BE1005815A3 - Staalvezelbeton met hoge buigtreksterkte. - Google Patents

Abstract

Staalvezelbeton met zeer hoge buigtreksterkte, doordaat een betonsamenstelling gebruikt wordt met een druksterkte P van minstens 80 N/mm2, en vezels vervaardigd door een koudverstevigde reductiebewerking, met een lengte-dikteverhouding russen 60 en 120, en met verankerde vorm, waarbij de treksterkte I van het staal zich verhoudt tot genoemde druksterkte volgens de formule : T/P < 17.

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



     STAALVEIELBETON   MET HOGE BUIGTREKSTERKTE De uitvinding heeft betrekking op een staalvezelbeton met verhoogde buigtreksterkte, en op de staalvezels die hiervoor   gebruikt   kunnen worden. Staalvezels voor het versterken van beton zijn voldoende bekend. Zulke vezels worden in een mengsel ter bereiding van beton ingebracht en goed ingemengd totdat ze gelijkmatig verdeeld zijn in het'mengsel. Na harden van het beton werken ze dan als wapening die het beton versterkt. 



  Teneinde geschikt te zijn voor inmengen, en voor de werking als wapening, hebben de staalvezels in het algemeen een dikte in het gebied van 0, 3 tot   1, 2 millimeter,   meest gebruikelijk in het gebied van 0, 5 tot 1 millimeter, een lengtedikteverhouding van 30 tot 150, meest   gebruikelijk   van 50 tot 100, en een treksterkte in het gebied van 500 tot 1600 Newton per vierkante millimeter, meest gebruikelijk van 900 tot 1300 N/mm2. Indien minder dan 500   N/mm2,   dan bieden de vezels te weinig weerstand tegen vervorming bij het breken van het beton, waardoor het beton een bros gedrag zou vertonen bij breuk. En indien meer dan 1300 N/mm2, dan is het bros gedrag van het beton voldoende vermeden, en brengt de verhoogde treksterkte van het staal geen verhoogde buigtreksterkte van het beton meer teweeg. 



  Het wapeningseffect van de staalvezels komt in het bijzonder tot uiting in de verhoging van de buigtreksterkte van het beton. Dit is de maximaal bereikte trekweerstand, in een betonbalk die op buiging belast wordt tot breuk, op de plaats waar de maximale trekbelasting heerst. Representatief hiervoor is de breukmodulus (modulus of rupture).

   Dit is de waarde   o,   verkregen door de formule : a = P x L   X   B/H2, 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 waarbij :   L = de overspanningsafstand   tussen de twee steunpunten van een proefbalk die op buiging belast wordt door middel van een last die voor de ene helft rust op   een   derde van de overspanningsafstand verwijderd van de het ene steunpunt, en voor de andere helft op   een   derde van de overspanningsafstand verwijderd van het andere steunpunt ;
B = de breedte van die proefbalk ;
H = de hoogte van die proefbalk   P = de   som van beide bovengenoemde halve lasten, bij breuk. 



  De waarde volgens deze formule komt in feite overeen met de spanning, zoals berekend bij die breuklast en in het van het neutrale vlak verst verwijderde deel van de balk in de spanningszone, alsof die breuk zich nog in het lineaire deel van de trek-rekcurve zou voordoen. Door de aanwezigheid van de vezels echter, vertoont het beton na de eerste scheur geen brosse breuk, maar stijgt de trek-rekcurve op niet-lineaire wijze verder tot een maximum, zodat het beton een nascheurweerstand vertoont, die merkelijk hoger is dan de weerstand bij de eerste scheur. Hierdoor zorgen de vezels voor een merkelijke verhoging van de buigtreksterkte, zoals waargenomen via de breukmodulus. 



  Het is bekend dat de door de metaalvezels geleverde buigtreksterkte in eerste benadering gegeven wordt door de formule : 
F = B x p x L/D   (1)   hierbij is : 
B : een konstante die afhangt van de graad van veran- kering van de vezel in het beton, en van de oriën- tatie van de vezels in het beton, en die in eerste 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 benadering onafhankelijk is van de treksterkte van het staal van de vezel ; p : het volumepercentage van vezels in het beton ;   LID :   de lengte-dikteverhouding van de gebruikte vezel. 



  Teneinde de graad van verankering van de vezels zo hoog mogelijk te krijgen, is het bekend van vezels met verankerende vorm te gebruiken, d. w. z. vezels waarvan de vorm afwijkt van de rechte vorm met constante doorsnede over de lengte. Zo zijn er vezels die voorzien zijn van ombuigingen of golvingen, hetzij over de ganse lengte of een deel ervan, of alleen aan de uiteinden, zoals ombuigingen in haakvorm. Zo zijn er ook vezels waarvan het   doorsnedeprofiel verandert   over de lengte, zoals verdikkingen die afwisselen met verdunningen, of een afgeplat profiel dat afwisselt met een rond profiel, hetzij over de ganse lengte of alleen aan de uiteinden, zoals verdikkingen in de vorm van een spijkerkop aan elk van de uiteinden. Die   vervormingen   zijn bruikbaar aleen of in combinatie met elkaar.

   De verhoging van de graad van verankering kan verkregen worden door gebruik van dergelijke vezels met verankerende vorm, en kan verder ook verkregen of vermeerderd worden door het ruwmaken van het oppervlak van de vezel. 



  Naast het verbeteren van de verankeringsmogelijkheid, is het ook bekend dat men een L/D-verhouding zal kiezen die zo hoog mogelijk is, en in ieder geval meer dan 50. Maar wanneer de vezels door een koudverstevigende reductiebewerking worden gemaakt, zoals door walsen, rekken of trekken, en men hierbij boven de 120 à 130 gaat, dan wordt, bij een voor het mengen aanvaardbare lengte van 2, 5 tot 10 cm, de diameter te klein om nog ekonomisch vervaardigbaar te zijn. De vervaardigingkost van de vezel per kg, stijgt dan inderdaad naarmate de vezel dunner wordt. Aldus kan men in dat geval niet onbeperkt naar omhoog gaan met de L/D-verhouding. 

 <Desc/Clms Page number 4> 

 



  Wanneer men dan met een aldus zo efficiënt mogelijk gemaakte vezel de buigtreksterkte van het beton nog verder wil opdrijven, dan zal men, volgens formule (1) nog een zo hoog mogelijk aandeel p aan vezels in het beton willen inmengen. Maar ook hier is een grens aan, die bepaald wordt door de mengbaarheid van de vezels. Hoe hoger immers de L/D-verhouding, des te moeilijker de vezels zich in het beton kunnen inmengen zonder gevaar van samenballen, zodat met een hogere L/D-verhouding een lager inmengbaar volumepercentage overeenstemt.

   Proefondervindelijk kan men de grens van de mengbaarheid vaststellen, zie bijvoorbeeld het US-octrooi Nr 4224377, door een benaderende formule : . p x   (LID) 1, 5 = max i mum 11 00.   waarbij dit maximumgetal tot op zekere hoogte nog kan opgedreven worden door bijzondere maatregelen om de mengbaarheid te verbeteren, zoals het inbrengen van de vezels in aan elkaar gekleefde toestand, zoals bekend uit hetzelfde octrooischrift. 



  Rekening houdend met de beperkingen hierboven, werd vastgesteld, voor vezels die door een koudverstevigende reductiebewerking zijn gemaakt, dat de ekonomie van de vervaardiging en de efficiëntie in het beton het best met elkaar verzoend kunnen worden in het gebied van 70 tot 100 ongeveer voor de L/D-verhouding. De hiermede corresponderende maximale volumepercentages voor de mengbaarheid liggen dan rond de 1, 8 %, respectievelijk 1, 1 %, in afhankelijkheid van de maatregelen die al dan niet genomen werden om de mengbaarheid te verbeteren. 



  Het is de bedoeling van de onderhavige uitvinding een staalvezelbeton te verschaffen, en de staalvezels hiervoor, waarbij de buigtreksterkte van het beton nog verder gevoelig wordt opgedreven, zonder dat het beton hierdoor aan taaiheid verliest en een bros gedrag zou vertonen bij breuk. 

 <Desc/Clms Page number 5> 

 



  Volgens de uitvinding, wordt steeds een vezel gebruikt, vervaardigd door een koudverstevigende reductiebewerking, en met een verankerende vorm, zoals hierboven gedefinieerd, met een L/D-verhouding in het gebied van 60 tot 120 ongeveer, bij voorkeur van 70 tot 100 ongeveer, maar wordt een beton gebruikt met een druksterkte P, zonder vezels, van minstens 80   N/mm2,   terwijl de treksterkte T van het staal van de vezels zich verhoudt tot genoemde druksterkte P, volgens de formule : 
T/P > 17. 



  Voor een beton met druksterkte gelijk aan 100   N/mm2,   zal de treksterkte van de vezels aldus minimum 1700   N/mm2   moeten bedragen. Indien minder, dan riskeert het beton een te bros gedrag te   krijgen   bij breuk. Het is echter niet   nodig   dat de treksterkte veel meer bedraagt dan 30% boven de minimale treksterkte volgens de formule hierboven, want de overmaat aan treksterkte boven die 30% zal geen noemenswaardige bijdrage meer leveren tot enige verhoogde buigtreksterkte van het beton. Hoewel de keuze van de treksterkte boven het minimum vrij blijft, zal men dus bij voorkeur een treksterkte T kiezen, die zich tot dezelfde druksterkte P verhoudt, volgens de formule : 
T/P < 22. 



  De gewenste treksterkte T kan gemakkelijk verwezenlijkt worden door het feit dat het vezels betreft uit staal met een   koudverstevigde gereduceerdemetallografische   struktuur. Hier kan de treksterkte tamelijk nauwkeurig gerealiseerd worden via de graad van reductie. 



  De druksterkte P is de grootheid die gemeten wordt volgens de ASTM-norm No C39-80 op een kubus beton van 150 mm zijde, 

 <Desc/Clms Page number 6> 

 waarbij de kubus tussen twee evenwijdige vlakken wordt gedrukt tot breuk. De druksterkte is dan gelijk aan de drukkracht bij breuk, gedeeld door de oppervlakte van de zijde van de kubus. Die druksterkte van het beton blijkt een faktor te zijn voor verdere verhoogde efficiëntie van de vezel op gebied van buigtreksterkte. Bij gebruikelijk staalvezelbeton bedroeg die druksterkte P totnogtoe 30 à 50   N/mm2,   terwijl die in de uitvinding wordt opgedreven tot boven 80 N/mm2. 



  Echter dient dan,   gelijktijdig   met het opdrijven van de druktreksterkte van het beton, de treksterkte T van de vezel eveneens opgedreven te worden, teneinde het bros gedrag van het beton te vermijden. 



  In beton kan een druksterkte van boven 80   N/mffi2   verkregen worden door bekende middelen die in combinatie gebruikt worden : enerzijds, naast de gebruikelijke inerte toeslagstoffen, zoals zand, grint en gemalen kalk, nog een aandeel van 5 à 10% van het cementgewicht aan zeer fijne toeslagstof, zoals micropozzolaan of silica-fume, aangevuld met een voldoende hoeveelheid aan superplastificeerder om de vermeerdering aan waterbehoefte, veroorzaakt door de fijne toeslagstof ongeveer te neutraliseren, en anderzijds een water-cementverhouding die kleiner gehouden wordt dan   0, 4,   bij voorkeur tussen 0, 30 en 0, 35.

   Het zogenoemde silica-fume is een ultrafine stof, in het gebied boven 5000   m2   specifiek oppervlak per kg, die neerslaat in de rookfilters van de elektrische ovens ter vervaardiging van silicium, en die hoofdzakelijk bestaat uit amorf Si02. 



  De bekende superplastificeerders zijn water-reducerende toeslagstoffen zoals carbohydraten of alkali- of aardalka-   1 imetaal zouten   van   1 ignosul foni sehe   zuren of van hydroxycarboxylische zuren. 



  Voor de bepaling van de dikte D van vezels met niet-ronde 

 <Desc/Clms Page number 7> 

 doorsnede, wordt de diameter genomen van de cirkel waarvan de oppervlakte gelijk is aan die van die doorsnede. Indien deze oppervlakte niet gelijk is over de lengte van de vezel, dan wordt de gemiddelde oppervlakte genomen over de lengte. 



  De uitvinding zal hier nader toegelicht worden aan de hand van een voorbeeld, van hiermede uitgevoerde comparatieve testen, en aan de hand van enkele figuren. Hierbij is : Figuur 1 een voorstelling van de vorm van de staalvezel, zoals gebruikt in de hieronder beschreven comparatieve test ; Figuur 2 een buigtreksterkte-doorbuigingsdiagram van een be- tonbalk met beton volgens voorbeeld 2 hieronder, met onvol- doende treksterkte van het staal van de vezels en waar een bros gedrag kan vastgesteld worden. 



  Figuur 3 een buigtreksterkte-doorbuigingsdiagram van een be- tonbalk met beton volgens voorbeeld 3 hieronder, waar aan de voorwaarden volgens de uitvinding is voldaan. 



    Betonsamenstellinq :    
 EMI7.1 
 
<tb> 
<tb> Voorbeeld <SEP> 1 <SEP> (Referentie) <SEP> Voorbeelden <SEP> 2 <SEP> en <SEP> 3
<tb> Cement <SEP> HK40 <SEP> : <SEP> 375 <SEP> kg <SEP> Cement <SEP> P40 <SEP> : <SEP> 400 <SEP> kg
<tb> Zand <SEP> 0/2 <SEP> : <SEP> 300 <SEP> kg <SEP> Zand <SEP> 0/5 <SEP> : <SEP> 640 <SEP> kg
<tb> 0/5 <SEP> : <SEP> 480 <SEP> kg
<tb> Grint <SEP> 4/14 <SEP> : <SEP> 1000 <SEP> kg <SEP> Grint <SEP> 4/7 <SEP> : <SEP> 585 <SEP> kg
<tb> 4/28 <SEP> : <SEP> 200 <SEP> kg <SEP> 7/14 <SEP> : <SEP> 585 <SEP> kg
<tb> Micropozzolaan <SEP> S. <SEP> F. <SEP> : <SEP> 40 <SEP> kg <SEP> 
<tb> Plastificeerder
<tb> Pozzo <SEP> 1 <SEP> ith <SEP> 400N <SEP> : <SEP> 2, <SEP> 5% <SEP> 
<tb> Water <SEP> : <SEP> 180 <SEP> kg <SEP> Water <SEP> : <SEP> 132 <SEP> kg
<tb> Vezels <SEP> : <SEP> 40 <SEP> kg <SEP> Vezels <SEP> :

   <SEP> 40 <SEP> kg
<tb> Druksterkte <SEP> (N/mm2) <SEP> Druksterkte <SEP> (N/mm2)
<tb> met <SEP> vezels <SEP> : <SEP> 49, <SEP> 6 <SEP> met <SEP> vezels <SEP> voorbeeld <SEP> 2 <SEP> : <SEP> 97, <SEP> 4 <SEP> 
<tb> voorbeeld <SEP> 3 <SEP> : <SEP> 101, <SEP> 8 <SEP> 
<tb> zonder <SEP> vezels <SEP> : <SEP> 99, <SEP> 9 <SEP> 
<tb> 
 

 <Desc/Clms Page number 8> 

   Vezels :    
Vorm : volgens figuur 1 : hoofdzakelijk recht met omgebogen uiteinden : een eerste hoek van ongeveer   450,   op ongeveer
3 mm gevolgd van eenzelfde hoek, in de andere richting, gevolgd van ongeveer 3mm in dezelfde richting als het middenstuk, totaan het uiteinde;
Doorsnede : rond, met een diameter D van 0, 8 mm ;
Lengte : 60 mm. (L/D-verhouding = 75). 



   Treksterkte : voorbeelden 1 en 2 : 1175   N/mm2   voorbeeld 3 : 2162 N/mm2 Verkregen   buigtreksterkte   (na 28 dagen), in   N/mm2 :   (buigbelasting van een balk onder twee gelijke lasten, elk op   een   derde van de overspanningslengte aan weerszijden van de lengte van de balk) 
Voorbeeld 1 : 4, 2
Voorbeeld 2 : 7, 5. Bros gedrag bij breuk (zie Figuur 2)
Voorbeeld 3 : 8, 95 Bros gedrag vermeden (zie Figuur 3) Het is duidelijk dat de uitvinding niet beperkt is tot de hier getoonde soort vervorming in haakvorm aan de uiteinden, maar dat de uitvinding toepasselijk is op alle andere soorten vervormingen, alleen of in combinatie met elkaar, en met alle soorten ruwmakingen van het oppervlak, zoals hierboven beschreven. 



  Het beton volgens de uitvinding kan toegepast worden in allerhande toepassingen waar een hoge buigtreksterkte, samen met een verregaande taaiheid van het beton gewenst is, in het bijzonder bij betonbalken in de hoogbouw, in het wegdek op bruggen en tunnelplafonds.

Claims (2)

1. CONCLUSIES 1. Beton, gewapend met vezels uit staal met een koudverste- vigde gereduceerde metallografische struktuur, met een lengte-dikteverhouding in het gebied tussen 60 en 120, bij voorkeur tussen 70 en 100, en met verankerende vorm, met het kenmerk dat de betonsamenstelling zonder vezels een drukweerstand P heeft van minstens 80 N/mm2 en de staalvezels een treksterkte T, die zieh verhoudt tot genoemde drukweerstand volgens de formule : T/P > 17.
2. 2. Beton volgens conclusie 1, met het kenmerk dat genoemde treksterkte T zieh verhoudt tot genoemde drukweerstand P volgens de formule : T/P < 22.