IVE~INBETON IKUNSTSTOFVEZELS IN BETONprof.dr.].Bijen, Intron BV, Sittard en TU Delft, faculteit der Civiele TechniekHet oudste en meest succesvolle toegepaste wapeningsmateriaal voor beton is staal.Bij de opkomst van kunststoffen, die in het algemeen evenals staal een hogetreksterkte hebben, lag het voor de hand om ook met deze materialen te trachtenbeton te versterken. Nu is er ten aanzien van de mechanische eigenschappen vanstaal en kunststoffen een belangrijk verschil: kunststoffen zijn veel minder stijfdanstaal. Daardoor is het effect van wapenen van beton met kunststoffen anders danmet staal. In dit artikel een overzicht van de diverse kunstvezels die geschikt zijnvoor beton en een beschrijving van de invloed die deze vezels kunnen hebben op deeigenschappen van betonspecie en beton.Voor het wapenen van betonmoeten kunststoffen naast eenhoge sterkte toch een zekereminimale stijfheid hebben. Deze stijf-heid mag weliswaar wat lager zijn dandie van beton, maar dient toch voor eensuccesvolle wapening in het :JJgemeenniet meer dan een factor 2 ? 3 lager teliggen.Kunststoffen kunnen een dergelijkestijfheid verkrijgen wanneer de poly-meermoleculen 'in lijn' worden ge-bracht. Dat geschiedt bij het maken vanvezels. Hierbij nemen zowel de trek-sterkteals de stijfheidindevezelrichtingtoe.Hetwapenenvan beton met behulp vankunststofvezels heeft de laatste decenniagrote aandacht gekregen. Daarbij zijnverschillende ontwikkelingen te onder-kennen.Dunwandige kunststofoezel-versterkte ce-mentproduktenDeze ontwikkeling is vooral ge?nitieerddoor gezondheidsproblemen met de as-bestvezel, waardoor asbestcement vande markt gaat verdwijnen. Kunststofve-zels spelen een belangrijke rol bij hetvervangen van asbestvezels in asbestce-ment. Het betreft zowel het vervangenvan de asbestvezels op 'conventionele'asbestcementmachines (Hatcheck- enMagnani-machines) maar ook alterna-tieve processen zoals bijvoorbeeld hetNetcem-proces,waarbij gebruiktwordtgemaakt van netwerken of matten vankunststofvezels. Bij de ontwikkeling vanhet Netcem-proces heeft DSM een be-langrijke rol gespeeld. Het gaat hierbijniet om beton, maar om pure cement-steen of cementmortels die versterktworden.86Tabel 1Eigenschappen van vezels voor beton [1,2]diameter volumieke elasticiteits- treksterkte rek bijmassa modulus breuk(!lm) (kg/m3) (kN/mm2) (N/mm2) (%)gefibrilleerdpolypropeen25-600 900 1-8 300-400 8,0Krenit polypropeen 30-200 900 9-19 500-700 6,0polyacrylnitril(Dolanit D-VF11)52-104 1180 14-18 410-710 6,0-9,0KoolstofPAN 7,0-9,7 1750-1950 250-390 2200-2700 0,5-1,0KoolstofPITCH 18 1600 30-32 600-750 2,0-2,4Polyvinylalcohol 10 1300 36 1470(Kuralon)-----------------------------------------------------------Polyaramide(Kevlar)11,9-12,4 1390-1440 77-125 2800-3600 2,2-4,2StaalBeton5-500 78402450Alternatieve wapenings- en voorspanstavenTe noemen vallen onder meer Tensar-grids als vervanging van krimpwape-ning en de ontwikkeling van voorspan-staven op basis van zeer sterke en stijvevezels zoals polyaramidevezels doorAKZO/HBG (Arapree), koolstofvezelsen andere.Vezelgewapend 'normaal' betonVezelsworden inbetongemengdop on-geveer een zelfde wijze als dat bij staal-vezelbeton gebeurt, waarbij gebruikwordt gemaakt van conventionele be-tonsamenstellingen en vervaardigings-wijzen. Het verschil met dunwandigematerialen is dat met het oog op de ver-werkbaarheid het vezelpercentage inhet algemeen minder dan 1%is, terwijl20045-60500-2000 0,5-3,52-4 0,02bij de dunwandige materialen hogerevezelpercentages gebruikelijk en nodigzijn.Daarnaastzijn er nog nieuwe ontwikke-lingen met vezelversterkt beton zoalshet SIFCON (slurry infiltrated fibreconcrete), waarbij een vezelpakket meteencementslurrywordtge?mpregneerd(vergelijk Colcrete of Prepakt), waar-door hogere vezelpercentages kunnenworden bereikt.Dit artikel zal worden beperkt tot 'con-ventionele' betonvervaardigingstech-nieken, waarbij beton versterkt wordtdoor het inmengen van kunststofvezels.Voor de ontwikkeling van dunwandigeprodukten op basis van vezelversterktCement 1991 nr. 51 Vezel van verstrekte gefibrilleerde polypropeenfoliea. gesloten (zoals geleverd)b. geopend (bij mengen)2Detailopname van fibril van vezel van verstrektegefibrilleerde polypropeenfoliecement wordt verwezen naar [1,2]; bo-vendien komt deze toepassing als gevel-element, evenals de voorspanstaven el-ders in dit themanummer aan de orde.Achtereenvolgens zullen worden be-schouwd de soorten vezels welke wor-den toegepast, de principes van vezel-wapening, de effecten van kunststofVe-zels op beton in de plastische en de ver-harde fase, alsmede de duurzaamheidvan met kunststofVezels gewapend be-ton. Tenslotte zal aandacht worden be-steed aan enige toepassingen.VezelsoortenDe belangrijkste kunststofVezels voorhet versterken van beton, binnen de indit artikel gestelde beperkingen met be-trekking tot de betonsamenstelling enhet inmengen van vezels, zijn polypro-peen, polyacrylnitril, koolstofVezels enpolyvinylalcoholvezels, in volgorde vanafnemend gebruik. In tabel 1zijn enkeleeigenschappen van deze kunststofVezelsopgenomen. Volledigheidshalve zijnook eigenschappen van polyaramideve-zels opgenomen. Dezelaatste kunststof-vezel heeft uitstekende karakteristiekenvoor de versterking van beton, maarkomtvoornamelijk door de hoge kostenvoor mengen in beton niet in aanmer-king.De generieke benaming van een kunst-stof, bijvoorbeeld polypropeen, zegtmaar heel weinig over de 'performance'van een vezel in beton. Van essentieelbelang voor de werking van vezels is demogelijkheid van spanningsoverdrachttussen vezel en beton. Bij kunststofVe-zels is er in het algemeen geen sprakevan hechting in de zin van een chemi-sche binding. Op zichzelf behoeft ditnietdirect een probleem te vormen. Im-Cement 1991 nr. 5mers ook staalvezels en wapeningsstaalhebben geen chemische hechting methet omringende beton en ook rivier-grind enzand zijn maarzwak met de ce-mentsteen verbonden.De spanningsoverdracht vindt voor eenbelangrijk deel op mechanische wijzeplaats. In dit verband zijn de veranke-ringsmogelijkheden voor de kunststof-vezels inhetbetonvangrootbelang. Tenopzichte van een materiaal als staal is ditbij kunststoffen inhet algemeen nog be-langrijker. Dit is het gevolg van de tenopzichte van beton hoge dwarscontrac-tie van kunststoffen. Nadat de matrixgescheurd is, moeten devezels de scheu-renkunnenoverbruggen. Dedwarscon-tractie van de vezels bij de verhoogdespanningen in de vezel na breuk van dematrix, leidt ertoe dat de vezels als hetware losser in de matrix komen te lig-gen. Bij staal met zijn hoge stijfheid enlage Poisson-constante, welke overeen-komt metdie van beton, is dit effectveelgeringer. Een goede mechanische ver-ankering van de kunststofVezels is daar-om van essentieel belang om, nadat hetbeton gescheurd is, de spanningsover-dracht tussen betonenvezel tewaarbor-gen.PolypropeenvezelsBij de polypropeenvezels blijkt dit hetbest te kunnen geschieden door gebruikte maken van gefibrilleerde polypro-peenfolies. (N.B.: de namen polypro-peen en polypropyleen worden in Ne-derland beide gebruikt.) Bij dit procesworden foliebanden (tapes) gestrekt,waardoor er een ori?ntatie van de poly-meerketens plaatsheeft in de strekrich-ting. Als gevolg hiervan nemen stijfheiden sterkte in lengterichting toe en blijktin dwarsrichting gemakkelijk splijtingop te kunnen treden. Hierdoor ontstaanals het ware fibrilpakketjes, die indwarsrichting slechts los verbondenzijndoor overbruggende fibrillen (foto 1).Deze gefibrilieerde vezels worden ookwel 'collated fibres' genoemd, omdathet lijkt alsof losse fibrillen aan elkaarzijn geplakt. Bij mengen kunnen de fi-brillen gemakkelijk los scheuren, waar-door er een homogene verdeling van defibrillen in het beton tot stand kan ko-men. De losliggende fibrillen hebbenweer zijtakken, als hetware losse draad-jes (foto 2),waardoor deverankeringver-der wordt verbeterd.Bij deze fibrillen is het zeer moeilijk dedimensies aan te geven. In het algemeenloopt de diktevan de gefibrilieerde folieuiteen van 15 tot 100 J-lm, terwijl debreedte van de fibrillen 100 tot 600 J-lmdikkunnenzijn. Geziende grilligheid inde dimensies van de fibrillen wordt ookwel het specifiek oppervlakgegeven; ditblijkt 80 tot 600 mm2/mm3te zijn.De gefibrilleerde polypropeenvezel isverreweg de meest gebruikte kunststof-vezel in conventioneel beton.Met de ontwikkeling van deze gefibril-leerde vezel is begonnen door onzelandgenoot Zonsveld, die reeds in deja-ren zeventig de mogelijkhedenvan dezevezel ontdekte. Het werd toen doorShell onder de naam CaricreteR op demarktgebracht. Later zijn er ook anderemerknamen verschenen, zoals Forta-Ferro en Fibermesh. In alle gevallen be-treft het gefibrilleerde polypropeen-flims, welke doormiddelvanaanpassin-gen in verstrek-techniek, polypropeen-soort en dergelijke verder toegesnedenzijn op specifieke toepassingen. Er zijnook hoger gestrekte polypropeenvezels87IVEZELS IN BETON3Polyacrylnitrilvezel in doorsnedeen aanzichtenc:'?c:'"0-VI.>:~ikunststofvezel---? rekos0,40,3- 0,2~o1 2 4 Sturen) 1(dagl---? tijd ( log)7 (dagen) 28Ook andere vezels worden voor de ver-sterking van beton aangeboden, zoalsrecent nylon-6 vezels.Plastische faseIn de plastische fase van beton en in heteerste stadium van de verharding heefthet materiaal een nog zeer geringe elas-ticiteitsmodulus en nog nauwelijkssterkte. Indeze fase zijn de vezels ten op-zichte van het beton relatief stijf ensterk. De situatie is vergelijkbaar met de1----------------+-----------------1 wapening van een weinig stijve kunst-4 Schematische weergave 5 Verloop deformeerbaarheid beton stof, zoals weergegeven in figuur 4. Detrek-rekcurve kunststofvezel en in plastische fase en beginstadium vezels zorgen in dit geval voor een com-plastisch beton verhardingposiet met eenverhoogde treksterkte enf - - - - - -_________--L_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _---1 een verhoogde stijfheid. In deze fase isontwikkeld met een hogere stijfheid ensterkte, zoals de KrenirR vezel, genoemdnaar Dr. Krenchel, ??n van de pioniersop het gebied van vezelversterkt beton.Dezewordenechter meer gebruiktvoordunwandige vezelversterkte cement-produkten.PolyacrylnitrilvezelsDe ontwikkeling van polyacrylnitrilve-zeIs voor beton is van het laatste decen-nium. De vezel wordt vooral gebruiktvoor het vervangen van asbest in pro-dukten van asbestcement, maar kan ookworden toegepast in beton. De polya-crylnitrilvezel heeft een hogere elastici-teitsmodulus dan de polypropeenvezelen heeft een niervormige doorsnede (fo-t03).Bij het gebruik in beton wordt in het al-gemeen van een vezel gebruik gemaaktmet een wat grotere diameter dan bijvervanging van asbestcement gebruike-lijkis, teneindevoldoendevezels tekun-nen inmengen. Door het ten opzichtevan polypropeen meer hydrofiele ka-rakter van polyacrylnitril zou de hech-ting met de cementmatrix beter zijn.KoolstofvezelsKoolstofvezels hebben uitstekende ei-88genschappen en lenen zich uitstekendom beton te versterken. De oorspronke-lijke uit polyacrylnitril vervaardigdekoolstofvezels (PAN-koolstofvezels)zijn echter relatief duur. InJapan is nueen goedkopere versie van de koolstof-vezel ontwikkeld, de zogenaamdepitch-koolstofvezels, geproduceerd uitpek. Weliswaar hebben deze vezels eenbelangrijk lagere elasticiteitsmodulusdan de oorspronkelijke PAN-koolstof-vezels, doch de kosten zijn belangrijkla-ger. InJapan worden deze vezels vooralgebruikt voor speciale produkten,waarbij het vezelgehalte soms hoger ligtdan 1%. In dat geval is een hoog luchtge-halte onvermijdelijk.PolyvinylalcoholvezelsDe polyvinylalcoholvezel heeft even-eens een hogere elasticiteitsmodulusdan de polypropeenvezels. Ook dezeve-zel is oorspronkelijk ontwikkeld methet oog op de vervanging van asbestve-zels. Toepassing in beton schijnt op be-perkteschaalvoorte komen.Bij dezeve-zel wordt geclaimd dat behalve over-dracht van spanningen door veranke-ring er ook sprake is van een chemischehechting i.v.m. de aanwezige OH-groe-pen.het beton in het algemeen erg gevoeligvoor uitdrogen.Wanneer het bleedingwater aan het op-pervlak verdampt is, volgt het nog nietgebonden water in het beton. Hierdooronstaat er een onderdruk in het beton,welke bij verhinderde vervorming doorhet dieperliggende beton gemakkelijktot krimpscheuren kan leiden. Door devezelwapening kan meer trekspanningworden opgenomen en is bovendienook de krimp op zichzelflager door dehogere stijfheid.Wanneer toch scheurvorming optreedt,werken de vezels als scheurverdeelwa-pening, waardoor meer maar kleinerescheurtjes ontstaan, welke veelal on-zichtbaar zijn. De belangrijkheidvan ditlaatste effect neemt toe naarmate deplasticiteit van het beton in de tijd af-neemt, doordat de deformeerbaarheidsterk afneemt, terwijl de sterkte nog nietontwikkeld is. Figuur 5 geeft de veran-dering vande breukrekvan eenbetoninde tijd schematisch weer en figuur 6 deontwikkeling van stijfheid en sterkte inde tijd. Gebleken is dat al met 0,1%(V/J/)gefibrilleerde polypropeenvezels, demate van scheurvorming met een factor5 tot 10 kan worden verminderd.Het hoeft geen betoog dat een onder-Cement 1991 nr. 5100------ ",',../"....- /./0,/' /'// //,//'800,660,64t..0,62Eul1l