2 Magnetisch georiënteerd staalvezelbeton De invloed van staalvezels in beton hangt sterk af van de oriëntatie van deze vezels. In een afstudeeronderzoek aan de TU Eindhoven is een methode ontwikkeld om deze vezeloriëntatie te beïnvloeden met behulp van een magnetisch veld in een elektro- magnetische spoel. De resultaten zijn veelbelovend. 1 Afstudeeronderzoek naar het richten van staalvezels in zelfverdichtend beton Magnetisch geori?nteerd staalvezelbeton 2015 3 Beton is een bros materiaal, bezit een relatief lage treksterkte en heeft weinig rotatiecapaciteit. Om het geschikt te maken als constructiemateriaal wordt al decennialang staal toegevoegd in de vorm van wapeningsstaven. Deze wapening staat organische vormen in de architectuur veelal in de weg. Met de introductie van staalvezelbeton leken de architectonische mogelijkheden eindelijk te worden vergroot. Het werd mogelijk flexibelere mallen te creëren omdat men niet of minder werd gehinderd door de starre en lastig te vervormen wapeningsstaven. De regelgeving kwam echter nooit van de grond, onder meer doordat de vezelverdeling over de doorsnede van staalvezel- beton niet constant bleek te zijn. Met CUR-Aanbeveling 36 en CUR-Aanbeveling 111 is slechts het construeren van elastisch ondersteunde vloeren toegelaten. Dat heeft grootschalige toepassing in de praktijk flink in de weg gestaan. Het functioneren van staalvezelbeton is gebaseerd op de energie die is benodigd voor het onthechten en vervormen van de staalvezels na het scheuren van de constructie. Uit onder- zoek blijkt dat deze energie maximaal is als de vezels zich onder een hoek van 30° ten opzichte van de belastingsrichting rang- schikken [1, 2, 3]. Om dit te realiseren, is in een afstudeeronder- zoek op de TU Eindhoven een nieuwe methode ontwikkeld om vezels te kunnen richten in een verse betondoorsnede. De methode houdt in dat met behulp van een elektromagnetische spoel een magnetisch veld wordt opgewekt. De spoel wordt vervolgens over een mal met vers beton bewogen. De aanwe- zige staalvezels zullen zich willen oriënteren naar de magneti- sche veldlijnen van de spoel, die in de overspanningsrichting liggen. De methode richt zich op de prefab-betonindustrie en omdat daar veelal zelfverdichtend beton (ZVB) wordt toege- past, is dit materiaal als uitgangspunt genomen. De doelstelling van het onderzoek is het verhogen van de effectiviteit van staal- vezels in staalvezelbeton. Ontwerpen elektromagnetische spoel Om inzicht te krijgen in hoe vezels zich in beton gedragen onder invloed van een magnetisch veld, is een spoel van beperkte afmeting ontworpen. De sterkte van het magnetisch veld dat nodig is om vezels in beton te richten, is bepaald aan de hand van een eenvoudige proef. Cement en water zijn gemixt met een water-cementfactor van 0,4 waarna een aantal staalvezels is gericht met behulp van een hoefijzermagneet. Een ontwerpsterkte van het magnetisch veld van B = 0,25T blijkt het mogelijk te maken een staalvezel te oriënteren. Op basis van de resultaten van deze proef is een spoel met een diameter van 110 mm ontworpen. Het aantal windingen en lagen van de spoel is daarbij bepaald met behulp van de eindige-elemen- tensoftware FEMM (Finite Element Method Magnetics). In figuur 2 is de veldsterkte uitgezet ten opzichte van de positie van de spoel. De veldsterkte is na het fabriceren van de spoel met behulp van een veldmeter nagemeten en blijkt binnen 15% afwijking te vallen. ir. Mark Wijffels 1) 1 Elektromagnetische spoel die is gebruikt om proefbalkjes te oriënteren 2 Het verloop van de veldsterkte B binnen de elektromagnetische spoel; in het witte kader wordt de veldsterkte als nagenoeg homogeen beschouwd (± 10%) 1) Mark Wijffels is met het afstudeeronderzoek 'Magnetically orienting steel fibres in self-compacting concrete' [6] afgestudeerd aan de TU Eindhoven, faculteit Bouw- kunde. Afstudeerhoogleraar was prof.dr.ir Theo Salet (TU/e). In de afstudeercom- missie hadden verder zitting dr.ir. Leo Pel (TU/e) en ir. Math Pluis (Spanbeton BV). ENCI Studieprijs 2014 Dit is het tweede artikel in een serie met bijdragen van prijswin- naars van de ENCI Studieprijs 2014. De studie die in dit artikel wordt beschreven, ontving de tweede prijs in de categorie Universiteiten. De jury over deze studie: "[?]. De jury heeft veel waardering voor het theoretisch ontwerp van de spoel, de expe - rimenten die zijn uitgevoerd bij verschillende stroomsterkte- niveaus in relatie tot de viscositeit van het mengsel en de analyse van het resultaat, compleet met beeldverwerkingstechnieken. Waardering vooral ook voor de durf om een nieuw onderzoeks- gebied te betreden, zonder een zekerheid op resultaat. Het onderzoek is zeer uitgebreid opgezet en van hoog niveau. De onderzoeker geeft blijk van een volwassen zelfkritische houding ten opzichte van de onderzoeksresultaten en inspireert hopelijk velen met een onwrikbare overtuiging dat, mits juist toegepast, de methode in de praktijk moet kunnen werken." 2 7,70 · 10 -2 6,12 · 10 -2 4,15 · 10 -2 2,17 · 10 -2 3,95 · 10 -2 Magnetisch geori?nteerd staalvezelbeton 2015 4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 0,5 1,01,52,02,5 MPZ 50 x 0,8 MPZ HT 50 x 1,0 3D 4D 5D tijd [s] stroomsterkte [A] 3 De tijd die het kost om vezels te oriënteren, neemt exponentieel af naarmate de veldsterkte toeneemt 4 Meerdere vezels in een magnetisch veld hebben de neiging om ketens te vormen 5 Houten frame dat is gebruikt om de bekisting door het hart van de spoel te verplaatsen Interactie tussen meerdere vezels met toeslagmateriaal De vorige proef is herhaald maar nu met de toevoeging van grind. Het doel van de proef is te observeren of het mogelijk is de vezels te oriënteren ondanks de aanwezigheid van grove korrels in het betonmengsel. Het blijkt dat de vezels geen hinder ondervinden van de aanwezigheid van korrels. Indien een grindkorrel in het rotatiepad van een vezel ligt, is deze in staat de korrel weg te drukken. Het blijkt dat ook hier ketens van vezels worden gevormd. Full-scale-proeven Met de ervaring die is opgedaan tijdens het uitvoeren van de verkennende proeven is het onderzoek uitgebreid naar het oriënteren van vezels in een smal betonbalkje. Omdat de al ontworpen spoel niet van voldoende omvang was, is een Verkennende proeven Om meer inzicht te krijgen in het gedrag van staalvezels in een viskeuze vloeistof onder invloed van een magnetisch veld, is een serie verkennende proeven uitgevoerd. Door toepassing van een doorzichtige olie zijn de resultaten zichtbaar gemaakt. Naast het vergroten van de zichtbaarheid is het voordeel van het gebruiken van olie dat deze niet hoeft te worden gemixt. Bovendien kan olie worden hergebruikt omdat deze niet verhardt. De olie heeft een viscositeit van 60 Pa · s en een vloei- drempel (de waarde van afschuifspanning waarboven stroming optreedt) van 0 Pa. Deze viscositeit komt overeen met een doorsnee zelfverdichtend betonmengsel. De proeven hebben betrekking op de volgende aspecten: ? rotatiegedrag van een enkele vezel; ? interactie tussen meerdere vezels; ? interactie tussen meerdere vezels met toeslagmateriaal. Rotatiegedrag van een enkele vezel Een bakje met siliconenolie werd in het magnetisch veld gebracht. De tijd die nodig was om een enkele vezel te draaien onder invloed van een variërende veldsterkte is gemeten. De proef is uitgevoerd voor vijf typen vezels. Het blijkt dat de tijd benodigd om een enkele vezel te draaien logaritmisch afneemt ten opzichte van de veldsterkte (fig. 3). Interactie tussen meerdere vezels Een aantal staalvezels is opgeknipt, vanwege de beperkte spoel- diameter, en willekeurig in siliconenolie en in een magnetisch veld geplaatst. Het magnetische veld zorgt ervoor dat zich aaneengesloten kettingen van vezels vormen, doordat elk vezel- tje een magneet op zich wordt met een eigen plus- en minpool (foto 4). Deze strengen hebben de voorkeur om richting de windingen van de spoel te trekken. Dat komt doordat het veld niet helemaal homogeen is. 3 4 5 Magnetisch geori?nteerd staalvezelbeton 2015 5 6 Röntgenfoto's van de staalvezels, bewerkt tot een zwart-witafbeelding Het blijkt dat de momentcapaciteit hoger is naarmate meerdere vezels de optredende scheur doorkruisen. Het oriënteren van staalvezels heeft dus een positief effect op de momentcapaciteit. Na het beproeven werd wederom een röntgenonderzoek uitge- voerd naar de vezeloriëntatie. In figuur 6 worden de röntgen- foto's van een proefbalkje weergegeven. Het balkje is zowel verticaal (1, 2, 3) als horizontaal (A, B, C) in drieën opgedeeld. Het mengsel toont een lichte segregatie en de vezelverdeling is niet homogeen, door de invloed van het magnetische veld. De vezels bleken echter goed richtbaar. Doordat het magnetisch veld niet geheel homogeen is, hebben de vezels echter de neiging naar buiten toe te bewegen. Naarmate het balkje in zijn geheel door de spoel is gehaald en van de spoel af beweegt, blijven de vezels in lichte mate aangetrokken door het veld. De staalvezels rangschikken zich dan ook in de buitenste derden van de balkjes (A en C). Conclusie De aanwezigheid van staalvezelbeton in een magnetisch veld leidt er toe, dat de staalvezels zich naar de belastingsrichting oriënteren. Onderzoek wijst uit dat indien de vezels een hoek van 30° met de belastingsrichting maken, zij zich optimaal nieuwe spoel ontworpen. De diameter daarvan bedroeg 310 mm, zodat een balkje van 150 × 150 × 600 mm 3 met bekisting door het hart van de spoel kon bewegen. Om dat te realiseren, is een houten frame gemaakt (foto 5). Het frame is zo geconstrueerd dat de bekisting met behulp van een houten rad kan worden verplaatst. De snelheid waarmee de bekisting wordt voortbe- wogen, kan bij benadering constant worden gehouden doordat het aantal omwentelingen per minuut vooraf wordt bepaald. De afwijking van het systeem blijkt 10% te bedragen. Doordat het frame van hout is gemaakt, beïnvloedt het de veldlijnen van het magnetisch veld niet. Het zelfverdichtend betonmengsel dat is gebruikt voor de proeven is afkomstig uit het PhD-onderzoek van Grünewald [4]. Er is gekozen voor een mengsel met een lage vloeidrem- pel en minimaal een betonkwaliteit van C65, om als prefab mengsel te kunnen worden gecategoriseerd. Dat maakt het mogelijk de staalvezels te richten met een relatief lage magne- tische veldsterkte. Om het mengsel over een periode van een uur verwerkbaar te houden, is de verhouding superplastifi- ceerder aangepast ten opzichte van het origineel. In tabel 1 worden de eigenschappen van het mengsel weergegeven. Met het mengsel werd een serie van 12 balkjes gestort. Er werd gevarieerd met de veldsterkte en de doorloopsnelheid van de bekisting door de spoel. Daarvoor is een voeding met een capa- citeit van 25 A en 120 V gebruikt. Om het effect van de para- meters op de oriëntatie van de vezels in kaart te brengen, werd een onderzoek uitgevoerd met röntgenapparatuur (beschikbaar gesteld door Fontys Paramedische Hogeschool Eindhoven). Elk balkje werd in 20 plakken gesneden waarna elke plak werd gefotografeerd. Deze foto's zijn vervolgens bewerkt tot een zwart-witafbeelding. Vervolgens is met een Fourieranalyse de richting en intensiteit van de vezeloriëntatie bepaald. Hierdoor kon de optimale veldsterkte en snelheid voor het oriënteren van staalvezels in een specifiek mengsel worden bepaald. Het blijkt dat het goed mogelijk is de vezels in ZVB te richten. Tevens blijkt dat de vezels ook hier de neiging hebben elkaar aan te trekken en naar het punt met de hoogste veldsterkte willen verschuiven. Momentcapaciteit In een aanvullend onderzoek [5] is het effect van het oriënteren op de momentcapaciteit van een serie balkjes onderzocht. Met de input van de full-scale-proeven werd een nieuwe serie balkjes van 100 × 100 × 400 mm 3 gestort. De vezels werden handmatig in het beton geplaatst, daar waar de scheur zou optreden. Vervolgens werden de vezels magnetisch gericht. Na een uithardingstijd van 28 dagen werd de serie beproefd in een driepuntsbuigproefopstelling. Tabel 1 Samenstelling van het mengsel dat is gebruikt voor het storten van een serie proefbalkjes omschrijving [kg/m 3] CEM I 52,5 R 143 CEM III 42,5 N 269 vliegas 173 water 191 grof toeslagmateriaal (4-16 mm) 481 zand (0,125-4 mm) 1045 superplastificeerder Glenium 27 6,1 superplastificeerder Glenium 51 0,83 stabiliseerder Glenium Stream 2006 2,7 water-cementfactor 0,44 water-bindmiddelfactor 0,39 staalvezels MPZht 50 × 1,0 0,50% 6 Magnetisch geori?nteerd staalvezelbeton 2015 6 7 Röntgenfoto's van een al beproefd balkje.; er is geen notch gemaakt om ervoor te zorgen dat het proefstuk bezwijkt op het zwakste punt ? LITERATUUR 1 Armelin, H.S., Banthia, N., Predicting the Flexural Postcracking Perfor - mance of SteelFiber Reinforced Concrete from the Pullout of Single Fibers. ACI Materials Journal, 94(1), 1997, pp. 18-31. 2 Banthia, N., Trottier, J., Concrete Reinforced with Deformed Steel Fibers, Part I: Bond-Slip Mechanisms. ACI Materials Journal, 91(5), 1994, pp. 435-446. 3 Svec, O., Skoecek, J., Stang, J., Olesen, J.F., Thrane, L.N., Application of the fluid dynamics model to the field of fibre reinforced self-compac- ting concrete. Proceedings of the Numerical Modeling Strategies for Sustainable Concrete Structures (NMSSC), Rossi, P. and Tailhan, J.-L., eds., Aix-en-Provence, 2012, pp. 1-9. 4 Grünewald, S., Performance-based design of self-compacting fibre reinforced concrete. PhD thesis, Delft, 2004. 5 Wijffels, M.J.H., Wolfs, R.J.M., Suiker, A.S.J., Salet, T.A.M., Magnetic Orien- tation of steel fibres in self-compacting concrete beams, 2015. 6 Wijffels, M.J.H., Magnetically orienting steel fibres in self-compacting concrete. MSc thesis, Eindhoven University of Technology, 2013. gedragen. De vezels onderling gedragen zich als staafmagne- ten in het veld ? ze trekken elkaar aan en stoten elkaar af en worden daarbij niet gehinderd door de aanwezigheid van toeslagmateriaal. Door het vergroten van de homogeniteit van het magnetisch veld kan er voor worden gezorgd dat de vezel- verdeling niet wordt gewijzigd, terwijl de vezels wel worden gericht. Het oriënteren van de vezels blijkt een positieve invloed te hebben op de momentcapaciteit van de proefstuk- ken. De resultaten van het onderzoek bewijzen dat het combineren van disciplines soms tot innovatieve resultaten kan leiden. Het introduceren van magnetisme zorgt er immers voor dat de staalvezels in het betonmengsel beter worden benut. Wanneer de technische innovatie wordt doorgezet, kan worden bespaard op materiaalkosten. In een sector waarin de marges constant onder druk staan, kan dit van doorslag- gevend belang zijn. ? 7a 7b 7c Magnetisch geori?nteerd staalvezelbeton 2015