Vezelversterkt Beton: Toepassingen, Voordelen en Belangrijke Vragen

Beton dient als basis van moderne constructie, waarbij continue verbeteringen in de prestaties een primaire focus zijn in de techniek. De opkomst van vezelversterkt beton (VVB) heeft nieuw leven gebracht in dit essentiële materiaal. Het roept echter ook tal van vragen op: Wat zijn vezels precies? Wat onderscheidt macrovezels van microvezels? Hoe moet het juiste vezeltype en de juiste dosering worden gekozen? Dit artikel biedt een diepgaande verkenning van vezelversterkt beton, behandelt praktische toepassingsproblemen en biedt richtlijnen voor het bouwen van robuustere en duurzamere gebouwen.

Vezels spelen een cruciale rol in beton en fungeren als wapeningsmaterialen in plaats van louter additieven. Zoals gedefinieerd in ACI CT-18 (Betonterminologie), overbruggen vezels scheuren, verbinden ze beton en verbeteren ze de algehele prestaties aanzienlijk.

Het belangrijkste onderscheid tussen macrovezels en microvezels ligt in hun grootte, meestal gemeten door de equivalente diameter of lineaire dichtheid. In de VVB-industrie wordt de lineaire dichtheid vaak uitgedrukt in denier, wat de massa (in gram) van 9.000 meter vezel vertegenwoordigt.

Belangrijkste verschillen tussen microvezels en macrovezels zijn onder meer:

• Synthetische vezels: ASTM D7508/D7508M specificeert eisen voor macrovezels, microvezels en hybride vezels (combinaties van beide). Deze norm gebruikt ook treksterkte en snijlengte als aanvullende onderscheidende eigenschappen.
• Natuurlijke microvezels: ASTM D7357 schetst de nalevingsvereisten voor cellulosevezels die in VVB worden gebruikt.
• Staalvezels: Geclassificeerd als macrovezels, ASTM A820/A820M stelt minimale eisen vast voor staalvezels in VVB-toepassingen.

• Microvezels: Controleren voornamelijk krimp door plasticiteit. Bij typische doseringen bieden ze geen controle over temperatuur of krimp, noch verbeteren ze andere betoneigenschappen. Gefibrilleerde microvezels die worden gebruikt in minimale doseringen van 1,5 lb/yd³ (0,9 kg/m³) kunnen echter lichtgewicht gelaste draadwapening (WWR) vervangen voor controle over temperatuur en krimp.
• Macrovezels: Verbeteren de betonprestaties aanzienlijk, waaronder de reststerkte na scheuren, lastoverdracht over scheuren, verbeterde duurzaamheid, buigzaamheid, vermoeiingsweerstand, slagvastheid en afschuifcapaciteit.

Er bestaan verschillende soorten synthetische macrovezels, elk met unieke voordelen. Naast fysische eigenschappen zoals treksterkte, elasticiteitsmodulus, materiaalsamenstelling of vorm, omvatten minder voor de hand liggende verschillen mengprestaties, de neiging tot klitten, de kwaliteit van de oppervlakteafwerking en hechteigenschappen met beton.

De sleutel tot succesvol gebruik van synthetische macrovezels ligt in het selecteren van geschikte doseringen die voldoen aan zowel de prestatie-eisen als de behoeften op het gebied van verwerkbaarheid/afwerking. Sterkere vezels of vezels met betere hechteigenschappen vereisen mogelijk minder materiaal dan zwakkere alternatieven. Fabrikanten moeten testgegevens verstrekken om doseringsaanbevelingen te ondersteunen, waarbij proefmengsels worden aanbevolen wanneer er onzekerheden zijn.

Microvezels controleren voornamelijk krimp door plasticiteit. Onderzoek toont aan dat ze bij typische doseringen een verwaarloosbare draagkracht in uitgehard beton bieden. Hogere microvezeldoseringen kunnen het mengen bemoeilijken als gevolg van een groter aantal vezels en een groter oppervlak, wat mogelijk problemen met de verwerkbaarheid en aanzienlijk verlies van inzinking veroorzaakt.

In vergelijking met kortere vezels van hetzelfde type hebben langere vezels een groter oppervlak, waardoor de verankering in uitgehard beton wordt verbeterd en de prestaties na scheuren bij equivalente doseringen worden verbeterd. Er bestaat echter een optimale lengte voor elk vezeltype, afhankelijk van de specifieke vorm, stijfheidseigenschappen en de druksterkte van het beton.

Proefmengsels voorafgaand aan het project, waarbij rekening wordt gehouden met plaatsingsmethoden en afwerkingsvereisten, helpen bij het bepalen van de ideale vezellengtes, waardoor problemen zoals klitten of uitsteeksels van vezels op het oppervlak worden voorkomen.

Synthetische macrovezels (met name grote, grove monofilamenten) kunnen een reststerkte bieden die vergelijkbaar is met staalvezels, afhankelijk van de dosering. Andere factoren zoals verwachte vervorming en omgevingsomstandigheden moeten ook van invloed zijn op de vezelselectie. Voor sommige structurele toepassingen waarvoor staalvezels nodig zijn, zijn synthetische alternatieven niet gevalideerd.

Hoewel synthetische macrovezels doorgaans een lagere treksterkte en elasticiteitsmodulus hebben dan staalvezels, leveren ze aanzienlijk meer vezels om potentiële scheuren te overbruggen. Bij correcte dosering moet de totale spanningsoverdrachtcapaciteit over scheuren equivalent zijn. De effectieve doorsnede-sterkte hangt ook af van de kwaliteit van de vezel-matrixbinding - vezels met hoge sterkte en onvoldoende binding zijn slechte wapeningskandidaten. De VVB-prestaties weerspiegelen het composietgedrag, niet de individuele vezelkenmerken.

Vezelversterkt beton (VVB) bevat discrete vezels (meestal tot 2,5 inch of 64 mm) in hydraulisch cementbeton. Vezelversterkte polymeren (VVK) gebruiken substantieel langere vezels die zijn ingebed in polymeermatrices zonder cement of aggregaten.

De vereiste vezelhoeveelheden zijn afhankelijk van de gespecificeerde VVB-prestatiecriteria. Voor microvezels die krimp door plasticiteit beheersen, leiden scheurreductieverhoudingen (CRR) de bepaling van de dosering per ASTM C1579. Voor macrovezels in uitgehard beton moeten de doseringen voldoen aan de gespecificeerde reststerkte (ASTM C1399), de equivalente buigsterkte na scheuren (ASTM C1609) of de energieabsorptiecapaciteit (ASTM C1550), rekening houdend met het elementtype/de dikte, de betonsterkte, de wapeningsspecificaties en de belastingsvereisten.

Veel leveranciers bieden ontwerptools (met name voor platen) om de juiste doseringen te berekenen.

Voor platen worden minimale doseringen doorgaans vastgesteld door fabrikanten op basis van gestandaardiseerde producttests om te voldoen aan de eisen of industrienormen.

ANSI/SDI C-2017 voor composiet metalen dekken specificeert minimale macrovezeldoseringen van 4,0 lb/yd³ (2,4 kg/m³) voor synthetische vezels en 25,0 lb/yd³ (14,8 kg/m³) voor staalvezels bij gebruik voor temperatuur-/krimpcontrole. Onder UL-vereisten zijn de bovengrenzen 5,0 lb/yd³ (3,0 kg/m³) voor synthetische vezels en 66,0 lb/yd³ (39,2 kg/m³) voor staalvezels. Vezelwapening vervangt momenteel geen negatieve momentstaal in composietdekconstructies.

Doseringen onder de aanbevelingen van de fabrikant of codevereisten worden niet geadviseerd. Ingenieurs moeten de vezelfabrikanten raadplegen als ze onzeker zijn over toepassingen of doseringen.

Verschillende bronnen bieden ontwerprichtlijnen voor met macrovezels versterkt beton in verschillende structurele toepassingen:

• ACI 544.4R-18: Gids voor ontwerp met VVB
• ACI 360R-10: Gids voor plaatontwerp
• ACI 322-14: Woonbetoncodevereisten

Vezelfabrikanten kunnen aanvullende productspecifieke richtlijnen aanbieden.

Macrovezel VVB-specificaties moeten prestatiegebaseerd en toepassingsspecifiek zijn, met behulp van goedgekeurde methoden van ACI 544.4R om karakteristieke parameters te berekenen, zoals:

• Gemiddelde reststerkte (ASTM C1399)
• Reststerkte of equivalente buigsterkte (ASTM C1609)

Voorbeeld specificatie: "Vezeldosering moet een minimale reststerkte van 200 psi (1,4 MPa) leveren in 4.000 psi (28 MPa) beton." Naleving moet worden geverifieerd via testgegevens van de fabrikant per relevante ASTM-normen.

Voor spuitbeton wordt de prestatie van vezelversterkt spuitbeton (VVS) bepaald door de energieabsorptiecapaciteit (ASTM C1550 of EN 14488-5). Voorbeeld specificatie: "Vezeldosering moet een minimale energieabsorptie van 280 J leveren na 7 dagen in 4.000 psi (28 MPa) spuitbeton."

De prestaties van VVB na scheuren kunnen worden geëvalueerd via ASTM C1609, C1399 of C1550 (energieabsorptie). Ingenieurs moeten de juiste waarden bepalen op basis van de ontwerpintentie en de vereiste prestatieniveaus, waarbij ze verwijzen naar ACI 544.4R voor richtlijnen.

Bepaalde vezels (bijv. staal) in de buurt van betonoppervlakken in blootgestelde omgevingen kunnen corroderen. Hoewel dergelijke lokale corrosie de structurele integriteit niet in gevaar brengt, moet de esthetische impact ervan vooraf worden geëvalueerd. Synthetische en natuurlijke vezels zijn niet-corrosief en chemisch inert, en worden niet beïnvloed door omgevingsomstandigheden.

Hoewel vezels doorgaans de eerste scheurtreksterkte van beton (modulus van breuk, ASTM C78) niet verhogen, verbeteren ze de buigcapaciteit en vermoeiingssterkte van de plaat. Geschikte vezelspecifieke taaiheidswaarden stellen dunnere betondoorsneden in staat om ontwerplast te ondersteunen.

ANSI/SDI C-2017 staat toe dat stalen of synthetische macrovezels (bij door de fabrikant bepaalde doseringen die voldoen aan de minimale eisen) gelaste draadwapening (WWR) vervangen voor scheurcontrole, niet voor structurele spanningsweerstand.

Onder UL- en ICC-ES-evaluaties worden sommige microvezels erkend als WWR-alternatieven in specifieke brandwerende vloer-/plafondconstructies.

Dit historische probleem deed zich voornamelijk voor bij synthetische microvezels wanneer onjuiste afwerkingstechnieken werden gebruikt. Moderne monofilament microvezels (meestal beperkt tot 1,0–1,5 lb/yd³ of 0,6–0,9 kg/m³) en macrovezels minimaliseren dit effect. Juist mengen, plaatsen en afwerken zorgen voor uitstekende oppervlakken. Uitsteeksels van vezels op het oppervlak brengen de plaatintegriteit niet in gevaar - rozenknoppels kunnen blootliggende vezels smelten als er esthetische problemen ontstaan.

Hoewel sommige synthetische stoffen (bijv. nylon) kleine hoeveelheden batchwater absorberen, zijn gewone polypropyleen/polyethyleenvezels hydrofoob. De schijnbare afname van de inzinking bij hogere doseringen is het gevolg van vezels die als cohesieve middelen fungeren in plaats van waterabsorptie.

Het toevoegen van water vermindert de betonsterkte. Wanneer een hoog vezelgehalte de verwerkbaarheid beïnvloedt, moeten chemische hulpstoffen - geen extra water - worden gebruikt.

Ideale toevoegingspunten variëren per vezelvorm, stijfheid en dosering - sommige presteren het best als eerste ingrediënten, andere nadat alle materialen zijn geladen. Fabrikanten kunnen richtlijnen verstrekken, waarbij proeven voorafgaand aan het project worden aanbevolen om de optimale toevoegingstijd en mengduur te bepalen.

Voor normaal beton wordt doorgaans 4–5 minuten mengen aanbevolen nadat alle ingrediënten zijn toegevoegd voor kant-en-klare bewerkingen.

Alle vezeltypen kunnen klitten als gevolg van onvoldoende mengen, onjuiste volgorde of toevoeging aan overdreven droge mengsels die onvoldoende fijne deeltjes bevatten om de vezels te coaten. Proeven voorafgaand aan het project helpen bij het verifiëren van de mengselcompatibiliteit met het beoogde vezeltype en de dosering.

Inzinkingseffecten zijn afhankelijk van:

• Initiële mengselinzinking (grotere impact bij lagere startinzinkingen)
• Aantal vezels en dosering (hogere doseringen verhogen de impact)
• Totaal vezeloppervlak (groter oppervlak vergroot de impact)

Merk op dat metingen met de inzinkingskegel de consistentie van de batch aangeven, niet per se de werkelijke verwerkbaarheid. Hoewel de visuele inzinking verminderd kan lijken, kan de werkelijke verwerkbaarheid minder worden beïnvloed. Proeven voorafgaand aan het project bepalen of aanpassingen van de verwerkbaarheid nodig zijn.

Microvezels kunnen de inzinking meer beïnvloeden dan macrovezels bij equivalente lengte-diameterverhoudingen en doseringen als gevolg van een hoger aantal vezels per pond. Over het algemeen:

• Synthetische microvezels (1,0–3,0 lb/yd³ of 0,6–1,8 kg/m³): 1–3 inch (25–75 mm) inzinkingsverlies
• Synthetische macrovezels (3,0–10,0 lb/yd³ of 1,8–6,0 kg/m³) of staalvezels (15–50 lb/yd³ of 9–29,6 kg/m³): 1–5 inch (25–125 mm) inzinkingsverlies

Weekmakers (waterreductiemiddelen van gemiddeld of hoog bereik) moeten het inzinkingsverlies compenseren. Mengselaanpassingen kunnen nodig zijn bij hoge doseringen om een ​​voldoende pasta-inhoud te garanderen. Vermijd overmatig water om sterktevermindering en segregatie te voorkomen.

Macrovezels hebben over het algemeen geen nadelige invloed op het luchtgehalte of de druksterkte. Waargenomen veranderingen zijn vaak het gevolg van overmatig mengen, toegevoegd water, temperatuurvariaties of onjuiste vochtmeting in aggregaten. Luchtfluctuaties kunnen ook verband houden met daadwerkelijke inzinkingsveranderingen. Bepaalde historische vezeloppervlaktebehandelingen kunnen ongewenste lucht introduceren, maar dit is nu zeldzaam.

Veranderingen in het eenheidsgewicht zijn afhankelijk van het vezeltype en de aanpassingen van het mengselontwerp. Synthetische vezels veranderen doorgaans het eenheidsgewicht niet als het luchtgehalte constant blijft. Staalvezels met een hogere dichtheid kunnen het eenheidsgewicht verhogen, afhankelijk van de volumefractie en mengselaanpassingen.

In normaal gewicht beton drijven of zinken correct geproportioneerde en gemengde vezels niet als gevolg van de soortelijke massa van het materiaal en de gemengde betonviscositeit. Vezels helpen in feite grotere aggregaten te suspenderen en segregatie te voorkomen.

Over het algemeen compatibel, maar sommige vezelverwerkingshulpmiddelen of spinfinishes kunnen andere betonchemicaliën beïnvloeden. Controleer altijd bij de vezelfabrikanten.