Spørg Fagfolket: Hvordan laver man den stærkeste beton?
Vores læser Thomas Pallesen har spurgt:
Efter skandalen ved Njals Tårn vil jeg gerne vide mere om beton.
Derfor: Hvad er opskriften på den stærkest mulige betonterning på 10 x 10 x 10 cm, som kan laves i laboratoriet af portlandcement, tilslag (sand og sten) og vand?
Uddybning: Jeg er klar over, at der i byggeindustrien er en masse praktiske og økonomiske forhold, som betyder, at man i praksis blander beton på en anden måde. Men et svar på ovenstående kunne godt give en forståelse af, hvorfor det fx er et problem at bruge knust beton som tilslag.
Jeg er ikke blot interesseret i selve blandingsforholdet, men også i sammensætningen af tilslaget: Hvad betyder forskellige stenarter, rundkornet eller skarpkantet, og ikke mindst: Kan man lave stærkere beton, hvis man sammensætter tilslaget af materialer i flere forskellige størrelser, end man ofte gør i dag, hvor man blot har sand med kornkurve 0-2 mm og sten i samme ensartede størrelse (ærte-, nødde- e.l.)?
Det fiffige svar er måske 0 % cement, 0 % sand, 0 % vand og 100 % sten, forstået som en tilslebet granitterning, men det tæller ikke.
Læs også: Spørg Fagfolket: Øger udvidelsen af Vejlefjordbroen risikoen for sammenstyrtning?
Ole Mejlhede Jensen og Marianne Tange Hasholt, professor og lektor på DTU, Institut for Byggeri og Anlæg, svarer:
Det, vi normalt kalder beton, består i sin oprindelige form af sten og sand (tilsammen 'tilslag'), der er limet sammen af en blanding af Portlandcement ('cement') og vand.
Egenskaberne af cement, sten og sand og blandingsforholdet mellem komponenterne kan variere(s) ganske meget, og ikke mindst anvendelse af moderne kemiske og mineralske tilsætningsstoffer – ud over de nævnte grundkomponenter – muliggør, at vi kan designe betoner med ekstremt forskellige egenskaber.
Ofte vil de krav, der stilles til en beton, vedrøre egenskaber i frisk tilstand, mekaniske egenskaber og holdbarhed (henholdsvis f.eks. udstøbningsegenskaber, styrke og frostbestandighed).
For en stærk beton gælder, at vægtforholdet mellem vand og cement skal være lavt, og der skal anvendes stærkt tilslag, der pakker godt, og som udgør en stor volumenandel af betonen.
Udfordringen er, at når vand/cement-forholdet sænkes, og andelen af tilslag øges, bliver betonen sværere at blande ensartet, og det fører til en svækkelse af betonen.
Læs også: Spørg Fagfolket: Hvad bliver indregnet i energiforbruget fra bygninger?
Havet giver en hånd
Baseret på Portlandcement, vand og omhyggeligt udvalgt, men naturligt forekommende, sand- og stentyper vil man kunne opnå en middeltrykstyrke på op mod 100 MPa. Volumenandelen af tilslag vil så udgøre ca. 3/4, og vand/cement-vægtforholdet vil være ca. 0.35, dvs. i 1 m3 beton ca. 2000 kg tilslag, 370 kg cement og 130 kg vand.
Ved en spænding på 100 MPa er en 10·10 cm2 flade belastet med 100 ton - det svarer til 20 store elefanter oven på hinanden, hvor den nederste står på ét ben.
Høje styrker kan opnås med rundkornet tilslag fra havet (revflintesten er eminent), og når man optimerer tilslagets størrelsesfordeling ved at sammensætte flere fraktioner af sand og sten. Havets mangeårige bearbejdning 'fjerner' svage partikler og afrunder de stærke, der dermed forbedrer betonens blandbarhed.
Porøse kalksten kan have meget lave styrker og kan være udfordrende med hensyn til frostbestandighed og betonens vandbalance under blanding. Hos færdigbetonproducenterne anvendes i betoner sædvanligvis 3-4 fraktioner af tilslag, og det vil sikre en pakning og blandbarhed, der er tæt på det optimale.
Hvis vi i betonblandingen supplerer med kemiske og mineralske tilsætningsstoffer (superplastificeringsstof og mikrosilica), og vi benytter kunstigt fremstillet tilslag og fibre, kan vi til praktisk brug lave 'ultra højstyrke'-betoner med en trykstyrke på 200 MPa. Det er betoner, der også har fundet anvendelse til indbrudssikring i højtklassificerede bankbokse og af militæret til granatskjolde.
I laboratoriet er der med store anstrengelser, helt særlige teknikker og materialer, som næppe bliver relevante til praktisk brug, sat verdensrekorder i området 500-800 MPa.
Læs også: Spørg Scientariet: Hvor får armeret beton sin styrke fra?
Mere genanvendelse i fremtiden
Men trykstyrke er faktisk i mange tilfælde ikke betonens akilleshæl. Udfordringen kan i stedet være trækstyrke, elasticitetsmodul, udstøbningsegenskaber, varmeudvikling under hærdning, revnetendens, og krav til holdbarhed. Styrke og holdbarhed hænger i høj grad sammen, og hvis en beton skal kunne modstå et aggressivt, marint miljø i f.eks. 120 år (Øresundsbroen), vil betonen normalt også have en høj styrke; krav om en tæt beton, hvor chloridindtrængning er hæmmet, kan opfyldes med et lavt vand/cement-forhold, og dermed får betonen automatisk en høj styrke.
Tiltagende ressourceknaphed og miljømæssige krav vil sikkert i fremtiden føre til, at beton skal genanvendes på en mere cirkulær måde, dvs. i nye betonkonstruktioner. I dag anvendes nedknust beton i stort omfang som f.eks. bærelag i vejbygning, hvor det er et attraktivt materiale, der kan erstatte naturligt forekommende grus.
Egentlig cirkulær genanvendelse som komponent i ny beton, er endnu ikke så udbredt. Når betonen knuses, fås forskellige størrelsesfraktioner. Det er især den fine, nedknuste fraktion, der er svær at genanvende, fordi den udgøres af svage, porøse, skarpkantede partikler. Den er stærkt vandsugende, og det gør det vanskeligt at styre betonens vandbalance præcist, der som nævnt kan påvirke både styrke og holdbarhed.
Den største udfordring er dog sporbarheden. Det kan være ukendt, hvad den eksisterende beton består af. Betonen kan indeholde skadelige stoffer, som man ikke ønsker at indbygge i et nybyggeri. Desuden er det ikke alle typer tilslag, der egner sig til konstruktioner i udendørs miljø. Hvis tilslagsmaterialerne indeholder reaktiv kisel, kan der opstå såkaldte alkali-kisel-reaktioner, der over tid får betonen til at revne.
Læs også: Spørg Scientariet: Kan man støbe betontrapper i frostvejr?
Et unikt materiale
I Danmark har vi oplevet en del problemer med netop denne skadesmekanisme, fordi der op til midten af 1980'erne ikke var tilstrækkeligt skrappe krav til tilslagsmaterialer. Hvis man ikke kender oprindelsen af de tilslagsmaterialer, der er i den eksisterende beton, og dermed ikke kan frikende dem for at udgøre en holdbarhedsrisiko, begrænser det, hvad den nedknuste beton kan bruges til.
Men i et større genanvendelsesperspektiv er beton et unikt materiale. Beton- og cementindustrien har gennem et halvt århundrede formået ligefrem at nyttiggøre enorme mængder af problematisk affald: Flyveaske, højovnsslagge, mikrosilica, bildæk, kisaske, papirslam og meget andet. Beton er grundlæggende et produktionsmæssigt særdeles robust materiale; man skal bære sig meget klodset ad, for at det for alvor går galt.
En årsag til at vi anser genanvendelse af beton for udfordrende er, at vi har skabt høje forventninger. På baggrund af omfattende forskning ved vi, hvordan vi med de rigtige råmaterialer kan lave superbeton, der var komplet utænkelig for 40 år siden, og så er det svært at lade sig nøje med mindre.
Der findes utrolig meget information om beton, som den interesserede læser kan dykke ned i. Til uddybning af ovenstående kan det anbefales f.eks. at læse mere i betonhaandbogen.dk, der er et frit tilgængeligt opslagsværk.
