Hoe ultrahogesterktebeton constructieve problemen kan oplossen

Het materiaal vezelversterkt ultrahogesterktebeton (vvUHSB) wordt al met regelmaat toegepast. Bekende voorbeelden hiervan zijn zeer slanke balkons, esthetische elementen en trappen in vormen die in traditionele betonsoorten niet of lastig te realiseren zijn. De toepassing van vvUHSB in civiele kunstwerken staat nog in de kinderschoenen, al zijn er in Nederland inmiddels enkele zeer slanke bruggen in vvUHSB gerealiseerd met een minimale hoeveelheid constructiemateriaal.

Er zijn in de afgelopen jaren diverse (afstudeer)onderzoeken naar de materiaaleigenschappen en het gedrag van vvUHSB verricht. Hierbij komt duidelijk naar voren dat vvUHSB betere prestaties levert dan traditionele betonsoorten. De toepassingsmogelijkheden in civiele kunstwerken zijn veelbelovend.  Iv-Infra onderzoekt bij welke (onderdelen van) civiele kunstwerken deze hoge prestaties van vvUHSB van toegevoegde waarde zijn.

Wat is vvUHSB?

Vezelversterkt ultrahogesterktebeton is een extreem sterke en duurzame betonsoort waarbij (een deel van) de zachtstaalwapening wordt vervangen door staalvezels. Het materiaal lijkt in eerste opzicht ogenschijnlijk veel op traditionele betonsoorten. Toch zijn er aanzienlijke verschillen in de druksterkte, de trek­sterkte en de vervormbaarheid van het materiaal. Deze verschillen hebben een grote invloed op de prestaties van het materiaal en worden nader toegelicht.

De minimale (cilinder)druksterkte van vvUHSB dient 150 MPa te bedragen daar waar veel toegepaste traditionele betonsoorten beschikken over een druksterkte van 30 tot 50 MPa. Om deze hoge druksterkte te behalen bestaat de samenstelling van vvUHSB uit een uitgebalanceerd mengsel van cement, water, toeslagmaterialen, vul- en hulpstoffen. Deze samenstelling resulteert in een verfijnd en compact korrelskelet waarbij nagenoeg alle holle ruimten zijn opgevuld. Door de opvulling van deze holle ruimten vindt bij vvUHSB de krachtsafdracht, in tegenstelling tot traditioneel beton, zowel via de toeslagmaterialen als de cementsteen plaats. Naast een geoptimaliseerde krachtsafdracht zorgt het compacte korrelskelet voor lage permeabiliteit en daarmee een hoge weerstand tegen indringing van water en andere schadelijke stoffen, zelfs bij betondekkingen van slechts 10 á 25 mm (afhankelijk van de milieuklasse waarin de constructie zich bevindt).

Figuur 1: Spanning-rek diagram cilinderdruksterkte.

Zachtstaalwapening wordt geactiveerd zodra de betondoorsnede gescheurd is. Bij vvUHSB worden kleine vezels ingezet om de treksterkte van de betondoorsnede in ongescheurde toestand te vergroten. De kleine vezels (10 à 20 mm) komen door hun afmeting relatief snel op spanning en overbruggen de microscheurvorming waaraan de hogere treksterkte wordt ontleend. Bij vvUHSB varieert de treksterkte tussen de 7 en 15 MPa daar waar bij traditionele betonsoorten slechts een treksterkte tussen de 1,5 en 3,0 MPa wordt behaald.

Figuur 2: Spanning-rek diagram buigtreksterkte.

Door de overbrugging van microscheurvorming wordt het ontstaan van de eerste macroscheur uitgesteld. Wanneer de treksterkte wordt overschreden groeien de microscheuren uit tot macroscheuren. Vanaf het ontstaan van de eerste macroscheur wordt er over gescheurd beton gesproken. Deze scheurvorming ontstaat altijd op de zwakste locatie van het materiaal. Bij traditioneel beton is dit door het cementsteen. Bij vvUHSB is het cementsteen juist het sterkste component in het korrelskelet en ontstaat de scheur door het toeslagmateriaal.

Om het materiaal van voldoende vervormbaarheid te voorzien en de treksterkte verder te vergroten worden lange vezels (30 á 60 mm) ingezet welke worden geactiveerd na het ontstaan van de eerste macroscheur. Waar traditioneel beton bros gedrag vertoont en ongewapend of met te weinig wapening zonder waarschuwing bezwijkt, ondergaat vvUHSB door toevoeging van deze lange vezels een zekere vervorming voorafgaand aan bezwijken en geeft daarmee een waarschuwing af.

Een andere belangrijke eigenschap van de lange vezels is het fijnmazig verdelen van de macroscheurvorming. Dit komt omdat de vezels ‘overal’ in de doorsnede aanwezig zijn daar waar zachtstaalwapening slechts lokaal effectief  is vanwege de maaswijdte tussen twee wapeningsstaven.   

Hoe ontwerp je met dit materiaal?

Sinds de ingang van het Bouwbesluit 2012 geldt de Eurocode als vigerende norm in Europa om een constructief veilig en verantwoord ontwerp te maken. Per land bevatten deze normen aanvullende eisen, parameters, toelichtingen en aanbevelingen die zijn vastgelegd in de nationale bijlagen. In Nederland dienen civiele betonconstructies te voldoen aan de eisen conform Eurocode 2.

Constructies in vvUHSB vallen tot op heden (gedeeltelijk) buiten het toepassingsgebied van Eurocode 2 omdat deze norm van toepassing is op betonsterkteklassen tot C90/105 en geen regelgeving omtrent het wapenen met staalvezels voorschrijft. Momenteel is Modelcode 2020 in bewerking. Hierin worden voorstellen opgenomen met betrekking tot het construeren met vvUHSB. Naar verwachting worden deze voorstellen, na verificatie, opgenomen in een nieuwe versie van de Eurocode (of toegevoegd aan Eurocode 2). Zolang deze nieuwe Eurocode nog niet bestaat is de meest praktische manier om te ontwerpen met vvUHSB door middel van Eurocode 2, gecombineerd met aanbevelingen/richtlijnen bij afwijkingen.

Naast een verschil met betrekking tot norm en regelgeving vereist vvUHSB een ander ontwerpproces. Op basis van een case- en parameterstudie uitgevoerd door Iv-Infra blijkt dat bij civieltechnische kunstwerken uitgevoerd in vvUHSB andere ontwerpcriteria maatgevend zijn dan bij traditionele betonsoorten. Bij traditioneel beton is de scheurwijdte doorgaans maatgevend vanwege de scheurwijdte-eis van 0,2 mm horend bij een milieuklasse waarin dooizouten aanwezig zijn.

Bij vvUHSB  blijkt in de casestudie het bezwijkmoment juist maatgevend te zijn ten opzichte van de scheurwijdte-eis. Dit is het resultaat van het vermogen van de vezels om microscheuren te overbruggen en het macroscheurpatroon fijnmaziger te verdelen over het betonoppervlak.

Wel dient er ten opzichte van traditionele betonsoorten meer aandacht besteed te worden aan de comforteisen omtrent trillingen en doorbuigingen. Bij massieve traditionele betondoorsnedes leveren deze eisen in de praktijk zelden een probleem op. Bij vvUHSB constructies blijkt dit criterium juist een van de meest bepalende factoren binnen het ontwerp te zijn.

Figuur 3: Relevantie van ontwerpcriteria.

Waar biedt het materiaal kansen?

Ondanks dat vvUHSB ten aanzien van vrijwel alle materiaaleigenschappen verhoogde prestaties levert ten opzichte van traditionele betonsoorten, zullen traditionele betonsoorten niet volledig door vvUHSB vervangen worden. Een van de belangrijkste oorzaken hiervoor zijn de kosten. Naast de benodigde vezels (vaak ca. 2,5 % op volumebasis) en het hoge cementaandeel zijn de overige toevoegingen om tot een uitgebalanceerd mengsel te komen kostbaar. Naast de mengselsamenstelling dient veel aandacht besteed te worden aan het ontwerp, de menging, de verwerking, het transport en de uitvoering.

Het aanbrengen van constructieve overlaging is een civieltechnische toepassingsmogelijkheid waarbij de hoge prestaties van het materiaal tot zijn recht komen. Een constructieve overlaging is een veelvoorkomende maatregel bij bestaande constructies om de draagkracht te vergroten. Vanwege de hoge prestaties van het materiaal in combinatie met de lagere vereiste betondekking kan bij een relatief dunne vvUHSB overlaging een aanzienlijke capaciteitstoename worden behaald. Een dunne overlaging zorgt ervoor dat de toenemende rustende belasting op de huidige fundering beperkt blijft. Daarnaast is een vvUHSB overlaging een duurzame en slijtvaste oplossing. Vanwege het compacte korrelskelet is er nagenoeg geen indringing van dooizouten en chlorides mogelijk. Ook behoeft de overlaging geen asfalt- of slijtlaag. Dit alles resulteert in een duurzame oplossing met weinig tot geen toekomstig onderhoud.