IONDERZOEK IHECHTING TUSSEN STAAL ENBETON IN CRYOGENEOMSTANDIGHEDENir.L.Vandewalle, Katholieke Umversiteit LeuvenDe hechting tussen staal en beton onder zeer lage temperaturen is sterkbepalend voor de toepassing van gewapend beton voor LNG-tanks. Ookbij de Katholieke Universiteit te Leuven wordt het hechtingsgedragonderzocht; met name de invloed van de temperatuur en debewaaromstandigheden van de proefstukken. Nadat vorige maandresultaten van Nederlands onderzoek op dit terrein zijn gepubliceerd,komt nu de Leuvense universiteit aan het woord.Schetna van de proefopstellingBelangrijkste pluspunt van de beam testis dat deze proefmethode een goede be-nadering is van een balk in werkelijk-heid. De redenen hiervoor zijn enerzijdsde vervormingsgradi?nt van de dwars~doorsnede in functie van de hoogte vande balk en anderzijds de betondekking30, het staal reeds begint te vloeienvooraleer de hechtingsbreuk zich voor-doet. Door de aanwezigheid van eenscharnierende verbinding in het mid-den van het proefstuk, ondergaat hetbalkje tijdens het belasten grote door-buigingen. Dit heeft tot gevolg dat destaaf ter plaatse van de scharnier tegenhet beton gaat drukken (fig. 2).Dedrukkrachtzorgtvooreenvertekendbeeld van de hechtspanningen die tij-dens de proefworden opgemeten. Omdittevermijdenwordttijdens de uitvoe-ring vande proef, de staafter plaatseVande scharnier via een speciaal daartoevoorzien mechanisme op z'n plaats ge-houden (fig. 3).1I 3g I150(Do75 IProefopstellingDe hechting tussen staal en beton wordtbepaald door middel van een beam test.Een schets van de proefopstelling is ge-geven in figuur 1.De hechtingslengte tussen staalen betonbedraagt 30. Uit beam testen, uitge-voerd bij lage temperaturen, hlijkt datindien de hechtingslengte groter is danDe resultaten, besproken in dit artikel,hebben betrekking op de invloed van delaatste twee genoemde parameters.voudige structuurelementen (beamtest).In dit project wordt de invloed van devolgende parameters op het hechtings-gedrag tussen staal en betononderzocht:1. betonkwaliteit;2. bewaaromstandighedenvande gego-ten proefstukken;3. temperatuur waarbij de proefwordtuitgevoerd.Een goede hechting tussen wapening enbeton is vereist opdat deze twee mate-rialen optimaal kunnen samenwerken.De hechting tussen staal en beton is bij-gevolg ??n van de meest essentide ei-genschappen die de sterkte en het ver-vormingsgedragvan eengewapende be-tonconstructie mogelijk. maken (bijv.verankeringen en overlappingen vanwapeningsstaven, scheurgedrag e.d.).De aanhechtsterkte is hoofdzakelijk af-hankelijk van de profilering van de wa- r""-----~-------~~~~-----------....,peningsstaaf en van de betonkwaliteit.De betoneigenschappen, dus ook dehechtspanning worden in belangrijkemate be?nvloed door de temperatuur.Vooral de hoeveelheid chemisch onge-bonden water speelt daarbij een groterol bij lage temperaturen.Met financi?le hulp van het NFWO(Nationaal Fonds voor Wetenschappe-lijk Onderzoek) werd de mogelijkheidgeboden een fundamenteel onderzoeknaar het gedrag van deze hechtspannin-gen bij lage temperaturen te starten. Hetlopende onderzoekprogramma in hetDepartement Bouwkunde van de Ka-tholieke Universiteit Leuven omvat destudie van de verbinding staal-beton bijzeer lage temperaturen en relatiefeen-Aardgas kan slechts op economi-. schewijze opgeslagenwordeninvloeibare toestand. Wenst menhet gas vloeibaar te maken bij atmosfe-rische omstandigheden, dan dient hetgas afgekoeld te worden tot -163?C(600 m3gasworden hierbij gereduceerdtot 1 m3 LNG, Liquified Natural Gaz).Dit betekent dat de materialen (gewa-pendenvoorgespannenheton,staal,iso-latiematerialen) waarmee de LNG-re-servoirs worden opgebouwd, kunnenworden hlootgesteld aan extreem lagetemperaturen.56 Cement 1986 nr. 942TestresultatenDebeam testwordtuitgevoerdwanneerhet beton een ouderdom heeft van 28dagen. De proefstukken worden na hetontkisten op drie verschillende manie-ren bewaard:proefstuk A:28 dagen bij +20 ?C en100%RVproefstuk B: 28 dagen bij +20 ?C en60%RVproefstuk C:14 dagen bij +20 ?C en100%RV14 dagen bij +105 ?C en60%RVDe temperaturen waarbij de beam testwordt uitgevoerd, zijn:+20 ?C, _40?C, -80 ?C, -120?C,-165 CC5 Instrumentatie van het proefstuk1. meetkasge waarin deverplaatsingsopnemer zich bevindt2. plaat die aan de proefstaafbevestigdis en waarmee het beweegbaar staafjevan de verplaatsingsopnemer in contactstaat3. klemsysteem4. bevestiging van het meetkasge aande balk5. steunpunt: 1300 kg550 kg: 400 kg: 1651: 0,413Te zamen met het balkje, bestemd voorde beam test, worden zes kubussen (200x 200 x 200 mm3) vervaardigd. Deze ku-bussen worden in dezelfde omstandig-heden, wat betreft temperatuur envochtigheid, bewaard als het balkje. Re-sultatenvandegemiddeldedruksterkte,gemetenop deze kubussen,zijnweerge-geven in figuur 7.BetonBetonsamenstelling (1 m3):grind 4-14zand 0~5cement HK 40 (hc-B)waterwcfo 04 Uitvoering van de proeven (beam? test) in een temperatuurtestkamervan de KU LeuvenDe testen in Leuven worden uitgevoerdin een temperatuurtestkamer (CRYO-SON Type TRA-lO) die speciaal ont-worpen is voor het uitvoeren van me-chanische testen (foto 4). De afkoelinggebeurt met behulp van vloeibare stik~stof.De hechtingsbreuk doet zichdoorgaansniet in beide halve balken gelijktijdigvan de wapening. Aan de TH-Delftwordteveneens onderzoekverrichtnaarde verbinding staal-beton bij zeer lagetemperaturen. Zij gebruiken echter de'pull-out test' als proefmethode. In eenlater stadium van het onderzoek zal hetmogelijk zijn de resultaten van d~ beideproefmethoden met elkaar te vergelij-ken.3 Details van het scharnier in hetproefstuk2 Ter plaatse van het scharnier zalhet balkje doorbuigen en de staaftegen het b~ton gaan drukkenMeetsysteemDe afschuiving vande staaften opzichtevan het beton wordt gemeten met be-hulp van een lineaire verplaatsingsop-I-------~ --~~-~--I nemer, type LVDT (linear variabie dif-ferential transformator). Het tempera-tuurgebied, waarin dit meettoestel ge-bruikt mag worden, bevindtzich tussenI-~--------------t -30?C en +70 0c.Aangezien de tempe-raturen, waarbij de beam testen wordenuitgevoerd, buiten dit temperatuurge- I-'-----~~----------lbied liggen, moet het meetsysteem tij-dens de uitvoering van de proefwordenverwarmd. Dit wordt gerealiseerd doorrond de verplaatsingsopnemer een hoe-veelheid zelfregelend verwarmin~slintFS-2X (Raychem) te wikkelen. (fig. 6).De omwikkelde verplaatsingsopnemerwordt vervolgens in een meetkastjes ge-positioneerd. Enkel het beweegbaarstaafje van de verplaatsingsopnemer,dat .I----~~-----------lviaeen opening in hetkastje naar buiten 6 Meetkastje metkomt, wordt onderworpen aan lage verplaatsingsopnemer1. zelfregelend verwarmingslinttemperaturen. 2. meetkastjeDit staafje staat immers in contact met 3. verplaatsingsopnemereenplaatsdieaandeproefstaafbevestigd 4. plaat die aan de proefstaafbevestigdis enzo de bewegingenvande staafvolgt. is en waarmee het beweegbaar staafjeHet meetkastje is bevestigd aan de balk van de verplaatsingsopnemer in contactzodat er effectiefeen relatieve verplaat- staatsingvande staaften 0,Bzichtevanhetbe- '-----~--~~---~----lI- ~ -; ton wordt gemeten (fig. 5). WapeningDe geteste wapening is TempcoreMaterialen BE 400 (0 25). De waarde fR (relatieveDe belangrijkste kenm~rken van de ge- oppervlakte van de ribben) van de staafL- ----' bruiktematerialenzijnhieronderweer- bedraagt minstens 0,065.gegeven.voor. Op het ogenblik waarop de af-schuiving van de halve staaf, waarvan.dehechting wordt verbroken, 3 mm be-reikt, wordt die halve staaf vastgehou-den door een klemtang die steuntop hetbeton en zodoende nieuwe afschuivin-gen belet. De klemtang, die tijdens deproevenwordtgebruikt, bestaat uittweehalve klemmen die via zes voorspan-I--~_--- ~~_~_-; bouten op de staaf worden gespannen.Deze klem heeft het voordeel opnieuwbruikbaar te zijn (fig. 5).Cement 1986 nr. 9 57ONDERZOEKRwm (N/mm 2 )? + ZO?C - 100% R.V.o -._.- + ZOoC - 60% R.V.14 dagen + ZO?C - 100% R.V.14 dagen +105?CTI'C)o+-;2'='0~-:!-~~~~--740::-~~~-~8:-0 ~~~--'712::0~~~~-_ '!':6:"5-(C)(B)(A)+ ZO?C-100% R.V.14 dagen + ZO?C - 100% R.V.14 dagen +105?C+ 20?C - 60% R.V.2010T ('Cl-165-120-80-40'5014013012011010090807060 ._.~____ J50403020100+207Gemiddelde druksterkte van dekubussen 8 Relatie tussen .aanhechtspanning'tO,OI (waarbij de slip gelijk is aan0,01 mm) en de temperatuur4014 dagen + ZO?C ~ 100% R.V.14 dagen +105?C+ ZO?C - 60% R.V.+ ZO?C - 100% R. V.(C)(B)(c)- - :14 dagen + Zo?c - 100% R.V.14 dagen +105?C+ ZO?C - 60% R.V.+ ZO?C-l00% R.V.(C)(B)(A)3020'0403020n'c)0+.J.2O"-~.f---'~~~-_4OJ.,...~~~-_~BO:--~~~_-f.12:::-0~~~~_~16c;:'5-n'c)0+~2:-0-~------l;40-=------::BO:------l~20::------~16'::5-9 Relatie tussen hechtspanning 'tO,1(hechtspanning waarbij de slipgelijk is aan 0,1 m) en de temperatuur10 Relatie tussen hechtspanning 'tI,O(hechtspanning waarbij de slipgelijk is aan 1,0 m) en de temperatuur58 Cement 1986 nr. 9De proefresultaten zijn voorgesteld inde figuren 8, 9 en 10. De gemiddeldehechtspanning t wordt bekomen doorde waardevande krachtinde staafte de-len door de oppervlakte van de staafdiein contact staat met het beton.De spanningen 'tO,OI' 'tO,I' 'tl,o zijn dehechtspanningen die overeenstemmenmet een slip van de staaf ten opzichtevan het beton van respectievelijk0,01 mm, 0,1 mm en 1,0 mmoUit figuur 8 volgt dat er geen duidelijkeafhankelijkheid is waar te nemen tussenenerzijds 't0,Ql en de testtemperatuur enanderzijds 't0,Ql ende bewaaromstandig-heden van het proefstuk. Zoals blijkt uitfiguur 9 en 10 kan dit niet gezegd wor-denvoor'tO,1 en'tI,o.Deze beidegroothe-denzijnzowel eenfunctie van devocht-toestand Van het beton als van de test-temperatuur.Watbetreftde invloed van de vochttoe-stand van het proefstuk (~ resultaat vanz'n bewaaromstandigheden), stelt menvast dat hoe hoger het vochtgehalte vanhet beton is, des te groter worden zowel'tO,1 als 'tl,o.De invloed van de testtemperatuur op'tO,1 en 'tl,o kan als volgt beschreven wor-den:'tO,1 (fig, 9)Tussen +20 oe en -120 oe neemt 't0,1metbijna 11O%toe{proefstukA,BenC).Rond -120 oebereikt'to,1 zijn maximalewaarde omvervolgens bij temperaturenlager dan -120 oeweer lichtjes afte ne-men inwaarde, Rond -115?Cveranderthet ijs immers van kristalstructuurwaardoor zijn volume met ca. 20% af-neemt. Hierdoor komt het ijs los van depori?nwand waardoor het minderkracht kan opnemen.'tI,O (fig. JO)Tussen +20 oe en -120 oe neemt 'tl,omet zowat 120% toe voor proefstuk A.95% voor proefstuk B en 70% voorproefstuk C. Rond -120 oe bereikt 'tl,o,in analogie met 'tO,1 zijn maximale waar-de. Bij temperaturen lager dan -120 oeneemt de waarde Van 'tl,o af voor deproefstukken A en e en voor de proef-stukkenB blijftdewaarde van 't1,0 nage-noeg constant.Elk proefstuk is bezweken door hetsplijten van de betondekking ter plaatsevan de contactzone tussende staafenhetbeton. Foto 11 toonteen typisch scheur-patroon Van de onderzijde van het balk-je.ConclusieDe hechtsterkte tussen staal en betonstijgt zowel met toenemend vochtge-haltevan hetbetonals metdalendetem-peratuur. Het bezwijken van het proef-stuk wordt steeds veroorzaakt door hetsplijten van de betondekking.In de hoop een beter inzicht te krijgen inde fenomenen die de hechting tussenstaal en beton en bijgevolg ook het ver-loop van de reeds bekomen curven (fig.8-10) bepalen, is een proefprogrammagestart waarin de druk- en splijttrek~sterkte van beton worden bepaald in re-latie tot de vochttoestanq en testtempe-ratuur.Literatuur1. W. Lismont, 1. Van den Bossche,HechtingVan staal en beton in cryogeneomstandigheden, afstudeerwerk KULeuven, 19832. L. Vandewalle, F. Mortelmans, Inves-tigation of the bond stress between areinforcement bar and concrete undercryogenic conditions; Second Interna-tional Conferenceon cryogenicconcre-te, Amsterdam, oktober 19833. L. Vandewalle, Het gedrag Van betonen staal bij zeer lage temperaturen;Technivisie 19844. L. Vandewalle, F. Mortelmans, Inves-tigation of the bond strength betweenconcrete and reinforcemenet at cryoge-nic temperatures; International Sympo~sium 'Transportand StorageofLPGandLNG', mei 198411Typisch scheurpatroon aan deonderzijde van een balkjeCement 1986 nr. 9 59