Förstärkning av betongbalkar med cementbaserade kolfiberkompositer

Förstärkning av betongbalkar med cementbaserade kolfiberkompositer Sammanfattning av doktorsavhandlingen Strengthening of Concrete Beams Using Cementitious Carbon Fibre Composites BKN-Bulletin 72, 2003 Anders Wiberg Betongbyggnad Kungl. Tekniska Högskolan 100 44 Stockholm

Förord Detta dokument är en sammanfattning av doktorsavhandlingen Strengthening of Concrete Beams Using Cementitious Carbon Fibre Composites BKN-Bulletin 72, 2003. Arbetet med avhandlingen har skett på Institutionen för Byggvetenskap vid Kungl. Tekniska Högskolan i Stockholm inom ämnet betongbyggnad. Forskningen som presenteras i denna avhandling har initierats av Professor Jonas Holmgren, Betongbyggnad, KTH, och TeknD. Åke Skarendahl, dåvarande VD vid Cement och Betonginstitutet. Handledare i detta arbete har också varit Jonas Holmgren, KTH och Åke Skarendahl, BIC. En referensgrupp bestående av Hans Cedermark, CDU, Bo Westerberg, Tyréns, Jan Hjalmarsson, Tyréns, Martin Carlsson, Tyréns, Christer Ljungkrantz, Cementa, Sven-Erik Johansson, Cementa, Lennart Askling, Banverket, Ebbe Rosell, Vägverket och Lars Lidström, Scanplan har följt upp och deltagit i planeringen av arbetet. Gruppen har sammanträtt 2-3 gånger om året. Projektet har finansierats av Tyréns, Cementa, Banverket och Vägverket. Administrationen av detta sker genom CDU, Centrum för Drift och Underhåll, KTH. Projektet är organiserat i CDUs program teknik, tema bro och tunnel med beteckning T17. Anders Wiberg, 2003 2

Bakgrund Det föreligger ett behov av att kunna öka infrastrukturkonstruktioners bärförmåga. Till detta finns flera skäl: Broar för såväl väg- som järnvägstrafik behöver graderas upp till större bärförmåga. Detta ger möjligheter att öka transportarbetet utan att fordonsmängden behöver öka. Vissa befintliga konstruktioner förlorar bärförmåga successivt och behöver därför återställas. Införandet av europeiska normer kommer att öka dimensionerande laster. Även inom andra områden såsom anläggningar och husbyggnader uppkommer behov av förstärkningar vid exempelvis ändrad användning som kräver ökad bärförmåga, t.ex. omplacering eller nyinstallation av maskinutrustning, eller vid ombyggnad och tillbyggnad som ändrar funktionen hos byggnadselement, t.ex. håltagningar i balkar och bjälklag. Det finns många metoder för att förstärka konstruktionselement i betong. T.ex. ökning av tvärsnittsarean, efterspänning med både in- och utvändiga kablar, epoxilimmade stålplattor eller kolfiberkompositer och pågjutning med ny armering. Dessa metoder visar i allmänhet att förstärkning och reparation är både genomförbart och ekonomiskt. Det svenska standardverket för konventionella metoder för betongförstärkning är "Förstärkning av betongkonstruktioner" utgiven 1978 av Statens råd för byggforskning. Där ingår dock inte pålimning av stålplåtar eller polymerbaserade kolfiberkompositer på grund av det tidiga utgivningsåret. En av de mest framgångsrika förstärkningsmetoderna idag är pålimning av kontinuerliga kolfibrer med epoxilim. Denna metod har använts i över 15 år i många olika applikationer. Studeras denna metod närmare upptäcks en rad nackdelar. För det första är epoxin hälsovådlig i ohärdat tillstånd varför den är en nackdel för arbetsmiljön. För det andra är epoxin helt tät, d.v.s. den släpper inte igenom vare sig fukt eller ånga vilket kan leda till snabb nedbrytning av betongen. Epoxi går dessutom inte att applicera på fuktiga ytor eller i temperaturer under +10 C. Dessa problem skulle lösas om det är möjligt att använda en cementbaserad matris istället för epoxi. En cementbaserad matris släpper igenom fukt och är inte hälsovådlig. Den kan appliceras på fuktiga ytor och har god möjligheter att anpassas för både höga och låga temperaturer. I en litteraturstudie som redovisades i författarens licentiatavhandling kartlades tänkbara material och tekniker för reparationer och förstärkning av betongkonstruktioner med cementbaserade material. Denna resulterade i valet att gå vidare med kompositer med kontinuerliga kolfiber som armering i en polymermodifierad cementmatris. Svårigheten med att byta ut en polymer som epoxi mot en cementbaserad matris beror på den avgörande skillnaden att polymeren är en vätska och cementbruk är en partikelsuspension. Detta gör att cementmatrisen inte kan väta, utan i bästa fall omsluta fibrerna. Kolfibern tillverkas i buntar om tusentals tunna fibrer med en diameter på 7-15 µm, vilket även gör det svårt för cementmatrisen att tränga ända in i mitten av bunten för att omsluta de innersta fibrerna. Detta fenomen med ofullständig penetration gör att ett förhållandevis segt utdragsbrott på grund av "teleskopeffekt" kan erhållas, vilket skulle kunna vara en fördel om det kan kontrolleras och styras. Anders Wiberg, 2003 3

Litteraturstudie Avhandlingen innehåller en litteraturstudie som beskriver dagsläget vad gäller förstärkning av bärande betongkonstruktioner med cementbaserade, fiberarmerade kompositer samt relevant forskning inom materialområdet. Se sista avsnittet i sammanfattningen, Referenser i urval. Pilotförsök Det första försöket i detta projekt gjordes i april 1999 med en komposit av kontinuerliga kolfibrer och cementbaserad matris som förstärkning av ett betongelement. Detta var det första försöket i Sverige med denna teknik. Syftet var att göra en preliminär utvärdering av tekniken samt att få erfarenheter till fortsatta försök. Försöket gjordes i laboratoriet på Väg och Vatten vid Luleå Tekniska Universitet där kraftigt böjarmerade balkar samt kolfibrer och en cementbaserad matris redan fanns på plats. En balk förstärktes för tvärkraft och en behölls som oförstärkt referensbalk. Den förstärkta balken fick 30% högre brottlast än den oförstärkta. Tekniken bedömdes som lovande och fortsatta materialprovningar för att utveckla en cementbaserad komposit planerades. P/2 P/2 [mm] 250 1250 1500 1250 250 4500 Figur 1. Provbalken som förstärktes för tvärkraft i pilotförsöket. 400 350 300 Load P /kn 250 200 150 100 50 0 Strengthened beam Reference beam 0 5 10 15 20 Midpoint deflection /mm Figur 2. Last och nedböjningsdiagram från pilotförsöket som visar en förstärkningseffekt på 100 kn. Anders Wiberg, 2003 4

Småskaliga materialförsök För att utveckla en ny förstärkningskomposit behövs en testmetod att utvärdera vidhäftningshållfasthet i skjuvning, samt kompositens egen lastkapacitet och beteende till brott. WHEST-balken (Wiberg-Holmgren Evaluation of STrengthening materials) är resultatet av sökandet efter en liten, billig testbalk som är lätt att gjuta. Detta sökande har skett i svenska (SS), europeiska (CEN) och amerikanska (ASTM) normen utan resultat varför denna nya provningskropp tagits fram. WHEST-balken, se Error! Reference source not found., är en standardbalk för böjning enligs Svensk Standard SS 13 72 12 utrustad med en stålled i överkant, se Error! Reference source not found., och en sågad slits mitt på undersidan av balken. Stålleden gör att tryckresultantens läge är fixerat och kraften i förstärkningen lätt kan beräknas. Balken har en försumbar momentkapacitet när den är oförstärkt på grund av den sågade slitsen. 200 Stålled 200 100 20 100 700 800 150 Förstärkningskomposit Sågad spricka Figur 3. WHEST-balken sedd från sidan. Mått i mm. 20 70 15 25 CL Hål φ 10 mm 40 Stål cylinder Längd 150 mm Figur 4. Sektion genom stålleden i WHEST-balken. Mått i mm. En rad laboratorieförsök med WHEST-balkar förstärkta med olika fiberkompositer har genomförts. Till att börja med, inledande försök, vilkas syfte var att studera beteendet hos en komposit av denna typ och att få en ungefärlig uppfattning om hur mycket polymerer den bör innehålla. Fortsättningsvis har parameterstudier av matrisen gjorts där matrisen har ändrats med avseende på polymerinnehåll och grad av finmalning av cementet samt en parameterstudie av fiberkonfigurationen där olika fiberkonfigurationer har använts. Försöken visar att det går att uppnå en vidhäftning mellan matris och kolfibrer som är tillräckligt bra för att en enskild, omsluten fiber ska gå till brott istället för att dras ut ur matrisen, när den belastas. Anders Wiberg, 2003 5

Förstärkning av betongbalkar I början av 2002 provades 11 armerade betongbalkar, förstärkta med cementbaserad kolfiberkomposit. Både förstärkning för böjande moment och för tvärkraft provades. Storleken på balkarna valdes för att motsvara realistiska förstärkningar av betongkonstruktioner. På så sätt möjliggjordes studier av storlekseffekter och ett underlag för teoretiska studier av beräkningsmodeller erhölls. Balkarnas spännvidder var 3,6 m för momentförstärkta, se Figur 5, balkar respektive 4,0 m för de tvärkraftsförstärkta, se Figur 6. Både belastade och spruckna balkar och tidigare obelastade balkar förstärktes och provades. Förstärkningskompositen bestod av en kolfibermatta med raka, kontinuerliga fibrer i en riktning och vägde 300 g/m 2. Matrisen var ett kommersiellt tillgängligt polymermodifierat bruk. Kompositen applicerades för hand med s.k. handuppläggningsmetod på sandblästrad betongyta. En relativt ny metod för töjningsmätning med hjälp av digitalkamera användes för att få töjningsfältets utseende på sidan av de tvärkraftsförstärkta balkarna, se Figur 7 och Figur 8. Metoden bedömdes som lovande. Dessa försök visade att förstärkningsmetoden fungerar bra och att den har stor framtida användningspotential. Resultaten av momentförstärkningarna redovisas i avhandlingen dels som last och nedböjningsdiagram, Figur 9 och Figur 10, och dels som skisser på spricksystem, Figur 11, och brottyper. Resultaten av tvärkraftsförstärkningarna redovisas på på motsvarande sätt, se Figur 12, Figur 13 och Figur 14. Den förstärkta balkens spricksystem påverkar förstärkningens effektivitet. Fina och välfördelade sprickor beroende på befintlig armering eller små tidigare laster är fördelaktigt jämfört med enstaka större sprickor. 300 4000 200 P/2 P/2 200 1300 1000 1300 200 Figur 5. Provbalk för momentförstärkning. Anders Wiberg, 2003 6

500 4500 180 P/2 P/2 250 1250 1500 1250 250 (Fibre direction) Figur 6. Provbalk för tvärkraftsförstärkning. a) Shear beam with camera positions Digital camera Support Load Load Support Digital camera b) c) 50 80 80 80 80 80 50 80 80 80 80 [mm] Figur 7. Försöksuppställning för töjningsmätning med digitalkamera. Anders Wiberg, 2003 7

Figur 8. Resultat av töjningsmätning med digitalkamera. Huvudtöjningarna redovisas som vektorer. Load /kn 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Yield load (70,5 kn) for an unstrengthened M0-beam M0A M0B M0C 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Midpoint deflection /mm Figur 9. Last och nedböjningskurvor från prov med balkar för momentförstärkning. M0A, M0B och M0C var armerade med två armeringsstänger i u.k. Anders Wiberg, 2003 8

Load /kn 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Yield load (139,6 kn) for an unstrengthened M1-beam M1A M1B M1C 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Midpoint deflection /mm Figur 10. Last och nedböjningskurvor från prov med balkar för momentförstärkning. M1A, M1B och M1C var armerade med fyra armeringsstänger i u.k. Side face Bottom face Delamination Fibre rupture Figur 11. Exempel på hur provresultaten redovisas i avhandlingen i form av skisser av sprickor och brottyp. 500 400 Load /kn 300 200 100 T0A T0R 0 0 5 10 15 20 Midpoint deflection /mm Figur 12. Last och nedböjningskurvor från prov med balkar för tvärkraftsförstärkning Anders Wiberg, 2003 9

Delamination Fibre rupture Shear crack Figur 13. Skiss på sprickor och brottyp efter provning av balk förstärkt för tvärkraft. Figur 14. Foto av brottet på en tvärkraftsförstärkt provbalk. Anders Wiberg, 2003 10

Beräkningsmetoder Befintliga beräkningsmodeller för FRP-kompositer kan modifieras med hjälp av en effektivitetsfaktor som tar hänsyn till en rad faktorer, som t.ex. ofullständig penetration av fiberbuntar och fibrernas och underlagets krökning. Effektivitetsfaktorn har beräknats från försök med WHEST-balken, momentförstärkning och tvärkraftsförstärkning och jämförts. Man ser att försök med WHEST -balken ger en låg effektivitetsfaktor jämfört med de storskaliga försöken, d.v.s. på den säkra sidan. Detta beror troligen på att WHEST -balken i någon mån motsvarar ett fall med en, stor spricka. Effektivitetsfaktorn skall i detta tidiga skede ses som ett instrument att jämföra förstärkningar med. Det är en grov metod för dimensionering som behöver förfinas genom att effektivitetsfaktorn delas upp i delfaktorer som tar hänsyn till olika karaktäristika. Momentkapaciteten hos en förstärkt balk beräknas med hjälp av enkla och korrekta mekaniska modeller som bygger på den traditionella linjära töjningsfördelningen och jämviktsekvationer. När det gäller tvärkraftskapacitet är en additionsmodell att föredra vid beräkning av förstärkningar av balkar utan eller med så lite tvärkraftsarmering som balkarna i försöken i detta arbete. Förstärkningens bidrag kan beräknas med fackverksmodell. De modeller som använts i detta arbete baseras på vissa principer men är inte genomarbetade i detalj. För att uppnå en fullständig beräkningsmodell för cementbaserade kompositer krävs mer laboratorieförsök och hänsyn till speciella brottkriterier som delaminering och förankringsbrott. a) b) c) d) b ε c0 ε c ε c αf cc 0,8f cc h d x ε s ε s ε s0 βx 0,4x f cc F c F c M A s A f F s F f F s F f b f ε f ε u0 Figur 15. Momentkapaciteten hos en förstärkt balk beräknas med hjälp av enkla och korrekta mekaniska modeller som bygger på den traditionella linjära töjningsfördelningen och jämviktsekvationer Anders Wiberg, 2003 11

Slutsatser och fortsatt forskning Den viktigaste slutsatsen av detta arbete är att förstärkningsmetoden fungerar och att den har stor potential. När detta arbete påbörjades var tekniken ny och nu fem år senare är det bara detta och Pareeks arbete som rapporterats om förstärkning av bärande betongkonstruktioner med cementbaserad komposit. På grund av att metoden är så ny finns inga specialanpassade kolfibervävar eller matrismaterial för detta syfte. Sådana material skulle troligen höja effektiviteten på detta system betydligt. En anpassad kolfiberväv är tunn (ca 100 g/m 2 ) och har ett ytbehandlingsmedel som är avsett för en cementbaserad matris. En an passad matris innehåller troligen mikrocement, silika och en polymer. Förutom de positiva egenskaper ett cementbaserat förstärkningssystem har, som gjorde att detta arbete initierades, har följande egenskaper verifierats i denna avhandling. Förstärkningen blir inte tjockare än några millimeter vilket gör att den extra höjd och egenvikt förstärkningen orsakar är försumbar. Ofullständig penetration av fiberbuntarna orsakar ett förhållandevis segt utdragsbrott i jämförelse med det spröda fiberbrottet. Delkomponenterna i en cementbaserad kolfiberkomposit är enkla och säkra att arbeta med. Utförandet går snabbt och möjligheten att uppnå ett jämn kvalitet är därför god. Fibrernas ringa vikt, de få nödvändiga verktygen samt möjligheten att tillsätta vattnet på arbetsplatsen gör att systemet är lätt att transportera. Det polymermodifierade cementbruket som använts i dessa försök härdar relativt snabbt. Man kan räkna med 75--85 % av den slutliga hållfastheten efter 72 timmar, beroende på kompositens tjocklek. Svagheterna hos en cementbaserad komposit jämfört med en FRP-komposit är att den inte utnyttjar fibrerna lika effektivt och att härdningstiden är betydligt längre. Den fortsatta forskningen inom detta område bör delas upp i tre discipliner. Den första med inriktning på materialteknik för att utveckla och optimera en cementbaserad komposit ytterligare, dels med avseende på effektivitetsfaktorn men också på beständighetsfrågor. Den andra med fokus på materialets mekaniska egenskaper och beräkningsmodeller och det tredje med syfte att utveckla produktionsteknik och kontrollmetoder. Förutom dessa tre vore en ekonomisk utvärdering värdefull. Anders Wiberg, 2003 12

Referenser i urval Wibergs licentiatavhandling Referens nr 74 i avhandlingen Wiberg, A. Strengthening and Repair of Structural Concrete with Advanced, Cementitious Composites. Licentiate thesis, Royal Institute of Technology, KTH, SE-100 44 Stockholm, 2000. Om cementbaserade kompositer med kontinuerliga fibrer Referenser nr 3, 15, 23, 41, 60-63, 77, 78 i avhandlingen Ahmad, S., Zia, P., Yu, T., and Xie, Y. Punching shear tests of slabs reinforced with 3-d carbon fiber fabric. Concrete International 16, 6 (June 1994), 36 41. Bischhoff, T., et al. Textile reinforced facade elements - an investigation to optimize concrete composite technologies. In 43rd International SAMPE Symposium and Exhibition (May 31-June 4 1998), pp. 1790 1802. Curbach, M., et al. New building material - textile concrete. a status report on current engineering developments of this new building material. Concrete Precasting Plant and Technology 64, 6 (June 1998), 45 56. Hempel, R. Thin textile-reinforced concrete sheet material. Concrete Precasting Plant and Technology 64, 3 (March 1998), 140 146. Peled, A., and Bentur, A. Reinforcement of cementitious matrices by warp knitted fabrics. Materials and Structures 31, 212 (October 1998), 543 550. Peled, A., Bentur, A., and Yankelevsky, D. Woven fabric reinforcement of cement matrix. Advanced Cement Based Materials, 1 (1994), 216 223. Peled, A., Bentur, A., and Yankelevsky, D. E.ects of woven fabric geometry on the bonding performance of cementitious composites. Advanced Cement Based Materials, 7 (1998), 20 27. Peled, A., Bentur, A., and Yankelevsky, D. Flexural performance of cementitious composites reinforced with woven fabrics. Journal of Materials in Civil Engineering 11, 4 (November 1999), 325 330. Zia, P., Ahmad, S. H., Garg, R. K., and Hanes, K. Flexural and shear behaviour of concrete beams reinforced with 3-d continuous carbon fiber fabric. Concrete International 14, 12 (December 1992), 48 52. Zia, P., Ahmad, S. H., Garg, R. K., and Hanes, K. Flexural and shear behaviour of concrete beams reinforced with 3-d continuous carbon fiber fabric. In High Performance Fiber Reinforced Cement Composites (2-6 Boundary Row, London SE1 8HN, UK, 1992), H. Reinhardt and A. Naaman, Eds., RILEM, E & FN Spon, pp. 495 506. Anders Wiberg, 2003 13

Om förstärkning med cementbaserade kompositer med kontinuerliga fibrer Referenser nr 22, 24-26, 46-47, 59 i avhandlingen. Curbach, M. Textiles bauen. textilbewehrter beton - entwicklung eines innovativen verbundwerksto.es. In Braunschweiger Bauseminar 1999 - Bauen im Nächsten Jahrtausend (1999), pp. 29 38. Curbach, M., and Jesse, F. High-performance textile-reinforced concrete. Structural Engineering International 9, 4 (1999), 289 291. Curbach, M., Martius, A., and Baumann, L. Untersuchungen zur nachträglichen Verstärkung von Betonbauteilem mit textilbewertem Beton. Bauen mit Textilien 2, 4 (December 1999), 24 30. Curbach, M., and Offermann, P. Use of long fiber textile structures as concrete reinforcement. In Proceedings of the 13th FIP Congress on Challenges for Concrete in the Next Millenium (1998). Kolsch, H. Upgrading existing structures with composite layers. In Non-Metallic (FRP) Reinforcement for Concrete Structures (2-6 Boundary Row, London SE1 8HN, UK, 1995), L. Taerwe, Ed., RILEM, E & FN Spon, pp. 525 532. Kolsch, H. Carbon fiber cement matrix (CFCM) overlay system for masonry strengthening. Journal of Composites for Construction 2, 2 (May 1998), 105 109. Om beräkningsmetoder för förstärkning med kompositer med organiska matriser (FRP) Referenser nr 43, 68, 72-73 i avhandlingen. International Federation of Structural Concrete (fib). Externally Bonded FRP Reinforcement for RC Structures. Case Postale 88, CH-1015 Lausanne, Switzerland, 2001. Bulletin 14. Täljsten, B. FRP strengthening of existing concrete structures - design guidelines. Tech. rep., Luleå University of Technology, Department of Civil Engineering, SE-971 87 Luleå, Sweden, 2002. Westerberg, B. Förstärkning med pålimmade kolfiberlaminat - dimensioneringsanvisning. Written for AB Svenska Sika, 1998. Westerberg, B. Tvärkraftsförstärkning med kolfiberkomposit - dimensioneringsanvisning. Written for AB Svenska Sika, 2003. Anders Wiberg, 2003 14