatig nodig was om achtereenvolgens 2 tot 3 maal hetzelfde stuk rijweg te reinigen. Nadelen: o Vanwege de omvang van de machine zijn de parkeervakken nog steeds niet of nauwelijks te reinigen. o Hoge kosten (€ 8,- per m2) en lange benodigde tijd door de inzet van 3 wagens en herhaaldelijk reinigen alvorens het resultaat acceptabel was.
Datum
Pagina
19 juni 2020
27 van 73
Opnieuw aanbrengen split figuur 9: Reiniging 5.3.4
Effect heet water Er zijn enkele testen gedaan waarbij heet water is gebruikt om te zien of dat het verwijderen van onkruid en mos zou vergemakkelijken. Een eerste test met heet water is uitgevoerd op de Luntershoek in Rotterdam Charlois in 2016. De voegen waren bij aanleg in 2013 gevuld met split 2/6. Gedurende de test is een wegvak besproeid met heet (kokend) water, om mossen en onkruidgroei in de waterpasserende verharding te doden, hetgeen zichtbaar gelukt is. Het water is onder atmosferische druk op het wegdek gesproeid; dus niet met hoge druk. Vervolgens heeft een dag later behandeling met de ZOAB cleaner plaatsgevonden. Er bleek geen aantoonbaar verschil terug te zien in de mate van reiniging met het wegvak in dezelfde omgeving dat niet was behandeld met heet water. Daarnaast heeft een test met de Milieu incident wagen plaatsgevonden waarbij heet water onder lage druk is gebruikt en vervolgens tijdens dezelfde passage van het equipment de voegen zijn leeg gezogen. De werking van het hete water valt tegen, er wordt geen beter resultaat bereikt dan zonder water of met koud water onder hoge druk. De conclusie was dat het water kennelijk onvoldoende de kans krijgt om in de verharding te trekken en om de mossen en onkruid te doden.
Toepassing van heet water is mogelijk effectief wanneer heet water als voorbehandeling wordt gebruikt en enkele dagen later in een droge situatie, de voegen droog worden gereinigd met een milieu incident wagen. Dit is nog niet getest. Datum
Pagina
19 juni 2020
28 van 73
5.3.5
5.4
Conclusies eerste testen • De keuze van equipment een afweging is tussen kwaliteit van reiniging versus met dat equipment ook in staat te zijn op elke locatie het gehele oppervlak te kunnen reinigen: o Inzet van een Milieu- en Incident Reinigingsmachine leidt visueel tot de beste reiniging, echter deze machine is in veel gevallen te groot om te kunnen worden ingezet en bereikt ook niet de volledige straat o Inzet van een standaard ZOAB cleaner leidt tot een zichtbaar minder goed resultaat, maar de afmetingen zijn dusdanig dat deze wel de meeste plaatsen kan bereiken. Het resultaat kan wel worden verbeterd door opvolgende reinigingscycli uit te voeren. •
Visueel goede resultaten zijn bereikt met droog leegzuigen van de voegen met de Milieu- en Incident Reinigingsmachine. Waarschijnlijk wordt het beste resultaat bereikt tijdens een droge periode, omdat dan de voegvulling makkelijker loskomt. De combinatie van toepassing van water onder hoge druk met het gelijktijdig leegzuigen levert een nauwelijks beter resultaat en heeft diverse nadelen, zoals het hoge waterverbruik, meer afvoerkosten en lagere productiesnelheid.
•
Inzet van heet water om mos en onkruid te doden is waarschijnlijk uitsluitend zinvol indien de behandeling separaat, enkele dagen voorafgaand aan het leegzuigen plaatsvindt.
Methode van der Vleut Voor de reiniging van 2019 is gezocht naar een alternatief, dat is gevonden bij de firma van der Vleut. Deze firma reinigt al jaren waterpasserende verharding. Tot nu altijd met waterdruk, maar sinds kort is ook een methode beschikbaar die werkt met luchtdruk. Bij deze methode wordt de voeg met perslucht leeg gespoten, waarna het materiaal wordt opgezogen.
figuur 10: Uitvoering van de reiniging met luchtdruk. Datum
Pagina
19 juni 2020
29 van 73
De uitkomsten van een uitgevoerde pilot geeft veel vertrouwen. De voegen zijn leeg en de straatlaag is zichtbaar. De prijs is goed en de overlast voor de omgeving is niet groot. Hele grote afzettingen zijn niet nodig, in noodgevallen kan het verkeer erlangs. Nadeel is dat de snelheid van reinigen laag is.
De stenen voor en na reiniging. figuur 11 Op de bovenstaande wijze zijn 5 straten gereinigd, evenals de pilot locatie. Van de pilot locatie is de nul-situatie bepaald, de doorlatendheid van het cunet en de doorlatendheid na reiniging. De reiniging met water leek in de pilot minder goede resultaten te geven vanwege de vervuiling die reinigen met water geeft Na een proefreiniging is besloten om een aantal straten te laten reinigen. De resultaten zien er visueel veelbelovend uit. 5.4.1
Uitgevoerde metingen en resultaten Er zijn verbeterde DRI metingen uitgevoerd om het effect van de reinigingstechniek inzichtelijk te maken. Onderstaande tabel geeft een overzicht van de aantallen uitgevoerde metingen. Een totaaloverzicht inclusief individuele meetresultaten is weergegeven op bijlage 5. tabel 4: Overzicht uitgevoerde metingen Locatie
Meetdatum
Aantal metingen
Reinigings-
Voor reiniging
Na reiniging
Cunet
techniek
Schermlaan
2/7/2019
3
3
3
waterdruk
Schermlaan
2/7/2019
3
3
0
luchtdruk
Jan Porcellistraat 9/9/2019 0*) 4 0 luchtdruk Jan Sonjéstraat 9/9/2019 1 4 0 luchtdruk Bellevoystraat nz 9/9/2019 0*) 4 0 luchtdruk Jan van Vuchtstraat 9/9/2019 1 4 0 luchtdruk Bellevoystraat zz 9/9/2019 0*) 4 0 luchtdruk *) De situatie vóór reiniging kon vanwege de problemen voor het krijgen van een wegafzetting niet in alle worden bepaald.
Datum
Pagina
19 juni 2020
30 van 73
Het resultaat van de metingen is weergegeven in tabel 5. tabel 5: Gemiddelde meetresultaten (doorlatendheid [mm/uur]) Locatie
0-situatie
Water gereinigd
Lucht gereinigd
Cunet
Schermlaan
153
184
106
622
Jan Porcellistraat Jan Sonjéstraat
462 1.353
Bellevoystraat nz Jan van Vuchtstraat
607 459
455
Bellevoystraat zz
468 1.012
Op basis van de metingen is een vergelijking gemaakt tussen de waargenomen doorlatendheid na reiniging en zonder en de oorspronkelijke doorlatendheid, als functie van de tijd na start proef. Hiertoe wordt de volgende factor geintroduceerd: verbeteringsfactor = kvoor / kna Waarin kvoor en kna de doorlatendheid resp. vóór en na reiniging De verbeteringsfactor blijkt te variëren in de tijd. Voor de locatie Schermlaan is deze weergegeven in figuur 12.
figuur 12: Verbeteringsfactor uit DRI proeven
Opgemerkt wordt dat eerder is vastgesteld dat tenminste 3 metingen nodig zijn om een voldoende representatief beeld van de gemiddelde doorlatendheid van de WPV te krijgen, gelet op lokale variaties. De data voor de locatie Schermlaan voldoen daar aan, de data voor de Jan Sonjéstraat en de Jan van Vughtstraat zeker niet. Om die reden is de locatie Schermlaan nader uitgewerkt. Overigens blijkt het zandcunet in alle gevallen ca. 4x zo doorlatend als de WPV.
Datum
Pagina
19 juni 2020
31 van 73
5.4.2
Analyse De waargenomen doorlatendheid varieert in de tijd. Vanuit theoretische overwegingen kunnen hiervoor de volgende redenen worden aangedragen: • Bij een volledig droog wegdek en uitgedroogde voegvulling moet de waterdruk op het wegdek de oppervlaktespanning van het water overwinnen alvorens het water penetreren in de poriën. Dit leidt tot een aanvankelijk hogere hydraulische weerstand. • De hydraulische weerstand van de voegvulling is omgekeerd evenredig met de drukgradiënt ∆p/∆h, ofwel het (hydrostatische) drukverschil gedeeld door de afstand waarover deze werkt. De hydraulische weerstand is in aanvang nul, omdat de afstand aanvankelijk nul is. Naarmate de voeg zich vult neemt de hydraulische weerstand dus toe. Zoals blijkt uit figuur 12 is er in het begin van de proeven een duidelijke verbetering van doorlatendheid te zien voor de gereinigde WPV, maar neemt deze verbetering snel af in de tijd. Als er met lucht is gereinigd, is het na 2,5 minuut al slechter dan zonder reiniging en als er met water is gereinigd, is het na ca. 6 minuten weer even slecht als daarvoor. Een logische verklaring zou zijn dat de reiniging de vervuiling vooral naar onderen verplaatst. De aanvankelijke verbetering is dan het gevolg van de toegenomen bergende capaciteit van het bovenste deel van de voegvulling en de hogere doorlatendheid van het bovenste deel van de voegvulling.
Zodra die voegvulling echter gevuld is met water wreekt zich de matige doorlatendheid van het onderste deel van de voegvulling, of van een laagje direct onder de voegen. Zoals eerder vermeld blijkt het zandcunet in alle gevallen ca. 4x zo doorlatend als de WPV. Dat deze doorlatendheid kennelijk niet negatief wordt beïnvloed door de verontreiniging uit de voegen, is eenvoudig verklaarbaar als wordt aangenomen dat die vervuiling zich blijft concentreren direct onder de voegen. Zodra de stenen weg zijn kan het water daar gemakkelijk omheen stromen. Uit de vergelijkingen in de Jan Sonjéstraat en de Jan van Vughtstraat volgt ook een verslechtering na reiniging, dus deze metingen bevestigen het hierboven beschreven beeld. Deze resultaten zijn echter statistisch minder bruikbaar, omdat in die gevallen er slechts één proef is gedaan vóór reiniging.
5.5
Conclusies en aanbevelingen
5.5.1
Betreffende de noodzaak tot reinigen en frequentie • In eerder onderzoek was geconcludeerd dat na 5 jaar gemiddeld de doorlatendheid van een WPV met circa de helft is teruggelopen. • Uit uitgevoerde doorlatendheidsproeven blijkt dat in sommige gevallen al circa 2 jaar na aanleg de doorlatendheid dusdanig is afgenomen dat niet meer wordt voldaan aan de gestelde eis. • Aanbevolen wordt om meer gestructureerd de doorlatendheid van WPV’s te bewaken.