zelfheling van thermische scheuren in sandwich panelen
TRANSCRIPT
Zelfheling van thermische scheuren in sandwich panelen Pieter De Backer Promotor: prof. dr. ir. Nele De Belie
Begeleiders: dr. ir. Elke Gruyaert, dr. ing. Kim Van Tittelboom
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde
Vakgroep Bouwkundige Constructies
Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
Academiejaar 2011-2012
Zelfheling van thermische scheuren in sandwich panelen Pieter De Backer Promotor: prof. dr. ir. Nele De Belie
Begeleiders: dr. ir. Elke Gruyaert, dr. ing. Kim Van Tittelboom
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde
Vakgroep Bouwkundige Constructies
Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
Academiejaar 2011-2012
De toelating tot bruikleen
"De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van
de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik.
Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking
tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze
masterproef."
Pieter De Backer 4 juni 2012
Voorwoord In dit voorwoord wil ik mijn dank betuigen aan alle mensen die mij geholpen hebben om mijn scriptie
tot een goed einde te brengen.
Eerst en vooral wil ik Kim en Elke bedanken voor hun uitstekende begeleiding. Bedankt voor jullie
nauwgezette opvolging van mijn werk en voor de vele tips die jullie mij gaven. Bedankt dat jullie
altijd beschikbaar en bereid waren om mij te helpen. Graag bedank ik ook prof. dr. ir. Nele De Belie
voor het aanbrengen van dit thesisonderwerp.
Ook wens ik Wim Moerman te bedanken voor de rondleiding in de productiehal van
sandwichpanelen en Timoty T’jampens voor de hulp tijdens het maken van de sandwichpanelen.
Vervolgens wens ik iedereen te bedanken die mij geholpen heeft bij mijn experimentele studie: Jan
en Peter voor het opstellen van de meetapparatuur, Cédric en Rodney voor het installeren van de
sandwichpanelen, Stefan voor het boren van betonkernen, Marc voor het verzagen van
mortelproefstukken, Dieter en Nicolas om me te helpen bij veel kleine werkjes, Tim voor het helpen
capsules snijden en Django voor het helpen vullen van capsules.
Dank u wel aan mijn ouders voor de vele steun tijdens mijn studies en in het bijzonder tijdens het
werken aan deze thesis. Mijn moeder wil ik nog bedanken voor het nalezen van mijn thesis.
Ten slotte wens ik mijn medestudenten te bedanken voor de vele uren samen thesissen en de nodige
ontspanning tussendoor.
Zelfheling van thermische scheuren in sandwich panelen door
Pieter De Backer
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde
Promotor: prof. dr. ir. Nele De Belie
Begeleiders: dr. ir. Elke Gruyaert, dr. ing. Kim Van Tittelboom
Vakgroep: Bouwkundige Constructies
Voorzitter: prof. dr. ir. Luc Taerwe
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
Universiteit Gent
Academiejaar 2011-2012
Samenvatting
Een geïsoleerd sandwichpaneel dat overdag opwarmt door de zon en ’s nachts afkoelt, gaat
uitbuigen en terugbuigen. Het buigen ontstaat door thermische uitzetting van het buitenblad waar
de zon op schijnt, terwijl het binnenblad niet uitzet. Ontstaan er te grote trekspanningen in het
buitenblad, dan gaat het buitenblad scheuren. Scheuren maken het mogelijk dat water en andere
agressieve stoffen het beton kunnen binnendringen en de wapening kunnen aantasten. Na verloop
van tijd kan deze aantasting de stabiliteit van het sandwichpaneel in het gedrang brengen. Zowel op
esthetisch als op constructief vlak moet een oplossing gezocht worden voor dit probleem.
Het is mogelijk om de sandwichpanelen uit zelfhelend beton te vervaardigen. Capsules gevuld met
helend agens kunnen in het beton ingebed worden. Bij scheurvorming in het buitenblad van het
paneel breken de capsules en laten ze het helend agens vrij. Het helend agens vult de scheur op en
herstelt het beton tot zijn originele toestand.
In deze scriptie worden polyurethanen en waterafstotende middelen getest om ingekapseld te
worden in sandwichpanelen. Het betreft proeven op hechtsterkte van polyurethaan en
waterabsorptie in gescheurde mortelproefstukken geïnjecteerd met polyurethaan of een
waterafstotend middel.
De cyclische opwarming en afkoeling van de panelen wordt gesimuleerd in een opstelling met een
zwaar gewapend sandwichpaneel en een sandwichpaneel uit zelfhelend beton. Met het zwaar
gewapend paneel wordt geprobeerd om minder scheuren te verkrijgen. Bij het sandwichpaneel uit
zelfhelend beton worden vijf verschillende zelfhelende agentia in het buitenblad aangebracht en
wordt gekeken of het beton hersteld wordt in zijn originele toestand.
Trefwoorden: autonome heling, sandwichpanelen, thermische scheurvorming
Self-healing of thermal cracks in sandwich panels
Pieter De Backer
Supervisors: prof. dr. ir. Nele De Belie, dr. ir. Elke Gruyaert, dr. ing. Kim Van Tittelboom
Abstract— Insulated sandwich panels which are exposed to
sun radiation experience the formation of thermal cracks in the
outer layer. As the outer layer expands due to heating by the sun,
while the inner layer remains in place, the sandwich panel will
bend and tensile stresses arise in the outer layer. If the tensile
stresses grow larger than the tensile strength of concrete, crack
formation becomes inevitable. These cracks become visible when
the outer layer is drying after rain, leading to aesthetic problems.
Moreover, through these cracks, aggressive substances can
penetrate the concrete matrix, which may result in concrete
degradation and reinforcement corrosion. By embedding
capsules with healing agents in the outer layer, thermal cracks
can be autonomously healed. Cracking can trigger breakage of
capsules releasing the healing agent which fills up the crack
thanks to polymerization.
Keywords— autonomous healing, sandwich panels, thermal
cracking
I. INTRODUCTION
In the commercial building sector, it becomes more and
more important to use insulated materials to reduce the
heating and cooling costs of the structure. In precast concrete
panels, an additional insulation layer between two concrete
layers results in a huge improvement in thermal insulation of
the material [1]. However, the drawback of this adaptation is
that the risk for thermal cracking increases.
Asomoto et al. [2] studied the influence of solar heating on
the crack formation in a non-insulated concrete panel.
Temperatures of 35 °C were measured at a concrete surface
which was exposed to solar radiation at an exterior
temperature of 14,6 °C. Noticeably more cracks were formed
in comparison with a concrete surface which is not exposed to
the sun. In a sandwich panel, the insulation layer causes an
additional risk for crack formation as the thermal behavior of
the two concrete layers differs upon heating of the panel
resulting in bending of the panel and formation of additional
stresses.
Cracks can be autonomously healed by embedding
encapsulated polyurethanes or water repellent agents in the
concrete. Polyurethanes have already been used as healing
agents in self-healing concrete and have proven to be useful
[3]. Water repellent agents have not yet been used in self-
healing concrete, but have already proven to be efficient as
hydrophobic treatment agent [4].
II. MATERIALS AND METHODS
A. Materials
Prismatic mortar samples with dimensions of
160 mm x 40 mm x 40 mm were used. The mortar was made
with a water-cement ratio of 0.5. The sandwich panels were
P. De Backer, Magnel Laboratory for Concrete Research, Faculty of Civil
Engineering and Architecture, Ghent University (UGent), Gent, Belgium. E-
mail: [email protected] .
manufactured with concrete containing a water-cement ratio
between 0.53 and 0.55 and with a strength class of C30/37.
The thickness of the panels was 20 cm consisting of a 9 cm
thick inner layer, 5 cm polyurethane insulation and a 6 cm
thick outer layer.
Five types of healing agents were encapsulated in a self-
healing panel: PU1 being a 1 component polyurethane, PU2
being a 2 component polyurethane and three different types of
water repellent agents (WM1, WM2 and WM3).
B. Methods
The healing agents should be able to reduce the water
permeability of cracked concrete. To investigate this ability, a
capillary water absorption test was performed on cracked
mortar samples manually healed with the 1 component
polyurethane or one of the three different types of water
repellent agents. With a three-point bending test cracks with a
width of 350 µm were induced in prismatic mortar samples.
Cracks of four series were manually injected with a healing
agent, one series was kept as reference. After a first water
absorption test, a second three-point bending test was
performed and the series were again loaded until an additional
crack width of 350 µm was recorded. Finally, a second water
absorption test was performed to investigate the influence of
reloading of the mortar samples.
In a real scale test setup sandwich panels with a length of
759 cm and a height of 120 cm were thermally loaded until
cracking occurred. The setup consisted of a self-healing
sandwich panel and a heavy reinforced sandwich panel. Glass
capsules filled with the two types of polyurethanes and the
three different types of water repellent agents were embedded
in the self-healing panel to measure the amount of
autonomous healing that occurs because of thermal cracking.
These capsules were placed in different zones per healing
agent along the length of the panel. By connecting the
capsules in groups with a thin steel wire, the capsules could be
put in place rapidly on the formwork panel. The heavy
reinforced sandwich panel served to attract less cracks in the
outer layer of the panel.
III. RESULTS AND DISCUSSION
A. Capillary water absorption test
Except for the cracks in the series injected with the
1 component polyurethane, all cracks in the mortar samples
grew in width because of the second loading. The
polyurethane provided bond strength between the crack faces.
During reloading, the bonding of the polyurethane on the
mortar remained and new cracks were created next to the
healed crack or the bond between the polyurethane and the
mortar fainted and the crack partially reopened. Because of
this, the crack width didn’t increase for this series but
remained the same. Water repellent agents did not bond with
the mortar so the crack widths grew during reloading.
Sorption coefficients represent the speed at which water is
absorbed in cracks and are calculated as the slope of the first
linear part of the curves of the water absorption in function of
the square root of time. This linear part is determined by the
measurements in the first eight hours of the absorption test.
The sorption coefficients after first and second loading are
illustrated in Figure 1.
Figure 1 Sorption coefficient. REF = reference; PU1 = 1 component
polyurethane; WM1, WM2, WM3 = 3 different types of water
repellent agents.
As can be seen in Figure 1, the sorption coefficients of the
reference series (REF) and the series with cracks healed by
water repellent agents (WM1, WM2 and WM3) decreased
after second loading. The decrease in water absorption was
because of the growth in crack width. As a crack grows wider,
the capillary suction becomes less which results in a slower
absorption of water by the crack. Because of the formation of
new cracks and the rupture of bonding between polyurethane
and mortar, the sorption coefficient of the series injected with
PU1 increased after second loading.
B. Thermal loading of sandwich panels
It was calculated that if the outside temperature is 40 °C, a
concrete surface can heat up until 58 °C due to radiation of the
sun, the sky and the surroundings. The sandwich panels in the
test setup were thermally loaded until temperatures of 60 °C
to simulate the real surface temperature. The loading was
performed in cycles with a period of nine hours heating and
fifteen hours of cooling down. Due to the high temperature,
the panels bended and displaced over about 10 mm. This
displacement caused cracks in the outer layers of both panels.
In the self healing panel, capsules broke already after the
first heating cycle. Small cracks with a width of 20 µm
seemed to be enough to trigger breakage of the capsules. Due
to the small crack widths, there was a lot more healing agent
released by the capsules compared to the crack volume. This
resulted in leakage of the healing agent out of the crack. The
polyurethanes ran down the outer layer leaving behind a long
stain, as depicted in Figure 2 (a), while the water repellent
agent WM1 created dark stains on the surface, as can be seen
in Figure 2 (b). The dark stain became brighter thanks to
polymerization of the water repellent agent. No stains were
detected in the zones filled with capsules containing WM2
and WM3. In these zones, few cracks were formed and there
was no certainty that capsules broke due to crack formation.
Figure 2 Breakage of capsules due to cracking in (a) a zone filled
with capsules containing PU1 (b) a zone filled with capsules
containing WM1.
The main reason for early breakage of the capsules was the
concrete cover of the capsules. It was tried to obtain a cover of
about 10 mm during manufacturing of the panel, but the cover
was much lower and amounted 1,96 ± 0,16 mm. The drift up
of the capsules is possibly hindered by the connection of the
capsules. In comparison to the self-healing panel, less cracks
were formed in the heavy reinforced panel, but there was no
significant difference in crack width.
IV. CONCLUSIONS
Polyurethanes and water repellent agents are able to reduce
the water permeability of cracks. Cracks treated with water
repellent agents remain water tight upon reloading, while
polyurethanes can lose their bond with the crack surface
resulting in an increased water absorption. By producing a
polyurethane which can withstand more elastic deformation
the bond with the crack surface could remain unchanged so
the polyurethane wouldn’t lose his water impermeability.
The test setup for the creation of thermal cracks in sandwich
panels was a good simulation of the natural process of crack
formation. Thermal cracks were formed in the outer layer, but
the capsules broke too early due to the low concrete cover of
the capsules. A solution needs to be found to obtain more
concrete cover. In case glass capsules are used, one can place
them loose on the formwork panel without connecting the
capsules in groups, so each capsule is free to drift up to a
height of about 10 mm in the concrete. Another solution can
be found by searching for other materials to encapsulate the
healing agents so the capsules can be mixed in the concrete.
ACKNOWLEDGEMENTS
The author would like to acknowledge prof. dr. ir. Nele De
Belie, dr. ing. Kim Van Tittelboom and dr. ir. Elke Gruyaert
for their valuable support.
REFERENCES
[1] David C. Salmon, Amin Einea, Maher K. Tadros, Todd D. Culp, Full
scale testing of precast concrete sandwich panels, ACI Structural Journal, vol. 94, pp. 354-362, Jul-Aug 1997.
[2] Shingo Asomoto, Ayumu Ohtsuka, Yuta Kuwahara, Chikako Miura,
Study on effects of solar radiation and rain on shrinkage, shrinkage cracking and creep of concrete, Cement and Concrete Research, vol.
41, pp. 590-601, Jun 2011.
[3] Kim Van Tittelboom, Nele De Belie, Denis Van Loo, Patric Jacobs, Self-healing efficiency of cementitious materials containing tubular
capsules filled with healing agent, Cement & Concrete Composites,
vol. 33, pp. 497-505, Apr 2011. [4] Jian-Guo Dai, Y. Akira, F.H. Wittmann, H. Yokota, Peng Zhang,
Water repellent surface impregnation for extension of service life of
reinforced concrete structures in marine environments: The role of cracks, Cement & Concrete Composites, vol. 32, pp. 101-109, Feb
2010.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
REF PU1 WM1 WM2 WM3
Sorp
tio
n c
oe
ffic
ien
t [k
g/(m
².u
0,5
)]
after 1st loading
after 2nd loading
i
Inhoudstafel Hoofdstuk 1 Inleiding ............................................................................................................................... 1
Hoofdstuk 2 Literatuurstudie ................................................................................................................... 2
2.1. Sandwichpanelen .......................................................................................................................... 2
2.1.1. Ontstaan van sandwichpanelen ............................................................................................. 2
2.1.2. Productie van sandwichpanelen ............................................................................................ 3
2.1.2.1. Buitenblad ....................................................................................................................... 3
2.1.2.2. Isolatielaag ...................................................................................................................... 3
2.1.2.3. Binnenblad ...................................................................................................................... 3
2.1.3. Gedrag van sandwichpanelen ................................................................................................ 4
2.1.4. Opwarming van beton door de zon ....................................................................................... 6
2.1.5. Problemen door scheurvorming ............................................................................................ 8
2.1.5.1. Corrosie van wapeningsstaal door carbonatatie ............................................................ 8
2.1.5.2. Corrosie van wapeningsstaal door chloride-indringing .................................................. 9
2.2. Zelfheling van beton ..................................................................................................................... 9
2.2.1. Zelfhelende materialen .......................................................................................................... 9
2.2.2. Autogene heling ................................................................................................................... 10
2.2.3. Autonome heling.................................................................................................................. 11
2.2.3.1. Inkapselen van helende agentia ................................................................................... 11
2.2.3.2. Waterafstotende middelen als helend agens ............................................................... 13
2.2.3.3. Polyurethaan als helend agens ..................................................................................... 16
Hoofdstuk 3 Materialen en methoden .................................................................................................. 19
3.1. Materialen ................................................................................................................................... 19
3.1.1. Mortel .................................................................................................................................. 19
3.1.2. Beton .................................................................................................................................... 19
3.1.3. Wapening ............................................................................................................................. 20
3.1.4. Capsules ............................................................................................................................... 20
3.1.5. Polyurethaan als helend agens ............................................................................................ 21
3.1.6. Waterafstotend middel als helend agens ............................................................................ 21
3.1.7. Mortelproefstukken ............................................................................................................. 22
3.1.7.1. Prismatische mortelproefstukken ................................................................................. 23
3.1.7.2. Cilindrische mortelproefstukken................................................................................... 24
3.1.8. Betonnen panelen ................................................................................................................ 24
ii
3.1.8.1. Panelen met thermische scheurvorming ...................................................................... 24
3.1.8.2. Panelen om thermische scheurvorming te simuleren .................................................. 24
3.2. Methoden ................................................................................................................................... 28
3.2.1. Creëren van scheuren .......................................................................................................... 28
3.2.1.1. Driepuntsbuigproef ....................................................................................................... 28
3.2.1.2. Scheurvorming door thermische belasting ................................................................... 29
3.2.2. Herstellen van scheuren ...................................................................................................... 29
3.2.2.1. Manueel herstel ............................................................................................................ 29
3.2.2.2. Autonoom herstel ......................................................................................................... 29
3.2.3. Scheurwijdtes en -dieptes bepalen ...................................................................................... 29
3.2.4. Trekproef .............................................................................................................................. 31
3.2.5. Contactoppervlak en trekspanning van polyurethaan bepalen .......................................... 34
3.2.6. Capillaire waterabsorptie ..................................................................................................... 36
3.2.7. Invloed van herbelasting op de capillaire waterabsorptie .................................................. 38
3.2.8. Breuk van de glazen capsules .............................................................................................. 38
3.2.9. Proeven op de sandwichpanelen ......................................................................................... 39
3.2.9.1. Simulatie in Trisco ......................................................................................................... 39
3.2.9.2. Simulatie in Scia Engineer ............................................................................................. 42
3.2.9.3. Opstelling sandwichpanelen voor simulatie van thermische belasting ........................ 45
3.2.9.4. Eerste test op thermische belasting van sandwichpanelen ......................................... 48
3.2.9.5. Thermische belasting van een zelfhelend sandwichpaneel en van een zwaar
gewapend sandwichpaneel........................................................................................................ 50
3.2.9.6. Wateropname bepalen ................................................................................................. 51
3.2.9.7. Kleurschakeringen meten ............................................................................................. 51
3.2.10. Statistische verwerking ...................................................................................................... 52
Hoofdstuk 4 Resultaten en discussie ..................................................................................................... 53
4.1. Werkelijke scheuren in de sandwichpanelen ............................................................................. 53
4.1.1. Scheurpatroon ..................................................................................................................... 53
4.1.2. Scheurwijdte en scheurdiepte ............................................................................................. 54
4.2. Breuk van glazen capsules bij scheurvorming ............................................................................ 57
4.2.1. Proefstukken gebogen tot een scheurwijdte van 200 µm ................................................... 57
4.2.2. Proefstukken gebogen tot een scheurwijdte van 300 µm ................................................... 58
4.2.3. Proefstukken gebogen tot een scheurwijdte van 400 µm ................................................... 59
4.3. Capillaire waterabsorptie ............................................................................................................ 60
iii
4.4. Invloed van herbelasting op capillaire waterabsorptie .............................................................. 64
4.5. Hechting van het helend agens PU1 aan mortel ........................................................................ 69
4.5.1. Maximale trekbelasting ....................................................................................................... 69
4.5.2. Contactoppervlak tussen PU1 en mortel ............................................................................. 70
4.5.3. Maximale trekspanning........................................................................................................ 71
4.6. Thermische belasting van de sandwichpanelen ......................................................................... 73
4.6.1. Temperatuurverloop en verplaatsing van de panelen ........................................................ 73
4.6.2. Scheurvorming in de sandwichpanelen ............................................................................... 77
4.6.3. Temperatuurverloop en verplaatsing bij hogere temperaturen ......................................... 81
4.6.4. Scheurvorming bij hogere temperaturen ............................................................................ 84
4.7. Thermische belasting van het zelfhelend paneel en het zwaar gewapend paneel .................... 85
4.7.1. Temperatuurverloop en verplaatsing van de panelen ........................................................ 85
4.7.2. Toestand voor scheurvorming ............................................................................................. 88
4.7.3. Scheurvorming in de sandwichpanelen ............................................................................... 90
4.7.4. Herstel van scheuren in het zelfhelend sandwichpaneel .................................................... 93
4.7.5. Verkleuringen op het betonoppervlak door helende agentia ............................................. 96
4.7.6. Wateropname ...................................................................................................................... 97
Hoofdstuk 5 Conclusies .......................................................................................................................... 99
Bijlage A................................................................................................................................................ 101
Bibliografie ........................................................................................................................................... 102
iv
Tabel van afkortingen en symbolen
Afkorting/symbool Betekenis Eenheid
ANOVA Analysis of Variance -
APU1 Oppervlakte aan hechting tussen PU1 en mortel [mm²]
as Absorptiefactor -
Ca(OH)2 Calciumhydroxide -
CaCO3 Calciumcarbonaat -
CaO Ongebluste kalk -
Cl- Chloorionen -
CO2 Koolstofdioxide -
C-S-H Calcium silicaat hydraat -
D Diffusiecoëfficiënt -
ECC Engineered Cementitious Composites -
Fe(OH)2 Ijzerdihydroxide -
Fe(OH)3 Ijzertrihydroxide -
Fe++, Fe+++ Ijzerionen -
Fe2O3 Ijzeroxide -
FeCl2 Ijzerdichloride -
FeCl3 Ijzertrichloride -
Fssky Hoekfactor vlak-hemelkoepel -
Ft,max Maximale trekbelasting [N]
GSW Gewenste scheurwijdte [mm]
H2O Water -
Is Kortgolvige irradiantie van de zon [W/m²]
KWS Koolwaterstof -
L Lengte van een paneel [m]
LVDT Linear Variable Differential Transformer -
m% Massaprocent [%]
n Ventilatievoud [1/u]
-N=C=O Isocyanaatgroep -
-NH-(C=O)-O- Urethaan -
-OH Alcoholgroep -
P Permeabiliteitscoëfficiënt -
pH Zuurtegraad -
PIR Polyisocyanuraat -
PS Polystyreen -
PU Polyurethaan -
q Warmtetoevoer [W/m²]
R²-waarde Determinatiecoëfficiënt -
RV Relatieve vochtigheid [%]
v
S Oplosbaarheidscoëfficiënt -
SiO2 Siliciumdioxide -
V Volume [m³]
W/C-factor Water/cement factor -
WM Waterafstotend middel -
α Thermische uitzettingscoëfficiënt [1/°C]
α Convectiecoëfficiënt [W/m²K]
αce Convectieve overgangscoëfficiënt aan het buitenoppervlak [W/m²K]
αre Stralingsovergangscoëfficiënt aan het buitenoppervlak [W/m²K]
ΔL Lengteverandering van een paneel [m]
ΔT Temperatuurverandering [°C]
Δθ Temperatuurverschil [°C]
Δθsky Verschil tussen buitentemperatuur en stralingstemperatuur hemelkoepel [°C]
ε Rek [mm/m]
θe Buitentemperatuur [°C]
θe Binnentemperatuur [°C]
θref,e Referentietemperatuur [°C]
λ Conductiecoëfficiënt [W/mK]
ρa.ca Volumieke warmtecapaciteit [J/m³K]
σ Spanning [N/mm²]
σmid Spanning in het midden van het paneel [N/mm²]
φvent Ventilatievermogen [kW]
1
Hoofdstuk 1
Inleiding
Een frequent voorkomend probleem bij geïsoleerde sandwichpanelen is dat er thermische scheuren
ontstaan in het buitenblad. Door opwarming door de zon warmt het buitenblad op en gaat het in
lengterichting uitzetten, terwijl het binnenblad niet uitzet. Door dit fenomeen onstaan
trekspanningen in het buitenblad. Overschrijden deze spanningen de treksterkte van beton, dan
treedt onvermijdelijk scheurvorming op. Agressieve stoffen kunnen deze, aanvankelijk kleine
scheuren, binnendringen en van binnenuit zorgen voor aantasting van het beton.
In deze thesis wordt geprobeerd dit probleem op te lossen met behulp van zelfhelend beton. Door
capsules met helende agentia aan te brengen in het buitenblad van het paneel kunnen de
thermische scheuren autonoom geheeld worden. Bij scheurvorming in het buitenblad breken de
capsules en laten ze het helend agens vrij. Het agens gaat polymeriseren in de scheur en vult zo de
scheur op.
Voor enkele betonpanelen waarbij thermische scheurvorming was opgetreden, werden de
scheurwijdtes en scheurlengtes opgemeten zodat deze scheuren konden nagebootst worden in labo-
omstandigheden. Er werd onderzocht of de capsules braken bij scheuren met dergelijke wijdte.
Verder werd er gezocht naar geschikte polyurethanen en waterafstotende middelen om te gebruiken
als helende agentia door ze te testen op waterdichtheid en sterkte. Uit deze middelen werd een
selectie gemaakt om in te kapselen in glazen capsules en aan te brengen in een sandwichpaneel. Dit
zelfhelend paneel werd uiteindelijk in het labo op thermische belasting beproefd om te zien of
autonome heling optrad in het buitenblad.
2
Hoofdstuk 2
Literatuurstudie
2.1. Sandwichpanelen
2.1.1. Ontstaan van sandwichpanelen
Met de stijgende energiekost en de gewaarwording van de effecten van de opwarming van de aarde
is de nood aan energie-efficiënt ontwerpen en bouwen zeer hoog. De effecten van global warming
kunnen op twee manieren gereduceerd worden: het verbruik van fossiele brandstoffen verminderen
en materialen recycleren. In de bouw kan de consumptie van fossiele brandstoffen en de
verspreiding van broeikasgassen verminderd worden door goed isolerende materialen aan te
wenden. De prefabindustrie blijft hier niet bij stilstaan en onderzoekt eveneens hoe betonnen
elementen een hogere isolatiewaarde kunnen verkrijgen [1].
De vollewandelementen voldoen inzake hun isolatiewaarde niet altijd aan de vraag van de
bouwheer. Sommige productiehallen moeten een evenwichtige binnentemperatuur kunnen
garanderen, ongeacht of het winter of zomer is. Het gebruik van isolatiematerialen in de
wandelementen leidt tot een grote verbetering.
Het isolatiemateriaal wordt in een “sandwich” configuratie aangebracht tussen twee evenwijdige
lagen beton. Zo ontstaat een buitenblad, een binnenblad en een isolerende laag tussen de twee
bladen, zoals weergegeven in Figuur 2-1. Het buitenblad kan een glad oppervlak hebben, maar kan
ook een patroon of een uitgewassen oppervlak hebben, waarbij de granulaten dan zichtbaar zijn. De
meest gebruikte isolerende materialen zijn polystyreen (PS), polyurethaan (PU) en polyisocyanuraat
(PIR), weergegeven volgens stijgende isolatiekwaliteit. Door de panelen te voorzien van een tand aan
de bovenkant en een groef aan de onderkant kunnen de panelen verticaal op elkaar geplaatst
worden [2].
Figuur 2-1: Samenstelling van een sandwichpan eel [3]
3
2.1.2. Productie van sandwichpanelen
De productiesite van sandwichpanelen omvat een stockageplaats voor grondstoffen, een grote hal
waar de elementen geproduceerd worden en een stockageplaats voor de afgewerkte panelen.
Aan het begin van de hal staan de silo’s met de grondstoffen om beton te maken. Door middel van
een betonkuip kan op elke plaats in de hal beton gestort worden. In de hal is een railsysteem
gemonteerd om de betonkuip in langse richting te verplaatsen. In dwarse richting gebeurt de
verplaatsing met behulp van een kraanbaanligger. In de hal zijn in een aantal lijnen bekistingstafels
gezet. Op elke tafel kunnen wandelementen gemaakt worden.
2.1.2.1. Buitenblad
De nodige wapening voor het buitenblad wordt op de tafel geplaatst. Puntige afstandshouders
houden de wapening op een redelijke afstand van de tafel en dankzij de puntige vorm is de
afstandhouder niet zichtbaar in het buitenvlak. Het buitenblad is licht gewapend. Een wapeningsnet
met diameter 5 mm en maaswijdte 15 cm kan al voldoende zijn. In deze fase worden de connectoren
geplaatst die de verankering tussen de twee betonnen bladen verwezenlijken. De eerste laag beton
kan gestort worden. Doordat de bekistingstafels uit staal vervaardigd zijn, wordt een glad
buitenoppervlak verkregen. Panelen met een ruw oppervlak of met een patroon in het oppervlak
kunnen ook gemaakt worden. Een ruw oppervlak wordt verkregen door het bekistingspaneel met
een bindingsvertrager in te smeren. Op die manier verhardt de oppervlaktelaag van het beton
minder snel en kan deze laag uitgewassen worden met water onder hoge druk. Door matten met een
motief op het bekistingspaneel te leggen vooraleer er beton gestort wordt, kan een betonoppervlak
met een patroon verkregen worden.
2.1.2.2. Isolatielaag
Na het storten van de eerste laag beton wordt het beton verdicht door de bekistingstafel even te
laten trillen. Onmiddellijk daarna worden isolatieplaten op de eerste betonlaag gelegd. Krammen
doorheen de isolatielaag zorgen voor de hechting van de isolatie aan het buitenblad.
2.1.2.3. Binnenblad
Op de isolatielaag worden afstandshouders geplaatst met daarop het wapeningsnet voor het
binnenblad. Op het wapeningsnet worden stalen staven met een grotere diameter dan het
onderliggende net geplaatst om kromming van het paneel tegen te gaan. In het binnenblad worden
nog twee verankeringen aangebracht waarop later dan hijslussen kunnen geschroefd worden. De
bevestigingselementen worden in deze laag aangebracht om later de verbinding te kunnen maken
tussen het wandelement en de kolommen.
Ongeveer een dag na het storten worden de panelen ontkist. Om te ontkisten, wordt de
bekistingstafel gedraaid over 90 graden zodat het paneel verticaal opgetild kan worden. Met behulp
van de kraanbaanligger wordt het paneel in de stockageplaats gezet. Deze stockageplaats bevindt
zich meestal buiten en beslaat een grote oppervlakte van de site. Elk paneel krijgt een label. Door het
label in te scannen is het mogelijk om de gps-coördinaten van het paneel op te slaan. Zo is het niet
moeilijk om het gewenste paneel terug te vinden.
4
2.1.3. Gedrag van sandwichpanelen
Het structureel gedrag van sandwichpanelen is sterk afhankelijk van de connectoren tussen de twee
bladen. Sandwichpanelen kunnen zich gedragen als volledig composiet, gedeeltelijk composiet of als
niet composiet. Hierbij zullen ofwel één blad ofwel beide bladen bijdragen aan de krachtsafdracht
respectievelijk in het geval van niet composiet en volledig composiet [2] [3] [4]. Bij een gedrag van
het paneel als volledig composiet dragen beide betonlagen krachten af tot volledige breuk zich
voordoet. De connectoren tussen de bladen zorgen voor een volledige overdracht van
schuifkrachten. Breuk van het paneel treedt ofwel op door het verbrijzelen van het beton ofwel door
het vloeien van het wapeningsstaal zonder breuk van de connectoren. Het rekverloop is lineair over
de dikte van het sandwichpaneel, zoals weergegeven in Figuur 2-2 (a). In het tegenovergestelde geval
gedraagt het sandwichpaneel zich niet als composiet. De betonnen bladen dragen onafhankelijk van
elkaar krachten af en de connectoren brengen geen schuifkrachten over, zoals in Figuur 2-2 (c). Soms
dient enkel het binnenblad om krachten af te dragen waarmee een rekverloop zoals weergegeven in
Figuur 2-2 (d) overeenkomt. Een sandwichpaneel werkt gedeeltelijk als composiet indien een fractie
van de schuifkrachten wordt doorgegeven door de connectoren tussen de twee bladen. In dit geval
breken de connectoren voordat het wapeningsstaal vloeit of het beton breekt en kent het systeem
een rekverloop zoals in Figuur 2-2 (b) [3].
Figuur 2-2: Rekverloop in sandwichpaneel bij buiging [3]
De connectoren bepalen dus het gedrag van het sandwichpaneel: composiet, gedeeltelijk composiet
of niet composiet. Een verbinding tussen de panelen met glasvezelversterkte polymeren, zoals in
Figuur 2-3 (a), of met enkelvoudige stalen staven, is niet in staat schuifkrachten door te geven en het
sandwichpaneel zal niet werken als composiet. De configuratie in Figuur 2-3 (b) bezit een vakwerk of
tralie als connector en doet het sandwichpaneel werken als een composiet. Dit vakwerk kan uit staal
zijn of kan gemaakt worden door een vezelversterkt polymeer afwisselend te buigen rondom de
wapening van het buitenblad en de wapening van het binnenblad.
Figuur 2-3: Configuratie van sandwichpanelen: (a) niet composiet; (b) composiet [5]
5
Andere veelgebruikte connectoren zijn gemaakt uit inox zoals het cilinderanker in Figuur 2-4 en het
plaatanker in Figuur 2-5. Deze connectoren zijn boven- en onderaan geperforeerd met gaten zodat
met behulp van extra wapening een verbinding kan gemaakt worden met het betonnen blad. In
Figuur 2-6 en Figuur 2-7 zijn respectievelijk een sandwichpaneel-draaganker en connectorpinnen die
kunnen zorgen voor een zekere graad van composietwerking weergegeven [6].
Figuur 2-4: Cilinderanker [6]
Figuur 2-5: Plaatanker [6]
Figuur 2-6: Sandwichpaneel-draaganker [6]
Figuur 2-7: Connectorpinnen [6]
De thermische efficiëntie van het sandwichpaneel wordt door de connectoren wel verlaagd
aangezien het isolatiemateriaal doorboord wordt door de connectoren. Het gebruik van thermisch
minder geleidende materialen zoals vezelversterkte polymeren in plaats van staal is voordelig. Zo
maakten Pantelides et al., 2008 connectoren uit glasvezelversterkte polymeren in de vorm van holle
vierkanten buizen. Deze connectoren zijn succesvol om schuifkrachten over te brengen en zorgen
voor een structureel gedrag als composiet [5].
Om het scheurgedrag van sandwichpanelen te bestuderen, voerden Benayoune et al., 2007 een
buigproef uit waarbij de panelen horizontaal werden opgesteld. De sandwichpanelen met
afmetingen 2,0 m x 0,75 m werden eenvoudig opgelegd op de 2 korte zijden en onderworpen aan
twee lijnbelastingen over de volledige breedte van de panelen. Tussen de bladen werden 3 langse
connectoren aangebracht, bestaande uit een zigzag geplooide staaf, dus in de vorm van een vakwerk.
Met een hydraulische pomp werden de krachten op de panelen systematisch opgedreven tot breuk
zich voordeed. Een typisch scheurpatroon van het onderste blad van het paneel is te zien in Figuur
2-8. De eerste scheuren treden op na een belasting die 55 % bedraagt van de breukbelasting. Het
scheurpatroon is gelijkaardig aan dat van conventionele massieve beton platen met scheuren die zich
loodrecht op de richting van de trekspanningen bevinden [3].
6
Figuur 2-8: Scheurpatroon onderste blad sandwichpaneel [3]
2.1.4. Opwarming van beton door de zon
Een betonoppervlak blootgesteld aan de zon warmt op. De oppervlaktetemperatuur van het beton
kan daarbij veel hoger worden dan de omgevingstemperatuur. Er zijn drie stralingsbronnen die
zorgen voor de opwarming van een constructieoppervlak:
- De kortgolvige irradiantie van de zon op het oppervlak
- De langgolvige straling van de hemelkoepel op het oppervlak
- De straling van de directe omgeving (grond, omliggende bebouwing...) op het oppervlak
Met deze drie vormen van straling komt een referentietemperatuur van de buitenomgeving overeen.
Dit is de temperatuur die een constructieoppervlak ervaart bij een zekere buitentemperatuur. Deze is
verschillend voor elk constructieoppervlak en is afhankelijk van de helling en oriëntatie van het
oppervlak en van de absorptiefactor van het gebruikte materiaal [7].
Deze verhoogde temperaturen versterken de krimp van het beton. Krimp treedt sowieso op en is een
volumevermindering van het uitgehard beton door verlies aan water en hierdoor ontstaan
spanningen in het beton. Trekspanningen die te groot worden, kunnen de treksterkte van beton
overschrijden waardoor scheuren zullen gevormd worden. Een verhoogde temperatuur van het
betonoppervlak bevordert het verdampen van het water in de toplaag. Meer verlies aan water
resulteert in meer krimpspanningen waardoor scheuren worden gevormd [8].
Bij een gemiddelde omgevingstemperatuur van 14,6 °C en een relatieve vochtigheidsgraad van
63,3 % registreerden Asamoto et al., 2011 de oppervlakte- en interne temperatuur van een
betonoppervlak [9]. Het verschil tussen de oppervlaktetemperatuur en de interne temperatuur bleef
kleiner dan 2 °C. Het bijhorende kleine verschil in thermische rek tussen het oppervlak en het
inwendige van het beton heeft maar een kleine bijdrage in de vorming van krimpscheuren.
Betonoppervlakken die niet blootgesteld zijn aan de zon (N in Figuur 2-9) hebben overdag een
temperatuur die ongeveer 10 °C lager is dan de oppervlakken die wel onderhevig zijn aan
zonnestraling (S in Figuur 2-9). De opwarming van het beton kan overdag oplopen tot ongeveer 35 °C
terwijl deze ’s nachts terug daalt tot ongeveer 15 °C. Dit cyclisch temperatuurverschil tussen buiten-
en binnentemperatuur kan leiden tot verlies van inherent water en vorming van interne spanningen
in het beton met scheurvorming als gevolg.
7
Figuur 2-9: Temperatuur van een betonoppervlak [9]
In Tabel 2-1 zijn voor verschillende weersomstandigheden het aantal krimpscheuren in het
betonoppervlak op 110 dagen, 180 dagen en 280 dagen na ontkisten weergegeven [9]. Zonnestraling
op het betonoppervlak (S) verhoogt opmerkelijk het vormen van krimpscheuren en de eerste
scheuren zijn ook vroeger merkbaar. Bij zon en regen (SR) vormen er zich veel minder scheuren
aangezien het verlies aan water wordt gecompenseerd. Beton met een lagere W/C factor krijgt bij
elke conditie meer krimpscheuren in het vlak wat waarschijnlijk komt doordat de hechting tussen het
beton en het wapeningsstaal sterker is.
Tabel 2-1: Aantal krimpscheuren bij zon (S),
bij geen zon en geen regen (N) en bij zon en regen ( SR) [9]
Sandwichpanelen ervaren na montage een verschillende temperatuur aan het binnen- en het
buitenblad. Door de tussenliggende isolatielaag is er een temperatuurverschil tussen beide
betonlagen. Het binnenblad ondergaat een evenwichtige binnentemperatuur terwijl het buitenblad
onderhevig is aan cyclisch variërende buitentemperaturen. De betonbladen zullen zich anders
gedragen en door dit verschil in thermisch gedrag van buiten- en binnenblad gaat het
sandwichpaneel uitbuigen. De lineaire thermische expansie en compressie wordt berekend met
Vergelijking (2-1) [10].
(2-1)
Waarbij verandering in lengte van het paneel [m]
L = initiële lengte van het paneel [m]
thermische uitzettingscoëfficiënt [1/°C]
verandering van de temperatuur [°C]
De thermische verplaatsing van het beton is recht evenredig met de lengte en de verandering van
temperatuur. Bij een stijging van de buitentemperatuur zal het buitenblad uitzetten en bij een daling
8
van de buitentemperatuur gaat het buitenblad krimpen. Dit zorgt respectievelijk voor een uitbuiging
naar buiten toe en het terugkeren naar de beginpositie. De temperatuur van de buitenomgeving
schommelt dagelijks tussen een hoge temperatuur overdag en een lage temperatuur ’s nachts.
Devalapura et al., 2002 simuleerden het effect van deze temperatuurschommelingen op panelen met
verschillende diktes met behulp van het programma BLAST. Op basis van temperatuurmetingen in
5 verschillende steden in de Verenigde Staten bepaalden ze per stad de graaddagen. Het programma
BLAST berekent met invoer van de graaddagen de temperatuurverschillen tussen buiten- en
binnenblad. Met behulp van Vergelijking (2-1) kunnen de temperatuurgradiënten omgezet worden in
deflecties van het buitenblad. Daarvoor is een paneellengte van 12,2 m en een thermische
uitzettingscoëfficiënt van 6 x 10-6 1/°C gekozen. Hieruit vonden ze dat de deflectie in het vlak van het
blad toeneemt met toenemende dikte van de isolatielaag en dat bij het paneel met de dikste
isolatielaag een maximale deflectie van 7,34 mm bereikt wordt. De deflectie kan dus oplopen tot
deze waarde bij hoge temperaturen overdag en keert ’s nachts gedeeltelijk of volledig terug naar zijn
originele positie. Door deze cyclische vervormingen van het sandwichpaneel ontstaan scheuren in
het buitenblad [10].
2.1.5. Problemen door scheurvorming
Een eerste probleem bij scheurvorming in het buitenblad is dat het scheurpatroon heel goed
zichtbaar is, zeker tijdens het drogen van het paneel na een regenbui. Het tweede probleem is dat
agressieve gassen en vloeistoffen via de scheuren het beton kunnen binnendringen en de wapening
kunnen aantasten, wat de duurzaamheid van de sandwichpanelen zeker niet ten goede komt. De
sterkte van de wapening kan bovendien in het gedrang komen door:
- Corrosie van de wapening door carbonatatie
- Corrosie van de wapening door chloride-indringing
2.1.5.1. Corrosie van wapeningsstaal door carbonatatie
In de cementpasta bevindt zich Ca(OH)2 dat zorgt voor een sterk alkalisch milieu in het verhard
beton. De pH-waarde bedraagt ongeveer 13 waardoor op het wapeningsstaal een beschermende
laag gevormd wordt. De beschermende laag bestaat uit Fe2O3 en vermijdt corrosie van het
wapeningsstaal. De carbonatatiereactie wijzigt het alkalisch milieu en de beschermende laag van het
wapeningsstaal wordt aangetast [8].
De reactievergelijking van carbonatatie is weergegeven in Vergelijking (2-2). De CO2-moleculen uit de
lucht dringen het beton binnen en reageren met calciumhydroxide, een reactieproduct bij
cementhydratatie. De eindproducten van deze reactie zijn calciumcarbonaat en water en door deze
reactie daalt de pH-waarde van het beton. De wapening bevindt zich in een milieu dat zuurder wordt
en corrosie van het staal vindt plaats [11].
(2-2)
Naast de reactie van calciumhydroxide met CO2 uit de lucht kan nog een tweede carbonatatiereactie
voorkomen in het beton. Het calcium silicaat hydraat dat bestaat uit
carbonateert op een gelijkaardige manier als calciumhydroxide, maar
waarschijnlijk trager dan het zuiver calciumhydroxide [12].
9
2.1.5.2. Corrosie van wapeningsstaal door chloride-indringing
Betonoppervlakken worden dikwijls blootgesteld aan dooizouten of aan zout water in mariene
omgevingen. Indringing van zout in beton kan aantasting van de wapening veroorzaken. Zout water
bevat chloride-ionen die de beschermende laag van het wapeningsstaal aantasten en corrosie van
het staal doen optreden. De corrosie door chloride-ionen is een continu proces omdat de ionen niet
geconsumeerd worden in de chemische reacties [13]. In Vergelijking (2-3) reageren de vrije chloride-
ionen met de ijzerionen. Door hydrolyse ontbinden de ijzerchlorides terug in ionen, zoals
weergegeven in Vergelijking (2-4).
(2-3)
(2-4)
De vrijgekomen chloride-ionen kunnen dan opnieuw het staal corroderen. Corrosie door chlorides is
één van de meest gevaarlijke corroderende processen net omdat het een continu proces is. Door de
diffusie van chlorides in het beton, de capillaire zuiging en de permeabiliteit van het beton te
verminderen, kan indringing van chlorides gereduceerd of volledig voorkomen worden.
2.2. Zelfheling van beton
2.2.1. Zelfhelende materialen
In de bouw wordt meer en meer de aandacht gevestigd op de duurzaamheid van materialen. Kleine
scheuren in materialen vormen op korte termijn geen gevaar, maar kunnen op lange termijn
resulteren in een degradatie van de materialen. Materiaalkundigen zijn dan ook bezig met
materialen te ontwikkelen die in staat zijn zichzelf te herstellen. Deze onderzoeken leiden tot een
hele reeks van smart materials [14].
Tegenwoordig wordt er uitgebreid onderzoek gedaan naar zelfheling van verschillende materialen
waaronder metalen, polymeren, keramiek, asfalt, beton, coatings... Deze bevinden zich meestal nog
in een vroeg stadium van de ontwikkeling. Alhoewel er toch al enkele zijn doorgebroken in de
commerciële sector zoals krashelende verflagen voor de automobielindustrie (Nissan Motor Co.,
2005).
De New Composite Materials kunnen ingedeeld worden volgens het schema getoond in Figuur 2-10.
Veel van de zelfhelende materialen vallen onder de smart structures. Deze systemen zijn
composieten van conventionele materialen die dankzij specifieke eigenschappen van elke
component opgewaardeerd worden. De materialen kunnen autonome heling en/of autogene heling
ondergaan. Bij autonome heling komt bij scheurvorming een helend agens vrij uit de gebroken
capsules. Het helend agens vloeit uit de capsules en vult de ontstane scheuren op. Bij autogene
heling bezit het materiaal zelf de mogelijkheid om zich te helen. Er is ook telkens een onderverdeling
in actieve en passieve heling. Bij actieve heling van het materiaal is hulp van buitenaf nodig om het
helingsproces op gang te trekken. In de passieve mode gebeurt de heling zonder interactie van de
mens.
10
Figuur 2-10: Schema van new composite materials [14]
Scheurvorming in beton is onvermijdelijk. De meest voorkomende scheuren zijn microscheuren die
ontstaan door belasting, thermische effecten, krimp... Deze scheuren vormen geen direct gevaar
voor het draagvermogen van de constructie, maar agressieve gassen en vloeistoffen die in de
scheuren binnendringen en de wapening aantasten zijn wel een grote bedreiging en hebben een
grote invloed op de levensduur van de constructie. Ook op esthetisch vlak zijn microscheuren niet
gewenst. Tijdens het drogen van het beton na een regenbui wordt het volledige scheurenpatroon
zichtbaar. Zelhelende materialen kunnen een oplossing bieden om deze problemen te voorkomen en
om de kosten voor herstellingen en onderhoud aan constructies te drukken. De investering in
zelfhelend beton ligt hoger dan gewoon beton, maar op termijn kan het product zeker renderen.
Beton is dan ook nog één van de meest gebruikte materialen in de bouwsector, wat het onderzoek
naar zelfhelend beton heel interessant maakt [14].
2.2.2. Autogene heling
Beton heeft de eigenschap om zelf scheuren te herstellen. Er zijn verschillende processen die voor
deze autogene heling kunnen zorgen [15].
Verdergaande hydratatie van de cementpasta
Zwelling van C-S-H
Vastzetten van calcium carbonaatkristallen
Blokkeren van de scheuren door afzetting van onzuiverheden in het water
Blokkeren van de scheuren door afzetting van betondeeltjes die vrijgekomen zijn bij het
scheuren
Het beton kan zichzelf helen als de carbonatatiereactie kan doorgaan. Het gehydrateerde cement
bevat calcium dat in kleine hoeveelheden opgelost kan worden in vloeiend water. Bij aanwezigheid
van koolstofdioxide uit de atmosfeer kan dit calciumbevattend water calciumcarbonaatkristallen
vormen op plaatsen waar een holte of scheur is. De formule van deze reactie is gegeven in
Vergelijking (2-5).
(2-5)
Hoe kleiner de scheurwijdte, hoe sneller de scheur gedicht kan worden door autogene heling. Hogere
omgevingstemperaturen zijn nog extra gunstig om snellere zelfheling te verkrijgen [16]. Bovendien
moeten de scheurwijdtes beperkt blijven opdat autogene heling nog mogelijk zou zijn. Zo
ondervonden Hosoda et al., 2009 dat scheuren met wijdtes tot 100 µm in 14 dagen volledig geheeld
11
konden worden als er continu stromend water over het betonnen proefstuk loopt [17]. De zelfheling
bleef beperkt tot 40 % na 14 dagen als de proefstukken zich in stilstaand water bevonden.
Door de scheurwijdtes onder controle te houden, kan autogene heling in de hand gewerkt worden.
Toevoeging van vezels, zoals bij Engineered Cementitious Composites (ECC), kan de scheurwijdtes
beperkt houden tot 60 µm [18]. Een andere manier om de scheurwijdtes te beperken, is door het
aanbrengen van een externe drukkracht op het element. Om druk op het betonnen element te
verkrijgen, kunnen bijvoorbeeld krimpbare polymeren worden gebruikt [19]. Deze worden op een
betonnen balk aangebracht en kunnen nagespannen worden door de polymeren op te warmen
tussen 60 °C en 100 °C. De bovengrens van de temperatuur dient om het beton niet te beschadigen.
De ondergrens is nodig omdat de polymeren niet geactiveerd zouden worden bij warme dagen of
door hydratatiewarmte. De krimpende polymeren induceren een drukkracht op de balk zodat de
scheuren dicht geduwd worden. Op die manier kunnen scheurwijdtes tot 300 µm gedicht worden.
2.2.3. Autonome heling
Naast autogene heling kan er ook autonome heling zijn in beton. Eén van de mogelijke manieren is
door capsules met een helend agens in te bedden in het beton door deze te vermengen met het
beton of ze op een vaste plaats in het beton aan te brengen. De capsules moeten bij scheurvorming
getriggerd worden om hun agens vrij te laten. Het helend agens moet de capaciteit bezitten om uit
de capsule te vloeien en naar de plaats van de scheur te gaan. In de scheur vormt het agens een
nieuwe verbinding tussen de scheuroppervlakken van het beton zodat het beton hersteld wordt in
zijn mechanische eigenschappen.
2.2.3.1. Inkapselen van helende agentia
De helende agentia moeten ingekapseld worden om deze in te brengen in het beton. Indien de
capsules in het beton gemengd worden, moet het encapsulatiemateriaal geschikt zijn om niet te
breken tijdens het mixen van het beton, maar moet het nog bros genoeg zijn om wel te breken bij
scheurvorming. De vorm van de capsules kan sferisch of cilindrisch zijn. Sferische capsules laten het
helend agens beter uitvloeien en verminderen de spanningsconcentraties rond de holtes die
overblijven door de lege capsules. Cilindrische capsules beslaan een grotere oppervlakte voor een
zelfde volume helend agens. Er is meer kans dat een scheur de capsule treft, maar de vrijlating van
het agens gebeurt minder vlot [14].
Geëxpandeerde sferische kleikorrels werden al succesvol gebruikt als capsules [20] [21]. In het
onderzoek van Sisomphon et al., 2011 werd nog een coating van cementpoeder aangebracht op de
kleikorrels vooraleer deze in te mengen in de mortels [20]. De kleikorrels zijn minder sterk dan het
omringend beton waardoor de kleikorrels de scheurvorming zullen beïnvloeden. Als de scheur dicht
bij de capsule passeert, kan de richting van de scheur veranderen zodat deze de kleikorrel doorsnijdt.
De scheur wordt als het ware aangetrokken door de zwakkere kleikorrels [21].
Van Tittelboom et al., 2011 onderzochten glazen en keramische capsules om polymeren in te
kapselen [22]. De capsules kregen een vaste plaats in de mortelmatrix en werden door mechanische
belasting getriggerd. Alhoewel geen enkele capsule volledig leeggelopen was, leek het helend agens
uit keramische capsules beter de scheuren binnen te dringen dan het helend agens uit glazen
12
capsules. Dit kan zijn door het verschil in oppervlaktespanning tussen het polymeer en de glazen
capsules en het polymeer en de keramische capsules.
Wat betreft de vermindering van waterdoorlatendheid vertoont zelfhelend beton met keramische
capsules eveneens betere resultaten dan zelfhelend beton met glazen capsules. Ongescheurde
proefstukken (UNCR) bezitten een waterdoorlatendheid van 10-10 à 10-11 m/s terwijl onbehandelde
gescheurde proefstukken (REF) een waterdoorlatendheid hebben die een factor 105 à 106 groter is,
zoals te zien in Figuur 2-11. De keramische capsules (CER) vertonen betere resultaten dan de glazen
capsules met een diameter van 2 mm (GLA_2) en een diameter van 3 mm (GLA_3). Keramische
capsules verminderen de waterdoorlatendheid met een factor 103 à 104 ten opzichte van de
waterdoorlatendheid van gescheurde proefstukken, terwijl bij glazen capsules de factor 102 à 103 is.
Figuur 2-11: Waterdoorlatendheid van proefstukken met glazen en keramische capsules [22]
Tran Diep et al., 2009 slaagden erin om glazen capsules in te mengen in het beton in plaats van de
capsules een vaste plaats te geven. De capsules hadden een binnendiameter van 4 mm en een
buitendiameter van 6 mm en werden met een 6,5 mm dikke mortellaag gecoat om het mengproces
te overleven [23].
Het helend agens kan ook aangebracht worden in microcapsules die in het beton ingemengd
worden. Materialen die reeds gebruikt werden voor deze microcapsules zijn polyurethaan [24],
silicagel met een oliekern [25] [26] en urea formordihyde [27].
Nishiwaki et al., 2006 gebruikten een organische film van ethyleenvinylacetaat als
encapsulatiemateriaal. Met behulp van een spiraalvormige draad werd de organische film
omgebogen tot een capsule met een buitendiameter van 3,4 mm en binnendiameter van 2 mm. Deze
capsules worden niet gebroken om het helend agens vrij te laten, maar smelten door het verhogen
van de temperatuur in de zone waar de scheur voorkomt. Vezelversterkte composieten met
elektrisch geleidende vezels in het beton detecteren de scheur en door de rek van de composiet
verhoogt de elektrische weerstand rond de scheur zodat de zone rondom de scheur plaatselijk wordt
opgewarmd. Bij een temperatuur van 93 °C smelten de capsules en kan het helend agens in de
scheur vloeien [28].
13
2.2.3.2. Waterafstotende middelen als helend agens
De meeste waterafstotende middelen bezitten de bestanddelen silaan of siloxaan. Silanen kunnen
eventueel opgelost zijn in water, alcohol of een solvent zodat ze een actief bestanddeel van ongeveer
40 % hebben. Siloxanen zijn dikwijls opgelost in alcohol met ongeveer 10 à 20 % actief bestanddeel.
Siloxanen verdampen minder vlug van een betonoppervlak dan silanen. Met betrekking tot
milieuvriendelijkheid krijgen watergedragen waterafstotende middelen de voorkeur [29].
Silanen zijn kleine molecules met één silicium-atoom, terwijl siloxanen een korte keten vormen van
een aantal silicium-atomen (Figuur 2-12). Op de silicium-atomen zijn alkoxy-groepen covalent
gebonden, zoals de silicaten in beton [29]. Silanen en siloxanen kunnen beton binnendringen
aangezien hun moleculaire grootte varieert van 10 x 10-10 m tot 20 x 10-10 m terwijl de afmetingen
van de poriën in beton gemiddeld 100 x 10-10 m tot 10000 x 10-10 m bedragen [30].
Figuur 2-12: Moleculaire formule van silaan (links) en siloxaan (rechts ) [29]
Waterafstotende middelen werden nog niet gebruikt voor zelfheling van beton. Tot nu toe werden ze
al veelvuldig aangewend als impregneringsmiddel voor betonnen oppervlakken. Ze bezitten de
eigenschappen om een hydrofoberende laag te vormen zodat de waterdoorlatendheid van het beton
gereduceerd wordt. Naast de hydrofobe eigenschappen kunnen waterafstotende middelen ook de
indringing van chlorides en de carbonatatie verminderen. Er is ook al onderzoek geweest naar het
inmengen van waterafstotende middelen in beton [30] [31] [32] [33].
Tittarelli et al., 2011 deden onderzoek naar het inmengen van waterafstotende middelen in beton
[31]. Ze deden een vergelijkende studie met onbehandeld beton en met beton waarvan het
oppervlak met waterafstotende middelen geïmpregneerd is en dit voor ongescheurd beton en beton
met scheuren van 0,5 mm en 1 mm. De gebruikte waterafstotende middelen zijn allemaal op basis
van silanen en siloxanen. Het toevoegen van waterafstotende middelen aan het betonmengsel zorgt
wel voor een vermindering van de druksterkte. Deze vermindering van druksterkte op 28 dagen
bedroeg respectievelijk 18 % en 23 % voor beton met een W/C-factor van 0,45 en 0,75.
Het hydrofobe mengsel zorgt voor een daling in moleculaire aantrekking tussen het water en de
betonporiën. Zo bedraagt de waterabsorptie van beton met waterafstotende middelen ingemengd
de helft van de waterabsorptie van onbehandeld beton en dit zowel voor ongescheurd beton als voor
beton met scheurwijdtes tot 1 mm. Beton geïmpregneerd met waterafstotende middelen is meest
effectief in de eerste dagen. In het geval van een hoge W/C-factor van het beton waarbij de
impregnering preventief is aangebracht, dus voor scheurvorming, is de waterabsorptie op lange duur
zelfs bijna even hoog als bij onbehandeld beton. Hetzelfde geldt voor beton met een impregnering
die aangebracht is na scheurvorming en waarbij de scheurwijdte te groot is, in dit geval vanaf 1 mm.
Blijft de scheurwijdte beperkt tot 0,5 mm dan is de impregnering na scheurvorming wel effectief [31].
14
Dai et al., 2009 ondervonden dat in ongescheurde toestand beton geïmpregneerd met silaan een
veel lagere waterabsorptie heeft dan onbehandeld beton. Treedt er echter scheurvorming op na
impregnering dan verliest de impregnering zijn effect en wordt de waterabsorptie op lange duur zelfs
even groot als bij onbehandeld beton. Indien het beton pas geïmpregneerd wordt na scheurvorming
stijgt de waterabsorptie pas na langere duur [34].
Wat betreft wapeningscorrosie door chlorides blijkt beton met ingemengde silanen een positief
effect te hebben indien het beton ongescheurd is. De corrosie kan volledig voorkomen worden, zelfs
bij beton met een hoge W/C-factor van 0,80 [30]. Een omgekeerd effect werd bekomen bij gescheurd
beton. De corrosie van het staal wordt opmerkelijk verhoogd wanneer silanen in het beton vermengd
worden. Zuurstofmoleculen, die de aantasting van wapening bevorderen, diffunderen sneller door
het hydrofobe beton [33].
Door het staal te galvaniseren wordt terug een positief effect bekomen [32]. De corrosie van de
wapening in gescheurd beton met silanen is terug veel minder dan de corrosie van de wapening in
onbehandeld gescheurd beton. De verhoogde diffusie van zuurstofmoleculen in het beton met
silanen heeft nu een positief effect op de passivering van de gegalvaniseerde wapening, zeker bij
beton met een hoge W/C-factor.
Tabel 2-2 geeft de chloride diffusiecoëfficiënten van een onbehandeld ongescheurd betonnen
proefstuk en van ongescheurde betonnen proefstukken met verschillende coatings weer [35]. De
diffusiecoëfficiënten van het onbehandelde proefstuk en het proefstuk met een natriumsilicaat
coating zijn veel hoger dan de proefstukken met een andere coating. De chloride-indringing in deze
proefstukken is dan ook veel groter. De impregnering van de betonstukken met een silaan/siloxaan
coating met acryl toplaag reduceert het best de diffusie van de chloride-ionen. De diffusiecoëfficiënt
bedraagt 7,83 x 10-8 cm²/s ten opzichte van de diffusiecoëfficiënt van 21,83 x 10-8 cm²/s voor een
onbehandeld proefstuk. Zonder de acryl toplaag is de diffusiecoëfficiënt haast dubbel zo groot wat
dan ook resulteert in een minder goede wering van chloride-ionen.
Tabel 2-2: Chloride diffusiecoëfficiënten in behandelde en onbehandelde proefstukken [35]
Wittmann et al., 2008 bestudeerden chloride indringing bij gescheurd beton dat geïmpregneerd
werd met silaan [36]. De eerste groep betonproefstukken werd door middel van een
driepuntsbuigproef gescheurd en kreeg verder geen behandeling. Het ondervlak van de tweede
groep proefstukken werd geïmpregneerd met silaan en achteraf werd een scheur aangebracht in de
proefstukken. Bij de derde groep werd eerst een scheur aangebracht en achteraf werd het ondervlak
geïmpregneerd met silaan. De gemiddelde scheurwijdte in de proefstukken bedroeg 0,2 ± 0,02 mm.
15
Alle proefstukken werden vervolgens voor 28 dagen in een waterige oplossing met 3 % NaCl
geplaatst en na deze periode werden chlorideprofielen opgesteld. Het profiel voor de eerste, tweede
en derde groep is respectievelijk weergegeven in Figuur 2-13 (a), (b) en (c). De maximale
chlorideconcentratie bedraagt veel minder bij geïmpregneerd beton. In onbehandeld beton komt
een chlorideconcentratie van 1,67 m% voor, terwijl de concentratie bij scheurvorming na
impregnatie en bij impregnatie na scheurvorming respectievelijk nog 0,662 m% en 0,3 m% van
cement bedraagt. Opmerkelijk is dat er een concentratie aan chlorides opgemeten wordt tot 90 mm
diep in het geval van de eerste en tweede groep. De scheurdiepte bedraagt slechts 60 mm dus
chlorides dringen door in de zone die mechanisch beschadigd is door de buigproef maar waar nog
geen scheurvorming is opgetreden. Vanaf deze zone verspreiden de chlorides zich ook horizontaal in
het beton tot 20 mm naast de scheur. Bij de derde groep is de chloride-indringing beperkt tot de
diepte van de scheur. De chlorides dringen dus bij impregnatie na scheurvorming niet meer door tot
in de mechanisch beschadigde zone [36].
Figuur 2-13: Chlorideprofiel voor (a) onbehandeld gescheurd beton; (b) beton met scheurvorming na
impregnatie; (c) beton met scheurvorming voor impregna tie [36]
Ibrahim et al., 1999 onderzochten het effect van impregnering van ongescheurd beton op de
indringing van CO2-moleculen. Als er geen CO2-moleculen het betonoppervlak kunnen binnendringen
dan kan de carbonatatiereactie niet doorgaan. Dit betekent dat er geen autogene heling door
carbonatatie zal zijn, maar ook dat er minder kans is op corrosie van de wapening ten gevolge van
een te grote carbonatatiediepte.
Voor dit onderzoek werden proefstukken in een carbonatatiekamer geplaatst die volledig verzadigd
wordt met CO2. Deze kamer is onderaan gevuld met 8 cm water en de proefstukken worden 3 cm
boven het waterniveau geplaatst. Door CO2 in het water te injecteren, wordt een gelijkmatige
verspreiding van CO2 in de kamer verkregen. Uit het onderzoek bleek dat impregneren met
silaan/siloxaan met een acryl toplaag en 2-componenten acryl coating het meest effectief is om CO2-
indringing tegen te houden, zoals te zien in Figuur 2-14. De carbonatatiediepte ten opzichte van het
betonoppervlak blijft 0 mm gedurende 5 weken. Van alle andere coatings vertoont natriumsilicaat
meer CO2-blokkering dan middelen op basis van silaan, silaan/siloxaan en siliconehars.
Natriumsilicaat behoudt de carbonatatiediepte tot op 12 mm, terwijl de andere coatings een
carbonatatiediepte van ongeveer 25 mm bereiken na 5 weken [35].
16
Figuur 2-14: Carbonatatiediepte van geïmpregneerde betonproefstukken [35]
2.2.3.3. Polyurethaan als helend agens
Polyurethaan is een polymeer dat bestaat uit organische elementen die door urethanen
(-NH-(C=O)-O-) gebonden worden, zoals in Figuur 2-15 te zien is [37]. Urethaan wordt gevormd door
covalente binding van de alcoholgroep (-OH) van het ene organisch element met de isocyanaatgroep
(-N=C=O) van het andere organisch element.
Figuur 2-15: Moleculaire formule van urethaan en polyurethaan [37]
Polyurethaan is een veelgebruikt materiaal en bestaat in heel wat verschillende vormen. In de bouw
is het bijvoorbeeld bruikbaar als isolatiemateriaal bij betonnen sandwichpanelen en net als
waterafstotende middelen werd polyurethaan al gebruikt als hydrofoberende coating [13] [38]. In
zelfhelend beton werd een prepolymeer van polyurethaan al gebruikt als één van de twee
componenten in het helend agens. De tweede component was een accelerator om de reactietijd te
verminderen. Beide componenten werden apart ingekapseld en bij scheurvorming kwamen beide
componenten vrij zodat de polymerisatie kon doorgaan [22]. Pelletier et al., 2010 gebruikten
polyurethaan als materiaal voor microcapsules [24]. Bij zelfheling van beton met behulp van
17
bacteriën is een drager nodig om de bacteriën te immobiliseren en te beschermen van de ongunstige
omstandigheden in beton. Polyurethaan werd al gebruikt als drager van bacteriën [39].
Als impregneringsmiddel op een ongescheurd beton vermindert een polyurethaan coating de
waterabsorptie meer dan een silaan/siloxaan coating. Ten opzichte van een onbehandeld beton
wordt de waterabsorptie met 95 % verminderd in het geval van beton geïmpregneerd met
polyurethaan, terwijl de vermindering respectievelijk 73 % en 75 % bedragen in het geval van beton
geïmpregneerd met watergedragen silaan/siloxaan coating en solventgedragen silaan/siloxaan
coating [13].
In de grafiek van Figuur 2-16 waar de chloride-indringing overeenkomend met een bepaalde
levensduur van de constructie uitgezet is, is goed te zien welke coatings de beste eigenschappen
bezitten [13]. In Tabel 2-3 is de benaming van de impregneringsmiddelen die voorkomen in de
grafiek te zien. Met een chloride-indringing van 4 cm is de levensduur van een onbehandeld
oppervlak beperkt tot 4,5 jaar. Behandeling met een polyurethaan coating (Single D) verhoogt deze
levensduur tot 35 jaar. Met deze coating bereikt de constructie de hoogste levensduur. Bij
silaan/siloxaan coatings helpt een extra toplaag van acryl om de levensduur te vergroten. De
solventgedragen silaan/siloxaan coatings met acryl toplaag (Double B+C) en watergedragen
silaan/siloxaan coatings met acryl toplaag (Double A+C) bereiken een iets hogere levensduur dan de
enkele solventgedragen (Single B) en enkele watergedragen silaan/siloxaan coating (Single A).
Figuur 2-16: Chloride-indringing i.f.v . levensduur voor verschillende coatings [13]
Tabel 2-3: Benaming van impregneringsmiddelen [13]
Systeem Product
Single A Silaan/siloxaan opgelost in water
Single B Silaan/siloxaan opgelost in solvent
Single C Acryl opgelost in solvent
Single D Polyurethaan coating
Double A+C Silaan/siloxaan opgelost in water + acryl toplaag
Double B+C Silaan/siloxaan opgelost in solvent + acryl toplaag
18
Een permeabiliteitstest van CO2 op een aantal behandelde ongescheurde betonproefstukken toont
aan dat een polyurethaan coating veel beter CO2-moleculen tegenhoudt dan een acryl coating [11].
Daarbij werden de permeabiliteitscoëfficiënt (P) en de diffusiecoëfficiënt (D) van CO2 voor de
verschillende coatings gemeten. De oplosbaarheidscoëfficiënt (S) werd bepaald als de verhouding
van de eerste tot de tweede, S = P/D. De oplosbaarheid van CO2 in een acryl coating is bijna 4 keer zo
veel als in een polyurethaan coating, zoals te zien is in Tabel 2-4.
Tabel 2-4: Oplosbaarheidscoëfficiënt van CO 2 voor verschillende coatings [11]
19
Hoofdstuk 3
Materialen en methoden
3.1. Materialen
3.1.1. Mortel
Voor de testen werden mortelproefstukken aangemaakt. Mortel is een samenstelling van cement,
zand en water. Het cement was van het type CEM I 52,5 N en er werd kraantjeswater gebruikt. In
Tabel 3-1 zijn de hoeveelheden aangegeven die in één mortelmengsel werden gebruikt. De massa
van water bedroeg de helft van de massa van cement om een W/C-factor van 0,5 te bekomen. Met
één mortelmengsel konden 3 standaardproefstukken met afmetingen 160 mm x 40 mm x 40 mm
gemaakt worden.
Tabel 3-1: Samenstelling van een mortelmengsel
Massa [g]
Cement 450
Zand 1350
Water 225
3.1.2. Beton
Naast mortel werd eveneens beton gebruikt. Beton is een samenstelling van granulaten, zand,
cement, water en eventueel additieven. Bij de sandwichpanelen werd een verschillende
betonsamenstelling gebruikt voor het binnenblad en het buitenblad. De samenstelling voor de
massieve panelen, zie paragraaf 3.1.8.2., is dezelfde als de samenstelling voor het binnenblad. De
W/C-factor bedroeg altijd 0,53 à 0,55 en de sterkteklasse van het beton was C30/37.
20
3.1.3. Wapening
De mortelproefstukken werden gewapend met twee wapeningsstaven, zoals te zien in Figuur 3-1. De
diameter bedroeg 2 mm en ze werden omgebogen zodat ze in de proefstukken met afmetingen
160 mm x 40 mm x 40 mm pasten. De staven waren 18 cm lang en langs weerszijden werd 2 cm van
de staven onder een loodrechte hoek gebogen met behulp van een plooibank.
Figuur 3-1: Wapeningsstaven voor mortelproefstukken
De wapening in de betonpanelen wordt verder besproken in paragraaf 3.1.8.
3.1.4. Capsules
De gebruikte capsules die het helend agens bevatten, waren uit glas vervaardigd en waren
cilindrisch. Deze capsules werden geproduceerd in lengtes van ongeveer 1 m en werden met behulp
van een mes in stukken van 5 cm gesneden. Er werden capsules met twee verschillende diameters
gebruikt: 2 mm en 3 mm. De capsules met diameter 3 mm zijn weergegeven in Figuur 3-2. In Figuur
3-3 zijn de capsules met een diameter van 2 mm weergegeven. Hier zijn ze gevuld met een 2
componenten polyurethaan. Doordat de glazen capsules zeer bros zijn, konden ze niet gemengd
worden in de mortel of het beton, maar werden ze manueel op een vaste plaats in de mortel- of
betonmatrix aangebracht.
Figuur 3-2: Lege glazen capsules
met diameter 3 mm
Figuur 3-3: Glazen capsules met diameter 2 mm
gevuld met 2 componenten polyurethaan
De capsules werden gevuld met helende agentia. Eerst werd één kant van de capsule dichtgelijmd
met Hottingerlijm: een 2 componenten lijm. Vervolgens werd het helend agens geïnjecteerd in de
capsule. Ten slotte werd de capsule met Hottingerlijm afgedicht aan de andere kant. Bij een helend
agens dat uit 2 componenten bestond, werden paren capsules gemaakt met elk één component van
21
het agens in een capsule. De twee capsules werden dan met parafilm of Hottingerlijm met elkaar
verbonden.
3.1.5. Polyurethaan als helend agens
Polyurethaan werd gebruikt als helend agens omdat het in staat is om te polymeriseren bij het
breken van de capsules. Daarenboven vormde polyurethaan een goede hechting met het beton of de
mortel waardoor het beton of de mortel een deel van de sterkte eigenschappen kon herwinnen.
Twee vormen van polyurethaan werden getest op hun geschiktheid om gebruikt te worden als
helend agens.
Het eerste polyurethaan bestond uit één component en polymeriseerde als het in contact kwam met
water. Dit polyurethaan kreeg de naam PU1. Van dit polymeer waren er twee varianten beschikbaar
met een verschillende viscositeit, zoals weergegeven in Tabel 3-2.
Tabel 3-2: Viscositeitswaarden van de verschillende 1-component polyurethanen
Viscositeit bij 25 °C [mPa.s]
Isocyanaat prepolymeer 001 3930
Isocyanaat prepolymeer 002 920
Bij de bereiding van dit polyurethaan werd het prepolymeer altijd gemengd met een stabilisator in
een verhouding van 49,75 g prepolymeer met 0,125 g stabilisator. Na samenvoegen werd het
mengsel gedurende 60 s geroerd. Vervolgens kon de reactie doorgaan met of zonder toevoeging van
water. Bij het mengsel werd 3 g water toegevoegd waarna het hevig gemengd werd gedurende 15 s.
Door het mengen met water ging het polyurethaan polymeriseren en na 14 dagen uitharden
verkreeg het polyurethaan de nodige sterkte. Indien geen water werd toegevoegd, gebeurde de
polymerisatiereactie met het water dat aanwezig was in het beton of de mortel.
Het tweede polyurethaan bestond uit 2 componenten en kreeg de naam PU2. Dit product was
commercieel verkrijgbaar en bevatte een prepolymeer en een accelerator. De viscositeit van het
prepolymeer bedroeg 600 mPa.s, terwijl de viscositeit van de accelerator veel lager was en 70 mPa.s
bedroeg.
De accelerator van dit 2 componenten polyurethaan moest nog gemengd worden met water in een
verhouding van 1 g accelerator per 10 g kraantjeswater. Het mengsel werd een volledige nacht
geroerd met een magnetische roerder en was de dag nadien klaar voor gebruik.
3.1.6. Waterafstotend middel als helend agens
Waterafstotende middelen hebben al hun nut bewezen als hydrofoberingsmiddel. Hier werd een
selectie van 5 middelen getest op hun geschiktheid voor gebruik als helend agens in capsules. De
waterafstotende middelen werden aangevraagd bij enkele bedrijven. In Tabel 3-3 zijn een aantal van
hun eigenschappen weergegeven.
22
Tabel 3-3: Eigenschappen van de waterafstotende middelen
Uiterlijk Bestaat uit Op basis van
Actief
bestanddeel
[%]
Dynamische
viscositeit bij 25 °C
[mPa.s]
WM 1kleurloze
vloeistofsilaan * 99% 10 **
WM 2 witte vloeistof silaan, siloxaan water * *
WM 3kleurloze
vloeistofsiloxaan, acrylaat KWS-mengsel * >10 **
WM 4kleurloze
vloeistofoligomeer siloxaan KWS-mengsel 7% <10 **
WM 5 witte vloeistoffluorhoudende
acrylcopolymeerwater * 10
* Deze eigenschappen werden niet teruggevonden in de technische fiches van de middelen
** De viscositeitswaarden uit de technische fiche werden omgerekend naar de dynamische viscositeit
3.1.7. Mortelproefstukken
De mortelproefstukken werden gemaakt met de mortelsamenstelling die eerder al werd aangegeven
en met behulp van een mortelmenger, weergegeven in Figuur 3-4. In de mengkuip werd het cement
en het water aangebracht. De zandtoevoer van de mortelmenger werd gevuld met een zakje zand
van 1350 g. Eerst werd gedurende 30 seconden het cement en het water gemengd met een
mengsnelheid van 140 toeren/min. Vervolgens werd de zandtoevoer geopend en mengde het zand
zich met het water-cementmengsel gedurende de volgende 30 seconden. Na deze eerste minuut
werd de mengsnelheid verhoogd tot 285 toeren/min en draaide de menger nog gedurende
30 seconden. De mengkuip werd uit de mortelmenger gehaald om het mengsel samen te schrapen
met een spatel. Het kon namelijk gebeuren dat een deel van het mengsel niet genoeg vermengd
werd gedurende de eerste anderhalve minuut. Na 90 seconden rust werd het mortelmengsel nog
1 minuut lang gemengd met een snelheid van 285 toeren/min. Het mengsel was vervolgens klaar om
in mallen gegoten te worden.
Figuur 3-4: Mortelmenger
23
3.1.7.1. Prismatische mortelproefstukken
Mortelproefstukken met afmetingen 160 mm x 40 mm x 40 mm werden gemaakt met de mal die
weergegeven is in Figuur 3-5.
Figuur 3-5: Mal van drie standaard mortelproefstukken
In de mal werd een laag van 1 cm dikte van het mortelmengsel gegoten. Met behulp van een
schoktafel werd de mal 60 keer geschokt en ging de mortel zich verdichten. Vervolgens werden in de
mortel 6 wapeningsstaven aangebracht, 2 staven per mortelproefstuk. Deze werden op 1 cm van de
rand van de 4 cm brede mal geplaatst zodat tussen de wapeningsstaven een afstand van 2 cm zat. In
langsrichting werd aan weerszijden van de staven 1 cm afstand tot de rand van de mal genomen
zodat de wapening mooi gecentreerd zat. Vervolgens werd de mal volledig gevuld met mortel en
werd de mortel verdicht door nogmaals 60 keer te schokken op de schoktafel. De bovenzijdes van de
proefstukken werden vlak gestreken met een spatel en de mal werd in de natte ruimte met een
temperatuur van 20 °C en een relatieve vochtigheid van 95 % geplaatst. De dag na het aanmaken van
de mortels werden de mortelproefstukken ontkist. Na het ontkisten werden ze terug in de vochtige
ruimte geplaatst om verder uit te harden. In Figuur 3-6 (a) is een 3D-model van een proefstuk met
wapening weergegeven.
Prismatische mortelproefstukken met capsules werden op dezelfde wijze aangemaakt, maar na het
plaatsen van de wapening werden ook de capsules met een diameter van 2 mm in de mortel
geplaatst. De capsules werden zodanig aangebracht dat ze in langsrichting in het midden van het
proefstuk zitten. In hoogterichting werd er naar gestreefd om de capsules tot 1 cm boven het
grondvlak te laten opdrijven. Zo is gebleken dat er bij de tweede keer schokken op de schoktafel
beter maar 30 keer wordt geschokt in plaats van 60 keer zodat de capsules niet te hoog zouden
opdrijven. In Figuur 3-6 (b) is een 3D-model van een mortelproefstuk met wapening en capsules
weergegeven.
24
(a)
(b)
Figuur 3-6: 3D-model van een mortelproefstuk (a) met wapening
en (b) met wapening en capsules
3.1.7.2. Cilindrische mortelproefstukken
Naast de prismatische mortelproefstukken werden ook cilindrische mortelproefstukken gebruikt. De
cilinders met diameter 50 mm werden uit prisma’s met afmetingen 150 mm x 150 mm x 600 mm
geboord. De kernen met hoogte 150 mm werden vervolgens in twee gezaagd. Ten gevolge van
verlies door de dikte van het zaagblad was de resulterende hoogte ongeveer 70 mm.
3.1.8. Betonnen panelen
3.1.8.1. Panelen met thermische scheurvorming
Er werden vier sandwichpanelen, waarin thermische scheuren op natuurlijke wijze zijn ontstaan, ter
beschikking gesteld aan labo Magnel voor betononderzoek. De scheuren werden reeds bij de
stockage in de fabriek gevormd. De afmetingen van deze panelen zijn weergegeven in Tabel 3-4.
Tabel 3-4: Afmetingen van de 4 sandwichpanelen
Lengte [cm] Hoogte [cm] Dikte [cm]
Paneel 1 1258* 219 20
Paneel 2 1249* 250 20
Paneel 3 1257* 220 20
Paneel 4 990 300 20
* Voeg in het midden van het buitenblad
De scheuren in deze panelen werden opgetekend en er werden kernen met een diameter van 5 cm
geboord. Van de scheuren in deze kernen werden de scheurwijdtes en – dieptes opgemeten op de
manier zoals beschreven in paragraaf 3.2.3.
3.1.8.2. Panelen om thermische scheurvorming te simuleren
Er werden verschillende prefab betonnen sandwichpanelen aangemaakt: namelijk een standaard
sandwichpaneel, een zwaar gewapend paneel en een paneel uit zelfhelend beton. De
sandwichpanelen hadden allemaal een dikte van 20 cm, een hoogte van 120 cm en een lengte van
759 cm. Ze werden opgebouwd uit een buitenblad van 6 cm dik, een isolatielaag uit polyurethaan
van 5 cm dik en een binnenblad van 9 cm dik.
25
Naast deze sandwichpanelen werden ook massieve betonnen panelen gemaakt. Deze panelen
hadden een dikte van 14 cm en waren 160 cm lang en 120 cm hoog. Ze dienden als koppanelen in de
opstelling om de panelen te testen op thermische scheurvorming, zoals verder beschreven in
paragraaf 3.2.9.3.
Bij het zelfhelend sandwichpaneel werden capsules ingegoten die vijf verschillende soorten helende
agentia bevatten, namelijk twee soorten polyurethaan en drie soorten waterafstotende middelen.
Deze capsules met een diameter van 3 mm werden allemaal gevuld met de methode zoals
beschreven in paragraaf 3.1.4. De correcte aantallen capsules per helend agens zijn aangegeven in
Tabel 3-5. Voor PU2 werden er 100 paren capsules gemaakt omdat dit polyurethaan uit 2
componenten bestond. Voor het helend agens PU1 werd prepolymeer 002 gebruikt met een
viscositeit van 920 mPa.s en dit prepolymeer werd niet gemengd met water. Enkel dit prepolymeer
kon geïnjecteerd worden in de capsules dankzij de lage viscositeit.
Tabel 3-5: Aantal capsules per helend middel
Aantal
Aantal per
zone
Aantal groepen
van 20 st. per
zone
Aantal groepen
van 15 st. per
zone
PU 1 190 95 4 1
PU 2 100 x 2 50 x 2 1 2
WM 1 200 100 5 0
WM 2 200 100 5 0
WM 3 160 80 4 0
Om vlot de capsules op het bekistingspaneel te kunnen leggen en om een geordende plaatsing van
de capsules te verkrijgen, werden de capsules per 15 of 20 stuks met elkaar verbonden. In Tabel 3-5
is aangegeven hoeveel groepen van 15 stuks en hoeveel groepen van 20 stuks per zone en per
product gemaakt werden. De opdeling in groepen van 15 en 20 stuks was nodig om de capsules gelijk
te kunnen verdelen over de bovenste en onderste zone. In Figuur 3-7 en Figuur 3-8 is te zien hoe de
capsules verbonden werden. De capsules werden in geschrankte rijen gelegd met in elke rij een
tussenafstand van 2,5 cm. De rijen van telkens 5 capsules overlapten elkaar over 0,5 cm. Met behulp
van Hottingerlijm werden de capsules verbonden aan een dunne staaldraad.
Figuur 3-7: Schikking capsules per 15 of 20 stuks
Figuur 3-8: Methode om capsules te verbinden
Deze capsules werden in zones gelegd om daarna in het buitenblad van het sandwichpaneel
ingegoten te worden. De schikking van de zones bij een frontaal zicht op het buitenblad is te zien in
26
Figuur 3-9. Zowel bovenaan als onderaan het paneel werd een zone voorzien voor elk helend agens.
De breedte van alle zones bedroeg 25 cm en de capsules bevonden zich op een afstand van ongeveer
5 cm van de rand van het paneel.
Figuur 3-9: Opdeling van het buitenblad in zones met capsules
Op het bekistingspaneel werden eerst de capsules gelegd waarna het wapeningsnet met een
tussenafstand van 150 mm en een diameter van 5 mm geplaatst werd, zoals te zien in Figuur 3-10.
Een eerste thermokoppel werd bevestigd aan het wapeningsnet en de plaatankers werden gestoken,
zoals op Figuur 3-11.
Figuur 3-10: Plaatsing van glazen capsules en
wapeningsnet
Figuur 3-11: Aanbrengen van een thermokoppel en
de plaatankers
Om de capsules niet te breken tijdens het storten van het beton werd een eerste laag beton manueel
aangebracht op de capsules, zoals in Figuur 3-12. De rest van het buitenblad kon gebetonneerd
worden met behulp van de kipbak. Na het verdichten van het beton door te trillen kon de isolatielaag
aangebracht worden. Er werd verwacht dat door het trillen de capsules zouden opdrijven zodat ze
een betondekking van ongeveer 1 cm zouden hebben. Het tweede thermokoppel werd aangebracht
tussen de eerste betonlaag en de isolatielaag en de thermokoppels werden door de isolatielaag
gestoken, zoals te zien in Figuur 3-13.
27
Figuur 3-12: Eerste laag beton manueel storten
Figuur 3-13: Isolatielaag aanbrengen
Er werden twee hijslussen geplaatst per paneel en daarna werd de wapening van het binnenblad
bovenop de isolatielaag gelegd. Hier werd een wapeningsnet met tussenafstand 150 mm geplaatst
en met een diameter van 8 mm. Daar bovenop werd als bijlegwapening nog één langse staaf met
diameter 12 mm gelegd, die zich onderaan in het paneel bevond bij een verticale stand van het
paneel, zoals te zien rechts in Figuur 3-14. Uiteindelijk werd het beton van het binnenblad gegoten
waarbij er op gelet werd dat de thermokoppels uit het beton kwamen, zoals te zien in Figuur 3-15.
Figuur 3-14: Wapening van het binnenblad plaatsen
Figuur 3-15: Binnenblad gieten en afwerken
Het standaard sandwichpaneel en het zwaar gewapend paneel werden op dezelfde wijze gemaakt.
Bij het standaard sandwichpaneel werden wel geen capsules met helende agentia aangebracht. Bij
het zwaar gewapend paneel werd eveneens geen zelfhelend beton gebruikt en werden in de
wapening van het binnenblad 5 langse staven met een diameter van 12 mm geplaatst. Deze 5 staven
werden gelijk verdeeld over de hoogte van het paneel, zoals te zien links in Figuur 3-14.
28
3.2. Methoden
3.2.1. Creëren van scheuren
3.2.1.1. Driepuntsbuigproef
Met een driepuntsbuigproef was het mogelijk om een scheur aan te brengen in het midden van een
mortelproefstuk. In Figuur 3-16 is de opstelling weergegeven met twee steunpunten onderaan op
een tussenafstand van 10 cm en één steunpunt bovenaan op het midden van het proefstuk. Op de
onderkant van de proefstukken en in het midden werd een LVDT (Linear Variable Differential
Transformer) gekleefd om de lineaire verplaatsing in de lengterichting van het proefstuk te meten.
De scheurwijdte die in het proefstuk ontstond door buiging kwam dan overeen met de lineaire
verplaatsing van de LVDT, zoals in Figuur 3-17.
Figuur 3-16: Opstelling driepuntsbuigproef
Figuur 3-17: Buigen tot de gewenste scheurvormi ng
De machine werd gestuurd met het computerprogramma Proteus. Het sturingsschema is
weergegeven in Tabel 3-6. In de eerste stap werd de machine aangestuurd op de verplaatsing van
het bovensteunpunt. Dit steunpunt verplaatste zich tot aan het proefstuk waarna de kracht
geleidelijk aan werd opgedreven zodat de snelheid van de verplaatsing van het bovensteunpunt
0,005 mm/s bedroeg. De volgende stap werd manueel geactiveerd van zodra de LVDT een vlot
toenemende lineaire verplaatsing registreerde. De machine liet de kracht op het proefstuk toenemen
tot de LVDT de gewenste scheurwijdte in het proefstuk bereikte. Vervolgens schakelde het
stuurprogramma automatisch over naar stap 3 waarbij de kracht afnam totdat het bovensteunpunt
niet meer drukte op het proefstuk. Het proefstuk kon uit de opstelling genomen worden en de LVDT
met hulpstukken werd terug van het proefstuk verwijderd. De scheur die na terugbuigen in het
proefstuk overbleef, was iets kleiner dan de intgestelde gewenste scheurwijdte in het
sturingsschema.
29
Tabel 3-6: Sturingsschema driepuntsbuigproef
Sturing
Stap 1 Verplaatsingsgestuurd 0,7 mm 0,005 mm/s
Stap 2 LVDT-gestuurd GSW* mm 0,001 mm/s
Stap 3 Krachtgestuurd 0 kN 0,5 kN/m
* GSW = de gewenste scheurwijdte
Grens Snelheid
3.2.1.2. Scheurvorming door thermische belasting
In de betonnen sanwich panelen werden scheuren aangebracht door thermische belasting. Er werd
een simulatie uitgevoerd van de werkelijke thermische scheurvorming in sandwichpanelen. Meer
details over hoe de panelen thermisch belast werden, zijn besproken in paragraaf 3.2.9.
3.2.2. Herstellen van scheuren
3.2.2.1. Manueel herstel
Manueel herstel van een scheur was mogelijk door het helend agens te injecteren in de scheur. Met
behulp van een spuit met naald werd over de lengte van de scheur het agens aangebracht en kreeg
het agens de tijd om in de scheur te lopen.
3.2.2.2. Autonoom herstel
Scheuren konden autonoom herstellen dankzij capsules met helende agentia die in de mortel of in
het beton ingebed werden. Bij scheurvorming was het de bedoeling dat de capsules braken en het
helend agens vrijlieten. Het agens vloeide in de scheur waar het kon polymeriseren om zo de scheur
op te vullen.
3.2.3. Scheurwijdtes en -dieptes bepalen
Om een vergelijking te kunnen maken met de werkelijke scheurwijdtes in de panelen, was het
belangrijk om de scheurwijdtes op te meten van gescheurde proefstukken. De betonkernen uit de 4
sandwichpanelen met thermische scheurvorming, zie paragraaf 3.1.8.1., en alle gescheurde
mortelproefstukken werden bestudeerd onder de microscoop, zoals weergegeven in Figuur 3-18.
Met behulp van een camera op de microscoop, die is aangesloten aan een computer, werden de
beelden rechtstreeks waargenomen op het beeldscherm. Met de software Leica werden dan foto’s
genomen en opgeslagen.
30
Figuur 3-18: Leica S8AP0 met een Leica DFC295 camera
Op het bovenvlak van het proefstuk waar de scheur zich bevond, werd om de halve centimeter een
aanduiding gemaakt, zoals te zien op Figuur 3-19. Ter hoogte van elke aanduiding werd een
microscopische foto genomen. De vergrotingsfactor van de microscoop bedroeg 5 x en op de foto
werd een schaal van 200 µm geplaatst, zoals te zien in Figuur 3-20. Aan de zijkant van de
proefstukken werden de scheurdieptes opgemeten waarvan een gemiddelde waarde werd berekend.
Om een verband te kunnen stellen tussen scheurwijdte en scheurdiepte, werd enkel rekening
gehouden met de gemiddelde scheurwijdte van de metingen aan de rand van het bovenvlak,
aangeduid met een rode streep in Figuur 3-19.
Figuur 3-19: Schematische voorstelling proefstuk
Het opmeten van de scheurwijdtes gebeurde met het programma ImageJ [40]. Deze software was
geschikt om het aantal pixels op een afbeelding te meten. Op elk beeld van de scheur werd de wijdte
3 keer opgemeten, zoals te zien in Figuur 3-20. Door ook de schaal op te meten konden de
31
meetwaarden in pixels omgezet worden naar micrometer. De verwerking van de gegevens gebeurde
met Microsoft Office Excel.
Figuur 3-20: Scheurwijdtes opmeten in ImageJ
Wanneer scheurwijdtes enkel ter plaatse gemeten konden worden, werd gebruikt gemaakt van een
scheurmicroscoop, zoals weergegeven in Figuur 3-21.
Figuur 3-21: Scheurmicroscoop
3.2.4. Trekproef
Om de hechtsterkte van polyurethaan te bepalen, werd een axiale trekproef uitgevoerd. Hiervoor
werden 6 reeksen cilindrische mortelproefstukken gemaakt. Elke reeks bestond uit 8 proefstukken
die per twee aan elkaar bevestigd werden met PU1. Het PU1 werd gemaakt op basis van het
prepolymeer 001 met een viscositeit van 3930 mPa.s. De bewaaromstandigheden van de
mortelproefstukken, de droogomstandigheden van de mortelproefstukken met PU1 en de
samenstelling van PU1 waren per reeks verschillend en zijn weergegeven in Tabel 3-7.
32
Tabel 3-7: Bewaaromstandigheden van de mortelproefstukken,
droogomstandigheden en samenstelling van PU1
Naamgeving
Bewaaromstandig-
heden mortels
Droogomstandigheden
mortels met PU1
Samenstelling
polyurethaan
O-W 40 °C in oven 20 °C en 60 % RV PU1 met water
O-T-W 40 °C in oven 20 °C en 60 % RV PU1 met water*
O 40 °C in oven 20 °C en 60 % RV PU1 zonder water
20/60 20 °C en 60 % RV 20 °C en 60 % RV PU1 zonder water
20/95 20 °C en 95 %RV 20 °C en 60 % RV PU1 zonder water
W onder water 20 °C en 60 % RV PU1 zonder water
* Gesimuleerde scheur werd afgedicht met tape waarin 4 kleine gaatjes geprikt werden
Met de bewaaromstandigheden van de mortelproefstukken en de samenstelling van polyurethaan
werden verschillende situaties gesimuleerd waarin polyurethaan dat vrijgekomen is uit capsules in
een scheur dient te polymeriseren. Een samenstelling van PU1 zonder water simuleert het geval
waarin enkel capsules met PU1 in het beton ingebed worden. Door een samenstelling van PU1 met
water toe te passen, werd gekeken of het nodig was om naast een capsule met PU1 ook een capsule
met water in te bedden in het beton.
Proefstukken die onder water bewaard werden, simuleerden het geval waarin vrijgekomen
polyurethaan genoeg water heeft om mee te reageren. Bewaaromstandigheden met een relatieve
vochtigheid van 60 % of 95 % zijn omstandigheden die in ons klimaat vaak voorkomen. Er werd
gekeken of het polyurethaan in deze omstandigheden genoeg vocht ter beschikking had om te
reageren. Bij proefstukken die in de oven gedroogd werden, had het polyurethaan geen water
beschikbaar. Door zowel een samenstelling van PU1 met water als een samenstelling van PU1 zonder
water aan te brengen op gedroogde proefstukken, werd gekeken of het nodig is om capsules met
water te voorzien in het geval van volledig droog beton. Door de gesimuleerde scheur af te dichten
met tape werd de werkelijke toestand van een scheur gesimuleerd waarbij er weinig contact is
tussen het vrijgekomen polyurethaan en de buitenlucht. Er is namelijk enkel aan het oppervlak van
het paneel contact mogelijk.
Eerst werden de reeksen proefstukken bewaard in de omstandigheden, die in Tabel 3-7 weergegeven
zijn, tot ze een constante massa hadden. Daarvoor moest het massaverlies van elk proefstuk in een
tijdsspanne van 24 uren kleiner zijn dan 0,1 %. Vervolgens werd het polyurethaan aangebracht
tussen de proefstukken en werden de proefstukken gedurende 14 dagen in de kruipzaal met een
temperatuur van 20 °C en een relatieve vochtigheid van 60 % geplaatst. Tijdens deze twee weken
kon het polyurethaan uitharden en tenslotte werden de proefstukken onderworpen aan de
trekproef.
Om het polyurethaan tussen elk paar proefstukken te kunnen aanbrengen, was een vaste afstand
tussen deze proefstukken vereist. Door 3 metalen plaatjes op een vlak van één proefstuk te kleven
werd een tussenafstand van 300 µm gegarandeerd, zoals te zien in Figuur 3-22. Met deze
tussenafstand werd een scheur gesimuleerd met een wijdte die kan voorkomen in beton.
33
Figuur 3-22: Metalen plaatjes tussen de cilindrische mortelproefstukken
Het volume PU1 dat aangebracht werd tussen de cilinders was identiek aan het volume vrije ruimte,
zoals berekend in Vergelijking (3-1).
(3-1)
Om de proefstukken te kunnen opstellen tussen de klemmen van de trekmachine moesten er stalen
trekschijven op de kopvlakken van de cilinders gekleefd worden. Hiervoor werd een 2 componenten
epoxy lijmmortel gebruikt. De trekschijven werden voorzien van een boorgat met draad in. Twee
koppelstukken, zoals te zien in Figuur 3-23, vervaardigd uit een vlak stuk en een staaf met draad,
konden in deze boorgaten schroeven. Het vlakke stuk van de koppelstukken werd geklemd tussen de
twee klemmen van de trekmachine. De trekmachine en de opstelling voor de trekproef zijn te zien in
Figuur 3-24. Bij uitvoering van de trekproef werd de verplaatsing van de machine gestuurd met een
snelheid van 0,2 mm/min.
Figuur 3-23: Hulpstukken voor de trekproef
Figuur 3-24: Opstelling voor de trekproef
34
3.2.5. Contactoppervlak en trekspanning van polyurethaan bepalen
Het PU1 dat tussen de cilindrische proefstukken was aangebracht, was niet altijd gelijkmatig gespreid
over de oppervlakte. Niet overal was er dus volledige hechting ontstaan tussen het polyurethaan en
de mortel. De proefstukken lieten los op het contactoppervlak tussen het PU1 en de mortel. Om deze
oppervlakte te bepalen, werd het programma Adobe® Photoshop® gebruikt.
Ter voorbereiding werd het PU1 dat effectief voor hechting zorgde, blauw gekleurd met een
alcoholstift, zoals te zien op Figuur 3-25. In Figuur 3-25 (a) is het ongemarkeerde proefstuk te zien.
Het PU1 dat voor hechting gezorgd had, was wit van kleur. Al deze witte delen van het PU1 werden
blauw gemarkeerd, zoals te zien in Figuur 3-25 (b). Deze markering werd aangebracht op beide
helften van het proefstuk.
(a) Ongemarkeerd
(b) Gemarkeerd met blauw
Figuur 3-25: Scheuroppervlak van een mortelproefstuk
In Adobe® Photoshop® was het mogelijk om het histogram van een afbeelding te bekijken. Daarin
stond het aantal pixels aangegeven dat bevat was in de foto of in een selectie van de foto. Eerst werd
een selectie gemaakt van de volledige oppervlakte van het proefstuk en werd het aantal pixels
afgelezen, zoals te zien in Figuur 3-26 (a). Daarna kon dankzij de blauwe kleur gemakkelijk een
selectie gemaakt worden van de hechtingsoppervlakte van het PU1 om dan ook van deze selectie het
aantal pixels af te lezen, zoals in Figuur 3-26 (b). In de figuur is met rood aangegeven waar het aantal
pixels afgelezen kon worden in het histogram. Uit deze gegevens kon vervolgens gemakkelijk de
verhouding van het oppervlak met hechting van PU1 tot de totale oppervlakte van het proefstuk
bepaald worden. Het totale percentage hechting was dan de som van de percentages hechting van
beide helften van het proefstuk.
35
(a) Selectie totale oppervlakte
(b) Selectie PU1
Figuur 3-26: Aantal pixels bepalen in Adobe® Photoshop®
Van allle proefstukken werd met een schuifmaat de diameter gemeten. Ter hoogte van het
hechtingsoppervlak werden twee metingen uitgevoerd om daaruit een gemiddelde waarde te
bepalen zodat een benadering van de oppervlakte berekend kon worden. Door deze oppervlakte te
correleren aan het aantal pixels van de totale oppervlakte en rekening houdend met de verhouding
van het oppervlak met hechting van PU1 tot de totale oppervlakte kon de oppervlakte aan hechting
tussen het PU1 en de mortel bepaald worden.
Met behulp van de trekbelastingen die bekomen werden uit de trekproef en de berekende
oppervlakte aan hechting tussen PU1 en mortel, werden de trekspanningen in PU1 berekend. Dit kon
met Vergelijking (3-2).
(3-2)
Waarbij : trekspanning [N/mm²]
: maximale trekbelasting [N]
: oppervlakte aan hechting tussen PU1 en mortel [mm²]
36
3.2.6. Capillaire waterabsorptie
De test op capillaire waterabsorptie werd uigevoerd op 7 reeksen van telkens 3 mortelproefstukken.
De gebruikte proefstukken hadden de standaardafmetingen van 160 mm x 40 mm x 40 mm. De proef
verliep zoals aangegeven in het schema van Figuur 3-27.
Figuur 3-27: Verloop van de proef op capillaire waterabsorptie
In alle proefstukken werd door middel van de driepuntsbuigproef, zie paragraaf 3.2.1.1., een scheur
in het midden van het proefstuk aangebracht met een grootte van 350 µm, gemeten met de LVDT.
De uiteindelijk blijvende scheurwijdte was kleiner dan 350 µm en deze resterende scheurwijdte werd
bepaald onder de microscoop, zoals uitgelegd in paragraaf 3.2.3. De lengte van de proefstukken werd
verkleind tot 60 mm door aan beide kanten 50 mm af te zagen, zoals schematisch weergegeven in
Figuur 3-28. Op die manier was het ondervlak veel kleiner en speelde de scheur een belangrijkere rol
in de proef op waterabsorptie.
Figuur 3-28: Afzagen van de proefstukken
Eén van de reeksen proefstukken diende als referentie terwijl de overige zes reeksen in de scheur
werden geïnjecteerd met een verschillend helend agens. De gebruikt helende agentia waren het
polyurethaan PU1 en de waterafstotende middelen WM1, WM2, WM3, WM4 en WM5. Het helend
agens PU1 werd gemaakt op basis van prepolymeer 001 met een viscositeit van 3930 mPa.s. Dit
37
prepolymeer werd gemengd met water zodat het weinig visceus was en geïnjecteerd kon worden in
de scheur.
Om zo nauwkeurig mogelijk te kunnen injecteren, werden de proefstukken afgeplakt zodat enkel de
scheur vrij was, zoals te zien in Figuur 3-29. Een dag na de injectie werden de proefstukken ontdaan
van de tape en werden ze in een oven op 40 °C geplaatst.
Figuur 3-29: Proefstukken afgeplakt en klaar voor injectie
Capillaire waterabsorptie werd uitgevoerd op proefstukken met constante massa. Eénmaal het
massaverlies verwaarloosbaar klein was, werd de proef aangevat. De zijkanten van de proefstukken
werden met aluminiumtape afgeplakt. Enkel het ondervlak van de proefstukken was dus
blootgesteld aan het water. De proefstukken werden vooraf gewogen en werden vervolgens in een
bak met water geplaatst, zoals te zien in Figuur 3-30. In de bak lag een plaat waarop rails waren
bevestigd. De proefstukken werden op deze rails geplaatst zodanig dat de scheur in het ondervlak
bereikbaar was voor het water. Het water reikte tot aan een hoogte van 0,5 cm boven het ondervlak
van de proefstukken. Gedurende 8 uren na de start van de proef werden alle proefstukken om het
half uur gewogen. Naarmate de proef vorderde, verminderde de wateropname in de proefstukken.
Daarom werden vervolgens de proefstukken na 24 uren, 48 uren,... gewogen tot volledige
verzadiging of bijna volledige verzadiging van de proefstukken voorkwam. De laatste meting werd
uitgevoerd op 96 uren na aanvang van de proef. De proefstukken werden tot op 0,01 g nauwkeurig
gewogen op een weegschaal. Voor het wegen, werden de proefstukken afgedept met een vochtige
vod.
Figuur 3-30: Opstelling proef capillaire waterabsorptie
38
3.2.7. Invloed van herbelasting op de capillaire waterabsorptie
Bij deze proef werd al een selectie gemaakt in de waterafstotende middelen en werden 5 reeksen
van 3 proefstukken getest waarbij ook hier één reeks diende als referentie. De proef verliep zoals
aangegeven in Figuur 3-31. Nu werden de proefstukken niet verzaagd zodat een tweede buigproef
mogelijk was en de proef op capillaire waterabsorptie verliep volledig op dezelfde wijze als uitgelegd
in paragraaf 3.2.6. De laatste weging van de mortelproefstukken werd uitgevoerd 72 uren na
aanvang van de proef.
Figuur 3-31: Verloop van de proef op capillaire waterabsorptie met herbelasting
De gebruikte helende agentia waren het polyurethaan PU1 en de waterafstotende middelen WM1,
WM2 en WM3. Het helend agens PU1 werd opnieuw gemaakt op basis van prepolymeer 001 met
een viscositeit van 3930 mPa.s. Het PU1 werd gemengd met water zodat het polyurethaan weinig
visceus was.
3.2.8. Breuk van de glazen capsules
Er werd een proef uitgevoerd om te zien bij welke scheurwijdte de glazen capsules in een
mortelproefstuk braken. Hiervoor werden 4 reeksen van 3 proefstukken gemaakt op de manier die in
paragraaf 3.1.7.1. is aangegeven. Als helend agens werd PU2 gebruikt. In elk proefstuk zaten twee
paren capsules met in elke capsule een component van PU2.
De W/C-factor van de mortel bedroeg 0,5, waardoor er kans was dat de capsules zouden opdrijven.
Om dit enigszins te beperken, werden de proefstukken van reeks 1 en reeks 3 maar 30 keer in plaats
van 60 keer geschokt. Bij reeks 3 en reeks 4 werd achteraf nog geprobeerd om de capsules manueel
naar beneden te duwen in de mortel met behulp van metalen plaatjes. In Tabel 3-8 is te zien welke
handelingen voor elke reeks zijn ondernomen. De bedoeling was namelijk dat de capsules op
ongeveer 1 cm boven het grondvlak van het proefstuk zouden zitten.
39
Tabel 3-8: Middelen om opdrijving te voorkomen
Naamgeving # schokken Extra
Reeks 1 30 30
Reeks 2 60 60
Reeks 3 30/NBG 30 Naar beneden geduwd
Reeks 4 60/NBG 60 Naar beneden geduwd
Na twee weken uitharden, werd een scheur aangebracht in elk proefstuk met behulp van de
buigproef. Van elke reeks werd het eerste proefstuk gebogen tot een scheurwijdte van 200 µm, het
tweede proefstuk tot 300 µm en het derde proefstuk tot 400 µm. Bij proefstukken waar de capsules
gebroken waren door de scheur, werd het PU2 zichtbaar aan het scheuroppervlak.
Een dag na de eerste buigproef werden de proefstukken gebogen tot volledige breuk zich voordeed.
Dan kon nagegaan worden tot op welke hoogte de capsules opgedreven waren en of beide paren
capsules al of niet gebroken waren door de eerste buigproef. Indien er uitgehard PU2 op het
scheurvlak aanwezig was, betekende dit dat de capsules gebroken waren door de eerste buigproef.
Indien de lijm nog nat was, waren de capsules pas gebroken bij de tweede buigproef.
3.2.9. Proeven op de sandwichpanelen
3.2.9.1. Simulatie in Trisco
Met het programma Trisco was het mogelijk om het temperatuurverloop doorheen een muur op te
stellen. Uit de resultaten van deze simulatie was het mogelijk om de oppervlaktetemperatuur van
het buitenblad van het sandwichpaneel te bepalen bij opwarming door de zon.
Eerst werd de geometrie van het sandwichpaneel getekend. Er werd gekozen voor een buitenblad
met een dikte van 6 cm, een isolatielaag van polyurethaan met een dikte van 5 cm en een binnenblad
met een dikte van 9 cm. De sandwichpanelen die uiteindelijk beproefd werden op thermische
scheurvorming hadden eveneens deze afmetingen, zie paragraaf 3.1.8.2. De simulatie werd berekend
op een eenheidsoppervlak, dus de afmetingen in het vlak bedroegen 1 m op 1 m.
Vervolgens werden de randvoorwaarden in het programma ingegeven. De binnentemperatuur werd
ingesteld op 20 °C, ongeveer de gemiddelde temperatuur in werkomgevingen. De buitentemperatuur
veranderde cyclisch met dag en nacht. Aangezien hier het effect van de opwarming werd
beschouwd, werden hoge waarden voor de buitentemperatuur gekozen. De berekening werd
uitgevoerd met een buitentemperatuur van 30 °C, 35 °C en 40 °C.
Warmte verplaatst zich doorheen de wand door convectie en conductie. Dit is schematisch
weergegeven in Figuur 3-32. De convectiecoëfficiënt aan het buitenoppervlak werd gelijk aan
23 W/m²K gekozen en aan het binnenoppervlak gelijk aan 8 W/m²K [7]. Het gebruikte beton was een
normale sterkte beton met een conductiecoëfficiënt van 2 W/mK [6]. De isolatielaag bestond uit
polyurethaan dat in deze opstelling een warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,494 W/mK heeft.
40
Figuur 3-32: Geometrie en randvoorwaarden
Door opwarming van de zon, stralingswarmte van de directe omgeving en straling van de
hemelkoepel ervaart een betonnen oppervlak een referentietemperatuur die hoger is dan de
buitentemperatuur. Deze referentietemperatuur werd berekend met Vergelijking (3-3).
(3-3)
Waarbij : buitentemperatuur
: absorptiefactor van het betonoppervlak [10] [41]
: kortgolvige irradiantie van de zon op het buitenoppervlak [7]
: stralingsovergangscoëfficiënt aan het buitenoppervlak [7]
: convectieve overgangscoëfficiënt aan het buitenoppervlak [7]
: hoekfactor vlak-hemelkoepel [7]
: verschil tussen buitentemperatuur en stralingstemperatuur
hemelkoepel [7]
De buitentemperatuur varieert en kan in zomermaanden oplopen tot 40 °C. De zon levert een
warmtestraling van 850 W/m² waarvan 55 % opgenomen wordt door het betonoppervlak [41]. Voor
wandconstructies gebeurt de straling voor de helft tussen de hemelkoepel en het oppervlak en voor
de helft tussen de omgeving en het oppervlak. Fssky is bijgevolg gelijk aan 0,5. De
stralingstemperatuur van de hemelkoepel is bij een warme zomerdag zonder wolken 20 °C lager dan
de buitentemperatuur [7].
De formule werd uitgerekend voor een buitentemperatuur van 30 °C, 35 °C en 40 °C en de resultaten
zijn weergegeven in Tabel 3-9.
41
Tabel 3-9: Buitentemperatuur en referentietemperatuur
θe [°C] θref,e [°C]
30 49
35 54
40 59
Door straling neemt de referentietemperatuur dus met 19 °C toe ten opzichte van de
buitentemperatuur. Deze referentietemperatuur werd ingegeven als buitentemperatuur in het
programma Trisco. Een grafische weergave van het temperatuurverloop doorheen het
sandwichpaneel voor een buitentemperatuur van 30 °C, 35 °C en 40 °C is respectievelijk
weergegeven in Figuur 3-33 (a), (b) en (c).
Figuur 3-33: Temperatuurverloop bij (a) θe =30 °C; (b) θe =35 °C; (c) θe=40 °C
42
Bij deze simulatie verliep de temperatuur lineair tussen de verschillende oppervlakken van het
sandwichpaneel. Bij een buitentemperatuur van 30 °C, 35 °C en 40 °C werd respectievelijk een
oppervlaktetemperatuur op het buitenblad van 49 °C, 54 °C en 59 °C verkregen. De val in
temperatuur was zoals te verwachten het grootst in de isolatielaag. Dit is goed zichtbaar in Figuur
3-34.
Figuur 3-34: Temperatuurverloop bij θe van 30 °C, 35 °C en 40 °C
3.2.9.2. Simulatie in Scia Engineer
Met behulp van Scia Engineer kon de thermische belasting op een sandwichpaneel gesimuleerd
worden. Eerst werden de gebruikte materialen ingevoerd. Vervolgens werd de geometrie met de
bijhorende randvoorwaarden getekend om daarna de thermische belasting op deze geometrie aan te
brengen. Ten slotte voerde het programma de berekeningen uit en konden de vervormingen en
spanningen van de geometrie bekeken worden.
De gebruikte materialen zijn beton voor het buiten- en binnenblad, polyurethaan als isolatielaag en
inox voor de verankeringen tussen beide bladen. De karakteristieken van beton en inox zijn
weergegeven in Tabel 3-10. De eigenschappen van beton C30/37 werden bekomen uit de
materialenbibliotheek van Scia Engineer. De eigenschappen van inox zijn overgenomen uit een tabel
met technische eigenschappen van inox [42].
Tabel 3-10: Materialen en karakteristieken
Beton C30/37 Inox
Thermische uitzetting [m/mK] 1,00E-05 1,75E-05
Massa eenheid [kg/m³] 2500 8000
E-modulus [MPa] 32800 200000
Poisson coëfficiënt [-] 0,2 0,2
G-modulus [MPa] 13667 83300
Specifieke hitte [J/gK] 0,60 0,50
Thermische geleiding [W/mK] 2 15
43
De tussenliggende isolatielaag van polyurethaan werd niet opgenomen in de geometrie. Er werd
verondersteld dat er geen aanhechting is tussen de isolatielaag en de betonlagen.
De wandelementen worden verankerd met de kolommen door middel van bouten en
sleufverbindingen. Deze verankeringen op het binnenblad werden gemodelleerd met 2 steunpunten
op elke korte zijde van het paneel en op 20 cm afstand van de lange zijden van het paneel. De
modellering van deze verankeringen liet geen verplaatsingen toe, maar rotaties om de 3
verschillende assen waren wel mogelijk.
Het buitenblad is aan het binnenblad verankerd met twee plaatankers met een dikte van 1 mm en
een breedte van 120 mm, zoals weergegeven in Figuur 3-35. Deze ankers bevinden zich op halve
hoogte en op een afstand van 1,8 m van de korte zijde van het paneel. Met de functie ‘constructie-
entiteiten verbinden’ werd in het programma een momentvaste verbinding gemaakt tussen de
verankeringen en de betonbladen. Verder bevindt er zich nog een torsieanker, zoals te zien in Figuur
3-36, in het midden van het paneel en op een hoogte van 1 m, maar omdat het paneel door de
thermische belasting geen torsie ondervindt, werd dit anker niet gemodelleerd. Een schematische
voorstelling van de plaats van de verankeringen is te zien in Figuur 3-37.
Figuur 3-35: Plaatanker [43]
Figuur 3-36: Torsieankers [43]
Figuur 3-37: Plaats van de verankeringen in het sandwichpaneel
De belastingen die beschouwd werden, waren het eigengewicht van het paneel en de thermische
belasting ten gevolge van de opwarming van het buitenblad door de zon. In het programma konden
de temperaturen aan de betonoppervlakken ingegeven worden. Over de dikte van het betonblad
verliep de temperatuur lineair tussen de twee oppervlaktetemperaturen. De
oppervlaktetemperaturen werden berekend met Trisco en zijn weergegeven in Tabel 3-11.
44
Tabel 3-11: Temperaturen aan de betonoppervlakken
θe [°C] θref,e [°C]
Buiten-
oppervlak [°C]
Buitenblad -
Isolatie [°C]
Isolatie -
Binnenblad [°C]
Binnen-
oppervlak [°C] θi [°C]
30 48,6 48 43,5 28,5 21,5 20
35 53,6 53 47,5 30 22 20
40 58,6 58 51,5 32 22,5 20
Het programma voerde een lineaire berekening uit met behulp van de eindige elementen methode
waarbij de gemiddelde grootte van de 2D elementen in het net 0,1 m bedroeg. De vervormde
constructie zag er uit zoals in Figuur 3-38.
Figuur 3-38: Vervormde constructie
De temperaturen aan het buitenblad zijn hoger dan aan het binnenblad. Het buitenblad zet bijgevolg
meer uit dan het binnenblad waardoor het sandwichpaneel zal uitbuigen. In het buitenblad ontstaan
trekspanningen in de lengterichting, terwijl in het binnenblad drukspanningen ontstaan in de
lengterichting. Bij een hogere buitentemperatuur verhoogt de thermische rek zowel in buiten- als
binnenblad. Het paneel buigt meer uit waardoor de spanningen eveneens toenemen. In Tabel 3-12
zijn de gesimuleerde uitbuiging van het paneel, de rekken en spanningen in het midden van het
buiten- en binnenblad weergegeven voor een buitentemperatuur van 30 °C, 35 °C en 40 °C.
Tabel 3-12: Gesimuleerde uitbuiging, rek en spanning van het sandwichpaneel
bij een buitentemperatuur van 30 °C, 35 °C en 40 °C ; druk = - en trek = +
θe [°C] Uitbuiging [mm] ε [mm/m] σmid [MPa] ε [mm/m] σmid [MPa]
30 5,7 0,46 7,6 0,25 -8
35 6,5 0,5 7,9 0,26 -8
40 7,7 0,55 8,3 0,27 -10
Buitenblad Binnenblad
45
De treksterkte van het beton in de sandwichpanelen werd gemeten op 3 cilindrische kernen met
diameter 5 cm. De trekspanning bij breuk bedroeg 4,49 ± 0,07 MPa en is dus lager dan de berekende
trekspanningen van Tabel 3-12. Bij een buitentemperatuur van 30 °C of meer kunnen dus scheuren
ontstaan in het buitenblad van een sandwichpaneel.
3.2.9.3. Opstelling sandwichpanelen voor simulatie van thermische belasting
In het laboratorium werd een opstelling gebouwd om de thermische scheurvorming in
sandwichpanelen te simuleren. Deze opstelling is weergegeven in Figuur 3-39. Het was de bedoeling
om de ruimte tussen de panelen op te warmen zodat een temperatuurverschil over de dikte van de
sandwichpanelen verkregen werd. Door een cyclisch verloop van opwarming en afkoeling werd de
werkelijke toestand gesimuleerd waarbij de panelen uitbuigen en terugkeren zodat scheuren
gevormd worden.
Figuur 3-39: Opstelling sandwichpanelen
Aan elke zijde van de opstelling werden twee palen geplaatst waaraan kleine koppanelen met een
lengte van 160 cm werden bevestigd. Tussen deze korte panelen werden twee sandwichpanelen met
een lengte van 759 cm geplaatst. De lange sandwichpanelen werden met stalen sleufverbindingen
verbonden aan de korte koppanelen, zoals te zien op Figuur 3-40.
Figuur 3-40: Stalen sleufverbinding
46
De ruimte tussen de panelen werd vervolgens zo goed mogelijk geïsoleerd. Op de vloer en tussen de
panelen lag een 6 cm dikke rotswollaag om de warmteverliezen via de betonnen vloer te beperken.
De bovenkant van de opstelling werd afgesloten met isolatieplaten van polyurethaan met een dikte
van 5 cm.
De panelen werden aan elk uiteinde op een plastieken collage van 0,5 cm dik geplaatst. De spleet die
hierdoor ontstond tussen het paneel en de vloer werd opgevuld met mastiek. Ook de spleten tussen
de lange panelen en de koppanelen werden op dezelfde wijze opgevuld. Op deze manier was de
ruimte tussen de panelen volledig afgesloten zodat de warmteverliezen geminimaliseerd bleven.
Om het temperatuurverloop doorheen de wand te kunnen meten, werden zoals besproken in
paragraaf 3.1.8., thermokoppels in de sandwichpanelen gegoten. Op het oppervlak van het
buitenblad en op het oppervlak van het binnenblad van elk paneel werden nog thermokoppels
gekleefd. Elk paneel had uiteindelijk vier thermokoppels om het temperatuurverloop te meten.
Naast temperatuurmetingen werden ook de verplaatsingen door uitbuiging van de twee lange
panelen gemeten. Dit kon met behulp van LVDT’s die halverwege de panelen geplaatst werden op
een statief, zoals te zien in Figuur 3-41 (a), (b) en (c). De gebruikte LVDT’s hadden een bereik van
30 cm.
(a) LVDT aan het binnenblad
(b) LVDT’s aan de
buitenbladen
(c) LVDT aan het binnenblad
Figuur 3-41: LVDT's in de opstelling
Er was ook apparatuur nodig om de ruimte tussen de panelen te kunnen opwarmen tot een
temperatuur van 60 °C. Aangezien een toestel op mazout- of gasverbranding niet toegelaten was in
het laboratorium werd een warmeluchtblazer op elektriciteit gebruikt. De warmteluchtblazer is te
zien in Figuur 3-42 met zijn eigenschappen in Tabel 3-13.
47
Figuur 3-42: Warmeluchtblazer
Tabel 3-13: Eigenschappen van de warmeluchtblazer
Vermogen 18 kW
Stroomsterkte 28 A
Spanning 3x380 V
Luchtopbrengst 1520 m³/u
Lengte 0,4 m
Breedte 0,47 m
Hoogte 0,59 m
Het vermogen van dit toestel kon berekend worden met Vergelijking (3-4). Hieruit kon bepaald
worden wat het temperatuurverschil is dat bereikt kon worden met deze warmeluchtblazer. Dit
gebeurde dan volgens Vergelijking (3-5) [7].
(3-4)
Of
(3-5)
Waarbij : het temperatuurverschil tussen buiten- en binnenoppervlak
: het vermogen van het toestel
: de volumieke warmtecapaciteit van lucht
: het ventilatievoud van de ruimte
: het volume van de ruimte
Zo kon theoretisch een temperatuurverschil van 35,5 °C bekomen worden. Er werd wel geen
rekening gehouden met warmteverliezen via kleine openingen in de opstelling. De temperatuur
bereikte in de testopstelling geen 60 °C en daarom werd naast deze warmeluchtblazer ook gebruik
gemaakt van stralingsverwarmers. In Figuur 3-43, Figuur 3-44 en Figuur 3-45 zijn de
stralingsverwarmers, die in de opstelling gebruikt werden, te zien. Ze hadden respectievelijk per stuk
een vermogen van 1800 W, 500 W en 800 W. Deze verwarmers zorgden wel voor een plaatselijke
opwarming van het paneel en geen algemene opwarming van de ruimte zoals bij de
warmeluchtblazer. De warmeluchtblazer bleef dus zorgen voor een verspreiding van de warmte over
de ruimte tussen de panelen.
48
Figuur 3-43: Stralingsverwarmer van 1800 W
Figuur 3-44: 3 stralingsverwarmers met elk een
vermogen van 500 W
Figuur 3-45: 2 stralingsverwamers met elk een vermogen van 800 W
Om de opwarming van de panelen door de zon zo goed mogelijk te simuleren, werd de ruimte tussen
de panelen cyclisch opgewarmd en afgekoeld. De verwarmingstoestellen werden aangesloten op een
timer zodat de toestellen automatisch inschakelden om gedurende een aantal uren de ruimte tussen
de panelen op te warmen. Na deze opwarmcyclus schakelden de verwarmingstoestellen terug uit en
kon de ruimte tussen de panelen afkoelen gedurende de rest van de dag. Tijdens een afkoelcyclus
werden de isolatieplaten weggehaald van de opstelling zodat de panelen meer konden afkoelen.
In het elektrisch circuit was eveneens een veiligheid ingebouwd die ervoor zorgde dat de
verwarmingselementen uitschakelden indien de temperatuur in de opstelling te hoog opliep.
Hiervoor werd een thermometer opgehangen in de ruimte tussen de panelen.
3.2.9.4. Eerste test op thermische belasting van sandwichpanelen
Gedurende twee weken werd een eerste opstelling van sandwichpanelen getest. Er werd gekeken of
het mogelijk was om de ruimte tussen de panelen genoeg op te warmen zodat scheuren ontstonden.
De opstelling is weergegeven in Figuur 3-46. Zoals te zien waren er per paneel vier thermokoppels en
bevond er zich voor elk paneel een LVDT aan het buitenblad en aan het binnenblad. De thermometer
die het circuit deed uitschakelen bij te hoge temperaturen is aangegeven met “Tveiligheid” in Figuur
3-46. Indien de temperatuur daar hoger werd dan 55 °C schakelde de verwarming uit. Deze grens
werd lager gekozen dan 60 °C omdat er enig temperatuurverschil was tussen de kant waar de
warmeluchtblazer opgesteld stond en de kant waar de thermometer hing.
49
Figuur 3-46: Eerste opstelling van de proef
op thermische belasting van sandwichpanelen
De warmeluchtblazer werd tijdens de eerste test tussen de panelen geplaatst. Al snel bleek dat het
toestel uitschakelde doordat het toestel te warm werd. De warmeluchtblazer moet namelijk in staat
zijn om koude lucht aan te zuigen en warme lucht uit te blazen. Om de toevoer aan koude lucht
mogelijk te maken, werd de warmeluchtblazer afgescheiden van de opwarmruimte door middel van
een isolatiepaneel, zoals in Figuur 3-47 is te zien. Het toestel schakelde niet meer uit, maar werkte
soms wel maar op de helft van zijn stroomsterkte. In een later stadium werd zoals in Figuur 3-48 te
zien het toestel nog hoger geplaatst om dit probleem op te lossen, maar dit bleek nog steeds niet te
volstaan.
Figuur 3-47: Warmeluchtblazer afgescheiden
van de opgewarmde ruimte
Figuur 3-48: Warmeluchtblazer hoger geplaatst
Om nog hogere temperaturen in de ruimte tussen de panelen te krijgen, werden er een week lang 2
extra infraroodstralers geplaatst, zoals in Figuur 3-46 te zien. De infraroodstralers waren van het type
van Figuur 3-43 met een vermogen van 1800 W. Ze stonden in het midden van de opstelling en
richtten elk op één wandpaneel. Op deze manier werden wel temperaturen van 60 °C behaald in de
ruimte tussen de panelen.
Uit de ervaring die opgedaan werd bij deze eerste opstelling, werd de tweede opstelling
geoptimaliseerd.
50
3.2.9.5. Thermische belasting van een zelfhelend sandwichpaneel en van een zwaar
gewapend sandwichpaneel
De tweede opstelling werd enigszins gewijzigd in vergelijking met de eerste opstelling. In Figuur 3-49
is te zien dat de warmeluchtblazer zich niet meer tussen de panelen bevond. Dankzij een gat in het
koppaneel kon de warmeluchtblazer net buiten de opgewarmde ruimte geplaatst worden. Zo had
het toestel geen problemen meer om koude lucht aan te zuigen. Tussen de panelen werden de
LVDT’s weggelaten. De metingen van de twee LVDT’s die buiten de panelen stonden, waren
voldoende om een idee te krijgen van de verplaatsing van de panelen. In de tweede opstelling
werden er meer stralingswarmers geplaatst. Ze bevonden zich in het midden van de ruimte tussen de
panelen en werden afwisselend gericht op het ene paneel en op het andere paneel, ofwel volgens de
groene pijlen ofwel volgens de blauwe pijlen in Figuur 3-49. De straler van 1500 W was een
samenstelling van de 3 stralers in Figuur 3-44. De twee stralers van 1800 W waren deze van het type
van Figuur 3-43 en de 2 stralers van Figuur 3-45 zorgden voor een vermogen van 1600 W samen. De
thermometer die zorgde voor de veiligheid van het elektrisch circuit werd nu in het midden van de
opgewarmde ruimte gehangen en stond ingesteld op een temperatuur van 58 °C.
Figuur 3-49: Tweede opstelling van de proef
op thermische belasting van sandwichpanelen
De sandwichpanelen in deze opstelling waren niet meer de standaardpanelen. In één van de panelen
werden capsules aangebracht, in het andere paneel werd meer wapening geplaatst, zie paragraaf
3.1.8.2. De lange panelen werden iets hoger geplaatst door twee collages in plaats van één collage op
elk steunpunt te leggen. Op die manier werd vermeden dat de uitbuigingen van de panelen
belemmerd werden door contact met de betonvloer. Uit de panelen van deze laatste opstelling
werden kernen geboord met een diameter van 8 cm om de betondekking van de capsules in paneel A
te kunnen meten en om de scheurdieptes in paneel B te kunnen bepalen.
51
3.2.9.6. Wateropname bepalen
Om de wateropname in het betonoppervlak van de panelen te bepalen, werd gebruik gemaakt van
een karstenpijpje, zoals te zien in Figuur 3-50. Het karstenpijpje werd met de blauwe plastische kit
bevestigd op een ongescheurd betonoppervlak of bovenop een scheur. Op het karstenpijpje is een
schaalverdeling getekend met een maatstreepje om de 0,1 ml. Het pijpje werd gevuld met water tot
aan het bovenste maatstreepje. Met een chronometer werd gemeten hoe snel het water in het
betonoppervlak of in de scheur drong.
Figuur 3-50: Karstenpijpje
Bij scheuren waarvan de wateropname groot was, werd de tijd gemeten om 0,5 ml water op te
nemen. Indien de wateropname minder snel verliep, werd de tijd gemeten tot 0,2 ml of 0,3 ml
opname in het beton. De plaatsen van de metingen zijn weergegeven in Figuur 4-57 en Figuur 4-58.
3.2.9.7. Kleurschakeringen meten
Een aantal helende agentia veroorzaakten kleurschakeringen op het betonoppervlak. Met de
spectrofotometer uit Figuur 3-51 werden de CIE L* a* b* kleurwaarden bepaald. Het toestel mat de
kleurwaarden van een cirkelvormig oppervlak met diameter 1 cm en een meting werd geregistreerd
door de onderkant van de spectrofotometer tegen het oppervlak aan te drukken. De metingen
werden uitgevoerd op zowel een droog als op een nat betonoppervlak. Telkens werden metingen
uitgevoerd op het onbehandeld beton en op het beton dat autonoom geheeld was.
52
Figuur 3-51: X-Rite spectrofotometer
Met 3 waarden is de kleur bepaald in de CIE L* a* b* kleurenruimte, zoals weergegeven in Figuur
3-52. De waarde L* geeft op een schaal tussen 0 en 100 aan wat de helderheid is. De
minimumwaarde duidt zwart aan terwijl de maximumwaarde overeenkomt met wit. De waarde a*
duidt de kleur aan tussen rood en groen. Een negatieve waarde betekent groen, terwijl een positieve
waarde rood aanduidt. De waarde b* representeert de kleur tussen geel en blauw. Een negatieve
waarde komt overeen met blauw, terwijl een positieve waarde overeenkomt met geel [44].
Figuur 3-52: CIE L* a* b* kleurenruimte [44]
3.2.10. Statistische verwerking
Meetresultaten werden statistisch verwerkt met het programma SPSS®. Om twee gemiddelde
waarden te vergelijken, werd gebruikt gemaakt van een t-test. Meerdere gemiddelden konden met
elkaar vergeleken worden met behulp van een Analysis of Variance (ANOVA). Bij de ANOVA werden
telkens de beschrijvende grootheden berekend en werd een test op homogeniteit van de varianties
(Levene’s test) uitgevoerd. Indien de varianties homogeen waren, werd een meervoudige
vergelijkingstoets van Student-Newman-Keuls uitgevoerd. Indien de varianties niet homogeen waren,
werd een Dunnett’s T3 test uitgevoerd. Deze testen gaven aan welke gemiddelden significant
verschillend waren en welke niet. Er werd steeds gerekend met een significantieniveau van 5 %.
Grafieken met resultaten geven de gemiddelde waarden van de metingen aan waarbij de foutbalken
de standaardfouten op deze gemiddelde waarden zijn.
53
Hoofdstuk 4
Resultaten en discussie
4.1. Werkelijke scheuren in de sandwichpanelen
Van de vier sandwichpanelen waarop thermische scheurvorming op natuurlijke wijze is
voorgekomen, werd het scheurpatroon opgemeten. De scheurwijdtes en scheurdieptes werden
gemeten op de boorkernen van deze panelen.
4.1.1. Scheurpatroon
De scheurpatronen van de panelen zijn schematisch weergegeven in Figuur 4-1. De vier panelen
hadden een aanzienlijke lengte en waren allemaal 20 cm dik. De lengte en hoogte van elk paneel is
aangegeven in Figuur 4-1 en de plaatsen van de kernboringen zijn aangeduid met een letter.
De scheuren ontstonden hoofdzakelijk vanaf de rand van het paneel en liepen meestal loodrecht op
de lengterichting. Door opwarming van het buitenblad van het paneel ging het volledige paneel
uitbuigen en ontstonden trekspanningen in de lengterichting. Werd de trekspanning van het beton
overschreden, dan ontstond een scheur loodrecht op de richting van de trekspanningen. Door het
herhaaldelijk uitbuigen en terugbuigen van het paneel konden scheuren verder groeien.
De scheuren waren verspreid over het paneel en waren soms heel kort of liepen soms volledig door
over de hoogte van het paneel. In paneel 4 was de schade het grootst. Naast het scheurpatroon van
paneel 4 dat in Figuur 4-1 getekend is, bevonden er zich nog overal haarscheurtjes. In paneel 2
daarentegen waren haast geen scheuren ontstaan en werden maar drie scheuren opgemerkt.
In paneel 1, 2 en 3 van Figuur 4-1 werd een voeg aangebracht halverwege de lengte van het
buitenblad. Deze voeg zorgde ervoor dat de lengte van het paneel eigenlijk gehalveerd werd. Omdat
paneel 4 de grootste lengte had, ontstond in dit paneel waarschijnlijk het grootste scheurpatroon. De
3 andere panelen hadden een haast even grote lengte en toch was het scheurpatroon verschillend. In
panelen met een grote lengte ontstaan dus niet per se veel thermische scheuren.
54
Figuur 4-1: Schematische voorstelling van de scheurpatronen
en de plaatsen van de kernboringen in de vier panelen
4.1.2. Scheurwijdte en scheurdiepte
Van alle geboorde kernen werd de scheurwijdte aan het bovenvlak van de kern gemeten samen met
de diepte van de scheur met de methode zoals beschreven in paragraaf 3.2.3. Op die manier waren
de belangrijkste afmetingen van de scheuren gekend en kon er bij verdere proeven gepoogd worden
deze te simuleren.
In Figuur 4-2 is een boxplot van de scheurwijdtes aan het oppervlak van elke betonkern
weergegeven. Het grootste aandeel van de scheuren bevindt zich in de zone van 100 µm tot 200 µm.
Enkel betonkern 4C steekt er boven uit met scheurwijdtes tussen 200 µm en 300 µm. Betonkernen
2A, 3B, 4B, 4D en 4E met scheurwijdtes lager dan 100 µm werden geboord ter plaatse van
haarscheurtjes. Doordat de panelen buiten werden opgesteld, is bij betonkern 3B en 4D zelfs
autogene heling opgetreden, zoals te zien in Figuur 4-3 (a) en (b). De fijne scheuren waren
blootgesteld aan regen en aan koolstofdioxide uit de lucht waardoor calciumcarbonaatkristallen in de
55
scheuren werden afgezet. De scheurwijdtes van deze betonkernen werden gemeten op plaatsen
waar de scheur nog niet volledig gedicht was door zelfheling.
Figuur 4-2: Boxplot van de scheurwijdtes in de betonkernen
(a) Proefstuk 3B
(a) Proefstuk 4D
Figuur 4-3: Zelfheling in proefstuk 3B en 4D
In de grafiek van Figuur 4-4 worden de scheurdieptes van elke betonkern weergegeven. De wapening
zat op 25 mm diepte dus bij een aantal kernen liep de scheur dieper dan de betondekking op de
wapening. De scheurdieptes vallen niet te correleren aan de gemiddelde scheurwijdtes over de
volledige lengte van de scheur aan het bovenvlak van de betonkernen. Daarom werd de gemiddelde
scheurwijdte uit de metingen aan de rand van het bovenvlak bepaald, zoals beschreven in paragraaf
3.2.3., en weergegeven in de grafiek van Figuur 4-4. De scheur in betonkern 4E was zodanig fijn dat
de scheur niet in de diepte gevormd was. Bij betonkern 3B en 4D was zelfheling opgetreden
waardoor de scheurwijdtes verminderd waren.
0
50
100
150
200
250
300
350
1A 1B 1C 2A 2B 3A 3B 4A 4B 4C 4D 4E
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
Betonkern
56
Figuur 4-4: Verband tussen scheurdiepte en scheurwijdte van elke betonkern;
* De diepte van scheur 4E is 0 cm
Door de scheurwijdte uit te zetten in functie van de scheurdiepte kon de correlatie tussen
scheurwijdte- en diepte bepaald worden, zoals weergegeven in Figuur 4-5. De R²-waarde bedraagt
0,74 en wijst er op dat er een correlatie is tussen scheurwijdte en – diepte. De proefstukken waar
autogene heling is opgetreden, werden hierbij niet in rekening gebracht.
Figuur 4-5: Correlatie tussen scheurwijdte en scheurdiepte
0
50
100
150
200
250
300
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1A 1B 1C 2A 2B 3A 3B 4A 4B 4C 4D 4E*
Sch
eu
rwijd
tes
[µm
]
Sch
eu
rdie
pte
s [m
m]
Betonkern
Scheurdieptes
Scheurwijdtes
R² = 0,7389
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40 50
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
Scheurdiepte [mm]
57
4.2. Breuk van glazen capsules bij scheurvorming
De mortelproefstukken voor deze proef werden op verschillende manieren vervaardigd, zoals
aangegeven in paragraaf 3.2.8. Om de kans op te hoog opdrijven te verkleinen, werd bij reeks 1 en
reeks 3 30 keer geschokt in plaats van 60 keer en werden bij reeks 3 en reeks 4 achteraf de capsules
naar beneden geduwd met behulp van twee stalen plaatjes.
In Tabel 4-1 zijn de resultaten van de test weergegeven: de scheurwijdte van de buigproef, de
morteldekking op de capsules, het aantal capsules dat brak en het al of niet ontstaan van een
gedeeltelijk nieuwe scheur bij buigen tot breuk.
Tabel 4-1: Resultaten van de test op het breken van de capsules
Proefstuk Naamgeving
Ingestelde
scheurwijdte [µm] Dekking [cm]
# capsules
gebroken
1-1 30 200 2,2 0/4
2-1 60 200 1,3 4/4
3-1 30/NBG 200 1,3 0/4
4-1 60/NBG 200 2,0 0/4
1-2 30 300 2,1 2/4
2-2 60 300 1,3 2/4
3-2 30/NBG 300 1,6 2/4
4-2 60/NBG 300 1,8 0/4
1-3 30 400 2,0 4/4
2-3 60 400 1,2 4/4
3-3 30/NBG 400 1,6 2/4
4-3 60/NBG 400 1,4 4/4
4.2.1. Proefstukken gebogen tot een scheurwijdte van 200 µm
In Figuur 4-6 zijn de mortelproefstukken die gebogen werden tot een ingestelde scheurwijdte van
200 µm weergegeven na volledige breuk. Met een groene lijn zijn de zones getekend waar uitgehard
PU2 zichtbaar was. Met een rode lijn zijn de natte zones aangeduid. In deze zones was de lijm dus
pas vrijgekomen bij volledige breuk van het proefstuk. Rechtsonder in elke figuur is aangegeven wat
de gemiddelde morteldekking op de capsules was en hoeveel capsules gebroken waren door de
eerste buigproef.
Indien door middel van de buigproef een scheurwijdte van 200 µm werd aangebracht, waren er
weinig capsules die braken. Enkel bij proefstuk 2-1 waren vier capsules gebroken. De heling bij dit
proefstuk zorgde wel voor een goede hechting want bij de tweede buiging tot breuk was er
gedeeltelijk een nieuwe scheur ontstaan. De morteldekking van het proefstuk 3-1 bedroeg evenveel
als van het proefstuk 2-1, toch waren de capsules van dit proefstuk niet gebroken.
Bij proefstuk 1-1, 3-1 en 4-1, respectievelijk weergegeven in Figuur 4-6 (a), (c) en (d), waren de
capsules pas gebroken bij volledige breuk van de proefstukken en was de uitgelopen lijm nog nat.
Ook bij proefstuk 2-1 in Figuur 4-6 (b) waren er natte zones rondom de plaats waar de capsules
zaten. Alle vier de capsules van dit proefstuk waren wel al gebroken door de eerste buigproef, maar
waarschijnlijk waren de capsules nog niet volledig leeggelopen doordat er slechts een kleine
scheurwijdte werd aangebracht en er dus nog bijkomende lijm was uitgelopen.
58
(a) Proefstuk 1-1; 30
(b) Proefstuk 2-1; 60
(c) Proefstuk 3-1; 30/NBG
(d) Proefstuk 4-1; 60/NBG
Figuur 4-6: Mortelproefstukken met een initiële scheur van 200 µm na volledige breuk
4.2.2. Proefstukken gebogen tot een scheurwijdte van 300 µm
Bij een scheurwijdte van 300 µm waren enkel de capsules in het proefstuk 4-2 waarvan de
morteldekking 1,8 cm bedroeg niet gebroken. In Figuur 4-7 (d) is uitgehard PU2 te zien in één paar
capsules. Deze capsules werden waarschijnlijk al gebroken toen ze met metalen plaatjes naar
beneden geduwd werden. Bij het proefstuk 1-2 met een grotere morteldekking van 2,1 cm waren
dan wel twee van de vier capsules gebroken. Zoals te zien in Figuur 4-7 (a), was rondom het
gebroken paar capsules nog een natte zone aanwezig waarschijnlijk omdat het PU2 nog niet volledig
uit de capsules gelopen was. In proefstuk 3-2 was een goede zelfheling ontstaan rondom het
gebroken paar capsules waardoor gedeeltelijk een nieuwe scheur gevormd werd bij de tweede
buigproef. Het ander paar capsules in dit proefstuk was nog niet gebroken en vertoonde dus een
natte zone, zoals te zien in Figuur 4-7 (c). Bij proefstuk 2-2 was ook één paar capsules niet gebroken,
zoals aangeduid in Figuur 4-7 (b). Rondom het andere paar capsules was uitgehard PU2 te zien.
59
(a) Proefstuk 1-2; 30
(b) Proefstuk 2-2; 60
(c) Proefstuk 3-2; 30/NBG
(d) Proefstuk 4-2; 60/NBG
Figuur 4-7: Mortelproefstukken met een initïele scheur van 300 µm na volledige breuk
4.2.3. Proefstukken gebogen tot een scheurwijdte van 400 µm
Indien een scheurwijdte van 400 µm werd aangebracht, braken in elk proefstuk wel 1 of 2 paren
capsules. Bij proefstuk 3-3 was één paar capsules gebroken, zoals te zien in Figuur 4-8 (c), terwijl bij
de mortelproefstukken 1-3, 2-3 en 4-3 beide paren capsules gebroken waren bij de eerste buigproef.
In Figuur 4-8 (a), (b) en (d) is er dan ook enkel uitgehard PU2 te zien rondom de capsules. Van deze
proefstukken zorgde het polyurethaan van proefstuk 4-3 voor een goede hechting waardoor er zich
gedeeltelijk een nieuwe scheur vormde bij de buiging tot breuk.
(a) Proefstuk 1-3; 30
(b) Proefstuk 2-3; 60
60
(c) Proefstuk 3-3; 30/NBG
(d) Proefstuk 4-3; 60/NBG
Figuur 4-8: Mortelproefstukken met een initïele scheur van 400 µm na volledige breuk
De capsules waren in alle proefstukken te hoog opgedreven. De bedoeling was om een
morteldekking van ongeveer 1 cm te verkrijgen zodat de capsules ter hoogte van de wapening in de
mortel zouden zitten. Om minder hoge opdrijving te hebben, is het beter om de W/C-factor van het
mortelmengsel te verlagen. Op die manier kunnen de mortelproefstukken waarschijnlijk toch 60 keer
geschokt worden op de schoktafel en is het niet meer nodig om de capsules naar beneden te duwen.
De belangrijkste factor bij het breken van capsules is de ingestelde scheurwijdte bij de eerste
buigproef. Er is een significant verschil tussen het aantal capsules dat brak bij een ingestelde
scheurwijdte van 200 µm en het aantal capsules dat brak bij een ingestelde scheurwijdte van
400 µm. Slechts 2 capsules braken niet in de reeks die gebogen werd tot een scheurwijdte van
400 µm.
Omdat de capsules allemaal hoger zaten dan de wapening is er geen direct verband te merken
tussen de morteldekking en het aantal capsules dat brak bij de eerste buigproef. Indien de capsules
lager dan de wapening zouden zitten, zou het kunnen zijn dat de morteldekking een grotere rol
speelt. Dan kan misschien wel een verband opgemerkt worden tussen de morteldekking en de
scheurwijdte waarbij capsules breken.
4.3. Capillaire waterabsorptie
De scheurwijdtes van de gescheurde mortelproefstukken werden opgemeten onder de microscoop
en zijn weergegeven in Figuur 4-9. De scheurwijdtes liggen in een zone tussen 50 µm en 150 µm. Ze
zijn niet significant verschillend van de scheurwijdtes die door een natuurlijk proces zijn ontstaan, zie
Figuur 4-2.
61
Figuur 4-9: Boxplot van de scheurwijdtes
Het PU1 werd gemengd met water en was gemaakt op basis van het prepolymeer 001 met een
viscositeit van 3930 mPa.s zodat de viscositeit laag genoeg was om gemakkelijk de proefstukken te
kunnen injecteren. De waterafstotende middelen waren vloeibaar genoeg om met een spuit
opgenomen te kunnen worden en in de scheuren te injecteren. De middelen WM1 en WM3 drongen
zichtbaar snel in de scheur. Bij de middelen WM2 en WM4 ging dit iets trager, terwijl WM5 helemaal
niet geschikt leek om in de scheur te dringen. De cohesie van dit middel was te hoog waardoor de
vloeistof als druppels op het proefstuk bleef liggen, zoals in Figuur 4-10 is te zien.
Figuur 4-10: Vorming van druppels bij injectie van WM5
Aangezien het middel WM5 al niet geschikt leek om mortel binnen te dringen, werd beslist dit
product verder niet meer te gebruiken.
De resultaten van de capillaire waterabsorptie zijn weergegeven in Figuur 4-11.
0
50
100
150
200
250
300
350
REF PU1 WM1 WM2 WM3 WM4 WM5
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
62
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
REF
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
PU1
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
WM1
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
WM2
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
WM3
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
WM4
63
(g)
Figuur 4-11: Waterabsorptie van scheuren
geïnjecteerd met verschillende helende agentia
De sorptiecoëfficiënten van deze grafieken zijn weergegeven in Figuur 4-12. Deze coëfficiënten zijn
de richtingscoëfficienten van het eerste lineair deel van de grafieken in Figuur 4-11. Dit eerste lineair
deel komt overeen met de metingen gedurende de eerste 8 uren van de proef. De berekeningen van
de sorptiecoëfficiënten zijn gebaseerd op de NBN EN 13057 norm [45].
Figuur 4-12: Sorptiecoëfficiënten van de waterabsorptie curves
De waterabsorptie van de referentieproefstukken liep op tot bijna 0,46 ± 0,01 g/cm², zoals te zien in
Figuur 4-11 (a). Bij sommige andere proefstukken werd eveneens deze hoeveelheid of net iets meer
geabsorbeerd. Dit kwam waarschijnlijk door een slechte injectie van het helend agens. Er bestaan
wel geen significante verschillen in maximale waterabsorptie tussen de reeksen.
Bij de referentiereeks was na een kwartier de scheur al volledig gevuld met water. Dit was duidelijk
doordat de bovenkanten van de proefstukken zichtbaar nat werden. In de curve is dit te zien aan de
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0 5 10 W
ate
rab
sorp
tie
[g/
cm²]
√ tijd [u0,5]
WM5
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
REF PU1 WM1 WM2 WM3 WM4 WM5
Sorp
tie
coë
ffic
iën
t [k
g/(m
².u
0,5
)]
64
snelle toename in waterabsorptie. De reeks die manueel geheeld werd met WM4 kende een even
snelle absorptie als de referentiereeks en ook bij deze reeks werden de scheuren vlug gevuld met
water, zoals te zien in Figuur 4-11 (f). Bij de andere reeksen kwam ditzelfde fenomeen voor, maar op
een later tijdstip. In de curves is dit zichtbaar door een plots snelle toename in de waterabsorptie. De
grote spreiding op een aantal meetpunten duidt op het feit dat niet van alle proefstukken van de
desbetreffende reeks de scheur volledig gevuld werd met water.
De reeks die geheeld werd met WM2 had de laagste maximale waterabsorptie, namelijk
0,38 ± 0,08 g/cm², zoals weergegeven in Figuur 4-11 (d). De sorptiecoëfficiënt van deze reeks is
eveneens laagst, zoals te zien in Figuur 4-12, en is significant verschillend van de sorptiecoëfficiënt
van de reeks die met WM4 geïnjecteerd werd.
De maximale waterabsorptie van de reeks die met WM3 geheeld werd, bleef met 0,44 ± 0,05 g/cm²
nog lager dan de maximale waterabsorptie van de referentiereeks, maar het verschil is niet
significant. De lage sorptiecoëfficiënt wijst wel op een minder snelle waterabsorptie dan de
referentiereeks. De waterabsorptie van de reeks die met PU1 geïnjecteerd werd is minstens even
goed als de reeks die met WM3 geïnjecteerd werd, zoals te zien in Figuur 4-11 (b) en (e). De
maximale waterabsorptie bedraagt 0,44 ± 0,01 g/cm² en de sorptiecoëfficiënt bedraagt
1,01 ± 0,09 kg/(m².u0,5).
De resultaten van deze proef vallen wat tegen door een slechte injectie van de helende agentia. Het
agens werd slechts 1 keer geïnjecteerd waardoor de scheur niet volledig gevuld was. Bij te veel
proefstukken werd tijdens de absorptie de scheur volledig gevuld met water waardoor de curve van
de waterabsorptie snel toenam en de curve van de waterabsorptie van de referentiereeks
benaderde. Bij de volgende proef op capillaire waterabsorptie, zie paragraaf 4.4., werd er voor
gezorgd dat de scheuren goed geïnjecteerd werden.
4.4. Invloed van herbelasting op capillaire waterabsorptie
De invloed van herbelasting op capillaire waterabsorptie werd bestudeerd op nieuwe reeksen
mortelproefstukken, zoals besproken in paragraaf 3.2.7. Bij de nieuwe reeksen werden de producten
WM4 en WM5 niet meer gebruikt. Zoals eerder reeds aangegeven, toonde WM4 geen herstel van de
scheur inzake waterdichtheid en kon WM5 niet geïnjecteerd worden in de scheuren.
De mortelproefstukken ondergingen twee keer een driepuntsbuigproef. In Figuur 4-13 zijn de
boxplot van de scheurwijdtes na de eerste buigproef en na de tweede buigproef weergegeven.
65
Figuur 4-13: Boxplot van de scheurwijdtes na de 1s t e en na de 2d e buigproef
De scheurwijdtes werden bij alle reeksen behalve de reeks die met PU1 geïnjecteerd was duidelijk
groter bij de tweede buigproef. Bij de reeks met PU1 is er geen significant verschil in gemiddelde
scheurwijdtes, terwijl bij de andere reeksen wel een significant verschil bestaat tussen de
scheurwijdtes na de eerste belasting en na de tweede belasting.
Door injectie met PU1 ontstond namelijk een hechting tussen de scheurvlakken. Op sommige
plaatsen was de hechting heel goed en bewoog het PU1 mee met de scheur, zoals weergegeven in
Figuur 4-14 (a) of ontstond een nieuwe scheur naast de geheelde scheur, zoals in Figuur 4-14 (b).
Waarschijnlijk kon op sommige plaatsen een nieuwe scheur ontstaan omdat er al een haarscheurtje
aanwezig was. Waar de hechting minder goed was, was de hechting tussen het PU1 en de mortel
verloren gegaan, zoals te zien in Figuur 4-14 (c). De scheurwijdte werd gemeten op plaatsen waar
een nieuwe scheur werd gevormd of op plaatsen waar de hechting tussen het PU1 en de mortel
verbroken was.
(a)
(b)
(c)
Figuur 4-14: Microscopische foto's van PU1 in een scheur
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
REF PU1 WM1 WM2 WM3
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
66
De waterafstotende middelen van de andere reeksen zorgden niet voor hechting tussen de
scheurvlakken, waardoor deze proefstukken op dezelfde plaats scheurden. Hierdoor valt de
resterende scheurwijdte groter uit dan na de eerste buigproef.
De grafieken van de waterabsorptie zijn weergegeven in Figuur 4-15.
(a)
(b)
(c)
(d)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
REF
Belasting
Herbelasting
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
PU1
Belasting
Herbelasting
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
WM1
Belasting
Herbelasting
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10
Wat
era
bso
rpti
e [
g/cm
²]
√ tijd [u0,5]
WM2
Belasting
Herbelasting
67
(e)
Figuur 4-15: Waterabsorptie van scheuren
na belasting en na herbelasting
De sorptiecoëfficiënten die overeenkomen met deze grafieken zijn weergegeven in Figuur 4-16. Deze
coëfficiënten werden op dezelfde manier bepaald als in paragraaf 4.3.
Figuur 4-16: Sorptiecoëfficiënten van de waterabsorptie curves
Bij de referentiereeks liep de waterabsorptie op tot 0,41 ± 0,01 g/cm² na de eerste belasting en tot
0,43 ± 0,00 g/cm² na de tweede belasting, zoals te zien in Figuur 4-15 (a). De absorptie bleef dus
onveranderd. De scheuren in de proefstukken van deze reeks waren in het eerste half uur al volledig
gevuld met water, waardoor de bovenkanten van de proefstukken zichtbaar nat werden. Er is geen
significant verschil in maximale waterabsorptie na de eerste belasting en na de tweede belasting
ondanks het feit dat de scheuren wijder zijn geworden. De sorptiecoëfficiënt van de waterabsorptie
na de tweede belasting is wel significant lager dan de sorptiecoëfficiënt na de eerste belasting. Dit
betekent dat de waterabsorptie minder snel verlopen is bij de grotere scheurwijdtes.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 5 10 W
ate
rab
sorp
tie
[g/
cm²]
√ tijd [u0,5]
WM3
Belasting
Herbelasting
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
REF PU1 WM1 WM2 WM3
Sorp
tie
coë
ffic
iën
t [k
g/(m
².u
0,5
)]
na 1ste belasting
na 2de belasting
68
Bij de reeksen die geheeld werden met een waterafstotend middel is de scheurwijdte ook groter
geworden na de twee belasting. De sorptiecoëfficiënten van deze reeksen zijn eveneens lager na de
tweede belasting dan na de eerste belasting, zoals te zien in Figuur 4-16. De grotere scheurwijdtes
zorgden ook hier voor een minder snelle absorptie, maar uiteindelijk is de maximale waterabsorptie
gelijk aan de absorptie na de eerste belasting, zoals te zien in Figuur 4-15 (c), (d) en (e). Er bestaan
geen significante verschillen tussen de maximale waterabsorptie na de eerste en na de tweede
belasting van elke reeks die geïnjecteerd werd met een waterafstotend middel.
Er bestaan geen significante verschillen tussen de maximale waterabsorptie van de reeksen die
geïnjecteerd werden met een waterafstotend middel. De waterabsorptie van elk van deze reeksen is
significant lager dan de waterabsorptie van de referentiereeks.
Na de eerste belasting is de waterabsorptie van de reeks die geheeld werd met PU1 significant lager
dan de waterabsorptie van de referentiereeks, zoals te zien in Figuur 4-15 (b). Na de tweede
belasting is dit verschil niet meer significant omdat er nieuwe scheuren werden gevormd en omdat
op sommige plaatsen het PU1 is opengescheurd. De sorptiecoëfficiënt na de tweede belasting is
significant groter dan de sorptiecoëfficiënt na de eerste belasting.
Waterafstotende middelen behouden dus de waterdichtheid na herbelasten. Na de eerste belasting
werden de scheuren geïnjecteerd waardoor er een waterafstotende laag ontstond op de
scheuroppervlakken, zoals te zien in Figuur 4-17. Bij herbelasting werd de scheur wijder, maar de
waterafstotende laag bleef aanwezig in de scheur, waardoor er terug minder water de scheur
binnendrong in vergelijking met een niet herstelde scheur.
Figuur 4-17: Detail van een scheur geheeld met WM
Scheuren die geheeld werden met PU1 absorbeerden meer water na herbelasting. De scheuren
werden na de eerste belasting geïnjecteerd met PU1 en het PU1 vulde de scheur volledig op en
maakte de scheur waterdicht, zoals te zien in Figuur 4-18. Bij herbelasting was op sommige plaatsen
het contact tussen het PU1 en de mortel verloren gegaan. Hierdoor konden watermoleculen terug de
scheur binnendringen en ging de waterdichtheid van de scheur verloren.
69
Figuur 4-18: Detail van een scheur geheeld met PU1
4.5. Hechting van het helend agens PU1 aan mortel
Zoals in paragraaf 4.4. reeds aangegeven, is PU1 in staat om hechting te realiseren tussen de
scheurvlakken. Met behulp van een trekproef op mortelcilinders met een gesimuleerde scheur werd
gekeken in welke omstandigheden PU1 de hoogste sterkte kon verkrijgen.
In bijlage A zitten de grafieken waarbij de belasting in functie van de verplaatsing gegeven is. De
meeste van de proefstukken bereikten de maximale waarde in trekbelasting bij een verplaatsing van
ongeveer 2 mm. Deze piek in de belasting komt overeen met het moment waarop de beide
proefstukken elkaar losten door het verbreken van de hechting tussen PU1 en het morteloppervlak.
Er werden drie analyses uitgevoerd op de resultaten van deze proef. Met een analyse van de
maximale trekbelasting is geweten in welk geval het contactoppervlak groot is en de hechting sterk
waardoor de grootste belasting mogelijk is. De analyse van het contactoppervlak tussen PU1 en
mortel dient om te weten in welk geval de scheur maximaal gevuld wordt. Door een analyse op de
maximale trekspanning is geweten in welk geval de adhesie tussen het polyurethaan en het
scheurvlak het grootst is waardoor de hoogste trekspanningen mogelijk zijn.
4.5.1. Maximale trekbelasting
De maximale trekbelastingen van elke reeks zijn weergegeven in Figuur 4-19.
Figuur 4-19: Maximale trekbelasting en
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
O-W O-T-W O 20/60 20/95 W
Be
last
ing
[N]
70
De variantie van reeks (O-W) en de reeks (O) is groter dan de variantie van de andere reeksen. In de
reeks (O-W) zijn er twee proefstukken waarbij een veel lagere trekbelasting bekomen werd. Dit komt
omdat van één proefstuk de hechting tussen het PU1 en de mortel al verbroken was tijdens het
opstellen van het proefstuk en omdat bij het ander proefstuk te weinig PU1 aangebracht werd. Het
PU1 beslaat namelijk slechts 62 % van het volledige cilinderoppervlak. In de reeks (O) is eveneens
een proefstuk aangetroffen waarvan het PU1 slechts 70 % van de oppervlakte beslaat. Ondanks deze
feiten is er geen significant verschil in de varianties van de verschillende reeksen.
Er is een significant verschil tussen de maximale treklast opgemeten voor de reeks (O) en de waarden
opgemeten voor de andere reeksen. Deze reeks met PU1 zonder water aangebracht op
ovengedroogde mortelproefstukken kon duidelijk de hoogste trekbelasting weerstaan, weergegeven
in Figuur 4-19.
Naarmate de mortelproefstukken bewaard werden in een omgeving met een hogere relatieve
vochtigheid daalde de maximale trekbelasting. Zo bedroegen de trekbelastingen nog maar
358 ± 26 N voor de proefstukken van de reeks (W) die onder water bewaard werden ten opzichte van
1397 ± 189 N voor de ovengedroogde proefstukken van de reeks (O). Tussen de trekbelasting van de
reeks (20/60) en de reeks (W) bestaat eveneens een siginificant verschil. In de reeks (20/60) werden
trekbelastingen van 870 ± 190 N bereikt.
De maximale trekbelasting liep niet zo hoog op als er PU1 gemengd met water aangebracht werd
tussen de proefstukken, zoals te zien in Figuur 4-19. Indien het PU1 afgedicht werd met tape
bedroegen de trekbelastingen 583 ± 76 N. Werd het PU1 niet afgedicht dan waren trekbelastingen
van 532 ± 150 N mogelijk. Er bestaat geen significant verschil tussen de trekbelastingen van deze
twee reeksen.
Mortelproefstukken die in de oven bewaard werden en waarop PU1 zonder water is aangebracht,
vertoonden de hoogste trekbelasting. Het PU1 van deze proefstukken was het minst opgeschuimd
waardoor er minst luchtbellen gevormd werden tussen de proefstukken. Dankzij het groot
contactoppervlak tussen de lijm en de mortelcilinders kon de trekbelasting zo hoog oplopen.
4.5.2. Contactoppervlak tussen PU1 en mortel
Bij de trekproeven braken alle proefstukken aan de aanhechting tussen PU1 en mortel. De hechting
tussen beide materialen was niet gespreid over het volledige oppervlak, maar besloeg slechts een
deel van het oppervlak. Van alle reeksen werd het percentage van het oppervlak met hechting tussen
PU1 en mortel ten opzichte van het totaaloppervlak berekend en weergegeven in Figuur 4-20.
71
Figuur 4-20: Percentage contactoppervlak tussen PU1 en mortel
Wanneer PU1 met water gemengd werd, was er duidelijk minder hechting tussen het PU1 en de
mortel. Het PU1 schuimde al waarbij luchtbellen ontstonden en er op minder plaatsen hechting met
de mortel ontstond. Tussen de reeks (O-W) en de reeks (O-T-W) die gelijmd werden met PU1 met
water bestaat geen significant verschil in oppervlakte aan hechting. Tussen de reeks (O-W) en de
reeks (W) bestaat eveneens geen significant verschil. Al deze reeksen zijn wel significant verschillend
van de reeks (O), de reeks (20/60) en de reeks (20/95).
Bij de reeksen (O), (20/60), (20/95) en (W) waar PU1 zonder water werd aangebracht, was een
gelijkaardige trend te zien als bij de maximale belasting. Hoe hoger de relatieve vochtigheid tijdens
het bewaren van de mortelproefstukken, hoe lager de uiteindelijke hechting tussen het PU1 en de
mortel was. Het percentage hechting van de mortelproefstukken van de reeks (W) die onder water
bewaard werden, bleef nog net hoger dan het percentage hechting van de proefstukken van de
reeks (O-W).
Indien het polyurethaan dus veel water ter beschikking had, ging het opschuimen en ontstonden
luchtbellen zodat minder hechting ontstond tussen het PU1 en de mortel. Door de scheur af te
dichten met tape, konden minder luchtbellen ontsnappen uit de gesimuleerde scheur waardoor het
contactoppervlak iets kleiner was. Indien er minder water aanwezig was, was de polymerisatiereactie
minder hevig en was er bijgevolg meer contactoppervlak tussen de lijm en de mortel. Om een scheur
volledig te vullen met PU1 is het dus beter dat het polyurethaan weinig water ter beschikking heeft
zodat er weinig schuimvorming optreedt.
4.5.3. Maximale trekspanning
De maximale trekspanningen van de verschillende reeksen zijn weergegeven in Figuur 4-21.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
O-W O-T-W O 20/60 20/95 W
AP
U/A
cilin
der
op
per
vlak
[%
]
72
Figuur 4-21: Maximale trekspanningen
Bij de reeksen met PU1 zonder water is een lichte daling in maximale trekspanning te zien bij een
hogere relatieve vochtigheid gedurende het bewaren van de mortelproefstukken. De hoogste
trekspanningen van PU1 zonder water kwamen dus voor bij de reeks (O) die in de oven bewaard
werd en deze spanningen liepen op tot 1,30 ± 0,05 MPa. Door PU1 met water te mengen, werden
grotere mogelijke trekspanningen bekomen. De maximale trekspanning in de reeks (O-W) bereikte
een waarde van 1,48 ± 0,25 MPa. Bij de proefstukken van de reeks (O-T-W) was er minst oppervlakte
aan hechting tussen PU1 en mortel en toch een grote trekbelasting waardoor de maximale
trekspanningen 3,76 ± 0,70 MPa bedroegen. Er bestaat dan ook een significant verschil tussen de
trekspanningen in de reeks (O-T-W) en de trekspanningen van de andere reeksen.
Het PU1 dat gemengd werd met water ging hevig opschuimen. De polymerisatiereactie zorgde
ervoor dat de adhesie tussen het PU1 en de mortel groter was waardoor de maximale
trekspanningen hoger werden. Bij de reeks (O-T-W) die afgedicht werd met tape kon het
polyurethaan niet uit de gesimuleerde scheur lopen en konden de luchtbellen die ontstonden door
schuimvorming eveneens niet weg uit de gesimuleerde scheur. Dit zorgde voor een klein
contactoppervlak tussen PU1 en mortel waarbij al het polyurethaan dat aangebracht werd nog
aanwezig was en voor hechting met de mortel zorgde. Dankzij deze combinatie kon deze reeks de
hoogste trekspanningen aan.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
O-W O-T-W O 20/60 20/95 W
Tre
ksp
ann
ing
[N/m
m²]
73
4.6. Thermische belasting van de sandwichpanelen
4.6.1. Temperatuurverloop en verplaatsing van de panelen
In Figuur 4-22 is een schema van de opstelling te zien. De panelen worden benoemd met de namen
“Paneel A” en “Paneel B”. In Figuur 4-23 en Figuur 4-24 zijn respectievelijk het temperatuurverloop
van paneel A en de uitbuiging van paneel A weergegeven. In Figuur 4-25 en Figuur 4-26 zijn dezelfde
grafieken weergegeven voor paneel B.
De thermokoppels aan het binnenblad, T4 en T8, werden pas op een later tijdstip bevestigd aan de
panelen waardoor de registratie pas liep vanaf dag 15. Eveneens op dag 15 is er een lagere registratie
in temperatuur te zien door thermokoppel T5. Dit komt omdat het thermokoppel losgekomen was
van het buitenblad van het paneel.
De eerste opwarmcyclus diende als test en heeft 6 uren geduurd. Daarna zijn er 5 opwarmcycli
geweest van 7 uren. Om nog hogere temperaturen te verkrijgen, werd uiteindelijk een opwarmcyclus
van 9 uren ingesteld.
Figuur 4-22: Schema van de opstelling met enkel een warmeluchtblazer
74
Figuur 4-23: Temperatuurverloop van paneel A
Figuur 4-24: Verplaatsing van paneel A
0
10
20
30
40
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Tem
pe
ratu
ur
[°C
]
Tijd [dagen]
T1
T2
T3
T4
0
5
10
15
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Ve
rpla
atsi
ng
[mm
]
Tijd [dagen]
Binnenblad
Buitenblad
75
Figuur 4-25: Temperatuurverloop van paneel B
Figuur 4-26: Verplaatsing van paneel B
0
10
20
30
40
50
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Tem
pe
ratu
ur
[°C
]
Tijd [dagen]
T5
T6
T7
T8
0
5
10
15
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Ve
rpla
atsi
ng
[mm
]
Tijd [dagen]
Binnenblad
Buitenblad
76
De dagelijkse opwarm- en afkoelcyclus is duidelijk te zien in de grafieken. Op sommige dagen koelden
de sandwichpanelen minder af. Dit is omdat op deze dagen de ruimte afgesloten bleef omdat de
isolatiepanelen er niet werden afgehaald.
De opwarming in de panelen is niet overal gelijk. Doordat de thermokoppels van paneel B dichter bij
de warmeluchtblazer waren bevestigd dan de thermokoppels van paneel A is een verschil in
maximale temperaturen merkbaar. Terwijl de thermokoppels van paneel B pieken vertoonden tot
boven de 50 °C bleven de pieken van de thermokoppels van paneel A lager dan 50 °C, zoals
respectievelijk te zien in Figuur 4-25 en Figuur 4-23. Aan het oppervlak van paneel B werd gemiddeld
een maximale waarde van 51,6 °C bereikt en daalde de temperatuur naar een gemiddelde waarde
van 27,5 °C. Bij paneel A bedroeg de gemiddelde maximale temperatuur opgemeten door T1 44,7 °C
en daalde de temperatuur tot gemiddeld 26,5 °C. Het grote verschil zit dus vooral in de maximale
temperatuur.
Het thermokoppel T3 dat zich tussen de isolatielaag en het buitenblad van paneel A bevond,
registreerde altijd de laagste temperatuur, zoals te zien in Figuur 4-23. In vergelijking met het verloop
van T1 en T2 is de thermische traagheid van het beton te merken. De temperatuur aan de buitenzijde
van het buitenblad nam sneller af bij het afkoelen dan de temperatuur in het buitenblad. De curves
van T1 en T2 dalen dan ook sneller dan de curve van T3. Bij het opwarmen stijgen de curves T1 en T2
terug sneller dan de curve T3.
Dezelfde thermische traagheid is te merken in paneel B waar tijdens het afkoelen de curve van T5
onder de curve van T6 en T7 duikt, zoals te zien in Figuur 4-25. In dit paneel zaten de thermokoppels
T6 en T7 waarschijnlijk allebei halverwege het beton. Thermokoppel T7 zat dus iets te veel
verwijderd van de scheiding tussen de isolatielaag en het buitenblad, waardoor het verschil tussen de
curves van T6 en T7 heel klein is. Tijdens de opwarmcyclus stijgt T5 sneller in temperatuur en stijgt de
curve sneller dan deze van T6 en T7.
Door de temperatuurveranderingen gaan de panelen uitbuigen en terugbuigen. Tijdens het
opwarmen werden de LVDT’s aan de buitenbladen van de panelen ingedrukt en de LVDT’s aan de
binnenbladen van de panelen schoven uit, tijdens het afkoelen geldde het omgekeerde. In Figuur
4-24 is de verplaatsing van paneel A weergegeven. Het valt op te merken dat de verplaatsing aan het
buitenblad in de eerste cyclus dubbel zo hoog opliep dan de verplaatsing aan het binnenblad.
Aangezien dit geleidelijk aan tot stand is gekomen, is geen echte verklaring te vinden voor dit feit.
Verder kennen de curves een gelijkaardig verloop en lopen ze haast evenwijdig. Het paneel A boog
tijdens elke opwarmcyclus gemiddeld 1,4 mm uit, terwijl het tijdens het afkoelen gemiddeld 1,1 mm
terugboog. Daardoor is er een lichte stijging in absolute verpaatsing merkbaar, zoals te zien in Figuur
4-24. De maximale absolute verplaatsing na 17 dagen bedroeg uiteindelijk 7,1 mm voor paneel A.
De verplaatsingsmetingen van paneel B voor binnen- en buitenblad liepen gedurende de eerste
9 dagen van de proef volkomen gelijk, zoals te zien in Figuur 4-26. De LVDT aan het binnenblad zal
per ongeluk een duwtje gekregen hebben waardoor een plotse stijging in de curve zichtbaar is. Het
verdere verloop van de beide curves blijft wel evenwijdig lopen. Tijdens de opwarmcyclus boog het
paneel B gemiddeld 5,4 mm uit en tijdens het afkoelen boog het gemiddeld 5,1 mm terug. Er is dus
terug een stijgende absolute verplaatsing van het paneel merkbaar. De maximale absolute
verplaatsing van dit paneel bereikte een waarde van 14,1 mm.
77
De uitbuigingen en terugbuigingen van paneel B zijn veel meer uitgesproken dan deze van paneel A.
Dit komt waarschijnlijk doordat de verplaatsingen van paneel A belemmerd werden. Het paneel
steunde niet enkel op de collages, maar raakte in het midden van het paneel de vloer. In Figuur 4-27
is deze belemmering schematisch weergegeven. De belemmering is afgebeeld alsof deze veroorzaakt
werd door het doorbuigen van het paneel, maar de belemmering kan ook ontstaan zijn door
oneffenheden in de vloer. Door deze belemmering kon het paneel minder uitbuigen en was de
maximale verplaatsing maar de helft van de maximale verplaatsing van paneel B.
Figuur 4-27: Belemmering van de verplaatsing van het paneel
4.6.2. Scheurvorming in de sandwichpanelen
Door de uitbuiging van de panelen ontstonden er trekspanningen in het buitenblad. Werden deze
trekspanningen hoger dan de maximale treksterkte van beton, dan ging het paneel scheuren. De
scheuren lopen bijna allemaal loodrecht op de richting van de trekspanningen, zoals in Figuur 4-28 en
Figuur 4-29 te zien. In de figuren is met een kleur aangegeven op welke dag de scheuren zijn
ontstaan.
Op dag 1, dus na één opwarmcyclus, is alleen nog maar scheur S1A ontstaan, terwijl tegen dag 4 al
een groot deel van het scheurpatroon gevormd is. In paneel B kwamen de eerste scheuren pas voor
op dag 4.
78
Figuur 4-28: Scheurvorming in paneel A door thermische belasting
Figuur 4-29: Scheurvorming in paneel B door thermische belastin g
79
Het scheurpatroon van deze panelen komt goed overeen met het scheurpatroon van de panelen
waar de scheuren door een natuurlijk proces zijn ontstaan, zoals te zien in Figuur 4-1. De scheuren
lagen niet gecentreerd in één bepaalde zone, maar vormden zich verspreid over de lengte van het
paneel. Ze ontstonden allemaal aan de boven – of onderzijde van de panelen en evolueerden naar
het midden van het paneel toe. In Figuur 4-30 (a) tot en met (d) zijn een aantal foto’s weergegeven
van scheuren in de sandwichpanelen.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figuur 4-30: Voorbeelden van scheuren in de sandwichpanelen
De evolutie van de wijdtes van de scheuren werd opgevolgd. Daarvoor werd op meerdere plaatsen
van elke scheur de wijdte gemeten met behulp van een scheurmicroscoop, aangeduid met de zwarte
stippen op Figuur 4-28 en Figuur 4-29.
In Figuur 4-31 en Figuur 4-32 is respectievelijk de evolutie te zien van de grootst gemeten
scheurwijdte van elke scheur in paneel A en in paneel B. Enkel van scheur S4A is de wijdte niet
opgemeten omdat dit niet mogelijk was doordat de LVDT in de weg stond. De scheurwijdtes werden
telkens net na de opwarmcyclus opgemeten. Op dag 14 werd 3 uur voor de start van de volgende
opwarmcyclus een meting uitgevoerd van enkele scheuren. Dit is te merken in de grafieken door een
daling van de scheurwijdte. De panelen waren tegen ’s avonds namelijk al voor een stuk
teruggebogen wat resulteerde in nauwere scheuren.
Algemeen is een lichte stijging in scheurwijdte te zien. Naarmate de panelen meerdere keren
uitgebogen en teruggebogen waren, nam de scheurwijdte toe. Hoe eerder de scheur in het paneel
gekomen was, hoe groter de uiteindelijke scheurwijdte werd. De maximale scheurwijdte die in
paneel A bereikt werd, bedraagt 300 µm. Bij paneel B werd een scheurwijdte van 400 µm bekomen
voor scheur S3B. De eerste scheuren in paneel B waren pas op dag 4 ontstaan.
80
Figuur 4-31: Evolutie van de grootste scheurwijdte van alle scheuren in paneel A ;
* Scheurwijdte gemeten 3 uur voor start volgende opwarmcyclus
Figuur 4-32: Evolutie van de grootste scheurwijdte van alle scheuren in pan eel B;
* Scheurwijdte gemeten 3 uur voor start volgende opwarmcyclus
0
50
100
150
200
250
300
350
1 2 4 5 6 7 8 11 12 13 14 14* 15
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
Tijd [dagen]
S1A
S2A
S3A
S5A
S6A
S7A
S8A
S9A
S10A
S11A
S12A
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1 2 4 5 6 7 8 11 12 13 14 14 15
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
Tijd [dagen]
S1B
S2B
S3B
S4B
S5B
S6B
S7B
S8B
S9B
S10B
S11B
S12B
81
4.6.3. Temperatuurverloop en verplaatsing bij hogere temperaturen
Door enkel met een warmeluchtblazer op te warmen, kon aan het oppervlak van de
sandwichpanelen een temperatuur van ongeveer 52 °C bekomen worden. Het kan ook voorkomen
dat de buitentemperatuur 40 °C bedraagt waardoor het betonoppervlak opwarmt tot een
temperatuur van 59 °C, zoals berekend in paragraaf 3.2.9.1. In de opstelling met de sandwichpanelen
werd dus best een hogere temperatuur nagestreefd. Er werd getest of twee extra infraroodstralers in
de opstelling deze hogere temperatuur kunnen realiseren.
In Figuur 4-33 is een schema van de opstelling weergegeven. De opstelling is dezelfde als de
voorgaande opstelling, maar met twee infraroodstralers in de ruimte tussen de panelen. De
infraroodstralers werden elk op een paneel gericht. De opstelling werd nog 5 keer opgewarmd en
afgekoeld en het temperatuurverloop en de verplaatsing van de panelen werden bijgehouden.
Het temperatuurverloop van paneel A en de verplaatsing van paneel A zijn respectievelijk
weergegeven in Figuur 4-34 en Figuur 4-35. De temperaturen aan de betonoppervlakken bereikten
nu hogere pieken met een maximale waarde van 65,6 °C. In de curve zijn lichte wervelingen te zien
als de temperatuur nadert naar 60 °C. Dit komt omdat de veiligheid in werking trad en de
verwarming telkens werd uitgeschakeld tot de temperatuur terug daalde onder de
veiligheidstemperatuur. Tijdens het opwarmen boog paneel A gemiddeld 1 mm uit, terwijl het paneel
tijdens het afkoelen gemiddeld 0,87 mm terugboog.
Voor paneel B is het temperatuurverloop weergegeven in Figuur 4-36 en de verplaatsingen zijn
weergegeven in Figuur 4-37. De temperaturen van dit paneel bereikten een maximale waarde van
64,2 °C. De verplaatsingen van dit paneel waren wel nog groter dan de verplaatsingen van paneel A.
Het paneel boog gemiddeld 5,67 mm uit en boog gemiddeld 4,93 mm terug. Geleidelijk aan werd de
absolute verplaatsing van dit paneel dus groter. Uiteindelijk werd een absolute maximale
verplaatsing van bijna 20 mm bekomen.
Figuur 4-33: Schema van de opstelling met warmeluchtblazer en twee infraroodstralers
82
Figuur 4-34: Temperatuurverloop van paneel A
Figuur 4-35: Verplaatsing van paneel A
0
20
40
60
80
1 2 3 4 5
Tem
pe
ratu
ur
[°C
]
Tijd [dagen]
T1
T2
T3
T4
0
5
10
15
20
1 2 3 4 5
Ve
rpla
atsi
ng
[mm
]
Tijd [dagen]
Binnenblad
Buitenblad
83
Figuur 4-36: Temperatuurverloop van paneel B
Figuur 4-37: Verplaatsing van paneel B
0
20
40
60
80
1 2 3 4 5
Tem
pe
ratu
ur
[°C
]
Tijd [dagen]
T5
T6
T7
T8
0
5
10
15
20
25
1 2 3 4 5
Ve
rpla
atsi
ng
[mm
]
Tijd [dagen]
Binnenblad
Buitenblad
84
4.6.4. Scheurvorming bij hogere temperaturen
De panelen zijn gedurende de eerste 17 dagen van opwarmen en afkoelen op veel plaatsen beginnen
scheuren. De extra opwarming door de twee stralers zorgde niet meer voor extra scheuren. Wel was
de scheur S4B verder gelopen over de volledige hoogte van het paneel en was de scheur S11B 18 cm
langer geworden, zoals te zien in Figuur 4-29. Van de meeste scheuren waren de wijdtes groter
geworden, zoals te zien in Figuur 4-38 en Figuur 4-39. De maximale scheurwijdte van beide panelen
bedroeg 440 µm.
Figuur 4-38: Scheurwijdtes van paneel A voor en na opwarmen tot hogere temperaturen ;
* Scheurwijdte van S4A niet gemeten omdat LVDT in de weg stond
Figuur 4-39: Scheurwijdtes van paneel B voor en na opwarmen tot hogere temperaturen
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
S1A S2A S3A S4A* S5A S6A S7A S8A S9A S10A S11A S12A
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
Na 15 dagen
Na 25 dagen
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
S1B S2B S3B S4B S5B S6B S7B S8B S9B S10B S11B S12B
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
Na 15 dagen
Na 25 dagen
85
4.7. Thermische belasting van het zelfhelend paneel en het zwaar gewapend
paneel
De opstelling is weergegeven in Figuur 4-40. Ditmaal werd opgewarmd door een warmeluchtblazer
die buiten de ingesloten ruimte werd geplaatst en verschillende stralingsverwarmers waarvan het
vermogen is weergegeven in Figuur 4-40. Paneel A is het paneel uit zelfhelend beton, terwijl paneel B
zwaarder gewapend is.
4.7.1. Temperatuurverloop en verplaatsing van de panelen
In Figuur 4-41 en Figuur 4-42 zijn respectievelijke de grafiek van het temperatuurverloop van paneel
A en de grafiek van de verplaatsing van paneel A weergegeven. De signalen van de thermokoppels T2
en T3 die in het paneel werden aangebracht, waren verstoord waardoor deze waarden niet
weergegeven zijn in de grafiek. De grafiek van het temperatuurverloop van paneel B en de grafiek
van de verplaatsingen van paneel B staan respectievelijk in Figuur 4-43 en Figuur 4-44.
De LVDT’s aan de buitenbladen van de panelen werden verwijderd in deze opstelling. In de grafieken
van Figuur 4-42 en Figuur 4-44 is dus enkel de verplaatsing van het binnenblad weergegeven. Door
onvoorziene omstandigheden werden er gedurende een aantal uren geen temperaturen en
verplaatsingen gemeten waardoor in alle grafieken een onderbreking van de metingen zit.
Figuur 4-40: Schema van de opstelling met een warmeluchtblazer en infraroodstralers
86
Figuur 4-41: Temperatuurverloop van paneel A
Figuur 4-42: Verplaatsing van paneel A
0
20
40
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tem
pe
ratu
ur
[°C
]
Tijd [dagen]
T1
T4
0
2
4
6
8
10
12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Ve
rpla
atsi
ng
[mm
]
Tijd [dagen]
Binnenblad
87
Figuur 4-43: Temperatuurverloop van paneel B
Figuur 4-44: Verplaatsing van paneel B
0
20
40
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tem
pe
ratu
ur
[°C
]
Tijd [dagen]
T5
T7
T6
T8
0
2
4
6
8
10
12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Ve
rpla
atsi
ng
[mm
]
Tijd [dagen]
Binnenblad
88
De maximale temperatuur die bekomen werd aan het oppervlak van het buitenblad (T1) van
paneel A bedroeg 61,7 °C, zoals te zien in Figuur 4-41. Gemiddeld steeg de temperatuur gedurende
elke opwarmcyclus tot 56,3 °C om dan terug af te koelen tot 29,9 °C. De temperatuur aan het
oppervlak van het binnenblad (T4) schommelde rond de 21 °C. Bij paneel B steeg de temperatuur aan
het buitenblad (T5) gemiddeld tot 58,4 °C om dan terug te dalen tot 30 °C. De lagere pieken die
voorkomen in de grafieken van Figuur 4-41 en Figuur 4-43 zijn er doordat de stralingsverwarmers
afwisselend gericht werden op het ene paneel of het andere paneel. De stralers werden afwisselend
gericht volgens de groene en blauwe pijlen in Figuur 4-40.
Door de sandwichpanelen in deze opstelling op twee collages te plaatsen, werden de uitbuigingen
van de panelen niet meer belemmerd, zoals te zien in Figuur 4-42 en Figuur 4-44. Tijdens het
opwarmen boog paneel A gemiddeld 5,0 mm uit om dan tijdens het afkoelen gemiddeld 4,8 mm
terug te buigen. Er is dus opnieuw een stijgende trend te zien in de absolute verplaatsing van het
paneel, zoals te zien in Figuur 4-42.
In Figuur 4-44 is te zien dat de absolute verplaatsingen van paneel B toenamen tot dag 8. Vanaf dan
nam de absolute verplaatsing traag af. Waarschijnlijk is dit door de scheurvorming in het paneel.
Zoals verder te zien in Figuur 4-48 is op dag 8 de scheur S8B gegroeid over de volledige hoogte van
het paneel en over de volledige dikte van het buitenblad. De diepte van de scheur werd gemeten op
een boorkern, die geboord werd op de plaats aangegeven in Figuur 4-48. Deze scheur zorgde dus
voor een opdeling van het paneel in twee delen. Door de kleinere lengte van elk deel was de
thermische uitzetting lager en ging het paneel minder uitbuigen. De uiteindelijke maximale uitbuiging
van paneel A en paneel B bedroeg respectievelijk 10,3 mm en 9,7 mm.
4.7.2. Toestand voor scheurvorming
Bij de productie van het zelfhelend paneel werden de capsules op de bekisting gelegd. Na het storten
van het beton werd het bekistingspaneel getrild om het beton te verdichten en om de capsules
ongeveer één centimeter te laten opdrijven. In sommige zones waren de capsules te weinig
opgedreven en waren ze zichtbaar aan het oppervlak.
In de zones van WM3 waren geen capsules zichtbaar. In de zones van de andere helende agentia
waren wel capsules zichtbaar. In Figuur 4-45 (a)–(d) zijn de capsules aangeduid met rode cirkels.
Onderaan het paneel waren er ook meest holtes zichtbaar. De verdichting van het beton rondom de
capsules verliep waarschijnlijk redelijk moeizaam.
(a) Zone WM2 onderaan
(b) Zone PU2 onderaan
89
(c) Zone WM1 onderaan
(d) Zone PU1 onderaan
Figuur 4-45: Inspectie van het paneel voor scheurvorming
De betondekking op de capsules werd gemeten op boorkernen. De plaatsen van de kernboringen zijn
aangegeven in Figuur 4-47 en Figuur 4-48. In Figuur 4-46 (a) is de kleinste gemeten betondekking te
zien. Deze bedroeg 0,4 mm. De capsule links in het proefstuk van Figuur 4-46 (b) ligt verderaf van het
bovenvlak en heeft de grootste gemeten betondekking van 8,6 mm. Gemiddeld bedroeg de
betondekking 1,96 ± 0,16 mm. De capsules waren misschien weinig opgedreven omdat ze met elkaar
verbonden waren per 15 of 20 stuks. De ijzeren draadjes die de capsules met elkaar verbonden,
waren fijn, maar kunnen de opdrijving belemmerd hebben.
(a) Kleinste gemeten betondekking
(b) Grootste gemeten betondekking
Figuur 4-46: Betondekking van de capsules
90
4.7.3. Scheurvorming in de sandwichpanelen
Door de thermische belasting waarbij de panelen uitbuigen en teruigbuigen ontstonden scheuren in
de panelen. In Figuur 4-47 en Figuur 4-48 zijn respectievelijk het scheurpatroon van paneel A en het
scheurpatroon van paneel B weergegeven. De zones met zelfhelend beton zijn weergegeven op
Figuur 4-47.
Het grootste deel van de scheuren vormde zich al in de eerste dagen. De scheuren liepen
hoofdzakelijk verticaal. In tegenstelling tot het scheurpatroon van de eerste opstelling, zie paragraaf
4.6.2., kwam het nu wel voor dat scheuren in de middenzone ontstonden. De scheuren groeiden dus
niet altijd vanaf de rand van het paneel.
Scheuren die met het blote oog niet zichtbaar waren, worden niet weergegeven op Figuur 4-47 en
Figuur 4-48. Deze scheuren hebben een wijdte die kleiner of gelijk aan 10 µm is. Door de
oppervlakken van de panelen nat te maken, werden deze scheuren opgemerkt. In Figuur 4-47 stelt
S6A de groep kleine scheuren voor die gezorgd heeft voor het breken van capsules en het uitlopen
van helend agens in de zone met PU2. De scheuren met gebroken capules in de zone met PU1 zijn
aangegeven met de code S7A.
91
Figuur 4-47: Scheurvorming in paneel A door thermische belasting
Figuur 4-48: Scheurvorming in paneel B door thermische belasting
92
De scheurwijdtes van alle scheuren werden terug opgemeten op een aantal plaatsen van de scheur,
aangegeven met zwarte stippen in Figuur 4-47 en Figuur 4-48. In Figuur 4-49 en Figuur 4-50 zijn
respectievelijk de evolutie van de grootste scheurwijdte van elke scheur in paneel A en paneel B
weergegeven. In paneel A zijn 15 scheuren ontstaan waarvan de meeste scheurwijdtes kleiner dan
150 µm bleven. De maximale scheurwijdte kwam voor in scheur S3A en bedroeg 260 µm. In paneel B
was er één scheur met een scheurwijdte van 220 µm terwijl alle andere scheuren een scheurwijdte
lager dan 100 µm hadden. De scheuren in de groepen S6A en S7A hadden nergens scheurwijdtes die
groter waren dan 20 µm. Die maximale waarde is dan ook aangegeven in Figuur 4-49 en Figuur 4-50.
Figuur 4-49: Evolutie van de grootste gemeten scheurwijdte van elke scheur in paneel A
Figuur 4-50: Evolutie van de grootste gemeten scheurw ijdte van elke scheur in paneel B
In het zwaar gewapend paneel werden minder scheuren gevormd dan in het zelfhelend paneel en de
panelen van de eerste opstelling. De wijdtes van de scheuren zijn niet significant verschillend tussen
de 4 panelen. Enkel de grootste gemeten wijdte van elke scheur werd hiervoor in rekening gebracht
en er werd vergelijken met de scheurwijdtes na 15 dagen van de panelen in de eerste opstelling. De
gemiddelde scheurwijdte van paneel A en B van de eerste opstelling bedroeg respectievelijk
0
50
100
150
200
250
300
1 2 3 4 7 8 9 10 11 14
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
Tijd [dagen]
S1A
S2A
S3A
S4A
S5A
S6A
S7A
S8A
S9A
S10A
S11A
S12A
S13A
S14A
S15A
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 7 8 9 10 11 14
Sch
eu
rwijd
te [
µm
]
Tijd [dagen]
S1B
S2B
S3B
S4B
S5B
S6B
S7B
S8B
S9B
S10B
93
175 ± 31 µm en 157 ± 26 µm. In de tweede opstelling waren de wijdtes kleiner, namelijk 89 ± 20 µm
voor het zelfhelend paneel en 100 ± 14 µm voor het zwaar gewapend paneel. Tussen de lengtes van
de scheuren in de 4 panelen bestaat eveneens geen significant verschil.
De extra wapening in het paneel B van de tweede opstelling heeft niet gezorgd voor grote
verschillen. Het paneel onderging dezelfde opwarming en afkoeling als het zelfhelend paneel. In
vergelijking met het zelfhelend paneel zijn er minder scheuren ontstaan. De spreiding van de
scheurwijdtes in het zwaar gewapend paneel is minder groot, zoals te zien in Figuur 4-50. De
scheuren hebben hoofdzakelijk wijdtes tussen 40 µm en 100 µm, terwijl de scheurwijdtes in het
zelfhelend paneel begrepen zijn tussen 20 µm en 260 µm. Toch bestaat er geen significant verschil in
spreiding van de scheurwijdtes.
4.7.4. Herstel van scheuren in het zelfhelend sandwichpaneel
Al na de eerste opwarmcyclus was er zelfheling opgetreden in het paneel. Het grote deel van de
scheuren vormde zich namelijk al in de eerste dagen. Negen van de veertien scheuren zijn ontstaan
na de eerste opwarmcyclus. Niet alle scheuren hebben capsules getroffen, zoals te zien in Figuur
4-47.
In de zone van WM3 was slechts één scheur ontstaan. De scheur S13A liep door de onderste zone en
is afgebeeld in Figuur 4-51 (a). Het is niet duidelijk zichtbaar of deze scheur capsules heeft doen
breken. De wijdte van deze scheur bedroeg maar 40 µm. Ook door de onderste zone van WM2 liep
slechts één scheur die geen zichtbare zelfheling heeft veroorzaakt. Deze scheur had een maximale
wijdte van 160 µm en is weergegeven in Figuur 4-51 (b). De scheur S4A liep jammergenoeg net naast
de zone met zelfhelend beton. In de bovenste zone was nog een kleine scheur ontstaan met een
wijdte van 20 µm die evenwel niet zichtbaar capsules heeft doen breken, zoals te zien in Figuur 4-51
(c).
(a)
(b)
(c)
Figuur 4-51: Zelfheling in de zones WM2 en WM3
In de zone PU2 waren geen opmerkelijk grote verticale scheuren ontstaan. Er waren wel duidelijk
capsules gebroken door kleine scheuren. In Figuur 4-52 (a) en (b) is zelfheling te zien in de onderste
zone en in Figuur 4-52 (c) is zelfheling te zien in de bovenste zone. De capsules werden gebroken
94
door heel kleine scheuren met een wijdte van maximaal 20 µm. De twee componenten van PU2
reageerden met elkaar en polymeriseerden. Doordat de scheurwijdte zo klein was, kwam het
polyurethaan uit de scheur en vloeide langs het oppervlak naar beneden. De scheur werd dus wel
opgevuld, zoals goed te zien in Figuur 4-52 (a), maar er was te veel agens. Het polymeer vloeide uit
over een lengte van soms wel 15 cm.
(a)
(b)
(c)
Figuur 4-52: Zelfheling in de zone PU2
In de zones met WM1 was zowel onderaan het paneel als bovenaan het paneel een scheur ontstaan,
respectievelijk weergegeven in Figuur 4-53 (a) en (b). De scheur S12A in de onderste zone had een
maximale scheurwijdte van 120 µm terwijl de scheurwijdte van S11A in de bovenste zone beperkt
bleef tot 20 µm. Het lijkt er niet op dat scheur S12A alle capsules op zijn pad heeft doen breken. Het
vrijgekomen waterafstotend middel was zichtbaar als een vlek op het betonoppervlak.
(a)
(b)
Figuur 4-53: Zelfheling in de zone WM1
95
In Figuur 4-54 (a) en (b) zijn haarfijne scheuren met een wijdte kleiner dan 20 µm te zien op de plaats
waar het waterafstotend middel is vrijgekomen. In het begin was de vlek heel donker. Na verloop van
tijd droogde het waterafstotend middel waarschijnlijk door de polymerisatiereactie uit en werd de
kleur lichter.
(a)
(b)
Figuur 4-54: Zelfheling in de bovenste zone WM1
In de zones van PU1 is de zelfheling duidelijk te zien. Het PU1 was ook hier uit de scheuren gevloeid
en zorgde voor uitlopers op het betonoppervlak. In de onderste zone zijn scheur S8A, te zien in
Figuur 4-55 (a), en scheur S9A, te zien in Figuur 4-55 (b), ontstaan. S8A had een scheurwijdte van
100 µm. Op het pad van deze scheur was er één capsule gebroken. Van deze capsule was er
behoorlijk weinig PU1 uit de scheur gevloeid, zoals rechts in Figuur 4-55 (a) te zien. Scheur S9A had
een maximale scheurwijdte van 120 µm en heeft meerdere capsules op zijn pad doen breken. Hier is
er meer PU1 uit de scheur gevloeid en was er witte schuimvorming door polymerisatie te zien aan
het oppervlak. In Figuur 4-55 (c) is een scheur weergegeven van de groep S7A. De scheur was slechts
20 µm wijd en heeft capsules doen breken. Rechts in de figuur loopt eveneens een scheur. Deze
heeft echter geen capsules doen breken.
(a)
(b)
(c)
Figuur 4-55: Zelfheling in de zone PU1
96
De capsules braken dus bij veel lagere scheurwijdtes dan de scheurwijdtes die aangebracht werden
in de mortelproefstukken van de proef die besproken werd in paragraaf 4.2. De reden van de snelle
breuk van de capsules moet wel de betondekking zijn. De capsules waren met slechts 1,96 ± 0,16 mm
beton bedekt en bevonden zich dus heel dicht bij het oppervlak. Kleine scheuren bleken dus al in
staat te zijn de capsules te doen breken, waarbij het helend agens vrijkwam. Aangezien de scheuren
zo klein waren, werd de scheur snel opgevuld en liep een groot deel van het agens uit de scheur.
4.7.5. Verkleuringen op het betonoppervlak door helende agentia
Enkele van de helende agentia zorgden voor ongewenste verkleuringen aan het betonoppervlak. Met
een spectrofotometer werd zowel in droge als in natte toestand de exacte kleur van het
betonoppervlak en van de verkleuringen door de helende agentia gemeten. De resultaten van deze
kleurmetingen zijn weergegeven in Figuur 4-56. Om een duidelijk contrast te kunnen zien tussen de
kleur van de zone met het helend agens en de kleur van het normale beton wordt telkens de kleur
van het betonoppervlak weergegeven in de helft van elk vierkant. Onder elk vierkant zijn de
gemiddelde kleurwaarden van elke zone weergegeven.
Figuur 4-56: Kleurschakeringen op de zones met zelfhelend beton
In de zones van WM3 en WM2 waren geen duidelijke vlekken of kleurschakeringen zichtbaar. De
kleuren werden willekeurig in de zone van WM3 en WM2 gemeten. Er kan ook niet met zekerheid
gezegd worden of er capsules gebroken waren door de scheurvorming. Zowel in droge als in natte
toestand weken de kleuren van de zones WM3 en WM2 weinig af van de kleuren van het gewone
beton, zoals te zien op Figuur 4-56. Voor 2 van de 3 kleurwaarden bestaat er dan ook geen significant
verschil tussen onbehandeld beton en geheeld beton in droge toestand. In natte toestand worden de
kleurwaarden a* en b* van de zone WM2 significant verschillend van de kleurwaarden van
onbehandeld beton.
97
De grootste verschillen in kleur zijn te merken bij de andere helende agentia. In deze zones waren
wel duidelijk vlekken en kleurschakeringen zichtbaar. De kleuren werden gemeten op deze vlekken
om duidelijk het contrast met het gewone beton weer te geven.
De middelen PU2, WM1 en PU1 zijn in groot contrast met droog beton. De kleurwaarden van deze 3
middelen zijn dan ook significant verschillend van de kleurwaarden van onbehandeld beton. Het
contrast vervaagde indien het beton nat gemaakt werd. Bij PU2 en PU1 blijven nog 2 kleurwaarden
significant verschillend van de kleurwaarden van onbehandeld nat beton. Enkel de kleurwaarde a*
van de zone WM1 is nog significant verschillend van de kleurwaarde a* van onbehandeld beton. Er
kan dus gezegd worden dat het contrast tussen de zone WM1 en onbehandeld beton vervaagt in
natte toestand.
Het PU1 en PU2 zorgden dus voor de grootste verkleuringen waarvan het contrast met nat beton nog
steeds goed zichtbaar bleef. In de zone van het middel WM1 waren duidelijk vlekken zichtbaar terwijl
de middelen WM2 en WM3 het minst of bijna geen kleurschakeringen veroorzaakten.
4.7.6. Wateropname
In sommige zones was duidelijk autonoom herstel van de scheuren te zien. De wateropname van het
beton werd gemeten op scheuren met verschillende scheurwijdtes en in verschillende zones. In
Figuur 4-57 en Figuur 4-58 is aangegeven met zwarte stippen op welke plaatsen metingen werden
uitgevoerd. De resultaten zijn weergegeven in Figuur 4-59.
Figuur 4-57: Metingen op wateropname in paneel A
Figuur 4-58: Metingen op wateropname in paneel B
98
Figuur 4-59: Wateropname in functie van de scheurwijdte (logaritmische schaalverdeling);
Bij gemiddelde waarden zonder foutbalken werd maar één meting uitgevoerd;
* Geringe wateropname bij scheurwijdte 80 µm van WM1
De wateropname in ongescheurd beton bedroeg 0,015 ± 0,001 ml/min. Door scheurvorming steeg de
wateropname. Bij scheurwijdtes van 20 µm bedroeg de wateropname al 0,052 ml/min. Bij grotere
scheurwijdtes steeg de wateropname in het beton exponentieel en bedroeg voor scheurwijdtes van
240 µm al 11,00 ± 1,00 ml/min.
Bij kleine scheurwijdtes hielpen de helende agentia om de wateropname te doen afnemen. Hoe
groter de scheurwijdte werd, hoe kleiner het verschil in wateropname. Zo was er bij een
scheurwijdte van 120 µm en bij een scheurwijdte van 200 µm geen verschil meer tussen de
wateropname van een onbehandelde scheur en de wateropname van een geheelde scheur.
De wateropname in een scheur met een wijdte van 20 µm was niet verschillend voor de
verschillende geheelde zones. De middelen waren in gelijke mate in staat de wateropname te
reduceren. In het geval van heling met WM2 kon de wateropname van ongescheurd beton
geëvenaard worden, zoals te zien in Figuur 4-59.
In een scheur met wijdte van 40 µm bedroeg de wateropname 0,012 ml/min als deze scheur geheeld
was met WM1. Dit was minder dan de helft van de wateropname in een scheur met dezelfde wijdte
geheeld met WM3 waarvan de wateropname 0,033 ± 0,004 ml/min bedroeg. De wateropname van
een onbehandelde scheur liep op tot 0,080 ± 0,018 ml/min.
Bij een scheur met wijdte 80 µm die geheeld was met WM1 werd vastgesteld dat er geen water werd
opgenomen. Indien een scheur met deze wijdte geheeld was met WM2 bedroeg de wateropname
minder dan de helft van de wateropname in een onbehandelde scheur. De opname bedroeg
respectievelijk 0,050 ml/min en 0,126 ± 0,012 ml/min.
De helende agentia zorgden dus voor een afname in wateropname in het geval de scheurwijdte klein
bleef. Enkel bij een heel kleine scheurwijdte van 20 µm kon de wateropname bij heling met WM2
terug de wateropname van ongescheurd beton evenaren. Jammergenoeg zijn niet meer scheuren
ontstaan in de zones met zelfhelend beton en is het aantal metingen op wateropname beperkt
gebleven.
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
0 20 40 60 80 100 120 140 160 200 220 240
Wat
ero
pn
ame
[m
l/m
in]
Scheurwijdte [µm]
Ongescheurd
Gescheurd
WM3
WM2
PU2
WM1
PU1 *
99
Hoofdstuk 5
Conclusies
Bij mortelproefstukken die belast werden tot een ingestelde scheurwijdte van 400 µm braken
duidelijk meer capsules dan bij belasting tot een ingestelde scheurwijdte van 200 µm. Een kleine
ingestelde scheurwijdte verkleint dus de kans op breken van de capsules. De morteldekking was niet
bepalend in het aantal capsules dat brak, maar dit komt misschien omdat er te veel morteldekking op
de capsules was. De capsules bevonden zich namelijk hoger dan de wapening. Indien mortelmengsels
met een lagere W/C-factor zouden worden gebruikt, zouden de capsules minder hoog opdrijven en
kan de morteldekking een belangrijkere rol spelen in het aantal capsules dat breekt bij
scheurvorming.
Het 1 component polyurethaan zorgde voor een hechting tussen de scheurvlakken. Indien het
polyurethaan veel water ter beschikking had om te polymeriseren ontstond er weinig contact tussen
het polyurethaan en het scheurvlak doordat er luchtbellen gevormd werden. Door de polymerisatie
was de adhesie tussen het polyurethaan en het scheurvlak wel hoog waardoor hoge trekspanningen
opgenomen konden worden. Bij weinig contact met water was de polymerisatiereactie minder hevig
en werden minder luchtbellen gevormd. Het contactoppervlak tussen het polyurethaan en de
scheurvlakken was groter en de scheur was dus meer gevuld. De hechting tussen het polyurethaan
en de scheurvlakken was wel gereduceerd waardoor minder hoge trekspanningen opgenomen
konden worden.
Door manuele injectie van het 1 component polyurethaan en van waterafstotende middelen konden
scheuren waterdicht gemaakt worden. Het polyurethaan polymeriseerde in contact met water en
vulde de scheur op, terwijl de waterafstotende middelen polymeriseerden en een waterafstotende
laag vormden op de scheurvlakken. Het polyurethaan zorgde voor een hechting tussen de
scheurvlakken, maar deze hechting kon verloren gaan door herbelasting waardoor de waterdichtheid
van de scheur niet meer gegarandeerd was. Scheuren die met waterafstotende middelen waren
geïnjecteerd, werden wijder bij herbelasting. Door de verwijding kwam de waterdichtheid van de
scheur nu niet in het gedrang want de waterafstotende laag bleef aanwezig op de scheurvlakken. In
de toekomst kan een polyurethaan aangewend worden dat zich meer elastisch kan vervormen. Bij
belasting zou het polyurethaan dan in staat zijn om mee te bewegen met de scheur en om de
hechting met het scheurvlak te behouden.
100
De opstelling gebruikt om thermische sheuren in sandwichpanelen te krijgen, heeft gezorgd voor een
goede simulatie van de werkelijke toestand. De beoogde temperatuurverschillen tussen buiten- en
binnenblad werden behaald waardoor de trekspanningen in het beton hoog opliepen en er scheuren
gevormd werden in de buitenbladen.
In het zelfhelend paneel waren de capsules niet hoog genoeg opgedreven. Door de lage
betondekking braken de capsules al bij vorming van kleine scheuren. Het vroegtijdig breken van de
capsules heeft er voor gezorgd dat het agens uit de scheur vloeide. Het scheurvolume was namelijk
niet groot waardoor de scheur snel opgevuld werd met het agens en het teveel aan agens liep uit de
scheur. Zeker bij de polyurethanen vormde dit voor ongewenste kleurschakeringen. Indien de
betondekking van de capsules hoger zou zijn, zouden de capsules pas bij grotere scheurwijdtes
breken. Het helend agens moet dan een groter scheurvolume vullen en de kans dat het agens uit de
scheur gaat vloeien, zou veel lager zijn.
Door de capsules niet met elkaar te verbinden kan meer betondekking bekomen worden. De
capsules worden dan los op het bekistingspaneel gelegd zodat een geordende structuur van de
capsules in het paneel niet gegarandeerd is. In dit geval zullen er dus voldoende capsules
aangebracht moeten worden zodat de kans groot genoeg is dat een scheur capsules doet breken.
Een andere mogelijkheid is om minder capsules met elkaar te verbinden. De opdrijving van de groep
capsules zou minder gehinderd worden en er zou toch nog enige structuur behouden worden in de
plaatsing van de capules. Een andere oplossing bestaat er in om de capsules uit andere materialen te
maken zodat de capsules gemengd kunnen worden in het beton. In dit geval zullen waarschijnlijk ook
veel meer capsules moeten voorzien worden.
Bij de autonome heling van beton met polyurethanen en waterafstotende middelen werd
waterdichtheid van de scheuren bekomen. Dit leek wel enkel mogelijk bij scheurwijdtes kleiner dan
100 µm. De weinige metingen die mogelijk waren op scheuren met grotere wijdtes geven aan dat er
geen significant verschil in waterdichtheid bekomen werd in vergelijking met onbehandelde
scheuren. De waterabsorptiemetingen op de mortelproefstukken wezen er nochtans op dat de
absorptie bij scheuren met een wijdte groter dan 100 µm ook verminderd kan worden dankzij heling.
Meer metingen op wateropname in autonoom geheelde scheuren met grote wijdte kunnen
verklaringen aan het licht brengen.
Op plaatsen waar autonome heling was voorgekomen, waren vooral bij de polyurethanen zichtbare
verkleuringen op het betonoppervlak opgetreden. Het waterafstotend middel WM1 zorgde voor
vlekken die een contrast vormden met het onbehandelde beton. Bij de middelen WM2 en WM3
waren geen kleurschakeringen merkbaar, maar kon ook niet met zekerheid gezegd worden dat er
agens uit de capsules gelopen was.
In het zwaar gewapend paneel zijn minst scheuren ontstaan, maar de scheurwijdtes- en lengtes zijn
niet significant verschillend. De spreiding van de scheurwijdtes is wel minder groot in vergelijking met
de scheurwijdtes in de andere panelen. De wijdtes liggen hoofdzakelijk tussen 40 µm en 100 µm. In
de toekomst kan eventueel extra wapening geplaatst worden in het buitenblad om de
trekspanningen door thermische uitzetting tegen te werken.
101
Bijlage A
0
500
1000
1500
0 2 4
Be
last
ing
[N]
Verplaatsing [mm]
O-W A
B
C
D
0
500
1000
1500
0 2 4
Be
last
ing
[N]
Verplaatsing [mm]
O-T-W A
B
C
D
0
500
1000
1500
0 2 4
Be
last
ing
[N]
Verplaatsing [mm]
O A
B
C
D
0
500
1000
1500
0 2 4
Be
last
ing
[N]
Verplaatsing [mm]
20/60 A
B
C
D
0
500
1000
1500
0 2 4
Be
last
ing
[N]
Verplaatsing [mm]
20/95 A
B
C
D
0
500
1000
1500
0 2 4
Be
last
ing
[N]
Verplaatsing [mm]
W A
B
C
D
102
Bibliografie
[1] S. C. Ng and K. S. Low, "Thermal conductivity of newspaper sandwiched aerated lightweight concrete panel," Energy and Buildings, vol. 42, pp. 2452-2456, Dec 2010.
[2] D. C. Salmon, A. Einea, M. K. Tadros, and T. D. Culp, "Full scale testing of precast concrete sandwich panels," ACI Structural Journal, vol. 94, pp. 354-362, Jul-Aug 1997.
[3] A. Benayoune, A. A. Abdul Samad, D. N. Trikha, A. A. Abang Ali, and S. H. M. Ellinna, "Flexural behaviour of pre-cast concrete sandwich composite panel – Experimental and theoretical investigations," Construction and Building Materials, vol. 22, pp. 580-592, 2007.
[4] A. Benayoune, A. A. A. Samad, D. N. Trikha, A. A. A. Ali, and A. A. Ashrabov, "Structural behaviour of eccentrically loaded precast sandwich panels," Construction and Building Materials, vol. 20, pp. 713-724, Nov 2006.
[5] C. P. Pantelides, M. ASCE, R. Surapaneni, and L. D. Reavely, "Structural Performance of Hybrid GFRP/Steel Concrete Sandwich Panels," Journal of Composites for Construction © ASCE, 2008.
[6] W. Willems and G. Hellinger, "Exakte U-Werte von Stahlbeton-Sandwichelementen," Bauphysik, vol. 32, pp. 275-87, 2010.
[7] A. Janssens, Bouwfysische aspecten van gebouwen. Gent, 2009. [8] L. Taerwe and G. De Schutter, Betontechnologie. Gent, 2009. [9] S. Asamoto, A. Ohtsuka, Y. Kuwahara, and C. Miura, "Study on effects of solar radiation and
rain on shrinkage, shrinkage cracking and creep of concrete," Cement and Concrete Research, vol. 41, pp. 590-601, Jun 2011.
[10] R. K. Devalapura, J. M. Seng, M. F. Mcbride, D. W. Winiarski, and B. D. Johnson, "Thermal cyclic testing on a concrete sandwich panel system," Innovations in Design with Emphasis on Seismic, Wind, and Environmental Loading: Quality Control and Innovations in Materials/Hot-Weather Concreting, vol. 209, pp. 905-918, 2002.
[11] D. C. Park, "Carbonation of concrete in relation to CO2 permeability and degradation of coatings," Construction and Building Materials, vol. 22, pp. 2260-2268, Nov 2008.
[12] B. Johannesson and P. Utgenannt, "Microstructural changes caused by carbonation of cement mortar," Cement and Concrete Research, vol. 31, pp. 925-931, Jun 2001.
[13] M. H. F. Medeiros and P. Helene, "Surface treatment of reinforced concrete in marine environment: Influence on chloride diffusion coefficient and capillary water absorption," Construction and Building Materials, vol. 23, pp. 1476-1484, Mar 2009.
[14] C. Joseph, D. Gardner, T. Jefferson, B. Isaacs, and B. Lark, "Self-healing cementitious materials: a review of recent work," Construction Materials, vol. 164, pp. 29-41, 2010.
[15] W. Ramm and M. Biscoping, "Autogenous healing and reinforcement corrosion of water-penetrated separation cracks in reinforced concrete," Nuclear Engineering and Design, vol. 179, pp. 191-200, Feb 1998.
[16] H. W. Reinhardt and M. Jooss, "Permeability and self-healing of cracked concrete as a function of temperature and crack width," Cement and Concrete Research, vol. 33, pp. 981-985, Jul 2003.
[17] A. Hosoda, S. Komatsu, T. Ahn, T. Kishi, S. Ikeno, and K. Kobayashi, "Self healing properties with various crack widths under continuous water leakage," Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting II, pp. 121-122, 2009.
[18] Y. Z. Yang, M. D. Lepech, E. H. Yang, and V. C. Li, "Autogenous healing of engineered cementitious composites under wet-dry cycles," Cement and Concrete Research, vol. 39, pp. 382-390, May 2009.
103
[19] A. Jefferson, C. Joseph, R. Lark, B. Isaacs, S. Dunn, and B. Weager, "A new system for crack closure of cementitious materials using shrinkable polymers," Cement and Concrete Research, vol. 40, pp. 795-801, May 2010.
[20] K. Sisomphon, O. Copuroglu, and A. Fraaij, "Application of encapsulated lightweight aggregate impregnated with sodium monofluorophosphate as a self-healing agent in blast furnace slag mortar," HERON, vol. 56, 2011.
[21] S. V. Zemskov, H. M. Jonkers, and F. J. Vermolen, "Two analytical models for the probability characteristics of a crack hitting encapsulated particles: Application to self-healing materials," Computational Materials Science, vol. 50, pp. 3323-3333, Dec 2011.
[22] K. Van Tittelboom, N. De Belie, D. Van Loo, and P. Jacobs, "Self-healing efficiency of cementitious materials containing tubular capsules filled with healing agent," Cement & Concrete Composites, vol. 33, pp. 497-505, Apr 2011.
[23] P. T. Tran Diep, J. S. J. Tay, S. T. Quek, and S. D. Pang, "Implementation of self-healing in concrete - Proof of concept," The IES Journal Part A: Civil & Structural Engineering, vol. 2, 2009.
[24] M. M. Pelletier, R. Brown, A. Shukla, and A. Bose, "Self-healing concrete with a microencapsulated healing agent," 2010.
[25] Z. X. Yang, J. Holler, X. D. He, and X. M. Shi, "Laboratory Assessment of a Self-Healing Cementitious Composite," Transportation Research Record, pp. 9-17, 2010.
[26] Z. X. Yang, J. Hollar, X. D. He, and X. M. Shi, "A self-healing cementitious composite using oil core/silica gel shell microcapsules," Cement & Concrete Composites, vol. 33, pp. 506-512, Apr 2011.
[27] F. Xing, Z. Ni, N. X. Han, B. Q. Dong, X. X. Du, Z. Huang, and M. Zhang, "Self-Healing Mechanism of a Novel Cementitious Composite Using Microcapsules," Advances in Concrete Structural Durability, Proceedings of Icdcs2008, Vols 1 and 2, pp. 195-204, 2008.
[28] T. Nishiwaki, H. Mihashi, B. Jang, and K. Miura, "Development of Self-healing System for Concrete with Selective Heating around Crack," Journal of Advanced Concrete Technology, vol. 4, pp. 267-275, 2006.
[29] J. De Vries and R. B. Polder, "Hydrophobic treatment of concrete," Construction and Building Materials, vol. 11, pp. 259-265, Jun 1997.
[30] F. Tittarelli and G. Moriconi, "The effect of silane-based hydrophobic admixture on corrosion of reinforcing steel in concrete," Cement and Concrete Research, vol. 38, pp. 1354-1357, Nov 2008.
[31] F. Tittarelli and G. Moriconi, "Comparison between surface and bulk hydrophobic treatment against corrosion of galvanized reinforcing steel in concrete," Cement and Concrete Research, vol. 41, pp. 609-614, Jun 2011.
[32] F. Tittarelli and G. Moriconi, "The effect of silane-based hydrophobic admixture on corrosion of galvanized reinforcing steel in concrete," Corrosion Science, vol. 52, pp. 2958-2963, Sep 2010.
[33] F. Tittarelli, "Oxygen diffusion through hydrophobic cement-based materials," Cement and Concrete Research, vol. 39, pp. 924-928, Oct 2009.
[34] J. G. Dai, Y. Akira, F. H. Wittmann, H. Yokota, and P. Zhang, "Water repellent surface impregnation for extension of service life of reinforced concrete structures in marine environments: The role of cracks," Cement & Concrete Composites, vol. 32, pp. 101-109, Feb 2010.
[35] M. Ibrahim, A. S. Al-Gahtani, M. Maslehuddin, and F. H. Dakhil, "Use of surface treatment materials to improve concrete durability," Journal of Materials in Civil Engineering, vol. 11, pp. 36-40, Feb 1999.
[36] F. H. Wittmann, T. J. Zhao, P. G. Gu, and Z. J. Ren, "Penetration of Chloride into Cracked Concrete," Advances in Concrete Structural Durability, Proceedings of Icdcs2008, Vols 1 and 2, pp. 172-181, 2008.
[37] http://www.pslc.ws/macrog/urethane.htm, figuur polyurethaan.
104
[38] A. A. Almusallam, F. M. Khan, S. U. Dulaijan, and O. S. B. Al-Amoudi, "Effectiveness of surface coatings in improving concrete durability," Cement & Concrete Composites, vol. 25, pp. 473-481, May-Jul 2003.
[39] J. Y. Wang, K. Van Tittelboom, N. De Belie, and W. Verstraete, "Use of silica gel or polyurethane immobilized bacteria for self-healing concrete," Construction and Building Materials, vol. 26, pp. 532-540, Jan 2012.
[40] http://rsbweb.nih.gov/ij/, software ImageJ. [41] D. H. Huang, S. X. Wu, and H. T. Zhao, "Simulation of the Effect of Solar Radiation on
Hardening and Hardened Concrete Wall," Advances in Structures, Pts 1-5, vol. 163-167, pp. 1489-1494, 2011.
[42] http://www.euro-inox.org/pdf/map/Tables_TechnicalProperties_EN.pdf, eigenschappen inox.
[43] http://www.fixinox.com, informatie verankeringen. [44] http://CMYKguide.com, informatie CIE L* a* b* kleurenruimte. [45] Belgisch Instituut voor Normalisatie, "NBN EN 13057: Producten en systemen voor de
bescherming en reparatie van betonconstructies - Beproevingsmethoden - Bepaling van de weerstand tegen capillaire absorptie", augustus 2002.
105
Lijst van figuren Figuur 2-1: Samenstelling van een sandwichpaneel [3] .......................................................................... 2
Figuur 2-2: Rekverloop in sandwichpaneel bij buiging [3] ....................................................................... 4
Figuur 2-3: Configuratie van sandwichpanelen: (a) niet composiet; (b) composiet [5] .......................... 4
Figuur 2-4: Cilinderanker [6] .................................................................................................................... 5
Figuur 2-5: Plaatanker [6] ........................................................................................................................ 5
Figuur 2-6: Sandwichpaneel-draaganker [6] ............................................................................................ 5
Figuur 2-7: Connectorpinnen [6].............................................................................................................. 5
Figuur 2-8: Scheurpatroon onderste blad sandwichpaneel [3] ............................................................... 6
Figuur 2-9: Temperatuur van een betonoppervlak [9] ............................................................................ 7
Figuur 2-10: Schema van new composite materials [14] ....................................................................... 10
Figuur 2-11: Waterdoorlatendheid van proefstukken met glazen en keramische capsules
[22] .................................................................................................................................... 12
Figuur 2-12: Moleculaire formule van silaan (links) en siloxaan (rechts) [29] ....................................... 13
Figuur 2-13: Chlorideprofiel voor (a) onbehandeld gescheurd beton; (b) beton met
scheurvorming na impregnatie; (c) beton met scheurvorming voor impregnatie
[36] .................................................................................................................................... 15
Figuur 2-14: Carbonatatiediepte van geïmpregneerde betonproefstukken [35] .................................. 16
Figuur 2-15: Moleculaire formule van urethaan en polyurethaan [37] ................................................. 16
Figuur 2-16: Chloride-indringing i.f.v. levensduur voor verschillende coatings [13] ............................. 17
Figuur 3-1: Wapeningsstaven voor mortelproefstukken ....................................................................... 20
Figuur 3-2: Lege glazen capsules met diameter 3 mm .......................................................................... 20
Figuur 3-3: Glazen capsules met diameter 2 mm gevuld met 2 componenten polyurethaan .............. 20
Figuur 3-4: Mortelmenger ..................................................................................................................... 22
Figuur 3-5: Mal van drie standaard mortelproefstukken ...................................................................... 23
Figuur 3-6: 3D-model van een mortelproefstuk (a) met wapening en (b) met wapening en
capsules ............................................................................................................................. 24
Figuur 3-7: Schikking capsules per 15 of 20 stuks .................................................................................. 25
Figuur 3-8: Methode om capsules te verbinden .................................................................................... 25
Figuur 3-9: Opdeling van het buitenblad in zones met capsules ........................................................... 26
Figuur 3-10: Plaatsing van glazen capsules en wapeningsnet ............................................................... 26
Figuur 3-11: Aanbrengen van een thermokoppel en de plaatankers .................................................... 26
Figuur 3-12: Eerste laag beton manueel storten ................................................................................... 27
Figuur 3-13: Isolatielaag aanbrengen .................................................................................................... 27
Figuur 3-14: Wapening van het binnenblad plaatsen ............................................................................ 27
Figuur 3-15: Binnenblad gieten en afwerken......................................................................................... 27
Figuur 3-16: Opstelling driepuntsbuigproef........................................................................................... 28
Figuur 3-17: Buigen tot de gewenste scheurvorming ............................................................................ 28
Figuur 3-18: Leica S8AP0 met een Leica DFC295 camera ...................................................................... 30
Figuur 3-19: Schematische voorstelling proefstuk ................................................................................ 30
Figuur 3-20: Scheurwijdtes opmeten in ImageJ ..................................................................................... 31
Figuur 3-21: Scheurmicroscoop ............................................................................................................. 31
Figuur 3-22: Metalen plaatjes tussen de cilindrische mortelproefstukken ........................................... 33
106
Figuur 3-23: Hulpstukken voor de trekproef ......................................................................................... 33
Figuur 3-24: Opstelling voor de trekproef ............................................................................................. 33
Figuur 3-25: Scheuroppervlak van een mortelproefstuk ....................................................................... 34
Figuur 3-26: Aantal pixels bepalen in Adobe® Photoshop® ................................................................... 35
Figuur 3-27: Verloop van de proef op capillaire waterabsorptie .......................................................... 36
Figuur 3-28: Afzagen van de proefstukken ............................................................................................ 36
Figuur 3-29: Proefstukken afgeplakt en klaar voor injectie ................................................................... 37
Figuur 3-30: Opstelling proef capillaire waterabsorptie ........................................................................ 37
Figuur 3-31: Verloop van de proef op capillaire waterabsorptie met herbelasting .............................. 38
Figuur 3-32: Geometrie en randvoorwaarden ....................................................................................... 40
Figuur 3-33: Temperatuurverloop bij (a) θe=30 °C; (b) θe=35 °C; (c) θe=40 °C ....................................... 41
Figuur 3-34: Temperatuurverloop bij θe van 30 °C, 35 °C en 40 °C ....................................................... 42
Figuur 3-35: Plaatanker [43] .................................................................................................................. 43
Figuur 3-36: Torsieankers [43] ............................................................................................................... 43
Figuur 3-37: Plaats van de verankeringen in het sandwichpaneel ........................................................ 43
Figuur 3-38: Vervormde constructie ...................................................................................................... 44
Figuur 3-39: Opstelling sandwichpanelen .............................................................................................. 45
Figuur 3-40: Stalen sleufverbinding ....................................................................................................... 45
Figuur 3-41: LVDT's in de opstelling ....................................................................................................... 46
Figuur 3-42: Warmeluchtblazer ............................................................................................................. 47
Figuur 3-43: Stralingsverwarmer van 1800 W ....................................................................................... 48
Figuur 3-44: 3 stralingsverwarmers met elk een vermogen van 500 W ................................................ 48
Figuur 3-45: 2 stralingsverwamers met elk een vermogen van 800 W ................................................. 48
Figuur 3-46: Eerste opstelling van de proef op thermische belasting van sandwichpanelen .............. 49
Figuur 3-47: Warmeluchtblazer afgescheiden van de opgewarmde ruimte ......................................... 49
Figuur 3-48: Warmeluchtblazer hoger geplaatst ................................................................................... 49
Figuur 3-49: Tweede opstelling van de proef op thermische belasting van sandwichpanelen ............ 50
Figuur 3-50: Karstenpijpje ...................................................................................................................... 51
Figuur 3-51: X-Rite spectrofotometer .................................................................................................... 52
Figuur 3-52: CIE L* a* b* kleurenruimte [44] ........................................................................................ 52
Figuur 4-1: Schematische voorstelling van de scheurpatronen en de plaatsen van de
kernboringen in de vier panelen ....................................................................................... 54
Figuur 4-2: Boxplot van de scheurwijdtes in de betonkernen ............................................................... 55
Figuur 4-3: Zelfheling in proefstuk 3B en 4D ......................................................................................... 55
Figuur 4-4: Verband tussen scheurdiepte en scheurwijdte van elke betonkern; * De diepte
van scheur 4E is 0 cm ........................................................................................................ 56
Figuur 4-5: Correlatie tussen scheurwijdte en scheurdiepte ................................................................. 56
Figuur 4-6: Mortelproefstukken met een initiële scheur van 200 µm na volledige breuk .................... 58
Figuur 4-7: Mortelproefstukken met een initïele scheur van 300 µm na volledige breuk .................... 59
Figuur 4-8: Mortelproefstukken met een initïele scheur van 400 µm na volledige breuk .................... 60
Figuur 4-9: Boxplot van de scheurwijdtes .............................................................................................. 61
Figuur 4-10: Vorming van druppels bij injectie van WM5 ..................................................................... 61
Figuur 4-11: Waterabsorptie van scheuren geïnjecteerd met verschillende helende agentia ............. 63
Figuur 4-12: Sorptiecoëfficiënten van de waterabsorptiecurves .......................................................... 63
Figuur 4-13: Boxplot van de scheurwijdtes na de 1ste en na de 2de buigproef ....................................... 65
107
Figuur 4-14: Microscopische foto's van PU1 in een scheur ................................................................... 65
Figuur 4-15: Waterabsorptie van scheuren na belasting en na herbelasting ........................................ 67
Figuur 4-16: Sorptiecoëfficiënten van de waterabsorptiecurves .......................................................... 67
Figuur 4-17: Detail van een scheur geheeld met WM ........................................................................... 68
Figuur 4-18: Detail van een scheur geheeld met PU1 ........................................................................... 69
Figuur 4-19: Maximale trekbelastingen ................................................................................................. 69
Figuur 4-20: Percentage contactoppervlak tussen PU1 en mortel ........................................................ 71
Figuur 4-21: Maximale trekspanningen ................................................................................................. 72
Figuur 4-22: Schema van de opstelling met enkel een warmeluchtblazer ............................................ 73
Figuur 4-23: Temperatuurverloop van paneel A ................................................................................... 74
Figuur 4-24: Verplaatsing van paneel A ................................................................................................. 74
Figuur 4-25: Temperatuurverloop van paneel B .................................................................................... 75
Figuur 4-26: Verplaatsing van paneel B ................................................................................................. 75
Figuur 4-27: Belemmering van de verplaatsing van het paneel ............................................................ 77
Figuur 4-28: Scheurvorming in paneel A door thermische belasting .................................................... 78
Figuur 4-29: Scheurvorming in paneel B door thermische belasting..................................................... 78
Figuur 4-30: Voorbeelden van scheuren in de sandwichpanelen.......................................................... 79
Figuur 4-31: Evolutie van de grootste scheurwijdte van alle scheuren in paneel A; *
Scheurwijdte gemeten 3 uur voor start volgende opwarmcyclus .................................... 80
Figuur 4-32: Evolutie van de grootste scheurwijdte van alle scheuren in paneel B; *
Scheurwijdte gemeten 3 uur voor start volgende opwarmcyclus .................................... 80
Figuur 4-33: Schema van de opstelling met warmeluchtblazer en twee infraroodstralers .................. 81
Figuur 4-34: Temperatuurverloop van paneel A ................................................................................... 82
Figuur 4-35: Verplaatsing van paneel A ................................................................................................. 82
Figuur 4-36: Temperatuurverloop van paneel B .................................................................................... 83
Figuur 4-37: Verplaatsing van paneel B ................................................................................................. 83
Figuur 4-38: Scheurwijdtes van paneel A voor en na opwarmen tot hogere temperaturen; *
Scheurwijdte van S4A niet gemeten omdat LVDT in de weg stond .................................. 84
Figuur 4-39: Scheurwijdtes van paneel B voor en na opwarmen tot hogere temperaturen ................ 84
Figuur 4-40: Schema van de opstelling met een warmeluchtblazer en infraroodstralers .................... 85
Figuur 4-41: Temperatuurverloop van paneel A ................................................................................... 86
Figuur 4-42: Verplaatsing van paneel A ................................................................................................. 86
Figuur 4-43: Temperatuurverloop van paneel B .................................................................................... 87
Figuur 4-44: Verplaatsing van paneel B ................................................................................................. 87
Figuur 4-45: Inspectie van het paneel voor scheurvorming .................................................................. 89
Figuur 4-46: Betondekking van de capsules .......................................................................................... 89
Figuur 4-47: Scheurvorming in paneel A door thermische belasting .................................................... 91
Figuur 4-48: Scheurvorming in paneel B door thermische belasting..................................................... 91
Figuur 4-49: Evolutie van de grootste gemeten scheurwijdte van elke scheur in paneel A .................. 92
Figuur 4-50: Evolutie van de grootste gemeten scheurwijdte van elke scheur in paneel B .................. 92
Figuur 4-51: Zelfheling in de zones WM2 en WM3 ............................................................................... 93
Figuur 4-52: Zelfheling in de zone PU2 .................................................................................................. 94
Figuur 4-53: Zelfheling in de zone WM1 ................................................................................................ 94
Figuur 4-54: Zelfheling in de bovenste zone WM1 ................................................................................ 95
Figuur 4-55: Zelfheling in de zone PU1 .................................................................................................. 95
108
Figuur 4-56: Kleurschakeringen op de zones met zelfhelend beton ..................................................... 96
Figuur 4-57: Metingen op wateropname in paneel A ............................................................................ 97
Figuur 4-58: Metingen op wateropname in paneel B ............................................................................ 97
Figuur 4-59: Wateropname in functie van de scheurwijdte (logaritmische schaalverdeling);
Bij gemiddelde waarden zonder foutbalken werd maar één meting uitgevoerd;
* Geringe wateropname bij scheurwijdte 80 µm van WM1 ............................................. 98
109
Lijst van tabellen Tabel 2-1: Aantal krimpscheuren bij zon (S), bij geen zon en geen regen (N) en bij zon en
regen (SR) [9] ....................................................................................................................... 7
Tabel 2-2: Chloride diffusiecoëfficiënten in behandelde en onbehandelde proefstukken [35] ............ 14
Tabel 2-3: Benaming van impregneringsmiddelen [13] ......................................................................... 17
Tabel 2-4: Oplosbaarheidscoëfficiënt van CO2 voor verschillende coatings [11] .................................. 18
Tabel 3-1: Samenstelling van een mortelmengsel ................................................................................. 19
Tabel 3-2: Viscositeitswaarden van de verschillende 1-component polyurethanen ............................ 21
Tabel 3-3: Eigenschappen van de waterafstotende middelen .............................................................. 22
Tabel 3-4: Afmetingen van de 4 sandwichpanelen ................................................................................ 24
Tabel 3-5: Aantal capsules per helend middel ....................................................................................... 25
Tabel 3-6: Sturingsschema driepuntsbuigproef ..................................................................................... 29
Tabel 3-7: Bewaaromstandigheden van de mortelproefstukken, droogomstandigheden en
samenstelling van PU1 ...................................................................................................... 32
Tabel 3-8: Middelen om opdrijving te voorkomen ................................................................................ 39
Tabel 3-9: Buitentemperatuur en referentietemperatuur .................................................................... 41
Tabel 3-10: Materialen en karakteristieken ........................................................................................... 42
Tabel 3-11: Temperaturen aan de betonoppervlakken ......................................................................... 44
Tabel 3-12: Gesimuleerde uitbuiging, rek en spanning van het sandwichpaneel bij een
buitentemperatuur van 30 °C, 35 °C en 40 °C; druk = - en trek = + .................................. 44
Tabel 3-13: Eigenschappen van de warmeluchtblazer .......................................................................... 47
Tabel 4-1: Resultaten van de test op het breken van de capsules ........................................................ 57