I IMATERIALENHOOGWAARDIG BETONONDERZOEK ENTOEPASSINGENir.H.W.Bennenk, Schokbeton bv, Zwijndrechtir.J.'W:Fr?nay, Stevinlaboratorium, TU DelftDe toepassing van beton met hoge sterkte is in hetpraktijkstadium gekomen. De Noorse offihoreindustrie is hierbij een voortrekker; nieuweolieproduktieplatforms worden ontworpen insterkteklasse B 70 en hoger. Op een symposium inStavanger is onlangs informatie gegeven overbetontechnologische en constructieve aspecten.In Noorwegen zijn voor de olie-in-dustrie sinds 1972 totaal 13 beton-nen platforms gebouwd, waaronderenkele grote, waarbij ruim 11/ 2 miljoenm3beton is verwerkt [1]. Kenmerkendvoor de ontwikkeling in de bouw vandeze constructies is de geleidelijkeschaalvergroting die gepaard gaat metde verhoging van de betonkwaliteit, zo-wel ten aanzienvansterktealsvanduur-zaamheid. Het platform Ekofisk I -1972, ontwerp-waterdiepte 70 m - isontworpen met beton B 40. Het plat-form Gullfaks C - 1986, ontwerp~waterdiepte 220 m - is ontworpen met be-ton B 70. Daarmee is de toekomstigebovengrens stellig nog niet in zicht.Inverband met deze belangrijke techni-sche ontwikkelingenis van 15 tot 18juni1987 in Stavanger (N) het symposium'Utilization of high-strength concrete'gehouden, georganiseerd door deNoorse betonvereniging en het Noorsebedrijfsleven (2]. Het doel van dit sym-posium was de internationale uitwisse-ling van research en toepassingen op hetgebied van hoogwaardig beton. De on-geveer 250 deelnemers aan het congreswaren afkomstig uit meer dan 20 ver-schillende landen. In totaal werdenruim 50 lezingengepresenteerd, met alsbelangrijkste onderwerpen:- betontechnologie;- mechanischeeigenschappen(incl. ver-moeiing);- ontwerp en constructie.In dit artikel zullen enkele belangrijkeaspecten hiervan worden belicht.BetontechnologieEr is geen Nederlands equivalent voorde internationale aanduiding 'high-strength concrete'. De naamgevingCement 1987 nr. 10heeft betreklcing op gunstige mechani-sche eigenschappen zoals een hogedruksterkte en een aanzienlijke duur-zaamheid van het beton. In dit artikel isgekozenvoor devertaling'hoogwaardigbeton'; een eenduidige definitie vanhoogwaardig betonis erechter niet. Eenveel gebruikt uitgangspunt is de zoge-naamde stuikhoogte als het quoti?ntvande gemiddelde kubusdruksterkteendevolumieke massa. Dit quoti?nt heeftvoor hoogwaardig beton een waardevan minstens 2500 m, een waarde die inhet verleden niet werd gehaald. Voorhoogwaardig grindbeton betekent diteen minimale kubusdruksterkte. van60 N/mmz, voor hoogwaardig lichtbe-ton ligt de ondergrens bij 50 N/mmz?Tijdens hetsymposiumzijnverscheide-ne methoden aangedragen om de be-tondruksterkte teverhogenmetbehoudvanvoldoendeverwerkbaarheid van hetbetonmengsel. Enkele daarvan zijn:- beperking water-cementfactor totwaarden tussen ongeveer 0,25 en0,35;- toevoeging superplastificeerder, circa0,5-2,0% van de cementmassa. Dezetoevoeging is ook nodig vanwege devaak hoge wapeningspercentages inzwaar belaste constructie-onderdelenwaarbij veelal een zetmaat van 150-200 mm noodzakelijk is om een vol-ledige omhulling van het wapenings-staal te realiseren;- gebruiksilica-fume tot maximaal 20%van de cementhoeveelheid;- gebruik van relatief hoge cementge-halten, in de orde van 400 tot 500kg/m3? Soms wordt het cement extraf~n gemalen ter verhoging van de hy-dratatiegraad;- toevoeging van vliegas, slak, enz.;- gebruik van grove toeslagmaterialen,zoals gebroken natuursteen ofkunst-matig vervaardigd keramisch mate-riaal. Hierdoor zou de? te realiserenmaximale betondruksterkte - die bijvoldoende hoge mortelsterkte wordtbepaald door de sterkte van de toe-slagkorrels - respectievelijkcirca 150-200 N/mmz en 300-350 N/mmz be-dragen;- beheersing van de juiste mengselsa-'menstelling en zorg voor een goedenabehandeling van het beton. Hoog-waardigbetonis in hetalgemeen rela-tiefgevoelig voor variaties hiervan.De toepassing van silica-fume - een af-valprodukt uit de staalindustrie, rondekorrel~es met een diameter van 0,1-0,2 !Lm en een amorfe structuur - ver-hoogt de verwerkbaarheid en is in ver-schillende opzichten gunstig voor debetoneigenschappen [3]. Door het zeergrote specifieke oppervlak van circa20 mZ/gram en door de chemische sa-menstelling(85~98% SiOz), reageertsili-ca-fume relatief snel met Ca(OH}z datontstaat bij de hydratatie van het c?-ment. Deze puzzolane werking is aan-zienlijk groter dan die van vliegas ofslak. Uit onderzoek blijkt datsilica~fume een verbetering geeft van de hecht-sterkte tussen matrix en toeslagkorrel.Tevens ontstaat een f~nere pori?nver-deling en een dichterestructuurvan hetbeton. De gemeten permeabiliteit vanhoogwaardig betonbedraagt lO-13? 10-14mis. Voornoemde eigenschappen vanhet beton zijn gunstig voor de duur-zaamheid van een offshore constructie(bescherming wapening, vloeistof-dichtheid, vorst-dooi weerstand in arc-tische gebieden, enz.). Toevoeging vankleine percentages ? 5%) silica-fumekan de mechanische betoneigenschap-pen zoals druksterkte en E-modulusverbeteren. Hogere percentageswordenveelal gebruikt uit overwegingen vanduurzaamheid. De hoge betondruk-sterkte is dan een 'toegift'. Omtrent hetmengselontwerp werd op het sympo-sium opgemerkt dat het aanbevelingverdient het percentage hulpstoffen te47_~~ ~~~_I_MA:__TE__RIALEN ~~~~ ~fek ~ karakteristieke kubusdruksterktefen ~ rekenwaarde voor de druksterkteTabel 1Ontwerp~egevens voor beton, zie ookfiguur 2 (Noorse ontwerpnorm 1986)3,53,22,92,7sterkte- fek fen En Eoklasse (N/mm2) (%0)B 45 36 28 27170 2,0B65 54 39 30060 2,1B85 74 50 32410 2,1BlOS 94 62 34420 2,2Herverdeling buigend momentHet Noorse concept-voorschrift gaat ervanuit dat het maximaal percentage pvoor herverdeling van het buigend mo-ment afneemt naarmate de sterkte ho-ger is. Voor rechthoekige doorsnedenmet slankheid lid ~ 20 wordt aange-houden:Vermeldenswaard is dat het bezwijk-moment van een rechthoekige balk-doorsnede, in sterkteklasse B 105(breukrek2,70/00) circa 17%lageris danbijhantering van een O-E diagram met eenconstante breukrek van 3,5% zoalswordt gedaan in de CEB-FIP ModelCode 1978.dwarscontractie ongeveer 0,20, datwil zeggen nagenoeg onafhankelijkvan de druksterkte. Voorhogerespan-mngsniveaus is de dwarscontractie- als eerste benadering - omgekeerdevenredig met de betondruksterkte.Dit duidt op beperkte microscheur-vorming, endus opverminderde taai-heid van hoogwaardig beton;- een aanmerkelijke verlaging van deeindwaarden van de kruipco?ffici?nten een verho~ing van de lange-duurdruksterkte fjig. 1) ten opzichte vannormaal beton;- uit in-situ metingen aan platformsvan hoogwaardig beton is gevondendat de druksterkte na 5 tot 10jaar met20-25% is toegenomen. Deze stijgingis kleiner naarmate een hoogwaardi-ger cementsoort is toegepast.Spanning-rekdiagram.Infiguur 2en tabel 1zijngegevens uit deNoorse ontwerpnorm (1986) vermeld.Voorgesteld is een spanning-rek dia-gram dat geldig is voor druksterkten totcirca 110 N/mm2voor kubussen met100 mm riblengte, waarbij "I?n = 1,4 entevens:Toepasbaarheid van bestaande be-tonvoorschriftenDe toepasbaarheid van veel bestaandenationale betonvoorschriften, is methetoogop de constructieveveiligheidveelalbeperkt tot gemiddelde betondruk-sterkten van maximaal 60-70 N/mm2?Dit impliceert dat aanvullend onder-zoek nodig is voor hogere sterkten. Eenvijftal belangrijke onderwerpen is hier-onder kort samengevat.koppelen aan de toegevoegde hoeveel-heid silica-fume en met aan de cement-massa.Mechanische eigenschappenEengoede illustratievan de eigenschap-pen van hoogwaardig beton is het ge-drag bij vervormingsgestuurde beproe-ving op druk. Enkele conclusies van re-cent experimenteel onderzoek zijn:- de breukrekdaalt naarmate de beton-druksterkte toeneemt. De rek bij ma-ximale drukspanning blijft nagenoegconstant;- het spanmng-rek diagram blijft li~neair tot circa 0 ~ 0,65 ..fc,ditis hogerdan voor beton met gebruikelijkesterkte. In dit 'lineaire' gebied is deVoorbeelden van de mengselsamenstel-ling van enkele toegepaste hoogwaardi-ge betonsoorten:- lichtbeton voor boorplatform in deBeaufort-zee: gemiddelde kubus-druksterkte.fcm ~ 70 N/mm2?500 kg portlandcement-A; wcE=0,28; 30 kg silica-fume; superplastifi~ceerder en luchtbelvormer; groveslakkorrels met Dmax = 14 mm; zet~maat 120 mm; volumieke massa 2025kg/m3- beton met gramettoeslag (Statfjord C,1981):.fcm = 67 N/mm2?380 kg portlandcement-C; wcf ~0,42; 4 liter superplastificeerder,Dmax = 20 mm; zetmaat 220 mm- beton met graniettoeslag (Gullfaks C,1986):.fcm = 83 N/mm2?430 kg portlandcement-C; wcf =0,38; 20 kg silica-fume; 6 liter super-plastificeerder, Dmax ~ 20 mm; zet-maat 240 mm1? Spanning-rek diagram enlangeduursterkte van tweebetonsoorrenr1.0~uO,8--u.....0,60,4 -0,2? ? 2 3 4 5 6rek (10-3 m/m)---7a. normaal beton0,80,6initi?le rek en0,4 kruip0,2? ? 2 3 34 5 6rek (10- m/ml ~b. hoogwaard ig betonSterkte-toename van beton door hetopsluitejJect van spiraalwapeningDoor de relatiefkleine dwarscontractiebij scheurvormingvanhoogwaardigbe-ton, kunnen de huidige formules uit devoorschriften nietzonder meer ge?xtra-poleerd worden.KruipvormingRecente kruipproeven op betonnen48 Cement 1987 nr. 10...----------_....D 835 665v CEB-ACI0,4 0,6drukzone hxu/d (-)~0,2o+--~--.--~_,_~~__'_r~-"-___r-.>.--._=-___i0,0i4035'$.~ 30-Q-~------Q..~ I.5: 25-vy---_~ ,,--I.....a;t 20~::--------'~':>'-1! 15~~ 10EoEEUrek-4fen IK m1fen +-------,jL~---:----+------+cc~ f e0.Vl 0,6fen +---f0,6 fen/Een En2 Schematische weergave vanspanning~rekdiagram (Noorseontwerpnorm 1986)3 Percentage p voor herverdelingvan het buigend moment,afhankelijk van drukzone-hoogte hxu/den voorschriftprisma's gedurende 1jaar bij een belas-tingniveau van circa 25% van de druk-sterkte, tonen een overschatting van dekruip volgens CEB-formule. Het be-treft hoogwaardig beton met kubus-druksterkren tussen 75 en 120 N/mm2?Hoeveelheden beton- en voorspanstaalvan resp. 250 en 80 kg per m3beton zijngeen uitzondering. Om te komen totbetere ontwerpformules is nader theo-retisch enexperimenteelonderzoekno-dig.Ontwerp en constmctieDoor toepassing van hoogwaardig be-ton kunnen constructie-afmetingen(engewicht) aanzienlijk worden beperkt.Met name voor op buiging belaste con-structies kan dit gepaard gaan met stijf-heidsverlies, zodat de doorbuigingseismaatgevend wordt. Bijzondere voorde-len zijn mogelijk bij op druk eu/of af-schuiving belaste elementen zoals wan-den en kolommen.Bij detaillering moetaandacht worden geschonken aan despecifieke eigenschappen van hoog-waardig beton.Bij recente voorstudies voor platformsin waterdiepten groter dan 300 m bleekhet aantrekkelijk de constructievorm teveranderen bij gebruik van hoogwaar-dig beton. Zowordtvoor hetTroll-olie-veld gedacht aan de bouwvanplatformsmet ??n schacht, betonkwaliteit B 80.Ten opzichte van B 65 vermindert debetonhoeveelheid met 15% en wordt debouwtijd met ongeveer zes maandenverkort.BesluitHetmoge duidelijkzijndatermogelijk-heden zijn voor een toepassing vanhoogwaardig beton buiten het vakge-bied van de offshore. Wil Nederland indit opzicht niet achterop geraken, danzullenwe tenminste allertdeontwikke-lingen in andere landen zoals Noorwe-gen, Canada en Amerika moeten vol-gen. Wellicht moeten we meer doen.Literatuur1. Nordic Concrete Research, Publicationno. 5,Oslo, december 19862. Utilization of high strength concrete, Pro-ceedings ofSymposiumStavanger, Norway 15-18juni 19873. Sellevold,EJ., Nilsen, T., Condesed silica-fu-me in conrete, a world review; to be publishedby Canmet, Canada 1987Overdracht van schuifSpanningEen bijzonder probleem vormt de bere-kening van de schuifspanningsover-dracht in hoogwaardig beton. Deze zoumogelijk minder effectiefzijn door eenrelatief glad oppervlak bij scheurvor-ming door de toeslagkorrels. Momen-teel zijn de ontwerpregels veelal eenmodificatievandievoor normaal beton.Bijvoorbeeld in de wanden van zwaarbelaste constructie-elementen leidt ditsoms torsterkewapeningsconcentraties.Cement 1987 nr. 10 49