3. Eigenschaften von Beton

3.1 Eigenschaften vonBeton

Beton ist ein künstlicher Konglomeratstein, der im Wesentlichen aus Portlandzement, Wasser und Zuschlagstoffen besteht. Beim ersten Mischen bilden Wasser und Zement eine Paste, die alle einzelnen Aggregatstücke zu einer plastischen Mischung umgibt. Zwischen Wasser und Zement findet eine chemische Reaktion statt, die Hydratation genannt wird, und Beton wechselt normalerweise in etwa 2 Stunden von einem plastischen in einen festen Zustand. Danach gewinnt der Beton beim Aushärten weiter an Festigkeit. Eine typische Stärke-Gewinn-Kurve ist in Figure1 gezeigt. Die Industrie hat die 28-Tage-Festigkeit als Bezugspunkt angenommen, und Spezifikationenoft beziehen sich auf Kompressionstests von Zylindern aus Beton, die 28 Tage nach ihrer Herstellung zerkleinert werden. Die resultierende Festigkeit erhält die Bezeichnung f’c

Während der ersten Woche bis 10 Tage der Aushärtung ist es wichtig, dass der Beton nicht gefriert oder austrocknet, da beide Ereignisse die Festigkeitsentwicklung des Betons sehr beeinträchtigen würden. Theoretisch, wenn in einem feuchten gehalten wirdumgebung, Beton wird für immer an Festigkeit gewinnen, aber in der Praxis werden etwa 90% seiner Festigkeit in den ersten 28 Tagen gewonnen.

Beton hat fast keine Zugfestigkeit (in der Regel gemessen, um etwa 10 bis 15% seiner Druckfestigkeit), und aus diesem Grund ist es fast nie ohne irgendeine Form Derverstärkung verwendet. Seine Druckfestigkeit hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der Qualität andproportions der Bestandteile und der kurierenden Umwelt. Der wichtigste Einzelindikator für die Festigkeit ist das Verhältnis des verwendeten Wassers zur Zementmenge.Grundsätzlich gilt, je niedriger dieses Verhältnis ist, desto höher ist die endgültige Betonfestigkeit. (Dieses Konzept wurde von Duff Abrams von der Portland Cement Association in den frühen 1920er Jahren entwickelt und ist heute weltweit im Einsatz.) Ein minimales w/c-Verhältnis (Wasser-Zement-Verhältnis) von etwa 0,3 Gew.-% ist erforderlich, um sicherzustellen, dass das Wasser mit allen Zementpartikeln in Kontakt kommt (wodurch eine vollständige Hydratation gewährleistet ist). In der Praxis liegen typische Werte zwischen 0,4 und 0.6), um eine brauchbare Konsistenz zu erreichen, so dass frischer Beton in die Formen und um eng beieinander liegende Bewehrungsstäbe gelegt werden kann.

Typische Spannungs-Dehnungskurven für verschiedene Betonfestigkeiten sind in Abbildung 2 dargestellt. Die meisten Strukturbetone haben f’c-Werte im Bereich von 3000 bis 5000 psi. Allerdings werden niedrigere Stockwerke von Hochhäusern manchmal Betone von 12.000 oder 15.000 psi verwenden, um die Säulenabmessungen zu reduzieren, die sonst übermäßig groß wären. Obwohl Abbildung 2 angibt, dass die maximale Belastung, die Beton aushalten kann, bevor er zerquetscht wird, umgekehrt mit der Festigkeit variiert, wird für die Entwicklung von Entwurfsequationen normalerweise ein Wert von 0,003 (als vereinfachende Maßnahme) verwendet.

Da Beton keinen linearen Anteil an seiner Spannungs-Dehnungs-Kurve hat, ist es schwierig, einen geeigneten Elastizitätsmodulwert zu messen. Für Betone bis etwa 6000 psi kann es als

(1)

wobei w das Einheitsgewicht (pcf) ist, ist f’c die Zylinderstärke (psi).(Es ist wichtig, dass die Einheiten von f’c in psi und nicht in ksi ausgedrückt werden, wenn der Quadratwurzel genommen wird). Die Gewichtsdichte von Stahlbeton mit normalem Sand und Steinaggregate beträgt etwa 150 pcf. Wenn 5 pcf davon für den Stahl zulässig sind und w in Gleichung (1) als 145 angenommen wird, dann

(2)

E-Werte, die so berechnet werden, haben sich für die Verwendung in Ablenkungsberechnungen als akzeptabel erwiesen.
Wenn Beton aushärtet, schrumpft er, weil das Wasser, das nicht zur Hydratation verwendet wird, allmählich aus der gehärteten Mischung verdunstet. Bei großen durchgehenden Elementen kann eine solche Schrumpfung zu einer übermäßigen Zugspannung führen, insbesondere wenn ein hoher Wassergehalt eine starke Schrumpfung bewirkt. Beton unterliegt wie alle Materialien auch Volumenänderungen aufgrund Vonwärmeeffekte, und bei heißem Wetter trägt die Wärme aus dem exothermen Hydratationsprozess dazu beidieses Problem. Da Beton in der Spannung schwach ist, wird es oft Risse aufgrund solcher entwickelnschrumpfung und Temperaturänderungen. Wenn sich beispielsweise ein frisch verlegter Beton aufgrund von Temperaturänderungen ausdehnt, entwickelt er innere Druckspannungen, da er die Reibung zwischen ihm und der Bodenoberfläche überwindet. Später, wenn der Beton abkühlt (schrumpft, wenn er aushärtet) und versucht, sich zusammenzuziehen, ist er nicht stark genug, um den gleichen Reibungskräften zu widerstehen. Aus diesem Grund werden Fugen häufig verwendet, um die Lage von unweigerlich auftretenden Rissen zu kontrollieren, und die sogenannte Temperatur- und Schrumpfbewehrung wird in Richtungen gelegt, in denen die Bewehrung aus anderen Gründen noch nicht festgelegt wurde. Der Zweck dieser Verstärkung besteht darin, die daraus resultierenden Zugspannungen aufzunehmen und die Breite der entstehenden Risse zu minimieren.

Neben Dehnungen durch Schrumpfung und thermische Effekte verformt sich Beton auch durch Kriechen. Kriechen ist eine zunehmende Verformung, die auftritt, wenn ein Material über einen langen Zeitraum einem hohen Spannungsniveau ausgesetzt ist. Wenn ständig aufgebrachte Lasten (z. B. Traglasten) erhebliche Druckspannungen verursachen, kommt es zu Kriechen. In einem Träger kann beispielsweise die zusätzliche Langzeitauslenkung durch Kriechen bis zu dem Zweifachen der anfänglichen elastischen Auslenkung betragen. Um diese erhöhte Verformung zu vermeiden, müssen die Spannungen aufgrund anhaltender Belastungen auf einem niedrigen Niveau gehalten werden. Dies geschieht normalerweise durch Hinzufügen von Komprimierungstahl.

3.2 Mischungsverhältnisse

Die Inhaltsstoffe von Beton können nach Gewicht oder Volumen proportioniert werden. Ziel ist es,die gewünschte Festigkeit und Verarbeitbarkeit bei minimalem Aufwand bereitzustellen. Manchmal gibt esspezielle Anforderungen wie Abriebfestigkeit, Haltbarkeit in rauen Klimazonen oder Wasserdichtigkeit, aber diese Eigenschaften hängen normalerweise mit der Festigkeit zusammen. Manchmal werden Betone höherer Festigkeit angegeben, obwohl ein niedrigerer f’c-Wert alle strukturellen Anforderungen erfüllt hätte.

Wie bereits erwähnt, ist ein niedriges Wasser-Zement-Verhältnis erforderlich, um starken Beton zu erzielen. Es scheint daher, dass man durch bloßes Halten des Zementgehalts genug Wasser für eine gute Verarbeitbarkeit verwenden kann und dennoch ein niedriges w / c-Verhältnis aufweist. Das Problem ist, dass Es die teuerste der Grundzutaten ist. Das Dilemma ist in den schematischen Diagrammen von Abbildung 3 leicht zu erkennen.

Da größere Zuschlagstoffe relativ kleinere Oberflächen haben (für die zu beschichtende Zementpaste) und da weniger Wasser weniger Zement bedeutet, wird oft gesagt, dass man die größte praktische Zuschlagstoffgröße und die steifste praktische Mischung verwenden sollte. (Die meisten buildingelements werden mit einer maximalen Gesamtgröße von 3/4 bis 1 Zoll konstruiert, wobei größere Größen durch die Nähe der Bewehrungsstäbe gehemmt werden.)

Ein guter Hinweis auf den Wassergehalt einer Mischung (also die Verarbeitbarkeit) kann aus einem Standard-Slump-Test erhalten werden. Bei diesem Versuch wird insbesondere ein Metallkegel 12 in vorgegebener Weise mit Frischbeton gefüllt. Wenn der Kegel angehoben wird,”sinkt” die Betonmasse nach unten (Abbildung 4) und der vertikale Abfall wird als Einbruch bezeichnet.Die meisten Betonmischungen haben Einbrüche im Bereich von 2 bis 5 Zoll.

3.3 Portlandzement

Die Rohstoffe von Portlandzement sind Eisenerz, Kalk, Aluminiumoxid und Kieselsäure, die je nach Zementart in verschiedenen Anteilen verwendet werden. Diese werden aufgeschnitten und in einem Ofen zu einem Klinker gebrannt. Nach dem Abkühlen wird der Klinker sehr fein gemahlen (bis etwa zur Textur von Talkumpuder) und eine kleine Menge Gips wird hinzugefügt, um die anfängliche Abbindezeit zu verzögern. Es gibt fünf grundlegende Arten von Portlandzement inverwenden Sie heute:

• Typ I – Allgemeine Zwecke

• Typ II – Sulfatbeständig, Beton in Kontakt mit Böden mit hohem Sulfatgehalt

• Typ III – Hohe Frühfestigkeit, die schneller an Festigkeit gewinnt als Typ I, wodurch Formen früher entfernt werden können

• Typ IV – Geringe Hydratationswärme, für den Einsatz in Massivbauten

• Typ V – Schweres sulfatbeständiges

Typ I ist der kostengünstigste und wird für die meisten Betonkonstruktionen verwendet. TypeIII wird auch häufig eingesetzt, weil es Formen ermöglicht, schnell wiederverwendet werden, allowingconstruction Zeit reduziert werden. Es ist wichtig zu beachten, dass während Typ III an Stärke gewinntschneller als Typ I, es nimmt seinen ursprünglichen Satz nicht früher).

3.4 Aggregate

Feines Aggregat (Sand) besteht aus Partikeln, die ein 3/8-Zoll-Sieb passieren können; grobe Aggregate sind größer als 3/8 Zoll. Aggregate sollten sauber, hart und seingut abgestuft, ohne natürliche Spaltebenen, wie sie in Schiefer oder Schiefer vorkommen.Die Qualität der Zuschlagstoffe ist sehr wichtig, da sie etwa 60 bis 75% des Volumens des Betons ausmachen; Es ist unmöglich, guten Beton mit schlechten Zuschlagstoffen herzustellen. Die Einstufung von fein- und grobkörnigem Zuschlagstoff ist sehr wichtig, da ein vollständiges Sortimentvon Größen die Menge der benötigten Zementpaste reduziert. Gut abgestufte Aggregate neigen dazu, die Mischung auch praktikabler zu machen.

Normaler Beton wird mit Sand und Steinen hergestellt, aber Leichtbeton kann hergestellt werdenmit industriellen Nebenprodukten wie expandierter Schlacke oder Ton als Leichtzuschlagstoffe. Dieser Beton wiegt nur 90 bis 125 pcf und hohe Festigkeiten sind aufgrund der schwächeren Zuschlagstoffe schwieriger zu erreichen. Es können jedoch erhebliche Einsparungen in Bezug auf das Eigengewicht des Gebäudes erzielt werden, was beim Bau auf bestimmten Bodenarten sehr wichtig sein kann. Isolierbeton wird aus Perlit und Vermiculit hergestellt, wiegt nur etwa 15 bis 40 pcf und hat keinen strukturellen Wert.

3.5 Beimischungen

Beimischungen sind Chemikalien, die der Mischung zugesetzt werden, um spezielle Zwecke zu erreichen oder bestimmte Konstruktionsbedingungen zu erfüllen. Es gibt grundsätzlich vier Typen: luftporenbildner, Verarbeitbarkeitsmittel, Verzögerer und Beschleuniger.

In Klimazonen, in denen der Beton Gefrier-Tau-Zyklen ausgesetzt ist, wird Luft in Form von Milliarden winziger Luftblasen mit einem Durchmesser von etwa 0,004 zoll absichtlich mit dem Beton vermischt. Die Blasen bieten miteinander verbundene Wege, so dass Wasser in der Nähe der Oberfläche entweichen kann, wenn es sich aufgrund von Gefriertemperaturen ausdehnt. Ohne Luftporenbildung wird die Betonoberfläche beim wiederholten Einfrieren und Auftauen fast immer abplatzen. (Luftporenbildung hat auch den sehr vorteilhaften Nebeneffekt, dass die Verarbeitbarkeit ohne Erhöhung des Wassergehalts erhöht wird.) Mitgerissene Luft darf nicht mit eingeschlossener Luft verwechselt werden, die viel größere Hohlräume erzeugt und durch unsachgemäße Platzierung und Verfestigung des Betons verursacht wird. Eingeschlossene Luft ist im Gegensatz zu mitgerissener Luft niemalsgünstig.

Verarbeitungshilfsmittel, zu denen wasserreduzierende Mittel und Weichmacher gehören, dienen dazu, die Neigung von Zementpartikeln zu verringern, sich in Flocken zu binden und so der vollständigen Hydrierung zu entweichen. Flugasche, ein Nebenprodukt der Verbrennung von Kohle, die einige zementartige Eigenschaften hat, wird oft verwendet, um einen ähnlichen Zweck zu erreichen. Fließmittel sind relativ neue Beimischungen, die, wenn sie einer Mischung zugesetzt werden, dazu dienen, das Absacken stark zu erhöhen, wodurch die Mischung für kurze Zeit sehr suppig wird und ein wasserarmer (ansonsten sehr steifer) Beton leicht platziert werden kann. Fließmittel sind verantwortlich für die jüngste Entwicklung von sehr hochfesten Betonen, einige über 15.000 psiweil sie den Bedarf an überschüssigem Wasser für die Verarbeitbarkeit erheblich reduzieren.

Retarder werden verwendet, um den Betonsatz zu verlangsamen, wenn große Massen platziert werden müssen und der Beton für einen langen Zeitraum plastisch bleiben muss, um die Bildung von “kalten Fugen” zwischen einer Betoncharge und der nächsten Charge zu verhindern. Beschleunigerdienen dazu, die Geschwindigkeit des Kraftgewinns zu erhöhen und die anfängliche Abbindezeit zu verringern. Dies kann von Vorteil sein, wenn Beton mit einer einzigen Form an einem steilen Hang platziert werden muss oder wenn es wünschenswert ist, den Zeitraum zu verkürzen, in dem Beton geschützt werden musseinfrieren. Der bekannteste Beschleuniger ist Calciumchlorid, das die Wärme der Hydratation erhöht, wodurch sich der Beton schneller aufbaut.

Andere Arten von chemischen Additiven sind für eine Vielzahl von Zwecken erhältlich. Einige davon können schädliche Nebenwirkungen auf Festigkeitsgewinn, Schrumpfung und andere Eigenschaften von Beton haben, und Testchargen sind ratsam, wenn Zweifel an der Verwendung einer bestimmten Beimischung bestehen.

3.6 Der ACI-Code

Das American Concrete Institute (ACI) mit Sitz in Detroit, Michigan, ist eine Organisation von Designfachleuten, Forschern, Produzenten und Konstrukteuren. Eine seiner Funktionen istförderung der sicheren und effizienten Planung und Konstruktion von Betonkonstruktionen. Die ACIhas zahlreiche Veröffentlichungen, zum von Planern und von Erbauern zu unterstützen; das wichtigste interms von Gebäudestrukturen wird betitelt, Anforderungen des Baugesetzes für ReinforcedConcrete und Kommentar zu errichten. Es wird vom Committee 318 des American ConcreteInstitute erstellt und enthält die grundlegenden Richtlinien für Bauordnungsbeamte, Architekten, Ingenieure und Bauherren bezüglich der Verwendung von Stahlbeton für Baukonstruktionen.Es werden Informationen zu Materialien und Konstruktionspraktiken, Standardtests, Analyse und Design sowie zu strukturellen Systemen präsentiert. Dieses Dokument wurde von den meisten angenommen Bauordnung Behörden in den Vereinigten Staaten als Standardreferenz. Es bietet alle Regeln in Bezug auf Verstärkungsgrößen, Herstellung und Platzierung und ist eine unschätzbare Ressource sowohl für den Designer als auch für den Detailer.

Regelmäßige Aktualisierungen (1956, 1963, 1971, 1977, 1983, und 1989), und dieser Text bezieht sich ständig auf die Ausgabe von 1989 und nennt sie den ACI-Code oder nur den Code.Dokumente und Beamte beziehen sich auch auf seine numerische Bezeichnung, ACI 318-89.

3.7 Referenzen

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