Beton en staalvezels, een goed huwelijk?

BETON EN STAALVEZELS, EEN GOED HUWELIJK?

Hoewel er tegenwoordig soms gesproken wordt over een ‘betonstop’, blijft beton één van de meest gebruikte materialen in de bouwsector. Op zoek gaan naar verbeteringen is bijgevolg een grote uitdaging. Staalvezelversterkt beton is zo’n vernieuwing, die tijd- en kostenbesparend kan zijn. De toepassing ervan is echter nog beperkt ten opzichte van de mogelijkheden, voornamelijk door het gebrek aan rekenmodellen en internationale ontwerpcodes. Dit thesisonderzoek draagt bij tot de verdere ontwikkeling ervan.

Staalvezelversterkt beton, wablieft?!

Traditioneel gewapend beton bestaat uit beton dat versterkt is met stalen staven, zowel in de langs- als dwarsrichting. Deze staven worden geplooid tot wapeningskorven of -netten. Het plooien en plaatsen van dit staal is arbeidsintensief en daardoor ook kostelijk. Bij staalvezelversterkt beton worden korte staalvezels toegevoegd aan het betonmengsel. Deze vezels zijn enkele centimeters lang en minder dan een millimeter dik. Doordat ze mee gestort worden met het beton, zitten ze overal willekeurig verspreid in het materiaal. Er is dus minder werk en tijd nodig om dit te maken. De vraag blijft echter: is dit soort beton even sterk als het traditioneel gewapend beton?

Betonnen balken van 7 meter lang kapot maken

In dit onderzoek worden zes balken van zeven meter lang experimenteel getest op hun sterkte, door middel van de zogenaamde vierpuntsbuigproef (getoond in figuur 2 en 3). Dit betekent dat de balken op twee steunpunten worden gelegd en dat er in het midden langzaamaan op gedrukt wordt. Door de toename van dit gewicht zal de balk op een bepaald moment breken. Hieruit kan de sterkte bepaald worden, maar ook de manier waarop de balk kapot gaat, is belangrijk. Van de zes balken zijn er twee met traditioneel gewapend beton en vier waarbij een deel van de traditionele wapening vervangen is door staalvezels. Twee van die vier balken hebben 20 kg/m³ staalvezels, de andere twee 40 kg/m³.

Naast de staalvezels of traditionele wapening is er in elke balk ook voorspanwapening aanwezig. Dit zijn stalen strengen die opgespannen worden door eraan te trekken. Daarrond wordt het beton gestort, waarna de strengen losgelaten worden. Dit vergroot de sterkte van de balk. Hoe hard er in het begin aan de strengen getrokken wordt, bepaalt de zogenaamde voorspanning op de balk. In het onderzoek is de helft van de balken volledig voorgespannen (1488 MPa) en de andere helft niet volledig (750 MPa). De combinatie van voorspanning en het type wapening geeft dus zes verschillende balken. Elke balk heeft een eigen nummer, gaande van 401 tot 406. Figuur 1 geeft een overzicht van de zes balken en hun nummer.

Tijdens de testen worden verschillende eigenschappen opgemeten met zowel traditionele als geavanceerde optische meettechnieken. Een voorbeeld van deze laatste categorie is de ‘stereo-vision digital image correlation’ (DIC). Hierbij wordt op delen van de balk een uniek gespikkeld DIC patroon aangebracht (zie figuur 2 en 3). Door elke seconde foto’s te nemen van het patroon, kan de beweging van de balk en het ontstaan van scheuren nauwkeurig in beeld gebracht worden. Zo kan bijvoorbeeld de scheurwijdte van de balken nauwkeurig gemeten en vergeleken worden, zoals getoond wordt in figuur 4.

Figuur 1: De zes verschillende balken met hun nummer en types wapening.

Figuur 2: Opstelling van de vierpuntsbuigproef.

Figuur 3: Foto uit het labo van een balk in de testopstelling.

Figuur 4: Typische DIC-resultaten: reconstructie van het gekromde balkoppervlak, horizontale en verticale verplaatsing van de balk tijdens de toename van de belasting (waarbij het ontstaan van de scheur zichtbaar wordt) en meting van de scheurwijdte.

Is het even sterk?

Figuur 5 toont de belasting waarbij de verschillende balken gefaald zijn en figuur 6 toont de manier waarop ze kapot gegaan zijn. Is staalvezelversterkt beton even sterk als het traditioneel gewapend beton? ‘Ja, maar…’ Een hoeveelheid van 40 kg/m³ staalvezels kan de traditionele wapening vervangen om een gelijke sterkte te bekomen, maar de manier van falen is wel verschillend. Balken zonder vezels ‘exploderen’, ze hebben één grote scheur (B401 en B404 in figuur 6). Balken met vezels hebben meerdere kleinere scheuren doordat de vezels het materiaal meer samenhouden. Daarnaast zijn deze resultaten geldig voor dit type experimenten, maar kunnen ze niet veralgemeend worden naar alle types.

Niet enkel de staalvezels, maar ook de hoeveelheid voorspanning heeft invloed op de manier van falen en de sterkte. Hoe hoger de voorspanning, hoe meer belasting opgenomen kan worden. Daarnaast hebben de scheuren een lagere helling, ze verlopen dus ‘platter’, en zijn ze ook breder. Uit de DIC-meting wordt berekend dat de scheur van balk B402 tot 6 mm opengaat en die van balk B405 slechts tot 4 mm.

Figuur 5: Belasting waarbij de zes verschillende balken kapot gegaan zijn.

Figuur 6: Verschillende manieren van falen van de zes balken, afhankelijk van hun eigenschappen.

Wat is hier nu het nut van?

Nu we weten dat staalvezelversterkt beton in deze proeven even sterk kan zijn, zijn er ook ontwerpregels nodig om het te gebruiken in de bouwsector. Er bestaan reeds een aantal modellen om de sterkte te berekenen. De uitgevoerde proeven worden vergeleken met de berekening volgens deze modellen. Figuur 7 toont dat alle berekeningen de werkelijke sterkte onderschatten. Een beetje onderschatting is goed om extra veiligheid in te bouwen, te veel onderschatting zorgt voor te dure ontwerpen. Overigens heeft elk model zijn voor- en nadelen, waardoor er geen ‘beste model’ gekozen kan worden. Verder onderzoek is dus nodig, zowel om ook andere proeven op staalvezelversterkt beton uit te voeren als om de modellen te verbeteren. Alleen zo kan het economisch interessanter worden om dit soort beton te gebruiken.

Figuur 7: Experimentele faallasten (Vu,exp op de horizontale as) vergeleken met de berekende voorspellingen (Vu,pred op de verticale as) volgens de verschillende modellen voor de vier balken met vezels. Op de diagonale lijn is de berekening gelijk aan de experimentele waarde, eronder is de experimentele waarde groter dan de berekening.

Dit artikel toonde u een glimp van de wondere wereld van, jawel, beton. Een materiaal dat we dagelijks tegenkomen, maar waar ook veel onderzoek achter zit. Een materiaal dat we moeten blijven vernieuwen. En de volgende keer dat u quizt, dan weet u het: ‘staalvezelversterkt beton kan even sterk zijn als traditioneel gewapend beton (voor het beperkte aantal en type proeven dat in dit onderzoek uitgevoerd werd)’.