Was ist die Betonfestigkeit?

Viele Menschen halten Beton für ein starkes und langlebiges Material, was richtig ist. Doch was genau meinen wir, wenn wir von Betonfestigkeit sprechen? Dieses Papier beschreibt die Festigkeit von Beton, seine Bedeutung und seine Auswirkung auf die Qualität und Dauerhaftigkeit von Betonprojekten. Bleib bei uns.

Was ist die Druckfestigkeit von Beton?

Zur Bewertung der Leistung einer Betonmischung ist die Druckfestigkeit das gebräuchlichste und am weitesten akzeptierte Maß für die Betonfestigkeit. Dieser Widerstand bewertet die Fähigkeit des Betons, Druckbelastungen standzuhalten. Um die Druckfestigkeit von Beton zu beurteilen, werden zylindrische Proben in einer Maschine gebrochen, die speziell für die Messung dieser Eigenschaft entwickelt wurde.

Stärke wird in Megapascal ( Mpa ) oder Pfund pro Quadratzoll (psi) gemessen. Für die Prüfung wird der ASTM-Standard C39 (American Society for Testing and Materials) verwendet. Da die Betonmischung die Anforderungen einer bestimmten Aufgabe erfüllen muss, ist die Druckfestigkeit entscheidend.

Die Druckfestigkeit ist definiert als die einachsige Druckspannung in einem Bereich eines Objekts bei vollständigem Versagen dieses Elements. Häufig wird die Druckfestigkeit experimentell durch Druckbeaufschlagung ermittelt. Das Ergebnis der Druckprüfung ist die im folgenden Diagramm dargestellte Spannungs-Dehnungs-Kurve:

Die Bedeutung der Betondruckfestigkeit

Beton ist ein Kunststein, der sich aus Zement, Wasser, groben und feinen Zuschlagstoffen sowie grobem und feinem Sand zusammensetzt. Wenn Wasser und Zement anfänglich gemischt werden, wird eine plastische (Pasten-)Kombination gebildet, die die Aggregatpartikel umhüllt. Wasser und Zement unterliegen einer chemischen Reaktion, die als Hydratation bekannt ist, und Beton wandelt sich typischerweise innerhalb von zwei Stunden von einem pastenartigen Zustand in einen festen Zustand um. Der Beton wird weiterhin Widerstand leisten, wenn er aushärtet. Die 28-Tage-Festigkeit ist laut Norm der Bezugspunkt für die endgültige Druckfestigkeit von Beton. Die Festigkeitskriterien basieren häufig auf Tests von Betonzylindern, die 28 Tage nach dem Bau unter Druck zerkleinert wurden. Der resultierende Widerstand wird als Betonkennwert oder f’c bezeichnet .

Der Prozess der Erhöhung der Betonfestigkeit

Während der ersten Woche bis zehn Tage nach dem Aushärten des Betons ist es entscheidend, dass er nicht gefriert oder austrocknet, da jede dieser Bedingungen die Festigkeit des Betons beeinträchtigt. Theoretisch entwickelt Beton Festigkeit, wenn er in einer feuchten Umgebung gelagert wird. In der Praxis werden jedoch innerhalb der ersten 28 Tage etwa 90 % der Betonfestigkeit erreicht.

Beton hat im Wesentlichen eine minimale Zugfestigkeit (normalerweise 10 bis 15 Prozent Druckfestigkeit) und erfordert daher selten Bewehrungsstäbe (Stahlbeton). Die Druckfestigkeit von Beton wird von vielen Variablen bestimmt, wie z. B. der Qualität und Menge seiner Materialien und seinem Aushärtungszustand.

Das Wasser-Zement-Verhältnis ist der wichtigste Festigkeitsindikator. Allgemein gilt: Je kleiner dieses Verhältnis, desto größer die Endfestigkeit des Betons. Das minimale Wasser-zu-Zement-Verhältnis liegt bei etwa 0,3, sodass alle Zementpartikel mit Wasser in Kontakt kommen (um eine vollständige Hydratation zu gewährleisten).

In der Realität liegt das Wasser-Zement-Verhältnis oft im Bereich von 0,4 bis 0,6, um der Betonmischung eine brauchbare Konsistenz zu verleihen, damit sie in die Form und um die Bewehrungsstäbe herum gegossen werden kann. Beton härtet zunehmend aus, da nicht zur Hydratation genutztes Wasser aus der ausgehärteten Mischung verdunstet. Bei großen Bauteilen wie einer Betonplatte kann ein solches Schrumpfen zu einer zusätzlichen Zugspannung führen, insbesondere wenn ein erhebliches Wasservolumen für das Schrumpfen verantwortlich ist.

Wie alle Materialien erträgt Beton Volumenänderungen aufgrund thermischer Einwirkungen; Bei warmem Wetter verschlimmert die Hitze des Hydratationsprozesses dieses Problem. Da Beton eine geringe Elastizität hat, reißt er häufig durch Schwinden und Temperaturschwankungen. Wenn sich beispielsweise eine frisch gegossene Betonplatte aufgrund einer Temperaturänderung ausdehnt, bilden sich durch Überwindung der Reibung zwischen dem Beton und der Umgebungsluft Druckeigenspannungen in der Mischung aus.

Die Zugfestigkeit von Beton reicht nicht aus, um die gleiche Reibung zu ertragen. Daher werden häufig Kontraktionsfugen verwendet, um die Lage von unvermeidlichen Rissen zu kontrollieren, und sogenannte Temperatur- und Kontraktionsbewehrungen werden in zuvor nicht spezifizierte Richtungen gelegt. Diese Verstärkung soll die Zugspannungen aufnehmen und die Rissbreite reduzieren.

Neben den durch Wärmeprozesse und Schwinden induzierten Spannungen verformt sich Beton zusätzlich durch Kriechen. Wird ein Material über längere Zeit starker Beanspruchung ausgesetzt, kommt es zum Kriechen. Kriechen tritt auf, wenn dauerhafte Lasten, wie z. B. tote Lasten, zu großen Spannungen führen.

Beispielsweise kann die zusätzliche Langzeitdurchbiegung, die auf das Kriechen eines Betonbalkens zurückzuführen ist, bis zu doppelt so groß sein wie die anfängliche Durchbiegung, die durch die elastischen Eigenschaften des Balkens verursacht wurde. Um diese zunehmende Verformung zu verhindern, müssen die durch Dauerlasten induzierten Spannungen aufrechterhalten werden. Typischerweise wird dies durch Einarbeiten von Bewehrungsstahl in den Beton erreicht.

Einfluss von Bauteilen auf die Festigkeit von Beton

Gewicht und Volumen der Betonkomponenten können variieren. Ziel ist es, optimale Festigkeit und Leistung zu möglichst geringen Kosten zu erreichen. Es gibt gelegentlich einzigartige Kriterien wie Abriebfestigkeit, Haltbarkeit in extremen Klimazonen oder Wasserundurchlässigkeit, diese Eigenschaften beziehen sich jedoch typischerweise auf Festigkeit. Manchmal werden stärkere Betone spezifiziert, obwohl ein niedrigerer fc allen strukturellen Anforderungen entspricht.

Wie bereits erwähnt, erfordert dauerhafter Beton ein niedriges Wasser-Zement-Verhältnis. Daher scheint es, dass nur durch die Aufrechterhaltung eines hohen Zementanteils ausreichend Wasser verbraucht werden kann, um funktionalen Beton herzustellen. Zement ist der am häufigsten verwendete Bestandteil von Beton, und seine Verwendung sollte genau überwacht werden.

60-75 Prozent des Betonvolumens bestehen aus Gesteinskörnungen, daher ist deren Qualität entscheidend. Es ist unmöglich, aus zu schwachen Gesteinskörnungen hervorragenden Beton zu bauen. Die Sortierung von feinen und groben Gesteinskörnungen ist von entscheidender Bedeutung, da eine große Auswahl an Größen die erforderliche Menge an Zementleim minimiert. Auch entsprechend abgestufte Partikel erhöhen die Effizienz der Betonmischung.

Wie hoch ist die Zugfestigkeit von Beton?

Die Zugfestigkeit ist die Fähigkeit von Beton, einer Dehnung oder einem Bruch unter Belastung zu widerstehen, und sie beeinflusst die Größe und Häufigkeit von Rissen in Betonkonstruktionen. Wenn Zugkräfte die Zugfestigkeit von Beton überschreiten, bilden sich Risse. Herkömmlicher Beton hat im Vergleich zu seiner Druckfestigkeit eine relativ geringe Zugfestigkeit. Dies macht es erforderlich, Betonkonstruktionen, die auf Zug beansprucht werden, mit Materialien wie Stahl zu verstärken, die eine hohe Zugfestigkeit aufweisen.

Die Zugfestigkeit von Beton lässt sich nur schwer direkt testen, daher werden indirekte Methoden eingesetzt. Biegefestigkeits- und Spaltzugfestigkeitsprüfungen sind die gebräuchlichsten indirekten Verfahren. Durch Zugversuche an Betonzylindern wird die Spaltzugfestigkeit von Beton ermittelt. Die Prüfung muss gemäß ASTM C496 durchgeführt werden.

Wie hoch ist die Biegefestigkeit von Beton?

Ein weiterer indirekter Test zur Messung der Betonfestigkeit ist die Biegefestigkeit. Dies ist definiert als die Fähigkeit einer unbewehrten Betonplatte oder eines Balkens, einem Biegebruch zu widerstehen. Mit anderen Worten, es ist die Biegefähigkeit des Betons.

Je nach Betonmischung beträgt die Biegefestigkeit typischerweise 10 bis 15 Prozent der Druckfestigkeit. ASTM C78 und ASTM C293 sind die beiden Standardtests, die zur Bewertung der Biegefestigkeit von Beton verwendet werden. Die Daten sind als Bruchmodul (MR) in Megapascal angegeben.

Der Biegefestigkeitstest ist äußerst empfindlich gegenüber der Betonhärtung und -vorbereitung. Dieser Test sollte mit einer feuchten Probe durchgeführt werden. Infolgedessen werden bei der Beschreibung der Festigkeit von Beton normalerweise Testergebnisse der Druckfestigkeit verwendet, da sie genauer sind.

Wirksame Faktoren der Betonfestigkeit

Verhältnis von zu Zement

Ein niedrigeres Wasser-zu-Zement-Verhältnis erzeugt Beton, der fester, aber schwieriger zu verarbeiten ist. Es muss ein gutes Gleichgewicht erreicht werden, um das geeignete Festigkeitsniveau zu erreichen und gleichzeitig die Effizienz zu erhalten. Dies ist mit einem korrekten Mischplan möglich.

Optimaler Mischplan

Herkömmlicher Beton besteht aus Wasser, Zement und einer Kies-Sand-Mischung. Das richtige Verhältnis dieser Komponenten ist entscheidend für das Erreichen einer hohen Betonfestigkeit. Das Gießen von Beton mit einer Mischung mit hoher Fließfähigkeit mag einfach sein, aber das fertige Produkt ist spröde und verringert die Festigkeit des Betons.

Betonmischzeit

Die optimale Mischzeit ist entscheidend für die Festigkeit von Beton. Ab einem bestimmten Punkt steigt die Festigkeit mit der Mischzeit, aber längeres Mischen kann zu übermäßiger Wasserverdunstung und der Bildung winziger Partikel in der Mischung führen. Dadurch nehmen die Wirksamkeit und Dauerhaftigkeit von Beton ab. Es gibt keine goldene Regel für die optimale Mischzeit, da sie von einigen Variablen abhängt, einschließlich der Art des verwendeten Mischers, seiner Geschwindigkeit und der Komponenten.

Fazit:

Bei der Auswahl einer Technik zur Messung und Überwachung der Betonfestigkeit müssen Projektmanager abschätzen, wie sich jede Technik auf ihren Betriebsplan auswirkt. Während einige konkrete Testverfahren vor Ort durchgeführt werden können, müssen andere in einem Labor durchgeführt werden. Zeit ist nicht das einzige Thema, das die Entscheidungen von Projektmanagern beeinflusst. Die Präzision des Prüfverfahrens ist entscheidend, da sie direkten Einfluss auf die Qualität des Betonbauwerks hat.