dr.ir.P.Stroeven en dr.G. de WindTH-Delft afdeling der Civiele TechniekVakgroep MateriaalkundeTen geleideDit artikelvan dr.ir.P.Stroeven en dr.G. deWind is een verkorte versie van een con-gresbijdrage van dezelfde auteurs voor de'International Conference on Bond in Con-crete', te houden in Paisley, Schotland van14 tot 16juni 1982. Een uitgebreide aankon-diging voor dit congres is gepubliceerd inCement 1981 nr. 10, blz. 657. Voor het con-gres zijn in totaal bijna 100 bijdragen aange-boden. Dit garandeert dat straks op eenbreedgebied verslag zal worden gedaan vanervaringen met hechtingsverschijnselen bijbeton, opgedaan in zowel onderzoek alsbouwpraktijk.De internationale erkenning van het onder-zoek, dat op dit gebied wordt verricht doorde Vakgroep Materiaalkunde van de TH-Delft, afdeling der Civiele Techniek, vindtweerslag in de deelname van de Vakgroepaan het 'Advisory Panel'. Over een deelvandat onderzoek wordt in Paisley gerappor-teerd; u vindt daarvan hier een korte neer-slag. Degenen die niet voornemens zijn hetcongres bij te wonen, kunnen hiermee ken"nis nemen van dit betononderzoek in Neder-land.RedactieCement XXXIV (1982) nr. 5Nieuwe inzichten in hethechtgedrag van staal enbetonOnderzoek naar het effect van een verschillendoppervlakteprofielvan ingebetonneerdestalenstavenop het onthechtingsgedrag in een uittrekproefInleidingTwee- of meerfase-materialen zoals ongewapend ofmet draad, vezels of staven gewapendbeton of mortel ontlenen hun mechanische eigenschappen voor een niet onbelangrijk deelaan hechting tussen de verschillende fasen. Bij het belasten van het composietmateriaal zaleen geleidelijk onthechten plaatsvinden. Voor wat de wapening betreft zal het grensvlak metde matrix overwegend aan schuifkrachten blootgesteld staan. Aan kennis van het uittrekge"drag van een wapeningselement (staaf of vezel), ingebed in een matrix, moet daarom eengroot belang worden toegekend. Het beste is daarbij uit te gaan van een gestandaardiseerdeproef om de resultaten vergelijkbaar te maken met de vele analoge resultaten beschreven inde literatuur. Inzicht in de mechanismen van krachtsoverdracht kan evenwel pas wordenverkregen door de structurele veranderingen ten gevolge van de belasting(verhoging)zichtbaar te maken en te analyseren.Onthechting bij staal-cementmortel (en -beton)De fenomenologie van het uittrekgedrag kan worden weergegeven met het kracht-verplaatsingsdiagram. Bij een enkel axiaal uitgetrokken staaf of vezel kunnen drie fasen inhet mechanisch gedrag onderscheiden worden.I. Bij oplopende,belasting worden aan het onbelaste staafeinde geen verplaatsingen gemeten.De vervormingen zijn (grotendeels) elastisch. Dekrachtsoverdracht in het grensvlak vindtplaats door middel van schuifkrachten tot ergens de schuifsterkte wordt overschreden. In depraktijk zal de schuifsterkte in belangrijke mate ontleend worden aan de zogenaamde'mechanical interlock' van twee op elkaar gedrukte oppervlakken. Deze drukspanningenworden opgewekt door de krimpende mortel.11. Het onthechtingsfront zal zich in stadium 11 meer of minder geleidelijk voortplanten langshet staafoppervlak. Details hiervan zijn niet alleen bepaald door de lokale spannings- envervorrningstoestanden maar door de gehele beproevingsopzet. Het onthechte medium kanook na een onderlinge verplaatsing van de contactoppervlakken van beide fasen nogspanningen overdragen in de belastingsrichting. Het daaraan ten grondslag liggende me-chanisme is echter dat van twee over elkaar glijdende, geleidelijk minder ruw wordendeoppervlakken. Ook de kracht waarmede de oppervlakken opeengedrukt worden zal geleide-lijk afnemen. Dan is evenwel als stadium 111 bereikt.111. Bij het begin van stadium 111 is het gezamenlijk oppervlak geheel onthecht. Glijden langs ditvlak resulteert in een afnemende wrijvingsco?ffici?nt. In dekracht-verplaatsingsgrafiekgaat de dalende lijn evenwel geleidelijk in een horizontale richting lopen, zodat een rest-sterkte onderkend kan worden.In stadium 11, waarin de krachtsoverdracht zich baseert op een gecombineerd schuif- enwrijvingsmechanisme, kan een maximum in de totale weerstand optreden. Afhankelijk vanmet narne de oppervlakteruwheid van het staal kan stadium 11 evenwel ook tot verwaarloos-bare proporties zijn teruggebracht. Het maximum in de grafiek wordt dan bereikt aan heteinde van stadium I.Het oppervlakteprofiel op microscopisch niveau speelt dus een overheersende rol in hetwaargenomen mechanisch gedrag van een uittrekproef. Dat voorspanstrengen zoals gele-verd en met een ouderdom van twee jaar, tot onderscheiden uittrekkarakteristieken aanlei-ding gaven, vormde de aanleiding de vermoede be?nvloeding van die karakteristieken doorde oppervlaktecondities aan een nauwkeuriger analyse te onderwerpen. Vooral het effectvan de staafruwheid op (het bestaan van) stadium 11 vormde een eerste doelwit van onder-zoek [1].Als men de staafoppervlakteruwheidwaarbij stadium 11 juist verdwijnt c.q. gaat optreden metde grensruwheid aanduidt, dan kunnen oppervlaktecondities in twee klassen onderschei-den worden, nl. de 'gladde' (met een ruwheid beneden de grensruwheid) en 'ruwe' opper-vlakken (met een ruwheid groter dan de grenswaarde). Oppervlakken die glad zijn leiden toteen quasi-bros gedrag, immers direct na het passeren van het maximljm in de weerstanddaalt deze zeer sterk. De ruwe oppervlakken geven aanleiding tot quasi-plastisch gedrag; de3171a-bSpannings-verplaatsingsdiagrammen,representatief voor respectievelijk gladdestaven (a) en staven met een relatief ruwoppervlak (b). Ra is een maat voor degemiddelde hoogte van de oneffenheden ophet staafoppervlak8 8T (N/mm1) T (N/mm1)16 IJ6IAU Rh 0.1 f-Lm I I4 42m 2I/) (mm)0 00.5 1.0 1.5IA2.2 Ra>5rmIm80.5 1.0 1.52Plaatsing van een proefstuk en frame in deINSTAON-bank3Microscopische opname van de grenslaagtussen een stalen staaf en de cementmatrix.Er heeft zich een glijvak gevormd in detussenlaag op een afstand van 15 ? 20 iLmvan hetstaaloppervlak(onder) van een ruwestaaf{Ra = 5 iLm)Cement XXXIV (1982) nr. 5zich geleidelijk ontwikkelende onthechting waarschuwt als het ware. Opvoeren van debelasting is dan nog mogelijk bij toenemende verplaatsingen van het vrije staafeinde (fig. 1).Slechts boven deze grensruwheid, die werd vastgesteld op ongeveer 1,2 iLm bleken zowel demaximale weerstand, als de reststerkte (of restweerstand) in aanzienlijke mate van deoppervlakteruwheid afhankelijk te zijn.In een vervolgonderzoek is de structurele onderbouwing van dit fenomenologisch onder-zoek bewerkstelligd. Daartoe is de toestand aan het grensvlak staal-matrix systematischoptisch onderzocht. Dit maakte het bovendien mogelijk microscopische en rasterelectro-nenmicroscopische onderzoekresultaten die beschreven zijn in de literatuur (meestal ge-richt op het grensvlak glas-cementmatrix) in het onderhavige werk te incorporeren.Experimenteel onderzoekDe 4,1 mm dikke middendraad van 12,5 mm dikke voorspanstrengen, kwaliteit OP 190,werden ingestort in kubussen met een riblengte van 40 mm, volgens deHILEM-aanbeveling7-11-128. Aanhechting wordt daarbij gerealiseerd over 20 mmo Een mengsel werd ontworpenmeteen maximale korrelgrootte van 8 mm en 350 kg portlandcement klasse B per m3 . Dewater-cemenfactor was 0,5. De druksterkte van dit mengsel bedroeg na 28 dagen tussen de35 en 40 N/mm2. Voor aanvullende details wordt hier verwezen naar de oorspronkelijkepublikaties[1,2,3].De proeven werden uitgevoerd in een verplaatsingsgestuurde pers (Instron). Daartoe werdeen speciaal frame ontworpen (foto 2). De relatieve verplaatsing van het vrije staafeindewerd gemeten met een inductieve verplaatsingsopnemer met een tweezijdige slag van 25mmo Series van 10 identieke proefstukken leverden de fenomenologische gegevens. Proef-stukken werden hieruit gekozen voor het optisch onderzoek. Het oppervlak van de stavenwas mechanisch opgeruwd. Het oppervlakteprofiel werd geregistreerd met een Taylor-Hobson-meter. De gemiddelde afwijking van het profiel ten opzichte van een gemiddeldewaarde (zgn. root-mean-square"value) werd als onafhankelijke parameter gekozen. Een enander leidt tot de Ra-waarde in iLm.Micromechanisch gedragGenoemde proefstukjes worden overlangs, axiaal doorgezaagd en het gedeelte rond hetgrensvlak wordt na impregneren met epoxyhars geschuurd en gepolijst. Microscopischewaarnemingen maakten het mogelijk het resulterende glijvlak te detecteren. Bij de interpre-tatie is vervolgens gebruik gemaakt van optische studies van de morfologie van de grens-laag. Zo komen verschillende onderzoekers tot de conclusie dat de eerste deklaag van hetstaal gevormd wordt door een dunne calciumhydroxide-film met een dikte van 1 ? 3 iLm [4,5].Het bestaan van een 20 tot 40 iLm dikkeovergangslaag naar de eigenlijke matrix toe, is dooreen aantal onderzoekers aangetoond, o.a. met microhardheidsmetingen [6]. Deze laag blijktporeuzer en minder sterk te zijn.De door de belasting ge?nduceerde microscheurvorming en de uiteindelijke vorming vanglijvlakken kan nu als volgt op dit structurele beeld ge?nt worden.Bij staafruwheden beneden de grensruwheid (Ra < 1,2 iLm) kunnen de staafoneffenhedenopgenomen worden in de dunne film. Daarbij moet bedacht worden dat de Ra-waardeminder dan de helft van de profieldiepte representeert. Hechtings- en wrijvingsweerstandworden dus hier bepaald door opeengedrukte relatief gladde oppervlakken. Pas bij toene-mende Ha-waarden zullen oneffenheden van het staal in significante hoeveelheden deovergangslaag binnendringen. Microscheurvorming langs het filmoppervlak zal dan intoenemende mate vergezeld moeten gaan van scheurvorming in de grenslaag. Het 'ploeg-schaareffect' van de oneffenheden is debet aan de bijdrage van de druksterkte van de matrixaan de maximaal uit te oefenen weerstand. Deze oneffenheden zullen aanvankelijk mate-riaal voor zich uit opstuiken (de ploegschaar is bot). Dit matrixmateriaal zal verbrijzelen engedeeltelijk weggedrukt worden in een richting loodrecht op de staafas. Dit zal leiden totsecundaire drukspanningen in radiale richting. Naast het toenemen van het aantal oneffen-heden dat zijn bijdrage hieraan levert bij toenemende Ra-waarde (resulterend in een ver-hoogde waarde van de wrijvingsco?ffici?nt bij glijden), zal ook de normaalspanning op hetscheuroppervlak toe kunnen nemen. De maximale weerstand zal hiervan optimaal kunnenprofiteren. Voor wat betreft de restweerstand valt te verwachten dat slechts geprofiteerd kan318,8 T (N,Anm2)I ~~,_.~----o , 2~ DOMAlN I~OOMAINI I - _ - - - - -4Max?male schu?fsterkten enwrijvingsweerstanden gevonden in deu?ttrekproeven. De overgangsruwheid isaangegeven. Hor?zontaal is de staafruwheiduitgezet5aType staaf zoals gebru?kt ?n het onderzoek5bDeze m?croscop?sche opname toont der?bbe van 1 mm hoogte en het daarv??ropgestuikte matr?xmateriaal,Cement XXXIV (1982) nr. 5worden van een deel van de secundaire drukspanningen. Het uiteindelijke glijvak zal name-lijk liggen buiten het ruwheidsprofiel (foto 3).Dit beeld wordtbevestigd door de gevonden sterkteresuItaten,zoals weergegeven in figuur 4.Gedeformeerd staalEen logische uitbreiding naar gedeformeerde staven is thans mogelijk. In de beschrevenopstelling zijn daarom 10 mm dikke staven met ribben van 1 mm getest (foto 5). In principezou een structureel onderzoek analoog aan het voorgaande uitgevoerd kunnen worden. Deopgewekte secundaire ringtrekspanningen zijn bij deze dikkere staven evenwel voldoendeom de geringere dekking te doen opensplijten. Stadium 111 kon hier dus niet eenvoudigmeegenomen worden in het onderzoek. De tot nu toe behaalde resultaten zijn evenwelinteressant genoeg.Ook hier zal tussen de ribben een onthechting onder belasting plaatsvinden alsofde ribbenafwezig waren. Daarenboven zal voorde ribben uit materiaal worden opgestuwd, verbrijzelden geroteerd. Dit 'sneeuwschuivereffect' (versterkt door de onthechting langs het grens-vlak) is zichtbaar op foto 5. Pas als de ribben dicht opeen voorkomen zal de grensvlakont-hechting ertussen onderdrukt worden [5].Op hoger structureel niveau gebeurt nu hetzelfde als bij de micro-oneffenheden. Tenslottezal uittrekken plaatsvinden langs een glijvlak dat de staaf en ribben zal omsluiten. Hetsneeuwschuivereffect resulteert net als bij de micro-oneffenheden echter in radiale druk-krachten, maar ook in ringtrekspanningen. De eerste kunnen tot verhoogde maximaleweerstand en restweerstand leiden, mits de ringspanningen maar onderdrukt worden doorvoldoende opsluiting van het materiaal (bijv. voldoende dekking).NaschriftDe drijfveer voor het onderzoek in de Vakgroep Materiaalkunde, namelijk de relaties die erbestaan tussen de materiaalstructuur en het mechanisch/fysisch materiaalgedrag, vindtook zijn weerslag in de aanpak van het onderhavige onderzoek. Via kennis van de mate-riaalstructuur, hier beperkt tot de grenslaag tussen staal en beton, wordt nieuw inzichtverkregen in het onthechtingsgedrag onder belasting. Hierbij kan aan gewapend beton,maar zeker ook aan staalvezelbeton worden gedacht. Een dergelijk inzicht kan de betondes-kundige helpen gecompliceerd mechanisch gedrag te interpreteren, bijvoorbeeld in CUR-VB-verband. Het is d? basis waarop een vergelijking van onderzoekresultaten mogelijkwordt, zodat een zinvolle implementatie ten behoeve van de bouwpraktijk gerealiseerd kanworden, zoals in de vorm van betonvoorschriften. Tenminste een kwalitatieve voorspellingwordt mogelijk gemaakt van materiaalgedrag dat het gevolg is van grensvlakonthechtingonder belasting. Materiaalverbeteringen kunnen zo meer systematisch tot stand wordengebracht. Voorbeeld: bewerking van staalvezels om de oppervlaktetextuur gunstig tebe?nvloeden.Het is niet onwaarschijnlijk dat andere grensvlakkenin beton (bijvoorbeeld die tussentoeslagkorrels en mortel) onder belasting analoog zullen reageren. Het beschreven onder-zoek wordt daarom in die richting voortgezet. Andere mogelijke toeslagmaterialen dangrind, waaronder die verkregen door recycling, kunnen zo vooraf tenminste kwalitatief ophun merites getoetst worden. Mogelijk profijtelijke toepassingen van hulpstoffen voor debe?nvloeding van het hechtgedrag kunnen wellicht in eenzelfde kader worden bekeken.De afstand tussen het beschreven onderzoek en de bouwpraktijk is natuurlijk nog zo grootdat het aangeven van kwantitatieve toepassingen (waarin de constructeur primair ge?nte-resseerd is) wel erg specu latief zou zijn. De kwalitatieve toepassi ng bij vele problemen die temaken hebben met sterkte en stijfheid onder mechanische belasting is echter evident.Literatuur1. Staveren, R.J. van, Bond of V2 "prestressing strands in concrete. Stevin Laboratory, Aug.1977, Graduation work (in Duteh)2. Stroeven, P., Staveren, R.J. van, Wind, G. de, Der Mechanismus der Verbundaufl?sung beiAusziehversuchen. Tagungsberichtelnternationales Kolloquium Ober das Festigkeits- undVerformungsverhalten von Beton, 18-20 April 1979, Dresden pp. 303-3243. Stroeven, P., de Wind, G., Mechanicsof debonding in pull-out testing, Rep. 1~81-2 StevinLaboratory, Delft, May 19814. Harnes, B.D., Diamond, S., Doleh, W.L., The contact zone between Portland Cement andglass 'aggregate' surfaces. Cem. Concr. Res., 8,19785. Rehm, G. Ueber die Grundlagen des Verbundes zwischen Stahl und Beton. D.A.FoS., 138,19766. Lyubimova, T.Y., Pinus, E.R., Crystallization structure in the contact zone between aggrega-te and cement in concrete. J. Colloid J. USSR., 24,1962319