Beton is een mengsel van stenen en zand waarvan alle korrels aan elkaar gelijmd zijn door cementlijm. Cementlijm is een mengsel van cement en water. Betonspecie wordt gemaakt door grind, zand, cement en water te mengen. De cementlijm zit dan goed gemengd tussen de korrels van het grind, zand en steen. Als de betonspecie verhardt, worden de korrels aan elkaar gelijmd. De cementlijm tussen de korrels verhardt tot cementlijm.
Geschiedenis
De geschiedenis van beton heeft vrijwel dezelfde oorsprong als de bouwkunst. Uit geschriften uit de tijd van de Egyptenaren, Grieken en vooral de Romeinen blijkt dat zij in staat waren om mortels te maken en toe te passen als beton.
In het begin werd vooral gebruik gemaakt van leem- en kleimortels waarbij de verharding door uitdroging plaats vond. Later werd er gebruik gemaakt van luchtmortels. Dit zijn mortels die bestaan uit zand, kalk en water die door een koolzuur reactie met de lucht verharden.
Waarschijnlijk werd per toeval ontdekt dat een met water gemaakte kalkmortel gecombineerd met vulkanisch as of gesteente ook onderwater kon verharden. Zo konden rioleringen, aquaducten en kades geheel van beton worden gemaakt.
Het Pantheon in Rome met een overspanning van 43 meter, en de water toevoerleiding van de Eifel naar Keulen zijn twee van de meest bekende bouwwerken die aantonen hoe groot de Romeinse betonbouw was.
Na de val van het Romeinse rijk breekt een periode aan waarin nauwelijks nog gebruik wordt gemaakt van betonbouw. Pas aan het einde van de 18e eeuw begint men weer met het onderzoeken en produceren van cement en beton. De ‘uitvinding’ van het Portlandcement rond 1830 zorgde voor een enorme groei in het toepassen en produceren van cement.
Cementbeton bleek vele male goedkoper dan metselwerk en in korte tijd werden havens uitgebreid, bruggen en sluizen gebouwd en veel fabrieken en werkplaatsen werden voorzien van een betonnen begane grondvloer.
Pas in de 19e eeuw is het gebruik van staal ter versterking in beton ontdekt door de Fransman Monier. Hij ontdekte dat bloemenvazen versterkt met kippengaas sterker waren dan zonder kippengaas. Daarna is het wapenen van beton wetenschappelijk onderzocht en bleek dat staal in beton vele malen meer trekkracht kon opnemen dan beton alleen kan.
Er zijn regels in de vorm van NEN normen opgesteld waarin staat omschreven waar een goed gewapende betonconstructie aan moet voldoen.
Het samenstellen van beton
Om beton van een hoge kwaliteit te krijgen is het van belang om de juiste samenstelling tussen zand, grind en cement toe te passen. Een betonspecie is van goede kwaliteit wanneer de ruimte tussen de grove korrels precies wordt opgevuld met kleinere korrels.
Een betontechnoloog bepaald welk cement en welke grondstoffen geschikt zijn en hoeveel cement, water, zand en grind benodigd is. Dit doet hij aan de hand van de sterkte klasse en de toepassing mogelijkheden die de constructeur eist.
De betontechnoloog kijkt vervolgens hoe grof of hoe fijn het grind en zand is en maakt aan de hand hiervan een berekening om te bepalen hoeveel grind er zand er moet worden afgewogen om precies alle ruimtes tussen de grove korrels te vullen.
Het mengen van beton
Wanneer dit alles gereed is kan het beton worden gemengd. Dit gebeurd in een betonmenger, ook wel beton molen genoemd. Er zijn twee soorten betonmengers : vrijevalmengers en dwangmengers.
Een vrijevalmenger bestaat uit een trommel waarin aan de binnenwand schoepen zijn gelast. Het mengen gebeurd wanneer de trommel draait. Het grind, zand, cement en water worden door deze schoepen alsmaar omgeschept.
De mengtrommel op een truck en een speciemolen op de bouwplaats zijn voorbeelden van vrijevalmengers. Een vrijevalmenger in een betoncentrale is natuurlijk veel groter, maar werkt op de zelfde manier.
Een dwangmenger bestaat uit een trommel waarin mengarmen ronddraaien. Aan het uiteinde van elke arm zit een kleine stalen plaat. De draaiende armen roeren grind, zand, cement en water zo door elkaar tot betonspecie.
In beide soorten mengers wordt eerst het zand, grind en het cement grondig gemengd. Pas daarna wordt het water toegevoegd en alles tot betonspecie gemengd.
Verharden van beton
Na het beton storten, zit in de bekisting betonspecie waarin alle ruimte tussen de korrels gevuld zijn met fijnere korrels. Bovendien zit overal tussen de korrels water en cement.
Als de betonspecie een paar uur in de bekisting zit, vormt zich buiten op de cement korreltjes een laagje cementsteen dat langzaam groeit. Cementsteen wordt gevormd uit water en cement. Daarom zegt men vaak : ‘cement bindt water’.
Overal in betonspecie zit cementlijm. Al deze cementlijm begint cementsteen te vormen, net zo lang tot het water of het cement op is. De cementsteen groeit tussen de korrels en lijmt ze aan elkaar. In de begin fase zit er veel water in het beton. Geleidelijk komt er steeds meer cementsteen tussen de korrels en wordt steeds meer water verbruikt. Dit proces gaat echter erg langzaam. Op de bouw duurt het uren voordat betonspecie begint te stijven.
Na een aantal dagen is het beton al redelijk hard en sterk, maar heeft nog lang niet de maximale sterkte en hardheid bereikt. Het verharden gaat nog maanden door en al die tijd wordt het beton sterker en dichter. Het beton wordt dichter, omdat er steeds meer cementsteen tussen de korrels wordt gevormd.
Als cement en water samen cementsteen vormen, komt er warmte vrij. Dat kan bij koud weer erg gunstig zijn. Wanner de buiten temperatuur tussen de 1 en de 10 graden ligt, gaat de binding van cement en water erg langzaam. Het is dan zeer gunstig dat er warmte ontstaat in de betonspecie. Door af te dekken met isolatie dekens blijft de warmte in de specie en gaat de verharding door. Bij strenge vorst kun je bij de betoncentrale warme betonspecie verkrijgen. Deze moet na het storten ook goed worden afgedekt met isolatie dekens.
Een hele dikke vloer of muur kan door de warmte die ontstaat bij het verharden wel eens te warm worden! Er worden dan koelbuizen in de betonspecie gelegd. Hierdoor stroomt er koud water om de specie te koelen. Dit komt echter maar weinig voor.
Sterkte
Betondruksterkte
De betondruksterkte is de mate waarin beton weerstand kan bieden tegen drukkrachten. Dit is afhankelijk van :
– Het toegepaste bindmiddel
– Het gebruikte toeslagmateriaal
– De toegepaste hoeveelheid water
– De verhardingstijd
De betondruksterkte wordt bepaald door middel van drukproeven. Hierbij maakt men een onderscheid in een kubusdruksterkte proef en een cilinderdruksterkte proef.
Met de resultaten van deze proeven wordt een representatieve waarde berekend. Dit omdat de proeven maar van korte duur zijn is de sterkte van het beton tijdens de proef groter. De meeste betonconstructies staan namelijk langdurig onder druk. Hierom wordt een representatieve waarde berekend die volgens de Nederlandse norm 85% is van de druksterkte uit de proeven.
Betonsterkteklasse
De constructeur berekend hoeveel belasting er op een beton constructie wordt uitgeoefend. Aan de hand van deze berekeningen schrijft de constructeur voor hoeveel druk het beton moet kunnen opnemen. Omdat het niet handig is als de constructeur per element moet aangeven hoeveel gewicht deze zou moeten kunnen opnemen zijn er in de bouw sterkteklasse bepaald.
De sterkteklasse wordt aangeduid met de letter C. Dit staat voor het Engelse woord concrete. Het getal dat volgt geeft de minimale karakteristieke cilinderdruksterkte weer, gevolgd met een schuine streep en de waarde van de karakteristieke kubusdruksterkte.
Voor elke sterkteklasse is bepaald hoe sterk het beton minimaal moet worden. Dit wordt ook uitvoerig getest.
Kubusdruksterkte
De kubusdruksterkte is een eenheid voor de druksterkte van beton. Deze wordt gemeten door een kubus van een formaat van 150x150mm onder een drukbank te testen. Van een partij beton worden een bepaald aantal kubussen getest. Door het gemiddelde te meten van de testen kan worden beoordeeld of een partij beton voldoet aan de sterkte eisen.
Om de druksterkte te kunnen meten wordt een ijzeren of kunststof mal gevuld met betonspecie. Deze mal heeft een afmeting van 150x150x150mm en wordt tijdens het vullen geplaatst op een triltafel. Dit om te zorgen dat het beton verdicht. Na 1 dag wordt de kubus uit de mal gehaald en 4 weken in een bak met water geplaatst. Dit om te vorkomen dat water uit het beton kan condenseren en het beton zo in de meest ideale omstandigheden kan uitharden.
Na 4 weken wordt de kubus in een drukbank geplaatst. De drukbank meet de kubusdruksterkte. Een drukbank is een zware pers die een steeds hogere drukkracht uitoefent op de kubus. Op het moment dat de kubus bezwijkt kan de druksterkte worden afgelezen.
Cilinderdruksterkte
Cilindervormige proefstukken zullen waarden geven die circa 15% lager uitkomen dan bij een kubusdruksterkte test. Deze resultaten zullen daarom ook dichter bij de werkelijkheid liggen, dit is wel afhankelijk van de afmetingen van de proefstukken. Cilinders worden vooral gebruikt voor het bepalen van de sterkte van bestaande betonconstructies. Na het boren worden deze bewerkt en getest op een drukbank tot deze bezwijkt.
Karakteristieke waarde
De karakteristieke waarde van de druksterkte is de sterkte waarbij niet meer als 5% van het beton niet voldoet. Met andere woorden minimaal 95% van het beton moet voldoen aan de eis voor de druksterkte.
Omdat een bepaald veiligheidsniveau moet worden behaald wordt er gerekend met rekenwaardes voor betonsterkte. Hierbij wordt de representatieve waarde gedeeld door een materiaalfactor. Deze factor is volgens de Nederlandse norm : G betondruksterkte = 1,2
fd = fb / 1.2
Beton treksterkte
De weerstand die beton kan bieden tegen trekkrachten wordt ook wel beton treksterkte genoemd. Omdat beton een korrelige structuur heeft is het niet goed bestand tegen trekkracht. De korrels bestaan doorgaans uit grind en zand en worden bijeengehouden door cement dat functioneert als ‘lijm’ om de samenstelling bij elkaar te houden. De lijmsterkte van het cement bepaalt dus in feite de trekkracht van het beton.
Daarom mag er maar in een aantal uitzonderlijke gevallen gerekend worden met treksterkte van beton :
– Zeer kortdurende belastingen
– Stootbelastingen, explosiebelastingen
– betonconstructies die na het ontstaan van scheuren niet kunnen bezwijken en waarvan de buig-trekspanning klein blijft, bijvoorbeeld:
– Poer-constructies
– Wandconstructies
– Plaatconstructies
Wanneer bijvoorbeeld een balk op twee steunpunten rust en wordt belast zal door de optredende belasting de balk in het midden doorbuigen. Daardoor treden aan de onderkant van de balk trekkrachten op. Bij een te grote trekkracht zullen er scheuren ontstaan in de betonbalk.
Omdat staal goed trekkrachten kan opnemen, worden op de plaatsten waar trekkrachten optreden stalen staven in het beton opgenomen. Dit wordt ook wel wapening genoemd. Deze staven zullen de trekkracht opnemen en geleidelijk verdelen over het oppervalk of overdragen op een steunpunt.
In onderstaand figuur zijn beide situaties schematisch uitgebeeld. In figuur 1 is te zien dat een balk zonder wapening zal doorbuigen wanneer er in het midden van de balk belasting optreed. In figuur 2 is wapening aangebracht en zal de trekspanning worden opgenomen door het staal en zal er weinig tot geen doorbuiging ontstaan.
Beide figuren zijn in een iets wat extreme situaties getekend. Dit om het verhaal zo duidelijk mogelijk te maken.
Over de verschillende soorten en toepassingen van wapening zal ik later in dit verslag nog dieper op in gaan.
Mileu
Goed beton is altijd duurzaam, maar het maakt natuurlijk altijd uit waar het beton wordt geplaatst. Wanden en vloeren van woningen staan altijd binnen, maar een stormvloedkering staat altijd in het water. Het beton van de stormvloedkering moet daarom veel meer kunnen hebben dan het beton in een woning.
Er valt van te voren al een inschatting te maken hoeveel en wat het beton moet kunnen verdragen, als je weet waar het beton komt te staan. Beton van een fundering staat vaak in het grondwater en het beton moet daar tegen bestand zijn. Beton van een weg moet nog meer kunnen verdragen. Hier komt olie en vuil op en in de winterperiode wordt er dooizout op gestrooid. En beton in een rioolbuis of mestsilo moet weer bestand zijn tegen diverse schadelijke stoffen. Deze stoffen noemen we in dit geval schadelijk omdat ze het beton en de wapening kunnen aantasten.
De constructeur kan op tekening aangeven welke toepassing het beton krijgt. Maar ook hiervoor zijn klassen afgesproken. Deze klassen zijn bepaald volgens de Europese norm ook wel eurocodes genoemd.
De Mileuklassen zijn onderverdeeld door de letter X gevolgd door :
– het cijfer ‘0’ voor geen aantasting
– de letter C voor aantasting door carbonatatie, ookwel reageren met koolstofdioxide genoemd.
– de letter D (deicing) voor aantasting door zouten met uitzondering van Zeewater.
– de letter S (seawater) voor aantasting door zeewater.
– de letter F (frost) voor aantasting door vorst.
– de letter A voor chemische aantasting.
– de letter M voor mechanische aantasting.
Tot slot wordt er een nog klasse toegevoegd. Dit wordt gedaan met de cijfers 1 tot en met 4. Voor elke klasse geldt een andere samenstelling van het beton. Ook is de mileuklassen bepalend voor de hoeveelheid dekking die wordt aangebracht. Dit is de diepte waarop de wapening in het beton wordt geplaatst.
Ook wordt er per mileuklasse eisen gesteld aan de maximaal optredende scheurwijdte van het beton.
Betonberekeningen
Constructief ontwerpen betekent niet alleen het vormgeven van betonconstructies. Er moet namelijk met berekeningen kunnen worden aangetoond dat constructies voldoen aan voorgeschreven eisen van veiligheid, bruikbaarheid en duurzaamheid.
Aller eerst wordt de krachtsverdeling in de constructie bepaald door middel van het schematiseren van de constructie in een rekenmodel. In dit rekenmodel wordt de krachtsverdeling bepaald. Denk hierbij bijvoorbeeld aan oplegreacties, dwarskrachten, normaalkrachten en momenten.
Wanneer deze gegevens bekend zijn wordt de afmeting van de constructie berekend en de daarbij behorende wapening. Uit de berekening moet blijken dat de uit de krachtsverdeling volgende krachten door de constructie kunnen worden opgenomen. Deze mag dus niet bezwijken of meer vervormen dan is toegestaan.
Zoals eerder al vermeld moet een betonconstructie voldoen aan bepaalde eisen. Deze eisen gelden voor zowel constructeurs, tekenaars als de uitvoerende partij, en zijn vastgelegd in het bouwbesluit, NEN normen en Eurocodes. Ook kunnen opdrachtgevers in een bestek extra voorschriften en eisen opgeven.
Voor het maken van berekeningen gelden de volgende Nederlandse NEN normen :
– NEN 6702 TGB 1990
– NEN 6720 VBC 1995
– NEN 5950 VBT 1995
– NEN 6722 VBU 2000
– NEN 6008 (betonstaal)
– NEN 6723 VBB (betonnen bruggen)
– NEN 6071 (brandwerendheid betonconstructies)
Bij de ingang van het nieuwe bouwbesluit in 2012 zijn een aantal Nederlandse NEN normen vervangen voor Eurocodes afspraken. Deze stap is gezet om een uniforme regelgeving te creëren in Europa en zo Europese samenwerkingen in de bouwwereld te versoepelen.
In de Eurocodes normen is er vastgelegd dat de wijze waarop berekeningen worden gemaakt uniform is binnen heel europa. Wel is er voor landen de mogelijkheid een aanvulling te geven op deze normen. Er zal bijvoorbeeld voor windbelasting in de kuststreek van Nederland met een hogere norm moeten worden gerekend dan in het Binnenland van Oostenrijk. Andersom gezien zal de norm voor sneeuw belasting in Oostenrijk veel hoger liggen dan hier in Nederland.
In NEN 6700 zijn de veiligheidseisen opgedeeld in drie veiligheidsklasse, klasse 1,2 en 3.
Veiligheidsklasse 1 : voor bijgebouwen, tuinhuizen en lichte constructies om huizen.
Veiligheidsklasse 2 : Voor rijtjes-, eengezins-, vrijstaande woningen en twee-onder-een kap woningen
Veiligheidsklasse 3 : voor utiliteitsgebouwen zoals appartementen complexen, ziekenhuizen, scholen en stations.
Wapening
Lucht zuiverend beton
Lucht zuiverend beton is een mengsel van beton of baksteen met het materiaal titaniumdioxide. Het luchtzuiverende materiaal beoogt op deze manier schadelijke stikstofdioxide om te zetten in onschadelijke nitraat.
De stikstof in de lucht wordt met titaniumdioxide en de bestraling uv licht omgezet in nitraat. De reactie die plaats vind wordt het Honda-Fujishima effect genoemd.
In 1967 ontdekte Kenichi Honda en Akira Fujishima, als hoogleraren van de universiteit van Tokyo dat stikstof dat in aanraking komt met titaniumdioxide en bestraald door uv straling reageert en wordt gesplitst in waterstof en zuurstof.
Het gevormde nitraat kan vervolgens door een regenbui worden weggespoeld in het riool of het grondwater. Een teveel aan nitraat in het grondwater kan ook schadelijke gevolgen hebben voor het milieu.
Ook in Nederland zijn er de afgelopen jaren verschillende proeven gedaan met het gebruik van luchtzuiverend beton. Zo is er bij de Koningstunnel in Den Haag in de laatste 200 meter luchtzuiverend beton toegepast om het stikstofdioxide gehalte in de tunnel te verminderen. Dit beton is uitvoering getest en samengesteld door middel van laboratorium testen. Zelfs is er gekozen om een dunne laag titanium verf aan te brengen wat voor een nog betere ‘zuivering’ zou moeten zorgen. Na de uitvoering heeft er een jaarlang onafhankelijk onderzoek plaats gevonden. Uiteindelijk is er geconcludeerd dat het effect op afname van de hoeveelheid stikstofdioxide extreem klein was en eigenlijk verwaarloosbaar.
Betonkrimp
Beton rot
here…