themaVan exotisch naar volwassen product320114themaVan exotischnaar volwassenproduct Ontwikkelingen staalvezelbetonHet toevoegen van vezels aan beton, om daarmee een `impliciete wapening' aan dit materiaal mee tegeven, werd enkele decennia geleden als revolutionair idee op de markt gebracht. Verwacht werd dat ditnieuwe materiaal een grote toekomst tegemoet zou gaan: op de bouwplaats zou het wapenen nietmeer nodig zijn, waarmee het bouwen sterk zou worden gerationaliseerd. Die ontwikkeling ging langza-mer dan werd gedacht, maar lijkt nu uiteindelijk toch in een stroomversnelling terecht te komen.Van exotisch naar volwassen product 32011 51 Staalvezels toegepast in Oceanografic, Valencianaar een ontwerp van Felix CandelaIn tegenstelling tot klassieke wapening zijn vezels werkzaam inalle richtingen. Door deze in principe driedimensionale ori?n-tatie van de vezels komen de merites van vezelbeton vooral totuiting in constructies waarop daadwerkelijk krachten inverschillende richtingen worden uitgeoefend. Verschillendesoorten vezels zijn, vanwege uiteenlopende redenen, geschiktom in beton te worden toegepast. Men onderscheidt in ditopzicht staalvezels, polypropyleenvezels en glasvezels.Glasvezels worden vooral in zeer dunne elementen toegepast.Een typische toepassing is die in gevelelementen, waarbij eengeringe dikte (enkele millimeters tot enkele centimeters) wordtgerealiseerd in combinatie met grote vormvrijheid. Omdat deeffici?ntie van de glasvezels in dunne elementen zeer belangrijkis, worden glasvezels niet alleen als losse elementen toegepast,maar vooral als vezelbundels of als weefsels (`textielbeton').Polypropyleenvezels worden tegenwoordig vaak in betonmeng-sels met hogere sterkte toegepast. Deze mengsels hebben eenhoge dichtheid, waardoor zich bij brand achter het oppervlakeen hoge drukspanning kan opbouwen, die tot spatten van hetbeton kan leiden. De PP-vezels smelten voordat deze druk zichkan opbouwen. De fijne kanaaltjes die zich door het smeltenvan de vezels in het beton vormen, leiden tot een sterke reduc-tie van de inwendige dampdruk. Het spatgevaar kan door eengeschikt betonmengsel in combinatie met circa 2 kg/m3PP-vezels sterk worden verkleind.Staalvezels zijn nog steeds de meest geschikte vezels om demechanische eigenschappen van beton te verbeteren. In tegen-stelling tot klassiek wapeningstaal, waarbij de verankeringzodanig wordt gedimensioneerd dat vloeien van het staaloptreedt voordat de staaf wordt losgetrokken, worden vezelszodanig gedimensioneerd dat ze slippen voordat de vloeispan-ning wordt bereikt. Dit is noodzakelijk omdat vezels verschil-lende hoeken met het scheurvlak maken en daardoor ongelijk-matig zouden vloeien en vervolgens breken. Hierdoor kan detrekkracht zich niet goed opbouwen. Door de vezels zodanig tedimensioneren dat ze allemaal slippen, bouwt zich de krachtover het scheurvlak sterk op. Foto 4 toont het uittrekkenzonder breken van een grote hoeveelheid vezels over eenscheurvlak. Bij grote scheuropening strekken de vezels zich nogextra, waardoor een nog grotere vezeleffici?ntie wordt bereikt.In de beginjaren van de toepassing van vezelbeton werdenstaalvezels zonder nadenken aan betonmengsels toegevoegd.Het effect van de vezels op de mechanische eigenschappen wasdaardoor wisselend. Daarbij werd als minpunt gezien dat deverwerkbaarheid van de mengsels met toenemend vezelvolumesterk terugliep. Juist bij vezelhoeveelheden waarbij het materi-aal constructief interessant leek te worden, werd de verwerk-baarheid een probleem. Pas later realiseerde men zich dat1prof.dr.ir. Joost WalravenTU Delft fac. CiTGkomen in stroomversnellingVan exotisch naar volwassen product3201162 Glasvezels toegepast in elementen van 13 mm dik in het [C]space-paviljoen in Londen3 In het het Park City Musashi Kosugi Building zijn zowel staalvezelsals polypropyleenvezels toegepast4 Uittrekken staalvezels in scheur zonder brekenvezels en toeslagkorrels interactief zijn. Figuur 5 toont dat grotekorrels de vezelstructuur kunnen verstoren. Neemt de korrel-grootte af, dan wordt de verdeling gelijkmatiger.PraktijkDe Duitse hoogleraar Falkner merkte bij het ontwikkelen vanhet optimale mengsel voor een onderwaterbetonvloer in Berlijn(Potsdamerplatz), dat hij betere resultaten verkreeg bij eenmengsel met 40 kg/m3staalvezels 50/0,6 (l = 50 mm, d = 0,6mm) dan met 60 kg/m3staalvezels 60/0,8 (l = 60 mm, d = 0,8mm). Dit is duidelijk aan het verschil in interactie tussen hettoeslagkorrelpakket en de staalvezels toe te schrijven.Bij de genoemde toepassing ging het om een onderwaterbeton-vloer van 200 x 200 m2, aangelegd 16 m onder de grondwater-spiegel. Na het droogpompen van de bouwput was deopwaartse druk gelijk aan 16 ton per m2; daarom werd de vloermet trekpalen in de bodem verankerd. Het statische systeemvan de vloer met opwaartse waterdruk wordt getoond in figuur6. De vloer werkte niet alleen als barri?re tegen het grondwater,maar diende ook als steun voor de wanden van de bouwput. Dezijdelingse druk van de wanden leidt tot een mate van voor-spanning van de onderwaterbetonvloer die in principevoldoende moet zijn om de constructie ongescheurd tehouden. De scheuroverbruggende werking van de vezels ineventuele buigscheuren garandeerde voldoende bezwijkveilig-heid. Door de toepassing van de staalvezels kon de dikte van devloer, die bij een uitvoering zonder vezels minimaal 1,50 m hadmoeten zijn, tot 1,20 m beperkt blijven.De toepassing van vezels in een dergelijke onderwaterbeton-vloer is bijzonder effici?nt, omdat het toevoegen van vezels aaneen betonmengsel veel eenvoudiger is dan het vlechten, plaat-sen en inspecteren van een wapeningskorf in de genoemdeomstandigheden. Verder is de 3D-ori?ntatie van de vezels eenvoordeel. Scheuren in een plaatconstructie kunnen in diverserichtingen ontstaan. In elke denkbare richting worden descheurvlakken door vezels overbrugd. Omdat er destijds noggeen geldige norm beschikbaar was voor het berekenen enuitvoeren van dergelijke constructies, werd hier gewerkt meteen `Zulassung im Einzelfall', een eenmalige toestemming.Ook bij toepassing van vezels in geboorde tunnels is de3D-ori?ntatie van de vezels een groot voordeel. Onderzoek [2]toonde aan dat de liningelementen in tunnels vrijwel op elkeplaats en in elke richting onderworpen kunnen zijn aan trek- ofthema23Van exotisch naar volwassen product 32011 7Als basisvoorwaarde voor toepassing van staalvezels is gestelddat "na vorming van scheuren tot aan het bereiken van hetsysteemdraagvermogen een evenwichtssysteem moet wordenaangetoond", bijvoorbeeld door:? herverdeling van momenten en krachten in een statischonbepaald systeem;? combinatie met betonstaalwapening;? normaaldrukkrachten.De richtlijn geldt verder niet voor voorgespannen beton, hoog-waardig beton vanaf C55/67, zelfverdichtend beton en vezel-spuitbeton.Ondanks de laatstgenoemde beperkingen is met het uitkomenvan de nieuwe richtlijn een grote stap vooruit gemaakt. Voorconstructies in de utiliteitsbouw en de infrastructuur ishiermee een wettelijke basis beschikbaar gekomen. Eenbelangrijke verbetering ten opzichte van eerdere aanbevelingenis de invoering van prestatieklassen. Via deze indeling in pres-tatieklassen is het gedrag van vezelbeton genormeerd. Hiermeewordt het ontwerpen van een constructie in staalvezelbeton inprincipe uitgevoerd op dezelfde basis als een klassiek gewa-pende constructie, waarbij wordt uitgegaan van eigenschappendie bij een vooraf gekozen sterkteklasse horen. De constructeurmaakt het ontwerp in vezelbeton uitgaande van een aangeno-men prestatieklasse voor dit materiaal. Het betonproductiebe-drijf moet vezelbeton naar deze prestatieklasse leveren enaantonen dat het product aan de eisen voldoet. Daartoe moetvoor elke samenstelling (inclusief vezels) een initi?le beproe-splijtspanningen. De liningelementen worden koud tegenelkaar gemonteerd. Ook bij strenge eisen ten aanzien van maat-afwijkingen en plaatsingstoleranties is het bijna onmogelijkongewenste splijteffecten te vermijden. Staalvezelbeton isvooral door de nascheurductiliteit een zeer `vergoelijkend'materiaal. Bij de bouw van de tweede Heinenoordtunnel, in1997, werd in Nederland voor het eerst ge?xperimenteerd metstaalvezels in tunnellinings. Onder auspici?n van TU Delft [3,4en 5] werd de tunnel over een lengte van 20 m alleen gewapendmet staalvezels. Inmiddels is het wapenen van geboordetunnels met staalvezels een geaccepteerde en zelfs veelge-vraagde technologie. Recente voorbeelden zijn:? de Theemstunnel in Londen, waarbij 35 kg/m3staalvezelszijn toegepast in een liningdikte van 350 mm;? de Oenzbergtunnel in Zwitserland. In delen van de tunnelwerd gebruikgemaakt van 60 kg/m3staalvezels, terwijl inandere delen een combinatie van staalvezels (35 kg/m3) metlichte betonstaalwapening werd gehanteerd;? de nieuwe Metrolijn 9 in Barcelona. Hier wordt gebruikge-maakt van 60 kg/m3staalvezels, waarbij de liningdikte gelijkis aan 350 mm.Ontwikkelingen in de regelgevingIn Nederland is het grootste toepassingsgebied nog steeds deindustrievloer. De wijze waarop elastisch ondersteunde vloerenworden berekend, is beschreven in CUR-Aanbeveling 36`Ontwerpen van elastisch ondersteunde betonvloeren'. Dezekan worden gebruikt in combinatie met CUR-Aanbeveling 35`Bepaling van de buigtreksterkte, de buigtaaiheid en de equiva-lente buigtreksterkte van staalvezelbeton'.In 2007 werd een verdere stap gemaakt, met de publicatie vanCUR-Aanbeveling 111 `Staalvezelbeton bedrijfsvloeren op palen? dimensionering en uitvoering'. Bij het opstellen van deze aanbe-veling is gebruikgemaakt van het document `Test and designmethods for steel fibre reinforced concrete' opgesteld doorcommissie TC 162-TDF van RILEM. Het toepassingsgebied vanCUR-Aanbeveling 111 is nadrukkelijk beperkt tot vezelbeton-vloeren gefundeerd op palen, waarbij de staalvezels wordentoegepast al of niet in combinatie met klassiek betonstaal.In Duitsland is dit jaar de nieuwe richtlijn `Staalvezelbeton' gepu-bliceerd [6]. Het toepassingsgebied is hierbij gedefinieerd als:? dimensionering en uitvoering van constructies uit de hoog-bouw en ingenieurbouw uit staalvezelbeton of staalvezelbe-ton met betonstaalwapening;? staalvezelbeton in de sterkteklassen tot en met C50/60;? gebruik van staalvezels met mechanische verankering.Gladde, rechte staalvezels zijn daarbij niet toelaatbaar. Als`verankerd' gelden ook vezels met gegolfde vorm, gekropteeinden en opgestuikte kopjes.4themaVan exotisch naar volwassen product320118herverdelingsfactor, die afhangt van de grootte van hetbeschouwde constructie-element.De opkomst van vezelbeton met ultra-hogesterkteDoor de opkomst van vezelbeton met ultra-hogesterkte is eenenorme impuls gegeven aan de technologie van het vezelbeton.Vooral in landen als Frankrijk en Japan worden met dit bijzon-dere materiaal, dat een druksterkte tot 200 N/mm2met een grotetaaiheid combineert, al grootschalige constructies gebouwd.Figuur 8 geeft de doorsnede van voorgespannen liggers in derecente bouw van de Pont Pinel. Deze 27 m lange liggers zijngerealiseerd met ultra-hogesterktebeton met een karakteristiekekubusdruksterkte van 165 N/mm2en bevatten 200 kg/m3fijnestaalvezels. Buiten 28 voorspanstrengen in de onderflens bevat-ten de liggers geen klassiek wapeningstaal. Op de liggers wordteen gewapend dek aangebracht in sterkteklasse C28/35.Ook de combinatie van staalvezels met klassiek wapeningstaalbiedt zeer interessante kansen. Foto 9 toont een appartemen-tencomplex in Denemarken waarbij de balkons in ultra-hoge-sterktevezelbeton zijn gemaakt. De hoofdwapening bestaat uitnormaal wapeningstaal. Door de werking van de vezels kunnende balkonplaten zeer dun worden. Door het effect van de vezelskan ook de verankering van het betonstaal in een zeer dunneplaat probleemloos functioneren.Dat men vezelbeton met ultra-hogesterkte zeer serieus neemt,blijkt wel uit het feit dat de DFG (Deutsche ForschungsGemeinschaft, vergelijkbaar met STW in Nederland) eenbedrag van 8 miljoen voor een speerpuntprogramma terbeschikking heeft gesteld, met het doel de invoering van ditinnovatieve materiaal te onderbouwen en te versnellen.Een nieuwe uitdaging voor de regelgevingZoals aangegeven is er een voldoende basis voorhanden om totalgemene regelgeving voor klassiek vezelbeton te komen. Desprong naar ultra-hogesterktebeton heeft de behoefte aan eengoede regelgeving verder versterkt. Tot op heden wordt, in laatst-genoemd geval, vooral gebruikgemaakt van de Franse aanbeve-ling voor vezelbeton met ultra-hogesterkte [8]. Een probleem datving worden uitgevoerd. Daarna moet jaarlijks worden beves-tigd dat nog steeds aan de eisen wordt voldaan.Volgens de nieuwe Duitse richtlijn worden de eigenschappenvan staalvezelbeton ontleend aan een serie genormeerde buig-proeven, waarbij voor de doorbuigingen = 0,5 mm en = 3,5mm de corresponderende belastingen worden gemeten. Dezebelastingen worden vervolgens omgerekend naar gemiddeldeen karakteristieke centrische trekspanningen. Via deze karakte-ristieke trekspanningen worden twee spanning?rekdiagram-men afgeleid, behorende bij de prestatieklassen L1 en L2 (fig.7). Prestatieklasse L1 is bedoeld voor het bepalen van dekrachtsverdeling in de constructie met een niet-lineaireanalyse: de spanningspiek in het diagram is noodzakelijk omde gescheurde en ongescheurde gebieden goed te kunnen afba-kenen. Prestatieklasse L2 is meer algemeen en bedoeld voor dedimensionering in de uiterste grenstoestand. Het diagram laateen plastisch traject zien tussen de rekken ct= 0,1 en 3,5 eneen verder aflopende spanningstak tot 25 . Ook kan menbenaderend met een gemiddeld plastisch niveau rekenen.Een voorbeeld van de aanduiding van een bepaalde klassevezelversterkt beton is C30/37L2,4/1,8 waarbij C30/37 debetonsterkteklasse zonder vezels aangeeft en L2,4/1,8 aangeeftdat voor prestatieklasse L1 de subklasse 2,4 (kleine vervormin-gen) geldt en voor prestatieklasse L2 (grote vervormingen) desubklasse 1,8. Uit een tabel kan men eenvoudig de bijbeho-rende spanning-rekrelaties afleiden. De conversie naar de span-ning-rekrelaties bevat ook een vezelori?ntatiefactor en een56Van exotisch naar volwassen product 32011 95 Verdeling van de staalvezels bijafnemende diameter toeslagkorrels6 Krachtswerking in vezelversterkteonderwaterbetonvloer [1]7 Spanning-rekrelaties voor prestatie-klassen L1 en L2 volgens nieuweDuitse richtlijn8 Doorsnede van een ligger uit ultra-hogesterktebeton toegepast in dePont Pinel in Frankrijk9 Balkons uit ultra-hogesterkte vezel-beton in Denemarkenfoto: B. Arup, Hiconhierbij optreedt is dat deze norm geschreven is vanuit ervaringenmet het materiaal Ductal, dat een druksterkte heeft van minstens180 N/mm2. In dit soort betonmengsels zijn de vezels fijn enafgestemd op een uitgebalanceerde korrelopbouw met een maxi-male korreldiameter die in het algemeen niet groter is dan 1 mm.Een discussiepunt is hier of de vezels moeten worden gezien alsalternatief voor wapening of een onderdeel vormen van eencomposietmateriaal, waarbij de vezels al actief zijn in de fase vande microscheurvorming. Bij het hanteren van een aanbevelingvoor klassiek vezelbeton (tot C50/60) en een voor ultra-hoge-sterktebeton (vanaf C160) blijft echter een enorm tussengebiedover, waar bijzonder interessante toepassingen mogelijk zijn,zoals vernieuwing van brugdekken. Een andere vraag is wat tedoen met een veelbelovend materiaal als hybride vezelbeton,waarbij zeer fijne vezels met grovere vezels worden gecombi-neerd. Dit materiaal laat zelfs onder centrische trek een `harde-ning' gedrag zien, gekarakteriseerd door vele fijne scheurtjes. Hetis duidelijk dat regelgeving voor vezelbeton al deze interessanteopties open moet houden.Momenteel wordt gewerkt aan de `Model Code for ConcreteStructures'. Deze zal wegwijzend moeten zijn voor een nieuwegeneratie Eurocodes. Natuurlijk mag het wapenen met vezelsdaarin niet achterwege blijven. In dit kader wordt daaromgewerkt aan een `overbruggende regelgeving voor vezelbeton'waarin alle vezelbetonvarianten goed tot hun recht komen.In dit nummer van Cement wordt alvast uitvoerig aandachtbesteed aan vezelbeton. Deze special moge de interesse in ditmateriaal verder stimuleren en leiden tot adequate regelgevingen interessante toepassingen. ct () 25L1fctm3,5 0,3ctct () 25L23,5 0,1ct50903705075552062025079570 50 238 7590 90505050504 41 2 3 41 2 1 43 2 141 2 3 1 2 43 43 2 1 3 2 11e laag strengen2e laag strengen literatuur1 Falkner, H., Henke, V. & Hinke, U.,Stahlfaserbeton f?r tiefe Baugru-ben im Grundwasser. Der Bauin-genieur 72 (1997).2 Blom, C.B.M., Design philosophyof concrete tunnel linings in softsoils. Dissertatie TU Delft, 2002.3 Kooiman, A.G., Van der Veen, C. &Djorai, M.H., Steel fibre reinforcedconcrete segments suitable forapplication in the second Heine-noordtunnel. Proceedings of theXIIIth FIP Conference`Challengesfor concrete in the next millen-nium', Amsterdam, 23-29 mei1998.4 Kooiman, A.G., Modeling steelfibre reinforced concrete forstructural design. DIssertatie TUDelft, 2000.5 Waal, R.G.A. de, Steel fibre rein-forced tunnel segments. Disser-tatie TU Delft, 2000.6 Deutscher Ausschuss f?r Stahlbe-ton: Richtlinie Stahlfaserbeton.Beuth Verlag Berlin, AusgabeM?rz, 2010.7 Teutsch, M., Wiens, U. & Alfes, C.A.,Erl?uterungen zur DAfStb Richtli-nie Stahlfaserbeton. Betonkalen-der 2011, Teil 2, Kraftwerke, Stahl-faserbeton. Ernst & Sohn, Berlin.8 Petitjean, J. & Resplendino, J.,French recommendations forultra high performance fibre rein-forced concretes. Proceedings ofthe 6th International Symposiumon High Strength/High Perform-ance Concrete, Leipzig 2002, Vol.1.9 Markovic, I., High PerformanceHybrid Fibre Concrete. DissertatieTU Delft, 2006.789