Mechanische eigenschappen
van beton

Beton is een veelgebruikt bouwmateriaal vanwege zijn alom gewaardeerde mechanische eigenschappen. De belangrijkste mechanische eigenschap van beton is de druksterkte: beton kan goed hoge druk weerstaan. Bij de kwaliteitscontrole van beton is dit dan ook een belangrijke parameter omdat een aantal andere mechanische eigenschappen daaraan kunnen worden gerelateerd. Vandaar dat men de kwaliteit van beton aangeeft met een sterkteklasse gebaseerd op de druksterkte.

De belangrijkste mechanische eigenschappen van beton zijn:

• Druksterkte: Dit is de mate waarin beton bestand is tegen drukbelasting;
• Treksterkte: Beton heeft van nature een lage treksterkte in vergelijking met zijn druksterkte; grofweg 10 % van de druksterkte. In de regel wordt bij het ontwerpen van constructies niet gerekend met de treksterkte van het beton maar komt de treksterkte van gewapend beton geheel van het wapeningsstaal;
• Buigsterkte: Dit is de weerstand van beton tegen buigbelasting;
• Elasticiteitsmodulus: De elasticiteitsmodulus, ook bekend als de Young’s modulus, geeft aan hoe stijf beton is en hoe het vervormt onder een gegeven belasting;
• Kruip: Bij een constante belasting vervormt het beton traag na de initiële elastische vervorming. Ook de mate van kruip is afhankelijk van de betonkwaliteit;
• Krimp: Door uitdroging krimpt beton. De mate van krimp is afhankelijk van de betonkwaliteit.

De mechanische eigenschappen van beton kunnen worden aangepast door de juiste selectie van grondstoffen, mengselontwerp en productieprocessen. Dit maakt beton veelzijdig en geschikt voor verschillende bouwtoepassingen, van funderingen en wegen tot gebouwen en bruggen.

Zoals aangegeven is de druksterkte de toonaangevende eigenschap van beton, daarom is hier de link naar een apart artikel dat helemaal over druksterkte gaat.

De treksterkte van beton verwijst naar de maximale trekspanning die beton kan weerstaan voordat het bezwijkt. Het is belangrijk op te merken dat beton over het algemeen zwak is in trekbelasting in vergelijking met zijn druksterkte. De treksterkte van beton is veel lager dan de druksterkte ervan, tussen de 10% tot 15%. De lage treksterkte van beton is te wijten aan het feit dat beton een bros materiaal is en gevoelig is voor scheurvorming wanneer het onder trekbelasting wordt geplaatst. Trekspanningen veroorzaken scheuren in het beton, die zich kunnen verspreiden en uiteindelijk tot het falen van de constructie kunnen leiden.

De lage treksterkte van beton heeft geleid tot het gebruik van wapeningsstaal (bijvoorbeeld staven of netten) in betonconstructies om trekspanningen op te vangen. Het wapeningsstaal neemt de trekkrachten op, terwijl het beton de drukbelastingen draagt. Dit versterkte beton staat bekend als gewapend beton en wordt veel gebruikt in de bouw voor een breed scala aan toepassingen waaronder balken, kolommen, vloeren en funderingen. Het wapeningsstaal biedt de benodigde treksterkte om de betonconstructie bestand te maken tegen verschillende belastingen en omgevingsinvloeden. Omdat de uitzettingscoëfficiënt van staal en beton vergelijkbaar is, én de materialen goed aan elkaar hechten is dit een sterke, veel toegepaste combinatie.

De buigsterkte van beton, ook wel de buigtreksterkte of buigweerstand genoemd, verwijst naar de weerstand van beton tegen buigende belastingen. Dit is een belangrijke mechanische eigenschap van beton, vooral bij constructie-elementen zoals balken, kolommen en platen, waar buigende spanningen een rol spelen.

De buigsterkte van gewapend beton kan worden gemeten door middel van een buigproef, waarbij een balkvormig betonmonster opgelegd op twee steunpunten wordt belast. Tijdens de buigproef ontstaan er trek- en drukspanningen in het betonmonster. De buigsterkte wordt meestal uitgedrukt in megapascal (MPa) en is een indicatie van hoeveel spanning het beton kan weerstaan voordat het bezwijkt in buiging.

De buigsterkte is een belangrijk ontwerpcriterium bij het dimensioneren van betonconstructies, omdat het de capaciteit van betonelementen bepaalt om buigende momenten en spanningen te weerstaan zonder te bezwijken. Ingenieurs moeten de buigsterkte van beton zorgvuldig overwegen bij het ontwerpen van structuren om ervoor te zorgen dat ze veilig en duurzaam zijn.

De elasticiteitsmodulus van beton, ook wel bekend als de Young’s modulus, is een maat voor de stijfheid of stijfheidsgraad van beton. Het geeft aan hoeveel beton vervormt onder een gegeven belasting en terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm zodra de belasting wordt verwijderd. In wezen geeft de elasticiteitsmodulus weer hoe stijf en veerkrachtig beton is. Deze eigenschap is belangrijk bij het ontwerpen van structuren en het voorspellen van de vervorming van betonconstructies onder belasting.

De elasticiteitsmodulus wordt uitgedrukt in gigapascal (GPa) of megapascal (MPa) en varieert afhankelijk van de samenstelling en leeftijd van het beton. Typische waarden liggen tussen 20 GPa en 40 GPa voor gewoon beton. Dit betekent dat beton relatief stijf is en niet veel vervormt onder lichte belastingen.

Wanneer beton belast wordt, door het eigen gewicht of door een externe belasting, vervormt het. Bij een kortdurende en niet al te grote belasting zal na het weghalen van de belasting het beton weer terugveren in zijn oude vorm. De vervorming is dan elastisch. Wanneer de belasting aanwezig blijft vindt er echter na de initiële vervorming een blijvende vervorming plaats, die langzaam toeneemt met de tijd. Deze blijvende vervorming in de tijd noemen we kruip.

De vervorming van beton door kruip kan na verloop van tijd tot viermaal zo groot zijn als de elastische vervorming. Daarom moet terdege rekening worden gehouden met kruip. Het gaat bijvoorbeeld om de lange termijn doorbuiging van balken en vloeren en verkorting van kolommen en wanden.

Bij het uitdrogen van beton treden er twee vormen van krimp op:

Autogene krimp: krimp die optreedt zonder uitwisseling van vocht met de omgeving en bij constante temperatuur. Het is vooral het gevolg van inwendige uitdroging van beton door voortgaande hydratatie en treedt vooral op bij beton met een lage water-cementfactor.

Uitdrogingskrimp: krimp als gevolg van het verdampen van niet-chemisch gebonden water. Hierdoor trekken de poriën samen en krimpt het beton.

Bij regulier beton is uitdrogingskrimp de belangrijkste vorm van krimp. De grootte van de uitdrogingskrimp van beton is voornamelijk afhankelijk van de hoeveelheid cementsteen, de poriënstructuur, de luchtvochtigheid van de omgeving en de afmetingen van het betonelement. In onderstaande figuur is de invloed van de watercementfactor op de krimp goed zichtbaar.