? tunnelbouw ? onderzoek ? wapeningir.A.G.Kooiman en dr.?r.C. van der Veen, TU Delft, faculteit der Civiele Techniek, sectieBetonconstructiesir.M.H.Djorai, Bouwdienst Rijkswaterstaat, afdeling PDOTijdens de aanbestedingsfase van de Tweede Heinenoordtunnel is een aantal variantenontworpen voor de tunnellining. Als alternatief is ookstaalvezelbeton overwogen. Toende Bouwdienst met dit alternatief werd geconfronteerd, bleek een objectieve beoorde-ling niet mogelijk. Het alternatief werd ter zijde geschoven, maar de behoefte aan eendergelijke beoordelingbleefbestaan. Aangezien aan deTU Delfttwee promotieonderzoe-ken lopen naar de toepasbaarheid van (hogesterkte)staalvezelbeton inboortunnels,heeft de Bouwdienst de TU verzocht alsnog een objectieve beoordeling uit te voeren.STAALVEZELBETONINDETWEEDEHEINENOORDTUNNELt44De gekozen Iining in de Tweede Heinenoord-tunnel bestaat uit achter elkaar geplaatstetunnelringen, die in eerste instantie doormiddel van boutverbindingen aan elkaarworden gekoppeld. Elketunnelringwordtop-gebouwd uit zeven geprefabriceerde beton-nen segmenten en een wigvormige sluit-steen [1]. De elementen zijn voorzien vaneen traditioneel wapeningsnet van circa100 kgjm3 beton. Als alternatief voor dezeconventioneel gewapende segmenten is inde aanbestedingsfase ook staalvezelbetongenoemd als gehele of gedeeltelijke vervan-ging van het wapeningsnet. Op verzoek vande Bouwdienst Rijkswaterstaat is ditalterna-tief aan de TU Delft onderzocht.In eerste instantie ging het hierbij om eenstate-of-the-art studie waarin de eigen-schappen van staalvezelbeton en de con-structieve toepassingen van dit materiaal ingerealiseerdeboortunnelsge?nventariseerdmoesten worden. Het uit deze studie resul"terende rapport [2] gaf aan dat er mogelijkvoordelen tebehalen waren metsegmentenvan staalvezelbeton ten opzichte van de tra-ditioneel gewapende segmenten, maar datde toepasbaarheid van het materiaal ge-heel afhankelijk is van projectgebondenrandvoorwaarden en lokale omstandighe-den.Hierop besloot de Bouwdienst om te zamenmet de TU Delft en de Tunnel CombinatieHeinenoord de mogelijkheid te bekijken inde tunnellining staalvezelbeton toe te pas-sen. Dit heeft geleid tot experimenteel on-derzoek in hetStevinlaboratorium van deTUDelft en bij TNO Bouw te Rijswijk. De resulta-ten van deze experimenten dienden ter on-dersteuning van het uiteindelijke ontwerp.Daarnaast is er bij Schokindustrie StruktonSegmenten v.o.f. een proefstort uitgevoerdom de praktische waarde van het experi-mentele gedeelte te verhogen.In dit artikel wordt een uitgebreide samen-vatting van het state-of-the-art rapportweergegeven en wordt beknopt verslag ge-daan van de uitgevoerde experimenten enhet ontwerpproces. Ten slott.e volgt na deconclusies_en aanbevelingen een korte eva-luatie.Technologische eigenschappenEen staalvezelbetonmengsel is duidelijkminder goed verwerkbaar dan een overeen-komstig betonmengsel zonder vezels. Vooreen goede verwerkbaarheid zijn namelijkbolvormige deeltjes nodig, terwijl de staalve-zels naaldvormig zijn. Hettoevoegen van ve-zels veroorzaakt dan ook een opstijving vanhet mengsel. Tijdens het mengen kan hetzelfs gebeuren dat de vezels samenklitten('Igelbildung'). De kans op deze 'egelvor-ming' neemt toe naarmate [3]:? de lengtejdikteUjD)-verhouding van devezel toeneemt;? het vezelgehalte toeneemt;? de hoeveelheid grof toeslagmateriaal toe-neemt;? de mengtijd toeneemt;? de vezels ongelijkmatig worden toege-voegd (vooral bij grote hoeveelheden).Normaal gesproken hoefthettoevoegen vanstaalvezels aan een cementpasta niet totproblemen te leiden, mede omdat er, zoalsbij toepassing in bedrijfsvloeren, relatief ge-ringe hoeveelheden staalvezels worden toe-CEIVIENT1998jl43R..h\\\ v--- Vf = 3%- / !r- Vf =2%NE 2~tr-Vf =1%E-;""Lr-- Vf= 0%z~b.t:J 1j \(.0'(0 1 2 3 4 5 6~[b(%O)I I I I I I i0 0,04 o.oa 0,12 0,16 0,20 0,24~w(mm)@ Spanning-rekdiagram en scheurwijdtevan beton met gladde vezels (1/0 = 83) be"last op zuivere trek [8]V, is het vo/umepercentage vezels in 1 m~staalveze/beton? de matrixsterkte;? de vezeleigenschappen UjD-verhouding,eindverankeringen, oppervlaktekwaliteit,treksterkte);? het vezelgehalte.In figuur 2 is alleen de laatste invloedsfactorgevarieerd en zijn de eerste twee constantgehouden.(N.b. VI = 1%wilzeggenO,01m~staalvezelsin 1 m~ staalvezelbeton, dus 0,01 x 7800=78 kgjm~ beton. Percentages hoger dan cir-ca 1% zijn voor toepassing in boortunnelsniet van praktische betekenis.)@ Verdichtingsgedrag van zand en grindmet staalvezels [4]a. pakking van zand rond een vezelb. pakking van grof toeslagmateriaalc. pakking van grof toeslagmateriaal rondeen vezel. Devo/umetoename door de vezel-toevoeging is gearceerd aangegevenahet vezeloppervlak, de sterkte van de ma-trix,de mate van verankering en de vezel-vorm. De vezels moeten aan weerszijdenvan de scheur zodanig in de matrix zijn ver-ankerd, dateen zekere vervorming door'slip'mogelijk is zonder dat de vezels breken. Ertreedt anders alsnog een brosse breuk op,hetgeen wordt gezien als een onveilig be-zwijkgedrag. De manier waarop het bezwijk-mechanisme ontstaat, is dus afhankelijkvan het aanhechtingsvermogen, de IjD-ver-houding, de treksterkte van de vezel en dehoeveelheid vezels.Een belangrijke mechanische eigenschapvan staalvezelbeton is uiteraard de trek-sterkte van het materiaal. Door staalvezel-toevoeging kan de treksterkte van beton on-der een centrische trekbelasting toenemen.Dit is weergegeven in figuur2, waarin detrek-spanning is uitgezet tegen de reken descheurwijdte. Het materiaal reageert in eer-ste instantie lineair-elastisch. Op het mo-ment dat de maximale belasting wordt be-reikt, neemt het draagvermogen sterk aftot-dat er een 'plateau' ontstaat, waarbij hetspanning-rekdiagram praktisch horizontaalverloopt. Deze afname wordt voor een grootgedeelte toegeschreven aan de traagheidvan de proefopstelling [8]. De hoogte vanhet plateau wordt bepaald door het continuslippen van de vezels in de matrix en is dusafhankelijk van:Op het moment dat de trekspanningen toe-nemen en de microscheuren verder groeien,zullen de staalvezels de scheurtjes over-bruggen. De vezels functioneren dan als wa-pening, ook wel macrowerking genoemd.Het aanhechtingsvermogen en de treksterk-te van de vezel spelen in dit geval een grote-re rol dan de rekstijfheid. De mate van aan-hechting is afhankelijk van de kwaliteit vanZowel de verdeling van de vezels als de ver-dichtbaarheid van het mengsel (fig. 1) ver-beteren naarmate de grootste korrelafme-ting wordt verkleind. Verdichten moet bijvoorkeur plaatshebben door uitwendig tril-len, om locaties mette weinig vezels te voor-komen. Bij uitwendig trillen van de specienemen de vezels echter een voorkeursrich-ting aan in een vlak loodrecht op de trilrich-ting. Daamaastkunnen afwijkingen van eenrandom-verdeling optreden door mechani-sche enjof geometrische invloeden. Tot de-ze laatste groep behoort bijvoorbeeld de in-vloed van de bekisting (het wandeffect). Ex-perimenten op prefab tunnelsegmentenvan staalvezelbeton hebben aangetoonddat de uitvoeringscondities een niet te ver-waarlozen invloed hebben op de vezelori?n-tatie en dientengevolge op de mechanischeeigenschappen van het materiaal [5, 6].Mechanische eigenschappenDe functie van staalvezels in beton dat optrek wordt belast, is tweeledig [7].Ten eerste dienen zij ter versterking van dematrix, verder aangeduid als microwerking.De willekeurig in het beton verdeelde vezelskunnen in een vroeg stadium (micro}scheur-vormirigvertragen, mits een voldoende hoe-veelheid vezels aanwezig is. Een staalvezelmet een hoge rekstijfheid biedt hierbij meerweerstand tegen scheurvorming dan een ve-zel met een lage rekstijfheid. Het uitbreidenvan microscheuren wordt tegengegaandoordat de vezels trekspanningen opne-men, waardoor de spanningsconcentratiesrond de 'scheurtip' afnemen.gevoegd. De in het verleden toegepastehoeveelheden in boortunnels bevondenzich echter in de orde van 50-90 kgjm~. Bijtoepassingen met relatieflange vezels (50-60 mm) en een vezelgehalte van circa 80kgjm~,wordt hetgrensgebied bereikt van depraktisch toepasbare ofwel de maximaalverwerkbare hoeveelheidstaalvezels. Hetmengsel zal in deze gevallen dan ook aaneen geschiktheidsonderzoek onderworpenmoeten worden.CEMENT1998jl 45? tunnelbouw ? onderzoek ? wapeningIn het geval van gesegmenteerde tunnelli-nings zal echter geen zuivere trekbelastingoptreden, zoals nog nader zal blijken uit dete controleren belastingsgevallen. De vraagis dan ook of een centrische trekproef nood-zakelijk is om de materiaaleigenschappenvan staalvezelbeton te bepalen. Een derge-lijke proefis namelijk vrij complex om uittevoeren en bovendien is de spreiding, met na-me in het nascheurgedrag, vrij groot. Dit iseen gevolg van het feit dat er slechts kleineproefstukken beproefd kunnen worden,waardoor de invloed van de vezelori?ntatieen vezelverdeling relatief groot is.Een proef die regelmatig wordt gebruikt ommateriaaleigenschappen van staalvezelbe-ton te bepalen, is devierpuntsbuigproef. De-ze proef is relatiefgemakkelijk uit te voeren,maar ook hier hebben de afmetingen vanhet proefstuk een duidelijke invloed op despreiding in de resultaten. Met behulp vande last-doorbuigingsdiagrammen uit debuigproeven, kunnen buigtreksterkten enequivalente buigtreksterkten worden be-paald conform CUR-Aanbeveling 35 [9] enhet DBV-Merkblatt [10]. In dit Merkblattwordt verder een methode aangegevenwaarmee aan de hand van last-doorbui"gingsdiagrammen een a-e-diagram kan wor-den opgesteld (fig. 3). De modellering vandetrektakis echtereen vrij grove benaderingen Hjkt nogal conservatief. Uit figuur 2 blijktbijvoorbeeld dat de in figuur 3 getoonde ui-terste trekrekgrens van 5%0 vergroot zoukunnen worden, omdat erna een vervormingVan 5%0 nog steeds trekspanningen opge-nomen kunnen worden.De druktakin figuur 3 is weergegeven vol-gens DIN 1045 en verschilt enigszins methet a-e-diagram volgens deVBC. Wel is de ui-terste rekgrens in dit diagram, evenals in deVBC, gelijk aan -3,5%0. Overigens is bij staal-vezelbeton gebleken datde ductiliteitook bijdrukbelasting wordt vergroot ten opzichtevan grindbeton.ln figuur 4 is bijvoorbeeld tezien dat bij een vezelpercentage Vf = 1% enmet 1/0 = 83, de uiterste plastische rek-grens vergroot zou kunnen worden tot-4,5%0.Praktijkervaringen met staalvezelbetonIn het buitenland zijn reeds verschillendeboortunnels geheel of gedeeltelijk uitge-voerdin staalvezelbeton [2]; voor zover be-kend in alle gevallen metsucces. Bij een tun-nelprojectin Zuid-Afrika werden naast de'standaard' buigproeven tevens proeven uit"gevoerd op segmenten van staalvezelbetonen mettraditionele wapening [11]. De veleI-hoeveelheid werd daarbij gevarieerd van 40tot 60 kg/m3en de traditionele wapeningvan 106tot157 kg/m3.ln figuur 5 zijn de ver-schillende belastingsgevallen weergegevenmetdemaximale capaciteiten van de proef-opstelling.Uitderesultaten van de proeven op segmen-ten die volgens belastingsgevallen A en Dwerden belast, bleek de ductiliteit en het ui-terste draagvermogen van het staalvezelbe-ton kleinerte zijn dan van traditioneel gewa-pend beton. Bij de proeven diewerden uitge-voerd volgens E ontstond geen scheurvor-ming. Deze drie belastingsgevallen blijkenechterin de praktijkvaak niet maatgevend tezijn, dat wil zeggen dat de maatgevendecombinatie van een buigend moment eneen normaaldrukkracht, normaal gespro-ken, niet tot scheurvorming zal leiden.De belastingen die tijdens ontkisten entransport op de segmenten worden uitgeoe-fend, blijken echter wel regelmatig tot be-schadigingen te leiden. Verder kunnen be-lastingen tijdens installatie (bijvoorbeeldten gevolge van belastingsgeval B) ookscheurvorming veroorzaken. In geval B,waarbij sprake is van buiging als gevolg vaneen ongelijkmatige ondersteuning door devoorgaande ring, bleek dat eerste scheur-vorming in alle segrnenten van staalvezelbe-ton bij een hogere belasting ontstond dan bijde traditioneel gewapende elementen. Hetuiterste draagvermogen en de bijbehorendeductiliteit waren voor staalvezelbeton we"derom kleiner dan voor traditioneel gewa-pend beton. Alle segmenten voldeden ech-ter ruirn aan de minimaal vereiste ductiliteiten buigtreksterkte.Conclusies state-of-the-artUiteindelijk werd vastgesteld dat staalvezel-beton een veelbelovend constructiemate-riaal is voor toepassing in gesegmenteerdeboortunnellinings. Gezien de goede ervarin-gen (minder schade) die in hetbuitenland bijvergelijkbare projecten met het materiaalzijn opgedaan, werd bovendien geconclu-deerd dat er voldoende draagvlak was omde mogelijkheid van toepassing in de Twee-de Heinenoordtunnel te bekijken. De even-tuele toepasbaarheid hangt niet alleen afVan hetmateriaalgedragen van de construc"tieve eisen die aan de tunneHining wordengesteld, maar ook van de projectgebondenrandvoorwaarden met betrekking tot afme"tingen, productie, transport en installatievan de segmenten.Experimenteel onderzoek [6]MengselkeuzeOm te voorkomen dat er vertraging zou op-treden in het productieproces van de seg-menten, is voor het proefstort met staalve-zelbeton zoveel mogelijk bij dit proces aan-gesloten. Zo zouden de segrnenten 20 uur1:5" Ir IIIIIIIIII- 2,00/00 -3,5%0---v... -- ft ~[~? Spanning-rekdiagram voor staaJvezelbeton volgens [10J9080+-~~~~~-+~~~~~-i~~~~~-----'J70+-~~~~~-+~~~-~-i----~-----'J60+--~--I.1f-t'+--~,