Hoe we het mysterie van zwelklei ontrafelen

Huizen met een fundering op staal die het risico lopen op zwellen en krimpen van de klei in de ondergrond, vind je op verschillende plekken in Nederland, van Groningen tot Limburg en van Utrecht tot het rivierengebied. Sinds de extreem droge zomer van 2018 nam het aantal meldingen van funderingsschade uit deze gebieden met 25 procent toe. Het daadwerkelijke aantal schadegevallen ligt waarschijnlijk veel hoger.

Het risico-beoordelingssysteem waar Deltares aan werkt, brengt duidelijk in kaart welke gebieden het meest kwetsbaar zijn en welke voorzorgsmaatregelen kunnen worden genomen om schade te voorkomen. Deze voorzorgsmaatregelen omvatten ook maatregelen voor huiseigenaren. Door het ondersteunen van de ontwikkeling van nationale of Europese normen, kunnen ingenieurs en overheden bovendien weloverwogen beslissingen nemen om de mogelijk significante schade te voorkomen.

Enorme kracht

Bij Deltares doen diverse experts al lange tijd onderzoek naar de relatie tussen de ondergrond en funderingsschade. Dit jaar zijn verschillende zwelgevoelige kleimonsters uit bovengenoemde gebieden in het geotechnische laboratorium van Deltares aan een reeks testen onderworpen, om te kijken welke soorten zwelgevoelig zijn en in welke mate. Ook is gekeken naar hoe het herhaaldelijk drogen en vernatten de eigenschappen van de bodem, zoals doorlatendheid en sterkte, beïnvloeden.

De laboratoriumtesten wezen uit dat de klei tussen de acht en tien procent kan zwellen, en tussen de 25 tot dertig procent kan krimpen. Die verschillen hangen onder andere af van de dikte van de kleilaag en de eigenschappen van de klei. Bovendien zijn in het laboratorium zweldrukken gemeten die oplopen tot 1200 kPa. “Duidelijk is dat de kracht van zwellende klei enorm kan zijn. De kracht die we hebben gemeten, is vergelijkbaar met het gewicht van een flatgebouw van 24 verdiepingen”, stelt Harry van Essen, fysisch geograaf bij Deltares.

Het effect van krimp en zwel wordt ook wel beschreven als een langzaam vorderende aardbeving

Harry van Essen, fysisch geograaf bij Deltares

Vaker droogte

Veranderingen in het (grond)waterbeheer of andere menselijke activiteiten kunnen krimp en uitzetting van klei beïnvloeden. Ook de aanwezigheid van vegetatie zoals bomen is een belangrijke factor in het gedrag van zwelgevoelige klei. Als gevolg van klimaatverandering zullen de effecten van zwel- en krimpklei nog verder toenemen, aldus Harry. “In Nederland leefden we lang in een gematigd klimaat, waardoor de eigenschappen van deze kleigrond onopgemerkt bleven. Nu we steeds extremere periodes van droogte en hevige regenval meemaken, gaat die klei opeens reageren.”

Met alle gevolgen van dien voor de gebouwde omgeving en het wegen- en dijkennetwerk. Naast scheuren en funderingsschade worden huizen op zwelklei soms zelfs onbewoonbaar verklaard. Veel recente schademeldingen komen van huiseigenaren uit het rivierengebied (Duiven, Zevenaar), maar ook daarbuiten zijn schadegevallen bekend, zoals in Rekken in Gelderland en Roden in Drenthe. “De onafhankelijke geoloog Peter van der Gaag zag al in 2004 dat zwelklei in Groningen een van de oorzaken van funderingsschade was, dat door ons is bevestigd in een onderzoek gefinancierd door de NAM en Deltares”, aldus Harry.

Labonderzoek

Deltares doet op de meeste van deze locaties onderzoek naar de kleibodem. Onder meer door het nemen van kleimonsters, waarmee de eigenschappen in het laboratorium worden onderzocht. Deltares zet ook meetpunten op om het gedrag van de klei te volgen bij veranderingen in de grondwaterspiegel en bodemvochtigheid, die op hun beurt worden beïnvloed door veranderingen in de klimatologische omstandigheden, vegetatie en menselijke activiteiten.

Het laboratoriumonderzoek bij Deltares bestaat uit het meten van de volumeveranderingen van drogende kleimonsters, het vaststellen van de relatie tussen zuigspanning (de onderdruk die ontstaat bij droging van grond) en watergehalte, en het uitvoeren van verschillende soorten zweltesten.

Investeren in kennis

Dat veldwerk is onderdeel van het zelf gefinancierde onderzoek van Deltares naar de krimp-zwelklei, dat nu ook wordt ondersteund door het ministerie van Volkshuisvesting en Ruimtelijke Ordening. Deze klei is een fascinerend materiaal volgens Harry, “waar we veel meer over moeten weten.”

Hij somt wat onderzoeksvragen op: Welke kleimineralen zijn de oorzaken van de volumeverandering, welke soorten klei zijn daar het meest gevoelig voor? Hoe ontwikkelt krimp en zwelling zich tijdens opeenvolgende periodes van droogte? Kunnen toekomstige natte periodes schade door zwel veroorzaken? En kan een stijging van het grondwaterpeil, bijvoorbeeld door bodemdaling, het risico op zwelschade vergroten?

Hoe sterk de klei opzwelt of krimpt, blijkt per plek verschillend. Harry en zijn collega’s Henk Kooi en Otto Levelt onderzoeken sinds 2000 de plekken waar funderingsschade door klei is gemeld en brachten in 2019 voor de eerste keer de situatie in kaart in het rapport ‘Krimpzwelklei en gevolgen voor de fundering’ voor het Kennis Centrum Aanpak Funderingsproblematiek (KCAF).

Na de publicatie begon de aandacht voor de problemen rond zwelgevoelige klei in Nederland toe te nemen, wat Deltares er toe aanzette in 2020 voor het eerst te investeren in eigen onderzoek. "Op de website van het KCAF wordt een kaart bijgehouden met alle gemelde schade aan gebouwen”, aldus Harry. “Er zijn veel overeenkomsten tussen onze kaart met kleidiktes en het Schaderegister van het KCAF."

Krimp en uitzetting van klei onder funderingen op staal leiden steeds vaker tot schade aan huizen en gebouwen. Meer kennis over deze klei is nodig om tot effectieve maatregelen te komen.

Harry van Essen, fysisch geograaf bij Deltares

“Wat we met ons onderzoek willen bereiken, is het verminderen van stress bij huiseigenaren en bewoners in Nederland als gevolg van het risico op funderingsschade”, vertelt Harry. "Dit kan bijvoorbeeld worden aangepakt door informatie en oplossingen te bieden aan aannemers, om schade aan funderingen te herstellen of te voorkomen."

Het onderzoek van Deltares richt zich op drie onderwerpen:

• Laboratoriumonderzoek om inzicht te krijgen in de relatie tussen bodemkenmerken – zoals kleigehalte en kleitype – en de zwel- en krimpeigenschappen
• Het ontwikkelen van een risicokaart om de locatie van expansieve kleisoorten in Nederland in kaart te brengen
• Het ontwikkelen van een computermodel om de relatie tussen omgevingsfactoren zoals vegetatie, neerslag en temperatuur en de reactie van de bodem te berekenen, op basis van de resultaten van laboratoriumexperimenten

“Het is niet eenvoudig om vast te stellen of een huis op expansieve klei is gebouwd", aldus Harry. "Hoewel er correlaties bestaan tussen standaard geotechnische laboratoriumtests en gevoeligheid voor krimpen en zwellen, is een mineralogische analyse vereist. Als we de monitoring van krimp-zwelklei kunnen opschalen, krijgen we sneller duidelijkheid over risicofactoren en effectiviteit van maatregelen.”

Hoe gedraagt klei zich?

Kleigronden in de natuur worden beïnvloed door klimaatverandering en worden afwisselend nat en droog. Deze cycli kunnen het gedrag van deze gronden qua sterkte en doorlatendheid veranderen en structuren in de grond beschadigen. Het effect van deze omstandigheden op het gedrag van klei is onderzocht in het laboratorium van Deltares, door een team onder leiding van Maria Konstantinou, senior geotechnisch ingenieur.

“We onderwierpen expansieve kleimonsters uit Zevenaar aan gecontroleerde bevochtigings- en drogingscycli. Tegelijkertijd testten we hoe de opeenvolgende droging- en vernattingscycli het zwelpotentieel beïnvloeden, terwijl we een 3D-scanner gebruikten om veranderingen in volume te observeren. We doen dit om het gedrag van de klei onder wisselende watergehaltes te onderzoeken, zodat we het gedrag van de klei in het veld beter kunnen voorspellen", zegt Maria.

Tijdens deze laboratoriumtesten stonden we letterlijk met onze ‘voeten in de klei’. Erg leerzaam, omdat je direct kunt zien hoe het materiaal zich gedraagt en reageert, waardoor je problemen eerder kunt signaleren en de resultaten nauwkeuriger kunt interpreteren

Maria Konstantinou, senior geotechnisch ingenieur bij Deltares

Om het sterkteprofiel van de klei onder dynamische watergehaltes te onderzoeken, zijn ook mini-CPT-tests uitgevoerd. Is droge klei sterker en hoe beïnvloedt herhaaldelijk drogen en bevochtigen de sterkte? Aan de Technische Universiteit Delft zijn micro-CT-scans gemaakt, om veranderingen in de poriënontwikkeling en poriënstructuur van de klei tijdens bevochtiging en droging te bekijken. “Hoe zien de poriegrootteverdeling en de vorming van scheuren eruit? Dit kan veranderen naarmate de klei vaker uitdroogt en opzwelt”, verduidelijkt Maria.

Klei bestaat uit plaatvormige mineralen met een zeer groot actief oppervlak, legt Harry uit. “‘Actief’ betekent in dit verband dat water uit de poriën wordt opgenomen of afgevoerd tussen de plaatjes, afhankelijk van de omstandigheden in de omgeving en de eigenschappen van de kleimineralen. Dit gedrag vormt de basis voor het uitzetten of krimpen van klei. Voor het meest gevoelige kleimineraal (montmorilloniet) kan het totale oppervlak van de mineralen in slechts één gram, als je ze naast elkaar legt, zo groot zijn als een voetbalveld.”

Oplossingen

De resultaten van de laboratoriumtesten helpen ons te begrijpen hoe de ondergrond zich gedraagt, aldus Maria. Dat begrip is nodig voor het bekijken welke maatregelen tegen funderingsschade efficiënt zijn. “In een huis in Rekken is ondergronds een plastic scherm rondom het huis geplaatst om de grond onder het huis te isoleren van de omringende grond, zodat de vochtbalans onder het huis wordt gestabiliseerd”, vult Harry aan. “Dit is een van de mogelijke oplossingen die we momenteel onderzoeken. Uit metingen van de afgelopen twee jaar blijkt dat het huis niet meer omhoog en omlaag beweegt.”

Eén wondermiddel is er niet, funderingsschade als gevolg van zwel- en krimpklei is een moeilijk te bestrijden probleem. Harry: “Dat komt omdat het grondwater onder de woning niet altijd gelijk is verdeeld. Dus aan één kant van een gebouw zwelt de klei, en aan de andere kant niet of minder. Dit kan ernstige schade aan huizen veroorzaken. Naast scheuren in muren en vloeren kan ook de fundering beschadigd raken.”

Grote impact

“Veel huiseigenaren zijn zich er niet van bewust dat ze risico lopen”, aldus Harry. Funderingsschade is vaak onzichtbaar, maar kan zich manifesteren in bredere scheuren in de buitengevel, binnenmuren en vloeren, klemmende ramen en deuren, aflopende of scheve vloeren en hoogteverschil tussen de woning en de stoep. Het effect van krimp en zwel wordt ook wel beschreven als een langzaam vorderende aardbeving.

Steeds meer Nederlandse huiseigenaren krijgen te maken met funderingsproblemen. De impact is groot: naast hoge kosten ervaren mensen stress, onzekerheid en soms zelfs een gevoel van onveiligheid in hun eigen huis. Funderingsproblematiek is daarmee een groeiende en urgente maatschappelijke opgave.

Verwachting

In 2024 becijferden Deltares en TNO dat op de korte termijn ongeveer 425.000 gebouwen met funderingsschade te maken krijgen. Deze analyse maakte onderdeel uit van het Rli-advies Goed gefundeerd: advies om te komen tot een nationale aanpak funderingsproblematiek. Deltares bracht haar kennis van de ondergrond en funderingen in en TNO kennis van de bovenbouw, het gebouw op de fundering. Eén van de aanbevelingen uit de gezamenlijke analyse is dat er meer specifieke informatie en kennis over de ondergrond nodig is.

De komende jaren zal Deltares zich richten op het uitbreiden van de bodemtypes die in het laboratorium worden onderzocht, het opzetten van meetlocaties in heel Nederland in samenwerking met TNO, en het verbeteren van zowel het computermodel als de nationale risicokaart. Een belangrijk aandachtspunt op dit moment is het verkrijgen van inzicht in hoe het watergehalte onder en rond funderingen van gebouwen varieert.