Vezelversterkt beton

Het concept van het gebruik van vezels als wapening is niet nieuw. Vezels worden al sinds de oudheid als wapening gebruikt. Historisch gezien werd paardenhaar gebruikt in mortel en stro in lemen bakstenen. In de jaren 1900 werden asbestvezels gebruikt in beton. In de jaren 1950 ontstond het concept van composietmaterialen en vezelversterkt beton was een van de onderwerpen die in de belangstelling stonden. Toen de gezondheidsrisico’s van asbest werden ontdekt, moest er een vervanger worden gevonden voor de stof in beton en andere bouwmaterialen. Tegen de jaren zestig werden staal-, glas- (GFRC) en synthetische (zoals polypropyleen) vezels gebruikt in beton. Het onderzoek naar nieuwe vezelversterkte betonsoorten gaat nog steeds door.

Vezels worden gewoonlijk in beton gebruikt om scheurvorming als gevolg van plastische krimp en uitdrogingskrimp tegen te gaan. Zij verminderen ook de permeabiliteit van beton en verminderen zo het uitlopen van water. Sommige soorten vezels zorgen voor een grotere weerstand tegen schokken, schuren en versplinteren in beton. Grotere stalen of synthetische vezels kunnen in bepaalde situaties wapeningsstaven of staal volledig vervangen. Vezelversterkt beton heeft staafstaal bijna volledig vervangen in de ondergrondse bouw, zoals in tunnelsegmenten waar bijna alle tunnelbekledingen met vezels zijn versterkt in plaats van met wapening. Sommige vezels verminderen zelfs de druksterkte van beton.

De hoeveelheid vezels die aan een betonmengsel wordt toegevoegd, wordt uitgedrukt als een percentage van het totale volume van de composiet (beton en vezels), “volumefractie” (Vf) genoemd. Vf varieert meestal van 0,1 tot 3%. De hoogte-breedteverhouding (l/d) wordt berekend door de vezellengte (l) te delen door de diameter (d). Vezels met een niet-cirkelvormige dwarsdoorsnede gebruiken een equivalente diameter voor de berekening van de hoogte-breedteverhouding. Als de elasticiteitsmodulus van de vezel hoger is dan die van de matrix (beton of mortelbindmiddel), helpen ze de belasting te dragen door de treksterkte van het materiaal te verhogen. Het verhogen van de aspect ratio van de vezel segmenteert gewoonlijk de buigsterkte en taaiheid van de matrix. Een langere lengte resulteert in een betere matrix in het beton en een fijnere diameter verhoogt het aantal vezels. Om ervoor te zorgen dat elke vezelstreng effectief is, wordt aanbevolen vezels te gebruiken die langer zijn dan de maximale grootte van het toeslagmateriaal. Normaal beton bevat aggregaat met een equivalente diameter van 19 mm, dat is 35-45% van het beton, vezels langer dan 20 mm zijn doeltreffender. Te lange vezels die bij de verwerking niet goed zijn behandeld, hebben echter de neiging in het mengsel te “klonteren” en problemen met de verwerkbaarheid te veroorzaken.

Vezels worden toegevoegd voor de duurzaamheid van beton op lange termijn. Glas en polyester ontleden in alkalische toestand van beton en diverse additieven en oppervlaktebehandeling van beton.

In de tunnelbekledingen van High Speed 1 is beton verwerkt dat 1 kg/m3 of meer polypropyleenvezels bevat, met een diameter van 18 & 32 μm, hetgeen de hieronder genoemde voordelen oplevert. Het toevoegen van polypropyleenvezels met een fijne diameter, zorgt niet alleen voor versterking in de tunnelbekleding, maar voorkomt ook “spalling” en beschadiging van de bekleding in geval van brand als gevolg van een ongeluk.