3. Egenskaber af beton

3.1 egenskaber afbeton

beton er en kunstig konglomerat sten fremstillet hovedsagelig af Portlandcement,vand og aggregater. Når først blandet vand og cement udgør en pasta, somomgiver alle de enkelte stykker af aggregat til at gøre en plastblanding. En kemisk reaktion kaldet hydrering finder sted mellem vand og cement, og beton normaltændrer sig fra en plastik til en fast tilstand på cirka 2 timer. Derefter betonenfortsætter med at få styrke, når den hærder. En typisk styrke-gain kurve er vist i Figur1. Industrien har vedtaget 28-dages styrke som referencepunkt, og specifikationerhenviser ofte til kompressionstest af cylindre af beton, der knuses 28 dage efter, at de er lavet. Den resulterende styrke er givet betegnelsen f ‘ C

i løbet af den første uge til 10 dages hærdning er det vigtigt, at betonen ikke får lov til at fryse eller tørre ud, fordi en af disse forekomster ville være meget ødelæggende for betonens styrkeudvikling. Teoretisk, hvis det holdes i en fugtigmiljø, beton vil få styrke for evigt, men i praksis er omkring 90% af dens styrke opnået i de første 28 dage.

beton har næsten ingen trækstyrke (normalt målt til at være omkring 10 til 15% af sintrykstyrke), og derfor bruges den næsten aldrig uden nogen form forforstærkning. Dens trykstyrke afhænger af mange faktorer, herunder kvaliteten ogproportionerne af ingredienserne og hærdningsmiljøet. Den vigtigste enkeltindikator for styrke er forholdet mellem det anvendte vand i forhold til mængden af cement.Dybest set, jo lavere dette forhold er, desto højere vil den endelige betonstyrke være. (Dette koncept blev udviklet af Duff Abrams fra Portland Cement Association i begyndelsen af 1920 ‘ erne og er i verdensomspændende brug i dag. 0,3 vægt for at sikre, at vandet kommer i kontakt med alle cementpartikler (hvilket sikrer fuldstændig hydrering). I praksis er typiske værdier i0,4 til 0.6 rækkevidde for at opnå en brugbar konsistens, så frisk beton kan placeres i formene og omkring tæt adskilte armeringsstænger.

typiske spændingskurver for forskellige betonstyrker er vist i figur 2. De flestestrukturelle beton har f ‘ c-værdier i området 3000 til 5000 psi. Imidlertid vil lavere historiekolonner af højhuse undertiden bruge beton på 12.000 eller 15.000 psi til at reducere søjledimensionerne, som ellers ville være uforholdsmæssigt store. Selv om figur 2 angiver, at den maksimale belastning, som betonen kan opretholde, før den knuses, varierer omvendt med styrke, tages der normalt en værdi på 0,003 (som en forenkling) til brug i udviklingen af designligninger.

fordi beton ikke har nogen lineær del til sin spændings-belastningskurve, er det vanskeligt at måle et korrekt elasticitetsmodul. For beton op til omkring 6000 psi kan det være omtrent som

(1)

hvor B er enhedsvægten (pcf), er F ‘ C cylinderstyrken (psi).(Det er vigtigt, at enhederne af f ‘ C udtrykkes i psi og ikke ksi, når kvadratroden tages). Vægtdensiteten af armeret beton ved hjælp af normalt sand og stenaggregater er omkring 150 pcf. Hvis 5 pcf af dette er tilladt for stålet og v tages as145 i ligning (1), så

(2)

de således beregnede værdier har vist sig at være acceptable til brug ved afbøjningsberegninger.
når beton hærder, krymper det, fordi vandet, der ikke bruges til hydrering, gradvist fordampes fra den hærdede blanding. For store kontinuerlige elementer kan en sådan krympning resultere i udvikling af overskydende trækspænding, især hvis et højt vandindhold medfører stor krympning. Beton, som alle materialer, gennemgår også volumenændringer på grund aftermiske effekter, og i varmt vejr øger varmen fra den eksoterme hydratiseringsproces tildette problem. Da beton er svag i spænding, vil det ofte udvikle revner på grund af sådannekrympning og temperaturændringer. For eksempel, når en nyplaceret betonlab-on-grade udvides på grund af temperaturændring, udvikler den interne trykspændingersom den overvinder friktionen mellem den og jordoverfladen. Senere når concretecools land krymper, når det hærder) og forsøger at trække sig sammen, er det ikke stærkt nok intension til at modstå de samme friktionskræfter. Af denne grund er sammentrækningsfuger oftebruges til at kontrollere placeringen af revner, der uundgåeligt opstår, og såkaldt temperatur ogkrympeforstærkning placeres i retninger, hvor forstærkning ikke allerede er væretspecificeret af andre grunde. Formålet med denne forstærkning er at rumme de resulterende trækspændinger og for at minimere bredden af revner, der udvikler sig.

ud over stammer forårsaget af krympning og termiske virkninger deformerer beton ogsåpå grund af krybning. Krybning øger deformation, der finder sted, når et materiale opretholder et højt stressniveau over en lang periode. Når konstant påførte belastninger (såsom deadloads) forårsager betydelige kompressionsspændinger, vil der opstå kryb. I en bjælke, for eksempel, den ekstra langsigtede afbøjning på grund af krybning kan være så meget som to gange den indledende elastiske afbøjning måden at undgå denne øgede deformation er at holde stress på grund af vedvarende belastninger på et lavt niveau. Dette gøres normalt ved at tilføje kompressionstål.

3.2 blandingsforhold

ingredienserne i beton kan proportioneres efter vægt eller volumen. Målet er atgive den ønskede styrke og anvendelighed til minimal udgift. Nogle gange er dersærlige krav som slidstyrke, holdbarhed i barske klimaer eller vandimpermeabilitet, men disse egenskaber er normalt relateret til styrke. Nogle gange specificeres beton med højere styrke, selvom en lavere F ‘ C-værdi ville have opfyldt alle strukturelle krav.

som tidligere nævnt er der behov for et lavt vand-til-cement-forhold for at opnå stærkebeton. Det ser derfor ud til, at man ved blot at holde cementindholdet højt kunne bruge nok vand til god bearbejdelighed og stadig have et lavt vægt/c-forhold. Problemet er detcement er den dyreste af de grundlæggende ingredienser. Dilemmaet ses let ikematiske grafer af figur 3.

da større aggregatstørrelser har relativt mindre overfladearealer (for cementpasta at belægge), og da mindre vand betyder mindre cement, siges det ofte, at man skalbrug den største praktiske aggregatstørrelse og den stiveste praktiske blanding. (De fleste bygningselementer er konstrueret med en maksimal samlet størrelse på 3/4 til 1 in, større størrelser er forbudt af armeringsstængernes nærhed.)

en god indikation af vandindholdet i et blandingsareal og dermed bearbejdeligheden) kan fås fra en standard nedgangsprøve. I denne test fyldes en metalkegle 12 i høj med friskbeton på en specificeret måde. Når keglen løftes, “falder”massen af beton nedad (figur 4), og det lodrette fald kaldes faldet.De fleste betonblandinger har fald i 2-til 5-området.

3.3 Portlandcement

de rå ingredienser i Portlandcement er jernmalm, kalk, alumina og silica, som anvendes i forskellige proportioner afhængigt af typen af cement, der fremstilles. Disse er jorden op og fyret i en ovn for at producere en klinker. Efter afkøling er klinkeren megetinderijord (til omkring tekstur af talkumpulver) og en lille mængde gips ertilføjet for at forsinke den oprindelige indstillingstid. Der er fem grundlæggende typer Portland cement ibrug i dag:

• Type i-generelle formål

• type II – sulfat modstand, beton i kontakt med høj sulfat jord

• Type III – høj tidlig styrke, som får styrke hurtigere end Type i, hvilket gør det muligt at fjerne formularer hurtigere

• type IV – lav hydratiseringsvarme, til brug i massiv konstruktion

• Type V – svær sulfat modstand

Type I er den billigste og bruges til de fleste betonkonstruktioner. TypeIII anvendes også ofte, fordi det gør det muligt hurtigt at genbruge formularer, hvilket gør det muligt at reducere byggetiden. Det er vigtigt at bemærke, at mens Type III får styrkehurtigere end Type I, tager den ikke sit oprindelige sæt før).

3.4 aggregater

fint aggregat (sand) består af partikler, der kan passere gennem en 3/8 i sigte;grove aggregater er større end 3/8 tommer i størrelse. Aggregater skal være rene, hårde ogvelgraderede, uden naturlige spaltningsplaner som dem, der forekommer i skifer eller skifer.Kvaliteten af aggregater er meget vigtig, da de udgør omkring 60 til 75% af betonens volumen; det er umuligt at lave god beton med dårlige aggregater. Graden af både fint og groft aggregat er meget signifikant, fordi det at have et fuldt udvalg af størrelser reducerer den nødvendige mængde cementpasta. Velgraderede aggregater har tendens til at gøreblandingen mere brugbar også.

Normal beton fremstilles ved hjælp af sand og sten, men letbeton kan lavesved hjælp af industrielle biprodukter såsom ekspanderet slagge eller ler som lette aggregater. Denne beton vejer kun 90 til 125 pcf, og høje styrker er vanskeligere at opnåpå grund af de svagere aggregater. Imidlertid kan betydelige besparelser realiseres i vilkåraf bygningen selvvægt, hvilket kan være meget vigtigt, når man bygger på visse typerjord. Isolerende beton er lavet ved hjælp af perlit og vermiculit, den vejer kun omkring 15 til 40 pcf og har ingen strukturel værdi.

3.5 blandinger

blandinger er kemikalier, der tilsættes til blandingen for at opnå særlige formål eller opfylde visse konstruktionsbetingelser. Der er dybest set fire typer: luft-medrivende agenter, bearbejdelighed agenter, retardering agenter, og accelererende agenter.

i klimaer, hvor betonen vil blive udsat for fryse-tø cyklusser luft isdeliberately blandet med betonen i form af milliarder af bittesmå luftbobler OM0.004 i i diameter. Boblerne giver sammenkoblede veje, så vand næroverfladen kan undslippe, da det udvides på grund af frysetemperaturer. Uden luftinddragelse vil overfladen af beton næsten altid spall off, når den udsættes for gentagen frysning ogoptøning. (Luftinddragelse har også den meget gavnlige bivirkning af stigendearbejdsdygtighed uden en stigning i vandindholdet.) Indblandet luft må ikke forvirresmed indesluttet luft, hvilket skaber meget større hulrum og skyldes ukorrekt placeringog konsolidering af betonen. Indfanget luft, i modsætning til indblandet luft, er aldriggavnlig.

Bearbejdelighedsmidler, der inkluderer vandreducerende midler og blødgørere, tjener til at reducere cementpartiklernes tendens til at binde sammen i flokke og dermed undslippe fuldstændig dehydrering. FLYVEASKE, et biprodukt af brænding af kul, der har nogle cementitiskeegenskaber, bruges ofte til at opnå et lignende formål. Superplastisatorer errelativt nye blandinger, som, når de tilsættes til en blanding, tjener til at øge nedgangen i høj grad, hvilket gør blandingen meget soupy i kort tid og gør det muligt at placere et lavt vandindhold eller ellers meget stiv) beton let. Superplastisatorer er ansvarligefor den seneste udvikling af meget højstyrkebeton, nogle over 15.000 psibefordi de i høj grad reducerer behovet for overskydende vand til brugbarhed.

retardere bruges til at bremse betonsættet, når store masser skal placeres, ogbeton skal forblive plast i lang tid for at forhindre dannelse af”kolde samlinger” mellem et parti beton og det næste parti. Acceleratorertjene til at øge hastigheden af styrkeforøgelse og for at reducere den oprindelige indstillingstid. Dette kan være gavnligt, når beton skal placeres på en stejl skråning med en enkelt form, eller når det er ønskeligt at reducere den periode, hvor beton skal beskyttes modfrysning. Den bedst kendte accelerator er calciumchlorid, som virker for at øge varmeaf hydrering, hvorved betonen sættes op hurtigere.

andre typer kemiske tilsætningsstoffer er tilgængelige til en lang række formål. Nogle af disse kan have skadelige bivirkninger på styrkeforøgelse, krympning og andrekarakteristika ved beton, og testbatcher anbefales, hvis der er nogen tvivl om brugen af en bestemt blanding.

3.6 ACI-koden

American Concrete Institute (ACI), der er baseret i Detroit, Michigan, er en organisation af designfagfolk, forskere, producenter og konstruktører. En af dens funktioner erat fremme sikker og effektiv design og konstruktion af betonkonstruktioner. Den ACIhas talrige publikationer til at hjælpe designere og bygherrer; den vigtigste interms af bygningskonstruktioner er berettiget Building Code krav til forstærket beton og kommentar. Det er produceret af Committee 318 af American Concreteinstitut og indeholder de grundlæggende retningslinjer for bygningsreglementets embedsmænd, arkitekter,ingeniører og bygherrer vedrørende brugen af armeret beton til bygningskonstruktioner.Der præsenteres oplysninger om materialer og byggepraksis, standardtest,analyse og design og strukturelle systemer. Dette dokument er blevet vedtaget af de fleste bygningskodemyndigheder i USA som standardreference. Det giver alle regler vedrørende forstærkende størrelser, fabrikation og placering og er en uvurderlig ressource for både designeren og detaljeren.

periodiske opdateringer forekommer (1956, 1963, 1971, 1977, 1983, 1989), og denne tekst gørkonstant henvisning til 1989-udgaven, kalder den ACI-koden eller blot koden.Dokumenter og embedsmænd henviser også til det ved dets numeriske betegnelse, ACI 318-89.

3,7 referencer

Boethius, A. og Afdeling1-Perkins, J. B. (1970). Etruskisk og romersk arkitektur, Penguin Books, England.
Cassie, H. F. (1965). “Den Første Strukturelle Forstærketbeton,” Strukturbeton, 2 (10).
Collins, P. (1959). Beton, visionen om en ny arkitektur,Faber og Faber, London.
Condit ,C. V. (1968). Amerikansk bygning, materialer og Teknikkerfra de første koloniale bosættelser til nutiden, University of Chicago Press.
A. (1960). Han er en af de bedste i verden.
Farebrother, J. E. C. (1962). “Beton-Fortid, Nutid ogfremtid,” bygningsingeniøren, oktober.
Mainstone, R, J. (1975). Udviklingen i strukturel Form, MITPress, Cambridge.