? ? onderzoek ? wapeningprof.dr.ir.L.Vandewalle en dr.ir.M.lmam, Katholieke Universiteit Leuven, DepartementBurgerlijke BouwkundeIn hetDeparternent Burgerlijke Bouwkunde van de Katholieke Universiteit Leuven is eenuitgebreid onderzoek uitgevoerd naar de dwarskrachtcapaciteit van staalvezelversterk-tebalken in hogesterktebeton. Devoornaamste parameterswaren dehoeveelheid toege-voegde staalvezels, de combinatie dwarskrachtjbuigend moment en het percentagelangswapening.Opdat de staalvezels een effici?nte bijdrage zouden leveren in het hogesterktebeton,isniet alleen de toegevoegde hoeveelheid vezels belangrijk, maar vooral de vloeispanningvan de staalvezels.STAALVEZELSINHOGESTERKTEBETONDWARSKRACHTCAPACITEIT VAN STAALVEZELVERSTERKTE BETONBALKEN@ Schema proefopstelling voor bepalingnascheurgedrag') In dit artikel zijn de notaties en dimensies aan-gehouden volgens de Belgische betonnormen,die gebaseerd z?n op Eurocode 2;1 MPa = 1 NJmm2?54150 150P/2150E?n van de nadelen van hogesterktebeton ishet brosse karakter. In tegenstelling tot be-ton met normale sterkte lopen de scheurendwars door het granulaat heen, wat resul-teert in een redelijk glad breukoppervlak. Debijdrage 'aggregate interlock' aan het af-schuifdraagvermogen van liggers zonderdwarskrachtwapening zal als gevolg van de-zeminder ruwe scheurvlakken waarschijnlijkrelatief kleiner zijn. Een bijkomend verschiltussen hogesterktebeton en beton met nor-male sterkte met betrekking tot de dwars-krachtcapaciteit, is het feit dat de treksterk-te niet evenredig toeneemt met de druk-sterkte.Uit de twee hierboven vermelde feiten volgtdat de formules betreffende 'dwarskracht',opgesteld voor beton met normale sterkte,niet zomaar ge?xtrapoleerd mogen wordennaar hogesterktebeton.De taaiheip en afschuifsterkte van ho-gesterktebeton kunnen verbeterd wordendoor het toevoegen van staalvezels.De doelstellingen van ditonderzoekwaren:? controleren of de staalvezels die gebruiktworden in beton met normale sterkte endie een vloeigrens hebben van ongeveer1100 MPa 1), ook geschikt zijn voor ho-gesterktebeton;DJ~. 150 ,~? het proefondervindelijk bepalen van deverbetering van het afschuifdraagvermo-gen van balken zonder afschuifwapeningdoor de toevoeging van staalvezels. Aande hand van deverkregen resultaten is ver-volgens een nieuwe formule afgeleid,diegebruikt kan worden voor de berekeningvan de dwarskrachtcapaciteit van balkenin hogesterktebeton met of zonder staal-vezeis.TypestaalvezelsBeproevingsprogrammaHet nascheurgedragvan vezelbeton wordtinBelgi? bepaald via een vierpuntsbuigproefop prismatische proefstukken (NBN B15-238 en NBN B15-239) (fig. 1).De proef wordt verplaatsingsgestuurd uitge-voerd: de belasting moet regelmatig en zon-der schokken zodanig worden aangebracht,dat de snelheid van toename van de door-buigingjn het midden van de overspanningten opzichte van de steunpunten (onet) con-stant blijft. Zowel de belasting als de door-buiging worden tijdens de proef continu ge-meten.Drie betonsterkteklassen werden onder-zocht: ??n mengsel met normale sterkte(MS: 50 MPa) en twee met hoge sterkte(HSl: 78 MPa enHS2: 92 MPa). De samen-stellingen zijn vermeld in tabel 1.Het vezelversterkte beton had dezelfde sa-menstelling als het corresponderende refe-rentiebeton zonder staalvezels.De gebruikte staalvezels waren aan de uit-einden voorzien van haakjes;Lr = 60 mm, 0r = 0,8 mm, Lr/flIr = 75.Lr is de vezellengte; 0r is de vezeldiameter.CEMENT1997/5Twee types staalvezels werden beproefd:LC-vezels (Low Carbon) met een vloeigrens~ 1100 MPa en HC-vezels (High Carbon)met een vloeigrens ~ 2000 MPa.De toegepaste doseringen waren:? 0 kg/m3, 30 kg/m3en 60 kg/m3voor hetHS2-beton;? 0 kg/m3en 30 kg/m3voor het MS-en HS1-beton.In tabel 2 is een overzicht gegeven van hetuitgevoerde beproevingsprogramma. Elfreeksen van proefstukken werden getest; el-ke reeks bestond uit zes prisma's voor debuigproef en drie kubussen 150x 150 x 150mm3voor de drukproef.Tabel 1Betonsamenstelling bepaling nascheurgedragTabel 2Beproevingsresultaten bepaling nascheurgedrag60- ~L50 l\~1\40 i \._~ 30 ~ ....\.....r------'-~-.:':>..c~-........,,_Q.. 20 I '\./ "." -............ ~~_~_~ ~1........., -........-....--------10 ..........._ ----------._~_.-.__._..-.----.-o-t---..,---,----r-----,r----,.--~--....,o 0.5 1 1,5 2 2,5 3 3,5--~) Onet (mm)ResultatenIn ditartikel wordtvoorelkvan de onderzoch-te reeksen ??n typisch kracht-doorbuigingscdiagram weergegeven. Alle resultaten z?nechter terug te vinden in [1].De Belgische norm NBN 815-238 definieertde buigtaaiheid Bn(Nm) als de oppervlakteonder de last-doorbuigingscurve vanaf hetbegin van de belasting tot aan de doorbui-ging I/n, waarin I = 450 mm en n = 300,respectievelijk 150. Uit de buigtaaiheid Bnkan vervolgens de conventionelebuigtrek-sterkte tl,n [6] als volgt worden berekend:tl,n = Bnn/bh2waarin b de breedte van hetprisma is en h dehoogte (mm).De gemiddelde proefresultaten voor f" tu'B300, B150, tl,300en fl,150 zijn vermeld intabel2.fr is de buigtreksterkte bij de eerste scheuren fu de maximale buigtreksterkte die t?"dens de proef is bereikt. Voor het referentie-beton zonder staalvezelsis f,gelijk aan fu enworden geen waarden vermeld voor de taai-heid Bn,respectievelijk voor de conventione-le buigtreksterkte fl,n' aangezien de prisma'sbezweken bij het ontstaan van de eerstescheur.? BetonsterkteklasseIn figuur 2 zijn last-doorbuigingscurves weer-gegeven voor de reeksen 2 (MS,LC,30),5 (HS1,LC,30) en8 (HS2,LC,30).Deze reek-sen verschillen van elkaar voor wat betreftde betonsterkteklasse; de hoeveelheid toe-gevoegde vezels (30 kg/m3) en het type ve-zel (Low Carbon) zijn echter gelijk.Uit de curve voor het MS-beton volgt dat di"rect na het ontstaan van de eerste scheureen krachtsafname optreedt. Vervolgensneemt de kracht echter weertoe, wat resul-teert in een stabiel nascheurgedrag. De af-CEMENT1997/5908070name van de opneembare kracht na de eer"ste piek is veel duidelijker bij het hogesterk-tebeton (HSl en HS2) en bovendien blijft dekracht afnemen._ _ MS _LC30__ ~ __ HSl _ LC _ 30__._ HS2 _ LC _ 30? Last-doorbuigingscurves voor de reek-sen 2, 5en 855? ? onderzoek ? wapening? Breukvlakken proefstukken MS-beton(links) en HS-beton (rechts), beide met 30kglm3LC-staalveze/sUit hetbreukvlak van de proefstukken bleekdat voor het MS-beton het bezwijken werdveroorzaakt door het 'uittrekken van de ve-zels uit het beton' (goed ductiel karakter,foto 3). Daarentegen werd bij de proefstuk~ken van het HSl-beton, respectievelijk HS2-beton, vastgesteld dat de staalvezels gebro-ken waren (ductiel karakter is verminderd,foto 3). Deze breuk werd veroorzaakt doorde goede hechting tussen de staalvezels enhet hogesterktebeton.? Vloeispanning van de staalvezelIn figuur 4 zijn last-doorbuigingsdiagram~men weergegeven voor de reeksen 3(MS,HC,30), 6 (HS1,HC,30) en 9(HS2,HC,30).Uit de figuren 2 en 4 volgt dat het nascheur-gedrag van het MS-beton onafhankelijk isvan de vloeigrens van destaaivezeL Dit is lo-gisch, aangezien de breuk van het prisma bijhet gebruik van LC-vezels reeds veroorzaaktwerd door het uittrekken van de staalvezel.Volledig andere resultaten werden bij het ho-gesterktebeton verkregen. Toevoeging vanHC-vezels resulteerde zowel bij het HSl-be-ton als bij het HS2-betonin een stabiel na-scheurgedrag. Op de breukvlakken van deproefstukken was trouwens te zien dat devezels, niettegenstaande de zeer goedehechting met het hogesterktebeton, uit hetbeton getrokken waren.De invloed van de vloeigrens van de vezelblijkt ook duidelijk uit tabel 2 bij vergelijkingvan de taaiheidswaarden B300 en B150, beho~rende bij de respectievelijke reeksen 5 en 6,8 en 9, 10 en 11.? VezelhoeveelheidAlleen voor het HS2-beton werden tweeverschillende vezeldoseringen toegepast(fig. 5). Een verhoging van de vezelhoeveel~heid resulteerde in een aanzienlijke toena-me van de taaiheid (B300 en B150 ) en de con-ventionele buigtreksterkte (fl?300 en fl,150)'De relatieve toename was het grootst voorde LC-vezel.Uitfiguur 5 blijkt dat bij het gebruik van 60kg/m3LC-vezels het nascheurgedragstabielblijfttot een doorbuigingvanQ,5 mmo Vervol-gens echter ontstaat opnieuw een continueafname van de opneembare kracht.Toevoeging van 60kg/m3HC-vezels resul-teerde in conventionele buigtreksterktes diegrotere waarden hadden dan de buigtrek-sterkte bij de eerste scheur.Figuur 5 en tabel 2 bevestigen bijgevolg destelling dat bij hogesterktebeton de invloedvan de vloeigrens van de staalvezels op hetductiel karakter van het vezelbeton min-stens even belangrijk is als die van de vezel-hoeveelheid. Voor grotere doorbuigingen ishet zelfs zo, dat de verhoging van de vloei-spanning van de staalvezel van 1100 MPa@ Last-doorbuigingscurves voor de reeksen 3, 6 en 9 ? Last-doorbuigingsC(1rves voor de reeksen 8, 9, 10 en 11~.1\ /~',-?\\