Speciale betonsoorten: Vezelversterkt beton

4 Juli 2019
 

Algemeen

Vezelversterkt beton is een beton waaraan tijdens de productie staalvezels (fig 3.3.1) of kunststofvezels (ook polymeer- of synthetische vezels genoemd) worden toegevoegd zodat de eigenschappen van het beton worden verbeterd. Er bestaan ook andere vezeltypes (zie hoofstuk 1.5). Deze worden minder frequent gebruikt en worden daarom niet behandeld in dit hoofdstuk.

De voornaamste eigenschappen van beide soorten vezels zijn opgenomen in tabel 3.3.1:

de voornaamste eigenschappen van staalvezels en kunststof vezels
Tab 3.3.1 De voornaamste eigenschappen van staalvezels en kunststof- vezels


Staal- en kunststofvezels hebben niet hetzelfde toepassingsgebied. Talrijke parameters dienen in rekening gebracht te worden bij de keuze van de vezels : structurele eisen, risico op corrosie, uitzicht, eindgebruik van het beton, plaatsing, …

De voornaamste toepassingsdomeinen van de verschillende vezels zijn vermeld in tabel 3.3.2 : 

toepassingsgebied van vezels
Tab 3.3.2 Toepassingsgebied van vezels


Invloed van vezels op de betonsamenstelling

Bij het gebruik van vezels zal meestal meer cementpasta en zand worden voorzien om de vezels voldoende te omhullen en om de oppervlakte-afwerking te bevorderen. Men kiest bij voorkeur consistentie S4 voor een vlotte verwerking.
 
Bij de toevoeging van vezels aan het beton zal de water- of hulpstofdosering moeten aangepast worden.
 
Staalvezelversterkt beton voor het gebruik in gewapende industrievloeren zal meestal tot 35 kg/m3 vezels bevatten. Hogere doseringen tot 80 kg/m3 zullen slechts voor bijzondere toepassingen worden gebruikt zoals bij het vervangen van (een deel van) de passieve wapening.

Micro-kunststofvezels worden meestal gedoseerd aan 0,5 tot 1 kg/m3 om de effecten van plastische krimp te beperken en aan 2 tot 4 kg/m3 om de brandweerstand te verbeteren. Macro-kunststofvezels worden in een hoeveelheid van 3 à 10 kg/m3 toegevoegd voor verbetering van draagkracht.
 
Granulaten
De lengte van de vezels dient aangepast te worden aan de maximale korrelgrootte van de granulaten. Deze beinvloedt immers de verdeling en de oriëntatie van de vezels in het beton. Als voor een te korte vezel wordt gekozen, zullen de grove granulaten de vezels wegduwen waardoor ze niet meer scheur-overbruggend kunnen werken tussen de grotere korrels (fig 3.3.2). Over het algemeen kiest men voor een vezellengte die minstens het dubbele van de maximale korrelafmeting bedraagt.

Een inert skelet op basis van gebroken granulaten of met een discontinue opbouw kan, in combinatie met hoge vezeldoseringen, de verwerkbaarheid ongunstig beïnvloeden.

Invloed van vezels op de productie en plaatsing van beton

Het mengen
De vezels worden bij voorkeur toegevoegd tijdens het mengproces van het vers beton. Men wil immers een goede integratie en homogene verdeling van de vezels bekomen. Het verdient echter voorkeur eerst het beton te mengen en pas nadien de vezels toe te voegen. Bij het gebruik van staalvezels dient de natte mengtijd niet verhoogd te worden. Wanneer men de vezels in de menger van de betoncentrale toevoegt, bekomt men een betere verdeling van de vezels. Nadeel hierbij kan zijn dat bij het ledigen van de menger nog vezels kunnen achter blijven. De vezels kunnen ook toegevoegd worden in de truckmixer, echter enkel indien het beton voldoende vloeibaar is. Na het toevoegen van de vezels moet nog minstens 5 minuten gemengd worden aan hoge snelheid.
Als vezels worden toegevoegd voor structurele doeleinden, dan mogen ze niet geplooid of gewrongen geraken tijdens het mengproces. Als de slankheid van de vezels l/d (verhouding van de lengte tot de dikte) verhoogt, zal de verwerkbaarheid dalen en verhoogt het risico op clustervorming (ook "egelvorming" genoemd). In de praktijk zal meestal voor een slankheid van 50 tot 80 worden gekozen.
 
Kunststofvezels worden meestal in voorverpakte, wateroplosbare zakjes aan het verse betonmengsel toegevoegd. Lange staalvezels worden meestal geleverd in verlijmde pakketjes. De wateroplosbare lijm laat de vezels geleidelijk aan loskomen tijdens het mengen. De dosering van grote hoeveelheden vezels wordt geoptimaliseerd door gebruik te maken van automatische doseersystemen met tijdwinst voor gevolg.
 
Plaatsing en verdichting
De plaatsing van vezelversterkt beton komt in grote lijnen overeen met dat van traditioneel beton. Bij het verpompen van staalvezelversterkt beton zal de maximale korreldiameter beperkt worden tot 16 mm. Om het risico op verstoppingen te beperken wordt bovendien een voldoende grote diameter van de pompbuis voorzien (120 mm) en wordt het leidingenstelsel zo recht mogelijk aangelegd.
 
Beton met staalvezels zal meer verdichtingsenergie vergen dan beton zonder vezels. Deze zal groter worden naarmate de vezeldosering toeneemt. De klassieke verdichtingsmiddelen (trilnaald of trilbalk) en afwerkingstechnieken (afreien, borstelen, vlinderen) kunnen gebruikt worden.
 

Invloed van vezels op het gedrag van het beton

Mechanische en structurele eigenschappen
De toevoeging van staalvezels en macro-kunststof- vezels zal slechts in beperkte mate de druksterkte en de elasticiteitsmodulus van het beton beïnvloeden. Het verbeterd gedrag onder trek en buiging daarentegen geeft het vezelversterkt beton interessante structurele eigenschappen.
 
Beton zonder vezels kenmerkt zich, tijdens een trek- of buigproef, door een quasi onmiddellijke breuk wanneer de maximale treksterkte wordt bereikt (fig 3.3.3, blauwe kromme). Beton zonder vezels gedraagt zich op een "brosse" of "fragiele" manier. 
 
Bij beton versterkt met vezels valt de weerstand bij een trek- of buigbelasting niet terug op nul maar blijft daarentegen op een "residueel" niveau (fig 3.3.3, rode kromme). Het niveau van de residuele weerstand hangt logischerwijze af van het type en de hoeveelheid vezels aangezien zij de energie bepalen die nodig is om de aanhechting van de vezels aan de cementsteen te verbreken. Beton met vezels gedraagt zich op een "ductiele" manier.
 
Merk op dat de toevoeging van vezels de initiële weerstand tegen trek of buiging niet wijzigt ; de vezels gaan met andere woorden het risico op het verschijnen van scheuren niet verminderen.
 
Deze principes laten toe het structureel gedrag van vezelversterkt beton te begrijpen : ter plaatse van de eerste scheur zal het gedeeltelijk uittrekken van de vezels, die deze scheur overbruggen, de residuele sterkte mobiliseren en zo verhinderen dat de scheur zich verder doorzet. Door deze gemobiliseerde sterkte zullen echter andere scheuren optreden niet ver van de eerste scheur. De toevoeging van vezels wijzigt dus het verschijnen van één (of enkele) grote scheur(en) door de vorming van een reeks kleine scheurtjes die doorgaans geen verdere gevolgen hebben (fig 3.3.4).
 
Macro-kunststofvezels kenmerken zich door hun gebruiksgemak en lage kost ten opzichte van staalvezels. Gezien hun potentiële degradatie als gevolg van langdurige blootstelling aan UV-straling worden ze echter bij voorkeur gebruikt in tijdelijke constructies. 
 
Brandweerstand
De toevoeging van kunststofvezels kan de weerstand tegen brand van hoge- of ultra-hogesterktebeton verhogen. In geval van brand creëert het verdwijnen van de vezels (smeltpunt rond de 165°C) een netwerk van poriën waarlangs de waterdamp, die zich ontwikkelt in het beton, kan ontsnappen. Zo wordt het afspatten van beton voorkomen.
 
beton avec fibres metalliques
Fig 3.3.1 Beton met staalvezels

 

influence du diametre maximal du granulat sur la repartition des fibres a gauche distribution homogene des fibres et du granulat a droite ecartement des fibres par un granulat a diametre maximal t
Fig 3.3.2 Invloed van de maximale korrelgrootte op de verdeling van de vezels : links een homogene verdeling van korrels en vezels ; rechts uiteendrijven van vezels door een te grote korrel.

 

belastings vervormingsdiagramma van beton met en zonder vezels
Fig 3.3.3 Belastings- vervormingsdiagramma van beton met en zonder vezels

 

illustratie van het beperkend en verdelend effect van vezels op de scheurvorming
Fig 3.3.4 Illustratie van het beperkend en verdelend effect van vezels op de scheurvorming.