O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSt aalvezelbetoncement 2004 4 811 | Boorplan van vijftienverticale en horizontalecilinders (dimensies inmm)2 | Het splijtproefstuk metde positie van drie ver-plaatsingsopnemers(LVDT's) (het snijvlakvoor de r?ntgenfoto isgrijs gemarkeerd)Het toevoegen van staalvezels aan beton voor tunnelseg-menten maakt het mogelijk betonstaal geheel of gedeel-telijk te vervangen; een deel van de Tweede Heine-noordtunnel is met zulke elementen vervaardigd. Dezetunnelsegmenten kunnen een economische oplossingzijn omdat het productieproces wordt vereenvoudigd enbelastingen die tijdens brand of gedurende de bouwfaseoptreden, beter kunnen worden opgenomen. Betonnenprefab producten worden in Nederland al voor een grootdeel van zelfverdichtend beton gemaakt; het toevoegenvan staalvezels is een interessante optie, die de voordelenvan zelfverdichtend beton en staalvezelbeton combi-neert. Kooiman [1] heeft eerder de invloed van het vloei-en en het trillen van conventioneel staalvezelbeton op deverdeling en de ori?ntatie van de vezels onderzocht. Ditartikel beschrijft een onderzoek aan twee tunnelsegmen-ten geproduceerd met zelfverdichtend staalvezelbeton.Twee tunnelsegmenten zijn vervaardigd uit zelfver-dichtend staalvezelbeton met een vezelgehalte van 60kg/m3. De mengsels hiervoor zijn aan de TechnischeUniversiteit in Delft ontwikkeld [2]. De mengsels be-vatten een iets verhoogd cementlijmgehalte, de ver-houding tussen zand (0,125-4 mm) en grind (4-16mm) is hoger (68 Vol.-%) in vergelijking met conven-tioneel zelfverdichtend beton. De vezellengtes warenverschillend voor beide segmenten (Lf= 30 mm:Dramix 45/30 BN en Lf= 60 mm: Dramix 80/60 BN).Tabel 1 laat de mengselsamenstelling van het basis-mengsel zien. Voor de mengselsamenstelling is hetvolume superplastificeerder in het volume water mee-gerekend.P r o e f o p s t e l l i n gDe lengte van de bekisting was 4,23 m; de breedte 1,47m en de dikte 0,40 m. Uit elk segment werden dertigboorkernen ?144 mm genomen; vijftien om de splijt-treksterkte te meten en vijftien om met r?ntgenfoto'sde ori?ntatie van de vezels te bepalen. Figuur 1 toontde posities van de vijftien boorkernen van de eersteserie cilinders; ze zijn loodrecht op het oppervlak vanhet tunnelsegment geboord. Extra boringen (figuur 1:zwarte punten) waren soms nodig om de horizontalecilinders uit het segment te kunnen verwijderen.De vezels zijn na het mengen van het zelfverdichtendbeton in een stationaire dwangmenger en het lossenin een truckmixer via de vulopening van de truckmixeraan de betonspecie toegevoegd. Gestort werd preciesin het midden van de bekisting via een stortgoot. Dooreen tweede serie boorkernen uit de andere helft vanhet segment (puntsymmetrie t.o.v. het midden infiguur 1) te nemen konden de splijttreksterkten metTunnelsegmenten uit zelfver-dichtend staalvezelbetonDipl.-Ing. S. Gr?newald, prof.dr.ir. J.C. Walraven, TU Delft, faculteit CiTGing. B.K.J. Obladen, J.W. Zegwaard, T&E Consult / Strukton GroepM. Langbroek, Cementbouw Betonmortelir. D. Nemegeer, BekaertW e t e n s c h a pstorten300 mm150150B/12B/12L/14 L/14 L/14 L/1443 mm43 mmPPLVDTLVDTLVDTD/12D/12Tabel 1 | Mengselsamenstelling van zelfverdichtend vezelbetonvoor tunnelsegmentencomponent [kg/m3]CEM III/B 42,5 N ENCI IJmuiden 382poederkoolvliegas SMZ 179zand (0,125-4 mm), Noordzee 1044grind (4-16 mm), Noordzee 489volume effectief water(incl. volume superplastificeerders) 183superplastificeerders Glenium 51/27 2,43/1,17staalvezels 60O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSt aalvezelbetoncement 2004 482de resultaten van de analyse van de r?ntgenfoto'sworden vergeleken. Om het effect van de bekisting-wanden op de ori?ntatie van de vezels niet in de proef-stukken mee te nemen, werd een afstand van 150 mmvan de wand aangehouden. Ook werd een stuk (50mm) van elke kant van de cilinders verwijderd; delengte van de proefstukken was dus 300 mm. De splijt-proeven werden na 28 ? 1 dagen vervormingsgestuurduitgevoerd (vervormingsnelheid: 1,0 ?m/s). In totaalwaren zes opnemers aan de voor- en achterkant aan-gebracht (fig. 2). Hierdoor kon worden bepaald waarde eerste scheur optrad. Gestuurd werd op het ge-middelde van de registraties van de twee opnemers inhet midden van de cilinder (aan voor- en achterkant).In de analyse is de maximale kracht uit de splijtproefgebruikt. Deze kan, afhankelijk van de invloed van devezels, direct na eerste scheurvorming of pas later, bijeen grotere vervorming, optreden.Van de tweede serie van cilinders werden schijfjes van18 mm dikte gezaagd. Door tellen van het aantal vezelsop een lijn (in werkelijkheid een vlak) op de r?ntgenfo-to kan het ori?ntatiegetal worden berekend [3]. De sa-menhang tussen het ori?ntatiegetal en Nf(aantalvezels in een vlak), Vf(volume vezels) en Af(doorsnedevan een vezel) is [4]:VfNf= ?????? ? AfDe proefopzet was zodanig dat de resultaten van desplijtproeven en de ori?ntatiegetallen direct kondenworden vergeleken. Door cilinders in verschillenderichtingen te beproeven, kon de invloed van de ori?n-tatie van de vezels worden onderzocht [1]; de vezelswerken namelijk vooral in de richting loodrecht op hetscheurvlak.S t o r t e n e n u i t e r l i j k v a nd e t u n n e l s e g m e n t e nDe vezels be?nvloeden de eigenschappen van zelfver-dichtend beton: na het toevoegen worden de vloeimaaten de stroomsnelheid kleiner. Afhankelijk van de ei-genschappen en de samenstelling van het mengsel kanmaar een bepaalde maximale hoeveelheid vezelsworden toegevoegd [2]. De vloeimaat van het mengselmet 80/60 BN vezels was 620 mm (trechtertijd: 11,5 s)respectievelijk 590 mm (12,0 s) voor het mengsel met45/30 BN vezels. Beide mengsels waren stabiel; r?nt-genfoto's toonden een homogene verdeling van devezels over de hoogte. Foto 3 laat het mengsel met 80/60BN vezels na het bepalen van de vloeimaat zien. Foto 4toont het vullen van de bekisting.Het storten van het mengsel met 45/30 BN vezelsduurde 9,5 minuut (volume van een element: 2,5 m3).Na het ontkisten waren scherpe kanten en details aande zij- en onderkant te herkennen. Door een teveel aanbekistingsolie in het laagste punt trad ontmenging vancementlijm op. Onder de afdekking (bovenkant van hetsegment) waren luchtinsluitingen te herkennen, watmet een nabewerking zou kunnen worden verholpen.Om vorming van lagen in het zelfverdichtende beton tevoorkomen, is de stortsnelheid van het mengsel met80/60 BN vezels verhoogd (storttijd: 2 minuten), wat3 | Zelfverdichtend vezelbe-ton (vloeimaat: 620 mm,mengsel met 60 kg/m380/60 BN mm vezels)4 |Uitstromen van zelfver-dichtend beton in de tun-nelbekisting via de stort-goot5 | Tunnelsegment geprodu-ceerd met zelfverdich-tend vezelbetonO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSt aalvezelbetoncement 2004 4 83echterweleengroterehoeveelheidluchtinsluitingentotgevolg had. Foto 5 toont een tunnelsegment na ontkis-ten.Foto 6 laat zowel de scherpe kanten als ook de kleineluchtinsluitingen aan de zijkant van het tunnelsegment(mengsel met 45/30 BN vezels) zien. Rekening houdendmet de genoemde aspecten, is het uiterlijk van de tun-nelsegmenten niet principieel verschillend van hetgeenvoor zelfverdichtend beton te verwachten is [5].E i g e n s c h a p p e n v a n z e l f v e r d i c h t e n ds t a a l v e z e l b e t o nDruk- en splijttreksterkteNa 28 dagen werd een kubusdruksterkte van 66,4 MPa(67,5 MPa), een splijttreksterkte van 5,7 MPa (5,6 MPa)en een E-modulus van 39020 MPa (39240 MPa) voor hetmengsel met 80/60 BN (45/30 BN) vezels bereikt. Dezeproefstukken werden separaat van de elementen ver-vaardigd. Figuur 7 toont de ontwikkeling van de druk- ensplijttreksterkten tot een ouderdom van 1, 3, 7, 14, 28 en91 dagen. De vezeltypes zijn door de verhouding L/D ende vezellengte gekenmerkt.TemperatuurontwikkelingDe temperatuur is door drie sets van drie thermokoppelsop negen verschillende posities gemeten gedurende vijfdagen na het storten van de elementen. De posities vande thermokoppels zijn weergegeven in figuur 8:De thermokoppels zijn per drie stuks op een wape-ningsstaafaangebracht.Dedriestavenzijnnahetstortendoor het stortluik geheel bovenin het element in hetbeton gedrukt (foto 9).Figuur 8 toont de nummering van de thermokoppels.Doordegekozenproefopzetkondetemperatuurgradi?ntin verschillende richtingen worden bepaald. Thermo-koppel 9 heeft niet goed gefunctioneerd. De metingenwerdenviaeen64-puntsdataloggeropgenomen(foto10)en digitaal opgeslagen.Temperatuurverloop in de verhardingsfaseIn figuur 11 is duidelijk is te zien dat de volgende dagom ongeveer 12.00 uur de bekisting is opengeklapt: erzit een duidelijke dip in de temperatuurontwikkeling.Toen het element weer werd afgedekt, steeg de tempe-ratuur weer. Na vier dagen was het element zover afge-koeld, dat het de heersende omgevingstemperatuur gingvolgen.Splijtproeven met cilindersIn de figuren 12 en 13 worden de splijttreksterkten(maximale waardes) en de ori?ntatiegetallen van tweetunnelelementen voor mengsels met 45/30 BN en80/60 BN vezels met elkaar vergeleken.Voor de 80/60 BN vezels is er de beste samenhangtussen beide eigenschappen; de splijttreksterktenhebbentevenseengroterebandbreedte.Deinvloedvande vezels op de lage splijttreksterkten is klein. De lange6 |Detailopname van de zijkant van een tunnelsegment (mengselmet 45/30 BN vezels)7 | Ontwikkeling van de druk- en splijttreksterkten8 |Posities van de thermokoppels in dwarsrichting van het ele-ment (dimensies in mm)druksterkte(MPa)01020304050607080901001 10 100ouderdom (dagen)01234567druk-45/30druk-80/60splijt-45/30splijt-80/60splijttreksterkte(MPa)23456789staf met driethermokoppels150 505050150150685 6851470O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSt aalvezelbetoncement 2004 484vezels be?nvloeden de splijttreksterkte in sterkeremate. De splijttreksterkte is afhankelijk van de positieen de ori?ntatie van de cilinder in het tunnelsegment.Figuur 14 laat de resultaten van de splijtproeven in hetmidden van de bekisting met toenemende afstand tothet punt van storten zien. Voor de posities L/4 en L/2zijn resultaten beschikbaar voor twee belastingsrich-tingen: evenwijdig aan en loodrecht op de stroomrich-ting bij het storten.Het blijkt dat in het punt van storten een iets hogeresplijttreksterkte dan gemiddeld wordt behaald. Dat be-tekent dat de vezels een relatief homogene verdelingin iedere richting hadden. Het mengsel valt op dit puntuit de stortgoot verticaal naar beneden en verdeelt zichin cirkels in de bekisting (Foto 4). Met toenemendeafstand tot het stortpunt worden duidelijkere verschil-len tussen de twee beproevingsrichtingen gemeten.Voor de lange vezels is het verschil groter. Opvallendis dat dit verschil met toename van de afstand nietafneemt. Nemegeer [6] vond dat de vezels zich instroomrichting richten; wanden speelden in dat on-derzoek een belangrijke rol. Verrassend was in dit on-derzoek dat de vezels bij L/4 en L/2 hoofdzakelijk zichniet in de stroomrichting maar loodrecht hieroprichten. De reden hiervoor kan zijn, dat de vezels al inde stortgoot een opgedrongen ori?ntatie meekrijgen,lange vezels in sterkere mate dan korte vezels. Nadatde vezels in de bekisting terechtkomen, blijven ze bijnaonveranderd in deze positie liggen. De conclusie isdaarom dat de invloed van de wanden op de ori?ntatievan vezels belangrijker is dan de invloed van hetstromen. De resultaten van de proefstukken geboordlangs de wanden bevestigen deze conclusie: de splijt-treksterkten liggen minder ver uit elkaar, omdat devezels geherori?nteerd worden. Door de manier vanstorten of door de vorm van de bekisting kan de veze-lori?ntatie en daarmee ook de eigenschappen van zelf-verdichtend vezelbeton worden be?nvloed. Foto 15toont de r?ntgenfoto's (80/60 BN vezels) voor het puntwaar de meest extreme ori?ntatiegetallen zijn gevon-den (positie: B/2 en L/2). De hoeveelheid vezels die der?ntgenfoto's in hoogterichting snijden zijn maatge-vend in het scheurvlak en bepalen de splijttreksterkte.C o n c l u s i e sVezels in het algemeen en staalvezels in het bijzonderverruimen de mogelijkheden voor zelfverdichtendbeton ? tunnelsegmenten zijn een interessante toe-passing. Op grond van het onderzoek naar de invloedvan het vloeien op de ori?ntatie van de vezels en op demechanische eigenschappen van het beton in tunnel-segmenten kunnen de volgende conclusies worden ge-trokken:? zelfverdichtend beton kan ook met relatief hoge ve-zelgehaltes worden geproduceerd. De homogeniteitvan de vezelverdeling is het belangrijkste ontwerp-criterium voor zelfverdichtend vezelbeton. De vezelswaren homogeen verdeeld in de tunnelsegmenten;? de ori?ntatie van de vezels is niet per definitie ho-mogeen in elke richting. Het vezeltype, de maniervan storten en de invloed van bekistingsvlakkenspelen een maatgevende rol;? door de wijze van produceren is het mogelijk de ve-zelori?ntatie en dus de vezeleffectiviteit te sturen. Ditis een interessante nieuwe uitdaging. 04-06-200212:0005-06-200200:0005-06-200212:0006-06-200200:0006-06-200212:0007-06-200200:0007-06-200212:0008-06-200200:0008-06-200212:0009-06-200200:0009-06-200212:0010-06-200200:001520253035404550T01-1T02-1T03-1T04-1T05-1T06-1T07-1T08-1specietempbutempdatum-tijdtemperatuur[C]9 |Aanbrengen van dewapeningsstaven metthermokoppels voortemperatuurmetingen10 | Temperatuurmetingmet een 64-punts data-logger11 | Temperatuurmetingentot een ouderdom vanvijf dagen (voor het seg-ment met Dramix 80/60BN staalvezels)O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eSt aalvezelbetoncement 2004 4 85L i t e r a t u u r1. Kooiman, A.G., Staalvezelbeton in de TweedeHeinenoordtunnel, voorkeurori?ntatie vezels t.g.v.productieproces. Stevinreport 25.5-98-3, Gebou-wen en Civieltechnische Constructies, TU Delft,1998.2. Gr?newald, S., Performance-based design of self-compacting fibre reinforced concrete. Proef-schrift, Gebouwen en Civieltechnische Construc-ties, TU Delft, 2004.3. De Keukelaere, G., Studie van de vezelverdelingen de invloed ervan op de mechanische eigen-schappen van staalvezelbeton. Afstudeerverslag,Laboratorium Magnel voor Gewapend Beton,Universiteit Gent, 1993.4. Krenchel, H., Fibre Spacing and Specific FibreSurface. Fibre Reinforced Cement and Concrete,The Construction Press, Engeland, 1975.5. Obladen, B.K.J., Ervaringen met zelfverdichtendbeton, Infrastructuur voor het kerntraject van deZuidtangent (4). Cement 2002 nr. 8.6. Nemegeer, D., Zelfverdichtend Staalvezelbeton.Constructeursmiddag, Betonvereniging, Ede, 1999.R2= 0.610.00.20.40.60.81.00 2 4 6 8ffctm,spl (max) (MPa)R2= 0.810.00.20.40.60.81.00 2 4 6 8(-)(-)ffctm,spl (max) (MPa)ffctm,spl(max)(MPa)02468Storten L/4 L/2positie van de cilindersD 45/30 BN, in stroomrichtingD 45/30 BN, loodrecht tot stroomrichtingD 80/60 BN, in stroomrichtingD 80/60 BN, loodrecht in stroomrichting12 | Splijttreksterkten enori?ntatiegetallen(Dramix 45/30 BN)13 | Splijttreksterkten enori?ntatiegetallen(Dramix 80/60 BN)14 | Vergelijking van demaximale splijttrek-sterkten in het middenvan de bekisting voorverschillende afstandentot het punt van storten15 | R?ntgenfoto's aan heteinde van de bekisting(B/2 en L/2) in twee ver-schillende richtingen(foto links: in stroom-richting (=0,24), fotorechts: loodrecht op destroomrichting(=0,91))