? ? onderzoek ? ir. w.Jansze, prof. dr. ir.J. C. Wa/raven, TU Delft, faculteit der Civiele Techniek, sectie Beton­ constructies dr.ir.J.G.Rots, TU Delft, faculteit der Civiele Techniek, sectie Grondslagen Constructieleer De opkomst van beton met hoge sterkte vormt ook voor de prefabindustrie een uitdaging. Onlangs werd CUR-Aanbeveling 37 'Hoge Sterkte Beton' gepresenteerd, waarmee het ge­ bruik van beton met sterkten tot B 105 mogelijk is geworden. Door de toename van de be­ tonsterkte dreigt de voegverbinding echter meer dan voorheen de zwakste schakel in ge­ prefabriceerde betonconstructies te worden. Het op de markt komen van polymeer-gemo­ dificeerde mortels en lijmen is daarom een logische ontwikkeling. Hoewel deze hoog­ waardige materialen reeds worden toegepast; is het constructieve gedrag in combinatie met hoge sterkte beton nog niet onderzocht. Bij de Sectie Betonconstructies van de TU Delft is onderzoek verricht naar het bezwijkgedrag van gevoegde en gelijmde verbindin­ gen in beton met hoge sterkte en, ter vergelijking, beton met normale sterkte [1 t.m. 4]. LlJM- EN MORTELVOEGEN TUSSEN BETON­ ELEMENTEN MET HOGE STERKTE EEN EXPERIMENTEEL EN NUMERIEK ONDERZOEK 22 Het onderzoek naar het gedrag van voegver­ bindingen tussen elementen van hoge sterk­ te beton bestond uit een experimenteel en een numeriek deel. Voor het experimentele deel zijn in hetStevinlaboratorium twee deel­ studies verricht. In deelstudie A is het ver­ schil in bezwijkgedragvan voegen metgevul­ de epoxyhars tussen betonelementen van normale sterkte en hoge sterkte bestu­ deerd. In deelstudie B zijn bezwijkomhullen­ den bepaald van voegen metgevulde epoxy­ hars en polymeer-gemodificeerde mortel tussen elementen in hoge sterkte beton, be­ last doorverschillende combinaties van nor­ maal- en schuifspanningen. Voor het numerieke deel van het onderzoek zijn voor het analyseren van de bezwijkme­ chanismen met het eindige-elementenpak­ ket DIANA numerieke (niet-)Iineair-elasti­ sche berekeningen gemaakt. Alvorens de onderzoeksresultaten weer te geven, zal eerst dieper op het begrip hech­ ting aan beton worden ingegaan, een feno­ meen dat bij de uitvoering van constructieve voegverbindingen een belangrijke plaats in­ neemt. treden, adhesie of hechting genoemd. Deze hechting komt tot stand door chemische, fy­ sische en mechanische bindingen. Chemische bindingen hebben op atoom-ni­ veau plaats, waarbij primaire bindingskrach­ ten een rol spelen. Deze zijn elektrostatisch van aard en zijn zo groot, dat veel energie no­ dig is voor het verbreken van de verbinding. Op molecuul-niveau spelen de secundaire bindingskrachten, Van der Waalskrachten genoemd, een rol. Deze fysische bindingen zijn sterk afhankelijk van de afstand tussen de twee oppervlakken en zijn bij een afstand groter dan 0,5 nm nauwelijks meer van bete­ kenis. De grootte van de moleculen en de mi­ crotopografie van het hechtoppervlak ( < 10 nm) zijn van invloed op de sterkte van de me­ chanische bindingen. Een oppervlaktebehandeling van het beton door stralen, waarbij minimaal 30% à 40% van het toeslagmateriaal zichtbaar moet zijn, verwijdert de zwakke en vette cement­ huid, waardoor het grensvlakoppervlak en de grensvlakenergie toenemen en er een be­ tere hechting ontstaat. De mechanische bin- dingen aan dit opgeruwde oppervlak zullen Hechting aan beton echter nauwelijks beter worden, omdat door Indien op een betonoppervlak een voegma- stralen alleen de macrotopografie van het teriaal wordt aangebracht zal interactie op-betonoppervlak verandert. Wel van belang CEMENT1995/2 voor de mechanische interlock zijn pori\353n met een diameter van 0,1 tot 1,0 mmo Deze pori\353n zullen zich met voegmateriaal vullen en de haakweerstand in het grensvlak ver\255 groten. Met name polymeren kunnen hun lange ketens met hoge treksterkte veranke\255 ren in de pori\353n van het beton. Polymeer-ge\255 modificeerde mortels en lijmen hechten daarom beter dan traditionele mortels. IJ Overwegingen bij het uitvoeren van proeven CD Modellering van voeg voor experimenteel onderzoek Voegverbindingen zijn de belangrijkste en meest toegepaste verbindingen in de gepre\255 fabriceerde betonbouw. Voorbeelden zijn voegen tussen kolommen, wanden, kanaal\255 plaatvloeren en brugsegmenten. Vooral voor de gesegmenteerde bruggenbouw is in de ja\255 ren zestig en zeventig onderzoek verricht naar voegverbindingen [5, 6]. Omdat het niet mogelijk was grote geprefabriceerde be\255 tonconstructies in het laboratorium te tes\255 ten, werd de in figuur 1 geschetste wijze van werken toegepast. Twee brugsegmenten met een voeg worden op dwarskracht en buiging belast. In de be\255 zwijkfase ontstaat een scheuren patroon als \(45'\) getekend in figuur 1. Tussen de geopende 0 Geometrie van de proefstukken scheuren in de segmentlijven zijn drukdiago- nalen aanwezig. Indien wordt aangenomen dat over de scheuren geen krachten worden overgedragen, dan kunnen deze drukdiago\255 nalen worden beschouwd als prismatische proefstukken. Deze prisma's bevatten schui\255 ne voegen onder een hoek a, die op druk en afschuiving worden belast. Ook uit de druk\255 en trekzone kunnen soortgelijke prisma's met een voeg worden genomen. Dergelijke proefstukken met voeg kunnen op eenvoudige wijze in het laboratorium worden beproefd. Door het vari\353ren van de voeg\255 hoek kan de bezwijksterkte van het proef\255 stuk als functie van de hoek, en dus als func\255 tie van de normaal- en schuifspanningen in de voeg, worden onderzocht. In het grensvlak tussen het beton en de voeg, belast door een normaalspanning a, kan volgens het bezwijkcriterium van Cou\255 lomb een maximale schuifspanning ,wor\255 den opgenomen gelijk aan: 'max = ca + fla waarin ca de adhesie van het voegmateriaal aan het beton is en fl de wrijvingsco\353ffici\353nt CEMENT1995/2 tussen beton en voegmateriaal. In een prisma zonder voeg kan volgens de spanningstheorie van Mohr op een vlak on\255 der een hoek a, belast door een normaal\255 spanning a, een maximale schuifspanning worden opgenomen gelijk aan: 'max = J fcpa+ a2 waarin f cp de betonprismadruksterkte is. Indien bij grafische weergave in een a-,-dia\255 gram de lijn van Coulomb de cirkel van Mohr doorsnijdt, zal bezwijken in het grensvlak op\255 treden v\363\363r bezwijken van het beton: het grensvlak van de voeg is dan zwakker dan het omhullende beton. Experimenteel onderzoek In het onderzoek zijn proefstukken getest met een 10 mm dikke voeg. Om verschillen\267 de combinaties van normaal- en schuifspan\255 ningen te onderzoeken, zijn voeghoeken va\255 ri\353rend van O'tot90'toegepast.ln figuur2 is de geometrie van de proefstukken weerge\255 geven. Na twee weken opslag in de verhardingska- \(60'\) \(70\267\) o o