=E N M A A N 0 L I K S E UITGAV V A N o EVERENIGING NEDERLANDSE CEMENTINDUSTRIE, C D , ?>>yWE , Illi,' POSTBUS 3011',. > ': 5203 DA 's HERTOGENBOSCH ,VezelsVezels worden van oudsher in combinatie met cementtoegepast. Bekende voorbeelden zijn asbest- enhoutwolvezels. De laatste jaren zijn nieuwevezelmaterialen naar voren gekomen, zoals staal-,glas- en kunststofvezels. In deze aflevering wordtingegaan op het principe van de werking van vezels incementsteen en beton. Daaruit wordt duidelijk watwel en wat niet van verschillende vezelsoorten magworden verwacht.Steenachtige materialen kunnenbogen op een goed draagver-mogen onder drukbelastingen.Heel anders is het gesteld metde weerstand tegen trekbelastin-gen. Bij cementsteen wordt delage treksterkte veroorzaaktdoor de poriestructuur. Dedeeltjes waaruit de cementsteen'bestaat hebben daardoor eenrelatief bescheiden hechting.Verder spelen inhomogeniteitenin poriestructuur en microkrimp-scheurtjes een belangrijke rol. Inzand-cementmortels en in betonvergroot de aanwezigheid van detoeslagkorrels de inhomogeniteitnog verder. Deze factoren zijnbepalend voor de relatief lagetreksterkte ten opzichte van dedruksterkte.Deze lage treksterkte vormtgeen onoverkomelijk bezwaarvoor het realiseren van beton-constructies. Allang geledenontdekte men dat betonstaal ininnige samenwerking met betonde optredende trekspanningenkan opnemen. Op plaatsen waartrekspanningen in het beton tengevolge van belasting of anders-zins ontstaan, neemt de wapeningde rol van het beton over. Essen-tieel is dat dit pas gebeurt als hetbeton zelf niet meer in staat is deoptredende trekspanningen opte nemen. Kortom, de wapeningvervult zijn rol als het beton isgescheurd (fig. I).Dit betekent het volgende:- de trekkracht wordt door dewapening 'over deze scheuren'doorgevoerd; ·- de trekkracht wordt vanuit dewapening weer op het betonovergedragen in de zone naastde scheur. Die overdrachtheeft plaats via aanhechtspan-ningen over een bepaaldelengte: de overdrachtszone.In deze overdrachtszoneontstaan nieuwe scheuren,indien de trekkracht in hetwapeningsstaal toeneemt, bijvoorbeeld door groterebelasting;- voor het zinvol gebruik vanwapening moeten zowel deplaats en richting als dehoeveelheid exact bekend zijn.Zoals gezegd komt het er opneer dat in gewapend beton dewapening pas zijn functie vervult,januari 1991x>zJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJaJJJJJJJJJJJJJJ[IJ Balk van gewapend beton, op buiging belast. De wapening neemtde trekkracht opter plaatse van de scheurenindien het beton is gescheurd.De scheurwijdte en de afstandtussen de scheuren wordenbeperkt door de wapening. Deconstructeur berekent de beton-constructie zodanig dat deoptredende scheurwijdte eenbepaalde maximale waarde nietoverschrijdt. De maximalescheurwijdte is vastgelegd in deVoorschriften Beton; de ordevan grootte is 0,20 à 0,25 mmoDergelijke kleine scheuren zijnnauwelijks waarneembaar enabsoluut niet van invloed op deduurzaamheid van de constructie.Deze uitwijding over de rol vande wapening is noodzakelijk,omdat de rol van vezels hiermeemoet worden vergeleken.rol van vezelsVezeltoevoegingen aan betonhebben in het algemeen devolgende kenmerken:- vezels zijn veel fijner in hetbeton verdeeld dan conventio-nele wapening. De rol van devezels als wapening is welis-waar vergelijkbaar met die vannormale wapening, maarwordt op kleinere schaalvervuld. Het gedrag van hetbeton rondom de scheurenwordt bepaald door zones vanzeer kleine afmetingen, dat wilzeggen met kleine scheurenen scheurwijdten. De scheur-ontwikkeling wordt dan ookvroegtijdiger door de vezelsbelemmerd dan in het gevalvan conventionele wapening.Voorwaarde is echter dat devezels in voldoende mate enhomogeen verdeeld zijn in hetbeton;- de hoeveelheid vezels die aanhet beton kan worden toege-voegd heeft beperkingen.Deze beperking ontstaat doorsamenklonteren van vezels enhet afnemen van de verwerk-baarheid van de betonspeciebij het opvoeren van dehoeveelheid vezels;- vezels komen over de geheleconstructie voor, althans in demeeste gevallen. De aanwezig-heid is dus niet beperkt tot deplaatsen waar trekspanningenvoorkomen;- de vezeloriëntatie, ofwel derichting van vezels, heeft menniet in de hand. Omdat devezels als gevolg daarvan descheuren niet loodrechtkruisen, is hun werking niet zoeffectiefals van wapenings-staven. Alleen nabij het opper-vlak, vooral in de toplaag, kanenige oriëntatie optreden tengevolge van het afwerken.Hieruit volgt dat de effectiviteitvan vezels per eenheid vanvolume materiaal beperkt is.Om de rol van vezels beter tebegrijpen, moeten we hetvolgende onderscheid in dewerking maken:- het versterken van decementsteen, ook wel matrixgenoemd (microwerking);het functioneren als wapening(macrowerking).In het hierna volgende gaan wena wanneer en onder welkevoorwaarden de beide functieskunnen worden vervuld.sterking van de matrixDe willekeurig in het betonverdeelde vezels beperken demicroscheurvorming van dematrix (fig. 2). Ook wordenmicroscheuren overbrugd(fig. 3).Microscheurvorming ontstaatreeds tijdens het hydratatie-proces van cement als gevolg vanverhindering van vervormingenvan de matrix door het stijveskelet van toeslagmaterialen. Ditbetekent dat vezels ook een rolkunnen spelen bij het beperkenvan scheurvorming in 'groen'beton.Voor het beperken van micro-scheurvorming is de rekstijfheidvan de vezel belangrijk. Derekstijfheid is de weerstandtegen vervorming, in dit gevalverlenging. Een vezel met eenhoge rekstijfheid biedt dus meerweerstand tegen microscheur-JJJJJJJJJJJJNbgJJJJJJJ JJJ[!].Belastingoverdrachtover een scheur door middel van scheuroverbruggende vezels enuittrekken van de vezels uit de matrixrnSchematische voorstelling van een mieroscheur. De vezel veroorzaakt verminderingvan spanningsconcentratie nabij een scheurtipEr zijn drie gevallen te onder-scheiden:van vezels gedraagt een beton-constructie zich dus 'bros', alsofdaarin geen vezels aanwezig zijn.Dit betekent dat de constructiezonder enig vertoon van 'taai-heid' kan bezwijken, net zoalsongewapend beton. Dit wordt inhet algemeen aangeduid als eenonveilig bezwijkgedrag.Vezels moeten derhalve enerzijdsgoed aan het beton hechten,maar anderzijds niet te innigdaarmee zijn verbonden. Proevenop betonelementen met verschil-lende soorten vezels kunnendaarom een groot verschil intrekgedrag te zien geven (fig. 4).Vezels vormen ook kleine 'trek-banden' in een scheur. Zijn ze aanbeide zijden van een scheur zeergoed verankerd, ondanks dekleine aanhechtingslengte, dankunnen ze bij geringe verwijdingvan de scheur reeds breken.Bij een zeer goede aanhechtingbedoeld: de mate waarin detrekkracht in de vezel kanworden overgebracht naar hetbeton ter weerszijden van descheur. Is de vezel aan een zijdeonvoldoende verankerd, of is deaanhechting van de vezel aan hetbeton slecht, dan zal de over tebrengen kracht gering zijn. Bijgewapend beton speelt dit geenrol, omdat daar de wapeningdoorloopt.Functie van vezels alswapeningDe functie van vezels als wape-ning onderscheidt zich duidelijkvan de rol van normale wapeningin betonconstructies. Immers deplaats en de richting van eenvezel ten opzichte van scheurendie door belasting ontstaan,liggen niet vast. Een scheur kaneen vezel halverwege zijn lengtekruisen, maar ook dichtbij eenvezeleinde. Het aanhechtingsge-drag bepaalt nu de effectiviteitvan de vezel. Met effectief wordtBij het overbruggen van micro-scheuren is niet zozeer derekstijfheid van de vezel vanbelang als wel de treksterkte enhet aanhechtingsvermogen vande vezel aan beton. Ook deverhouding van de lengte en demiddellijn van de vezel speelthierin een rol.Deze mechanismen hebben totgevolg dat door toevoeging vanbepaalde soorten vezels detreksterkte van de matrix kanworden vergroot. Veel meer dande treksterkte kan echter detaaiheid toenemen. Onder detaaiheid wordt verstaan hetvermogen van vezelbeton omnog krachten op te nemen nadatscheurvorming is ontstaan. Dezetaaiheid is in feite de meestkarakteristieke eigenschap vanvezelbeton.vorming dan een vezel met eenlage rekstijfheid.Doordat de vezels trekspan-ningen opnemen, dalen de span-ningsconcentraties rond de 'tip'van de microscheurtjes in dematrix. Het uitbreiden vanmicroscheurvorming wordtdaardoor tegengegaan.JJJJJJJJJJJJJJJJJNbgJJJJJJJJJJJJJJJZeer goede hechtingIn dit geval kunnen vezels hunfunctie als 'scheuroverbruggers'niet meer goed vervullen. Inplaats van zich plastisch te gedra-gen, waarbij de vezels langzaamuit de matrix worden getrokken,gedraagt beton met zeer goedhechtende vezels zich 'bros'.Goede hechtingOnder een goede hechting vanvezels aan het beton wordtverstaan dat na scbeurvormingdoor de vezels de trekkrachtenin de scheuren kunnen wordenovergedragen. Dit betekent datde vezels aan weerszijden vaneen scheur zodanig aan de matrixmoeten zijn verankerd dat eenzekere vervorming door 'slip'mogelijk is zonder dat breuk vande vezel optreedt. Juist ditgedrag, ook wel het 'nascheur-gedrag' genoemd, is voor velevezeltoepassingen in beton vanbijzondere betekenis.Slechte hechtingIn dit geval worden na scheur·vorming van het beton nogslechts geringe trekkrachten inde scheur overgedragen, omdatdevezel uit de matrix wordtgetrokken.In veel gevallen heeft de toevoe-ging van vezels die een slechtehechting aan het beton vertonenweinig zin. Dit betekent dat deverschillende in de handelgebrachte vezels juist op deeigenschap van het 'nascheur-gedrag' moeten worden beoor-deeld.mogen we verwachten?Aan de hand van de beschrevenprincipes kunnen we vaststellenwat we wel of niet van eenbepaalde vezel mogenverwachten bij een beoogdetoepassing. We hebbenonthouden dat rekstijfheid,treksterkte en vooral aanhech-tingskarakteristiek de belangrijkeeigenschappen zijn. Ter oriëntatiezijn in tabel I globaal enkeleeigenschappen van verschillendevezels gegeven. Hierna zalworden aangegeven wat we welen niet mogen verwachten vande toepassing van vezels in beton.wandige elementenDunwandige elementen met eendikte van enkele centimetershebben het voordeel van eenlaag gewicht. Bovendien zijndeze elementen uitermategeschikt om er sandwich-constructies in combinatie metisolatiemateriaal mee te maken.Voorbeelden zijn wanden vankoelpakhuizen en gevels vankantoorgebouwen.Bij deze laatste toepassing wordtde keuze echter meestal bepaaldvanuit de wens een bijzonderevormgeving van de gevel terealiseren. Dat blijkt ook goedmogelijk te zijn. Dunwandigeelementen kunnen namelijkwÇlrden gemaakt met behulp vanspuittechniek op een enkelzijdigemal.De elementen moeten naast huneigen gewicht meestal alleenwindbelasting kunnen dragen.Bij het ontwerp dient echterook terdege rekening te wordengehouden met vervormingendoor thermische enhygrischeinvlo.eden.Belangrijke eigenschappen dienodig zijn om dergelijkeelementen te kunnen maken zijneen hoge treksterkte en stijfheiddvan het materiaal en uiteraardeen goede duurzaamheid. Eenmateriaal dat aan deze eisenvoldoet is glasvezelversterktcement.De treksterkte van glasvezels isvergelijkbaar met die van staal.De toegepaste spuittechniekstaat toe een relatief grotehoeveelheid glasvezels toe tevoegen. De hierdoor verkregenrekstijfheid voorkomt micro-scheurvorming. De aanhechtingvan glasvezels aan de matrix isgoed. Het element behoudt dusin zijn geheel een grote mate vanstijfheid.Ten slotte duurzaamheid. Glas-vezels kunnen niet corroderenzoals staal. De moderne vezelszijn door modificatie van deglassamenstelling en toevoegingvan polymeren bestand tegenhet alkalische milieu in decementmatrix.Kortom een goede vezeltoepas-sing, waarbij alleen de kostprijsnog een belemmering kanvormen voor meer algemeengebruik.ische krimpscheuren invers gestort betonVanuit de betontechnologiebezien is het enigszins vreemdom hiervoor aan vezeltoepassingte denken. Zoals de naam alaangeeft, kunnen dit soort krimp-scheuren ontstaan in nog plas-tisch beton, dus vrij kort na hetstorten. Ze zijn het gevolg vanhet voortijdig verdampen vanhet aanmaakwater uit vooral hetbuitenste laagje beton. Uiterlijkis dit type scheurvorming wel inde vorm van een scheuren-patroon als van uitgedroogdeklei te herkennen.JJJJJJJJJJJJNgJJJJJJJJJJJJJPlastische krimp is eenvoudig enmet goedkope maatregelen tevoorkomen. Tijdig afdekken metfolie of nathouden met waterzijn doeltreffende maatregelen.Het uitvoeringsproces kanechter met zich meebrengen datdeze maatregelen niet zijn tetreffen. Om de kans op plastischekrimpscheuren dan te verkleinen,kan gedacht worden aan meng-sels met een zo groot mogelijkesamenhang en met een zo laagmogelijk watergehalte.Vanuit inventieve gedachtenover de vergroting van de samen-hang wordt wel voorgesteldvezels toe te voegen. En inder-daad, vezels blijken een enigszinsstabiliserende werking uit teoefenen op de betonspecie.Wellicht verhinderen de vezelsdoor de wrijvingskracht tussenvezels en plastische beton sedi--mentatie, waardoor een water-rijke, krimpgevoelige toplaagwordt tegengegaan.De vezeltoevoeging heeft daneen indirect effect. De werkingheeft weinig of niets te makenmet rekstijfheid, treksterkte enaanhechtkarakteristiek van devezel. In principe zou elke wille-keurige vezel het effect kunnenveroorzaken op basis van debeschreven werking.Vooraf is niet of nauwelijks vastte stellen hoeveel vezels nodigzijn om het gewenste effect tebereiken. De eerste ervaringenmet bij voorbeeld kunststofve-zels, wijzen op een toevoegingvan ongeveer I kg vezels per m3beton als compromis tusseneffect en kostprijs. Wel iets omgoed te overdenken, voordateen keuze uit de verschillendemaatregelen wordt gemaakt.'"eurendooruitdrogingskrimpUitdrogingskrimp is het gevolgvan het verdampen van overtolligwater uit beton. Dit is het extrawater dat wordt toegevoegdvanuit het oogpunt van verwerk-baarheid van de betonspecie endat niet of nog niet wordtverbruikt bij de cementhydrata-tie. Uitdrogingskrimp kan perdefinitie alleen optreden, indienwater uit verhard beton kanverdampen.Uitdrogingskrimp is een feno-meen met een fysische achter-grond. De krachten die hierbijoptreden kunnen zeer grootzijn. In het ontwerp zal daarommet krimp rekening moetenworden gehouden.Bij vloeren betekent dit bijvoorbeeld dat krimpvoegennodig zijn indien de verkortingdoor krimp wordt ITabel IKenmerkende eigenschappen van enkele vezefsoortenstaal 10-600polypropyleen 20-200 5-8nylon 4·20 4-5aramide 10 130koolstof-type HM 8 380-type HS 9 230D500-10002800100-15025Kracht-vervormingsdiagram van proefstukken van beton versterkt met verschillendeveze/soorten[]] Typisch beeld van een proefkubus die in de drukbank is bezweken door overschrijdingvan de treksterktebuigtrekscheuren worden over-brugd door vezels met eengoede aanhechtkarakteristiek ener van de vezels een voldoendescheurverdelende werkinguitgaat. Goede staalvezelshebben de vereiste trekkrachten aanhechteigenschappen. Descheurverdelende werking hangtaf van de hoeveelheid staalvezelsdie wordt toegevoegd.Deze vezels geven het betoneen verbetering van het'nascheurgedrag', ook welgenoemd 'buigtaaiheid'. In figuur4 is te zien dat vezels met goedeBuigtreksterkteDe buigtreksterkte van betonkan worden vergroot indienmoeten een optimale relatiehebben tussen rekstijfheid,treksterkte en aanhechting (zieook tabel I).Indien we bedenken dat uit hetoogpunt van verwerkbaarheidde toe te voegen hoeveelheidvezels beperkt is, betekent ditdat alleen goede staalvezelshierin enigszins een rol kunnenspelen.bijvoorbeeld door wrijving metde ondergrond of door palenwaarop de vloer is gefundeerd.Als geen krimpvoorzieningenzijn aangebraçht, kan traditionelewapening hinderlijke scheurenten gevolge van uitdrogingskrimpslechts voorkomen bij toepassingvan een zeer grote hoeveelheidbetonstaal.Er bestaat geen vezel die - inverwerkbare hoeveelheden inbeton - scheuren door uitdro-gingskrimp kan voorkomenzonder de juiste ontwerp-technische voorzieningen.Beperking van de scheurwijdte iswel mogelijk, zowel met traditio-nele wapening als met eenvoldoende hoeveelheid vezelsmet een goed aanhechtings-gedrag. Bij toepassing van staal-vezeis is dan tenminste 40 kgvezels per m3beton nodig.DruksterkteOver druksterkte kunnen wekort zijn. Beton bezwijkt eigen-lijk nooit door overschrijding vande druksterkte. Wat weloptreedt, is het bezwijken doorhet overschrijden van de trek-sterkte. Bij het belasten vanproefstukken tot breuk is ditgoed te zien aan het scheuren-patroon (fig. 5).Vezels kunnen kan dus alleen eenbijdrage leveren aan vergrotingvan de bezwijkbelasting, indiende vezel de treksterkte van hetbeton verhoogt. En dit kanalleen wezenlijk door een zogrote hoeveelheid vezels toe tevoegen dat micro- en macro-scheurvorming wordt belem-merd en de trekkrachten onderzeer geringe vervorming wordenopgenomen. Vezels die dezeprestaties kunnen leveren,JJJJJJJJJJJaJJJJJJJJJJm ..Rna:------- | J J J J J J J |hechting het element of deconstructie in staat stellen bijeen toenemende vervormingnog {buig)trekkrachten te latenopnemen.Praktisch betekent dit dat eensoort scharnier ontstaat terplaatse van de scheur, waardoorbij bepaalde toepassingen eenlastherverdeling kan ontstaan.De bezwijklast neemt bij dezetoepassingen dan ook toe.Voorbeelden hiervan zijn staal"vezelgewapende betonbuizen enbedrijfsvloeren die zijn gefun-deerdop een zandbed. Door debuigtaaiheid in een scheur kan debuis of de vloer enigszinsvervormen zonder zijn samen-hang te verliezen. De benodigdeweerstand om de belasting tekunnen blijven dragen, wordtdaarna mede geleverd door eennaastgelegen gedeelte dat steuntop de omhullende of onder-gelegen grond.In CUR-aanbeveling 10 is eenproef beschreven waarmee hetnascheurgedrag van verschillendesoorten staalvezels kan wordenbepaald. Tevens is aangegevenhoe hieruit een waarde voor debuigtreksterkte van staalvezel"beton valt af te leiden. De resul-taten van deze beproevingkunnen voor verschillendevezeltypen en -doseringenaanzienlijk verschillen.Momenteel wordt door CURgewerkt aan nieuwe aanbeve-lingen voor de bepaling van debuigtaaiheid van staalvezelbetonen voor de bepaling van derekenwaarde voor de buigtrek-sterkte uit deze buigtaaiheid.peningsstaal of vezelsHet vervangen van betonstaaldoor vezels bij vrijdragendeconstructies is bij de haalbarehoeveelheid toe te voegenvezels ten zeerste af te raden.Lastherverdeling, zoals bij buizenen op staal gefundeerde vloeren,kan hierbij immers niet optreden.Het voorspelbare resultaat isonherroepelijk scheurvorming,ook al is rekenkundig aan tetonen dat de buigtreksterkteniet wordt overschreden.Vervorming is dan oorzaak vanhet toch optreden van scheurenen het bezwijken c.q. onbruik-baar worden van de constructie.Een gevolg van het afwijkendegedrag van staalvezelbeton tenopzichte van gewapend beton isdat staalvezels bij vrijdragendebetonconstructies in feite alleenkunnen worden toegepast alseen extra voorziening tegenabnormale overbelasting of terverdeling van enkele grovescheuren in veel kleinere scheu-ren. In de fase van normaalgebruik versterken de vezels dematrix en verhogen daardoor inbeperkte mate de treksterkte.rzaamheidIn verhard beton kunnen vezelsin directe zin niets doen aanverhoging van de duurzaamheid.Integendeel, het toepassen vanvezels in beton leidt vaak tot eengrotere waterbehoefte van hetmengsel ten behoeve van deverwerkbaarheid. En daarmeewordt dan direct gezondigdtegen het voornaamste principevan duurzaamheid, namelijk zorgvoor een dichte cementsteen.Enige nuancering van dezegedachte over de relatie tussenvezels en duurzaamheid vanbeton is mogelijk. Hiervoor isbesproken dat vezels indirect devorming van plastische krimp-scheuren kunnen tegengaan. Alsdit inderdaad wordt bereikt, iseen kleine bijdrage geleverd aande vorming van een geslotenbetonoppervlak en daarmee aande duurzaamheid.De dichtheid van de cementsteenis de maatgevende factor voorde duurzaamheid van beton.Kortom, voor verhoging van de|JJJJJJJ JJJDJJfaIKKKJJJJJJJJJJJ| Jduurzaamheid van beton moetaan eenvoudige en goedkopebetontechnologische maat-regelen worden gedacht en nietaan vezeltoepassing.luitEr zijn grote verschillen in dewerking en effectiviteit vanvezels. Vezels kunnen aan betonbijzondere eigenschappen gevenindien zij weloverwogen en metkennis van zaken wordengebruikt. Alleen dan kan profijtworden getrokken van diebijzondere eigenschappen. Wemoeten ons dit terdege reali-seren wanneer aan nieuwetoepassingen wordt gedacht.ofonratuurI. S&E-publikatiel, Vezelversterkt cement en beton; Beton-vereniging, Gouda,19822. CUR-aanbeveling 10, Ontwerpen, en uitvoeren vanbedrijfsvloeren van staalvezelbeton; eUR, Gouda, 19873. CUR-rapport 90-5, Nieuwe materialen voor betonconstructies;eUR, Gouda, 1990In onze volgende uitgave:Carbonatatie en corrosieNieuwe inzichten in de relatie tussen carbonatatie, vocht encorrosieBETONlEK is een praktijkgerichtvoorlichtingsblad op het gebiedvan de betontechnologie enverschijnt 10keer per jaar.Redactie:tel. 073 - 40 1225Abonnementen:tel. 073 - 40 I 231ISSN 0166-1 37xAbonnementsprijzen voor 1991:Nederland, Nederlandse Antillenen Belgie f 21 ,25andre landen f 34,-Uitgave:Vereniging NederlandseCementindustrie (VNC),Postbus 30 I I,5203 DA 's-HertogenboschAbonnementen lopen perkalenderjaar. Aan het eind vaneen kalenderjaar wordt hetabonnement automatischverlengd, tenzij voor I decemberschriftelijk wordt opgezegd.Overname van artikelen enillustraties is toegestaan, ondervoorwaarde van bronvermelding.JJJJJNxgfJJJJJJJJJJ