Koolstofvezelwapening, glasvezel- en basaltwapening: FRP vergeleken

Koolstofvezelwapening is wapening van koolstofvezels in een harsmatrix: CFRP, een vezelversterkte kunststof. Ze komt in twee vormen voor: als staaf of net dat in nieuw beton wordt ingestort, en als lamel of weefsel dat op bestaand beton wordt verlijmd om het te versterken (plakwapening). Koolstofwapening roest niet en is zeer sterk, maar heeft geen vloeigrens: ze gedraagt zich lineair-elastisch tot de breuk en vraagt daarom een eigen berekening en een productattest.

Hetzelfde principe bestaat met glasvezel (GFRP) en basalt (BFRP). En het is iets anders dan losse vezels in het betonmengsel, zoals bij vezelbeton. Dit artikel zet die drie werelden naast elkaar: FRP-staven in nieuw beton, opgelijmde versterking van bestaand beton en vezels die uit de mixer komen, steeds afgezet tegen traditionele wapening van betonstaal.

Wat is koolstofvezelwapening? FRP, vezelversterkte kunststof en vezelbeton

FRP staat voor fibre reinforced polymer, in het Nederlands vezelversterkte kunststof. Het materiaal bestaat uit doorlopende vezels die in een hars (meestal epoxy of vinylester) zijn ingebed. Staven en lamellen worden vaak gepultrudeerd: vezelbundels worden door een harsbad en een verwarmde matrijs getrokken, waarna de hars uithardt. De letter vóór FRP geeft de vezel aan: CFRP voor koolstof (carbon), GFRP voor glas, BFRP voor basalt en AFRP voor aramidevezel.

In de bouw komt FRP voor als staven (met een besande, geribde of gewikkelde buitenkant voor de hechting), als netten en textiel, als platte lamellen en als weefsels die om een element worden gewikkeld. Het woord vezel zorgt daarbij voor verwarring. In vezelbeton gaat het om korte, losse vezels die tijdens het mengen door het hele beton worden verdeeld; die vergelijkt u bij de soorten betonvezels. In FRP liggen de vezels juist doorlopend en geordend in de hars en vormen ze samen een staaf of lamel die op een vaste plek in of op het beton ligt.

FRP-staven als wapening: koolstof-, glasvezel- en basaltwapening

FRP-staven worden net als betonstaal volgens tekening in de bekisting gelegd en tot een korf of net samengesteld. Ze vervangen dus het staal, niet het vlechtwerk. De belangrijkste reden om ze te kiezen is corrosie: stalen wapening gaat roesten zodra chloriden uit dooizout of zeewater de wapening bereiken (de milieuklassen XD en XS), en dat leidt tot scheuren, afspatten en uiteindelijk betonrot. Hoe dat mechanisme werkt, leest u bij corrosie van wapeningsstaal.

FRP roest niet en is niet magnetisch; glas- en basaltstaven geleiden bovendien geen stroom. Daarom worden FRP-staven onder meer toegepast in beton met zware chloridebelasting, in zones die een tunnelboormachine later doorboort, in ruimtes met gevoelige elektrische of magnetische installaties en in elementen waar weinig dekking beschikbaar is.

Glasvezelwapening in beton (GFRP)

Glasvezelwapening is de meest toegepaste FRP-staaf. De staven roesten niet, geleiden niet en wegen circa een kwart van een stalen staaf, wat het verwerken lichter maakt. Daar staat een veel lagere stijfheid tegenover: productbladen noemen voor gepultrudeerde GFRP-staven een elasticiteitsmodulus van circa 40 tot 60 GPa, tegen 200 GPa voor betonstaal. Bij dezelfde doorsnede buigt een element met glasvezelwapening dus meer door en worden scheuren wijder.

In Nederland geldt de beoordelingsrichtlijn BRL 0513 'Glasvezelstaven voor toepassing als wapening in beton' van Kiwa als basis voor een KOMO-productcertificaat. De bijbehorende attesten bevatten aanvullende bepalingen op Eurocode 2, omdat de gewone rekenregels voor betonstaal niet zonder meer gelden.

Let op het verschil met glasvezelversterking in de zin van glasvezelbeton: daar gaat het om korte, alkalibestendige glasvezels (AR-glas) in het mengsel, bijvoorbeeld in dunne gevelpanelen. Dat is vezelbeton, geen staafwapening.

Koolstofwapening (CFRP-staven en -netten)

Koolstofwapening is de stijfste en sterkste van de FRP-varianten, en ook de duurste. Anders dan glas en basalt geleidt koolstof elektriciteit, dus voor niet-geleidende zones valt CFRP af. In nieuwbouw ziet u koolstof minder vaak als losse staaf en vaker als net of textiel in dunne, slanke elementen (zie carbonbeton verderop). De bekendste toepassing in Nederland is echter de opgelijmde CFRP-lamel waarmee bestaand beton wordt versterkt: de plakwapening.

Basaltwapening (BFRP-staven)

Basaltwapening bestaat uit staven of netten van doorlopende basaltvezel in een hars. Gepubliceerde proefresultaten voor BFRP-staven liggen rond 1.100 tot 1.350 MPa treksterkte en een elasticiteitsmodulus van circa 45 tot 50 GPa, tegen 200 GPa voor staal; waarden verschillen per fabrikant. Net als bij glasvezel bepalen doorbuiging en scheurwijdte daardoor vaak het ontwerp. De bestandheid van basalt tegen het sterk alkalische milieu in beton is een aandachtspunt dat per product moet worden aangetoond. In Nederland wordt basaltwapening nog weinig toegepast en is ze vooral onderwerp van onderzoek.

Basaltwapening in staafvorm is iets anders dan basaltvezels in het mengsel. Een basaltstaaf ligt op een vaste plek in de doorsnede, een basaltvezel werkt verspreid door het hele beton. Verderop leest u waarom de macrovezel Basalt Wave daarom geen basaltwapening is.

Rekenen met FRP-staven: geen vloeigrens, eigen berekening en attest

FRP gedraagt zich lineair-elastisch tot de breuk. Er is geen vloeigrens en dus geen taaie, waarschuwende vervorming zoals bij betonstaal. Ontwerpers kiezen de doorsnede daarom vaak zo dat het beton op druk maatgevend is in plaats van de staaf op trek. Door de lagere stijfheid van glas- en basaltstaven zijn doorbuiging en scheurwijdte vaak bepalend in plaats van de sterkte.

Ook de dekking krijgt een andere functie: ze is niet meer nodig als corrosiebescherming, maar wel voor de hechting tussen staaf en beton en voor de brandwerendheid. Bij brand en hoge temperatuur verweekt de hars al bij relatief lage temperaturen; dat is het zwakke punt van elke FRP-wapening. Bochten en beugels komen uit de fabriek, want de uitgeharde hars laat zich niet meer buigen.

Voor het ontwerp bestaan eigen regels. De nieuwe generatie Eurocode 2 (EN 1992-1-1:2023) bevat een informatieve bijlage R voor niet-voorgespannen FRP-wapening; in Noord-Amerika wordt vaak met ACI 440.1R gewerkt. Daarnaast is altijd een productattest nodig. Een FRP-staaf is dus nooit één op één uitwisselbaar met een staaf B500: de constructeur rekent de wapening opnieuw.

Plakwapening: bestaand beton versterken met koolstofvezel (lijmwapening)

Plakwapening, ook lijmwapening of uitwendig opgelijmde wapening genoemd, is wapening die achteraf op een bestaande constructie wordt verlijmd. Vroeger waren dat vooral stalen platen; tegenwoordig zijn het meestal CFRP-lamellen of koolstofweefsels die met epoxylijm op de trekzijde van een balk, vloer of kolom worden aangebracht. Koolstof is licht, roest niet en is ook in krappe ruimtes goed aan te brengen. In Europa wordt versterken met vezelcomposieten sinds de jaren negentig steeds vaker toegepast.

Typische redenen om beton te versterken met koolstofvezel zijn een gebruikswijziging met hogere belasting, een te lage buig- of dwarskrachtcapaciteit, ontbrekende of aangetaste wapening die moet worden aangevuld, een sparing die achteraf is gemaakt, schade na een aanrijding of brand, vermoeiing en versterking tegen aardbevingen. Plakwapening kent vier varianten:

• Lamellen: platte CFRP-strips op de trekzijde, vooral voor extra buigcapaciteit.

• Weefsels (wraps): koolstofweefsel dat ter plekke met hars wordt verzadigd en om balken of kolommen wordt gewikkeld, voor dwarskracht en voor het opsluiten van kolommen.

• Ingesleufde wapening (NSM, near surface mounted): strips of staven die in een gezaagde groef worden verlijmd en daardoor beter beschermd liggen.

• Voorgespannen CFRP-lamellen: de lamel wordt voorgespannen verlijmd en verankerd, zodat de versterking direct meedraagt, ook zonder extra vervorming van de constructie.

Het belangrijkste faalmechanisme is onthechting: de lamel laat los voordat hij zijn treksterkte bereikt. De ondergrond is daarom bepalend. Productbladen vragen na voorbehandeling (stralen of schuren) een oppervlaktetreksterkte (trekproef op het voorbehandelde beton) van gemiddeld 2,0 en minimaal 1,5 N/mm²; het beton is doorgaans minimaal 28 dagen oud. De lijm moet worden beschermd tegen permanent zonlicht en vocht. Omdat epoxylijm bij hoge temperatuur zijn sterkte verliest, beoordeelt de constructeur ook de situatie bij brand.

In Nederland geeft CUR-Aanbeveling 91 de richtlijnen voor het toepassen van uitwendig opgelijmde koolstofvezelwapening. De aanbeveling is gebaseerd op fib Bulletin 14 'Externally bonded FRP reinforcement for RC structures' (2001), en het toepassingsgebied is beperkt tot de aspecten die voldoende zijn onderzocht. Productbladen schrijven voor dat de lamellen alleen worden aangebracht door een applicateur die door de systeemleverancier is opgeleid of goedgekeurd en ervaring heeft met dit werk, en dat een gespecialiseerde constructeur de versterking berekent.

Eén ding is belangrijk om eerlijk te zeggen: losse vezels kunnen een bestaande constructie niet versterken. Vezels werken alleen in het beton waarin ze zijn gemengd. Voor een balk of vloer die meer moet dragen, is een versterkingsontwerp nodig.

Betonversterking: welke technieken zijn er om beton te versterken?

Betonversterking begint niet met een techniek, maar met een beoordeling. Een constructeur stelt vast wat de constructie nu kan dragen en wat ze moet gaan dragen, op basis van onderzoek naar de ligging en doorsnede van de wapening, de betonkwaliteit en eventuele schade. Is er sprake van betonrot, dan gaat het herstel van de oorzaak voor: lijm op aangetast beton heeft geen zin. Pas daarna volgt de keuze uit de betonversterkende technieken in de tabel hieronder.

Bij opstorten of overlagen komt er een nieuwe betonlaag op de bestaande constructie. Vezels in die nieuwe laag beperken krimp- en scheurvorming en kunnen in een niet-constructieve overlaging het net vervangen; zie overlagen met een vezelversterkte laag. Of een opstortlaag constructief meedraagt, bepaalt de constructeur: dat hangt af van de aanhechting met de ondergrond en van eventuele verbindingswapening of deuvels.

Carbonbeton en textielwapening: beton met koolstofvezels dun bouwen

Carbonbeton is beton dat met koolstofvezel is gewapend in plaats van met staal, meestal als net of textiel van gecoate koolstofvezelgarens en soms als staaf. Omdat carbon niet roest, hoeft de dekking geen corrosiebescherming te bieden en kunnen elementen veel slanker worden: dunne gevelplaten, schalen en versterkingslagen van enkele centimeters op bestaand beton. Volgens het InformationsZentrum Beton is de treksterkte van carbonwapening tot zesmaal hoger dan die van betonstaal, bij een dichtheid van een kwart.

Er zijn ook nadelen. De productie van koolstofvezel is energie-intensief, bij brand wordt de brandwerendheid maatgevend, de recycling is nog in ontwikkeling en staven of netten moeten hun vorm krijgen voordat de matrix uithardt. De ontwikkeling gebeurt vooral in Duitsland, met onder meer TU Dresden en RWTH Aachen; daar is in januari 2024 een richtlijn van het Deutscher Ausschuss für Stahlbeton (DAfStb) verschenen voor betonelementen met niet-metallische wapening. In Nederland is carbonbeton nog een nichetoepassing.

Staal, FRP-staven en losse vezels vergeleken

De tabel zet betonstaal, de drie soorten FRP en losse vezels in het mengsel naast elkaar. De stijfheden zijn indicatief en komen uit gepubliceerde waarden en productbladen; voor een ontwerp gelden altijd de waarden uit het attest van het gekozen product.

Het grote verschil zit in de rij plaatsing. Staal en FRP-staven moeten worden gelegd en gebonden op de plek die de tekening aangeeft. Losse vezels komen uit de mixer en werken verspreid door het hele volume: ze vervangen het net in veel vloeren en verhardingen, maar geen berekende hoofdwapening in een balk of kolom.

Roestvrij wapenen in nieuw beton: wanneer FRP, wanneer vezels?

Wie FRP overweegt omdat staal roest, kan eerst een andere vraag stellen: welk deel van de wapening kan niet-corroderend uit de mixer komen? Voor veel nieuwbouw is dat een groter deel dan gedacht:

• Vloeren, verhardingen, erf- en kasvloeren, fietspaden: kunststof macrovezels vervangen hier vaak het wapeningsnet en roesten niet, bijvoorbeeld TwistR (PP-macrovezel van 48 mm, 2,0 tot 6,0 kg/m³) of Wiking 4050 TR (polyolefine, EN 14889-2 klasse II). Een praktijkvoorbeeld met Wiking 4050 TR is de kasvloer zonder staalwapening.

• Prefab, randbalken (hybride), spuitbeton en constructieve vloeren: de basalt macrovezel Basalt Wave.

• Krimpbeperking in mortel en dunne lagen: de gesneden basaltvezel Basalt Chopped (4 mm, 0,6 tot 1,0 kg/m³).

• Zwaar belaste constructieve delen (balken, kolommen, hoofdwapening): hier blijven staal of FRP-staven nodig. Vaak kan het met minder staven in hybride wapening, waarbij vezels de scheurbeheersing overnemen.

Gaat het om beton in een chloridemilieu (XD of XS: dooizout of zeewater), lees dan hoe vezels corrosie van wapeningsstaal voorkomen. Voor de keuze tussen vezelsoorten helpt de vergelijking van staalvezels of kunststof macrovezels.

Basalt Wave is geen basaltwapening in staafvorm

Basalt Wave is opgebouwd uit basaltfilamenten in een epoxymatrix, hetzelfde materiaalprincipe als een BFRP-staaf. Toch is het geen basaltwapening: het is een macrovezel van 50 mm lang en Ø 1,2 mm met een gegolfd 3D-profiel, die in het mengsel wordt gedoseerd en verspreid door het beton werkt, net als andere macrovezels. Basalt Wave vervangt geen berekende hoofdwapening in een balk of kolom. Bij randbalken is de toepassing hybride, samen met staafwapening, en altijd op basis van een vezelbetonberekening.

Meer over de inzet in elementen leest u bij vezels in prefab betonelementen. Voor een projectadvies over vezels in uw element of vloer kunt u een offerte of advies aanvragen.