Zelfverdichtend beton: aandachtspunten voor de uitvoering

Transcriptie

1 Een van de vele voordelen van zelfverdichtend beton (ZVB) is dat de plaatsing ervan veel minder mankracht vereist en minder trillings- en geluidshinder met zich meebrengt. Voor velen vormt de uitvoering van ZVB-elementen echter nog steeds een hindernis. In dit WTCB-dossier zullen enkele aandachtspunten voor de uitvoering toegelicht worden evenals de mechanische eigenschappen van het verharde beton. Zelfverdichtend beton: aandachtspunten voor de uitvoering P. Van Itterbeeck,dr. ir. arch., projectleider, laboratorium Structuren, WTCB V. Dieryck, ir., adjunct-laboratoriumhoofd, laboratorium Betontechnologie, WTCB Dankzij de verschijning van de nieuwe uitvoeringsnorm NBN EN 1367 in 21 en het ontwerp van zijn Belgische bijlage in het voorjaar van 212 werden alvast enkele uitvoeringsaspecten opgehelderd. Deze norm vormt, samen met verschillende Europese en internationale richtlijnen, een goede basis voor de correcte uitvoering van ZVB-elementen. Een ZVB is een beton dat onder zijn eigengewicht verdicht, tot in de verste hoekjes van de bekisting doordringt en moeiteloos door een dense wapening heen vloeit. Al deze troeven maken van ZVB een interessante betonsoort die op de bouwplaats een duidelijk verschil kan maken. De uitvoering van ZVB verschilt in bepaalde opzichten echter van deze van traditioneel verdicht beton (TVB) en vereist bijgevolg de nodige aandacht. ZVB is sinds zijn ontwikkeling in de jaren 8 in opmars over de hele wereld. In onze contreien kent het vooral een groot succes in de prefabsector. Op de bouwplaats blijft het gebruik van stortklaar ZVB voorlopig nog uit en wordt het enkel gebruikt voor het vervaardigen van elementen die te zwaar gewapend Afb. 1 Voor dergelijke zwaar gewapende structuurelementen vormt ZVB een ideale oplossing. en/of te complex van vorm zijn om met traditioneel verdicht beton vervaardigd te worden. De hogere kostprijs wordt vaak aangehaald als belemmering voor de bredere toepassing van het materiaal (naast de dichtheid van de bekisting, onvoldoende kennis, enz.). Om de sociaal-technische en economische voordelen van ZVB beter in kaart te brengen, moet men echter meerdere facetten in rekening brengen. Zo dienen de hogere kostprijs van het basismateriaal en de hogere kosten voor de bekisting bijvoorbeeld afgewogen te worden tegen de snellere plaatsing van het beton, de mogelijke besparing op het aantal arbeidskrachten, de beperking van de geluids- en trillingshinder en de lagere afwerkingskosten. In dit WTCB-Dossier zullen we in eerste instantie dieper ingaan op de correcte uitvoering van ZVB en zullen we de eisen voor de bekisting overlopen evenals de aandachtspunten voor het betonstorten. In het laatste luik zullen we ten slotte aandacht besteden aan de mechanische prestaties van het verharde ZVB. 1 EISEN VOOR DE BEKISTING De dichtheid van de bekisting vormt een belangrijk aandachtspunt omwille van het zeer vloeibare karakter van het ZVB. Dit kwam ook naar voor uit een rondvraag bij bouwprofessionelen. De kleinste opening kan immers aanleiding geven tot lekkage van pasta met de nefaste gevolgen vandien voor het gerealiseerde element (bv. vorming van grindnesten, verminderde druksterkte en duurzaamheid, ). Naden, doorvoeren van centerpennen en dergelijke dienen dan ook zo (lek)dicht mogelijk afgewerkt te worden (bv. door middel van kitvoegen). Daarnaast dient men ook het opdrijven van lichte elementen (bv. vloerverwarmingselementen) in de bekisting te vermijden. Afb. 2 De plaatsing van ZVB vergt veel minder mankracht. Indien men een zichtbeton uitvoert met ZVB, dient de bekisting in perfecte staat te verkeren om de aftekening van onvolkomenheden of vuil te vermijden in het afgewerkte beton. Net zoals bij traditioneel verdicht beton (TVB) is ook de keuze van het type ontkistingsmiddel zeer belangrijk om onder meer de vorming van luchtbellen te beperken. Het gebruik van ZVB kan aanleiding geven tot een snellere plaatsing van het beton en dus tot hogere stortsnelheden. Dit kan, in combinatie met andere factoren (bv. de eigenschappen van het verse beton, de vorm en afmetingen van de bekisting) leiden tot bekistingsdrukken die veel hoger liggen dan bij traditioneel verdicht beton en zelfs tot hydrostatische drukken. Om veiligheidsredenen raden verschillende documenten ([1]-[5]-[11]) daarom aan om bij de berekening van de bekisting uit te gaan van hydrostatische drukken. In de Duitse norm DIN [4] worden desalniettemin rekenmethodes aangereikt waarmee men de drukken nauwkeuriger kan berekenen afhankelijk van verschillende factoren zoals de stortsnelheid, de bindingstijd van het beton en de betontemperatuur. WTCB-Dossiers 212/3.4 1

2 2 AANDACHTSPUNTEN TIJDENS DE PLAATSING Druk σ hk,max uitgeoefend door het verse beton [kn/m²] Veronderstellingen: Volumieke massa van het verse beton: 25 kn/m³ Bindingstijd (t E ) van het beton: 5 u Dichte bekisting Verdichting TVB via (interne) trilnaalden Temperatuur van het verse beton: +15 C ZVB TVB, F Stijgsnelheid [m/h] TVB, F4 TVB, F3 TVB, F2, 7 Afb. 3 Voorbeeld van een berekening van bekistingsdrukken en hydrostatische drukhoogten volgens de Duitse norm DIN ,4 5,6 4,8 4, 3,2 2,4 1,6,8 h Hydrostatische drukhoogte h s [m] 1 2 h E h s σ max σ max,hydr 1 : vers beton 2 : verhard beton h : totale hoogte van het beton h s : hydrostatische drukhoogte h E : hoogte van het verse beton (h E = v.t E ) t E : bindingstijd v : stortsnelheid σ max : maximale durk die het verse beton kan uitoefenen σ max,hydr : hydrostatische druk Bij de ontvangst van het ZVB op de bouwplaats dient gecontroleerd te worden of het geleverde beton overeenstemt met het voorgeschreven beton. Naast een controle van de leveringsbon bestaat de kwaliteitscontrole bij voorkeur ook uit een nazicht van de vloeimaat (SF klasse). Afhankelijk van de toepassing en de specifieke bijkomende eisen die aan het ZVB gesteld werden (bv. m.b.t. de viscositeit), dienen eventueel op een beperkt aantal stalen bijkomende verse-betonproeven uitgevoerd te worden (bv. V-funnel of L-box). Desalniettemin dringt een visuele controle tijdens de uitvoering van het ZVB zich nog steeds op om onder meer ontmenging (niet meer homogeen zijn van het mengsel) of ontoereikende slumpflow tijdig op te merken. Een ander aandachtspunt is het verval van de verwerkbaarheid van het beton. Het beton moet immers ook aan het einde van de plaatsing nog over adequate vloei-eigenschappen beschikken om zijn zelfverdichtende eigenschappen te behouden. ZVB mag bovendien op geen enkele manier getrild worden aangezien dit de ontmenging van het beton in de hand kan werken. De toevoeging van water om het beton verwerkbaarder te maken, is net zoals bij TVB verboden. Afbeelding 3 geeft een voorbeeld van een dergelijke berekening waarbij men een 6 m hoge wand beschouwt die gestort werd met een beton met een verse volumieke massa van 25 kn/m³, een bindingstijd van 5 uur, een verse betontemperatuur van +15 C en waarbij een stijgsnelheid van 3 m/u gehanteerd werd. We stellen vast dat voor een TVB met consistentieklasse F3 (schudmaat mm) een hydrostatische drukhoogte van 2,4 m bekomen wordt (en een maximale druk van 6 kn/m² (*)) terwijl voor ZVB een hydrostatische drukhoogte van 5 m bekomen wordt (en een maximale druk van 124 kn/m² (*)), hetgeen veel meer is dan een doorsnee bekisting aankan. Het spreekt voor zich dat het gebruik van deze Duitse norm bepaalde risico s inhoudt omwille van de vele veronderstellingen die gemaakt worden bij de berekening. Een nauwgezette opvolging op de bouwplaats is met andere woorden essentieel. Daarnaast is het ook raadzaam om de bekistingsdrukken goed op te volgen om, indien nodig, tijdig te kunnen ingrijpen en bij te sturen. De veiligste aanname in dit specifieke voorbeeld (wand van 6 m) is om uit te gaan van een volledige hydrostatische drukhoogte van 6 m (en een maximale druk van 15 kn/m² (*)). Alle Europese en internationale richtlijnen zijn het erover eens dat men bij het verpompen langs de onderzijde van de bekisting minstens met hydrostatische drukken moet rekenen (zie verder). Het plaatsen van een ZVB in een wand kan via een van de methoden uit de onderstaande tabel. Het klassiek van bovenaf vullen met behulp van bijvoorbeeld een stortgoot kan op dezelfde manier gebeuren als bij TVB. Het belangrijkste nadeel van deze verwerkingsmethode is dat deze de neiging heeft om de ontmengingsverschijnselen in de betonspecie te verergeren of zelfs te genereren. Het ontwerp van de nationale bijlage van de norm NBN EN 1367 raadt aan om, net zoals bij TVB, de valhoogte te beperken tot 1 m. Het blijft niettemin raadzaam om het storten van het beton nauwlettend op te volgen en tijdig in te grijpen wanneer de eerste tekenen van ontmenging zich voordoen. Tabel Plaatsingsmethoden voor ZVB Methode Opmerking Aandachtspunten Klassiek van bovenaf vullen Risico op ontmenging Valhoogte beperken tot 1 m (zoals bij traditioneel verdicht beton) Inbrengen van een dompelbuis langs de bovenzijde van de bekisting Vullen van de bekisting langs de onderzijde met behulp van een pomp Een hoge wapeningsdichtheid en/of een smalle bekisting vormen een aandachtspunt Bij deze methode wordt de val van het beton in de bekisting vermeden de dompelbuis moet gekozen worden afhankelijk van de wapeningsdensiteit, de bekisting en het ZVB-mengsel de ZVB-samenstelling moet aangepast worden aan de pompdrukken de bekisting moet aangepast worden de bekistingsdruk kan de hydrostatische druk overschrijden de ZVB-samenstelling moet aangepast worden aan de pompdrukken de betonleveringen moeten goed gepland worden (*) Dit is een karakteristieke waarde en geen ontwerpwaarde (zonder veiligheidsfactor dus). In de Duitse norm DIN wordt deze veiligheidsfactor vastgelegd op 1,5. Dit houdt in dat de bekomen drukken steeds met deze factor vermenigvuldigd dienen te worden. De EN vermeld bovendien dat deze belasting dient gecombineerd te worden met een gebruikswindbelasting die 2 N/m² bedraagt. 2 WTCB-Dossiers 212/3.4

3 Afb. 4 Het vullen van een wandbekisting met ZVB via een dompelbuissysteem langs de bovenzijde van de bekisting (tijdens de uitvoering van grootschalige proeven in het laboratorium Structuren van het WTCB). Typische kenmerken van ontmenging zijn de vorming van een pastalaag aan het bovenvlak van het beton met duidelijke afwezigheid van grove granulaten en het verschijnen van een grote hoeveelheid luchtbellen aan het betonoppervlak. Het inbrengen van een dompelbuis langs de bovenzijde van de bekisting vormt een tweede mogelijke plaatsingswijze (zie afbeelding 4). De buis wordt bij de start tot op de bodem van de bekisting gestoken en wordt omhooggetrokken naarmate het vullen vordert. De val het beton in de bekisting wordt bij deze methode vermeden. Bij een hoge wapeningsdensiteit en/of smalle bekisting dient de diameter van de dompelbuis gereduceerd te worden. Het moet echter steeds mogelijk blijven om het ZVB door deze dompelbuis te verpompen. Hierbij speelt onder meer de D max -waarde en de viscositeit (kleverigheid) van het betonmengsel een bepalende rol. uiteraard te voorzien van een doeltreffend afsluitsysteem om het loskoppelen mogelijk te maken. Bij alle plaatsingswijzen die het pompen van ZVB vereisen, dient men bijzondere aandacht te besteden aan de mengselsamenstelling. Deze dient steeds afgestemd te worden op de uitgeoefende of verwachte pompdrukken om ontmenging van de specie en/of verstopping van de buizen te vermijden. Men vermeldt dan ook best bij de bestelling bij de betoncentrale dat het beton bestemd is voor verpomping. Een ander aandachtspunt zijn de vereiste pompdrukken. In tegenstelling tot wat men zou verwachten, kan men bij ZVB (wat toch een hoog vloeibaar beton is) soms hogere pompdrukken nodig hebben dan voor TVB. Men kwam tot deze vaststelling tijdens de grootschalige proeven in het laboratorium Magnel van de UGent. Of dit een fenomeen is dat voor alle ZVB mengsels van toepassing is dient evenwel nog bevestigd te worden. Bij alle methoden voor het verwerken van ZVB moet men erop toezien dat de lengte van de horizontaal af te leggen weg in de bekisting beperkt blijft. De maximaal aanvaardbare afstand is steeds afhankelijk van de capaciteit van het gebruikte ZVB om zich in de bekisting te verplaatsen met behoud van zijn homogeniteit. Hoe groter deze afstand, hoe meer het beton onderhevig kan zijn aan dynamische ontmenging (i.e. de ontmenging die optreedt naar aanleiding van de beweging van het beton). Deze uit zich typisch in een pastalaag die vóór de rest van het beton beweegt. Noch in de norm NBN EN 1367, noch in zijn nationale bijlage worden waarden opgegeven voor de maximaal af te leggen horizontale afstand. In andere Europese en internationale richtlijnen [3]-[13] kunnen waarden van 5 tot 1 m teruggevonden worden. Aangezien er bij het verwerken van ZVB niet getrild mag worden, moet men ervoor zorgen dat er geen grote luchtbellen ingesloten worden bij het vullen van de bekisting. Een aantal referentiedocumenten [11] raden daarom aan om de stortsnelheid te beperken. Bij grootschalige projecten dienen de betonleveringen elkaar goed op te volgen om zichtbare stortnaden te vermijden. Net zoals bij TVB dient men ook bij ZVB de nabehandeling met zorg uit te voeren om onder meer scheuren ten gevolge van plastische krimp te vermijden. 3 EIGENSCHAPPEN VAN HET VERHARDE BETON Door de grote verschillen op het gebied van samenstelling (o.a. een hoger pastagehalte en gebruik van vulstoffen) wordt vaak de vrees geuit dat de eigenschappen van een verhard ZVB sterk zouden kunnen verschillen van deze van een verhard TVB. Het WTCB voerde daarom, in samenwerking met de KU Leuven, een uitgebreid onderzoek uit rond dit thema. In het kader van dit onderzoek werden acht ZVB-mengsels bestudeerd. Men lette hierbij onder meer op de invloed van het poedergehalte, het vulstoftype, het W/C- gehalte, enz. op de mechanische prestaties van het ZVB [9]. We geven hieronder een overzicht van de belangrijkste proefresultaten. Deze hebben vooral betrekking op de druksterkte, de elasticiteitsmodulus (E-modulus) en de krimp van ZVB. De druksterkte is de meest courante en vaak enige parameter die in de betonwereld opgemeten wordt. Bijgevolg worden een groot aantal andere mechanische eigenschappen waaronder de treksterkte en E-modulus in de wereldwijde normen voor de berekening van betonconstructies gerelateerd tot en uitgedrukt in functie van deze druksterkte. Dit is ook het geval in de norm NBN EN 1992 (Eurocode 2) die de classificatie van beton enkel op basis van de druksterkte rechtstreeks overneemt uit de Europese norm NBN EN 26-1 [2]. In deze norm worden verschillende druksterkteklassen gedefinieerd afhankelijk van de druksterkte die het beton vertoont op een leeftijd van 28 dagen Een laatste, bijzondere plaatsingswijze voor ZVB is het van onderaf vullen van de bekisting met behulp van een pomp (zie afbeelding 5). Bij deze methode wordt eveneens de val van het beton in de bekisting vermeden. Indien men voor deze methode kiest, dient men de bekisting hieraan aan te passen en bij het ontwerp ervan minimum uit te gaan van hydrostatische drukken. De druk die de betonspecie uitoefent, kan bij de invoer onderaan de bekisting plaatselijk zelfs hoger oplopen door het dynamische effect van het verpompen. Het spreekt voor zich dat deze plaatsingswijze een strakke bouwplaatsplanning vergt waarbij de betonleveringen elkaar goed opvolgen. Bij het verpompen langs de onderzijde van de bekisting dient men de invoeropening van de buis Afb. 5 Het vullen van een wandbekisting door het inpompen van ZVB langs de onderzijde van de bekisting (tijdens de uitvoering van grootschalige proeven in het laboratorium Magnel voor betononderzoek, Universiteit Gent). WTCB-Dossiers 212/3.4 3

4 1,1 ZVB: resultaten uit de literatuur 1, ZVB: eigen resultaten f cm, cilinder /f cm,kubus,9,8,7 The first CEB International Recommendations 1964 NBN EN 26-1 (EC2), f cm,kubus Afb. 6 De conversiefactoren uit de norm NBN EN 26-1 blijken de druksterkte van ZVB licht te onderschatten. (druksterkte gemeten op kubussen met een zijde van 15 mm en cilinders met een diameter van 15 mm en hoogte van 3 mm). In afbeelding 6 worden de bekomen experimentele conversiefactoren grafisch weergegeven samen met de factoren die men kan terugvinden in de literatuur (in totaal 17 mengselsamenstellingen). Deze waarden worden in de grafiek ook vergeleken met de conversiefactoren uit de norm NBN EN Uit de afbeelding blijkt dat maar liefst 95 % van de resultaten boven de gemiddelde curve van de norm NBN EN 26-1 ligt en dat bovendien 3 % van het totale aantal resultaten zich boven de bovengrens van de verwachte spreiding situeert [7]. Gemiddeld kan dus gesteld worden dat een iets hogere conversiefactor van toepassing is voor ZVB. Deze vaststelling werd onlangs eveneens bevestigd in enkele andere publicaties [8]. Dit houdt echter niet in dat de norm NBN EN 26-1 niet langer toepasbaar is voor ZVB. Integendeel, het gebruik van deze classificatie zal nog steeds voor een veilige onderschatting van de cilinderdruksterkte zorgen. Het enige nadeel is dat het volle potentieel van het materiaal mogelijk niet benut wordt. In de literatuur wordt ook vaak verondersteld dat de E-modulus van ZVB lager is dan deze van TVB. Om het zelfverdichtende karakter te verkrijgen, wordt immers een grote hoeveelheid pasta toegevoegd en minder grove granulaten [1,12]. Deze stelling blijkt echter moeilijk gestaafd te kunnen worden met de proefresultaten van het WTCB en uit de literatuur (zie afbeelding 7). Er kon immers noch bij hoge, noch bij lage druksterktes een significant verschil vastgesteld worden. Alle resultaten zowel voor TVB als voor ZVB bevonden zich in dezelfde wolk. Indien bovendien rekening wordt gehouden met de variatie op de E- modulus van TVB [6] geraamd op 3 % van het gemiddelde (,7 E cm tot 1,3 E cm ) vallen alle resultaten van ZVB mengsels ruim binnen deze marge. Naast de E-modulus wordt in de literatuur ook vaak de krimp aangehaald als aandachtspunt voor ZVB. Afbeelding 8 (p. 5) geeft een overzicht van de proefresultaten van het WTCB afhankelijk van de Eurocode 2-voorspelling. Deze resultaten tonen aan dat de Eurocode 2 nog steeds een goede voorspelling van het totale krimpgedrag geeft voor de bestudeerde ZVB-mengsels, zeker indien de verwachte 3 % spreiding voor TVB in rekening gebracht wordt (zie Eurocode 2). Een doorgedreven analyse van de resultaten toonde wel aan dat materiaalparameters zoals het vulstoftype, de cement/poeder-verhouding en het poedergehalte wel een belangrijke invloed kunnen hebben op de te verwachten totale krimp. Indien krimp een mogelijk aandachtspunt zou kunnen vormen voor een bepaalde toepassing, dringt ,3 x E cm Eurocode 2 ZVB: literatuur 45 ZVB: WTCB-onderzoek E cm [GPa] ,7 x E cm 25,3 fcm,kubus 2 E cm = 22., TVB: traditioneel verdicht beton F cm, kubus [MPa] Afb. 7 De Eurocode 2 kan de resultaten voor de E-modulus goed voorspellen. 4 WTCB-Dossiers 212/3.4

5 zich, net zoals bij TVB, een doordachte mengselkeuze op waarmee men onder meer op de bovenvermelde parameters kan inspelen. De resultaten van het WTCB-onderzoek in samenwerking met de KU Leuven geven aan dat Eurocode 2-voorspelling [µm/m] Veilige voorspelling met Eurocode 2 de mechanische prestaties van ZVB (voor de onderzochte eigenschappen waaronder treksterkte, E-modulus, aanhechting van wapeningsstaven, dwarskrachtcapaciteit, enz.), in vele opzichten vergelijkbaar zijn met of zelfs beter zijn dan deze van TVB. In het najaar van % Eurocode 2-3 % zal het RILEM bovendien een State-of-the-art report uitbrengen rond de mechanische eigenschappen van ZVB. Het onderzoek dat binnen het WTCB werd uitgevoerd, zal zeker genoeg stof tot discussie leveren binnen het comité dat belast is met de opstelling van dit rapport. n M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 1 1 Onveilige voorspelling met Eurocode Experimenteel opgemeten totale krimp [µm/m] Afb. 8 Experimenteel opgemeten totale krimp van acht types ZVB in vergelijking met de voorspellingen van Eurocode Association Française du Génie Civil Recommandations pour l emploi des bétons auto-plaçants. Parijs, AFGC, Bureau voor Normalisatie NBN EN 26-1 Beton. Deel 1: Specificatie, eigenschappen, vervaardiging en conformiteit. Brussel, NBN, Danish Technological Institute Guidelines foor execution of SCC. Taastrup, DTI, Deutsches Institut für Normung DIN 18218: frischbetondruck auf lotrechte schalungen. Berlijn, DIN, januari 21. Literatuurlijst 5. European Project Group The European Guidelines for Self-Compacting Concrete. Specification, Production and Use. Knowle (GB), EPG (BIBM, CEMBUREAU, ERMCO, EFCA, EFNARC), mei International Federation for Structural Concrete Système International de Réglementation Technique Unifiée des Structures. Volume 2: Code-Modèle CEB-FIP pour les structures en béton. Lausanne, bulletin d information n 124/125-F, International Federation for Structural Concrete The First CEB International Recommendations. Lausanne, FIB, F. Van Der Vurst en J. Peirs Vormfactoren voor poedergebaseerd zelf-verdichtend beton. Gent, UGent, Masterthesis, P. Van Itterbeeck, N. Cauberg, K. Lesage, B. Parmentier en L. Vandewalle Eurocode 2 Predictions vs. mechanical properties of self-compacting concrete, proceedings of SCC212. Design, production and placement of self-consolidating concrete. Montreal, Springer, P. L. Domone A review of the hardened mechanical properties of self-compacting concrete, cement and concrete composite. Londen, University College London, 27, p RILEM TC 174-SCC: Self Compacting Concrete, progress report. Bagneux, RILEM, A.K. Schindler, R.W. Barnes, J.B. Roberts en S. Rodriguez Properties of self-consolidating concrete for prestressed members. Michigan, ACI Materials Journal, 27, p Vereniging van Ondernemers van Betonmortelfabrikanten in Nederland Informatieblad : Zelfverdichtend beton. Veenendaal, VOBN, 26. WTCB-Dossiers 212/3.4 5