Spørg Fagfolket: Hvordan laver man den stærkeste beton?

Illustration: ToeyFatboy / Bigstock

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.

Spørg fagfolket

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Fra artiklen : """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.""

Det er da vist en modig påstand. Romerne var istand til at lave betonkonstruktioner der står den dag i dag.

Pantheon har verdens største uarmerede betonkuppel, med en diameter på 43 meter. Enhver der har stået under den bliver slået af forundring. Den er over 2000 år gammel

https://da.wikipedia.org/wiki/Romersk_beton

  • 2
  • 8

Tror ikke at han skriver at de gamle betonkontruktioner var dårlige, men bare at man idag kan lave beton der endnu bedre. Hvem ved hvad romerne kunne have udrettet hvis de havde haft 2021 beton at bygge med?

  • 11
  • 0

ovre på byggelaboratoriet på DTU.

Min far eksperimenterede også med beton og pozzalaner til hans mosaik billeder.

Hvor stærke han kunne lave dem, fik vi set af en mosaik på 180x 100x 3 cm af et ansigt ,med en næse af en udragende sten der er ca 35 cm lang. Den væltede "på næsen" i en storm uden at betonen revnede eller næsen fald af. Den findes endnu hos min stedmoder i Rødovre. Hvor også hans bedste og største mosaik danner Ydervæg til hans tegnestue.

Min morfar hed iøvrigt Ansgar Okkels .

  • 0
  • 0

Det er da vist en modig påstand. Romerne var istand til at lave betonkonstruktioner der står den dag i dag.

Pantheon har verdens største uarmerede betonkuppel, med en diameter på 43 meter. Enhver der har stået under den bliver slået af forundring. Den er over 2000 år gammel

Den kunne jo nok også dimensioneres en hel del spinklere i dag med stærkere beton. Gamle konstruktioner som katedraler, broer og borge er meget overdimensionerede efter nutidens normer - fordi de ikke havde så stærke byggematerialer som i dag.

Jeg tør ikke gætte på, hvordan det ville have set ud, hvis romerne med deres puzzolan skulle have opført Storebæltsbroens pyloner.

  • 8
  • 0

Tjah - jeg er ikke betonekspert, men det forekommer mig at man var særdeles dygtig til at lave stærk beton i begyndelsen af fyrrerne.

Næh, det passer ikke.

Betonen i Atlandvolden var ret almindelig beton. Det er undersøgt, bla. andet af Teknologisk Institut, og beskrevet flere gange. Betonarbejdet var disciplineret udført (af danskere), men betonen var ikke noget særligt. Der er bare meget af den. Og nej, der blev heller ikke hældt sukker i betonen - det er også en myte (det ville i øvrigt heller ikke have gjort en større forskel, bare udskudt den endelig hærdning en uge eller to).

Med to-tre-fire meter tykke vægge er der ikke brug for stor betonstyrke for at lave en holdbar konstruktion. Og kigger man nærmere på bunkerne i dag, er de smækfyldt med betonskader. Det er kun det store volumen, der holder dem sammen.

I øvrigt var bunkernes beton stort set uarmeret. Kun i overfladen var der armering - ikke for at give trækstyrke, men for at forhindre betonstykker i at flyve rundt ved en træffer.

Betonen fra første verdenskrig i Verdun og omegn er heller ikke noget specielt, men når betontykkelsen som i loftet af Fort Douamont er fire meter, dækket af nogle meter jord, så holder det til en del. Også beskydning af de tyske 42 cm howitzere.

  • 10
  • 0

...før krigen!

Her i Allerød har vi en vej (Amtsvej) underførsel under jernbanen opført i 1933 og en udvidelse til det dobbelt i 2006. man skal meget meget tæt på, for at se hvilken af de to,der er den ældste. Den fra 2006 er den nordligste. Hvis man vi se dem på Google.

  • 0
  • 1

Men ud fra diskussionen kan man vel lære at de problemer der måtte være med moderne beton, simpelthen er at man sparer på mængden og laver det for spinkelt.

Næ, det kan man ikke. Atter en fejl.

Og da der ikke er generelle problemer med moderne beton, så det er noget bavl at skrive. Hvilke problemer mener du egentlig, at der er? Måske du kan tage dig sammen til at uddybe. Hvis ikke, er det jo bare mundsvejr fra din side.

At nogle direkte snyder mod bedre vidende er jo ikke et betonproblem, men en småkriminel handling.

Og i øvrigt er det ret dyrt - og helt unødvendigt - hvis man overdimensionerer sine konstruktioner i stort omfang.

De tyske bunkere holder i øvrigt ganske dårligt, de omfattende mængder beton taget i betragtning. Masser af andre betonkonstruktioner tilbage fra første verdenskrig er i væsentligt bedre stand.

  • 7
  • 3

Mange tak for det grundige svar!

og også tak for henvisningen til betonhaandbogen.dk, hvor jeg fandt svar på en detalje, jeg også havde tænkt over:

"Den optimale sammensatte kornkurve er en blanding af forskellige kornstørrelser fra de mindste sandkorn til de største sten, således at mindre partikler kan pakke sig i hulrummene mellem de større. Jo bedre materialet kan pakke sig, jo mindre cementpasta (lim) skal der anvendes, og jo billigere bliver derfor betonen." "Med danske, naturlige materialer vil blandinger med ca. 700 kg sand og ca. 1100 kg sten (fordelt nogenlunde ligeligt på små og store sten) ofte give en god pakning."

  • 5
  • 0

Den optimale sammensatte kornkurve

Jep, det handler i princippet om at "samle" sig en massiv "klods" af mindre og større tilslag, hvor det er tilslaget (sand, grus og sten), der overfører trykkræfter direkte til hinanden. Så limer man det hele sammen med cementpasta for at holde tilslaget på plads og udfylde hulrummene, selv om der altid vil være porer i betonen. Faktisk foretager man aktiv luftindblanding (over 5 procent) for at opnå frostbestandighed.

Et andet aspekt af kornkurven er, at betonblandingen som proces bliver vigtig for at sikre en optimal fordeling af tilslag i den flydende beton.

Efterfølgende skal udstøbningen også foregå korrekt - jævnfør "stenreder", hvor der mangler cementpasta og finere tilslag mellem stenene, eller såvel for lidt som for meget vibrering af sætmålsbeton. I dag har selvkompakterende beton (flydebeton), der på grund af additiver ikke skal vibreres), dog minimeret behovet for vibrering.

  • 3
  • 0

Jeg kunne dog have ønsket, at artiklen - ud over trykbelastning - også have beskrevet bare to simple jernbetonkronstruktioner til illustration:

  1. en søjle, som jo belastes ved tryk og ved bøjning
  2. en "simpel bro" med en bue (trykbelastning) og en vandret drager (som hænger i kabler fra buen) der optager trækket (vandret) fra buen.

Det er naturligvis en god opgave for studerende, men kunne bruges til til belysning af betydningen af beton-styren. Og ja, det kan jeg læse andre steder, men det ville underbygge betydningen af den forklarede styrke i beton-blandingen.

  • 0
  • 0

Spændende og lærerig artikel, som ligger langt fra mit fagområde.

Mht. at genanvende betonen i ny beton.. Kan man ikke vaske de fineste partikler ud af den nedknuste beton, og bruge dette til noget andet fornuftigt?

  • 1
  • 0

"Jep, det handler i princippet om at "samle" sig en massiv "klods" af mindre og større tilslag, hvor det er tilslaget (sand, grus og sten), der overfører trykkræfter direkte til hinanden".

Er det tilslaget, der nødvendigvis skal overføre trykkræfterne, eller har den stivnede cementpasta (i et korrekt v/c-forholdd og cementkvalitet) en tilstrækkelig styrke i sig selv?

En entreprenør sagde forleden til mig, at formålet med tilslaget primært er at holde prisen nede ved at spare på den dyre cement + gøre betonen håndterlig. Udfra den logik burde det ikke være et styrkemæssigt problem at bruge tilslag, der ikke "pakker" - blot et økonomisk.

  • 0
  • 1

Er det tilslaget, der nødvendigvis skal overføre trykkræfterne, eller har den stivnede cementpasta (i et korrekt v/c-forholdd og cementkvalitet) en tilstrækkelig styrke i sig selv

Tilslag, som anvendes i Danmark, har højere styrke end cementpasta, så der er ikke bare tale om fyld.

Som der står i Teknisk Rapport 146/86 fra DTU: "Alt andet lige vil en beton, som fremstilles af et kemisk og fysisk stabilt, tæt og stærkt, velgraderet tilslag og med et lavt vægtforhold mellem vand og cement, og som er fugtigt lagret i de første uger efter udstøbningen ved temperaturer mellem 20 C og 30 C, være mange gange stærkere og stivere, og desuden væsentligt mere vejrbestandig end beton, der fremstilles med kemisk eller fysisk ustabilt, porøst, svagt og dårligt graderet tilslag, højt vand-cement forhold, og som lagres tørt under ukontrollerede forhold."

Hvis man trykprøver et emne af en veludført beton og et emne af ren cementpasta, har betonemnet en væsentlig større trykstyrke.

  • 2
  • 1

En entreprenør sagde forleden til mig, at formålet med tilslaget primært er at holde prisen nede ved at spare på den dyre cement + gøre betonen håndterlig.

Det er slet og ret noget vås.

Generelt set er beton et sammenlimet partikulat og det er partikulatet der laver arbejdet, limen sørger bare for at det bliver hvor det skal være

Det er korrekt at man i grænsetilfældet godt kan opfatte cementen som det fineste partikulat, men som nævnt ovenfor er cement ikke nær så stærkt som gode sten.

Den mest kendte beton uden cement er "epoxybeton", det bruges rigtig meget til præcisionsmaskiner, fordi det kan designes til at have lille termisk expansion og høj indre dæmpning af vibrationer.

Hvis man vil forstå den fulde rækkevidde af beton, kan jeg varmt anbefale at man checker ASCE's "Concrete Canoe Competition"

(Og hvorfor har vi ikke den konkurrence her i landet ?!)

  • 5
  • 1

Mht. at genanvende betonen i ny beton.. Kan man ikke vaske de fineste partikler ud af den nedknuste beton, og bruge dette til noget andet fornuftigt?

Det er sikkert ikke umuligt, men i praksis er der nogle udfordringer. Tråden her handler om at lave den stærkeste beton, og det kræver omfattende dokumentation af tilslaget og dets egenskaber.

Nedknust beton kommer sandsynligvis fra flere nedrevne bygninger eller konstruktioner, hvor man ikke har styr på, hvad den oprindelige beton indeholder. Et skrækseksempel kunne være en bro fra 1970'erne, hvor betonen kan indeholde porøs flint, som man i dag under ingen omstændigheder ønsker brugt i ny beton.

Naturligvis kan man analysere sig til viden om den nedknuste beton - men man kan også vælge at anvende den som et fremragende alternativ til stabilgrus ved vejbygning (og derved spare på jomfruelige materialer) og til beton i laveste eksponeringsklasse.

  • 3
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten