Grondbehandeling met kalk: De HSL in België

Sindsdien hebben een veranderend milieubewustzijn en de evoluties in de wetgeving nieuwe toepassingen van de techniek gestimuleerd. Nieuwe toepassingen situeren zich op het vlak van het behandelen van gronden op kleinere werken tot en met de recyclage in centrale productiecentra van leem- en kleihoudende gronden.

België heeft in de jaren zestig en zeventig een intens investeringsprogramma voor het wegennetwerk gekend. Sindsdien was het stabiliseren van gronden enigszins in de vergeethoek geraakt. In Frankrijk daarentegen gaat het nationaal investeringsprogramma heden ten dage nog steeds verder met het bouwen van autosnelwegen en hoge snelheidsspoorlijnen. De kennis die er sinds de jaren zestig is verworven, is door de jaren heen onderhouden en verder ontwikkeld.

Om deze kennis te bewaren en door te geven aan nieuwe praktijkmensen hebben de Fransen deze ervaringen van tientallen jaren in grondverzet en behandeling van gronden gebundeld. De diensten van de centrale laboratoria van Bruggen en Wegen (LCPC) en het semi-private ingenieurbureau voor wegenaanleg SETRA hebben een aantal boekdelen gepubliceerd die de referentie zijn voor de uitvoering van infrastructurele werken: de GTR (Guide pour la réalisation des remblais et des couches de forme) of de Gids voor de uitvoering van grondwerken, en de GTS (Guide technique pour le traitement des sols à la chaux et aux liants hydrauliques) of de Gids voor grondbehandeling met kalk en hydraulische bindmiddelen.
Talrijke projectorganisaties hebben zich geïnspireerd op deze referentiedocumenten.

Eén van hen is Tuc Rail, studiebureau verantwoordelijk voor de studie en uitvoering van het Belgische Hoge Snelheidslijnen-project, die dezelfde documenten weerhouden heeft als leidraad voor de uitvoering van het grondverzet.

De Belgische uitdaging

Dit project waarvan de eerste werken gestart zijn in augustus 1993, moet toelaten dat in 2006 de Hoge Snelheidstrein in België kan rijden. Op deze manier zal Brussel verbonden zijn met Amsterdam, Keulen en Parijs. De totale lengte van het Hoge Snelheidsnetwerk in België bedraagt 300 km. Daarvan zal ongeveer 200 km bestaan uit nieuwe lijnen op dewelke de Hoge Snelheidstrein snelheden zal bereiken van ongeveer 300 km/u. 200 km nieuwe spoorlijnen realiseren binnen de vooropgestelde uitvoeringstermijnen in een land als België met zijn onzeker en wisselvallig klimaat vereist een techniek die het mogelijk maakt om in en met fijne, plastische en natte gronden te werken.

Het antwoord op deze vraag werd gevonden in de techniek van de behandeling van gronden met kalk.

Een praktisch voorbeeld van zijn toepassing wordt geïllustreerd door middel van het project 5375 welke actueel in de regio Luik in uitvoering is.

Het project 5375: sectie Ayeneux-José

De treinen vanuit Luik tot Aken – Duitsland - nemen de Tunnel van Soumagne om ter hoogte van Herve de E40 te bereiken en te volgen tot in Aken. Tussen de tunnel en de autosnelweg worden 4,3 km nieuwe spoorlijn gebouwd. Dit project 5375 doorkruist de gemeentes van Soumagne en Herve.

Dit nieuwe stuk lijn moet doorheen vijf heuvels en overbrugt zes valleien. Dit alles brengt een grondverzet van ongeveer 1.000.000 m_ met zich mee. Het doorsteken van de heuvels gebeurt in overdekte sleuf, de valleien worden overbrugd door ophogingen. Na het uitvoeren van de Openbare Werken (slibwanden en secanspalen), zullen de afgedekte sleuven opnieuw bedekt worden met teelaarde om gestaag opnieuw als akkerland gebruikt te kunnen worden.
De grondwerken worden zodanig georganiseerd dat de leemgrond, gekend voor zijn kwaliteit en reactiviteit met kalk, voorbestemd worden voor het realiseren van de beddinglaag. Teneinde een goede stabiliteit van de spoorlijn te garanderen in een zone met alternerende structuren - betonvloer in de overdekte sleuven, aangevoerde gronden in de ophogingen - is er voor gekozen om de klassieke structuur met vormlaag en onderfundering te vervangen door een doorlopende betonvloer. De ballast zal dan direct aangebracht worden op deze plaat. Een ander argument voor deze structuur is de aanwezigheid van oude mijnschachten in de streek welke voor differentiële zettingen zouden kunnen zorgen.

Zoals voor al zijn grondwerken, werden door Tuc Rail de GTS en GTR gebruikt als referentie voor de uitvoering van grondverzet en kalkbehandeling.

Voor het schrijven van het bijzonder lastenboek van het project, voerde Tuc Rail een verkennend onderzoek uit naar de grondsoorten op het tracé. Dit verkennend onderzoek wees op een heterogeen pakket bestaande uit 200.000 m_ leem, 300.000 m_ silexhoudende klei (formatie van Gulpen) en smektiet (formatie van Vaals), 350.000 m_ schiste en 150.000 m_ teelaarde.

Ter voorbereiding van de uitvoering van het grondverzet, heeft de uitvoerende aannemer (Betonac uit St.-Truiden) dan een uitgebreid en complementair onderzoek verricht door het graven van verkenningssleuven en het nemen van stalen om de 50 cm diepte. Het laboratoriumonderzoek voor identificatie toonde de aanwezigheid aan van voldoende leem welke zich uitstekend tot het behandelen met kalk leent. Dit werd bevestigd door de formulatiestudie die de verdichtingkenmerken (Proctor) en berijdbaarheid (IPI) onderzoekt. Het bepalen van de benodigde kalkdosering voor het bekomen van een IPI = 10%, wat overeenkomt met een goede berijdbaarheid van het werk door de werfvoertuigen, gaf dan een beslissingskader voor het bepalen van de kalkdosering in functie van het natuurlijke watergehalte van de aanwezige grond.

Eenmaal de grondwerken uitgevoerd, zullen de plaat, de ballast, dwarsliggers en rails aangebracht worden van de spoorinfrastructuur.

Doel van de behandeling: interactie klei-kalk

Bij het behandelen van een plastische vochtige grond met kalk gebeuren twee afzonderlijke reacties tussen de kalk en de kleimineralen:
- De kalk reageert met het water en ontwikkelt een belangrijke hoeveelheid warmte. Deze reactie reduceert fundamenteel het watergehalte van de grond.
- De kalk reageert met de kleimineralen en vormt stabiele kruimels. Vanaf dat moment, is de plastische grond omgevormd tot een zanderig materiaal.

Op lange termijn reageert de kalk met de kleimineralen en verbetert de kenmerken van de ophoging.

De voordelen van een directe verbetering met kalk zijn dus de volgende:
- Betere circulatie van het werfverkeer
- Betere verdichting van de grond
- Uitvoeringsmogelijkheden gedurende een langere periode tijdens het jaar
De verschillende etappes bij de behandeling van gronden

De voorschriften omtrent grondbehandeling vereisen een specifieke aandacht gedurende de verschillende stadia van de uitvoering:

1. Voor het publiceren van het project:
a. Identificatie van het locale grondprofiel
b. Verkenningsproeven
c. Evaluatie van de mogelijkheden tot hergebruik van de gronden
d. Inschatting van de volumes ten behoeve van de aanbestedingsdocumenten
2. Na aanbesteding, voorbereiding van de grondwerken en analyse van elke grondsoort:
a. Identificatie : analyse van de grondsoort d.m.v. zijn korrelverdeling, plasticiteit en vochtigheidstoestand onder andere via een tracering van de proctorcurve en de fysische parameters van de grond
b. Formulatiestudie : op de gronden die een behandeling noodzaken (vochtigheidstoestand of plasticiteit die te hoog ligt), wordt een studie uitgevoerd met betrekking tot de invloed van de kalkdosering op de Proctor en draagkracht (IPI-CBR) in functie van het watergehalte.
3. Valideren van de laboratoriumresultaten via de uitvoering van proefvakken. Ter goedkeuring van het door de aannemer (of zijn onderaannemer) vooropgestelde materieel wordt de beschikbare grond bij verschillende vochtigheden en verschillende kalkdoseringen gevalideerd.
4. Gedurende de behandeling worden regelmatig stalen genomen om de effectiviteit van de behandeling ten opzichte van de vooropgestelde draagkracht na te kijken. Deze waarden worden gebruikt om de kalkdoseringen in functie van de watergehaltes te optimaliseren.
5. Uitvoeringscontrole : controle van de hoeveelheid gestrooide kalk, nakijken van de verdichtinggraad (directe controle via gammadensimeter of indirecte controle via nakijken van de gebruikte verdichtingenergie) en controle van de karakteristieken van de aanvulling en zijn draagkracht (door middel van plaatproeven of slagsondeproeven).

Grondbehandeling in praktijk:

De kalkbehandeling van gronden laat toe om gronden te hergebruiken die in de natuurlijke toestand onbruikbaar zijn (moeilijke uitvoering van grondwerken, problemen met betrekking tot verdichting en berijdbaarheid). Op deze manier worden alternatieve dure oplossingen vermeden die het afvoeren van de grond en het aanvoeren van nieuwe aanvulmaterialen noodzaken.

De opeenvolgende etappes van grondbehandeling zijn:

1. Levering van de kalk per bulkwagen.
2. Uitstrooien van de kalk in functie van de vooropgestelde hoeveelheid en de te behandelen laagdikte.
3. Inmengen van de grond – dit kan gerealiseerd worden met vrij simpel materieel zoals schijfeggen, ploegen of krachtiger materieel zoals pulvimixers. Het finale doel is het bekomen van een voldoende menging en fijnheid teneinde een visuele homogene menging te krijgen.
4. Verdichting van het mengsel tot de vooropgestelde verdichtinggraad.
5. Nivellering en profilering van de behandelde laag.