VEZELS IN BETONVEZELS IN BETONing.A.Gerritse, Hollandsche Beton Groep NV, afdeling Speurwerk en OntwikkelingMet een zekere regelmaat verschijnen steeds weer nieuwe `betonverbeteraars' op demarkt. Enerzijds past een flinke dosis voorzichtigheid ten aanzien van de geclaimdegoede, soms `fabelachtige' eigenschappen: het langeduurgedrag blijkt nogal eenstegen te vallen. Anderzijds hebben verschillende van die `verbeteringen' geleid totdoeltreffende en tot de verbeelding sprekende uitbreidingen van hettoepassingsgebied van het materiaal beton. Een actueel onderwerp in dit kader is detoepassing van vezels in beton. In dit artikel komen de algemene aspecten vanvezelversterking aan de orde, terwijl in de volgende artikelen van dit themanummernader op enkele vezeltypen wordt ingegaan, vooral op recente ontwikkelingen.at valt er eigenlijk nog teverbeteren aan beton?De beperkte treksterkte, infeite de begrensde rekcapaciteit van dematrix van circa 0,25%o, is ??n van deweinige zwakke plekken.Om aan die beperking tegemoet te ko-men wordt beton gewapend of voorge-spannen, waarmee een degelijk bouw-produkt wordt verkregen.Er zijn echter verschillende andere op-lossingen ontwikkeld die voor kleinereen vooral voor dunnere elementendoeltreffend kunnen zijn. De bekendstedaarvan is het versterken van de beton-matrix met vezels. In het algemeen be-treft dat korte vezels, die lokaal voor deverbetering zorgdragen (crack-arrestfunctie). Daarvan zijn talloze variantenen toepassingen voorhanden. Vooral be-kend zijn toepassingen van asbestvezels,glasvezelversterkt cement (GVC, ookbekend als GRC) voor gevelelementenen staalvezels voor versterking van be-drijfsvloeren.Gedrag van vezelversterkte ce-mentcomposietenNa-scheursterkteHet gedragspatroon van vezelverster-king in cementcomposieten onder-scheidt zich wezenlij van dat bijanderematrices, zoals kunststof. Bij de meesteandere matrices blijft de matrix intacten verzorgt de samenhang. De krachtenworden vrijwel geheel door de vezelsgedragen.Bij cementcomposieten doen de vezelsin het ongescheurde stadium vrijwelniets en worden ze eerst na scheurvor-ming actief. Dat geldt trouwens ookvoor gewone wapening. Een cement-composiet waaraan een adequate hoe-veelheid (korte) vezels is toegevoegd,vertoont een duidelijk verhoogde trek-sterkte. Echter de rekcapaciteit van dematrix verandert nauwelijks; zodradaarin scheurvorming optreedt, nemende vezels de trekfunctie over (fig. l).Versterken of wapenenBij het toepassen van vezels en garens in(cementcomposieten is het van belangonderscheid te maken in:- `versterken' met korte vezels, diewil-lekeurig verdeeld tweedimensionaalin een vlakke constructie of driedi-mensionaal in meer volumineuzeprodukten worden ingebracht. Hier-bij kan de crack-arrest functie opti-maal zijn en worden vele eigenschap-pen (trek- en buigtreksterkte, maarook stootweerstand, taaiheid enz.)gunstig be?nvloed. Het vezelverbruikis oneconomisch;- `wapenen' met langere (continue) ve-zels, die ??ndimensionaal worden in-gebracht, zoals staalwapening in be-ton. Hierbij wordt alleen een trekele-ment gevormd. Bij juiste positione-ring is dat uiterst economisch, maarhet crack-arrest effect is veel minder.De eerste vorm is hetgeen gebruikelijkonder `vezelversterkt cement' wordtverstaan en wat als een verbeterde onge-wapende betonsoort moet worden be-schouwd. Vooral van belang is de sterkeverbetering van de (lokale) vervor-mingscapaciteit, waarbij - ondanksscheurvorming - de samenhang behou-den blijft. De uiteindelijke eigenschap-pen en effectiviteit zijn onder meer af-hankehj van vezeltype, volumepercen-tage vezels, vezellengte, vezelori?nte-ring (??n-, twee- of driedimensionaal)en van het aanhechtgedrag tussen vezelen matrix.De tweede vorm opent, met de recentehoogwaardige vezels die beschikbaarzijn, specifiek voor brosse matrices per-spectieven voor `alternatievewapening'en goede mogelijkheden voor dragendeconstructies. Combinaties komen voor.Duurzaamheid/alkalibestandheidDuurzaamheid is een essenti?le, aan hetgerede produkt te stellen eis. In het gevalvan vezelversterking wordt dat medebepaald door de stabiliteit van de vezelsin de cementmatrix (alkalisch, dan welgecarbonateerd) en door het aanhech-tingsgedrag.Bekend is dat staal goed voldoet in eenalkalische matrix en wat minder in ge-carbonateerd beton. Gebleken is datverschillende vezeltypen, vooral glas ennatuurlij ke vezels zoals sisal, in een alka-lisch milieu geleidelijk tot snel wordenaangetast. De meeste kunststofvezels74 Cement 1991 nr. 5Wblijken weinig gevoelig voor een alka-lisch milieu.Op grond van pijnlijke ervaringen dientvoor elk te introduceren vezeltype eenbetrouwbare indicatie van het lange-duurgedrag beschikbaar te zij n, bijvoor-beeld door middel van `versneld verou-deren'.De invloed van het voortgaande hydra-tatieproces is bij constante opslag in wa-ter van 50 ? 60 ?C aanzienlijk te versnel-len (factor circa 100) [1], waardoor daar-over na enkele maanden reeds een rede-rijke indruk te verkrijgen is. Indien po-lymeren aan de matrix zijn toegevoegdis deze benadering niet meer correct.Oplossingen kunnen zowel worden ge-zocht in modificatie in de vezel (of wel-licht een andere vezel), dan wel in modi-ficatie van de matrix. Op dat laatste ge-bied zijn diverse interessante ontwikke-lingen aan de gang bij toepassingen vanglasvezels [3].Hechting vezel aan cementmatrixSamenhangend met chemische aantas-ting is de ontwikkeling van de aanhech-ting vezel-cementmatrix van grote in-vloed. De hechting moet niet te goedzijn. De vezel moet (evenals wapening ingewapend beton) aan beide zijden vaneen scheur kunnen slippen om voldoen-de reklengte beschikbaar te hebben [4].De maximale rekcapaciteit en daarmeede maximale sterkte wordt bepaald doorde lengte waarover de vezel kan slippen.Bij enkele typen vezels, vooral bij glasve-zels, neemt als gevolg van de voortgaan-de hydratatie (kalkkristallen) de hech-ting sterk toe in de tijd. De rekcapaciteitvan de vezel neemt daardoor sterk af.Het gevolg kan zijn dat de resterenderekcapaciteit gelijk wordt aan die van dematrix en er dus geen na-scheursterktemeer aanwezig is. De cementcomposietis dan bros. Om dit fenomeen in het bij-zonder bij glasvezelversterking te be-perken, is door een Stupr?-commissieeen voorstel voor ontwerpcriteria opge-steld, dat mede is gebaseerd op de rekca-paciteit [5].Het mechanicamodel bij buigingHet aan scheurvorming in de beton-trekzone aangepaste mechanicamodel,zoals dat bij gewapend beton gebruike-lijk is, blijkt in principe ook toepasbaarvoor vezelversterkte cementcomposie-ten. Er werkt nu wel een echte `beton-trekzone', ook na scheurvorming, volle-dig actief mee (fig. 2), die dus de feitelijketrekstaaf vormt (in plaats van de wape-ningsstaaf) [1]. Bezwijken treedt op zo-dra in de uiterste vezel de maximaletreksterkte van het composiet is bereikt(fig. 1, punt C). Het uitgangspunt dat, alswaarschuwing, de trekband dient tebezwijken alvorens betonstuik (brossebreuk) optreedt, blijft uiteraard vankracht.Enkele basis-eigenschappenDe trekstaafVan overwegend belang is hoe een trek-belasting kan worden opgenomen.Hoewel een trekstaaf in vezelversterktbeton (fig. l) in principe niet verschiltvan een trekstaaf in gewapend beton,onderscheidt het functioneren van devezels zich toch duidelijk van dat vannormale wapening. Immers de plaats ende richting van de vezels ten opzichtevan de scheuren die door de belastingontstaan, ligt niet vast. Een scheur zalook niet steeds de vezel halverwege zijnlengte kruisen. De effectiviteit van devezels en daarmee het vervormingsge-drag van de trekstaaf na scheurvorming,hangt dan af van de hechting van de ve-zels aan de matrix [2], van de vezelhoe-veelheid en van de vezelori?ntering. Infiguur 1 is te zien dat bij A (`bend overpoint' in de Engelstalige terminologie)scheurvorming in de matrix begint op tetreden. Bij is de trekbelasting vrijwelgeheel door de vezels overgenomen.Daarna verloopt het --diagram onge-veer parallel met de effectieve elastici-teitsmodulus Es van het vezelaandeel enbij (ultimate tensile strength) bezwij-ken de vezels of worden uit de matrixgetrokken.De effectieve elasticiteitsmodulus E,, ishet produkt van de elasticiteitsmodulusvan de vezels E?, het volumepercentagevezels V{ en een co?ffici?nt , die aan-geeft welk deel van de vezels in de rich-ting van de trekkracht actiefis. Globaalkan voor een ??n-, twee- of driedimen-sionale vezelori?ntering voor respec-tievelijk 1, circa 3/8 en circa 1/6 wordenaangehouden.Indien de elasticiteitsmodulus van hetvezelmateriaal lager is dan die van debetonmatrix, zoals bij veel kunststofve-zels en bij de natuurlijke vezels het gevalis, dan zal het duidelijk zijn dat het deelBC alleen nog bij zeer hoge vezelper-centages aan bod komt. Het momentvan scheurvorming in de matrix wordtdoor de aanwezigheid van vezels slechtsbeperkt be?nvloed, doch de trekstaaf(het element, het betonprodukt) blijftna scheurvorming intact, mits voldoen-de vezels aanwezig zijn. Doordat vele,fij verdeelde scheurtj es ontstaan zal hetvervormingsgedrag `ductiel' zijn, duseen duidelijk verbeterd ongewapendbeton.Kritische vezelpercentageEr bestaat voor elk composiet een kri-tisch vezelpercentage, waarbij het --diagram na A niet meer oploopt (fig. 3).Voor indicaties over deze percentageswordt verwezen naar [1].BuigingHet principe-gedrag bij buiging wordtveelal gepresenteerd zoals aangegevenin figuur 4. In dit voorbeeld betreft heteen goede kwaliteit GVC (Glasvezel ver-sterkt cement), direct na produktie.In de Engelstalige literatuur is dit eenMOR-diagram (modulus of rupture),dat lijkt op een normaal moment-krommingsdiagram. De gepresenteer-de waarden hebben echteree? enkele re-loue met werkelijk optredende spannin-gen of rekken. Ze worden berekend uiteen last-zakkingsmeting. Zo is de gege-ven rek het gemiddelde van de rekwaar-den aan boven- en onderzijde van het temeten proefstuk, berekend uit deCement 1991 nr. 5 75IVEZELS IN BETONMORvV~'+-+-~V~4-+-+-~-+-1/1/~ 10+-H-J -t--t--t--+--+-+-+-+-1? 1 i~ I ontwerp~ I1b I1i o~~--'----'---'---'---io~E(%)0,54 Voorbeeld van gedragvezelversterkt beton onderbniging1.0doorbuiging [1]. Interpretaties zijn zeeraanvechtbaar en alleengeschiktvoor on-derlinge vergelijking.Naar de mening van de auteur kan ditfictieve gegoochel beter achterwegeworden gelaten en de beoordeling ofclassificering van vezelversterkt betonworden gebaseerd op de trekproeEDaarbij kunnen wat moeilijkhedenontstaan bij het meten (geringe excen-triciteiten hebben grote invloed), dochhet zijn tenminste re?ele en relevantewaarden [5].Typen vezelsHetscalavanontwikkeldeentoegepastevezeltypenbreidtzichnog steedssnel uiten toont daarmee tevens de veelzijdig-heid aan van met vezelversterking be-reikbare (of verbeterbare) betonpro-dukten. Binnen vrijwel alle vezeltypenzijn ervaakweervele varianten invorm,afmetingen, elasticiteitsmoduli en trek-sterkten.Tabel 1 en figuur 5 geven slechts eenglobale indicatie. Opvallend is dat devezels geen vloeitraject kennen, zoalsstaal.Overigens wordt in dit artikel volstaanmet enkele algemene opmerkingen.AsbestvezelsDe oudste en technisch gezien eigenlijkwel ??n van de best geslaagde vormenvan vezelversterking. Vanwege schade-lijke effecten van asbestvezels op de ge-zondheid (voornamelijk bij de verwer-king) neemt toepassing sterk af, waar-voor veel andere vezels in de markt zijn.76;;- 1000EE-.:zb? o 1 2~E(%J5 Spanning-rek relatie vanverschillende soorten vezelsTabellEigenschappen van vezelmaterialentype diameter lengte volumieke elast. trek- rek bijvezel massa modulus sterkte breuk(!.lm) (mm) (kg/dm3) (kN/mm2) (N/mm2) (%0)asbest 0,02-20 1-50 2,55 160 3000-4000 20-30bamboe 1,5 33-40 350-500cellulose 15-40 2-6 1,5 8 300-500 20-100sisal 300-500 15-50 1,5 15-30 300-400 30staal 250-500 20-50 7,8 200 400-1220 40-100- roestvast 250-500 20-50 7,8 200 500-1400 40-100glas- E-glas 5-20 10-40 2,5 74 20-30- AR-glas 10-13 10-40 2,7 63 2500 20-30koolstof-PAN 8-10 10-70 1,9 185-380 1800-3800 5-16,5-PITCH 12,5 0,1-100 1,6 38 900-1400 10-25aramide 12 6-30 1,45 130 3000 25nylon 5-25 10-70 1,15 4-5 800 120polyacry-lonitriet 13-100 6-60 1,18 14-19 14-19 400-1000poly-propyleen20-400 10-70 0,9 5-8 300-700 50-200Natuurlijke vezels brengen vezelhoeveelheid, waardoorVeel onderzoek, vooral in ontwikke- hetvezelpercentage altijd onder het kri-lingslanden, is verricht. Doel was een tische ligt.Tochwordendaarmee uitste-goedkoop en ruim voorhanden alterna- kende resultaten bereikt, bijvoorbeeldtiefvoor asbestcement te ontwikkelen. bij bedrijfsvloeren. Gewaakt dient teVoorbeelden zijn sisal, olifantengras, wordenvoor te (economisch) lage vezel-rijstvlies, vlas,jute en dergelijke. Tot nu percentages.toe is steeds gebleken dat dit type vezelsonvoldoende duurzaam is in een ce- Glasvezelsmentmatrix. De in de kunststof-versterking reedsja-Staalvezelsren toegepaste E-glas vezels bleken on-bestendig inhetcementmilieu.DegroteDe verwerkbaarheid begrenst de in te doorbraak ontstond toen hetAR(alkali-Cement 1991 nr. 5resistente)-glas door Pilkington werdontwikkeld (begin jaren zeventig). Talvan expressieve gevelelementen toon-den aan dat in een behoefte werd voor-zien. Helaas bleek - veelal door de 'goe-de' hechting - datinde tijd toch eenbrosmateriaal ontstond, met een zeer gerin-ge rekcapaciteit. In [4] wordt aangege-ven hoe daar in het ontwerpstadium re-kening mee te houden is.Reeds in een vroeg stadium is door ma-trix-modificatie (toevoegen van poly-meren) een duurzamer produkt ont-wikkeld [2]. Door toevoeging van poly-meren daalt de elasticiteitsmodulus vanhet composiet sterk.Recent zijn diverse nieuwe ontwikke-lingen aangekondigd [3], waarmee wel-licht een nieuwe impuls ontstaat.KoolstofoezelsDitis chemisch hetmeestresistente ma-teriaa1, echter ook kostbaar en nog nietgoed verwerkbaar in betonprodukten.Het aanvankelijk optimistische onder-zoek is dan ook vrijwel tot stilstand ge-komen.Erzijnonnoemelijkveelvarian-ten in vezeltypen mogelijk. Opvallendzijn een tweetal grootschalige Japansetoepassingen [6,7].AramidevezelsDit is - evenals koolstofvezels - voorals-nog eenvrij kostbaar type vezel, dat ove-rigens behoorlijk duurzaam is geblekenin een cementmatrix [1]. Behalve uitkostprijsoverwegingen wordt toepas-sing ook belemmerd door het ontbre-ken van een praktischeverwerkingsme-thode.PolypropyleenvezelsDit type vezel is reeds vele jaren in ge-bruik, onder meer om de stootvastheidte verbeteren. De recente promotievoortoepassing van deze vezels ter preventievan krimp(scheuren), met minimale ve-zelpercentages, kan voor het effect inverhard betongoeddeels onder hetin deinleiding genoemde 'fabelachtig' wor-dengerangschikt.Voorhetechtvoorko-menvan 'delaatste krimpscheur' is(veel)meer nodig! Krimpwapening kan nietzonder meer worden vervangen dooreenhandvol vezels. Daarstaat tegenoverdat door de effecten in de plastische fasevan de mortel een betere betonopper-vlaktestructuur kan worden verkregen(zie bijdrage prof. Bijen hierna).VerwerkingVezelversterkingwordtalvelejarentoe-gepast. Het inbrengenvan de vezels ver-eist echter erg veel ervaring en er is eensterke samenhang tussen type, vorm, af-metingen en hoeveelheid vezels metproduktie-proces en vorm van het be-Cement 1991 nr. 5tonprodukt. Zo is de wijze van inbren-genvanasbestvezelsineternietzeerspe-cifiek (Hatschek machine); andere ve-zels blijkenin datproces niettoepasbaar.In hoofdzaak heeft inbrengen plaatsdoor:- toevoegen aan de mortel in de mixer,waarna de 'slurry' in de vorm wordtgebracht. Dit leent zich voor de watgrotere betonafmetingen en levertdan driedimensionaal geori?nteerdevezelversterking op. Bij glasvezelver-sterking wordt dan van premix ge-sproken. Bij staalvezeltoevoeging zijnna nogal wat experimenten, recep-turen ontwikkeld om vooral balvor-ming te voorkomen.In het algemeen kan bij mengen eenlager vezelpercentage worden inge-bracht dan met het spuitproced?;- verspuiten van de vezels gelijktijdigmet de mortel op de mal ofop de on-dergrond. Dezewijzevaninbrengenisvooral geschikt voor 'dunne' elemen-ten ofdunne afdeklagen. Er kan veelmeer variatie in het vezelpercentageworden toegepast. Voor glasvezel(ge-vel)elementen is dit de gebruikelijkemethode. Ook voor staalvezel-spuitbeton, bijvoorbeeld voor tunnel-wandbekleding (in de bouwfase) is diteen veel toegepaste methode.TenslotteDoor vezeltoevoeging/vezelversterkingis een reeks goede produkten ontwik-keld met specifieke eigenschappen, zo-als grote vervormingscapaciteit en hogetreksterkte (ten opzichte van ongewa-pend beton). Het onderbouwen van deduurzaamheid gedurende de levens-duur van het produkt door onderzoek,ontwerp-criteria en toepassingen blijftessentieel.Dimensioneringzal inhetalgemeenzo-danig dienen te zijn dat de na-scheur-sterkte alleen bij overbelasten wordtaangesproken. Scheurvorming wordt erniet steeds mee voorkomen, van belangis echter dat daarna de samenhang be-houden blijft en er nog krachten kun-nen worden overgedragen.En voor de rest: laten we elkaar geen fa-beltjes vertellen!Literatuur1. S&E-publikatie nr. 1, Vezelversterktcement en beton. Uitgave naar aanlei-ding van de 'Vezeldag', Betonvereni-ging, Gouda, 1982.2. CDR-rapport 90-5, Nieuwe mate-rialen voor betonconstructies. CDR,Gouda, 1990.3. CDR-rapport 90-8, Polymeergemo-dificeerd vezelversterkt gips. CDR,Gouda ,1990.4. Betoniek nr. 8-21, januari 1991.5. Stupre-rapport, Glasvezelversterktcement (GVC); ontwerpregels voor ge-velelementen. Betonvereniging, Gouda,1988.6. Mechanical properties of carbon fi-ber reinforced cement composite andthe application to large domes. KajimaInstitute ofTechnology, 1984.7. Stupre-rapport22,Vezelversterktbe-ton; een overzicht. Betonvereniging,Gouda, 1991.77