Experimental Study of the Durability of Textile Reinforced Cementitious Composites for Outdoor Applications of Sandwich Panels

Jens De Koster
Sandwich panels show excellent possibilities towards low-energy building solutions. Although, regarding the application of sandwich panels for outdoor applications, a durable performance is required. This work investigates the mechanical performance of textile reinforced cementitious composites (TRC) with an alkali resistant glass textile when exposed to durability cycles, namely 100 freeze-thaw cycles, 50 heat-rain cycles and combination of both. The characterization of the tensile behaviour was done by means of non-destructive and uniaxial tensile test. The loss in mechanical performance of the aged specimens seems to be governed by the physical damage attributed to durability loading. Further investigation on the micro-scale processes will be of interesting use to entirely understand the degradation processes. Knowledge and quantification of this loss is essential for the design of sandwich panels for renovation purposes

EEN DUURZAME OPLOSSING VOOR SNEL RENOVEREN EN ISOLEREN MET LICHTGEWICHT GEVELPANELEN

EEN  DUURZAME  OPLOSSING  VOOR  SNEL  RENOVEREN  EN  ISOLEREN  MET  LICHTGEWICHT  GEVELPANELEN

Wist u dat het overgrote deel van de woningen in Vlaanderen dateert van vóór 1970, toen woningen nog helemaal niet geïsoleerd werden? Dit maakt dat de energiefacturen al snel kunnen oplopen. En laat ons eerlijk zijn, zo’n oude woning kan ook wel een externe opknapbeurt gebruiken, niet?

Bouwvergunningen voor nieuwbouw en renovatie

Om die reden zien we in Vlaanderen een enorme stijging voor bouwvergunningen met betrekking tot renovatie die de aanvragen voor nieuwbouw zelfs overschrijdt. Om te kunnen beantwoorden aan deze vraag zal de uitvoeringsperiode van de renovatiewerken dus zo laag mogelijk moeten zijn. Daarom moeten we met innovatieve renovatie oplossingen komen die energie-efficiënt zijn, snel te plaatsen zijn en voldoen aan de esthetische waarden van onze maatschappij.

 

Het is in dit opzicht dat sandwichpanelen een innovatieve oplossing zijn voor renovatie, zowel economisch als ecologisch. Zo’n paneel bestaat uit een kern die gesandwicht is tussen twee harde platen, die zorgen voor de sterkte van het paneel. De kern bestaat uit 15 cm piepschuim om te voldoen aan de huidige isolatiecriteria in Vlaanderen. Het geheel kan makkelijk worden bevestigd aan een huidige woning door middel van connectoren. Ook hier bieden sandwichpanelen een enorm voordeel, aangezien ze geprefabriceerd kunnen worden en dus makkelijk en zonder problemen bevestigd kunnen worden aan de huidige woning. Dit maakt dat de inwoners tijdens de renovatiewerken in het huis kunnen blijven en dat er minder hinder wordt ondervonden door de omgeving (door bv. geluidsoverlast tijdens de werken). Ook is de totale kostprijs van zo’n paneel relatief laag.

Sandwich paneel voor renovatie

De twee harde platen rond het isolatieschuim geven het paneel de nodige sterkte en dienen als bescherming tegen de weersomstandigheden zoals regen, wind en hitte. Om de totale dikte, en aldus het gewicht, van het paneel te beperken, zijn we dus op zoek naar een materiaal dat dun maar toch sterk genoeg is. In dit opzicht zoeken we dus een alternatief op het veelgebruikte gewapende beton, waar een minimale dikte wordt opgelegd om corrosie van de wapening (betonrot) te voorkomen.

Textielverstevigd cement

Textiel verstevigde cementen (afkorting: TRC, Textile Reinforced Cement) zijn cementen verstevigd met glasvezelnetjes. Deze glasvezelnetjes elimineren het probleem van corrosie, waardoor ze ons toelaten om met een structurele plaat van 1 cm langs beide kanten van het isolatieschuim genoeg sterkte te verkrijgen voor de huidige toepassingen.

Kortom bieden sandwichpanelen met textiel verstevigde cementhuiden de oplossing wat betreft snelheid van opbouw, isolerend vermogen, kostprijs en esthetisch vermogen. Met oog op duurzaamheid is het belangrijk de invloed van de weersomstandigheden op de prestaties van het materiaal te kennen. Het is namelijk algemeen geweten dat alle materialen, onderhevig aan weersomstandigheden, degraderen. Je wil natuurlijk geen renovatiewerken uitvoeren met sandwichpanelen die je om de 2 jaar moet vervangen.

Daarom deed ik in mijn master thesis onderzoek naar de degradatie van textiel verstevigd cement onderhevig aan weersomstandigheden, in samenwerking met productiebedrijf CRH Structural Concrete Belgium NV. Het hoofddoel van mijn onderzoek was om deze degradaties te meten zodat deze in rekening kunnen worden gebracht voor een duurzaam design. Om dit te realiseren werden 63 proefstukken in dit materiaal blootgesteld aan verschillende weersomstandigheden, gesimuleerd aan de hand van een klimaatkast:

  • ’s winters vriezen en dooien: 100 vries-douw cycli, waar de proefstukken afwisselend werden blootgesteld aan -20°C en 20°C over een tijdsinterval van 4 uur per cyclus.
  • ’s zomers opwarming door de zon en plots afkoelen door regen: 50 warmte-regen cycli, waar de proefstukken een uur werden blootgesteld aan 60°C en vervolgens werden afgekoeld in een waterbad (20°C). De totale duur van een cyclus bedroeg anderhalf uur.

Om de degradatie in kaart te brengen, bleven 24 referentieproefstukken ongedeerd. Daarnaast werden 15 proefstukken enkel blootgesteld aan de vries-douw cycli, 9 proefstukken werden enkel blootgesteld aan de warmte-regen cycli en 15 proefstukken aan een combinatie van beide cycli, zoals hieronder geïllustreerd.

Overzicht aantal proefstukken

Na het blootstellen van de proefstukken aan deze herhaalde weersomstandigheden, werden ze onderworpen aan een zogenaamde trekproef, waar de proefstukken worden kapotgetrokken om zo hun sterkte en hun mechanisch gedrag te kunnen meten. De schade aan het materiaal kon begroot worden door de resultaten te vergelijken met onaangetaste referentieproefstukken. Ook werd gebruik gemaakt van een speciale techniek om de scheurvorming in het materiaal in beeld te brengen. Na deze testen werd al snel duidelijk dat het mechanisch gedrag van het onderzochte materiaal (TRC) degradeerde na blootstelling aan de weersomstandigheden.

Degradatie zichtbaar in de spanning-rek curveVisualisatie scheurvorming adhv. Digital Image Correlation

Met oog op de toepassing voor renovatie lag de interesse voornamelijk in de evolutie van de stijfheid en sterkte van het materiaal.  De stijfheid bepaalt de doorbuiging van het sandwichpaneel door bv. windbelasting. Europese normen leggen hier een maximumwaarde op die gerespecteerd dient te worden. Na de duurzaamheidsproeven werd een maximale degradatie van 80% waargenomen op gebied van stijfheid. De sterkte van het materiaal kan in verband gebracht worden met de vorming van de eerste scheur en dient dus gelimiteerd te worden, want wie wil er nu scheuren in zijn gevel? Ook hier werd een reductie van maximaal 50% waargenomen.

Kort samengevat heb ik gedurende mijn thesis textiel verstevigde cementproefstukken (TRC) geproduceerd. Vervolgens heb ik deze blootgesteld aan duurzaamheidsproeven om de invloed van de weersomstandigheden te simuleren op het mechanisch gedrag van dit materiaal. Deze ondervindingen heb ik uiteindelijk gekwantificeerd met als doel deze waarden te kunnen meenemen in een duurzaam design.

Image removed.

Visuele samenvatting

De resultaten van dit onderzoek zijn het begin van een groter geheel. In de toekomst moet immers nog gekeken worden naar de invloed van het weer op de binding tussen de piepschuimkern en de structurele platen, en moeten er nog meer testen gebeuren op grote schaal. De resultaten brengen Vlaanderen alvast een belangrijke stap dichter bij duurzame en veilige isolerende sandwichpanelen die snellere en energie-efficiënte renovaties van oude gebouwen mogelijk maken.

Bibliografie

zie scriptie

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in Civil Engineering, option structures
Publicatiejaar
2017
Promotor
Tine Tysmans
Kernwoorden