Stalen vezels beperken scheuren in beton
Beton, een materiaal dat al eeuwenlang als bouwmateriaal wordt gebruikt, kent nog lang zijn grenzen niet. De lage kost, hoge druksterkte en verscheidenheid aan toepassingsmogelijkheden maakt van beton het meest gebruikte materiaal in de bouwwereld. Daarom blijven onderzoekers innovatieve manieren vinden om de eigenschappen te verbeteren en duurzamere constructies te bekomen.
Waarom staalvezelbeton?
Het Pantheon in Rome, gebouwd rond de tweede eeuw, toont zowel de sterktes als de zwaktes van beton. Ondanks zijn leeftijd is het de grootste koepel ter wereld die gemaakt is uit ongewapend beton. De beperkende factor voor het bouwen van grotere koepels is de lage treksterkte. Wanneer beton namelijk wordt onderworpen aan een trekkracht, zal het scheuren. Dit probleem is sinds lange tijd opgelost door het toevoegen van stalen wapeningsstaven, die de hoge trekkrachten kunnen opnemen. Hoewel dit in vele gevallen een goede oplossing biedt, kan soms het gebruik van staalvezelbeton een betere methode zijn. Staalvezelbeton is een materiaal waarbij beton wordt gemengd met kleine staalvezels die in dit onderzoek 60mm lang en minder dan 1mm dik zijn. Deze vezels hebben dan op hun beurt de taak om trekkrachten op te nemen en vervolgens scheuren in het beton te beperken.
Aangezien staalvezelbeton een recent ontwikkeld materiaal is, dient hier meer onderzoek naar gedaan te worden. Het gebrek aan normen over het optimaal gebruik van staalvezelbeton resulteert in het beperkte gebruik door bouwbedrijven. Staalvezelbeton wordt dus niet optimaal benut, hoewel het een groot potentieel heeft. Daarom heeft mijn onderzoek bijgedragen aan de huidige kennis, meer bepaald over cyclische belastingen van staalvezelbeton. Uit voorgaande studies blijkt namelijk dat staalvezels zeer nuttig zijn bij repeterende krachten die optreden in bijvoorbeeld bruggen of industriehallen met veel zwaar verkeer of kademuren die belast worden door brekende golven. De vezels verminderen de scheurwijdte in het beton, waardoor de duurzaamheid verbetert. Ook de levensduur van de constructies wordt verlengd door de toegenomen sterkte van het materiaal ten opzichte van het gewone beton. In mijn onderzoek hebben twee verschillende methodes geleid naar betere inzichten in het gedrag van staalvezelbeton onder cyclische belasting.
Akoestische emissie
Ten eerste is akoestische emissie (AE) toegepast tijdens het uitvoeren van verschillende experimentele testen op staalvezelbeton. AE sensoren “luisteren” naar de golven die geproduceerd worden wanneer een scheur ontstaat in het materiaal tijdens belasting. Op deze manier kan de schade in het beton opgemerkt worden voordat scheuren zichtbaar zijn met het blote oog. Een analyse van de golven die ontvangen worden door de sensoren geeft informatie over het faalproces en vooral de ernst van de schade gedurende elke cyclus. Grote voordelen van deze techniek zijn dat het een niet-destructieve testmethode is, scheuren al snel gedetecteerd kunnen worden en continue metingen mogelijk zijn. Het toepassen van AE op verkeersinfrastructuur kan bijvoorbeeld ook zonder het stilleggen van het verkeer. Ondanks deze pluspunten, is wel een grote kennis van de onderzoeker vereist over AE. Deze techniek bleek goede inzichten te geven over het scheurgedrag van staalvezelbeton. De schade na elke cyclische belasting is sterk gerelateerd aan de hoeveelheid AE golven die geregistreerd worden. De bronnen van de AE golven kunnen daarnaast ook gelokaliseerd worden en het faalproces geanalyseerd.
Analytisch model
Ten tweede is een model opgesteld dat het volledige cyclische gedrag van het staalvezelbeton kan voorspellen. Wanneer zowel het gedrag van staalvezelbeton in trek als de hoeveelheid schade per cyclus gekend zijn, bepaalt een algoritme de vervormingen van het materiaal gedurende de belasting. De materiaaleigenschappen in trek zijn logischerwijze te bepalen aan de hand van trektesten. Door de willekeur van de verspreiding van de vezels in het beton, zijn meerdere testen nodig om een betrouwbaar resultaat te bekomen. Hier stoten we op een belangrijk probleem. Trektesten zijn zeer moeilijk uit te voeren, waardoor dus ook de eigenschappen in trek moeilijk te bepalen zijn. Vaak worden buigtesten uitgevoerd om de resultaten van een trektest te voorspellen. Dit is ook de eerste stap van het ontwikkelde model. Uit buigtesten die zijn uitgevoerd in een voorgaande studie is het gedrag in trek bepaald, waarna de resultaten gevalideerd zijn met experimentele trektesten. Een schema van de uitgevoerde trektesten met AE is afgebeeld in Figuur 1. Hieruit blijkt het model realistische en betrouwbare resultaten te geven. Daarnaast is ook info nodig over de opgelopen schade gedurende de cycli. Dit kan worden afgeleid uit de resultaten van experimentele trektesten. De schade in het beton is namelijk gerelateerd aan de stijfheid van het materiaal, wat kan afgeleid worden uit de resultaten. Deze schade kan ook worden teruggevonden in de AE golven. Hier is gebleken dat de stijfheid nagenoeg onafhankelijk is van zowel het type staalvezel als de hoeveelheid aan staalvezels toegevoegd aan het beton.
Uit voorgaande paragraaf blijkt dus dat het cyclische gedrag van staalvezelbeton, met eender welk vezeltype of vezelhoeveelheid, bepaald kan worden door het uitvoeren van enkel buigtesten. Deze procedure is eenvoudiger dan trektesten, waardoor dit onderzoek zeer nuttig is gebleken. De uiteindelijke resultaten van het model zijn ook vergeleken met de experimenteel bekomen curves en een grote gelijkenis tussen beide resultaten is geobserveerd. Dit concludeert dat het opgestelde model werkt en in de toekomst gebruikt kan worden om de capaciteit van staalvezelbeton gedurende cyclische belastingen te bepalen.
Applicatiepotentieel
De resultaten van dit onderzoek naar staalvezelbeton bieden enkele vindingrijke oplossingen voor huidige problemen in de bouwwereld. Ten eerste is akoestische emissie een goede methode om schade op te sporen in constructies gedurende de gebruiksfase. Het opsporen van schade geeft inzicht in de resterende capaciteit en levensduur van de structuur en zo kunnen catastrofale gebeurtenissen vermeden worden. Daarnaast kunnen scheuren afkomstig door repeterende belastingen op structuren beperkt worden door het gebruik van staalvezelbeton. De scheuren blijven kleiner en het beton kan langer voldoen aan de nodige vereisten om de lasten op te nemen. Deze positieve impact van stalen vezels in het beton is succesvol berekend in een analytisch model, waardoor in de toekomst het gebruik van staalvezelbeton minder onzeker is.
Bibliografie
R. Abbasnia and H. Ziaadiny. Behavior of concrete prisms confined with FRP composites under axial cyclic compression. Engineering Structures, 32(3):648– 655, 2010.
D. Aggelis. Classification of cracking mode in concrete by acoustic emission parameters. Mechanics Research Communications, 38(3):153–157, 2011.
D. Aggelis, D. Soulioti, N. Sapouridis, N. Barkoula, A. Paipetis, and I. Matikas. Acoustic emission characterization of the fracture process in fibre reinforced concrete. Construction and Building Materials, 25(11):4126–4131, 2011.
A. Amin and S. Foster. Predicting the flexural response of steel fibre reinforced concrete prisms using a sectional model. Cement and Concrete Composites, 67:1–11, 2016.
N. Banthia, C. Zanotti, and M. Sappakittipakorn. Sustainable fiber reinforced concrete for repair applications. Construction and Building Materials, 67(C):405– 412, 2014.
B. Barragán, R. Gettu, M. Martín, and R. Zerbino. Uniaxial tension test for steel fibre reinforced concrete - a parametric study. Cement and Concrete Composites, 25(7):767–777, 2003.
J. Barros and J. Figueiras. Flexural behavior of SFRC: Testing and modeling. Journal of Materials in Civil Engineering, 11(4):331–339, 1999.
Bekaert. Datasheet: 3D 80/60BG.
Bekaert. Datasheet: 5D 65/60BG.
Bekaert. Reinforcing the future, 2012. Technical document.
B. Boulekbache, M. Hamrat, M. Chemrouk, and S. Amziane. Flexural behaviour of steel fibre-reinforced concrete under cyclic loading. Construction and Building Materials, 126:253–262, 2016.
P. Cachim, J. Figueiras, and P. Pereira. Fatigue behavior of fiber-reinforced concrete in compression. Cement and Concrete Composites, 24(2):211–217, 2002.
A. Caratelli, A. Meda, Z. Rinaldi, and P. Romualdi. Structural behaviour of precast tunnel segments in fiber reinforced concrete. Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research, 26(2):284–291, 2011.
X. Chen, J. Bu, and L. Xu. Effect of strain rate on post-peak cyclic behavior of concrete in direct tension. Construction and Building Materials, 124:746–754, 2016.
X. Chen, Y. Huang, C. Chen, J. Lu, and X. Fan. Experimental study and analytical modeling on hysteresis behavior of plain concrete in uniaxial cyclic tension. International Journal of Fatigue, 96:261–269, 2017.
X. Chen, L. Xu, and J. Bu. Experimental study and constitutive model on complete stress-strain relations of plain concrete in uniaxial cyclic tension. KSCE Journal of Civil Engineering, 21(5):1829–1835, 2017.
M. De Smedt, K. De Wilder, L. Vandewalle, and E. Verstrynge. Acoustic emission-based analysis of damage mechanisms in steel fibre reinforced concrete under monotonic and cyclic loading. Proceedings of the 10th International Confer- ence on Fracture Mechanics of Concrete and Concrete Structures (FraMCoS-X), Bayonne, France, pages 1–11, 2019.
M. De Smedt, K. De Wilder, E. Verstrynge, and L. Vandewalle. Monotonic and cyclic pull-out behaviour of 3D and 5D hooked-end steel fibres from a concrete matrix. Proceedings of the 12th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, pages 43–50, 2018.
M. De Smedt, R. Vrijdaghs, C. Van Steen, E. Verstrynge, and L. Vandewalle. Damage analysis in steel fibre reinforced concrete under monotonic and cyclic bending by means of acoustic emission monitoring. Cement and Concrete Composites (in review), 2020.
X. Destree and J. Mandl. Steel fibre only reinforced concrete in free suspended elevated slabs: Case studies, design assisted by testing route, comparison to the latest SFRC standard documents. Tailor Made Concrete Structures: New Solutions for Our Society, pages 437–443, 2008.
M. di Prisco, M. Colombo, and D. Dozio. Fibre - reinforced concrete in fib model code 2010: principles, models and test validation. Structural Concrete, 14(4):342–361, 2013.
M. di Prisco, G. Plizzari, and L. Vandewalle. Fibre reinforced concrete: new design perspectives. Materials and Structures, 42(9):1261–1281, 2009.
D. Dupont and L. Vandewalle. Distribution of steel fibres in rectangular sections. Cement and Concrete Composites, 27(3):391–398, 2005.
G. Etse, A. Caggiano, and S. Vrech. Multiscale failure analysis of fiber reinforced concrete based on a discrete crack model. International Journal of Fracture, 178(1-2):131–146, 2012.
European Committee for standardization. EN 1990: Basis of structural design. Brussel, 2002.
European Committee for Standardization. EN 14651: Test method for metallic fibered concrete - measuring the flexural tensile strength (limit of proportionality (LOP), residual). 2005.
European Committee for standardization. EN 1992: Design of concrete structures. Brussel, 2005.
European Committee for Standardization. EN 12390-3: Testing hardened concrete - Part 3: Compressive strength of test specimens. 2019.
Fédération international du béton (fib). fib Model Code for Concrete Structures. Wilhelm Ernst Sohn, Germany, 2010.
F. Germano, G. Tiberti, and G. Plizzari. Experimental behavior of SFRC columns under uniaxial and biaxial cyclic loads. Composites Part B, 85:76–92, 2016.
F. Germano, G. Tiberti, and G. Plizzari. Post-peak fatigue performance of steel fiber reinforced concrete under flexure. Materials and Structures, 49(10):4229– 4245, 2016.
B. Graybeal and F. Baby. Development of direct tension test method for ultra- high-performance fiber-reinforced concrete. ACI Materials Journal, 110(2):177– 186, 2013.
C. Grosse and M. Ohtsu. Acoustic Emission Testing. Springer, 2008.
V. Guerini, A. Conforti, G. Plizzari, and S. Kawashima. Influence of steel and macro-synthetic fibers on concrete properties. Fibers, 6(3):47, 2018.
A. Hillerborg, M. Moder, and P.-E. Petersson. Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements. Cement and Concrete Research, 6(6):773–781, 1976.
H. Lambotte, C. Ladang, C. Xhonneux, J. Horemans, P. Magera, and C. Ployaert et al. Betontechnologie (in Dutch). Belgische Betongroepering, Brussel, 2015.
S. Lappa. High Strength Fibre Reinforced Concrete - Static and fatigue behaviour in bending. Thesis, Delft University of Technology, 2007.
C. Lee and H. Kim. Orientation factor and number of fibers at failure plane in ring-type steel fiber reinforced concrete. Cement and Concrete Research, 40(5):810–819, 2010.
J.-H. Lee. Influence of concrete strength combined with fiber content in the residual flexural strengths of fiber reinforced concrete. Composite Structures, 168:216–225, 2017.
M. Lee and B. Barr. An overview of the fatigue behaviour of plain and fibre reinforced concrete. Cement and Concrete Composites, 26(4):299–305, 2004.
B. Li, Y. Chi, L. Xu, C. Li, and Y. Shi. Cyclic tensile behavior of SFRC: Experimental research and analytical model. Construction and Building Materials, 190:1236–1250, 2018.
B. Li, L. Xu, Y. Chi, B. Huang, and C. Li. Experimental investigation on the stress-strain behavior of steel fiber reinforced concrete subjected to uniaxial cyclic compression. Construction and Building Materials, 140:109–118, 2017.
V. Li and T. Matsumoto. Fatigue crack growth analysis of fiber reinforced concrete with effect of interfacial bond degradation. Cement and Concrete Composites, 20(5):339–351, 1998.
F. Minelli. Plain and Fiber Reinforced Concrete Beams under Shear Loading: Structural Behavior and Design Aspects. Thesis, Università di Brescia, 2005.
A. Mudadu, G. Tiberti, F. Germano, G. A. Plizzari, and A. Morbi. The effect of fiber orientation on the post-cracking behavior of steel fiber reinforced concrete under bending and uniaxial tensile tests. Cement and Concrete Composites, 93:274–288, 2018.
A. Naaman. Engineered steel fibers with optimal properties for reinforcement of cement composites. Journal of Advanced Concrete Technology, 1(3):241–252, 2003.
T. Nguyen-Tat, N. Ranaivomanana, and J.-P. Balayssac. Characterization of damage in concrete beams under bending with Acoustic Emission Technique (AET). Construction and Building Materials, 187:487–500, 2018.
M. Noorsuhada. An overview on fatigue damage assessment of reinforced concrete structures with the aid of acoustic emission technique. Construction and Building Materials, 112:424–439, 2016.
K. Ohno and M. Ohtsu. Crack classification in concrete based on acoustic emission. Construction and Building Materials, 24(12):2339–2346, 2010.
M. Ohtsu et al. Recommendation of RILEM TC 212-ACD: acoustic emission and related NDE techniques for crack detection and damage evaluation in concrete - Measurement method for acoustic emission signals in concrete. Materials and Structures, 43(9):1177–1181, 2010.
M. Ohtsu et al. Recommendation of RILEM TC 212-ACD: acoustic emission and related NDE techniques for crack detection and damage evaluation in concrete - Test method for damage qualification of reinforced concrete beams by acoustic emission. Materials and Structures, 43(9):1183–1186, 2010.
A. Parvez and S. Foster. Fatigue behavior of steel-fiber-reinforced concrete beams. Journal of Structural Engineering, 141(4), 2015.
S. Paschalis and A. Lampropoulos. Ultra-high-performance fiber-reinforced con- crete under cyclic loading. (technical paper). ACI Materials Journal, 113(4):419, 2016.
T. Pfister, D. Pfanner, F. Stangenberg, and Y. S. Petryna. Modeling of concrete response under fatigue. Computational Modelling of Concrete Structures, pages 295–303, 2003.
A. Pompo, P. Stupak, L. Nicolais, and B. Marchese. Analysis of steel fibre pull-out from a cement matrix using video photography. Cement and Concrete Composites, 18(1):3–8, 1996.
N. Pugno, M. Ciavarella, P. Cornetti, and A. Carpinteri. A generalized Paris law for fatigue crack growth. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 54(7):1333–1349, 2006.
F. Ranjbaran, O. Rezayfar, and R. Mirzababai. Experimental investigation of steel fiber-reinforced concrete beams under cyclic loading. International Journal of Advanced Structural Engineering, 10(1):49–60, 2018.
RILEM Technical Commitee. RILEM TC 162-TDF: Test and design methods for steel fibre reinforced concrete - Uni-axial tension test for steel fibre reinforced concrete. Materials and Structures, 34(235):3–6, 2001.
S. Seitl, H. Šimonová, Z. Keršner, and A. Canteli. Evaluation of concrete fatigue measurement using standard and non-linear regression model. Applied Mechanics and Materials, 121-126:2726–2729, 2012.
S. Shah and Z. Li. Localization of microcracking in concrete under uniaxial tension. ACI materials journal, 91(4):372–381, 1994.
L. Sorelli, A. Meda, and G. Plizzari. Steel fiber concrete slabs on ground: A structural matter. ACI Structural Journal, 103(4):551–558, 2006.
M. Soutsos, T. Le, and A. Lampropoulos. Flexural performance of fibre reinforced concrete made with steel and synthetic fibres. Construction and Building Materials, 36:704, 2012.
Y. Tanigawa and S. Hatanaka. Stress-strain relations of steel fiber reinforced concrete under repeated compressive load. Cement and Concrete Research, 13(6):801–808, 1983.
E. Thorenfeldt, A. Tomaszewicz, and J. Jensen. Mechanical properties of high- strength concrete and application in design. Proceedings of the Symposium Utilization of High-Strength Concrete, pages 149–159, 1987.
J. van Mier and M. van Vliet. Uniaxial tension test for the determination of fracture parameters of concrete: state of the art. Engineering Fracture Mechanics, 69(2):235–247, 2002.
L. Vandewalle. Ontwerp van constructiecomponenten: Beton, deel 1 (in Dutch). CuDi VTK vzw, KU Leuven, 2017.
R. Vrijdaghs. Creep of synthetic fiber reinforced concrete - A multi-scale and two-phased approach. Thesis, KULeuven, 2019.
M. Wevers. Listening to the sound of materials: Acoustic emission for the analysis of material behaviour. NDT and E International, 30(2):99–106, 1997.
F. Xiangqian, H. Shaowei, L. Jun, and W. Congjie. Acoustic emission properties of concrete on dynamic tensile test. Construction and Building Materials, 114:66–75, 2016.
S. Yin, R. Tuladhar, F. Shi, M. Combe, T. Collister, and N. Sivakugan. Use of macro plastic fibres in concrete: A review. Construction and Building Materials, 93(C):180–188, 2015.
R. Zollo. Fiber-reinforced concrete: an overview after 30 years of development. Cement and Concrete Composites, 19(2):107–122, 1997.
