thema UHSB, toekomstmuziek? 6 2 012 4 thema UHSB, toekomst muziek? HSB, ZHSB en UHSB worden omarmd 04_09 2_Superbeton.indd 4 13-09-2012 08:34:26 UHSB, toekomstmuziek? 6 2 012 5 1 Detail van de gevel van het Stade Jean Bouin in Parijs van Rudy Ricciottifoto: Christophe Durand, Lyon Mengsel en grondstoffen De basismaterialen voor normaal grindbeton (C25/30, water- cementfactor 0,55 ? 0,60) zijn zand, grind, water en cement. Van die grondstoffen is vooral het toegepaste cement ? in Nederland vaak hoogovencement CEM III 42,5 ? bepalend voor de druksterkte. Ook de water-cementfactor is van grote invloed. Om te komen tot hogere betonsterkten zijn relatief eenvoudige wijzigingen in de mengselsamenstelling nodig. De water-cementfactor wordt in stapjes verlaagd, dus minder water, en het cementgehalte gaat omhoog. Hiermee neemt de dichtheid en ook de sterkte toe. Door de lagere hoeveelheid water gaat ook de verwerkbaarheid omlaag. Om die verwerk- baarheid te vergroten, worden plastificeerders toegevoegd. Verlaging van de water-cementfactor tot circa 0,3 (voorname- lijk door toevoeging van meer cement) zorgt theoretisch voor nog hogere druksterkten dan volgens de Eurocodes is beschreven. We komen dan terecht in de classificatie zeer- hogesterktebeton en ultra-hogesterktebeton (de Eurocode gaat tot hogesterktebeton). Hogere druksterkten kunnen echter niet alleen meer worden bereikt door verlaging van de water- cementfactor. Bovendien is om UHSB te verkrijgen het gebruik van portlandcement een vereiste (bij ZHSB is gebruik van hoogovencement mogelijk). Om een verwerkbaar en voldoende sterk mengsel te verkrijgen, moet ook het grove toeslag- materiaal (grind) worden vervangen door fijner gebroken toeslagmateriaal. Ook moeten vulstoffen worden toegevoegd zoals kwartspoeder en silicafume. Hierdoor wordt het mengsel homogener; de korrelopbouw wordt fijner en de pakking dichter. UHSB, toekomst muziek? Vooral de laatste tijd maakt het materiaal beton een sterke ontwikkeling door. Zo is zelfverdichtend beton (ZVB) in de huidige prefab-betonindustrie eerder een vanzelfsprekendheid dan een uitzondering. Vandaag de dag is er vooral veel aandacht voor beton met hogere sterkten. Toepassing van hogesterktebeton (HSB), zeer-hogesterktebeton (ZHSB) en ultra- hogestekte beton (UHSB) is echter nog lang niet vanzelfsprekend. In dit artikel worden de ontwikkelin- gen en de mogelijkheden geschetst van HSB, ZHSB en UHSB, zonder teveel in te zoomen op de constructieve aspecten als vermoeiing, traagheidsmomenten en elasticiteits modulus, en rekenregels. 1 Paul de Vries bc, ing. Valentijn Blonk MSc MBA Romein Beton ir. Rob Vergoossen Royal HaskoningDHV Namen en classificatie Beton wordt geclassificeerd op basis van de druksterkte van de betonnen cilinder en kubus. ? traditioneel beton: betonsterkte < 65 N/mm 2 ? hogesterktebeton (HSB): betonsterkte > 65 N/mm 2 ? 105 N/mm 2 ? zeer-hogesterktebeton (ZHSB): betonsterkte > 105 N/mm 2 ? 150 N/mm 2 ? ultra-hogesterktebeton (UHSB) 1): betonsterkte > 150 N/mm 2 ? 200 N/mm 2 In de praktijk zijn er al projecten gerealiseerd met sterkten van 250 N/mm 2. In experimentele laboratoriumproeven zijn zelfs druksterkten van 500 N/mm 2 behaald. 1) Internationaal wordt voor UHSB de term UHPFRC gebruikt, wat staat voor Ultra High Performance Fibre Reinforced Concrete. In feite dekt de Engelse term de lading beter. Het gaat immers om meer dan alleen de sterkte. 04_09 2_Superbeton.indd 5 13-09-2012 08:34:29 UHSB, toekomstmuziek? 6 2 012 6 thema Eigenschappen De verhoogde aandacht voor beton met hogere sterkten heeft natuurlijk zijn redenen. Constructies worden steeds hoger, langer of groter, maar tegenwoordig is ook de wens aanwezig om slanker, lichter, duurzamer en goedkoper te bouwen. Door gebruik te maken van beton met hogere sterkten kan invulling worden gegeven aan deze wensen. Een extra voordeel is dat slanke of lichte constructies directe gevolgen hebben voor de fundatie: ook deze kan lichter worden uitgevoerd. Doordat met UHSB minder materiaal nodig is, is er ook minder transport nodig. De voordelen stapelen zich eigenlijk op. Verdere positieve eigenschappen zijn: ? De gereduceerde waterabsorptie is bij traditioneel beton circa 5%, bij UHSB is die circa 2%. ? De carbonatatie (de reactie van calciumhydroxide uit cement met kooldioxide uit de atmosfeer, leidt tot corrosie van de wapening) is minimaal. ? De carbonatatiezone bij traditioneel beton bedraagt zo'n 15 mm, bij UHSB minder dan 1 mm. ? De permeabiliteit (vloeistoftransport) in een element is zeer laag. Door de verfijnde oppervlaktestructuur is het materiaal zeer dicht en glad. Door de zeer lage porositeit dringen er minder chloriden en sulfaten het materiaal binnen en vermindert de kans op vuilaanhechting. ? Een goede weerstand tegen vorst-dooicycli. Een afgeleide eigenschap is dat de slijtweerstand ook vele malen hoger ligt dan van traditioneel beton. Al deze mechanische eigenschappen hebben hun invloed op de duurzaamheid van de constructie en het benodigde onder - houd. De duurzaamheid stijgt en de onderhoudskosten zullen minimaal zijn. Als naast de stichtingskosten ook de onder - houdskosten worden beschouwd, we hebben het dan over de Life Cycle Costs of de Total Cost of Ownership, dan is beton met hogere sterkten, ondanks de hogere aanschafprijs, vaak een verantwoorde keuze. Verhoging van de druksterkte resulteert verder in een afname van de ductiliteit (taaiheid). Met andere woorden: een beton met een hogere sterkte zal een iets brosser gedrag vertonen dan normaal beton. Om bij zowel bezwijken op druk als op trek voldoende ductili- teit te verkrijgen, moeten (staal)vezels worden toegepast (foto 4). Voor het realiseren van een hoge druksterke is slechts een beperkte hoeveelheid vezels (ca. 0,50%) noodzakelijk. Echter, door toevoeging van meer (volume)procent staalvezels kan ook de treksterkte en (equivalente) buigtreksterkte worden verhoogd. Ten aanzien van de productie van het materiaal, het mengen, geldt: 'Hoe hoger de betonsterkteklasse, des te complexer de mengprocedures'. Om een consistent hoge kwaliteit te verkrij- gen, luistert de dosering van de grondstoffen erg nauw en zijn de toleranties minimaal. De vooronderstellingen dat UHSB een extreem lange mengtijd en een erg korte verwerkingstijd kennen, zijn inmiddels grotendeels achterhaald. Het komt al in de buurt van regulier zelfverdichtend beton. Bij de productie van de Gooisebrug (foto 2) is de totale hoeveelheid van circa 12 m 3 ZHSB in iets meer dan een uur in een volledig gesloten mal gepompt (foto 3). Wel moet er rekening worden gehouden met het nabehandelen van een element om krimp en kruip tot een minimum te beperken. 2 3 4 04_09 2_Superbeton.indd 6 13-09-2012 08:34:37 UHSB, toekomstmuziek? 6 2 012 7 2 Gooisebrug 3 De totale hoeveelheid van circa 12 m 3 ZHSB voor de Gooisebrug is in iets meer dan een uur in een vol- ledig gesloten mal gepompt 4 Om bij zowel bezwijken op druk als op trek voldoende ductiliteit te ver - krijgen, moeten (staal)vezels wor - den toegevoegd aan UHSB 5 Bioscoop in Chartresfoto: Agence Rudy Ricciotti Daarmee ligt er wel een uitdaging voor maltechnieken, want bij een complex vormgegeven filigrain element moet de bekisting eerst goed kunnen worden gevuld en, minstens zo belangrijk, ook weer goed kunnen worden ontkist. Een waaier aan mogelijkheden De eerste grote toepassingen van UHSB waren vooral bruggen. Bekend is de Sakata Mirai brug in Japan, en meer recent de Wildbrücke in Oostenrijk. Maar al snel werd duidelijk dat het materiaal niet alleen maar geschikt was om bruggen te bouwen. Inspirerende en indrukwekkende voorbeelden zijn de gevel van de bioscoop in Chartres (foto 5), het Stade Jean Bouin in Parijs Vormgeving Met UHSB is het werken met beton eigenlijk een nieuwe fase ingegaan. Het is niet alleen de sterkte die het materiaal zijn grote pluspunten verleent, het is ook de volledig andere wape- ningswijze die reden kan zijn om te kiezen voor UHSB. Door de toepassing van staalvezels en het ontbreken van traditionele wapening kunnen complexere vormen worden gerealiseerd. Dit betekent een grotere vormvrijheid voor architecten en industri- eel vormgevers. De toegepaste fijne korrel geeft ook de moge- lijkheid om bewust met texturen in de mal te werken. De afdruk is dan haarfijn zichtbaar en voelbaar op het element. Een invalshoek die verrassende resultaten oplevert als het gaat om de beleving van beton. 5 04_09 2_Superbeton.indd 7 13-09-2012 08:34:46 UHSB, toekomstmuziek? 6 2 012 8 thema 6 7 04_09 2_Superbeton.indd 8 13-09-2012 08:34:59 UHSB, toekomstmuziek? 6 2 012 9 6 Zicht vanaf het dak van het prachtig gelegen Musée des civilisations de l'Europe et de la Méditerranée (MuCEM) in Marseillefoto: Olivier Amsellem7 Seonyu voetgangersbrug in Seoul 8 Links de UHSB 'passerelle' van het MuCEMfoto: Freyssinet (foto 1) en het Musée des civilisations de l'Europe et de la Méditerranée (MuCEM) in Marseille (foto's 6 en 8), alle van architect Rudy Ricciotti (zie kader 'Ricciotti'). In diverse bouw- sectoren zien we ontwerpen van UHSB verschijnen. In de GWW blijven bruggen en randelementen interessant en uit dagend, maar ook elementen voor stedelijk interieur, zoals banken, tafels en leuningen of halteplaatsen voor bus of tram. Er zijn ook bouwkundige toepassingen in gevels, kolommen, slanke trappen en balkons. De lage porositeit, de levensduur, de slijtvastheid en de chloridebestandheid zijn kenmerken die in de industrie en maritieme sector een rol spelen. De toepas - singen zullen in die sectoren enorm gaan toenemen. Eurocode Op dit moment is er nog geen internationaal erkende regelge- ving voor het ontwerpen met UHSB (zie ook het artikel 'UHSB op weg naar regelgeving', elders in dit nummer). Dit gegeven staat grootschalige toepassing nu nog in de weg. Hogesterkte- beton (tot 105 N/mm 2) is wel opgenomen in de Eurocode. Hoewel regelgeving ontbreekt, wordt UHSB wereldwijd al ruim tien jaar toegepast. Daarbij wordt veelal teruggegrepen op de Franse rekenrichtlijn AFGC/Setra 2002 en wetenschappelijk onderzoek en resultaten van diverse universiteiten. Optimum Bij de keuze voor een hogesterktemengsel en het bepalen van een economisch optimum spelen verscheidene zaken een rol. De kosten per m 3 van traditioneel beton naar UHSB lopen niet rechtevenredig op met de druksterkten van het materiaal. Bij druksterkten boven de 105 N/mm 2 stijgen de mengselkosten exponentieel. Bij de keuze voor een mengseltype speelt over het algemeen niet alleen de benodigde druksterkte een rol, maar ook parameters als de benodigde of gewenste ontwerpslank- heid, oppervlaktedichtheid, duurzaamheid en stichtings- en onderhoudskosten. Ricciotti Pionier op het gebied van architectonische toepassingen van ultra-hogesterkte - beton is de Franse architect Rudy Ricciotti (1952, Algiers). Ricciotti voltooide zijn constructeursopleiding in 1974 in Genève en daarna zijn architectuuropleiding in 1980 in Marseille. Internationale bekendheid verwierf hij vooral door een voetgangersbrug in Seoul (Seonyu Footbridge, 2002, foto 7) en een concert - gebouw in Potsdam (Nicolaisaal). Recentere bekende projecten van zijn hand zijn bijvoorbeeld Pont du Diable (Gorges de l'Hérault) en Villa Navarra (Le Muy). Veel aandacht gaat momenteel uit naar het Stade Jean Bouin (Parijs, foto 1) en Musée des civilisations de l'Europe et de la Méditerranée (MuCEM, Marseille, foto's 6 en 8), die beide in 2013 worden voltooid. Veel van zijn projecten zijn architectonische hoogstandjes, die in feite alleen mogelijk zijn door slimme toepassing van UHSB (of in het Frans: BFUHP, Béton Fibré Ultra Haute Performance). Opvallend is dat de zoon van Rudy Ricciotti, Romain Ricciotti, als constructeur betrokken is bij de meeste UHSB-projecten. Zijn bureau, Lamoureux & Ricciotti Ingénerie, Marseille, heeft veel expertise opgebouwd op het gebied van UHSB. In een komend nummer van Cement besteden we meer aandacht aan vader en zoon Ricciotti en hun projecten. De toekomst is begonnen Uit de bovengenoemde kenmerken en eigenschappen spreekt de grote toekomst die UHSB tegemoet gaat. Het ontbreken van rekenregels kan misschien nu nog als belemmerend worden gezien, maar staan succes niet in de weg. De grote aandacht van zowel architecten en industrieel vormgevers als opdrachtgevers duidt erop dat het materiaal wordt omarmd. De kennis en tech- nologie zijn in Nederland aanwezig. Belangrijk is dat opdracht- gevers, vormgevers, producenten en constructeurs samen - werken om te komen tot fraaie, tot de verbeelding sprekende constructies in de Nederlandse bouw. ? 8 04_09 2_Superbeton.indd 9 13-09-2012 08:35:05