I IMATERIALEN IVOORSPANNINGNON-FERROVOORSPANMATERIALENVOORBETONProf.Dr.-Ing.H.W.Reinhardt, FMPA BW Otto~Graf-.Institut,StuttgartDe stand van zaken op het gebied van alternatieven voor voorspanstaal, ofWelvoorspanelem.enten op basis van onder m.eer glas-, koolstofen aratnidevezels.Hoewel deze m.aterialen het traditionele voorspanstaal alleen al vanwege de prijsniet zullen vervangen, kunnen zij een oplossing bieden in bijzondere toepassingen,waar eigenschappen vereist zijn als ongevoeligheid voor .corrosie, niet-elektrischgeleidend, niet m.agnetisch, dan wel bestandheid tegen uitzonderlijk hogeverm.oe?ngskrachten.Er is een aantal producenten van voor-spanstrengen van koolstofvezels. Er zijnverschillen in dewijzevan produktie, inde vorm van de doorsnede, in het mate-riaalvan de matrix en inde breukkracht.Van de koolstofstrengen van Tokyo Ro-Gevraagd zijn dus materialen die degoede eigenschappen van voorspanstaalhebben, zoals hoge sterkte en stijfheid,elasticiteit, aanhechting, verwerkbaar-heid, weinig kruip en relaxatie, verbon-den met corrosieweerstand, geringemassa, bijzondere elektrische en mag-netische eigenschappen en chemischebestendigheid.Momenteelkomenhiervoorinaanmer-king: glas, koolstof en aramide (fig. 1).Hierna zal worden besproken of dezematerialen aan deze hoge verwachtin-gen voldoen.Een voor voorgespannen beton ontwik-keld element metde merknaamPolystalwordt in foto 2 in doorsnede getoond.Het bestaat uit 60 000 vezels (circa 68%);de tussenruimte is gevuld met onverza-digd polyesterhars (circa 32%). Als ver~dere bescherming is een 0,5 mm dikkelaag polyamide aangebracht. De breuk-krachtvan eenstaafmet 7,5 mm diame-ter is 73 kN, de breukrek is 3,3%.Deze glasstaven zijn tot nu toe slechts~ 1000 -hfff--ft--If--e+--+~e--t-~I----c-- voor nagespannen beton gebruikt. De~ verankering bestaat uit een stalen conusDoordatstaalroestmoethetwordenbe- z die met een speciaal hars wordt aange-schermd. In beton ingebed is staal zo- b goten. Daardoor is een verankering vanlangbeschermd als hetbetonalkalisch is i 100% van de breukkracht van de staafen niet teveel agressieve stoffen bevat. 0 1 mogelijk.De constructeur zou echter wel eens --7[(%) Intussen is ook een tonw van Polystaldunne delen willen ontwerpen met een i-__O_=_v_o_lu_m_ie_ke__m_as_sa-(t_/m~3_) ----l beschikbaar, dat even sterk maar veelkleine betondekking, misschien ook 1 Spanning-rek relaties voor glas-, flexibeler is dan de voorspanstaven [2].nog in een agressief milieu waarin veel koo1stof- en aramidevezels [1]chloride voorkomt. L- ~~ ~---' KoolstofSoms zijn er toepassingen waar wape- Koolstofvezels zijn in een ingewikkeldning en voorspanmateriaal niet elek- Voorspanrnaterialen proces gemaakt? van polyacrylnitriltrisch geleidend ofmagnetisch mag zijn Glas (PAN) door rekken, verhitten en chemi-ofworden uitzonderlijk hoge vermoei- Glas is een bij uitstek bros materiaal. sche reductie, zodat ketenvormige ma-ingskrachten ge?ist. Ook de treksterkte is niet hoog. Dit is cromoleculen van zeshoekige elemen-echter een gevolg van kleine scheurtjes ten ontstaan met primaire bindingen.aan hetoppervlakenvan defecten in het Afhankelijk van de verhittingstem~materiaal, waardoor spanningsconcen- peratuur ontstaat type HM met een ho-traties optreden die tot instabiele ge stijfheid en lage sterkte of type HSscheurgroei leiden. .I' met een hoge sterkte en een lage stijf-Bij zeer dunne doorsneden en zorgvul- heid (fig. 1). Koolstofvezels kunnen ookdige produktie heeft glas een treksterkte van pek worden gemaakt (Pitch) doorvan 3500 N/mm2en een breukrek van middel van carburatie bij 2000 oe.3%. Dit zijn kenmerkende waardenvooreen glasvezel met een diameter van11 f-lm.Een nadeelvanglas is dathetineenalka-lisch milieu wordt afgebroken. Directcontact metbetonen mortelwordtdooreen laag polyesterhars belet.Er is een aantal redenen waaromvoor beton naar andere mate~? rialen dan voorspanstaal wordtgezocht. E?n reden is dat de bouw eenzeer grote markt is waarin grote hoe-veelheden van een materiaal verkochtzouden kunnenworden, een tweede re-den is dat voorspanstaal een :;tantal te-kortkomingen heeft dat de toepassingbeperkt en een derde reden is dat ernieuwe materialen zijn ontwikkeld metuitstekende eigenschappen.Cement 1992 nr. 1 17Glassfiber BarReference LWLIVOORSPANNING2 Doorsnede van een glasvezelstaaf17651371,615000,04~ 240Het materiaal is bestand tegen zuren enlogen en wordt nietdoor UV~lichtaan-getast. Deze eigenschappen maken detoepassing in voorgespannen en nage~spannen constructies mogelijk.Koolstofis niet magnetisch en heeft eensoortelijke elektrische weerstand van30mQmm.pe en Toho Rayon is de meeste infor~matie beschikbaar.Deze bestaan uitvezelsvan 7fim diame~ter met een treksterkte van 3630N/mm2en eenelasticiteitsmodulus van235 kN/mm2? Een produktie~elementwordt gevormd door 12 000 evenwijdi~ge vezels en met epoxy ge?mpregneerd.Het volume van de vezels is 64%, van de ~--~~~~~~~~~~~~~~~~~~~=====~~-------1matrix 36%. Deze elementen wordenverder verwerkt tot staven (draden) entot7~, 19- of37~draads strengen. Dege~middelde eigenschappen van een7-draads streng zijn in tabel 1 weerge~geven.treksterkte (N/mm2)elasticiteits~modulus (kN/mm2)breukrek (%)volumieke massa (kg/m3)kruip na 100 uur bij180?C (%)temperatuurgebied ("C)IMATERIALENTabe11Eigenschappen vaneen koolstofstrenga* ARAPREE 1200.000, rondData ProcessingControl Device..??CD _I 3004 Dwarsligger voorgespannen met ARAPREE IS]3 Optische sensor die in bruggen en grondankers wordt toegepast [3]d--- ~--t===~--~j1 750 I 300 I 400 I 300 . I 750 ~AramideAramide is de verkorte naam van aro~matische polyamide. Het bestaat uitlange ketens ringvormige koolwater~stoffendieinde richtingvan de molecu-len zijn uitgelijnd. Het materiaal is bijnavolledig kristallijn waardoor niet alleeneen hoge sterkte en stijfheid, maar ookeen goede temperatuurbestendigheidworden bereikt. De treksterkte van dehoge~modulus~vezel ligt bij 3000N/mm2en de breukrekis 2,5%. De vezelgedraagt zich volledig lineair elastischmet een elasticiteitsmodulus van 125kN/mm2?Hoewel aramide bestendig is tegen veelchemische stoffen, wordt de levensduurin beton verlaagd door de hoge pH vanhet pori?nwater. AKZO en HBG heb~ben voorspanstaven ontwikkeld die uitTwaron-vezels bestaan die in epoxyharszijn ingebed. Naastverhogingvan de al-kaliweerstand verzorgt het epoxyharseen gelijkmatige inleiding van aan-hechtkrachten naar de vezels in hetmidden van een streng. De ARAPREE-staven hebben een rechthoekige of eencirkelvormige doorsnede. Er zijn vijfverschillende maten verkrijgbaar met18 Cement 1992 nr. 1100000 tot 400 000 vezels eneen breuk~kracht van 31 tot 124 kN.Onderzoek heeft aangetoond dat delangeduurtreksterkte hoog is. Bij eenspanning van 0,6 rnaal de korteduur-treksterkte is de standtijd tot breuk 105uur, bij een spanning vande helftvan detreksterkte is geen breuk rneer te ver-wachten na 100 jaar. Dit gedrag recht-vaardigt een aanvangsvoorspanning van0,55 rnaal de karakteristieke korteduur-treksterkte, wat neerkornt op ongeveer1500 N/rnrn2? De relaxatieverliezenzijn15% in droog en 20% in vochtig milieu.NaastARAPREE zijn erandereproduk-ten die geschikt zijn voor voorspanning.FIDRA(Mitsui Construction) is een ge-vlochten .staaf van Kevlar 49 rnet eenepoxyrnatrD{' Het oppervlak is onregel-rnatig, waardoor een goede aanhechtingtussen beton en voorspanrnateriaal totstand kankornen.Erzijnstavenrnet3tot16 rnrn diarneter verkrijgbaar die eenbreukkrachthebben tussen 8 en 256 kN.Voor uitwendige voorspanning korntook PARAFIL (van ICI) in aanrnerking.Dit is een kabel rnetparallelle Kevlar 49vezels in een polyethyleen slang. Debreuksterkte van .de vezels is 1925N/rnrn2? Met speciale verankeringen ishet rnogelijk de kabel voor elke lengtegeschikt te rnaken en te verankeren.Voorbeelden van toepassingenStaal heeft een relatief lage prijs en zaldaarorn voor de rneeste toepassingen inaanrnerking blijven kornen.Alleenwaarspeciale eisen worden gesteld rnaken denieuwe rnaterialen een kans. Misschiendatdit in de toekornstzal veranderen alsde constructeurs rneer ervaring hebbenopgedaan rnet de niet-corrosieve rnate-rialen en zich de eigenschappen eigenhebben gernaakt. Tot nu toe wordenbruggen rnet glas-, ararnide- en kool-stofstaven praktisch op dezelfde wijzeontworpen als rnet voorspanstaal. Mis-schien kan het ook anders.GlasNaast toepassingen in Japan zijn er inEuropa een aantal waar glasvezelstavenals voorspanrnateriaal zijn gebruikt.Bruggen in D?sseldorf, Dorrnagen, Le~verkusen en Berlijn zijn gebouwd rnetde Polystal-staven, in Karinthi? is eenbrug in aanbouw [3]. Uitwendig zijngeen bijzonderheden te herkennen. In-wendig heeft de brug in Berlijn-Ma-ri?nfelde echter de bijzonderheid dat inhet hart van de glasvezelstaafeen opti-sche sensor is ingebouwd die het gedragvan de voorspanstaafvolgt (fig. 3).Als de sensor gerekt wordt neernt deCernent 1992 nr. 1lichtgeleiding af, wat elektrisch gerne-ten kan worden. Door continue rnetingvan de dernping kunnen in principescheurvorrningen spanningsverliezenworden aangekondigd.Bij de reparatie van een rnetrostation inParijs werd een betonnen gewelf ver-sterkt door een trekband bestaande uitglasvezelstaven. De niet-rnagnetischeeigenschappen van glas bleken hier eenvoordeel te zijn.KoolstofIn Japan is bij de kust een kleine brugrnet koolstofvezels voorgespannen. Debrug issarnengesteld uit liggers die opde lange bank werden vervaardigd. Hetrijdek is van ter plaatse gestort beton.Kort geleden werd op het industrieter-rein van BASF in Ludwigshafen eenbrug gebouwd rnet koolstofstrengen 19o12,5 rnrn rnet eenvoorspankrachtvan1400 kN. Het voordeel van de lichternassa bij de rnontage van de strengenwerd als positiefaangernerkt [4].Niet-voorgespannen koolstofstavenworden in geprefabriceerde elernentengebruikt [5] die onder rneer in gevelsvan hoge gebouwen zijn toegepast.AramideGevlochten ararnidestrengenzijn ge-bruikt bij een brug in Japan [6]. Ookwerden hierrnee voorgespannen indus-trievloeren gerealiseerd.ARAPREE werd gebruikt bij toepassin~gen waar de corrosiebestendigheid bij-zonderbelangrijkwas [7].Ditgoldbij deaanleg van eengeluidkerende wandlangs een drukke snelweg waar dooi-zouten tegen het beton spatten. Dedoorsnede kon dun blijven orndat dedekking niet belangrijk was als bescher-rning tegen corrosie. Dit was ook de re-den waarorn de elernenten van een vis-passage licht konden worden gernaakt.In de spouw van een gernetselde wandwerd ARAPREE zonder ornhulling toe-gepast.De hoge verrnoeiingssterkte was aanlei-ding orn dwarsliggers te rnaken en rnetARAPREE voor te spannen [8]. De re-sultaten zijn veelbelovend, zodat in detoekornst een toepassing rnag wordenverwacht. ~Figuur 4 toont het ontwerp van eendwarsligger voorgespannen rnet ARA-PREE.Conclusies entoekomstperspectiefEr isinrniddels een groot aantal voor-spanrnaterialenop demarkt die hetrno-nopolie van voorspanstaal aantasten.Doorhetprijsverschilzalstaalechterhetvoorspanrnateriaal blijven, tenzij bij-zondere eisen worden gesteld ten aan-zien van corrosieweerstand, elektrischeweerstand, rnagnetische eigenschappenen geringe rnassa.De positieve eigenschappen van denieuwe rnaterialen glas, koolstofen ara-rnide worden nog niet volledig benut.De rneeste toepassingen zijn slechts eenafspiegeling van voorspanstaal. MetARAPREE werd al een aantal produk-ten gernaakt die dun en licht van ge-wicht zijn en daarorn niet rnet voor-spanstaal hadden kunnen worden ge-rnaakt.Deconstructeurs rnoetenzich nogrneerverdiepen in de eigenschappen van denieuwe rnaterialen.Er zijn nogveel rnO-gelijkheden orn deze niet-corrosievernaterialen toe te passen, ook in de sfeervan reparaties en vernieuwingen vanwoningen en kantoren.Literatuur1. HuIl,D,Au introductionto cornposi-te rnaterials. Carnbrigde UniversityPress, 4th printing. Carnbridge 1988.2. Seile aus hochfestern Verbundwerk-stoff. Stahlbau 60, 1991, nr. 4.3. Wolff, R. en HJ. Miesseler, Glasfaser-st?be als Zugelernente - Herstellung,Konfektionierung und Einsatzrn?-glichkeiten. Haus der Technik, Essen,Maart 1991.4. Spannglieder aus Kohlenstoffasern.Beton 41, 1991, nr. 7.5. Nojiri,Y. Latestdeveloprnentsin rnO-dern technology in Asia - role oftheJa-panese construction industry. XI FIPCongress 1990, Harnburg, Vol. 2, T 11 -T 14.6. Noritake, K., H. Hornrna, S. Kurna-gai,J. Mizutani, Applications ofararnidFRP rods for PCstructures. XI FIP Con-gress 1990, Harnburg, Vol. 2,T 54 - T 56.7. Egas, M. en A. Gerritse, ARAPREE-supervezel als vootspanrnateriaal. Ce-ment 1991, nr. 5.8. De Sitter, WR. en M. Egas, Tests onARAPREE pretensioned sleepers. Bij-drage aan het internationale syrnposi-urn Precast concrete railway sleepers,Madrid 8 - 11 april 1991, pp. 1 - 9.19