O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2003 868Op het grijze gebied van het jongebeton wordt aan de TU Delft alsindsjarenonderzoekverricht[1],vooralopdeontwikkelingvanma-teriaaleigenschappen en op defactoren die de spanningsont-wikkeling bij verhindering van devervormingen be?nvloeden. Eenbelangrijk doel was ook een be-trouwbaar scheurcriterium op testellen om de kans op scheurvor-ming te kunnen voorspellen.Scheurvorming in jong beton kanhet gevolg zijn van eigenspannin-gen door temperatuurverschillenin een betondoorsnede of vanspanningen door uitwendige ver-hindering van de vervormingenvan een betonelement. Voor hetbepalen van de kans op scheur-vorming zijn in het verleden tem-peratuurcriteria opgesteld. Tem-peratuurverschillen in een door-snede zouden niet groter mogenzijn dan 15 ?C; tussen twee aan-sluitende delen van een construc-tie niet groter dan 20 ?C. Met dittemperatuurcriterium is de kansop scheurvorming niet altijd goedte beoordelen, omdat het onge-voelig is voor verhinderingsgra-den en autogene krimp.Meer potentie heeft een sterkte-criterium. Uit proeven in de zoge-Het effect van wapening op descheurvorming in verhardendhogesterktebetondr.ir. M.S. Sule, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkundeprof.dr.ir. K.van Breugel, TU Delft, faculteit CiTG, sectie Betonconstructiesdr.ir. C. van der Veen, TU Delft, faculteit CiTG, sectie BetonconstructiesHogesterktebeton (HSB) wordt steeds vaker toegepast; niet alleen uit oogpuntvan sterkte, maar ook vanwege duurzaamheidaspecten. Een punt van zorgwas tot nu toe de bijzondere scheurgevoeligheid van HSB in de verhardings-fase, veroorzaakt door autogene krimp. Toch blijkt uit de praktijk dat dezezorg, die met name op proefresultaten van ongewapende proefstukken isgebaseerd, onterecht is.Tweede Stichtse BrugO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2003 8 69naamde Temperatuur-Spannings-Test-Machine (TSTM) (fig. 1, foto2)enuitparameterstudiesmethetprogramma TEMPSPAN, bleekdat de spanningen 50% van de ge-middelde treksterkte bereiken ende veiligheidsfactor volgens hetprobabilistische criterium 1,1 be-draagt. Het defini?ren van zo'nsterktecriterium is alleen zinvolals betrouwbare spanningsbere-keningen kunnen worden ge-maakt, waarin alle belangrijke in-vloedsfactorenzijnverdisconteerd.Dit is nog niet altijd mogelijk.S c h e u r v o r m i n g i nh o g e s t e r k t e b e t o nDe temperatuurontwikkeling inverhardend beton is weergegeveninfiguur3.BijHSBwordtdekansop scheurvorming niet alleen be-paald door temperatuureffecten,maar ook door autogene krimp.Dat betekent dat als bij een proefde vrije vervorming wordt geme-ten, HSB door de additioneleautogene krimp (cas, fig. 4) meerzal vervormen dan beton metnormale sterkte (NSB), dat voor-namelijk aan temperatuurvervor-mingen is onderworpen (cT, fig.4).Bijvolledigeverhinderingwor-dendaardoormeerspanningeninhet beton gegenereerd en wordtde treksterkte sneller bereikt (fig.5). Om deze reden staat HSBbekend als bijzonder scheurge-voelig.Bij de bouw van de Tweede Sticht-se Brug werd het betondek inHSB uitgevoerd en bleken erminder scheuren te ontstaan danwas voorspeld [2]. De vraag wastoen welke factoren nog meervan invloed zouden kunnen zijnomeenvoorspellingvandescheur-gevoeligheid,eninditgevalvooralvan het aantal scheuren, nog be-trouwbaarder te kunnen maken.Het lag voor de hand eerst heteffect van wapening op de scheur-vorming tijdens het verhardente onderzoeken. Hiervoor is ge-bruikgemaakt van dezelfde ma-chine als toegepast in het eerdergenoemde onderzoek [1] naar despanningsontwikkeling in de ver-hardingsfase: de TSTM. In dezemachine werden de vervormin-gen van gewapende proefstukkenvolledig verhinderd en werdende krachten die daarvoor nodigwaren, gemeten. De proefstukkenwaren gewapend met verschil-lende wapeningsconfiguraties en-percentages. Naast proeven metHSB zijn ook nog enkele proevenop NSB uitgevoerd.A a n h e c h t s t e r k t eNaast de spanningsontwikkelingin gewapende proefstukken werdtevens de ontwikkeling van deaanhechtsterkte tijdens het ver-harden beschouwd [3]. Op basisvan gestandaardiseerde pull-outproeven op verhardend beton koneen aanhechtformule worden af-geleid, die zowel de t--relatie(aanhechtspanning-verplaatsing)voor verhardend HSB (fig. 6), alsvoor verhardend NSB beschrijft(fig. 7):b() = 4,8 0fcm() 3,6 o(1)waarin:b() is de aanhechtspanning inbeton als functie van hydra-tatiegraad ;0is de kritieke hydratatie-graad, die aangeeft hoeveelhydratatie er moet plaats-hebben voordat de sterkte-ontwikkeling op gangkomt;fcmis de gemiddelde kubus-druksterkte als functie vande hydratatiegraad .Op basis van proeven is voor HSB0= 0,1 en voor NSB 0= 0,15 ge-vonden. Vergelijking (1) houdtmeetstaven wapeningstaafLVDT'sisolatiecilinderdrukdoosbekken750LVDT's1-2 | Temperatuur-Spanning-Test-Machine(TSTM)3 | Temperatuurontwikkeling in verhardendbetonTN1: eerste nul-spanningstemperatuurNSBTN2: tweede nul-spanningstemperatuurNSB4 | Vrije vervorming van verhardend HSBen NSBcT: temperatuurvervormingencas: autogene krimp5 | Spanningsontwikkeling in verhardendHSB en NSB bij verhinderde vervormingO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2003 870beter rekening met de snelle ont-wikkeling van de materiaaleigen-schappenvanHSBdan--relatiesdie tot nu toe worden toegepast,zoals [4]:b() = 0,31 fcm() 0,3(2)Het resultaat is een besparing van10% van de minimum-wapeningdie nodig is om scheuren dietijdens het verharden van HSBontstaan, te beheersen [3].E f f e c t v a n w a p e n i n g o ps p a n n i n g s o n t w i k k e l i n gFiguur 8 toont de gemeten krach-ten in HSB tijdens proeven in deTSTM.Figuur8atoonthetscheur-gedrag van proefstukken met vierwapeningstaven in de hoeken vande doorsnede, in vergelijking methet gedrag van een ongewapendproefstuk. Figuur 8b toont hetscheurgedrag van proefstukkenmet ??n staaf in het hart. Het valtop dat zodra scheurvorming op-treedt, dit in het geval van onge-wapende proefstukken leidt tot??n doorgaande scheur. In proef-stukken waar vier wapening-staven in de hoeken van de door-snede waren geplaatst, kondenmeerdere kleine, ondiepe scheu-ren ontstaan. De reden hiervoor isde scheurverdelende werking vande wapening voordat scheurloka-lisatie optreedt en het proefstukdoorscheurt. De totale vervor-mingscapaciteit van een op dezewijze gewapend proefstuk wordtdaardoor vergroot. Proefstukkenwaar ??n staaf in het centrumvan de doorsnede was geplaatst,scheurden op dezelfde abruptemanier als ongewapende proef-stukken.Evenalsinverhardbeton,lijken scheuren beter te wordenverdeeld als meerdere wapening-staven met kleine kenmiddellijnworden toegepast, in plaats vanweinig staven met grote kenmid-dellijn, met hetzelfde wapenings-percentage.Op basis van de proeven kan wor-den geconcludeerd dat het beoor-delen van de scheurgevoeligheidvan gewapend-betonconstructiesop basis van het gedrag van onge-wapende proefstukken, leidt toteen overschatting van de kans ophet ontstaan van grote doorgaan-de scheuren. Uit de proeven blijkttevens dat het effect van de wape-ningsconfiguraties op het scheur-gedrag hetzelfde was voor NSB enHSB.S c h e u r c r i t e r i u mOm het effect van wapening ophet moment van doorscheuren tekwantificeren, is de `vervormings-toenamefactor'crge?ntroduceerd[3]:cr, ongewapend+ cr, gewapendcr= ____________ = _________cr, ongewapendcr, ongewapendDeze factor geeft aan hoeveel ex-tra vervorming een gewapendproefstuk zou kunnen ondergaanten opzichte van een ongewapendproefstuk, omdat het bij volledigeverhindering op een later mo-ment (+t) doorscheurt (fig. 9).Uit de experimentele data verkre-gen op HSB-proefstukken metvier wapeningstaven volgt dat de-ze factor een gemiddelde waardevan 1,85 heeft. Voor de praktijkbetekent dit dat de beoordelingvan de scheurgevoeligheid opbasisvaneenspanningscriteriumte conservatief is voor vergelijk-bare gewapende HSB-construc-ties. Hierbij is aan wegdekken,vloeren, brugdekken enz. te den-ken. In een spanningscriteriumzou de kritieke maximale span-ning gelijk zijn aan 70% van de8 | Spanningsontwikkelingin HSB-proefstukken,gewapend met vier (a)en ??n (b) wapenings-staaf6 | Aanhechtspanning-verplaatsingrelatie vanverhardend HSB7 | Aanhechtspanning-verplaatsingrelatie vanverhardend NSBO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB eto nte ch n o l o g i ecement 2003 8 71korteduurtreksterkte op het mo-ment van scheuren. Als de trek-sterkteopdatmoment3,8N/mm2zou bedragen, wordt de maximalespanning bij 2,66 N/mm2bereikt.Bij een E-modulus van 38 000N/mm2van HSB kan dan eenmaximale rek van 66 ? 10-6wordenopgenomen. In gewapende con-structieszoudemaximalerek1,85keer zo groot zijn, dus 122 ? 10-6voordat een doorgaande scheurzou ontstaan.Dit is in principe ook bij de bouwvan de Tweede Stichtse Brug ge-observeerd. De maximale scheur-wijdte werd met een berekendewaarde van 0,16 mm versus 0,17mm gemeten, goed voorspeld.Het aantal scheuren dat op hetbrugdek werd geteld was 7, terwijl13 scheuren waren voorspeld. Ditgeeft aan dat de rekcapaciteit vanhet gewapende brugdek ongeveer1,86 keer groter was dan was voor-speld. De oorzaak hiervan ligt inde scheurverdelende werking vande wapening en in het in werke-lijkheid betere aanhechtgedragvan verhardend HSB dan tot nutoe werd aangenomen.C o n c l u s i e sDoor het toepassen van de `ver-vormingstoenamefactor' kan zo-wel de kans op doorscheuren alshet aantal scheuren van gewa-pende HSB-constructies als weg-dekken, brugdekken enz. re?lerworden ingeschat. Voor de prak-tijk betekent dit, dat in sommigegevallen bijvoorbeeld minder ge-koeld hoeft te worden. Voor HSB-constructies die toch al zwaar ge-wapend moeten worden uitge-voerd, zou dit betekenen dat dekansopdoorscheurenlagerisdaninschattingen op basis van con-ventionele ontwerpregels, ofwelop basis van het gedrag van onge-wapende proefstukken, doen ver-moeden.Als het gaat om het controlerenvan scheuren die tijdens het ver-harden ontstaan, kan op basis vaneen nauwkeuriger beschrijvingvan de ontwikkeling van het aan-hechtgedrag tot 10% van hetminimum-wapeningspercentageworden bespaard.T e n s l o t t eHetonderzoeksproject`Heteffectvan wapening op scheurvormingtengevolge van temperatuureffec-ten en autogene krimp in verhar-dend beton' werd financieel on-dersteund door de Stichting voorde Technische Wetenschappen(STW) en de Bouwdienst Rijks-waterstaat. De experimenten zijnverricht in het Stevinlaboratori-um van de TU-Delft. Een hartelij-ke dank gaat naar de heer A. vanRhijn voor zijn inzet bij dit pro-ject. L i t e r a t u u r1. Van Breugel, K., et. al., Hetgrijze gebied van het jongebeton I t.m. VI. Cement 1995,nr. 12 en 1996, nrs. 1 t.m. 5.2. Gall, G.W., Krimp- en tem-peratuureffecten in HSB-uitbouwbruggen. Afstudeer-rapport nr. 581, TU Delft,1997.3. Sule, M., Effect of reinforce-ment on early-age crackingin high strength concrete.Dissertatie, TU Delft, 2003.4. K?nig, G. en Tue, N.V.,Grundlagen und Bemes-sungshilfen f?r die Ri?brei-tenbeschr?nkung im Stahl-beton und Spannbeton.Deutscher Ausschuss f?rStahlbeton, Heft 466, 1996.9 | `Vervormingstoename' door wapening