IONDERZOEK I IAANHECHTING VAN STAAL INBETON ONDER CRYOGENEOMSTANDIGHEDENir.C. van der Veen, Stevinlaboratorium Technische Hogeschool DelftBetonnen reservoirs voor de opslag van vloeibaar aardgas worden terverzekering van de vloeistofdichtheid voorzien van een stalen 'liner'. Hetis de vraag ofeen liner noodzakelijk is. Een goed ontworpen beton-mengsel is voldoende impermeabel. Onvoldoende is bekend overscheurvorming in beton bij zeer?lage temperaturen. In dat kader wordtbij de TH-Delft onderzoek verricht naar de aanhechting tussen staal enbeton onder cryogene omstandigheden. De verandering in mechanischeeigenschappen van beton bij steeds lagere temperaturen blijkt nauwsamen te hangen met het poriesysteem en het daarin aanwezige water.vloer isolatie/'\; .;,?betonnen funderingbuitenwand: ~. I" (11 rr-r~ ~~beillto1!lnJ!m~etL!s~ta~le~nUli!Jin~eri?~~~=~~~M. binnenwand:binnenwand: staal fot' T IltII-I'*'---,v..::c0o,,"rg=-::ec=!sp:.:a::.:;nn.;,::en,,".::.;be:..;;to:.:.;nlisolatie ? ?betonnen dakProefinethodeOmde uittrekproefbij een bepaalde(lage) temperatuur, uittevoeren is een speciale proefopstelling gebouwd (fig. 2). De op-stellingbestaat uit een hydraulische vijzel en een stalen framewaarop een koelbox (D) is geplaatst. In de koelbox bevindtzich op een drukvaste isolatieschijfhet proefstuk (F), een be~tonnen cilinder 0 200 x 200 en een centrisch ingestorte ge-profileerde wapeningsstaaf (Krybar) van 0 20 mmo De aan~hechtlengte bedraagt 60 mm, zodat aan beide zijde va!! decilinder een aanhechtvrije lengte aanwezig is. Aan een uit-einde van de wapeningsstaafis in de profilering (de ribben)eenschroefdraadovereenlengtevan 100 mmgesneden,zodathierop een verhoogde moer (J) gedraaid kan worden. Dit uit-einde steekt door een gat in het frame tot boven de vijzel. Debelasting uitgeoefend door de vijzel wordt met behulp vaneen metalen bekken (H) via de moer op de wapeningsstaafovergebracht. De grootte van de belasting wordtgemeten viaeen drukdoos (K); de proef zelf wordt verplaatsinggestuurd(G) uitgevoerd. Als gevolg van de opgelegde verplaatsing ont-staateenkrachtindewapeningsstaafdieviaschuifspanningen(aanhechtspanningen) bij het aanhechtoppervlak op de be-tonnencilinderwordtovergebracht. Derelatieveverplaatsing(slip) van de wapeningsstaaften opzichte van het omliggendebeton wordt nu aan het onbelaste staafuiteinde met een in-Een goed ontworpen betonmengsel is voldoende impermea- ductieve opnemer (A) gemeten.bel voor de toepassing als opslag van vloeibaar aardgas (LNG) r--~-~~-~~----~----~--"-----l[6]. Er is echter onvoldoende bekend over scheurvorming bijlage temperaturen, waardoor in bepaalde gebieden van debinnentank een hoge permeabiliteitzou kunnen ontstaan diede ontwerper dwingt een stalen liner toe te passen. Daaromwordt in het Stevinlaboratorium van de TH-Delft experi-menteel onderzoekverrichtnaar scheurvormingbij lage tem-peraturen. Omdat de aanhechting tussen wapening en betoneenvande belangrijksteeigenschappenisdie scheurafstandenscheurwijdte bepalen, wordt metbehulpvaneenzogenaamdeuittrekproef (pull-out test) de aanhechting onderzocht. stalen binnenwand voorgespannen betonnen binnenwandTevens zijn de mechanische eigenschappen en de thermische 1---D~u-b-be-1-w-a-n-di-g-e-ta-n-k-c-o-ns-tr'-:-u-c-ti~e-;b-i-n-n-en-w~an-d:-v-a-n-s-t~aa--:l----lvervorming als functie van temperatuur onderzocht. 1 ofvan voorgespannen betonGas wordt tegenwoordig bij voorkeur opgeslagen invloeibarevorm bij atmosferische druk. Daarom wor-? den gassen gekoeld tot hun kookpunt.Bij aardgas ligthet kookpunt op circa -162?C; het volume in vloeibare vormneemt dan af tot circa 1/600 van het originele gasvolume.Aldus is het mogelijk om grote hoeveelheden aardgas op teslaan. Deze opslag vindt plaats in dubbelwandige tank-con-structies. Vaak bestaat de buitenwand uit voorgespannenbetonenis de binnenwand uitgevoerd in chroo:t;n-nikkelstaal.Tussen de beide wanden bevindt zich de isolatie. Diverse sys-temen worden besproken in [1,2]. Met waarschijnlijk als be-langrijkste motief het uitschakelen van het belastinggeval'zipping' [3], zijn er tanksystemen ontwikkeld met binnen-tanks in voorgespannen beton (fig. 1)[4]. Ter verzekering vande vloeistof- en gasdichtheid wordt de betonnen binnentankvoorzien van een stalen liner. Het is echter de vraag ofde toe-passingvan eenliner noodzakelijkis15,6].Belangrijkisdateenvoorgespannenbetonnenbinnentanknietlekt. Omditdoel tebereiken moeten 3 invloedsfactoren in beschouwing wordengenomen.1. de permeabiliteit van het beton [6,7];2. scheurafstand en scheurwijdte;3. scheurdiepte18 Cement 1986 nr. 80,6275 kg/m320,4400portlandBriviergrind, 16 mmvolgens FullerTabel 1MengselsamenstellingmengselTabel 2 Sterkte van beton bij kamertemperatuurregelmatig te laten verlopen wordt gebruik gemaakt Van eenmeet~ en regelsysteem gestuurd door een microcomputer.De temperatuur in het koelvat wordt gecontroleerd met eenthermokoppel (weerstandselement) envergeleken met de in-gestelde waarde. Deze waarde wordt berekend aan de handvan de opgegeven afkoelsnelheid per minuut. Indien nodigwordt een klep geopend zodat vloeibare stikstofingespotenwordt op een draaiende ventilator die zorgdraagt voor eengoede verneveling en menging in het koelvat. Op deze wijzeontstaateencontinu procesvan openenensluitenvan de klep,Waarmee de stikstoftoevoer en dus de ~emperatuurwordt ge-regeld (fig. 3). Om een temperatuurwisselbelasting mogelijkte maken is een verwarmingsspiraal om de ventilator aange-bracht. Op vergelijkbare wijze als beschreven onder het koel-proces kan nu ook de verwarming geregeld worden.wcfcementgehaltecementtoeslagmateriaalzeeflijnmengsel 28 dagen 90 dagen nabehandeling!cern fctm !cern fctrn63,0 3,5 69,5 3,7 nat*59,2 3,4 64,3 3,5 droog(50% RV)2 42,4 2,8 48,6 3,1 nat*37,7 2,6 44,7 3,0 droog(50% RV)!cern ~ gemiddelde kubusdrukdruksterkte (N/mm2)!crrn ~ gemiddelde splijttreksterkte (N/mm)*zowel waterverzadigd als ingepakt betonbenaming proefopstellingA- inductieve opnemerB - elektro motor met schroefC - toevoer stikstofgasD- koelvatE" invar stalen buisF- proefstukG - inductieve opnemerH - bekkenI - kogelscharnierJ - moerK - drukdoosL -inductieve opnemerH IFD..? I, .! J, ., I, .LGA.~~--tJII+--~--t+-E2 Overzicht van proefopstelling3 Schematische weergave van het koelprocesDe proef wordt echter bij extreem lage temperaturen uit-gevoerd, om welke reden de (gevoelige) opnemer (A) buitende koelbox op een dilatometer (E) is geplaatst. Deze dilato-meter bestaat uit een pijp en een inwendige pen, beide ver-vaardigd van een vrijwel temperatuur ongevoelige nikkel-staallegering (invar). De pijp wordt op de betonnen cilinderen de pen op het onbelaste staafuiteinde geplaatst.De gemeten verplaatsing tussen de stalen pijp en pen is nu ge-lijk aan de relatieve verplaatsing (~es) tussen de wapenings-staafen het omliggende betonKoelprocesLage temperaturen kunnen worden bereikt door gebruik temaken van vloeibaar stikstofmet een kookpunt van -196 oe.Door een bepaalde hoeveelheid stikstofin het vacuum ge?so-leerde koelvat te spuiten ontstaat een mengsel van lucht enstikstofdamp en is elke temperatuur tussen circa +20 ?C en-196?C bereikbaar. Om het afkoelproces gecontroleerd enOnderzoek variabelenDe temperatuur is de primaire variabele die wordt onder-zocht, teweten +20, -40,-80,-120en-165 oe.Uitexperimen-ten samengevatin een literatuurstudie werd gevonden dat bijtemperatuursverlaging vooral de hoeveelheid vrij Water inbetonde grootste invloed uitoefentop de sterkteendevervor-ming. Daarom zijn als variabelen gekozen de water-cement-factor, respectievelijk 0,4 en 0,6 en de nabehandeling vanhetbeton.Zowordendrieverschillende nabehandelingen onder-zocht:1. waterverzadigd beton; het beton wordt na ontkisten onderwater bewaard, alle pori?n zijn gevuld met water.2. beton ingepaktin aluminium folie (sealed), zodatde initi?lehoeveelheid water min ofmeer constant blijft;door hydra-tatiekrimp zullen niet alle pori?n geheel metwater zijn ge-vuld.3. luchtdroogbeton, direct na ontkisten bewaard bij een rela-tieve vochtigheid van 50% en 20?C; afhankelijk van porie-grootte zijn er lege pori?n.Cement 1986 nr. 8 19ONDERZOEK BETONTECHNOWGIE04.8% a 5.5%o 4.4% 0 4.5%V 4.1% b. 3.7%. . . . . . . . . (2A)1Fro,.,..-"--=--..r.::o--''''''''-::-''-cl-~-------I1-----"- Goto/Miur.Rost0...._._ ~ ....... grens 0sy ~ 471 N/mm2en de breuksterkte 0su ~ 518 N/mm24 ". ',-: :-:~(waarden door fabrikant :.\rbed' opgegeven).Bij verlaging van2de temperatuurneemtde sterkte toe, terwijl de rekbij bezwij-ken (A5) afneemt [16] (fig. 7).0-165 -120 -80 -40 Een belangrijke parameter bij het aanhechtonderzoek is het-180 -140 -100 -60 -20 0 +20 relatieve riboppervlak.k, het quoti?ntvan de gemiddelde rib-temperatuur [oCI hoogte en ribafstand en in dit geval gelijk aan 0,076.5Gemiddelde ~plijttreksterktevoor mengsel 1 met een vloeigrens IN/mm') breukrek (A5) 1%130water-cementfactor 0,4 850 ----- -- - 28---- - breukrekfctm [N/mm2]800 268:.~AR2412 750mix 2 m 22j;nterverzadigd C> 5.5'1. 700 2010 ingepakt 4.5'1. ~R.V. 50% t:>. 3.7% 650 1860~./ /~ ... ~-80?C....._40?C40-0.8 r- J V~:-'/'1//,/~ r,.~..-- .20?C-1.2 ~ ~""-:'"".-r' 30~ ~,r/~-1.6 ,,~ .;' , _ krybar wapening - -..,"",. ..___.woterverzadigd20-2.0 -' ___ infplie;R.V.50%;beide wef'I-180 -140 -100 -60 -20 +20temperotuur lOC) 108 Thermische vervorming van wapeningsstaal en beton 0als functie Van de nabehandeling 0 .25 .5 .75 1 1. 25 1.5f:,. [mm]water-cementfactor en!ofafkoelsnelheid geeft een frotere9 Relatie tussen aanhechtspanning en -verplaatsing voorexpansie. Bij verwarming van het gekoelde proefstu blijkt ingepakt beton, mengsel 1eenblijvende vervorming bij kamertemperatuurop te treden,t cs [N/mm2]veroorzaakt door inwendige scheurvorming [10]. 60 Mix 2 I> splijlbreukw.d =0.6 o afschuitbreukverpakt in folie o vloei~nstaalAanhechtgedrag50 -140 ?c -165 ?c""~120'C -80'CHet aanhechtgedrag is onderzocht met een uittrekproef. Dit 40 -40 'cgedrag kan weergegeven worden door de relatieve verplaat-h[/v