Delft. Staalvezelbeton in de linings van boortunnels, een state-of-the-art. lr, A.G. Kooiman Rapportnummer

Staalvezelbeton in de linings van boortunnels, een state-of-the-art December 1996

Delft Delfl University of Teoi1nology

lr, A.G. Kooiman

Faculteit der Civiele Techniek Sectie Betonconstructies Tunnel Lining Onderzoek

Rapportnummer

25.5-96-10

Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat

Datum: december 1996

Opdrachtgever:

Bouwdienst Rijkswaterstaat Hoofdafdeling Projectuitvoering en Diensten Afdeling Technieken en Onderhoud Projectleider: Ir. M.H. Djorai

Opdrachtnemer:

TU Delft Faculteit der Civiele Techniek Vakgroep Mechanica en Constructies Sectie Betonconstructies Rapportnummer: 25.5-96..10 Rapporteur: Ir. A.G. Kooiman

Voorwoord Voor u ligt de literatuurstudie met als titel StaalVf1zelbeton in de linings van boartunnels, een state-af-the-art. De TU Delft, Faculteit der Civiele Techniek, sectie betonconstructies heeft in opdracht van de Bouwdienst Rijkswaterstaat~n literatuurstudie gemaakt naar de stand van.zakenbetreffende .de toepasbaarheid van staalvezelbetonJn de tinings van .boortunnelsinNederiand. De formulering van de bovenstaande opdracht is verwoord in~umentnummer SVB-THT.OO2van de BouwcfienstAijkswaterstaat, hoofdafdeling Projectultvoeringenpi!nsten, afdeling Technieken en Onderhoud. Het project staat onder het bevoegd gezag van ir. K. Tjaden, m_als projectlèider ir.M.B. Djorai. De opdrachtnemer is de TU Delft, waarbij de werkzaamheden door ir. AlG. Kooiman zijn uitgevoerd onder toezicht van prot.dr.ir. J.C. Wal raven en dr.lr, C. van der Veen. Ir. A.G. Kooiman

Inhoudsopgave

Vooronderzoek

staalvezelbeton

in tunn~llnings

Inhoudsopgave Voorwoord Hoofdstuk 1: Inleiding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Algemeen ............................................................•....... 1 1.2 Project omschrijving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 1.3 Probleemstelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 1.4 Doelstelfing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • .. 1 Hoofdstuk 2: Staalvezels ......................................... ................. 2 2.1 Aanleiding .. . . . .. 2 2.2 De Werking van staalvezels in het beton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2 2.3 Staalvezelsoorten en -eigenschappen 3 Hoofdstuk 3: Technologische eigenschappen van staalvezelbeton 3.1 De betonsamenstellîng ... ......................... 3.1.1 De plaats van de vezels in het mengselontwerp 3.1.2 Toeslagmaterialen ......................... 3.1.3 Cement ...................... 3.1.4 Vezelgehalte 3.1.5 Water 3.1.6 Hûlp- en vulstoffen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.7 Samenstelling in de normen/richttijnen . . . . . . . . . . 3.2 Verwerking en productie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Doseren en toevoegen van staalvezels 3.2.2 Verwerkbaarheid 3.2.3 Het storten van staalvezelbeton . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Verdichtbaarheid •....................................................... 3.2.5 De afwerkingen nabehandeling van staalvezelbeton 3.2.6 De verdeling van de vezels in het beton 3.2.7 Oriëntatie van de vezels in het beton . . . . . . . . . . . Hoofdstuk 4: Materiaaleigenschappen van staalvezelbeton 4.1 Inleiding .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Elasticiteitsmodulus van staalvezelbeton 4.3 Druksterkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Gedrag onder drukbelasting . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Groene sterkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3Druksterktevanverhardstaalvezelbeton 4.4 Treksterkte. .........•.................... 4.4.1 Gedrag onder trekbelasting 4.4.2 Eenassige treksterkte. . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Buigtreksterkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Sptijttreksterkte 4.5 Spanning-rek diagram 4.6 Tijdsafhankelijke vervormingen van staalvezelbeton 4.6.1 K:dmp 4.6.2K:ruip ........•....................................................... 4.7 Fysische eigenschappen van staalvezelbeton . . . . . 4.7.1 Uttzettingscoëfficient ....... 4.7.2 Warmtegeleidingscoëfficient 4.8 Duurzaamheid van staalvezelbeton 4.8.1 Corrosie bestendigheid 4.8.2 Mechanische duurzaamheid 4.9 Waterdoorlatendheid 4.10 Scheurwijdtecontrole

TU Delft

............... . ; ................ ................

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

.. .. .. ..

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 10 10 10 12 12 12 12 12 12 13 14 14 15 16 17 17 18 18 19 20 20 20 20 20 22 22 24

Faculteit der Civiele Techniek

Vooronderzoek

Inhoudsopgave

staalvezelbeton

in tunneUinings

Hoofdstuk 5: Mechanisch gedrag van staalvezelbeton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . . .. • . . . 25 5.1 Gedrag van staalvezelbeton onder een zuivere buigbelasting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 25 5.1.1 Bepalen van buigsterkte 25 5.1.2S"rekenen van op buiging belast staalvezelbeton 26 5.2 Gedrag va.ostaalvezelbetonbelast op afschuiving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27 5.2.1B~palen van de afschuif sterkte 27 5.2.2M.odel voor deafschuifproeven ....•....................................... 28 5.3 Gedrag va.nstaalvezelbeton bij gecombineerde snedekrachten 29 5.4.1 Combinatie van moment en normaalkracht 29 5.4.2 Combinatie van moment en dwarskracht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31 5.4.3 Combinatie van moment,·dwarskracht en normaalkracht 31 5.5 Gedrag v
36 36 36 37 38

Hoofdstuk 7: Conclusies en aanbevelingen 7.1 Evaluatie ..••..........................................•..................... 7.1.1 Algemeen 7.1.2 Voor- en nadelen van staalvezelbetonnen tunnelelementen . . .. . . . . . . . . . . . . . . .. 7.1.3 Evaluatie rn.b.t, toepasbaarheid van staalvezelbeton in de THT 7.2 Eindconclusie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • .. ..• . . . . . . .. .. . .. . . . . . . . . . . . . . .. 7.3 Kennisleemten en aanbevelingen ................•.•................................

40 40 40 40 41 42 42

Literatuurlijst

43

TU Delft

.............................•........................................


Vooronderzoek

Hoofdstuk 1: Inleiding

staalvezelbetonin

tl,lnnellininsp

Hoofdstuk 1: Inleiding 1. 1 Algemeen De literatuurstudie betreft een inventarisatie en een analyse van de aanwezige kennis en ervaring op het gebied vanstaalv~elbetonaan de hand van: •. Onderzoeksresultaten in binnen- en buitenland •• Praktijkproject,n(gerealiseerde boortunnels in het buitenland) Het rapportbehElndelt de technologische, materiaaltechnische en mechanische eigenschappen van staalvezelbetoninhet algemeen en de praktijkervaringen die met het materiaal zijn opgedaan In buitenlandse boortunneIPrt)j~den. Verder. worden er conclusies getrokken m.b.t. de eventuele geschiktheid v.an.het materiaalvoortçepassing indeprefabtunnelsegmenten van de Tweede.Heinenoord Tunnelen worden.er enkele aanbevelingen·gedaan m.b.t.·het opvullen vankennisleemten. De gebruikte literatuur tijdens deze studie is te vinden in de literatuurlijst aan het eind van dit rapport. Inde tekst wordt hier echter reeds naar verwezen. 1.2 Project omschrijving De Twe$de Hein.énoordTunnel (THT) onder de Oude Maas is de eersteboortunnel ven Nederland, die zal bestaan uit tweelunnelbuizen. Iedere tunnelbuis is ongeveer 950 meter lang en heeft een buiteooiameter van ca. 8,30 m(binnendiameter buis ca. 7,6 rn). Een tunnelring wordt opgebouwd uit zeven segmenten van 1,50 m lang, die in tangentieleringrichting vanërenvan3,2 m tot 3,5 rn, en een sluitstuk van tapse vorm. De beidet()egangsschachten (start- en ontvangstschacht) en toeritten, behorende bij het boorçedeelte, hebbeneenlengte van ongeveer 200 meter.

=

De tunneisegmerlten worden geprefabriceerd in grindbeton van de sterktekiasseB65. door Schokindustrie Strukton Segmel'ltenv .o.t, te Zwijndrecht. De wapening. betreft betonstaalsoort 500S(voor dewapeningsstaven) resp. 500M (voor wapeningsnetten). De betc)Odekkingbedraagt zowel aan de binnen als aan de buitenkant 35 mmo Plaatselijk bedraagt de dekking echter slechts 20 mmo De tunnelsegmenten worden omringddoor neopreenprofielen die de waterdichtheid moeten garanderen. 1.3 Probleemstelling Er is ooit eenaltematief geopperd om in plaats van gnndbeton staalvezelbeton toe te passen. Door bepaalde omstandighed$n is· dit altematief echter nooit serieus genomen en dus niet. opgepakt. De behoette bestaat nog steeds om dit alternatief objectief te beoordelen, vooral omdat het· materiaal in het buitenland een aantal malen (met succes)is toegepast. 1.4 Doelstelling Het doel van ditvooronderzoekishet (objectief) onderbouwen van de beslissing of er wel of niet verder moet worden gegaan met het onderzoek naar de mogelijkheid tot implementatie van staalvezelbeton in een aantal tunnelringen in de tweede buis van de Tweede Heinenoord Tunnel.

TU Delft

1

Faculteit der eiviele Techniek

Vooronderzoek

Hoofdstuk 2: Staajv8zels

staalvezelbetonin

tunneilinil'!Q!

Hoofdstuk 2: Staalvezels 2. 1 Aanleiding Reeds verscheidene decennia zijn pogingen ondernomen om de eigenschappen van betonen andere materialen op cementbasis te verbeteren door toevoeging van kleine· ·staalelementen (stukjes draad, spijkers) aan de specie. De ontwikkeling en toepassing van staalvezelbeton is eind jaren 70 opgang gekomen en duurt nog steeds voort. In 1978 werd er in Duitsland voor heteerst staalvezelbeton toegepast in een tunnel. Nu·de eerste bOOrtpnnetvan Nederland in uitvoering is en als proefproject dient voor andere boortunnelprcr [eeten, is er gevtaàgdomeenobjectiefbeeld te schetsen m.b.tdemogellJkheden vanstaalvezelbeton als toepassing in de. gesegmenteerde. Hning van ·de THT.. ln dit hoofdstuk wordt allereerst een beschrijving gegeven van dei werking van staalvezels in beton. Ten tweede wordt een overzicht gegeven van de verschillende S()()ftenstaalvezets en hun karakteristieke eigenschappen. Aangezien. elke vezel andere eigenschappen heeft, wordt er slechts een algemene beschrijving gegeven. 2.2 De werking van staalvezels in het beton Om de rol van vezels beter te begrijpen, moet er een onderscheid gemaakt worden tussen twee functies van vezels in beton (9), (10)• (51): CtHet versterkenvanhetcementsteen,

ook wel matrix genoemd (microwerking)

De willekeurig in het beton verdeelde vezels kunnen de microscheurvorming van de matrix vertragen, mits een voldoende hoeveelheid vezels aanwezig is. Microscheurvorming ontstaat al tijdens het hydratatieproces van cement als gevolgvanverhinderoe vervormingenvan.de matrix door het stijve skelet vantoeslagmaterialen (zanden~ind). Jn par 4.3.2 wordt gesteld· dat de sterkte tijdens de eerste uren, na het· storten en verdichten, vel'hQ()gdzoukunnenwordén door toevoeging van staalVezel$. Voor het beperken van microscheurvormingis derekstijfheid van de vezel van belang~Een vezel met een hoge rekStijfheidbiedt namelijk meer weerstand tegen scheurvorming dan een vezel met een lage rekstijfheld, Het uitbreiden van microscheuren wordt tegengegaan doordat de vezels de trekspanningen opnemen, zodat als gevolgde spanningsconcentraties rond de 'tip' van de scheurtjes afnemen (fig. 1). Op het moment dat microscheurtjes ontstaan en overbrugd worden (fig. 2), zijn de treksterkte en het aanhechtingsvermogen van de vezel aan het beton meer van belang dan de·rekstijfheid. De L(engte)/D(iameter}-verhouding van de vezels speelt hierbij eveneens een rol.

Fig. 1: Verlaging spanningsconcentratie veroorzaakt door vezel nabij tip microscheur [1o} TU Delft

Fig. 2: Belastingoverdracht d.m. v, uittrekken van de vezels uit de matrix [1o} 2


Vooronderzoek staalvezelbeton

Hoofdstuk 2: StaaIV8%els

in tunnellinings

Fig. 3: Positie vezel tijdens openen van scheur Door een bepaalde hoeveelheid staalvezels toe te passen kan de: treksterkte van de matrix vergroot worden. De taaiheid wordt echter ook aanzienlijk vergroot. Taaiheid is het vermogen om na scheurvorming nog krachten op te nemen. Op het moment dat de matrix scheurt, zal de belasting t.p. v. de scheur volledig door de vezels gedragen moeten worden. In fig. 2 wordt een scheur overbrugd door een vezel onder een hoek van 90 graden. Wanneer de scheur niet loodrecht wordt overbrugd (zie fig. 3}, zal de vezel niet alteen op trek belast worden maar ook op afschuivingen buiging. Op dit gebied zijn experimenten gedaan door Bartos en Duris [6], waarbij verschillende soorten staalvezels getest zijn. HierbIjwerd het gedrag van staalvezelsingeklemd in een werkbank vergeleken met staalvezels die ingebed waren in een cementmatrix. In beidegroter wordt. (9 Het functioneren als wapening (macrowerking} Een scheur kan een vezel halverwege zijn lengte doorkruisen, maar ook dichter bij het vezeleinde. Op dat moment bepaald het aanhechtingsgedrag de·effectiviteit van de vezel, d.w~z. de mate waarin de krachten afgedragen kunnen worden naar het beton aan beide zijden van.de scheur -: De mate van aanhechting is afhankelijk van dekwaliteU van het oppervlak van de vezel, de sterkte van de matrix, de mate van verankering en de vezelvorm. Wanneer de verankering of de aanhechting minder goed is, dan zal de over te brengen kracht ook gering zijn. Wanneer de vezel echter zeer goed verankerd is, kan het breken en zal het materiaal bros bezwijken. Dit wordt in het algemeen aangeduid .als een onveilig bezwijkgedrag. De vezels moeten aan weerszijden van de SCheur zodanig .aan de matrix zijn verankerd, dat een zekere vervorming door 'slip' mogelijk is zonder dat breuk van de vezel optreedt. Dit gedrag wordt het nascheurgedrag genoemd. In par 4.4.1 wordt hier verder op ingegaan. 2.3 Staalvezelsoorten

en -eigenschappen

De meest bruikbare parameters om vezels te beschrijven zijn: c:)deLJD-verhouding (Engels: aspect ratio) c:) de treksterkte van de vezel c:) devOI1Tl De vezels blijken in het beton op twee manieren te kunnen bezwijken: c:) de vezel wordt uit de omgevende betonmatrix getrokken c:) de vezel breekt

TU Delft

3



Hoofdstuk 2: Staalveels

in tunnelllnings

De manier waarop het bezwijkmechanisme ontstaat is afhankelijk van: c:) de LiD-verhouding c:) de verankering c:) de treksterkte van de vezels c:) de mate van hechting Staalvezels worden vervaardigd uit koud of warm getrokken staaldraad, uit staalplaatmateriaal (bijv. blik) of worden gefreesd van stalen blokken [9lDe eerste soort kent een ronde vorm, terwijl de andere twee een vierkante of rechthoekige doorsnede heeft. De diameter ofdwarsafmetingen variëren van 0,15 tot 1,50 mm, waarbij de lengte varieert van 40 tot 150 maal de diameter. Vaak wordt de UD-verhouding gebruikt om het gedrag van de vezels in het beton te kenmerken. Het gun~~geeffect van vezettoevoeging aan het beton neemt toe bij een grotere UD-verhouding. De verwerkbaarheid van het mengsel neemt dan echter af. De UD-vemouding ligt bij toepassingen in tunnels vaak tussen de 50 en 100. Behalve de rechte vezels zijn er ook vezels verkrijgbaar die vervormd zijn om de mechanische inklemming of verankering te verbeteren. Er zijn golvende vezels op de markt, vezels met haakjes aan de uiteinden en vezels die in twee onderling loodrechte richtingen omen ortlzijn afgeplat (zie fig. 4).

MonufocIUflflg process

form

. .•

.:

o

.....

=

-

DroWlng Orowlng

AR BED

•

Culhng, Slllhng

Austroben W,re

Fibresteel

•

Drowing

Bekeerl

Dromix

•

Orowlng

tmhonol· stat\dtIrd

Duofofm

••••

Mellextrocbon

N
Melledrocled

Mdling. Fihng

Hort'llf Slenlloser· techruk

tiorex.

,..........,......

•

Orow••.• 9

Stox

•

Orowlf\9

Ttubo

•

CuttIng. Slijting

US-Steel

..

.

Trefll

Wirellf Eurosleel .

,

.....

"-

>

<

af'Ol'lCl~

•

•

c-

Compony

Sleelstleel fibm

Fig. 4: Verschillende vezelsoorten [41] Het is van belang dat de samenwerking tussen de vezels en de mortel wordtvert>elerd. Op het moment dat er echter een hoog vezelpercentage vereist is, kunnen er problemen ontstaan tijdens het mixen van de mortel, omdat de vezels in elkaar haken en gaan klitten. Om dit probleem op te lossen kunnen er vezelstrips geleverd worden (door N.V. Bekaert S.A.). Dit zijn plaatjes van aan eikaargeideefde vezels, waarvan de lijm oplosbaar is in water, zodat de vezels tijdens het mengen losraken en zich homogeen kunnen verdelen. De in Nederland beschikbare staalvezels [511zijntezienintabeI1.

TU Delft

4


Vooronderzoekstaalvezelbeton in tunnellininl!.

Hoofdstuk 2: Staalvezels

VEZELTYPE

lEVERANCIER

FICON

FIBRE SYSTEMS INTERNATIONAL

XOREX

FIBRE SYSTEMS INTERNATIONAL

DRAMIX

N.Y. BEKAERT SA

EUROSTEEL

SILlOUR

TWINCONE

$U..IDUR

HAREX

YERWAARD HANDELSONDERNEMING B.Y.

FERCON

DGO NEDERLAND B.Y.

CONSTEEL

DGO NEDERLAND B.V.

Tabel 1: In Nederland verkrijgbare staalvezels (voorjaar '96) [51] De treksterkte van staalvezels ligt meestal tussen de 400 en 1.500N/rnm2 afhankelijk van de fabricagemethode en staalkwaliteit. Wanneer men. het koolstofgehalte vergroot kunnen·er. vezels geleverd worden met een treksterkte van meer dan 2000 N/mm2• De elasticiteitsmooulusvan de vezels ligt rond de 2'105 N/mm2 en de soortelijke massa van de staa/vezels bedraagtongeveer8g1cmS. De interactie tussen vezels en matrix (hechting) iS de fundamentete eigenschap, die alle materiaaleigenschappen van het composietmateriaal beïnvloeden [SJ. oe:ze interactie is·inde vorige paragraaf beschreven. De mate van hechting is afhankelijk van het vezeloppervtaken de matrix·waarin de vezel is ingebed. Pogingen offi.d()Or. middel van oppervlaktebehandelingen d~ hecpting .te verbeteren, hebben weinig opgeleverd. [)(>Qr(i)Chterdevoml te veranderen wordt. er een bepaalde verankeringgerealiseerd,waardoor de .uittrekwee~flndduidelijk vergroot. wordt .In het\iel1edenzijn verscheidene malen proeven uitgevoerd om de eigenschappen van verschillende soorten vezels, toegepast als verst~rking. van beton, te bepa/en [57], [58], [65]. Omdat alle vezels andere eigenschappen hebben en iedere keer een ander betonsamenstelling gebruikt iS,klJnnen de resultaten moeilijk met elkaar vergeleken worden. In 1988 werd er in het kader van de bouw vaneen ondergronds gedeelte van deOeutsche Bundesbahn in Dortmund eenstaalvezelbetonnen tunnel~d .als oplossing aangedragen-.Er werden e;xperirnenten.uitgevoerd, waarbij het materiaal op bUiging. ~rqbelast ..•Oe .buigproef.werd. vervormingsQ8stuurd uitg~oerd op balkjes ••versterkt· met verschiUendetypènstaalvezels ••Hierbij bleek dat vezels met haakjes ..aan het einde· (in dit gevalDramix vezels) gekenrne;rktworden dooreen superieur nascheurgedrag.in vergelijking·met de rechte vezels [27]. Dit ..is .weergegev~ninfiguur 5..ln .[28] worden gefreesde· staalvezels •of .staalsplinters (Engels: •chip fibres) vergeleken rn~t de getrokken staaldraadvezels van N.V.Bekaert SA. Hieruit bleek wederom het superieure nascheurgedl'agva.n de haélkVezels.

Ij'5

.€

2;.

--

84

--

---

25 •.....

!

staalsPintefs • -

--

2

getrokken staaldraadvezels met haakeinden

LL

, grifldbetoo

........•.....

----

1

---

10

5

1,5

TU Derft

1,0

2,0

2,5

o

3,0 3,5 4,0 -----+ ö [mm) Fig. 5: o-ä diagram van verschillende typen staalvezeJbeton [27) 0,5

5


Vooronderzoekstaalvezelbetonin tunnel!inings

Hoofdstuk3: TechnOlogische eigenschappensvb

Hoofdstuk 3: Technologische

eigenschappen

van staalvezelbeton

3. 1 De betonsamenstelling 3.1.1 De plaats van de vezels in het mengselontwerp Voor vezelbeton kunnen we in principe dezelfde mengselontwerpen toepassen als voor gewoon beton [18]. De staalvezels kunnen gezien worden als een extra toeslagmateriaal inhetbetonmengsel. Voor het totale volume van gecombineerde materialen en het luchtgehalte in één kubieke meter specie (=1000 dm3) geldt dan volgens [41]:

1000

= 2. + ..!. + W Poz

waarin:

z Poz g Pg w p f PI

+p +

Pg

f

(1)

PI

=cementgewicht [kg) = soortelijke massa.cement [kgll] = gewicht toeslagmateriaal [kg] = soortelijke massa toeslagmateriaal[kg/dm3] = watergehalte (I] =volume lucht lil, voor ontwerpdoeleinden 1,5%,1000 dm3 '7~taalvezelgehalte[kgl '7 soortelijke massa staalvezels .[kg/dm'

Het .is de bedoeling dat de .vezels het constructiemateriaal zo versterken ..dat elk willekeurig volume-eenheidje betonuniformeeigenschliPpen vertoont, ..net als .bij standaard toeslagmateriaal. Ieder vezeltype vraagt echter ziJn eigen .•idelille. meng~lsamenstemng s . die afhankelijk is Van de vereiste mechanische eigenschappen~ndeverwerkbaarheid. 3.1.2 Toeslagmaterialen In verband met de verwerkbaarheid en .deikans op .samenkHtten•van de. vezels .('balvorming') wordt er aanbevolen. om de toeslagmaterialen .niet. te grof te nemen in verhouding tot. de. vezeUengte. Het aantal staalveZElIs dat. zich· in. een.volume-eenheid .kan. bevinden nElElmtnamelijk. af met een toename van de grootste .korreldiameter d_[32], [34], zoals te:zien is in figuur. 6. Deze korreldiameter dmax mag daarom niet groter zHndan~à Ya. maalde vezeUengte[19]. Toch is ook beton meteen maximum korreldiameter van ca. 30 mm nog redelijk verwerkbaar tot een toegevoegd vOlumepercentage vezels VI van onQElveer0,5%. De UD-verhouding mag dan echter niet groter zijn dan 60. Vanwege het hogere benodigde percentage vezels (0,75-1,0%) en de hogere waarde van de UD-vemouding (>60) bij de toepassing van staalvezelbeton in tunnellinings, wordt er voor (boor)tunnelprojecten in Duitsland een maximum korreldiameter van 16 mm voorgeschreven [25].

kOlTelgrootte 10 rnm

5mm

20mm

E E

e 1--

40mm

vezeDengte

"I

Fig. 6: Effect van dmax op vezelverdefing in cementmatrix [30J

TU Delft

6

Faculteitder CivieleTechniek

Hoofdstuk 3: Technologische

eigenschappen

Vooronderzoek

svb

staalvezelbeton

in tunnellinings

Een continue korrelgradering levert minder kans op 'balvorming' dan een discontinue gradering. In de CUR~ aanbeveling 35: "Bepaling van de buigtreksterkte, buigtaaiheid en de equivalente buigtreksterkte van staalvezelbeton" [17] wordt verwezen naar een referentiebeton waarmee het staalvezelbeton vervaardigd zou moeten worden om de genoemde materiaaleigenschappen mee te bepalen. Hierbij· wordt verwezen naar grenslijnen A, B en C voor korrelgroep 0_16 volgens NEN 5950 met eveneens een max. korreldiame~ ter dmax = 16 mrn. 3.1.3 Cement De toepassing vanstaalvezels in beton heeft geen invloed op de keuze van hettype cement en de cementklasse. Deze wordt bepaald door eisen m.b.t. sterkte, warmteontwikkeling en duurzaamheid. In het geval van de tradition"lgewapende tunnelsegmenten voor de THT bestaat het totalecementgehalte •voor 75% uit portlandcement en voor 25% uit hoogovencement. Dit zou bij het toepassen van staalvezeibeton geen probleem zijn. Het wordt echter aanbevolen om ongeveer 10% meer cement toe te voegen dan bij een gewoon betonmengsel [41]. De vezels, die beschouwd worden .als een extra toeslagmateriaal, leveren namelijk een vergroting van het oppervlak dat bevochtigd moet worden door de cementpasta. Daarbij bepaalt de hoeveeiheidcementpasta ineen mengsel. de. beschikbare •ruimte. voor oe vezels, omdat de laatsten zich nietop de plaats van het toeslagmateriaal kunnen bevinden. Hoe groter het volumedeel van de cementpastaJI"I het mengsel, hoe groter het mogelijke vezelgehalte binnen een bepaald consistentieqebied [32]. 3.1.4 Vezelgehalte Om de eigenschappen van verhard beton te verbeterenismlnlmaal een vezelhoeveelheid benodigd van 25 kglm3• Dit komt.overeen met ongeveer 0,32volumeprocent·Vf• Het toe te passen vezelgehalte is afhankelijk van de gewensteprestaües en het. gekozen vezeltype. De effectiviteit van de .•vezels neemt toe bij een toename van hetvezelgehalte. In de praktijk blijkt echter dat de maximale hoeveelheid vezels in sterke mate wordt bepaald door de mate van verwerkbaarheid (zie par. 3.2.2). De technische limiet van de toe te passen hoeveelheid vezels ligt in het algemeen tussen de 50 en 100 kglm3 ••In deboortunnelbouw zal het vezel gehalte normaal gesproken boven de 50 kglm3 liggen. In [25] wordt vereist dat de vezels op het moment van toevoegen aan de specie vrij zijn van roesten andere stoffen,omdat die de hechtbinding tussen de vezels en de matrix nadelig be'invloeden. 3.1.5 Water Wat betreft de waterbehoefte in mengsels is er een conflict tussen het streven naar een lage wIe factor voor het maken van een kwalitatief goed beton en de behoefte aan een goede verwerkbaarheid. Er zal dus een compromis gevonden moeten worden, waarbij de kwaliteit echter voorop staat. De factor lagbijstaalvezelbeton in gerealiseerde boortunnelprojecten, gebouwdmetdesegmentenbouwrnethode, tussen de 0,45 en 0,50. In [32] wordt aanbevolen een wie factor te gebruiken tussen de 0,45 en 0,55. De benodigde consistentie kan evemueelbewerksteliigd worden door toevoeging van hulpstoffen (zie 3.1.6). 3.1.6 Hulp- en vulstoffen Hulpstoffen zijn vloeibare of vaste substanties die toegevoegd worden aan het beton in relatief kleine volumes en kunnen als doel hebben de verwerkbaarheid van debetonspecie enlof de eigenschappen van het verharde beton te verbeteren [11]. De meest gebruikte hulpstoffen zijn piastificeermiddelen en luchtbei~ vormers. Zijkunm~n op de gebruikelijke manier toegepast worden [t9]. Vulstoffen zijn fijne toevoegingen die de specifieke eigenschappen van het beton kunnen verbeteren. Hiervan worden vaak hoeveelheden toegevoegd die groter zijn dan 5% van de cementmassa [11J. Vliegas is zo'n vulstot, Het is een puzzolaan, d.W.Z.dat het met kalken water kan reageren tot watervaste cementerende verblndin~q~. Bepaalde soorten kunnen dan ook gebruikt worden ter vervanging vaneen .gedeelte van het cement, waardoor de hydratatiewarmte wordtverlaagd. Ditkornt voomamelijkomdat dereaetie van vliegasinbetonrnet portlanct~mentpas na één of meer weken opgang komt V~rderwordthetaandeel fijne deeltjes (1-1QOIJm) vergroot en deverwerkbaarheid verbet~rd, terwijl de sterkte uiteindelijk niet (in geval van portlandcement) of nauwelijks (in geval van hoogovencement) afneemt f11}, [21J, {41].

TU Delft

7


Vooronderzoekstaalvezelbetonin tunnellinings

Hoofdstuk3: TechnOlogische eigenschappensvb

SiHcafume, ook'ê'el microsilicagenoemd ontstaat bij de fabricage van ferro-silicium legeringen en is netals vliegas eenrest$t()f. Het Is-sen zeer fijn en.bijzonder reactief puzzolaan en wordt vooral gebruikt voorhet maken van hOgesterkte beton.·Naast de.sterktebijdrage blijkt silicafume een aanzienlijke vermindering van de permeabiliteitop te leveren, waardoor de duurzaamheid van de betonconstructie toeneemt [20]. Wat betreft hoge sterkte staalvezelbeton zijn er reeds een aantal onderzoeken gedaan [3,30,46], en zijn er in het kader van het M621-project 'Hoge Sterkte Vezelbeton" van het CURlCOBook experimenten uitgevoerd. Uit de resultaten van deze experimenten is gebleken dat door de dichte structuur van de matrix en de grote mate van hechtlngin het beton, de vezels kunnen breken i.p.v. slippen, wanneer het materiaal op (büig>trekbeIastwOrdt.Hierdoorkan .een •.brosbezwijkgedragontstaan, dat ongewenst is .ingeval van vrijdragendeCOl'1strt.Jeties.· Er zijn echter staalvezelsinontwikketing, die·metnamegeschikten effectief zijn in hogesterktepeton.Dezevezels worden gekarakteriseerd door een verhoogde treksterkte t.o.v, de gangbarestaalvezels. 3.1.7 Samenstellil1g inde normen/richtlijnen Een .AC1"COmmi~e [1}heeft in ·1993 een richtlijn. opgesteld waarin aanbevelingen worden gedaan m.b.t, mengselsamenstêllingenvoor staalvezelbeton. (zie tabel 2).

MengselkarakteristiekencI_ = 10mm d_ = 20mm d_=38 mm water/cement factor

0,35-0,45

0,35-0,50

0,35-0,55

cement [kglm3j

360-600

300.540

28Q...420

fijnltotaal [%l

45·60

45·55

40-55

lucht [0/0]

4-8

4-6

4-5

Vkrechtevezel [Ok]

0;8-2,0

0,6-1,6

0,4-1,4

Mvervormdevezel[%) O,4-t,o 0,3"0,8 0,2•.0,7 Tabel 2: Aanbevolen hoeveelheden in staalvezelbetonmengsel[1 J 3.2 Verwerking en productie 3.2.1 Doseren en toevoegen van staalvezels [9] Er zijn twee metnoderl voorhetinbrengenvan staalvezels: Q op debet0rlCentrale, te zamenmethetzand. en grind • in de met betonspecie geladen truckmÎ)(er Welke methode gevolgd moet worden is afhankelijk van: c:;> het toe te passen vezeltype (liD verhouding) c:;> doseriOgipikglm3 c:;> consist(antievan debetonspecie c:;> mogenjk~en indebetoncentrale Advies m.b.t. het bovenstaande kan ingewonnen worden bij de staalvezelproducenten en soms ook bij de betoncentrale. 3,2.2 Verwerkbaarheid Een v(azelbetomnengsel.is minder go(adverwérkbaar dan een overeenkomstig betonmengselzonder vezels. Immers voore~n goed(avef'llier\
8


Hoofdstuk 3: Tectmologische

Vooronderzoek

eigenSChappen svb

staalVezelbeton

in tunnellinings

~ het verhogen van de UD-verhouding en het verhogen van het vezel percentage VI (in het algemeen verhoging van de factor Vf*UD) ~ het vergroten van de hoeveelheid grof toeslagmatenaal ~ het verlengen van de mengtijd ~ het ongelijkmatig toevoegen van vezels (met name bij grote hoeveelheden tegelijk) Sommige vezelproducenten (zoals N.V. Bekaert S.A.) kunnen richtlijnen verschaffen, waarbij het maximum vezeigehalte inkg/m3gerelateerd wordt aan de UD verhouding en de dmax zonder dat er verwerkingsproblemen optreden t.g.v. balvorming (zie tabel 3). Te allen tijde zullen deze richtwaarden geverifieerd moeten worden drn.v. testen, IJD=6O normaalbeton

IJD = 60 pompbeton

UO=75 normaalbeton

UO=75 pompbeton

UO= 100 normaalbeton

UD= 100 pompbeton

4mm

160

120

125

95

95

70

8mm

125

95

100

75

75

55

16mrn

85

65

70

55

55

40

30

30

25

32mm 5D Tabel 3: Maximaalvezelgehalte

40 40 in l
Het is duidelijk dat het de verwerkbaarheid ten goede komt, wanneer de maximalekorreldiameter klein gehouden wordt en de mengtijd zo kort mogelijk is. Verder zijn mengsels met gegolfde vezels slechter,·en mengsels met geldeefde vezels beter verwerkbaar dan overeenkomstige mengsels met rechte vezels met gelijke UD-verhouding. Herstel van de gewenste verwerkbaarheid moet uiteraard niet geschieden door toevoeging van extra aanmaakwater, maar door het gebruik van een geschikte plastificeerder als hulpstof [9].

Om de relatieve verwerkbaarheid te bepalen blijkt de zetmaat geen goede indicatie te geven, omdat deze zetmaat t.g.v. het toevoegen van staalvezels buiten proporties verandert t.o.v. de verandering in de verwerkbaarheid. De schudmaat geeft daarentegen een betere indicatie, maar omdat deze proef niet echt praktisch is, zal de verwerkbaarheid op de bouwplaats op een andere manier gemeten moeten worden. In de VS. wordt de zogenaamde'inverted slump cone test' wel toegepast [34]. In Frankrijk maakt men echter gebruik van een zogenaamde LeL consistometer, ontwikkeld door Baron-Lesage [53]. 3.2.3 Het storten van staalvezelbeton Voor het storten van staalvezelbetonmengsels worden in principe dezelfde werkwijzen toegepast als voor gewoon beton. Omdat de samenhang van de verse specie groter is, kunnen de storthoogten worden vergroot [19]. 3.2.4 Verdichtbaarheid Vezelbeton mengsels waarin zich geen vezelklitten bevinden, zijn goed te verdichten door trillen. Het tnlien dient inverbandmetdaverdellngen de oriëntatie van de vezels bij voorkeur uitwendig te gebeuren [19]. Bij mengsels vanstaalvezelbeton is mearverdichtingsenergie nodig wanneer het vezaipercentage toeneemt. Hetluchtgehalte is hierbij afhankelijk van de korrelgradering, het vezeltype, het vezeigehalteen de UO-verhoudingl3S]. Bij mengsels met een kleine CÎmax is een hogere verdichUngsgraad en dUs.een kleiner luchtgehalte te bereiken dan bij mengsels met een grote CÎmax (zie fig. 7). Lange triltijden moeten worden voorkomen om de kans op segregatie van het mengsel en het zinken van de vezels te verkleinen [41].

TU Delft

9


Vooron~rzoek

Hoofdstuk 3: Techl'lolçgische eigenschappen. svb

staalvezelbeton

in tunneltinings

volume toename t.g;.v. vezelloevoeglng

pakklngvan zand rondeen\ltlZel

Fig.

Z·· Verdichtingsgearag

pakkingvangrof ~

pakklngvangrof ~ ronQeen~.

van zand en grind met staalvezels [7J

3.2.5 De afwerking en nabehandeling van staalvezelbeton De afwerking va.n gestort staalvezelbeton kan op de gebruikelijke wijze gebeuren. In het geval van de prefab tunneJelémenten kan men het betonoppervlakna het storten totaan de rand van de mal afreien met een aluminium la.t.Dit zou ook automatisch kunnen gebeuren met behulp van laserapparatuur en een soort trildrijfrei, zoalsdeze OOl(te>egepa,st wordtbij."loerenf9] .. Bij de productiévan de tunnelelementen.voor de THTwordtOPditmornenteen plastic folie gebruikt om hetbetonop~ryIak meea.f tedekl(en. Aanbevolen wordt om ditookJn het geval van staalvezelbetonnenelementente doell' \lolledigvezelvrije oppervlakken zijn onvermijdelij}(,ofSChoon het toepassen van een goede betonsamenstelling en de juiste stort-, verdichtings"en tifwerkin.gswljzehet aantal vezels aanhef op~rvlaktoteen minimum kan worden beperkt. Er•• wordt verder.lijlnbevolen··aandacht.te .schenkenaan·de •• persoonlijke.·beSCherming(handschoenen,. brillen, gesloten schoenér'lof laarzen) bij déafwerkingen nabehandelillQvan staalvetelbeton ['t9}. 3.2.6 Oe verdelingvandevezels

in het beton

De vezels zullen bij een goede menging,.verwerking en verdichting gelijkmatig in het beton zijn verdeeld. Tengevolge van ••/Samenklitten··tijdens·.het·.mengen. kunnen •• atwijklngen.·in·de··gelijkmatige·.verdeling ontstaan [t9].DoorbepalilldeinvlOédenkunnen de vezels echter eenvoorkeursoriëntaUe krijgen, waardoor een homogene verdélingniétecht meer mogelijk is (zie par, 3.2.7). 3.2.7 Oriëntatie van. de vezels in het beton De vezels zullen in beginsel gelijkmatig in alle richtingen zijn georiënteerd. Afwijkingen kunnen optreden t.q.v, trillen van de specie of door mechanische en/of geometrische invloeden. Tot de laatste behoren bijvoorbeeld de bekisting (vooral bij dunne segmenten) en vrije oppervlakken. Bij uitwendig trillen van de specieneméll~vezelsvoorkeursrichtingenaan· die liggen in .vlakken lOodrecht op de trilrichting [19]. Experimenten hebben het belang van de uitvoeringsconditiesaangetoond [t5]. In het geval van boortunnels kunnen de prefab segmenten verticaal dan wel horizontaal gestort worden. Bij een horizontalestortwijze, zoals het op dit moment ook geschiedt bij de elementen vanideTHT,.krijgen de vezels een soorfvoorkeursoriëntatie (zie fig. 8). Ten gevolge van de kromming van de kist zullen de vezels bij het storterl vlanhetbetonziChinderichtingvan debeldstingsvlakt<enwillen •oriënteren. Enerzijds komt dit orl'ldatde v~i$l$naarrnateze verdervanhet midden verwijdeten een grotere hoel(makenmetde8s en ten tweede omdat op deze manier de minste weerstand geleverd wordt bij het storten van.het betonmengset [)Oordatel'géenhomogëneverdelingisvandevezelstullenook deeJgen$Chappen niet inaltedrie de richtingengelijkzjjn.Hetblijktnamelijk dat de .voorkeursoriëntatie gunstig werkt ter plaatse van de segmentverbindingèn. Hierwordtdesplijttreksterkte van het segment vergroot t.o.v;desplijttreksterktevaneen isotroop st8alveZ~béton, waarin destaalvezels homogeen verdeeld zijn; Ter plaatse van de rtngverbindingen, en dan met name ln· hetmiddenvandesegmentdOorsnede, ··is er echter geen sprakevan een positief effect t.g.v. de vezeloriëntatie. Dit laatste is dus van belang omdat op dit oppervlak de vijzelschoenen geplaatst worden om de boormachine af te kunnen zetten.

TU Delft

10


Hoofdstuk 3: Techl"lOlogische eigenschappen


svb

in tunnellinings

In het geval van verticaal storten is er geen sprake van een bepaalde voorkeursoriëntatie en zullen de eigenschappen van het staalvezelbetonnen segment meer homogeen gepresenteerd kunnen worden. Nadeel van deze stortwijze is echter dat de sparing voor het waterdichtingsprofiel niet langs de gehele omtrek van het segment kan worden aangebracht.

BETON

BETON

Sfortettect

Fig. 8: Vezeloriëntatie t.g.v. storten en verdichten

TU Delft

l'

Facultelt der Civiele Teehniel<

Hoofdstuk 4: Materiaaleigenschappen

Vooronderzoek

svb

Hoofdstuk 4: Materiaaleigenschappen

staalvezeibeton

in tunnellinings

van staalvezelbeton

4. 1 Inleiding Het toevoegen van staalvezels aan een bros constructlernsterieat als beton heeft als doel de scheurvorming tegen te gaan en om het verlies aan draagvermogen te verkleinen op het moment dat er toch scheurvorming plaatsvindt Dit laatste wordt ook wel aangeduid als het betere nascheurgedrag van staalvezelbeton t.o.v, grindbeton. De sterkte van hetcomposietmateriaal wordt verbeterd bij [19]: o een verhoging van het vezelpercentage.Bijeen te groot vezelpercentage is er echter geen goede inbedding meer mogelijk en gaat de sterkte achteruit. Op een gegeven moment zal de verwerkbaarheid ook problemen veroorzaken. @ een verhoging van de liD-verhouding. ce een vorm van de vezels die een verhoogde uittrekweerstand tot gevolg heeft. o een betere hechting tussen vezels en matrix e het oriënteren van de vezels in belastingrichting(loodrecht op de te verwachten scheuren). In dit hoofdstuk worden de afzonderlijke materiaaltechnischeeigenschappen van staalvezelbeton op een rij gezet en wordt aangegeven in welke mate ze afhankeltjkzijn van vezelvorm, vezelpercentage, liD verhouding, etc. 4.2 Elasticiteitsmodulus

van staalvezeJtJetan

In [18] wordt aangegeven dat elasticiteitsmodulus van staalvezelbeton net als voor ongewapend beton berekend kan worden met de rekenmethode voor normaal beton, genoemd in [50]. Om de elasticiteitsmodulus van met staalvezels versterkt beton voorafgaand aan scheurvorming te bepalen kan de 'Law of Mixtures' gebruikt worden [34]: (2)

met:

Ec rIJ

112 EI VI Em Vm

= = = = = = =

elasticiteitsmodulus van het composiet [NJmm2) efficiencytactor afhankelijk v.d, vezel oriëntatie H (% bij 2D en 1h bij 3D verdeling) efficiencytactor afhankelijk v.d, vezellengte [-] ('" 1) elasticiteitsmodulus van de staalvezel [N/mm2] volumepercentage staalvezels elasticiteitsmodulus van de matrix [N/mm2] volumepercentage van de matrix

4.3 Druksterkte 4.3.1 Gedrag onder drukbelasting In de richting van de drukspanning hebben de vezels zoals gezegd weinig effect. Het effect van de vezels bij scheurvorming is voornamelijk gebaseerd op de weerstand die geleverd wordt tegen scheuren die ontstaan t.g.v. de trekspanningen die optreden in het vlak loodrecht op de drukspanning. Bij drukproeven zullen de drukkubussen dan ook minder heftig bezwijken. Er treedt aanzienlijk minder schade op, omdat de taaiheid sterk vergroot wordt door de vezeltoevoeging. 4.3.2 Groene sterkte Direct na het storten van het beton kan beton weerstand leveren tegen belastingen door adhesie. In dit stadium wordt het materiaal groen beton genoemd. Terwijl herbeton sterkte aan het ontwikkelen is t.g.v. hydratatie, oefenen de vezels reeds een weerstand uit op eventuele verplaatsingen en versterken ze het materiaal. Een toename van de sterkte van het jonge beton tot 300% is mogelijk [41]. Voor aHe duidelijkheid, deze werking beperkt zich tot de tijdsperiode direct na het storten tot ongeveer een dag [10]. Het is niet waarschijntijk dat er hierdoor sneller ontkist zou kunnen worden. TU Delft

12

Faculteit der Civielé Techniék

Vooronderzoek staatvezeibeton in tunnellinings

HoofdstUk 4: Materiaaleigenschappen svb

4.3.3 Druksterkte van verhard staatvezelbeton De maximale drukspanning die opgenomen kan worden door staalvezelversterkt beton wordt niet aanzienlijk verhoogd t.o,v. normaal beton. Een verhoging van de druksterkte tot 30 à 35 procent is mogelijk door toevoeging vanstaalvezels, mits ze Willekeurig verdeeld zijn [19], [41]. Er wordt echter aanbevolen om hier in het ontwerp geen rekening mee te houden. Voor het bepalen van de druksterkte wordt daarom verwezen naar pag. 45 vatrde vee [50]. In [2] wordt er een relatie gegeven voor de spanningen de rek van staalvezelbeton wanneetdeze op zuivere druk belast wordt. In fig. 9 is deze relatie voor verschillende vezelpercentages weergegeven en vergeleken met ongewapend beton. In fig. 10 is voor hetzelfdevezelbetontypede oe relatie weerg~geven· afhankelijk van de aspect-ratio of te wel de UD-verhouding. Uiteraard zullen beide figurenerandél'$uit kornen.te zien· wanneer· er een ander vezeltype·gebruikt wordt dan de •rechte, gladde staatvezel, die hiergebruiktis.

fN90 -- E E -ê·80 Q)z 0.-

~ 670 "0

r: 40 30

5

10 --.

Fig. 9: Invloed van volumepercentage op

0-8

Sb

15 (%0]

diagram [41}

gladde vezels Vf=2%

lID

= 100

110=47

5 --.

Fig. 10: Invloed van UD-verhouding op

TU Delft

13

0-8

Bb

15 [%0]

diagram {41}


Hoofdstuk 4: MateriaaleiQ!lschappen

Vooronderzoek

svb

staalvezeibeton

in tunnellinings

4.4 Treksterkte 4.4.1 Gedrag ondertrekbelasting Wanneer een vezelbeton op trek wordt belast kan het zich.op drie manieren gedragen: •. Het compo$Î~t bezwijkt bros doordat de vezels breken t.gN. een spanningsverhoging (zie figuur 11a). oe.vezelsterkte is te ··Iaag t.o,v. de matrixsterkte, waardoor het nascheurgedrag niet of nauweliJks verbeterd t.o;v.grindbeton. «9Het composiet bezwijkt doordat de vezels uitde matrix getrokken worden. De vezels worden .dus niet tot hun trekstC;ltktebelast.Door het slippen van. de vezels treedt er een vertragencieffect op, waardoor. de bezwijkrek wordt vergroot en ook de taaiheid van het composiet toeneemt (ziefig.11b) ..Hetnasc~urge. drag wordt dus aanzienlijk verbeterd. In de literatuur wordt dit gedrag toegeschreven aan cornposletmaterialen waarin zich •stalen of organische vezels bevinden die willekeurig verdeeld. zijn [34] en normaal te verwerken zijn in het betonmengsel. Bij vezeltypen met goede hechteigenschappen en een hoge ·pull· out' weerstand zoals vezels met. haakeinden of andere eindVerankeringenkan •.er een horizontale tak Lp.v. een dalende tak ontstaan. Dit is echter ook weer afhankelijk van hetvezelpercentage. 49 Het compo~et heeft het vermogen om na scheurvorming een toenemende trekspanning op te nemen (zie fig.11c).Dit gedrag lijkt alleen mogelijk, wanneer er een voldoende grote hoeveelheid staalvezels aan het mengsel wordt toegevoegd. Het theoretisch bepaalde vezelpercentage V dat hiervoor benodigd is, benadert de 15% en is praktisch dus niet toepasbaar in segmenten voor bocrtunnets. j

;;;r' E ~

l

N

E ~ ~

z •....•.•.

~

..0

e

e

~

Sb [%0) ongewapend beton

Sb

[%0]

staalvezelbeton

sJfcon

Fig. 11: Mogelijke bezwijkvormen staalvezelbeton belast op trek [34J De vorm van het bezwijkgedrag is afhankelijk vaneen aantal factoren, zoals de UD·verhouding en het volumepercentage v; Om het bezwijkgedrag te bepalen wordt een kritische vezeltengte berekend op basis van evenwichtsberekeningen [34,41J. Dit is de vezellengte waarbij de maximale aanhechtsterkte, die geïntroduceerd wordt over de halve vezellengte, overeenkomt met de maximaalopneembare trekspanning van de staalvezel. Bij subkritisohe Vezellengte wordt de vezel niet maximaal belast, zodat bij het verhogen van de trekspanning de matrix eerder scheurt dan dat de vezel breekt. Bij superkritische vezellengtes geldt het omgekeerde: Voordat de matrixsterkte wordt bereikt zal het staal gaan vloeien en eventueel bezwijken. Het bovenstaande is weergegeven in fig. 12.

~b='//"'\~.

Ofu ----------.

vezelIengte 1

I.. l
vezellengte 1 l=lkrit

.. [

vezellengte I •••. 1

Fig. 12: Grafische weergave van de kritische vezel/engte [41J TU Deift

14


Vooronderzoek staalvezelbeton in tunnellininlll!

Hoofdstuk 4: Mat$ria.aleigens<mappensvb

In formulevorm

wordt de kritische vezeliengte

Ikril gedefinieerd door [41]:

(3)

=

o

met:

vezeldiameter [mm] treksterkte vezel [Nlmm2] gemiddelde aanhechtspanning

[Nlmm2]

In het algemeen is de lengte van de toegepaste vezels subkritisch, omdat er bij langere vezels verwerkbaameidsproblemen op kunnen treden. Door het vezeloppervlak te vervormen of door verankeringen aan de vezeleindente maken, kan de uittrek.Weerstand vergroot worden en gaat de kritische lengte omlaag. Hierdoor zal het verschil tussen de werkelijke (subkritische) vezellengte en de kritische vezellengte verkleind worden, waardoor de vezel efficiënter benut zal worden. Het is duidelijk dat een bezwijkgedrag als in fig. 11c te prefereren is boven iedere andere bezwijkvorm. De scheuren worden beter verdeeld en de scheurwijdtes kunnen beperkt worden. Het vezelpercentage Vkril dat benodigd is om dit te bewerkstelligen is uiteraard afhankelijk van het vezeltype, maar kan volgens [34] voor rechte vezels berekend worden met:

V

= 20me

(4)

ftkri: ••••.••..•. 1:. (UD)

met:

&me[N/mm2]

Ome

:lEc'

Ee

:i:i:elasticiteitsmOdulus van het composiet [N/mm2] :i:i:rekaanheteindvan de (plastische) scheurvormingstak = schuifweerstand matrix [Nlmm2] ==lengte/diameter"verhOUding staalvezel f-]

&mc T

I..JD

Voor de bezwijksterkteoeu

o

cu

met:

c:fuf = (1---)'0 2L

Deu ~ril

L Ow

geldt dan volgens [34]:

'V

(5)

=bezwijkspanning [N/mm2] = kritische vezeliengte [mm] ==toegepaste vezellengte (mm] maatgevende van vezeltreksterkte

=

H

of 'pull-our-sterkte

[N/mm2]

4.4.2 Eenassige treksterkte Door het toevoegen van staalvezels kan de treksterkte van beton onder een centrische trekbelasting toenemen. In fig. 13 is dit weergegeven waarin de spanning tegen de rek en de scheurwijdte is uitgezet. Het materiaal reageert in eerste instantie lineair elastisch. Op het moment dat de maximale belasting bereikt wordt neemt het draagvermogen af tot er een plateau ontstaat, die· bepaald wordt door·het continu uittrekken enlof breken van vezels en de bijbehorende wrijvingskrachten tussen de vezels en het beton [41]. In de praktijk zal een belastingssituatie ais deze .echter.· niet . optreden in .een •.gesegmenteerde tunnelmantel. Daarnaast is een zuivere trekproef moeilijk uitvoerbaar en zijn de. resultaten. niet .altijd even makkelijk interpreteerbaar.

TU Delft

15


Hoofdstuk 4: Materlllaleigenschappen

Vooronderzoek

svb

staalvezelbeton

in tunnetlinings

Vf= 30/0 Vf= 20/0

Vi= 1% Vf=O%

1

2

3

4

5 Sb

I

o

I

0,04

I

0.08

I

0,12

I

0,16

Fig. 13: Treksterkte in relatie tot rek en scheurwijdte

I

I

0.20

6 [%0] 0.24

w·[mm]

[41}

4.4.3 Buigtreksterkte De buigtreksterkte is een veel besproken eigenschap van staalvezelbeton. Uit verschillende experimenten [191 is gebleken dat door de aanwezigheid van willekeurig verdeelde staalvezels de eerste-scheursterkte van het composietmateriaal tot 35% toe kan nemen t.o,v. het referentiebeton bij vezelpercentages tot 1.25%. Als aan.de.vezels een bepaalde voorkeursoriëntatie wordt gegeven, kan de sterktetoename vergroot worden. In vergelijking totstaalvezelbeton,.versterktmet1volumeprocentstaalvezels.geett eenbeton met een even groot percentage aan traditionele wapening .een. 3 maal. zo •.grotebuigtreksterkte. Staalvezels kunnen blijkbaar. indien alleen de buigtreksterkte wordtbeschouwcknietconcurreren met betonstaal of voorspanstaal [t8]. In gesegmenteerde boortunnels iseenhogebuigtreksterkteechterniet altijd van belang. De ringdoorsnede wordt namelijk vooral op druk belast. Een zuivere buigbelasting treedt hierdoor ook nooit op. In het algemeen ontstaan de maatgevende snedekrachtenin de bouwtase. Er zijn verschillende normen, die de buigtreksterkte als eigenschap uitvoerig bespreken. waaronder de Amerikaanse norm A8TM C 1018-85 en de Japanse norm JCI-SF4. In [48Jen [49] worden deze twee normen uitvoerig besproken met voorbeelden en resultaten van experimenten. In Duitsland wordt er op dit gebied gewerkt. met [24], waarin uitgegaan is van de Japanse norm bij het bepalen van de equivalente buigtreksterkte en de buigtaaiheld De Nederlandse CUR-Aanbeveling 35 [17] is eveneens gebaseerd op deze Japanse norm. Hierin wordt een representatieve en reproduceerbarebeproevingsrnethode ter bepaling van de buigtreksterkte en debuigtaaiheid vastgelegd. Er wordt duidelijk aangegeven hoe destaalvezels gekarakteriseerd.· hoe de buigproeven uitgevoerd en hoe de proef resultaten verwerkt moeten worden. De • de buigtreksterkte tbr.kan volgens [17] berekend worden·met: (6)

met:

TU Delft

FbO:: kracht waarbij de eerste scheur ontstaat {kN] I::;overspanningvandebalk[mm} b =opgemetenbreedtenabeproevingvandebalk [mm] h ::;opgemetenhoogte na beproeving van de balk [mm]

16

FaculteitderCivieleTechniek

Vooronderzoek staalvezelbeton in tunnellinin9s

Hoofdstuk 4: Materiaaleigenschappen svb

Wat betreft de bepaling van de kracht waarbij de eerste scheur optreedt Fbri zijn er nog wel een aantal verschillen. In de CUR-AanbeveHng stelt men bijvoorbeeld, dat deze kracht te bepalen is door een rechte lijn te trekken, evenwijdig aan het rechte gedeelte van dekracht-.dQorbuigjngscurve.oP een afstand van 0,05 mm na het begin van belasten. Indien in de curve na het begin van belasten geen recht gedeelte kan worden gevonden, wordt de hiervoor bedoelde lijn evenwijdig getrokken aan de raaklijn aan de curve door het punt F = 0,3 Fbri" Het Duitse Merkblatt 'Bemessungsgrundlagen für Stahlfaserbeton im Tunnelbau' [24] heeft deze afstand bepaald op 0, 1 mm na het begin van belasten. Ook bij het bepalen van de buigtaaiheid Obi' het oppervlak onder de kracht-doorbuigingsrelatie, zijn enkele kleine verschillen te zien tussen de Duitse en de Nederlandse regelgeving. De methode is echter hetzelfde. De equivalente buigtreksterkte fej wordt volgens [17 gegeven door.

(7)

met:

Obi I

=buigtaaiheid [Nmm] = overspanning van de balk [mm]

j

=1,5 of 3,0

b h

= opgemeten breedte na beproeving van de balk [mm] = opgemeten hoogte na beproeving van de balk [mm]

°

De buigtaaiheidDbj wordt hierbij gedefinieerd de doorbuigingsgrenzen en j mmo Volgens [18} kan de rekenwaarde

met:

fbrs

als het oppervlak

onder de kracht.doorbuigingscurve

van de treksterkte van staalvezelbeton

tussen

fbsdberekend worden met:

= gemiddelde buigtreksterkte berekend uit de waarden van fbR uit (6) =materiaalfactor =vermoeiingsfactor hoogte van de proefbalk [ml

Vm 1\a

=

n

De materiaalfaetpr Vm voor betonnen doorsneden die op trek worden belast, is gelijk aan t,4 volgens de (50). Het iswellichtmogelijk om deze factor te verlagen vanwege de kleinere onzekerheid omtrent de treksterkte vanstaalvezelbeton. in vergelijking tot ongewapend beton.

vee

4.4.4 Splijttreksterkte Vezeltoevoeging verhoogt de splijttreksterkte [19]. De vezelsoort, UD-verhouding en het vezeipercentage bepalen de hoogte van de splijttreksterkte. De sterkte wordt verbeterd bij een hogere UD-verhoudingen vooral de toepassing van vezels met haakeinden hebben een positieve invloed op de splijttreksterkte [5]. De sterkte stijgt naarmate de hoeveelheid haakeinden toeneemt.

4.5 Spa.nni.r1g.re,k diagram In [24] wordt een spanning-rek: diagram (zie figuur 14) gegeven als rekenmodel voorstaalvezelbeton. In deze figuur is te zien dat eraan de parabolische drukcurve van het-o-e diagram uit de DIN 1045123], een trektakis toegevoegd.· De treksterkte 0bZ van staaivezelbeton wordt hierbij.· bepaald an,v de volgende formule [24]: s

(1

bz

TUOefft

s (0 •8 -o:).APbl -k

:

(9)

17


Vooronderzoek

Hoofdstuk 4: Matel"ll~a1eigEID$chappensvb

met:

ex

o

k

=0,9

= biJ een druk-normaalkracht :=0,25 bij een trek-· of geen normaalkracht I\z=40o/0-0ndergrenswaarde van de equivalente

ex

&fb

buigtreksterkte

staalvezelbetonin

tunneJlininas

(volgens Student T toets)

= 5,0%0

0,37 äqu (3BZ3R

0,37 äqu (3BZ2R

---(fbz

Fig. 14: o-e diagram voor staalvezelbeton{24] BiJ formule (9) În[24] wordt voorgeschreven dat de treksterkte o~ gereduceerd moet worden op het moment dat er geen· normaaldrukspanningheerstover de doorsnede. Binnen •de sectie betonconstructies van de TU Delft vindt men dit echter niet terecht. In de Neclerlandse Norm voor betonconstructies [50) wordt namelijk gesteld dat alleen een reductie toagepast moet worden op de sterkte wanneer er eennormaaltrakspanning heerst en dat ereen verhoging mag worden toegepast in het geva.l er een normaaldrukspanningaanwezig is. De factor k is ir'l(9) gebruikt om het verschil te kwantificerantussen de laboratoriumomstandigheden en de praktiJksituatie. In fig. 14 is verder te zien dat na hat bereiken van de treksterkte o~, het materiaal een vermogen heeft om trekspafitlingenopte nemen. Na •het bereiken van de treksterkte valt de opneembare trekspanning terug tot 0, 37.äqulJBZ2R bijhelontstaan van de eerste scheur enuiteinclelijktot 0,37.äquIJSZ2R bij een maximale rek van 5%0. De equivalente buigtreksterkten äqulJszeRenäqUPBz.3Rkunnen op eensoortgelijke manier berekend worden als fei in (7), terwijl dereductiefactorO,37infeite hat verschil in weerstandsmoment in rekening brengt tussen het ongescheurde staalvezelbeton (met W ;:: 116bh2) en het gescheurde vezelbetoo .: Terbepalillgvan· de reductiefactor Van· 0,37 heeft men bij de berekening van hetquasi"'plastischeWeersté.lldsmornenfaangenornerf dat de drukzone .hoogte gelijk is aan .1110·\lande· balkhoogte[45, 54]. Dit liJkt in eerste instantie echter ·een nOga.l conSérvatieve aanname, omdat .de drl..lkzone vlak· na scheurvorming zeker groter is dan 11110.

4.6 Tijdsafhankelijke

veiVormingen van staaJvezeJbeton

4.6. 1 Krimp Plastische krimp Als gevolg van het verdampen van water uit beton dat nog in het plastische stadium verkeert, kan er plasUschekrimp optreden. Hierdoor treden er trekspanningen op, Wanneer de treksterkte wordtoverschreden ontstaan el" plastische krimpscheuren. Hètscheurenpatroon isnerkenbaaren· heeft ·eenspinnewebachtigestructuur.DooreengOédenat>ehandéling, waarbijhefOppervlak afgedekt wordt met een folie of het oppervlak .nat gêhoudel'lWOl"dt'is deze scheurVorming te voorkomen.lrll34] wordtgestelddatdoot het toevoegen van staalvezels, de mate van plastische krimp niet beïnvloed wordt. De wijdte van de scheuren zal echter sterk gereduceerd worden, zodat het scheurenpatroon fijner is [19], [41].

TU Delft

18


HoofdStuk 4; Matetiaaleigenschappen

Vooronderzoek

svb

staatvezelbeton

in tunnellinings

Uitdrogingskrimp Uitdrogingskrimp treedt op wanneer beton in aanraking is met lucht, die niet verzadigd is met waterdamp. In dat geval kan.er Yiater verdampen uit de capillaire poriën. Hoe meer water er in de poriën er aanwezig is, hoe meer er kan verdampen en hoe groter de uitdrogingskrimp. Bij de vervaardiging van staalvezelbeton zal er daarom~let moeten worden op ·de hoeveelheid water die gebruikt wordt. Vooral omdat.deverwerkbaarheid er niet beter op wordt wanneer er staalvezels aan het mengsel worden toegevoegd. Het gebruik van hulpstoffen, zoals een plastificeerder, kan in dit geval nuttig zijn. Oe mate van uitdrogingskrimp zou zonder toepassing van hulpstoffen aanzienlijk toenemen. Volgens [52] zorgen de staalvezels pas voor een vertraging van scheurvorming en een reductie van de scheurwijdte, wanneer het vezelgehalte groter is dan 50 kg/m3• In de totnu toe uitgevoerde tunnelprojecten lag dit gehalte altijd boven de 50 kg/m3. In (35] wordt er\terwezen naar een publicatie van Chem en Chang [16], waarin melding gemaakt.wordt van een afname van de krimp door toevoeging van staalvezels. Het gebruik van siHcafume verlaagt eveneens de uitdrogingskrimp, doordat de porositeit wordt verlaagd. In hoge-sterkte beton met een hoog microsilica gehalte helpen de vezels scheurvorming als gevolg van autogene krimp uit te stellen en de scheurwijdteste verkleinen [52]. Volgens Balaguru, e.a, [5], is de krimp van staalvezelbeton afhankelijk vaneen aantal parameters, zoals: ~ de nabehandeling r:) de leeftijd r:) de verhouding oppervlakte/volume r:) het type vezel r:) de UD verhouding r:) het vezelgehalte In figuur 15 is het effect van een toenemend volumepercentage op het krimpgedrag weergegeven, waarbij gebruik gemaaktts van rechtestaalvezels zonder eindverankeringen.

5011g1rn3 100kglmS 150kgfm3 200kgfm3 250kgfm3

vete!

0,2

hoeveel1eld

o

1

2

3

4 5

10

20

30 4050

---..

100

200

ouderdom [dagen]

Fig. 15: Effect van de staalvezels op het krimpgedrag [41] 4.6.2 Kruip Er is weinig onderzoek gedaan naar de invloed vanstaalvezets op het kruipgedrag van staalvezelbeton. VerschiUendetestresultaten uit [5], [291 en [43] spreken elkaar tegen en geven dus geen duidelijk uitsluitsel. Er kan dus gezegd worden dat de invbed van staalvezels ophetkruipgedrag van het composiet niet duidelijk is. In (19)wordt op basis van een experiment van Edgington, Hannant en WiUiams [26] gesteld dat door toevoeging vanstaalvezels geen reductie in de kruipvervormingoptreedt.Doorhet toevoegen van siHcafume wordthetkruipgedrag van een staalvezelbetonechter aanzienlijk verbeterd [16], [29].

TU·Delft

19


Hoofdstuk 4: Materiaaleigenschape2'1

Vooronderzoek

svb

staalvezelbeton

in tunnellinina!

4.7 Fysische eigenschappen van staalvezelbeton 4.7.1 Uitzettingsooêfficient I19] De thermiSOheuitîetting vanstaalvezelversterkt· beton is ongeveer gelijk aan de uitzetting van ongewapend beton. Dit komt omdat de uitzettingscoêfficienten van staal en beton niet veel van elkaar versohUIen. Aanbevolen wo!'dtom dezelfde waarde van de uitzettingsooêfficient aan te houden voor staalvezelbeton als voor ongewapend beton. 4.7.2 Warmtegelf!idingscoêfficient[19] De warmtegeleiding van staalvezelbeton neemt toe in de orde van 5% bij een volumepercentage VI '" 2%, wanneerdestaalvezelswillekeurig verdeeldztjn. Deze toename is niet van belang en daaromteverwaarlo~ zen.

4.8 DuurzaamhekJvan staahtezelbeton 4.8.1 Corrosie bestendigheid Als er gebruik gemaakt wordt vanstaalvezels in het beton moet er uiteraard rekening gehouden wordenmet eventuele corrosie van de vezels. Er zal echter onderscheid gemaakt moeten worden tussenongescheurd en gescheurdstaalvezelbeton. Corrosievanstaalvezelsin

een ongescheurd composietmateriaal [5], [19], [41], [63]

De weerstand.tegen corrosie van staalvezelsin beton wordt op dezelfde manier beschouwd als corrosie van traditionele w~ning .. Staalvezels .ean het••oppervlak van de·tunnelsegmenten corroderen snel in de carbonatatiezone, de diepte tot waar koolzuurgasuitde.luchtkan. inwerken op·de alkalisohe bestanddelen van beton, waardoor de PH-waarde in het beton daalt en de .passiveringslaag van het staal kan worden doorbroken. Dite:rfectis waar te nemen a.h.v. het roestkleurige uiterlijk van het oppervlak. De aantasting van deze vezelsdringtechter nietverderdoor,omdat: • de vezels. diSCOntinuzijn .en .omgeven worden door beton.: Hierdoor ontstaat er geen elektrisch geleidende verbinding tussen de vezels, waardoor roestvorming nietooorgegeven kan worden 49 het beton aan hetoppeJVlak niet kan afspringen.·t.g.v. een vergroting van de (kleine) diameter van staalvezels • de staalvezels het verspreiden van microscheuren tegengaan, waardoor het transport van stoffen wordt gereduceerden ermindercorrosieve.substanties de vezels kunnen bereiken Er kan dus gesteld worden dat de niet aancarbonatatie blootgestelde vezels op. duurzame wijze door het beton beschermd worden. Verder kan de propagatie van de carbonatatie van het beton in zekere mate worden tegengegaan doortoevoegingvan silicafume en/ofhetbeperken van de water/cement factor. Corrosie vanstaalvezels ineen gescheurd of volledig gecarbonateerdcomp0sietmateriaal In [41] zijn de resultaten van eemexperimenteelonderzoek weergegeven uitgevoerd door Naaman, A.E. en Kosa K.. Hierbij werdenongeveert200 proefstukken getest, die gescheurd waren of waar carëonatane opgetreden was, en die een vrijgl'()te water/cetnentfaçtor haçJdenof een hoge permeabiliteit. Zij werden betast op druk, buiging en centrische· trék.tnfiguur 16 wordt de invloed van corrosie op de minimale diameter weergegeven. De reductie van de diameter is hierin uitgezet tegen de tijd. Uit resultaten. van buigproeven bleek. dat de reductie van de effectieve diameter In eerste instanUe geen probleem hoeft Je .zijn. Dporeen •betere aanhechting,.·t.g.v. initiële roestvorming, wordt het gedrag onder buigbelasting en de ductiUbm•vanstaalvezeibetonzelfsveroeterd •.·Toen de experimenten echterherhaald werden op .proefstUkken die een stuk langer blootgesteld waren. aaneen ·corrosiefmJlieu{ineenNaCI oplossing), ·bleekereénversfechteringvanhet. buiggedragende ductillteit(zie figuur opgetreden te Zijn, De proefstukken bezweken·tg.v.het breken van de vezels Lp.v.'pull~ut'.· Ditkomt vanwege het feit dat er door een·reductie van de diameter een •kleinere kracht opgenomen kan worden per individuele vezel.

.tn.

TU Delft

20

Faculteit der Civiele TéChniek

Vooronderzoek

$taalvezelbeton

in tunnelUnings

In formule (3) fa te zien dat door een verkleining van de effectieve diameter de kritische vezeUengte afneemt. WanneE)f de diameter zo klein is geworden dat de kritische vezellengte onder de werkelijke vezeflengte komHe liggen, stijgt de kans op vloeien van de vezel en zal de vezel eerder breken dan dat de matrix beZWijkt.

o gecarbonateerde proefstukken • hoog permeabele proefstukken • standaard proefstuk 8Q"C x standaard proefstuk50"C o standaard proefstuk 20"C

40

20

2

6

4

8

blootstelflngstijd

10 [maanden)

Fig. 16: Reductie vezefdiameter t.g. v, blootstelling in corrosiefmi/ieu

(S7]

opslag in NaCiQPIosslng(2 maanden) opslag In laboratorium opslag in NaCI oplossing (6 maanden)

."I,

/

~/\./ ~

,"•.. •.. , I

Vf=2%

""

""

" •..

•.. •..

•.. •..

...._--- .•. --~

Fig. 17: Kracht-doorbuigingscurven

TUOélft

•• 8 (mm]

van op buiging belaste stukken {S7]

21


Vooronderzoek staalvezelbeton in tunnellinings

Hoofdstuk 4: Matedáéleigensch!!ppensvb

De bovenstaandedoorbuigingsproef is echter niet representatief voor de werkelijkheid. Ten eerste ging het hier namelijkomproefstukl<en van zeer. beperkte afmetingen, waarbij volte4:1010 [14J. Het is duidelijk datdevoegen een kritiek punt vormen wat betreft de waterdichtheid bij het bouwen van boortunnels met de segrnentenbouwmethode.Metname de voegen tussen de opeenvolgende ringen, omdat er op het moment dater in slappe gronden onder het grondwaterniveau geboord gaat worden, in langsrichting buiging op kan treden.·De segmenten worden daarom langs de omtrek voorzien van neopreenprofielen, die uitzetten wanneer zij in·contact komen met water. Een betonconstructie zal zich in het algemeen waterdicht gedragen indien voldaan wordt aan de volgende voorwaarden [14]: c:> De constructie is ongescheurd c:> De constructie vertoont scheuren die niet doorgaand zijn en waarbij de hoogte van de drukzone h, voldoet aan de volgende voorwaarden: a. h, z 50 mmo b. h)(z 2· <Ïmax(metdmaxmax. korreldiameter) c:> De constructie vertoont doorgaande scheuren, waarbij de hoogte van de waterkolom boven de scheur voldoet aan de eisen als weergegeven in tabel 4. Aangezien het quotiënt tussen de waterdrukhoogte hen. deelementdikte. d. in.het geval.vaneenboortunnel onder het grondwaterniveau, groter zal zijn dan 5, mag de kritische scheurwijdte Wcrit niet groter zijn dan 0,1 mmo

=

TU Delft

22


Hoofdstuk 4: Matériaaleigenschappen


svb

Categorie

h [m]l d [m]

in tunneUininas

Berekendescheurwijdte We:rlt

1

~ 2,5

~ 0,20 mm

2

~5

5: 0,15 mm

3

>51)

~0,10mm

Tabel 4: Toelaatbare scheurwijdte 1)

voor doorgaande scheuren [14]

Een bovengrens voor de hld verhouding laat zich afleiden uit fig. 18.

'5 0,25

selfhealng uitgesloten

;=

i0,20 J

Meichsner

0,15 0,10 0,05

Lohmeijer

selfhealng zeer waarschijnijk

0,000

5

10

15

20

25

30 ----.

Fig. 18: Relatie tussen kritische scheurwijdte en vloeistofhoogte\wanddikte

35 ho/hw

ratio [14J

Kleine scheuren~unnen onder bepaalde omstandigheden dichtgroeien. Het proces waarbij de scheurwijdte kan afnemen dOQr verdergaande hydratatie van het omliggende betonen door sedimentatie in de scheuren wordt self~healinggenoemd. Oorzaken hiervoor zijn: c) een voortg~nde hYdratatie van cement c) sedimentatièvan In de penetrerende vloeistof aanwezige vaste deeltjes c) dichtzettén van de scheur door cementdeeltjes uit het breukvlak c) zwellen van cementsteen Voorwaarden voor self~healing zijn o.a.: c) de scheur moet stabiel zijn c) de stroomsnelheid mag niet te groot zijn c) de penetrerende vloeistof mag geen uitlogende eigenschappen hebben Op basis vanpraktijkwaarnemingen heeft [ohmeyer [38} een eenvoudige. grafiek samengesteld, waarin een kritische •.scheul\\lÎjdte. Wcri! voor. self~healing wordt aangegeven als functie van de verhouding tussen vloeistofhoogtee~wanddikte (zie tig. iS). Meichsner [44] is iets optimistischer, waarbij gezegd moet worden dat zijn resultaten gebaseerd zijn op experimenten onder laboratoriumomstandigheden. De vraag is echter in hoeverre hetself~healingproces opgaat bij boortunnels, die tussen de 15 en 25 meter onder het maaiveld liggen. De drukhoogte is hierbij namelijk veel groter dan in de praktijkgevallen waarvoor Lohmeyer de relatie tussen de kritische scheurwijdte en de verhouding tussen de vloeistofhoogte en de wanddikte heeft bepaald. Bij een ligging van de tunnel van 20 meter onder het grondwaterniveau en een wanddikte van 0,35 meter valt de hld verhouding buiten het gebied van tiguur 18. Dit zou de toelaatbare scheurwijdte wCril beperken tot bijna 0 mmo De scheuren zouden echter dicht kunnen slibben met gronddeel~ tjes, zodat er misschien toch een grotere Wcril toelaatbaar is. Experimenteel onderzoek op dit gebied is er nog niet gedaan.

TU Delft

23


Vooronderzoek staalvezelbeton in tunnellinings

Hoofdstuk 4: Mat~eigenschappE!nsvb

Er is verder weleens onderzoek gedaan naar vloeistof transport door scheuren in staalvezelbeton [60]. Hierbij werd aangetoond dat in geval vsn dOorgaande scheuren de vloeistof twee··maal zo langzaam de scheur penetreert (bij een scheurwijdte w '" 0,1 mm)dan bij ongewapend beton. Het lekdebiet wordt door de vezels eveneens sterk gereduceerd (zie figuur 19). Dit werd toegeschreven aan de ontstane microscheuren in het scheuroppervlak.

ë800

t

1400 I

200

0,3 scheurwijdte

----..

Fig. 19: Lekdebiet;.scheurwijdte

0,4 w [mml

relatie [60}

4. 10 ScheurwijdjfffControle In [591 wordt er vEilf'Wezen"AAr· expefirnentenvanf\t1angatEilI)GurLlSélmy[42j,waar voorgeschEilurdstaalvezelbetonJsbiootgesteld aan eenmarinEilrnUieu••Bij proefstukken. met scheurwijdten kleiner dan 0,2 .mm bleken de stijfheid, sterkte en taaiheid niet af te nemen, maar eerder toe te nemen. Ook trad erin scheuren, met een wijdte tot 0,2 mm geen corrosie op. Bij de scheuren groter dan 0,2 rnmgingen de genoemde eigenschappen wel achteruit,dOordatde. ve;zels die ..de scheuren overbrogdenaangetast. waren door corrosie. Het is dan ook van groot belang om dEl·scheurwijdte t~l:>eperken. Bij traditioneel gewapend beton isscheurwijdtecontrole mogelijk m.b.v. bepaaldeberekeningsmethoden. In het geval van staalvezelbeton zijn er echter geen methoden bekend om de kritische scheurwijdte te berekenen. Om toch te zorgen dat· er in bepaalde mate scheurwijdt~peperkingtn~ijk iis,. zal·.er .een minimale hoev~lheid staalvezelstoegEilpastmoeten worden. Warm~rereenvezelhoeveelheid. wordt toegepast dat groter is dan dit kritische vezelpercentage, zullen er meerdere scheuren ontstaan onder een zuivere trekbel~ng -.Th~retisch .9Elzien ligt ditkritischevezelpercentageverboVen het maxirn~al verwel'kbare vezelp~rcentageNI vanl% .(zie p~r.4.4.1).Zoalsreed$ ~rdervenneld zullenoverhetalgemeen geen. zuivere. tr~p~nl1ingenoptrEldel)ineendOOrsnedEl v~n~nge~menteerdeboortUl)nel.BiLringwer. king is er nameUjk altijd~ncornbinatie vaoElEln blJigend rnQment,~ndWarsl<@chtefleennQnnaaldrukkracht aanwezig in de doorsnede, terwijl er bij tiggerwerking vaak sprake is van een voorspanning in langsrichting t.g.v. de viizelkrEichten.Eventuele rotaties t.g.v .• zettingen .van de ondergrond zullen in langsrichting t.p,,",.de voegen worden opgenomen in de vorm van rotaties.

TU Delft

24

FacUlteit der Civiele Techniek

Hoofdstuk 5: Mechlni$CI1Qedraa


svb

in tunnellininas

Hoofdstuk 5: .Mechanisch gedrag van staalvezelbeton 5. 1 Gedrag van staaJvezelbeton onder een zuivere buigbelasting 5.1.1 Bepalen v8nbuigsterkte In paragraaf 4.4.3 is reeds het een en ander vermeld over het berekenen van de buigtreksterkte van staalvezelbeton bij zuivere buiging. Dit gedrag werd in het verleden bepaald aan de hand van vierpuntsbuigproeven. Een schematische weergave van deze proef is weergegeven in figuur 20. In het middelste 1/3 deel van de balklengte heerst een constant moment en wordt de balk dus op zuivere buiging belast. FI2

F/2

momentenlijn

dwarskrachtenlijn Fig. 20: Schematisering

van vierpuntsbuigproef

De wijze van beproeven isvan grote invloed op deresûltaten. Zo zal, wanneer men alleen de buigtreksterkte wil meten, e~nkrachtsgestuurde proef voldoen. Wanneer het echter om het mechanische gedrag gaat, zal er een verv9rrningsgestuurde proef uitgevoerd .•moeten worden...Hierdoor kan. oOk de dalende (of stijgende) nascneurtak van. het. kracht-doorbuigingsdiagram(zieookfiguur 21) •geregistreerd worden. De taaiheid van het materiaal kan dan bepaald worden a.h.v, het oppervlak onder de kromme. De buigtrekster!àe gemeten op een balk van 100xlOOx300 mm •ligt.gemiddeld .15o/Q hoger dan die gemeten opeen balk va~15Oxl5Ox450 mmo De afmetingen van het proefbalkjezijndusev~neens van belang voor de uiteindelijke resultaten. Inde literatuur is men heter niet over eens ofditnukomtdoorde grootte van de zone waarin breuk optreedt [33] of door de invloed van de afmetingen op de Vool'Keursoriènfatie van de vezels [13}. Om de invloed van een voorkeursorièntatie te minimaliseren wordt dikwijls voorgesteld de dwarsafmetingen zo te ki·ezendat die minstens gelijk zijn aan driemaal de vezellengte. In [61] worden er buigproeven besproken, die gedaan zijn op betonnen proefbalkjes van 100x100x300 mm versterkt met Dramix steatvezets, De twee parameters die in dit programma gevarieerd werden, waren de hoeveelheid vezels en het vezeltype. Alle staalvezels waren van getrokken draad met haakjes, aan elkaar gelijmd tot plaatjes. Er zijn proeven gedaan met vezelpercentages van 30 en 80 kg/m3 voor vezels met een UD-verhouding van 4010,6 en met 30, 55 en 80 kg/m3 voor de 60/0,8 vezels. TU Delft

25

Faculteit der Civiele Tecl1niek

Vooronderzoek

Hoofdstuk·S: Meçhanisch gedrag svb

staalvezelbeton

in tunnellinings

Alle betonmortelshadden dezelfde samenstelling met een verhouding 350 kg cement, 850 kg grof zand en 1025 kg grind meteen maximalekorreldiameter dmax van 20 mmo De water-cement factor was hierbij nogal aan de hoge kant en bedroeg 0,6. In de praktijkwordter over het algemeen gewerkt meteen lagere wlc factor, zie paragraaf 3.1.5. en worden er hulpstoffen gebruikt om de verwerkbaarheid te verbeteren. In dit geval werden er geen hulpstoffen gebruikt. Er werden 10 proeven uitgevoerd op elk type.staalvezelbeton. De verschillen tU$Sen de meetwaarden waren aanzienlijk, zodat een wijde band ontstond binnen welke de individuele ..curv~nzich bevinden. Deze spreiding zal echter sterk .afnemen naarmate de balkdoorsnede toeneemt De. gemiddelde last-doorbuigingsdiagrammen zijn te zien in figuur 21.

•....• 25 z èË. u-

I

20 15 10 5

00

F/2 F/2

to!,ooi'OOî

-' I"

0,2

I 0,4

0,6

300

0,8

1,0

~*

i •.1 I-

r.z

1,4

1,6 --

1,8 2,0 •• ö[mm]

Fig. 21: Vergelijking tussen gemiddelden van gemeten kracht-doorbuigingscurven voor verschiJlendevezelgehaJten [61J 5. 1.2 Berekenen van op buiging belaststaalvezelbeton Voor staalvezelbeton zijn (nog) geen rekenregels opgesteld. Dit komt omdat er geen afspraken zijn gemaakt op het gebied van beproevingsrnethodenenergeen eisen. zijn gesteld aan .de eigenschappen van staalvezels, toegepast als wapening ván beton. Om toch lekOnnenrêkenen met het materiaal is het noodzakeliji
TU Delft

26


Vooronderzoekstaalvezelbetonin tunnellininQS

Hoofdstuk5: Mechanischgedragsvb

•

f. . •

_lralo pjn

&f

doorsnede

spanningsverdelingen

rek

Fig. 22:Spanningsverdelingen

5.2 Gedrag van staalvezelbeton

in gesch6urd svb belast op buiging [41J

belast op afschuiving

5.2.1 Bepalen van de afschuifsterkte De afschuifsterkte van staalvezelbeton kan met dezelfde proef bepaald worden als die waarmee de buigtreksterkte b$paald wordt. In de zones tussen de lasten en de opleggingen, verder aangeduid als de afschuifzone a (zie figuur 20), wordt de ligger belast op een combinatie van buiging en afschuiving. In deze afschuifzones kunnen verschillende bezwijkmechanismen ontstaan, die aanleiding geven tot verschillende dwarskrachtbreuken. Deze verschillende dwarskrachtbreuken kunnen worden onderscheiden in de afschuifbuigbreuk, de afschuiftrekbreuk en de afschuifdrukbreuk. In het verleden zijn er verscheidene experimenten uitgevoerd om te bekijken in hoeverre staalvezels een klassieke dwarskrachtwapening kunnen vervangen of aanvullen. In [62] worden de volgende tendensen aangegeven, die afgeleid zijn uit de literatuur: o Door het toevoegen van staalvezels zal de afschuifsterkte verhoogd worden t.o.v. een ongewapende balk. @ De toename van de afschuifsterkte als functie van het vezelgehalte is afhankelijk van factoren zoals de hoeveelheid langswapening. Deze wapening kan belangrijk zijn voor lage wapeningspercentages. In vele gevallen wordt een lineair verband voorgesteld tussen de afschuifsterkte en parameters zoals VI en VI-liD. Volgens sommige auteurs zoals Swamy en Bahia [56] en Narayanan en Darwish [47] bestaat er een bovengrens voor het nuttig vezel gehalte bij VI '" 1%. De invloed van een grotere hoeveelheid staaivezels is beperkt. Hiervoor wordt geen plausibele verklaring gegeven. @) De invloed van parameters, zoals de verhouding tussen de nuttige hoogte van de balk en de lengte van de afschuifzone hla, de afmetingen van de doorsnede en de hoeveelheid langswapening, komt ongeveer overeen met de invloed van dezelfde parameters op balken van traditioneel gewapend beton. G De invloed van het type en de afmetingen van de staalvezels is niet duidelijk. Uit verschillende proeven kan echter worden afgeleid dat vervormde staalvezelsen vezels meteindverankeringen betere resultaten geven dan rechte vezels. e Narayanan en Darwish[471reglstreerden .niet alleen een verhoging. van de maximale last, maar ook een verhoging van de last, waarbij de eerste schuine scheur werd waargenomen. al Door het toevoegen van staalvezels wordt niet alleen de sterkte verhoogd, maar kunnen ook de vervormingen verminderen. Hierdoor wordt de sterkte van de drukzone groter en kan het verbrijzelen van de drukzone vertraagd worden. ti Het gecombineerde effect van staalvezels en een andere dwarskrachtwapening is niet duidelijk. Sommige onderzoekers rapporteerden een vermindering van de efficiëntie [a], terwijl anderen een positief effect van de vezels in combinatie met een beugelwapening vonden [bi. TU Delft

27


Vooronderzoek

Hoofdstuk 5: Mecl'látlischQ!drasSVb

staalvezelbetonin

tunnelllninas

5.2.2 Model voor de afschuifproeven In een gewapende balk met scheuren in deafschuifzone kunnen de volgende mechanismen van kracntsoverdracht bestCi@l1(zie figuur 23): o Krachtêryopgenomen door hetongescheurd beton. In de boog werkt een drukkracht die een hoek maaktmet de aslijn van de balk en die ontbonden kan worden·in een evenwijdige component aan de aslijn(~) en een component loodrecht erop Db' 8 Kracht~ninde hoofdw~ening. Volgens de aslijn van de wapening werkt een trekkracht (Na)' loodreqht erop de deuvelkracht (Da) • ., Kracht~l'l overgedragen door het gescheurd beton. Dit zijn de resultanten\Hindegemiddelde spanningen veroorzaakt door de haakweerstand (Nh, Dh)' ook wel 'aggregate Jl'1teriocking' genoemd'. o Als er beugels aanwezig zijn zullen die ook krachten overbrengen, zowel evenWijdiga.anhun aslijn (Nbeu~als, in mindere mate, .Ioodrechf op hun as. o Staalve~elskunnen ener;zijds th~retischeen invloed hebben op elk Van de hoge vermelde mechanismen en anderzijds ook rechtstreeks krachten overdragen over oe scheur. De rechtstreeksebijdrage van de vezels wordt uitgedrukt door de termen ~ en Of' Dit zijn de horizontale en verticale componenten van deuittrekkrachtvan de vezels.

Fig. 23: Mechanisme

bQafschuiving [621

Wanneer er alleen.sprake tsvaa vezelwapeningzien·de volgt uit

evenwichtsvergelijkingen in de doorsnede er als

(10) (11)

M==moment vansnedekrachten •rond een vaetpunt In [47] wordt een relatie gegeven voor de 'pull out'- kracht Dl·van de vezels afhankelijk van de liD ratio, het volumepercentageVj en dehechtspanning T: D

f

TUOeIft

= 041L -V-'\:'b'l'-d ' D f

(12)

28


V ooronderzoekstaalvezelbeton in tunnellinings

met:

b j'd

= breedte van de balk [mm]

= vert. component scheurlengte [mm]

In [621 blijkt datstaalvezels door slip- en haakwerking een aanzienlijke bijdrage kunnen leveren in de krachtsoverdrachtt.p.v. de atsehultzone. Vooral voor kleine verhoudingen van moment en dwarskracht (mld < 10), is de toename in dwarskrachtcapaciteit aanzienlijk. In figuur 24 wordt het effect van een toegevoegd vezelpercentage v, van 1% weergegeven bij een bepaalde hoeveelheid langswapening (00 1,38%).

=

E'0,30

ez

è!.02

e '

.... e

2

~ 0,20 0-

t:Cl)

~ 0,15

r

Q,1Q

0,05

0,02

0,04 ---Ilo-

0,06 0,08 0,10 dwarskracht per m1 d [!
Fig. 24: Effect staafVezeltoevoeging op afschuifweerstand {62] 5.3 Gedrag van staaJvezeibeton bij gecombineerde snedekrachten 5.4.1 Combinatie van moment en normaalkracht Bij· het. meten van vervormingen in boortunnelsworden over het algemeen inringrichting vervormingen gemeten t.g.v. buiging en een normaaldrukracht. In figuur 25 iseeninteractiediagram weergegeven die door SchnOtgenis opgesteld na .een uitvoerige studje. Het diagram is. gebaseerd· op experimenten die uitgevoerd zijn op drie verschillende· proefstukken (kubusdrukproeven, buigproeven en excentrische drukproeven). Uit deze experimenten is een spanning-rek relatie opgesteld, die reeds is weergegeven in figuur 14. Uiteindelijk is rn.b.v. de excentrische drukproeven het interactiediagram samengesteld, waarbij de excentriciteit gelijk is aan de verhouding MIN. In het diagram kunnen drie zones onderscheiden worden. In de eerste zone wordt de gehele doorsnede op druk belast en wordt de maximaal op te nemen drukspanning niet beinvloed door het toevoegen van staalvezels. De.volgende zone wordt gekenmerkt door een vergroting van het draagvermogen t.g.v. de staalvezeltoevoeging. In de derde zone heeft het ongewapende beton geen draagvermogen meer, terwijl staalvezelbeton nog steeds krachten op kan nemen.

TU Delft

29

Facutteltder CivieleTechniek

Hoofdstuk5: Mech~

Vooronderzoek

Q!drag svb

"0.

:l " z-9 a:: 1c:::l.

staalvezelbeton

intunnellinini!S

-1,0

I1

i c:

-o.e

-0,6

Nu.f\4u

= snede

krachten in uitenrte grenstoestand

0,37 äqu 13BZ,R

0.=----

l3R

-0,4

13R= druksterkte

-0,2

0,12 0,14 ___ • m= Mu f3R"b"d2 Fig. 25: Interactiediagram

voor buiging met normaalkracht [24}

In plaats van dein figuur 14 weergegeven spanning.-rekrelatie wordt ook wel eens een o-e diagram gebruikt met een plastische nascheurtakin de .trekZone. Na het bereiken vaneen •bepaalde trekspanning .bij een bepaalde. rek, loopt dezetrektak dushorïZontaal- Voor de treksterkte· na scheuren fbsd, .wsarbijde trektak horizontaal loopt, heeft Sctmütgeneen relatie opgesteld, afhankelijk vande lJD-verhouding en het volumepercentage vezels vj;Deze relatie geldt echter alleen voor Dramix staalvezeis:

met:

Cl C2 fel<

:::factor diehechting,onêntatie en stijfheid van de vezels in rekening brengt ::;:.factordiedeeindVerankering in rekening brengt :: karakteristieke kubusdruksterkte

Met behulp van formule (13) kan dan voor verschillende vezelpercentages en bepaalde matrixsterkten de horizontale nascheurtak in het o-e diagram bepaald worden. In [41} is dit reeds gedaan voor een B45 betonkwaliteit en relatief lage vezelpercentages (zie tabel ë).

TU Deift

30


Hoofdstuk 5: MéC:hanlschgedrag svb

Vezeltype


Cl

C2 VezeJhoeveelheld f [kg/mS]

Dramix ZCX601.80 Dramix ZCX 40/.60

6,2·10'2

TlilbeI5:· Nascheursterkte

2,7

v,

[m3/mS]

f' ck

fbsd

[Nlrnm2}

[Nlmm2}

25 40

0,0032 0,0051

45 45

1,2 1,9

25 40

0,0032 0,0051

45 45

1,0 1,6

in tunnellinings

svb met 25 en 40 kglrrt' staa/vezels met haak einden

In tunnels zulten. er hoogstwaarschijnlijk meer vezels toegepast moeten worden·dan de in tabel 5 gebruikte hoeveelheden. Als ervan uitgegaan wordt dat de constanten Cl en q gelijk blijven, wanneer er een hoger vezelpercentagete>eg.epast wordt, dan kunnen de volgende nascheursterkten fbsd gehaald worden: Vezeltype

Cl

C2 Vezel hoeveelheid f [kg/m3}

Vf

f'ck

[m3/m3}

[Nlmm2]

[Nlmm2]

Oramix ZCX601.80

7,0.10'2

3,0

60 80

0,0077 0,0103

45 45

2,9 3,8

Dramix ZCX40/.60

6,2·10'2

2,7

60 80

0,0077 0,0103

452,4 45

3,2

Tabel

6: Nascheursterf
staalvezefs met haakeinden

5.4.2 Combinatie van moment en dwarskracht Wanneer desrledekrachten in de doorsnede bestaan uit een moment en een dwarskracht een afschuifbelasting. Deze belastingsituatie is reeds besproken in paragraaf 5.2.

is er sprake van

5.4.3 Combinatie van moment, dwarskracht en normaalkracht In de literatuur wordt niet gesproken over onderzoek dat gedaan is om het gedrag van staalvezelbeton een combinatie van een moment, een dwarskracht en een normaalkracht te bepalen. 5.5 Gedrag van staa/veze/beton bij inleiding van geconcentreerde

bij

krachten

Zoals reeds in paragraaf 4.4.4 werd vermeld, wordt de splijttreksterkte verhoogd door toevoeging van staalvezels aan het beton. Deze splijttreksterlde is uiteraard van groot belang bij het inleiden van geconcentreerde krachten, zoals de vijzelkracnten die op de segmenten werken op het moment dat de TBM zich voort drukt op de reeds vervaardigde ring. De ring waarop deze vijzels worden geplaatst, bevindt zich echter nog binnen het schild, waardoor het nog niet voorgespannen kan worden door de omringende grond. Door de aanwezigheid van staalvezelsin het beton wordt de scheurvorming vertraagd en zal het moment van bezwijken uitgesteld worden. Daarbij is uit proeven gebleken dat de optredende schade bij bezwijken ook aanzienlijk minder is bij toepassing van staalvezelsin vergelijking tot traditionele wapeningsconfiguraties. Bij experimenten in België [36] zijn 12 prismatische elementen beproefd van 150x150x300 mrn", waarbij de splijtspanningen ingeleid werden over een oppervlak van 30x150 mm", Er zijn 3 ongewapende elementen beproefd, drie met 4Okg/m3 respectievelijk 60 kg/m3 Dramix ZC50/.60 staalvezels en drie met een wapeningsnet van 125 kg/m3• Zoals te zien is in tabel 5 wordt de kracht waarbij de eerste scheur ontstaat iets verhoogd door het toevoegen van staalvezels en het wapeningsstaal. Bij een scheurwijdte van 0,2 mm en bij bezwijken namen de krachten echter aanzienlijk toe. Wat opvalt is dat de bezwijkkracht voor elementen versterkt met 60 kg/m3 staalvezels groter is dan die voor elementen met 125 kg/m3 wapening. Aangezien de wapeningsconfiguratie echter niet vermeld is in [36], en dus niet duidelijk is welk gedeelte van de 125 kg/m3 diende als splijtwapening, kunnen er moeilijk conclusies aan deze resultaten verbonden worden. TU Delft

31


Vooronderzoek staalvezelbeton .in tunnellinings

Hoofdstuk 5: Mechal'li$ch~svb

Kracht bij eerste scheur

Kracht bil scheurwijdte

BtmVijkbelasting

280kN

285 kN

340 kN

n.v.t.

n.v.t.

n.v.t.

40 kglm3 Dramix ZC 50/.60

315 kN

410 kN

480 kN

60 kglm3 DramixZC

315 kN

450 kN

13%

58%

325kN

500kN

530kN

16%

75%

56%

van O,2mm

Wapening geen wapening

501.60 125 kglm3 traditionele wapening

41%

Tabel 7: Resultaten van prismatischeproefstukkeIl

545 kN

onder splijtbelas#ng [36J

Bij Bntinger & aerger, een Duitseaannemer,zijnlnd$cember 1994 splijt-, trek-en buigproeven op staervezelbetonnen entn3,ditioneel gew~ndbetonnensegmenten uitgevoerd. De staalvezel~onnen segmenten bevatten 40 en6Gkgtm3 DramixZC 50/.60staalvezels, terwijl andere elementen'v'@,ren voorzien van 80 kgJm3 traditionele staalwapening~/De proefopstelling voor d$ .•spUjttestisweergeseven in figuur 26. De resultaten van de~e splijtproef zijn weergegeven in. tabel 8. Vergeleken met traditionele wapening is de belasting bij eenpptred$nde$Chf:lwwijdtevanQ.2 mm bik40kglm3staalvezels~%kleiner, terwijl die bij. 60 kglm3 even groot is. De bezwijkbelasting is 23% en 7% kleiner voor·40·r8$P8etievelijk 6O·kglm3 staalvezels. Aan de hand van deze resultaten werd geconcludeerd dat voorgebruiksbelastingenen bezwijkbelastingen de met 60 kglm3Dramix ZC 50/.60 staalvezels versterkte segmenten vergelijkbaar zijn metsegmenten die gewapend .zijrl.met een wapenin~et vanBO .kglm3. Aansezien. niet dUidelijk is ..welk gedeelte van de traditionele wapening diend$ alssplijtwapening en welk gedeelte van de .staalvezelwapeningaangesproken wordt bij een dergelijke splijtbelasting, kunnen er in feite geen conclusiesgetrokkenwordena.h. v. tabel 8.

399

399

F12 lastplaat

F/2

170x150

1385

1652

Fig. 26: Opstelling splijtproef [12J

TU Delft

32


Vooronderzoekstaalvezelbeton

Hoofdstuk 5: Mechal'll$ch gedrag svb

Wapening 80 kg/m3• traditionele wapening

Kracht bij scheurwijdte van 0,2 mm

Bezwijkbelasting

3370 kN -----------------

3922 kN

n.v.t,

40 kglm3 Dramix ze 50/.60 vezels

2640 kN

60kglm3 Dramix ze 501.60 vezels

3360kN

in tunnelUnings

n.v.t. 3007kN

~23%

-22%

3630 kN

0% Tabel 8: Resultaten van splijtproeven op segmenten [11]

-7%

5.5 Gedrag van staalvezelbeton bij dynamische belastingen 5.5.1 Weerstand tegen stootbelastingen De weerstand tegen stootbelastingen van staalvezelbeton wordt aanzienlijk verhoogd t.o.v. ongewapend beton [5], [41], f54). Dit komt in eersteinstanUe door de grotere splijtweerstandvan het composiet materiaaL Staalvezelbeton vertoont eveneens een grotere weerstand tegen afschilveren dan ongewapend of traditioneel gewapend beton, doordat de vez~ls de matrix bij elkaar houden, ook nadat het gescheurd is. De weerstand tegen luchtstootbelastingen, zoaisexplosies, wordt hierdoor vergroot. De stootweerstandis afhankelijk van~etvezelgehalte'de. UD verhouding en de vorm. In [31] worden experimenten besprokenwaarbtj betol1nElnbalken, versterkt met verschillende hoeveelheden gehaakte staalvezels, beproefd werden met een stombelasting.Eenvalgewicht liet men van die hoogte vallen waarbij de balken onmiddellijk be~ken. Opvalh~lldwas, dathetbezwijkmechanisme veranderde bij een bepaald kritisch vezelpercentage.Bijvezelpercentageskleinerdan de kritische .waarde braken de vezels, terwijl bij vezelpercentagesbovenhet kritische vezelpercentage,.de. vezels uit de matrix getrokken werden en de breukenergie aanzienlijk vergroot werd. Voor de toegepaste gehaakte vezels bevond dit kritische volumepercentage vezels zich bij.deze experimenten tussen de 0,5 en 0,75%. 5.5.2 Vermoeiingsweerstand

5

1()2

10S lOS '" aantal wis$elingen .n

103

Fig. 27: Invloed van het vezelpercentage op de S-N curve [29J TU Delft

33


Voorondef2;o$staalvezelbetonin tunnellinin~

Hoofdstuk5: Mecl'l$nischgéCIrag •svb

De vermoeiingswaerstand van beton wordt verbeterd door toevoeging vanstaalvezels, Van invloed op deze verbetering zijn wederom het toegepaste vezelpercentage,de lID verhoudiogende vezelvorm. 10 figuur 27 is een S-N diagram te zien. waaruit dejnvloed van het vez~lpercentag~ duid~lijk'N0rdt .Deze diagram is samen met ander~ S-N diagrammen te vinden in{29],waarin de resultat~n '1anexperimenten rn.b.t. de vermoeiingswee~d van op buiging belaststaalvezelbeton worden weer~geven. Hierbij werden alleen rechte vezels gElbtuikt.Het gebruik van vezels met eindVerankeringen heeft echter een grotere invloed dan het verhogen van het vezelpercenta~. ·In figuur 28 is het effect van het vezelpercentage en de vezelvorm uitgezet in een staafdiagram.

700

aantal stoten tot.sen1El scheur

Dtot aantal stoten aan beZWijken

500

400 300 200

100 grind beton Fig. 28: Effect vezelvorm en percentage op vermoeiingsweerstandsvb

[41J

5.6 Gedrag van staalvezelbeton bij temperatuursbelastingen 5.6.1 Hoge temperaturen De thermische uitzettingscoëfficiënt wordt niet beïnvloed door de aanwezigheid van staalvezels. Echter bij de aanwezigheid van een hoog percentage staalvezels in het beton, zal het warmtegeleidingsvermogen van het composietmateriaalwel toenemen. Deze toename kan oplopen tot 40% in ver~Hjking met ongewapend beton, ondanks het hogere poriëngehalte in staalvezelbeton. Een gedeelte van het relatief hoge poriëngehalle in staalvezelbeton zou normaal gesproken kunnen dienen als expansievaatjes wanneer,in ~val van brand, de internE!dampdrukken toenemen t.g.v. het verdampen vanporiënwater. Daarnaast zorgen staalvezels voor aanzi~nlijkkleinere drukspanningen, wanneer zijuitzettent.g.v. detemperatuursverhoging. Er zou hieruit geconcludeerd kunnen·wordendater·minder schade aan het oppervlak zal optreden bij staalvezelbeton dan in het geval van traditioneel gewapende constructies. BIJtoepassing van staalvezelbeton in boortunnelsin de Nederlandse ondergrond Is dit echter nog maar de vraag. In hetal~meen is de relatieve vochtigheid in tunnels vrij hOQg.Daarnaast bevinden de meeste tunnels zich onder het grondwaterniveau. Het eventueel toe te passen staalvezelbetonzouzlch hierdoor makkelijker kunnen verzadigen met water. Als gevolg kan siechtseen. mi~if11
TU Delft

34


Hoofdstuk 5: Mechlnisch

Vooronderzoek

gedrag svb

staalvezelbeton

in tunnelHnings

5.6.2 Vorst-dooi bestandheid Onder een cyclische belasting t.g.v. vorst en dooi gedraagt staalvezelbeton zich hetzelfde als ongewapend beton. Door toevoegen van luchtbellen aan het beton, door een luchtbelvormer toe te passen, zal de vorstdooibestandheigvergroot worden. In [4) worden resultaten weergegeven van een expedmenteel onderzoek naar de vorst ..('j()()lbestandheid vanstaalvezelbeton. De duurzaamheid van staalvezelbeton bleek gelijk te zijn aanonge~d beton bij hetzelfde volume aan lucht. Voor een water-eement factor groter dan 0,4 en een cementhoev~heid kleiner dan 415 kg/m3 is een minimale hoeveelheid lucht van 6% benodigd.om schade t.g.v. vr~en en dooien te voorkomen. Wanneer de hoeveelheid cement toeneemt en de wie factor afneemt zal de duurzaamheid toenemen.

TU Delft

35


Hoofdstuk 6: Praktijkervaringen met staalvezelbeton in tunneUinings

Hoofdstuk 6: Praktijkervaringen

Vooronderz()Elkstaalvezelbeton in tunnellinings

met staalvezelbeton

in tunnellinings

6.1 A/gemeen In het verlederr~ijn. er in het buitenlandverschillendelinings van. boortunnelsgeheelof gedeeltelijk uitgevoerd in staalvt;felbeton.Deze tunnelliningszijn te onderscheiden inextrusiebetonnenlinings· en tunnelmantels diezijn~pgebouwd'4itprefab. tunnelelementen.Bitde uit prefab elementen opgebouwde tunnellinings heeft men~çhter meer ervaring met traditioneel gewapende segmenten. Er zijn tot nu toe .slechts twee prefab boorwnnemnings in hun'geheel uitgevoerd in staalvezelbeton, .te weten de· Jubilee Lineen de Heathrow Luggage Tunnel, beide in London. Als proef heeft men echter ook bijeen aantal andere .boortennelprolecten, die geconstrueerd zijn met de segmentenbouwmethode, enkele ringen opgebouwd met staalvezelbetonnen segmenten. In tabel 9 zijn de boortunnelprojecten weergegeven, waarbij staalvezelbeton is toegepast.

Project

buitendia-

liningdikte

vezels

bodem

max. vijzelkracht

meter Metro, Essen Duitsland

8,07 meter

400mm

60 kg/m3 VO 5010,6

marmer

56MN

Metro Meteor, Parijs Frankrijk

8,60 meter

400mm

60 kg/rns IlO 3010,5

kalksteen zand

60MN

Metro Eole, Parijs Frankrijk

7,10 meter

350mm

kalksteen zand

60MN

Waterafvoer, Lesotho Zuid-Afrika

5,10 meter

50 kg/m3

leem zandsteen

30MN

Metro Sud, Napels Itallé

6,40 meter

Metro, Rome Italië

7,20 meter

300 mm

50 kg/m3 110= 60/0,8

Waterafvoer, Sicilië Ualië

3,40 meter

200mm

40 kg/m3 IlO 5010,5

JubileeUne Underground Londen, Engeland

4,80 meter

200mm

30 kg/m3

Heathrow bagage tunnel Londen, Engeland

4,50 meter

2S0mm

=

=

IlO 300mm

= 5010,5

40 kg/m3

110

= SOlO,S

=

VO =6010,8

Tabel 9: Praktijkprojecten

150 mm

36MN

30 kg/m3

IlO

= 6010,8

London Clay

London

Clay

waarbij staalvezelbeton is toegepast

Ter vergelijking met de projecten uit de bovenstaande tabel is de Tweede Helnenoord Tunnel een boortunnel met een buitendiameter van 8,3 meter en met een Iiningdikte van 350 mmo De maximale vijzelkracht is 50 kN en de bodem bestaat hoofdzakelijk uit zandgrond.

6.2 Praktijkproeven Voorafgaand aan de projecten waarbij staalvezelbeton werd toegepast in de gesegmenteerde !ining, werden meestal buigproeven uitgevoerd ter bepaling van bepaalde mechanische eigenschappen. Aangezien deze buigproeven, ter bepaling van de mechanische eigenschappen, niet geheel representatief zijn voor de praktijksituatie, werden ook wei eens proeven op grotere schaal uitgevoerd. TU Delft

36


Hoofdstuk 6: Praktijkervaringen met staalvezelbeton in tunneUinings

Vooronderzoek ·staalvezelbetonin tunneUini5ls

6.2.1 Waterafvoertunnet Lesotho,.zuid-Afrika [64] Om een indicatie te krijgen van de mogelijkheden vanstaalvezelbetonnen segmenten werden er in het kader van eentlJnnelprojectinlesctho,. Zuid-Afrika (Delivery Tunnel North, lesctho Hig~lands Water Project) 'fultsclll",' proeven op segmenten uitgevoerd. Het ging hierbij om een tunnel met een inwendige diameter van4;f3meter. De segmenten waren250mm dik en 1Ameter lang. De toegevoegdevezelhoe" veelheid werd gevarieerd van 40 lot 60 .kglm3instappen van 1Okglm3 •• Er werden twee vezeltypen toegepast: geschaafde vezels en staaldraadvezels met haakeinden. De traditioneel gewapende segmenten waren voorzien van een wapeningsnet van 106 en 157 kg/mS. Verder werden er naast de· genoemde experimentooook proeven uitgevoerd op segmenten meteen gecombineerde wapening, d.W.Z. een combinatie vaneenlieht wapeningsnet en40kg/m3 staalvezels. Deze segmenten bleken verreweg de beste resultaten op te leveren. belasting

belasting

simulatie van:

sd1emati$8tie

geval

5OOkNmax.

drukkent..g.v. groutirïj~e

A

lange. duur grondbelasting 2000 kN

2000kN vij%elbelastlr'lg op ongelijkmatig ondersteund segment

B ~ 2000 kN

2000 kN vijzelbelastlng.op gelijkmatig ondersteund segment

c ~

drukken t.g.v. grotitinjectfe of lange duur g.rondbelasting op ongelijkmatig ondersteund element

500kN max.

D ~ 4000 kN max.

lange·duur grondbelasting

E

Fig. 29: Full scale proeven op

svti segmenten Lesotho, Zuid-Afrika [64J

In figuur 29 wor~en de. verschillende belastinggevallen .weergegeven met. daarbij de maximale capaciteit van de gebruikteproefopstelJingen. Uit de. rEIsuitatenvan de proeven, die vOlgensbelastinggevallen A, D en E werden belast, bleek dat de duetilUeit en het·uiterste draagvermogen van het staalvezelbeton kleiner was dan ..dat van.·hettraditionaelgewapende beton in gevallen· A en D.. Bij de· proeven die· uitgevoerd zijn volgensE,ontstondechtergeanscheurvorming. Oezebelastinggevalien blijken echter in de praktijk niet maatgevend te zijn in de9:ebruiksfase, d.W.Z.datde maatgevende·combinatievaneenbuigendmoment en een normaaldrukkrachtniet tot· scheurvorming zal leiden.· De stootbelastingen die tijdens. 'handling' en transport op dè segmenten .worden uitgeoefend, blijken echter wel rege.Jmatigtot beSChadigingente leiden.

TU Delft

37


Hoofdstuk 6: Praktijkervaringen met siaalvezélbetc>nin tunnellinings

Vooronderzoekstaalvezélbeton

in tunnéllirnngs

Belastingen tijdens installatie (bijvoorbeeld t.g.v. belastinggeval B) kunnen ook scheurvorming veroorzaken. IngevalB uitfigul.Îr 29, waarbij sprake is van buiging in het vlak van de segmenten t.g.v. een ongelijkmatige ondersteunin~;,doorde vorige. ring, bleek dat scheurvorming in het geval. van .de staalvezelbetonnen segmenten bij~rhogete belasting ontstond dan· bijdetraditioneelgewapendesegmeoten, Het uiterste draagvermogen~mdebijbehorende ductiliteit was. voorstaalvezelbeton wederomkl$iner dan Noor traditioneel· gewapend~on. ,i\llesegmenten (dus ook de staalvezelbetonnen segmenten) •voldeden echter .ruim aan ·de minimaEilvereiste duetUiteiten buigtreKsterkte. In geval·. C ontstonden er verder geen··scheuren binnen de capáólff)ltvan deproêfopstelling. Naaraanleiding*anderesultatenkon~ncludeerd. worden. dat dedraadvezelsmet haakeinden beter presteerden damde geschaafde vezels. Verder bleek dat de rijpheid van. hetbetoneengrooteffectheett. op de prestatie van de staalvezels. Men had de proeven uit figuur 29 namelijk uitgevoerd bij een ouderdom van ca. 35 dagen en 110dagen. Na 110 dagen bleek de vezelwapening echter veel beter te presteren dan twee maanden daarvoor. Dit is t~verklaren door het feit dathett>èton. Na een period~ van drie maanden neemt het beton$lechts heel geleidelijk toe in sterkte en zaidevezelprestatie ook niefl'1leer toenemen .. Zoals al gezegd bleek dat desegrnentenmet de gecombineerde wapening de beste prestaties leverden. Deze segmentenOrengen echter ook de grootste kosten met .zich mee. Het voordeel van enkel en alleen staalvezelwapening is dat de. arbeidsjntensievefabricage. van de stalen wapeningsnetten achterwege gelaten kan. w0td~n en dat er ~ngrote. ruimte g~reserveerd hoeftt~worden op de prefab-yard om de wapeningsnetten> op .te •slaan »Ó. Naeenkostenstudie. bleek dat de.staalvezelbetonnen segmenten qua materiaalkostendiJurder waren dan de traditioneel gewapende segmenten. zoals te zien is in tabel 10. De kostenbesPElringent.gN.hetn~th()~ven te plaatsen en testetien van de wapeningsnetten en t.g.v. de ruimtebesparing qua wapenlng$Op$lagzijnhierin niet meegenomen.

Geschaafde·vezels

Draadvezels met haakeinden

10Gkglm3 wapeningsnet

100

100

4Okglm3 staalvezels

88

99

50kglm3staaJvezeis

95

109

eOkglm3 staalvezels

103

121

128

128

1'yfJleytapellil'l9

1$7kglm3 wapeningsnet TatJeF10: Prijsindexcijf8rssegmenten

Uiteindelijk werden er vier secties van vijf staalvezelbetonnenringen geinstalleerd in de tunnel. Na installatie bleek dat er inde ringen met 40 kglm3 staaldraadvezels scheuren ontstonden t.p,v, de 'bolt pockets' met een maximum scheurwijdte van 3 mm.lnde vijf ringen met 50kglm3 staaldraadvezels werden 6 scheuren geconstateerd, allen met een<scheurwijdte kleiner dan O,2mm.Bij de secties meteo kglm3 staaldraaovezeis en de secties waarbij de segmenten versterkt waren met eengeçomblneerde wapening ontstonden geen scheuren. Gezien deze resultaten en de competitieve materiaalkosten werd besloten om 100 staalvezeibetonnen ringen met 50 kglm3staaldraadVezels te produceren en installeren. Dit is met succes uitgevoerd. 6.2.2 Metrotunnel in Essen, Duitsland Tunnelsegl1'leotenzijmonderhevig aan verschillendebelasöngsituaties, zoals· ookinde vorlge paragraaf is besproken. De uitvoeringsfase is. daarin vaak maatgevend. Door de ••grote vijzelkrElChten, die. ontstaan tijdens. het .•böorprocesalsgevolg· van het voortdrukken van de TBM, ontstaan er bijvoorbeeld enorme splijtspanningen onderdevljzelschOenemindeS8Qrmanten.Eenanderemaatgevendesituatieontstaat vaak net nadateentunnelrlng uit het schild wordtgedfUkt.Oeovergang "an .eenonbelaite·.situatie •naar .een situatiewaarbijderingwordtbelastt.g.v .•grond- engroutdrukken·neefttotgevolgdEit de •.tl.lnnelring gaat ovaUseren.De matewElElrin~ze velV()rmingplaatsvindt is uiteraard afhankelijk.van de ringstijfheid en daarmee afhankelijk van de voegverbindingen.

TUDëlft

38


Hoofdsttlk6: PraktlJ!waringèn met staalvezelbeton in tunnellinings

Vooronderzoek staalvezelbeton in tunnelUnings

T.p.v. de sluitstenen, die meestal bovenin de tunnelring worden geplaatst. bevinden zich twee Iéangsvoegen vlak bij elkaar, waardoor de vervorming zi·ch hier gaat concentreren. Wanneer deze voegverbinding hiet sterk genoeg is kan hier schade ontstaan, zoals te zien is in figuur 30.

~

F

Fig. 30. Schade t.p. v. voegverbindingen t.g. v. ovalisatie Ook in de ringvçegverbindingen kan een dergelijke schade ontstaan. Deze belastingsituatie wordt vaak aangeduidalsdf)kOppelkrachtbelasting. In het ka.dervan. de.aanleg van een metrotunnel in •Essen .werden erexperiment(anop deze .:voegverbindingen uitgevoerd aan deRuhrunive~iteit van •.Bochum •[22]. Oe resultaten van deze experimenten lieten zien dat de bezwIjklast bij de staalvezelbetonnen proefstukken gelijk was aan debezwijklast voor traditioneel gewapend beton, maar dat de ductiliteit van het staalvezelbeton een aantal malen groter was dan dat van het traditioneel gewapende beton. Een combinatie van wapeningsstavenen staalvezels leverde echter duidelijk een nog beter gedrag op.

TU Dèlft

39



Hoofdstuk7:COneluaiesen aanbeveli0e

Hoofdstuk 7:Concfusies· en aanbevelingen 7.1 Evaluatie

7.1.1 Algemeen In het verledeni$verscheidene malen getracht de.eigenschappen·van·versehiUende soorten vezels als versterking van~ton te. bepalen .: Omdat •al~ vezels andere. eigenschappen . hebben en steeds andere betonsamenstellil'lgen gebruikt zijn; kunnen de res~ltaten moeilijk met elkaar vergeleken worden. In het algemeen kan echter gezegd worden dafdoorhet toevoegen van staalvetelsaan beton een aantal eigenschappen verbeterdwor'den. De waarden van de buig- en Spfijttrekster'kte vanstaalvezelbeton worden biJvoorbeeld verhoogd t.q.v.grindOeton.·· D~rnaastwotdEln ook Oe stooten vermoeHngsweerstand vergroot. . . .. .. . . De bovenstaande eigenschappen van. staalvezelbeton zijn vergeleken met de eigenschappen van ongewapend beton. Hells echter de bedoeling om te kijken ofstaalvezelbetonnen tunnelelementen toegepast zouden kunnen Worden in de THT. In dat kader zal er daarom een vergelijking gemaakt moeten worden met traditioneel gewapend beton. 7.1.2 Voor-en nadelen van staalvezelbetonnen tunnelelementen lndevolgencl~moelworden de voor-. en nadelen vanstaalvezelbetonnen segmenten weergegeven·t.o.v. trapitionaeifJew_nde segmentan.Bij deze vergelijking worden de volgendadrie fasen onderscheiden: ePeontwerpfa$ê .De UiWoerinQ$tQ$è te DegebruiksfaSé

ONTWERP

VOORDELEN

NADELEN

Er kan gerekend worden met een treksterkte na scheuren van de matrix.

Er is alleen verificatIe mogelijk van de êigenschappen door uitvoeren van proeven. Er is geen regelgeving op het gebied van het ontwerpen met staalvezelbeton.

UITVOERING

Hogere weerstand tegen scheuren in de groene fase.

Minder goede verwerkbaarheid, waardOOr vaak. plastificeerders toegepast moeten worden.

Een hogere eerste scheursterkte.

Gevaar van samenballen en grotere kans op grindnesten bij een te hoog vezelpercentage

De vezels bevinden zich tot dicht aan het oppervlak van de segmenten, waardoor de contactvlakken tussen de segmenten beter gewapend worden. Deze verbindingenzijn .bij traditioneel gewapend betonnen elementen nogal·l<wetsbaar. Door een hogere stootweerstand zullen er tijdens opslag, transport en installatie minder snel hoeken afspringen en zal ar minder schade ontstaan.

TU Delft

40


Vooronderzoekstaalvezelbeton intunnellinings

Hoofdstuk 7: ConclU$ies en aanbevelingen

NADELEN

VOORDELEN Door de homqgene verdeling van de veiels worden de segmenten in alle richting(ilfl. gewapend,. zodat tnallerichtingen ~panningen opgenomen kunnenworden.

BEHEER

Hogere duurzaamheid t.g.v. de betere corrosie-bestendlgheid van staalvezelbeton. De discontinue vezels zorgen ervoor dat er geen doorgaande corrosie op kan treden .:Door de beperkte afmetingen van de vezels kan een toename van de vezeldiameter t.g.v. corrosie geen afspringen van betonten gevolg hebben.

Bij scheurwijdten. groter dan 0,2 mrn. kunnen de vezels die de scheur(en) overbruggen corroderen en kunnen de mechanische eigenschappen minder worden.

PRODUKTIE .. KOSTEN

minder kglm3 wapening

hogere materiaalkosten

geen fabricagekosten •.wapeningsnetten geen opslagruimte benodigd voor wape;. ningsnetten mindérscnade

Tabel 11: Voor-en nadelen van staa!vezelbetonnen tunneJsegmenten 7.1.3 Evaluatie m.b.t. toepasbaarheid van staalvezelbeton Een het zich van

in de THT

succesvOlIEttoepassing van staalvezelbetonnen segmenten in de THT hangt af van de kennis m.b.t. materiaalgE;llÎrag en. van de constructieve eisen die de toepassing ineen tunnelbuis van de THT met mee brengt. Het beton kan.·slechts met maximaal SOkglm3 staalvezels versterkt worden, afhankelijk de betonsari1enstellingen het vezellype.

De vezélfabrikanten prijzen hun eigen vezels het hoogst aan. Zoals reeds eerder is gezegd, kunnen de resultaten van buigproeven van deze fabrikanten echter niet vergeleken worden, omdat iederebetonsamenstelling en iedere proefopstelling andere resultaten oplevert. Bekaert is voor zover bekend de enige leverancier vanifl·Nederland beschikbare vezels, die enige ervaring heeft met toepassing van staalvezels in boortunnels. Het is echter (nog) niet duidelijk welk vezel percentage benodigd zou zijn in de tunnelelementen van de THT en dus ook niet metwelkerekenwaarde van de treksterkte gerekend zou kunnen worden. De dimensies van de THT komen redelijk overeen met dleVanprojecten als Eole en Meteorin Frankrijk. In de prefab tunnelsegmenten· van d~ze projecten werd ..als proef • 60. kglm3 toegepast.· Oe eventueel toe te .passen vezelhoeveelheid in de segmenten van de THTzal ooldndeze orde van grootte liggen. Er zullen echter materiaalproeven en controleberekeningen uitgevoerd moeten worden om dit te bevestigen. In eerste instantie lijkt de duurzaamheid van een staalvezelbetonnen tunneHining gegarandeerd, zelfs op het moment dat er scheurvorming Is opgetreden. BIJ scheurwijdten groter dan 0,2 mm kunnen de staalvezels echter corroderen en kunnen de vezels die de scheur overbruggen minder grote trekspanningen opnemen en neemt de duurzaamheid af. Wanneer de kritische scheurwijdte van 0,2 mm niet gegarandeerd kan worden, zouden er roestvrij stalen vezels (gegalvaniseerde vezels) toegepast kunnen worden. Dit brengt echter hogere kosten met zich mee. De economische haalbaarheid van staalvezelbeton is afhankelijk van de materiaalkosten, arbeidskosten, ervarenheid van het personeel en het gebruik van het geschikte materieel (doseermachines). Eventuele ruimtebesparingen m.b.t. wapeningsopslag en het niet hoeven te plaatsen en stellen van wapeningsnetten zouden echter ook gekwantificeerd moeten worden in de kostprijsberekeningen.

TU Delft

41


Vooronderzoekstaalvezelbetonintunnellini!lQs

Hoofdstuk7: ConçlU$i$$ en aanbevelinpn 7.2 Eindconclusie

Gezien de vele voordelen van staalvezelbetonnen segmenten t.o,v .. traditioneel gewapend betonnen segmenten kang~oncludeerd worden. dat staalvezelbeton een goed alternatief is als constructiemateriaal voor prefab tun~l~gmenten. Ook op basis van de ervaringen die men in.het buitenland heeft opgedaan bij verschillende ·sy~svoUe toepassingen vanstaalvezelbeton in de tunnelbOuw, kan. gesteld. worden dat. er voldoende draagvlak is opgeboUWdom de mogelijkheid te bekijken ot een aantalproefringen toegepast kunnen worden ineentunneibuisvan de THT.

7.3 Kennisleemterten

aanbevetingen

Er zijn in het verleden vele experimenten uitgevoerd met statilvezeibeton .. Vele eigenschappen van het materiaal zijn bekend of kunnen m.b,v. simpele proeven bepaald worden. Bepaalde aspecten worden in de literatuur echter minder goed belicht. Op dit moment bestaan de volgende kennisleemten: Op basis van onderzoeksresultaten ·kan gesteld worden dat er geen corrosieoptreedtbij.scheurwijdten die kleiner zijn dan ():,~mmo Het is echter niet duidelijk hoe deze kritische scheurwijdte beheerst kan worden. AangeZien staalvezetbeton permeabel er is dan tradition.,gewaPend betonen doordathet uitzetten van de kleine vezels niettot het afspringen van beton zal leiden,kangeconclUfieerd worden.datde brandveiligheid wordt. verbeterd. t.o. v traditioneel gewapend .beton. •800rtunnels in Nederland liggeQ. normaal gesproken onder hetgrof7(;Jwatemiveau.Hierdoorkunnen de poriën zich echter verzadigen met water, waardoor slechts een IT1inimaal P9r;~nfJé.haltekan diene']aJs expansievaatjes. Dampdrukken zouden zich op kunnen bouwen, in geval van brand,··waardöor er iilsnog veel schade. zou kunnenontstaan.

Met betrekking tot de twee bovenstaende kennisleemten kunnen de volgende aanbevelingen gedaan worden: Er wordtaanbe\iolenomexpe.rimentee1oncierzoekte doen op het gebied van scheurvormingenscheurwijdtebeperking. DIt theoretische deelzaj ondérste.tmd moeten worden m.b.vexperimenten,waardoor eventuele rekenmodellen.geveritieerd kunnen worden. Verder is aan te beven· om de aant8$tiQgvan .staalvezels in gescheurd staalvezelbeton te onderzoeken. De elementen kunnen eventueel blootgesteld worden aan een agressieve Omgeving om het corrosieprOÇes feversnellen. .Om dit soort experimenten voor te bereiden en uitte kunnen voeren zalongeveereenjaaruitgetrokken moeten worden Er wordt aanbevolen om in relatie tot de brandveiligheid van staalvezelbeton nader onderzoek uit te voeren. Experimenten op dit gebied kunnen echter niet uitgevoerd worden aan de TU Delft. In samenwerking met TNO zou er op dit gebied echter wel onderzoek gedaan kunnen worden.

Om tebepaten otstaalvezelbeton toepasbaar·is in een tunnelbuis van de THTzou in·eerste instantie a.h.v, beschikbare gegevens uit de literatuurgeeontroleerd. moeten worden of voldaan zou .kunnen worden aan de constructieve. eisendiespecifiekgeldén voorde Tweede· Heinenoord .Tunnel .. Daarna .zou experimenteel onderzoek noodzakelijk zijn om de werkelijke eigenschappen van net materiaal te achterhalen.

TU Delft

42



Literatuurlijst

in tunnellinings

Literatuurlijst: [1] ACI committee544:

Guide for specifying. propomoning, mixing, placing and finishing SFRC, 1993 [2] ACI committee544: Design considerations for steel f·iber reinforced concrete, ACI materials journal, sept-okt 1992 [3] Ashour, S.A.& Wafa F.F.: Mechanical properties of high strength fiber reinforced concrete, ACI structural joumal, sept-okt 1988 [4] Balaguru, P.N.: Freeze-ThawDurabiiityof fiberrein10rced concrete, ACt Jourmal, May-June 1986,p. 374-382 [5] Balaguru, P.N.& Shah, S.P.: Fiber rëinforced cement composltes, McGrah HUIpublishers, 1992 [6] Bartos, P.J.M. & Duns, M.: Inclined tensie strength of steel fibres in a cement based composite, Universityof Paisiey, januari 1994 [7] Bartos, P.J.M. & Hoy, C.W.: Interactionof partieles in fibrereinforced concrete, Production methods&. workabUityof concrete, 1996 Conference Glasgow [8} Batson, G.B.&Alguire, C.: SteeHibers asshear reinforcemenHn reinforeed concrete beams, Proceedingsof the international symposium on fiber reintoreed concrete, Madras, 1987, p.113-124 [9] Betoniek: Staalvezels, 8128. september 1991 [10] Betonlek: Vezels, 8121, januari 1991 [11] Bijen, J.M.: KeramischelTlat~rialen; deel cement & cementcornposleten, Collegedictaat MK58, oktober 1995 [12] Bilfinger & Berger: Test·results: Tension, Bending&Splitting of Steel Fiber Reinforced Tunnel8egments [13] Bölcskey, E.: Beitrag zur BestimlTlung der Momententragfähigkeit von Stahlfaserbeton~Rechteckbalken.mit Berücksichtigung ....•....... Österreichischen IngenieurundArchitekten ZeitSChritt, 127 Jg., Heft 11,1982, p. 396-400 [14] Breugel van, K.: Het ontwerpen van starre beschermings- en opslagconstructies, PATO.cursus.'Permeabilitëit" ]uni1996 [15] Casanova, P., Rossi, P., e.a.: Fabrication de voussoirsenbétondefibres-étude de matérieau, Bulletin liasion196 du laboratoires des Ponts et Chaussées, p. 97:"99,maart-april 1995 [16] Chern, J.C. &Chang, C.Y.: Effects of silica fume on creep and shrinkage of steef fibre remtoreed concrete, High Performance Concrete, proe.ACI int. conference 1994 [17] CUR-Aanbevellng 35: Bepallngvan de buigtreksterkte, de buigtaaiheid en de equivalente buigtreksterkte vanstaafvezelbeton, februari 1994 [18] CUR-Aanbeveting 36: Ontwerpen, berekenen en ·detailleren van bedrijfsvloeren van constructief beton, Redactionele bijdrage aan •Cement·nr.2, 1994 [19] CUR-rapport 89: Nieuwebetonsoorten: staalvezelbeton, oriênt. rapportage m.b.t. eigenschappen en toepassingsmogelijkheden, sept. 1977 [20] CUR-rapport9:3-7: Hoge sterkte beton, interimrapport onderzoek .enaanzet tot regelgeving, augustus 1994 [21] CUR-rapport 144: Vliegas alsvulstof in beton,

januari 1992

[22] Dahl, J. & NuBbaum, G.: [23] DIN 1045: [24] DBV-Merkblatt:

TU Delft

NeueErkentniSSe zurErmittlung der Grenztragfähigkeit von TÜbbings im Bereioh der Koppelfugen,Bauteile und Baustoffe für den Tunnelbau Beton undStahlbeton,Bemessungund Ausführung, Ausgabe Juli 1988 Bemessungsgrundlagen fOr Stahlfaserbëton im Tunnelbau, Fassung august 1992

43

Faciliteit der Civiele Techniek


Uteratuurlijst

[25] DBV-Merkblatt: [26] Edgington e;8.: [27] Falkner, H. & Teutsch, M.: [28] Falkner, H. & Teutsch, M.: [29] Houde, Prezeau & Roux: [30] Imam, M.A.:

[31] Johnston & Zemp:

[32] Johnston,

[33] Johnston, C.D.:

[34] Keer, J.G.: [35] Kernpers. M.: [36] KIH De Nayer [37] Kosa, K. & Naaman, A~E.: [38] Lohmeyer, G.:

[39] Urn, Paramasivam,

Lee:

[40] Um, Paramasivam,

Lee:

[41] Maidl, B.A.: [42] Mangat, Gurusamy: [43]Mangat.

MotamediAzeri:

[44] Meichsner, H.: [45] Moyson, 0.:

[46] Naaman, A. E.: [47] Narayanan & Darwish: [48] Nemegeer, 0.: [49] Nemegeer, 0.:

TU Delft

in tunnellinings

Technologie des Stahlfaserbetons und Stahlfaserspritzbetons, Fassung september 1992 Steel fibrereinforcedconcrete, Building research establishment, Dep. of Environment, paper, juli 1974 DauemafteSauwerkeal;lsfaserbeton, Braunschweiger Bauseminar,. TU. Braunschweig, november 1993 VergteicheQde Untersuchingenan. unbewehrten & stahlfaserbewehrten Industr'iefu3boden,Braunschweig1993 Creepofconcreteçootaining fibresand silica tume, Fibre reiflforcedconcrete,properties and applications, 1987 Sheer-moment ·interactionof Steel. Fibre Reinforced High Strength Concrete, proefschrift,Katholieke. UniversifeitLeuven, april 1995 FlexuralFatiguebehaviourof .SFRC, Inftuenceoffiberepntent, aspect ratio and type ACtMaterialsJ<)urnal,. July-August1991 Proportioning,. mixingandplli,lcement •.of fIbre reinforced cements and concretes, Production methods& workabUityofconcrete, 1996 conference Glasgow Steel FibreReinfOrced andplainCOncrete, FactorsinfluencingFlexul'I!,ll strel1gthmeasurement ACIJoumal, proceedings, Vol. 79,March-ApriI1982, p. 131-138 Fibre reinforced concretes, Concretetechnoiogyalldc:Jesign, vpL 2, New reinforced coneretea 1984 UggerwerkinginboortljflI'létS •.9$O()cd met de continue bouwmethode, een ••literatuurstudie,.· september. 1996 Comparativestuc:Jyofth(;)bul'$tingbebaviour of plain, steel bar remtoreed andSteetFibre Reinforcec:JConcrete COfrosion ·of.Steel· •• Fibre·Reinforcec;J·poncrete, ACIMaterialsJoumal, Jan ..Feb 1990 WaS$erdurqhl~ssige . Betonabauwerke - GegenmaBnamen bei Durenfeuchtungen, eefon?l84,pp.57-60 Bendingbe/1a;viour of SFRC beams, ACI StruQtural. Joumal, Nov"Dec 1987,. p. 524-536 Shearand moment.capacityof. SFRC beams, Magazine·of concrete research, 391140, 1987, p. 148-160 Steel Fibre Reinforced Concrete, Emst&$ohn,l995 Permi$$ibte: crackwidths in steel libre relntorced marine concrete, MateriatsandStructures, 20, 1987 A ·.theoryfor the ·creep·of steelfibre reinforcedcement matrices under compression, Joum.M$tScience, vol. 20.1985 OberdieSelbstheilungvonTrennrissen in Beton, Beton-und Stahlbau, vol. 87,p •• 9&-99 Tunneling and Groundconditions, Proceedings ofintemat. congresson Tunneling and groundconditions, CaicO, Egypt, ApriL 1994, p.67~679 Highstrengthliber reinforQedcemeotcomposites, Materiais Research Society symposium, vol, 42, 1985 Useof.SteeiFibersas$hearAeinforcement, ACI StrucluralJournal, MIi,ly-June tga7, p, 216-227 Taaihei4$Waarc;Jen voorstaalvezelbeton, Cement nr.3 1990 Taaihei4$Waarc;Jen voor staawezelbeton, cement nr.s 1990

44


Uteratuurlijst

[50] NEN 6720: [51] Oosteren van, K.: [52] PaiUère,Buil &.Serrano:


Voorschriften beton: Constructieve eisen en rekenmethoden Tweede druk 1995 Toepassing van geëxtrudeerd staalvezelbeton in de Nederlandse tunnelbouw, AfstUdeerrapport, augustus 1996 EUects of fibre addition on autogeneous shrinkage of sHicafume concre-

te,

ACt Materials Journal, maart-april 1989 Mix design and mechanical behaviour of some SFRC's used in reinforeed structures, Materia.ls&.Structures, 1990, 23, 256-266 [54] Schnütgen,B. &.Dams, S.: Stahifaserbeton im Tunnelbau, Beton-Informationen, Heft 5, 1994 [55] Shah, S.P.&. Gapalaratman: Properties of Steet Fibre Reinforced Concrete subjected to impact loading, ACI JournaI, Jan-Feb 1986, p. 117-126 [56] Swamy, R. &.Bahia, M.: The effectiveness of steel fIbers as shear reinforcement, Concretelntemational, March 1985, p. 35-40 [57] TNO-rapport: Onderzoek naar eigenschappen van staalvezelbeton met 25 kglm3 Ficon staalvezels, mei 1995 [58] TNO-rapport: Onderxoek op beton voorzien van 30 kglm3 Dramix staalvezels ZC 601.80, oktober 1988 [59] TNO-rapport: Voorstudie elastisch ondersteunde bedrijfsvloeren van staalvezelbeton, 5 april 1995 [60] Tsukamoto &.Wömer: Permeability ofcracked remtoreedconcrete, Darmstadt Concrete, vol. 6, p. 123-136 [61] Van de Loock, L.: Buigproeven op staalvezelbeton, proeven op trekstaven van gewapend beton. met staalvezels, buigproeven op balken van gewapend beton met staalvezels, Nov 1989 [62]Van·de Loock, L: M-D model voor betonnen ba.lken met een rechthoekige sectie voorzien van langswapening en staalvezels, Proefschrift aan de Katholieke Universiteit van Leuven, België [63] Vandewalle, M.: Tunneling the world, Dramix N.V. Bekaert SA [64] Viljoen, Neumann, Kubisch: SFRC for precast tunnel segments, mix design &.full scale testing, World Tunnel Congress/STUVA-Tagung '95, p. 279-289 [65] WTCB-rapport: Proefresultaten op staalvezelbeton met Xorex fibres type 50, december 1992 [53] Rossi, P &.Harrouche, N.:

TU Delft

45


Delft. Staalvezelbeton in de linings van boortunnels, een state-of-the-art. lr, A.G. Kooiman Rapportnummer

Recommend Documents