Beton wapenen met vezels

Artikel delen

Als we aan gewapend beton denken, dan zal meestal het beeld ontstaan van stalen wapeningsstaven, -netten en –korven. Maar beton kan ook worden gewapend met vezels. Vezelversterkt beton is een composiet van beton met staalvezels, kunststofvezels, glasvezels, koolstofvezels (carbon), textiel of een combinatie van bijvoorbeeld staal- en kunststofvezels. De vezels worden tijdens het mengen van de grondstoffen van het beton door de betoncentrale toegevoegd. Welke mogelijkheden zijn er?

Tekst: ing. Frank de Groot

Toepassing van kunststofvezels in beton. Foto: Convez.

De toepassing van vezels in beton is bijzonder efficiënt. Het toevoegen van vezels aan een betonmengsel is immers veel eenvoudiger dan het transporteren van de zware wapening naar de plaats, wapeningstekeningen lezen, het vlechten en inspecteren. Verder zijn er veel minder krimpscheuren zichtbaar.
Traditionele wapening werkt in twee richtingen, maar vezels werken in alle richtingen. Door deze in principe driedimensionale oriëntatie van de vezels is vezelbeton vooral aantrekkelijk in constructies waarop daadwerkelijk krachten in verschillende richtingen worden uitgeoefend. Vezelversterkt beton heeft in het algemeen een hogere treksterkte (buigsterkte). Het is ook beter bestand tegen slijtage en heeft een betere waterdichtheid (kleinere capillaire werking en lagere permeabiliteit). De vezels zijn meestal dun en klein (afhankelijk van het vezelmateriaal en de toepassing) en zijn meestal willekeurig verdeeld in het beton. Er zijn verschillende soorten vezels die een betoncentrale kan toevoegen.

Doordat een vezelbeton minder betondekking nodig heeft, kan de constructie veel dunner worden uitgevoerd: soms ook ultra-dun genoemd. In enkele toepassingen komt glasvezelbeton zelfs tot 7 mm materiaaldikte. Dit opent mogelijkheden om de specifieke ‘ouderwetse’ betoneigenschappen in te zetten op terreinen waar dat met dik beton niet kan.
Een bijkomend gunstig effect van kunststofvezels is de verbetering van de gevoeligheid voor afspatten bij zeer hoge temperatuurbelastingen, bijvoorbeeld door brand. De snel wegsmeltende kunststof vezeltjes creëren hier ontsnappingskanaaltjes voor de stoom die bij snel oplopende temperaturen in het beton uit het in beton aanwezige vocht ontstaat. Een beperking van kunststof vezels is echter dat ze in de sloopfase lastiger te scheiden zijn en dus ook de recycleerbaarheid wordt beperkt.

Vezeltype Functie
Staalvezel Grote trek- en splijtsterkte
Glasvezel Vergroting trek- en splijtsterkte, t.o.v. ongewapend beton
Kunststofvezel (macro) Vergroting trek- en splijtsterkte, t.o.v. ongewapend beton
Kunststofvezel (micro) Grote brandwerendheid
Glas-, staal-, kunststofvezel Beperking van (plastische) krimpscheuren
Natuurlijke vezels (gras, bamboe, jute)

 


Staalvezels

Staalvezelbeton is beton waaraan staalvezels in plaats van wapeningsnetten of staven zijn toegevoegd. Deze staalvezels zijn er in diverse lengten en diktematen. Belangrijke leveranciers van staalvezels voor betonwapening zijn Bekaert en ArcelorMittal.

Voor wanden worden veelal staalvezels gebruikt met een lengte van 40 tot 60 mm en een diameter van 0,6 tot 0,9 mm. Dit zijn koud getrokken verzinkte staaldraadvezels met eindhaken. De vezels liggen in alle richtingen en zorgen voor een homogene wapening. Er zijn ook veel minder krimpscheuren zichtbaar. De totale scheurbreedte is weliswaar gelijk aan die bij traditioneel gewapend beton, maar de scheurbreedte is over veel meer scheuren verdeeld.
Het versterkingsrendement van de vezels is afhankelijk van de dosering (kg/m3) en de vezelparameters, zoals de treksterkte, lengte, diameter en verankering. Vooral de verhouding van lengte tot diameter van een vezel bepaalt de kwaliteit van staalvezelbeton: hoe hoger de l/d verhouding, hoe beter de prestaties. Wel is het zo dat langere vezels zich lastiger laten mengen. Ook een te hoge dosering kan leiden tot problemen door bijvoorbeeld verstopping van de doseerinstallatie. De doseringsgrootte ligt meestal tussen 25 en 50 kg/m3; voor speciale toepassingen zijn echter veel hogere doseringen mogelijk.

Toepassingsgebied

In Nederland is het grootste toepassingsgebied nog steeds de industrievloer. Maar ook andere (op druk) belaste constructies kunnen in staalvezelbeton worden uitgevoerd. Voorbeelden zijn woningvloeren bij kruipruimteloos bouwen op een vaste grondslag, strokenfunderingen, in de grond gevormde funderingspalen en kelderwanden. Op die kelderwanden kan men los de vloeren leggen of men steekt er stekeinden in. Ten slotte is het uiteraard heel belangrijk dat de vezels goed homogeen in de betonspecie zijn verdeeld. De doseringsgrootte ligt meestal tussen 25 en 50 kg/m3; voor speciale toepassingen zijn echter veel hogere doseringen mogelijk.

Rekenmethoden

De constructieve berekening van staalvezelbetonconstructies gebeurt door de constructeur in samenwerking met de leverancier van de staalvezels, die hiervoor speciale berekeningsprogramma gebruiken. Helaas zijn er nog geen normen waar gebruik van kan worden gemaakt. De wijze waarop elastisch ondersteunde vloeren worden berekend, is beschreven in CUR-Aanbevelingen. In 2007 verscheen CUR-Aanbeveling nr. 111 ‘Staalvezelbeton bedrijfsvloeren op palen – dimensionering en uiterlijk’. Centraal Overleg Bouwconstructies (COBc) heeft eind 2018 een hulpmiddel ontwikkeld voor het toetsen van constructies met staalvezelbeton: Model Code 2010. In deze Model Code, die een belangrijk uitgangspunt is bij het opstellen van de toekomstige Eurocode, neemt staalvezelbeton een prominente plaats in.

Staalvezelbeton De Jong Ursem

Prestaties

De prestatie van staalvezels komt vooral tot uiting in de eigenschappen van het verharde beton:
• verbeterd nascheurgedrag/buigtaaiheid;
• buigtaaiheidswaarde R: 1,5 tot max. 1;
• verhoging scheurweerstand;
• betere scheurverdeling;
• verbeterde brandwerendheid;
• verbeterde stabiliteit.

 


Basaltvezels

Basaltvezel is een natuurproduct, gemaakt van Basaltsteen. Een groot deel van de aardkorst bestaat uit Basaltsteen. Betonconstructies gewapend met basaltvezel of basaltwapeningstaven corroderen niet. Er is dus geen extra dekking nodig en men kan slanker construeren. Het gewicht van de basaltvezelstaven is ook nog eens vier keer lager dan dat van staal.

Basaltsteen. Foto: Jonathan Larson, Unsplash.

Basaltvezels. Foto: Vulkan Europe BV.

Basalt stenen worden gesmolten bij een temperatuur van 1500°C. Eigenlijk wordt er dus weer lava van gemaakt. Als deze lava weer afkoelt ontstaan de typisch vijf- of zeshoekige kristalvormige zuiltjes, die we kennen van dijkbekleding. De truc om er vezel van te maken is deze lava door heel fijne gaatjes te persen (extrusion techniek). De hierbij verkregen haardunne vezels hebben een diameter van 5 tot 11 um. Deze kunnen nu niet meer kristalliseren, maar krijgen een amorfe structuur. Hierbij blijven zeer veel eigenschappen van het basalt behouden en zijn andere eigenschappen omgevormd. Zo heeft de vezel in plaats van een grote druksterkte, een grote treksterkte gekregen. Deze treksterkte is wel 2,5 keer groter dan die van staal. Er worden in dit proces geen chemicaliën toegevoegd, waardoor de vezel 100% recyclebaar is.
De vezels kunnen ook worden gesponnen tot garens, waarmee allerlei producten te maken zijn. Denk aan (brandwerende) weefsels, isolerende bekleding, filters en vezelversterkte composieten. Met (epoxy)harsen kunnen wapeningsstaven (diameter 4 tot 24 mm) en profielen worden gemaakt. Basaltvezels zijn tot slot volledig mineraal, waardoor beton met basaltvezels ook prima is te recyclen.

Informatie: Vulkan Europe BV, www.vulkan-europe.com

 


Kunststofvezels

Bij kunststofvezels denkt men vaak alleen aan het reduceren van plastische krimpscheuren in beton. Dit soort vezels zijn ook wel bekend als krimpvezels. Maar constructieve kunststofvezels zijn juist ontwikkeld om de beton-eigenschappen te verbeteren. Opvallend is vooral de milieukostenbesparing van minimaal 70% ten opzichte van stalen wapening.

 

Constructieve kunststofvezel Concrix.

Constructieve kunststofvezel Fibrofor High Grade.

De trekkrachten van kunststofvezels variëren tussen de circa 400 N/mm² en 590 N/mm². De elasticiteit (E-module) varieert tussen de circa 4.900 N/mm² en ruim 11.000 N/mm². Dit leidt ertoe dat de traditionele stalen wapening deels of geheel kan worden vervangen. Statische berekeningen conform Eurocode 2 tonen aan in welke mate dit kan. Voordelen van kunststofvezels zijn verder dat ze sneller en goedkoper zijn te produceren, CO2-reductie, corrosiebestendigheid en de mogelijkheid tot het slanker produceren. Steeds meer betontoepassingen worden gewapend met constructieve kunststofvezels. Daarbij zijn besparingen op de milieukosten in toenemende mate van belang.

 

Prefab binnenwanden

Het toepassen van constructieve kunststofvezels optimaliseert het productieproces van prefab binnenwanden. De traditionele wapening kan grotendeels vervangen worden. Hooguit zijn nog stalen randwapening en hijsvoorzieningen nodig. De totale dosering van Concrix kunststofvezel is 3 kg per m³ beton. De producent realiseert besparingen in tijd en kosten door het vervallen van arbeidsintensieve handelingen. Tevens kan de productie worden verhoogd. Bij traditionele wapening is de Milieu Kosten Indicator (MKI-waarde) €17,51. Bij constructieve kunststofvezel is de MKI-waarde slechts € 1,13 is. Dit betekent een milieukostenbesparing van 93% ten opzichte van de wapening.

De constructieve kunststofvezels Concrix®, Fibrofor Diamond® en Fibrofor High Grade® beschikken over een Levens Cyclus Analyse (LCA) en zijn vervolgens voorzien van een MRPI®/EPD-certificaat. Bij een binnenwand is de milieukostenbesparing 93% ten opzichte van stalen wapening.

 

Betontrap

Een betontrap met negen treden is gewapend met 5,5 kg Concrix per m³ beton. Er is een kleine hoeveelheid staal aangebracht als hijsvoorziening. Het grotendeels vervangen van staal leidde tot een snellere productie en een duurzamer betonproduct. Voor dit project zijn tevens de milieukosten van het gewapende beton berekend. Bij traditionele wapening is de MKI-score € 52,54, waar de MKI-score bij de constructieve kunststofvezel €10,82 is. Dit

Toepassing kunststofvezels bij betontrap.

betekent een milieukostenbesparing van 79% ten opzichte van de wapening.
Naast prefab betonelementen worden constructieve kunststofvezels tevens toegepast in infrastructurele projecten en betonvloeren.

 

Informatie: Convez, www.convez.eu

 


Glasvezels

Door glasvezel aan beton toe te voegen wordt dit materiaal uitermate geschikt voor gevelbekleding, omdat het beton een gering gewicht behoudt. Het voordeel van glasvezel versterkt beton is dat het in alle gewenste afmetingen, diktes en vormen gegoten kan worden. Zo kunnen er bijvoorbeeld ook complexe 3D-vormen mee gemaakt worden.

Voorbeeld van toepassing gevelpanelen van glasvezelbeton. Foto: Fydro B.V.

Van glasvezelversterkt beton worden bijvoorbeeld (gevel)panelen gemaakt. Deze zijn verkrijgbaar in heel veel verschillende oppervlaktestructuren, vormen en kleuren. Ook is het mogelijk om bijvoorbeeld afbeeldingen in het paneel te maken of een zelf ontworpen patroon te vervaardigen. De dikten van de panelen kunnen beperkt blijven tot slechts 10 tot 25 mm. Dat resulteert in een gewicht van minimaal 20 kg/m2 (10 mm dikte) tot 50 kg/m2 (24 mm dikte). Panelen van glasvezelversterkt beton zijn bovendien onbrandbaar (Euro Brandklasse A1), waardoor ze – mits juist aangebracht, in combinatie met onbrandbare isolatie – heel geschikt zijn om brandoverslag in gevels te voorkomen.
Glasvezelbeton is door zijn eigenschappen heel geschikt als oeverbescherming en gevelbeplating. Het materiaal is namelijk ongevoelig voor uv, vocht en vorst. Glasvezelbeton is tot slot volledig mineraal, waardoor het ook prima is te recyclen.

Informatie: Fydro BV, www.fydro.nl


 

Gratis BouwTotaal Nieuwsbrief

Actualiteit, rubrieken met praktische informatie, inspiratie en meer: abonneer je gratis op de BouwTotaal nieuwsbrief!

Nieuwsbrief