BandUitgavev a k b l a d o v e r t e c h n o l o g i e e n u i t v o e r i n g v a n b e t o njuni20122515Een sterkstaaltjeOver het werken metstaalvezelbeton2 juni 2012 15 I 25Ongewapend beton is een materiaal dat heelgoed drukspanningen kan weerstaan, maarnagenoeg geen trek- en buigtrekspanningenkan opnemen. Als we het beton wel trekspan-ningen willen laten opnemen, dan schakelenwe vaak over naar gewapend beton. Hierbijplaatsen we wapening in de trekzone van deconstructie. Maar het kan ook anders, bijvoor-beeld door gebruik te maken van staalvezels.In deze Betoniek gaan we eens dieper in op dekenmerken en aandachtspunten bij het werkenmet staalvezelbeton.Voordat we met staalvezels beginnen, kijkenwe nog eens goed naar het verschil tussengewapend en ongewapend beton. Wat doenwe eigenlijk?Ongewapend beton breekt al snel bij lagetrekspanningen, vaak op een onvoorspelbaremanier. We noemen dit bros gedrag. Dit geldtniet alleen voor ongewapend beton, maarbijvoorbeeld ook voor vlak glas. Als we hetmateriaal meer willen vervormen voordat hetbreekt, maken we het materiaal taaier. Ingewapend beton doen we dit door het toe-voegen van wapeningsstaven. Blijven we bijonze vergelijking met glas, dan zouden wegewapend beton kunnen vergelijken metgewapend glas: nog steeds met een brossecomponent, maar ook met taaie onderdelen.Bij het gebruik van gewapend beton in eenconstructie rekenen we ook op die maniermet het materiaal. We rekenen met betonvoor de opname van drukkracht en met staalvoor de opname van trekkrachten.Geen staven maar staalvezelsMaar het kan ook anders. Zoals men heelvroeger bij het bouwen met leem en klei alhad ontdekt, kun je brosse materialen doorhet toevoegen van vezels trekvaster en buig-baarder maken. Zo voegde men vroeger stroen hooi toe aan bijvoorbeeld leem om daarbeter mee te kunnen bouwen.Door het toevoegen van staalvezels (ziekader Staalvezelgroepen) aan beton ontstaater ook een materiaal dat trekvaster en buig-baarder is. Het staalvezelbeton kan trekkrach-ten opnemen en breekt niet meer op eenonverwacht moment. Met andere woorden:beton wordt van een bros materiaal een taaimateriaal. In figuur 2 is dit visueel weergege-ven in een zogenaamd kracht-vervormings-Een sterkstaaltje3juni 2012 15 I 25diagram. Als de kracht toeneemt, zal hetongewapende beton (grijze lijn) en het staal-vezelbeton (blauwe lijn) langzaam gaanvervormen. Op het hoogste punt van de lijn(de zogenaamde piekbelasting) scheurt hetbeton. Het ongewapende beton is nu kapoten de kracht kan niet meer worden opgevan-gen. De grijze lijn daalt. In het staalvezel-beton ontstaan ook scheuren. De staalvezelsgaan vanaf dit punt hun werk doen ennemen de trekspanning op. Dit wordt ookwel de nascheurcapaciteit genoemd.1Staalvezelbetontot het uiterstebeproefd (op deTU Eindhoven)foto: Bart vanOverbeeketrekkrachtdoorbuigingbetonstaalvezelbeton2Verschil in ver-vormingscapaciteittussen ongewapendbeton en staalvezel-beton4 juni 2012 15 I 25Voorwaarde voor een goede werking vanstaalvezelbeton is dat het materiaal homogeenis . Hiermee bedoelen we dat alle bestand-delen perfect door elkaar zijn gemengd. Hier-door kunnen we met staalvezelbeton rekenenals ??n materiaal. We kunnen het taaiere staal-vezelbeton dan ook niet meer vergelijkenmet normaal gewapend beton. De eerdergemaakte vergelijking tussen enerzijds glas engewapend glas en anderzijds ongewapendbeton en staalvezelbeton gaat niet meer op;staalvezelbeton kun je beter vergelijken meteen stijf rubber. Door het homogeen toevoe-gen van staalvezels aan het beton hebben wedus echt een ander materiaal gekregen. In derest van deze Betoniek leggen we uit hoe ditwerkt en wat voor consequenties dit heeft inde uitvoering.Belangrijke eigenschappen van destaalvezelZoals eerder aangegeven, voegen we staal-vezels toe aan het beton om een grotere ver-vorming mogelijk te maken en een hogeretreksterkte te cre?ren. De staalvezels gaan hierpas aan bijdragen als het beton is gescheurd.Bij een sterker beton gebeurt dit pas bijhogere trekspanningen. De eigenschappenvan het staalvezelbeton worden dus in eersteinstantie bepaald door het type beton.Als we vervolgens de invloed van de vezel opde mechanische eigenschappen van het staal-vezelbeton willen begrijpen, kunnen we hetbeste kijken naar het gedrag onder buiging.Staalvezelbeton wordt ook op die maniergetest. Bij buiging cre?ren we namelijktrekspanningen, die vervolgens leiden totscheuren. Het is in die situatie dat de staalvezelzijn werk moet doen (fig. 3). Er zijn drie eigen-schappen waar we bij de staalvezel naar kijken:? treksterkte van de vezel;? verankering;? lengte-diameterverhouding.Deze eigenschappen zijn niet onafhankelijkvan elkaar, maar be?nvloeden elkaar. Hiernagaan we op alle drie de punten nader in.Treksterkte van de vezelZoals in figuur 3 is aangegeven, beginteen vezel pas te werken als het beton isStaalvezelgroepenStaalvezels zijn er in veel verschillende vormen en kunnenworden onderverdeeld in vijf groepen, gebaseerd op hunproductiemethode.Groep I: Koudgetrokken staaldraadvezelsKoudgetrokken staaldraadvezels worden het meest toegepast(>80%). De vezels worden geproduceerd door het in stukkensnijden van koud vervormd staaldraad. De vezels hebben eenronde dwarsdoorsnede. Deze vezels kunnen worden geprodu-ceerd in een rechte vorm en in een sinusachtig golvend profiel,zodat er een eindverankering ontstaat.Groep II: Geknipte staalplaatjesGeknipte staalplaatjes worden geproduceerd door het versnijdenvan dunne staalplaat. De vezels hebben een rechthoekige dwars-doorsnede. Deze vezels kunnen worden geproduceerd in eenrechte vorm en in een profilering, zodat er een eindverankeringontstaat.Groep III: Meltextracted; gesmolten en geslingerdMeltextracted vezels worden geproduceerd door met een wiel,dat met grote snelheid ronddraait, kleine volumes gesmoltenstaal uit een bad te scheppen. Deze volumes koelen vervolgenssnel af tot vezels. Ze zijn gewrongen van vorm en kunnen diverselangs- en dwarsvormen hebben, afhankelijk van de productie.Groep IV: Geschaafd koud getrokkenGeschaafd koud getrokken vezels zijn gemaakt van de restdradendie overblijven bij het produceren van onder andere staalwol.Groep V: Gefreesde vezelsGefreesde vezels worden geproduceerd door kleine stukjes staalte frezen of te verspanen van een groter geheel. Het zijn ietwatvervormde vezels met een ruwe en een gladde zijde.5juni 2012 15 I 25gescheurd. Ter plaatse van de scheur wordende krachten dan door de vezel heengeleid. Ditgaat goed tot het moment dat de vezelbreekt. Een vezel met een hogere treksterktehoudt het langer vol dan eenzelfde type vezelmet een lagere treksterkte. Vergelijk het maarmet de kwaliteit (sterkte) van een wapenings-staaf in gewapend beton. De treksterkte vande vezels is daarmee een van de hoofdpara-meters voor gedrag van staalvezelbeton.De verankeringDe treksterkte is niet de enige parameter. Eenzeer sterke vezel kan namelijk ook z'n werkingverliezen als hij niet breekt, maar uit het betonwordt getrokken. Daarom kijken we ook naarde verankering.Een rechte staalvezel moet de verankeringhalen vanuit de aanhechting in het beton. Dekracht die een sterke vezel kan overbrengenbij een scheur wordt daarmee bepaald doorde lengte van de aanhechting. Een rechtevezel kan dus maximaal presteren als hetbeton precies in het midden van de vezelscheurt; immers, dan is de aanhechtings-lengte naar links en naar rechts maximaal engelijk. Als het beton niet midden in de vezelscheurt, dan is de aanhechtingslengte naar??n zijde korter en zal deze vezel dus ookminder kracht kunnen overbrengen (fig. 4a).Er bestaan ook staalvezels met een eindveran-kering (fig. 4b). Een aanhechtingslengte isdan niet meer doorslaggevend. De vezel zalaltijd maximaal presteren zolang het betonmaar scheurt tussen de beide eindveran-keringen in. Hiermee hebben we de werk-zame lengte van een vezel enorm vergroot.Is de verankering onvoldoende, dan zal devezel niet volledig op spanning komen engebruikt men in principe een te duur materiaalvoor de vezel. Is de verankering te goed tenopzichte van de treksterkte in de vezel, danzullen de vezels breken tijdens de beproeving.De lengte-diameterverhoudingHet derde belangrijke eigenschap van devezel is de lengte-diameterverhouding (l/d).Hierin zit het effect van de scheuroverbrug-scheurrechte vezel met scheur in het middenrechte vezel met scheur uit het middenvezel met eindverankering3Scheur in beton met staalvezeloverbruggingen spanningslijnen (blauw)4bBij vezels met eeneindverankering isde locatie van descheur niet vaninvloed4aDe verankering vaneen rechte vezelwordt bepaald doorde aanhechtings-lengte, die afhanke-lijk is van de locatievan de scheur6 juni 2012 15 I 25ging van de vezel verstopt. Als we uitgaan vaneen goede eindverankering, kan een langerevezel een wijdere scheur overbruggen. Aan-gezien een scheur bij grotere belasting steedsverder gaat openstaan, kan een langere vezeldus langer zijn werk doen.Lengte is echter maar ??n kant van demedaille. De vezel geeft namelijk krachtendoor. Het neemt plaatselijk de functie van hetoorspronkelijke beton over (fig. 3). Dit gaatgoed totdat de treksterkte van de vezel wordtoverschreden. De spanning waarbij ditgebeurt, wordt berekend door de over tebrengen kracht te delen door het oppervlakvan de dwarsdoorsnede van de vezel. Metandere woorden: voor een vezeltype met ??nbepaalde treksterkte kan een dikke vezel veelmeer kracht overbrengen dan een dunne.Maar in 1 kg staalvezels zitten veel meer dun-nere vezels dan dikkere, waardoor er veel meervezels beschikbaar zijn om de kracht over tebrengen. Een combinatie van deze twee zakengeeft dat vezels met een hogere l/d-verhoudingbeter presteren dan vezels met een lagerel/d-verhouding.Bij beginnende scheuren brengen langerevezels de trekkrachten over grotere afstandenweg. Hierdoor presteren langere vezels beterin de buigproef dan kortere vezels, met namebij grotere vervormingen van het proefstuk.VoorbeeldStel, we nemen een vezel met een diametervan 9 mm en een lengte van 60 mm. Dezeheeft een l/d-verhouding van 60/9 = 6,7. Viahet volume en de dichtheid van de vezel kun-nen we het gewicht van ??n vezel uitrekenen:0,06 x x 0,009 x 0,009/4 x 7850 = 0,0299kg. In ??n kilo gaan van deze vezel dus onge-veer 1/0,0299 = 33 stuks. Nemen we nueenzelfde vezel met een identieke lengte eneenzelfde vorm, maar met een diameter van0,9 mm, dan volgen de volgende waarden:l/d-verhouding is 60/0,9 = 66,7 en het gewichtvan ??n vezel is 0,000299 kg. Nu gaan er dus3341 (1/0,000299) vezels in ??n kilo. Makenwe vervolgens staalvezelbetonmengsels metdezelfde kilogrammen aan vezels, dan heefthet beton met de 3341 vezels per kilo een veelgrotere effectiviteit. Een hogere l/d-verhoudinggeeft met name hierdoor een betere prestatie.Het mengselontwerpWe weten nu iets meer over de drie belang-rijke eigenschappen van de staalvezel, maarnu moeten we hier nog optimaal gebruik vanmaken in het mengselontwerp.In het betonskelet moet ruimte zijn voor destaalvezels. Normaal is het betonskelet voorhet beton zo opgebouwd dat het een mooiedichte pakking heeft. Nu moeten hier destaalvezels nog bij. Bij beton met grof toeslag-materiaal is hier weinig ruimte voor (fig. 5).CE-markering en certificatievan de staalvezelsIndien voor een product een geharmoni-seerde Europese norm (EN) bestaat, moetdit product met een CE-markering op demarkt worden gebracht. Voor staalvezels isdit de norm EN 14889-1. Afleverdocumen-ten of verpakkingen van staalvezels moetendaarom van een CE-markering wordenvoorzien. Het is wettelijk verboden om staal-vezels zonder CE-markering op de Neder-landse markt te brengen en te verwerken.De conformiteit ten behoeve van deCE-markering voor staalvezels, die wordentoegepast in berekende constructies, moetaltijd overeenkomstig het systeem `1' wor-den aangetoond (zie Betoniek 14/03 Gecer-tificeerd!).In Nederland stelt men bovendien aan-vullende eisen aan de staalvezels. Dezezijn vastgelegd in beoordelingsrichtlijnBRL5061. Op basis hiervan kan de fabrikanteen KOMO-certificaat aanvragen.7juni 2012 15 I 25Zeker bij hogere doseringen moet er ruimteworden gemaakt om de staalvezels goedhomogeen in het beton te krijgen. Dit kan dooreen deel van het grove toeslagmateriaal tevervangen door fijn toeslagmateriaal. Met fijntoeslagmateriaal is het makkelijker manoeu-vreren om de staalvezels een plaatsje te geven(fig. 6). Om de staalvezel goed hun werk telaten doen, is het van belang dat de lengte vande staalvezel groter of gelijk is dan tweemaal dediameter van de grootste toeslagkorrel.Door het toevoegen van staalvezels aan hetbeton wordt de waterbehoefte van het beton-mengsel groter. Dit verlaagt de verwerkbaar-heid en voor dit verlies moet worden gecom-penseerd.Doseren en mengenNu we het mengselontwerp hebben bespro-ken, is het belangrijk stil te staan bij hetdoseren en mengen van staalvezelbeton.Belangrijk is daarbij dat de staalvezels homo-geen, dus goed verdeeld, door het betonworden gemengd.De praktijk leert dat vezels tot een l/d-verhou-ding van 50 heel goed los kunnen wordentoegevoegd aan het beton. Ze verspreidenzich tijdens het mengen vanzelf in het beton.5Staalvezels in beton met grof toeslagmateriaal6Staalvezels in beton met fijn toeslagmateriaal7Staalvezel-betonspecie8 juni 2012 15 I 25Vezels met een l/d-verhouding van boven de50, vaak de beter presterende vezels, hebbenenige hulp nodig om goed homogeenverspreid te worden in het beton. Er moetworden voorkomen dat er zogenoemde`ballen' of `egels' ontstaan. Dit heeft alles temaken met het in elkaar haken en grijpen vande vezels. Korte dikke vezels die uit een zakworden geschud, rollen nog breed weg. Bijlange dunne staalvezels bestaat de kans dateen `vezelberg' ontstaat.De oplossing voor dit probleem is om delosse, lange vezels te verlijmen tot samen-klevende plaatjes. Deze plaatjes hebben weereen l/d-verhouding van