A beton rugalmassági modulusa alapvető mechanikai tulajdonság, amely segít jellemezni a beton merevségét és alakváltozását feszültség alatt. A beton rugalmassági modulusa a cement és az adalékanyagok kombinációjának azon képességét jelenti, hogy ellenálljon az építés során rájuk háruló nehéz terheléseknek. Ennek a létfontosságú betonparaméternek a megértése kulcsfontosságú a mérnökök és tervezők számára a betonszerkezetek pontos előrejelzéséhez és elemzéséhez, valamint biztonságuk és hosszú élettartamuk biztosításához. Ez létfontosságú tényező az építés és a tervezés optimalizálása szempontjából.
Mi a beton rugalmassági modulusa?
A beton rugalmassági modulusa az anyag feszültségtűrő képességének mértéke. Valójában ez a beton két fő összetevőjének kombinációja: a cementpaszta és az adalékanyagok. A cementpaszta a beton kötőanyaga, míg az adalékanyagok ömlesztettséget és stabilitást biztosítanak. A cementpaszta rugalmassági modulusa alacsonyabb, mint az adalékanyagok, amelyek terhelés alatt jobban állnak. A különböző betonkeverékek különböző mennyiségben tartalmazzák ezeket az összetevőket, így a különböző betontípusok eltérő rugalmassági modulust mutatnak.
Minden típusú beton megfelelő rugalmassági modulusára vonatkozó irányelveket tesztelés, empirikus adatok és kutatások határozzák meg. Ezeket a legjobb betontípus-használatra vonatkozó irányelveket az egyes országok elismert szervezetei és a szerkezeti tervezés területén működő testületek által meghatározott tervezési kódok, szabványok és előírások határozzák meg.
Beton rugalmassági modulusának mérése
Mérnökök és kutatók konkrét anyagokat tesztelnek, hogy megértsék stresszreakciójukat. Számítások és tesztek széles skáláját végzik el a beton dinamikus és statikus rugalmassági reakcióinak meghatározására, mindkettőre szükség van konkrét építési alkalmazásokhoz.
A dinamikus rugalmassági modulus a beton azon képességét vizsgálja, hogy ellenáll-e a dinamikus vagy ciklikus igénybevételnek, más szóval olyan feltételeknek, amelyek változó terhelésekkel vagy rezgésekkel változnak. Mérik a statikus rugalmassági modulust is, ahol a beton állandó nyomásnak van kitéve. Néhány ilyen teszt a következőket tartalmazza:
Statikus kompressziós teszt – Ez a teszt egy hengeres vagy köbös betonmintára axiális nyomóterhelést tartalmaz. A terhelési és alakváltozási mérésekből feszültség- és alakváltozási görbék jönnek létre. Ultrahangos impulzussebesség (UPV) teszt – Ez a teszt a betonon áthaladó ultrahang impulzusok sebességét méri. A mérnökök az impulzussebesség és a beton sűrűsége közötti összefüggés alapján becsülik meg a rugalmassági modulust. Rezonancia-frekvencia teszt – Ehhez a teszthez a kutatók egy betonmintát mechanikai rezgéssel gerjesztenek, majd megmérik a keletkező természetes rezgéseket. A mérnökök a rezgések, valamint a beton tömege és sűrűsége alapján határozzák meg a rugalmassági modulust. Dinamikus kompressziós teszt – Ez a teszt dinamikus vagy ciklikus feszültségnek veti alá a betonmintákat, és méri az ebből eredő feszültség- és alakváltozási reakciókat. Roncsolásmentes vizsgálati (NDT) módszerek – Ez egy sor olyan teszt, amelyet a mérnökök a meglévő szerkezeteken végeznek el anélkül, hogy megsemmisítenék azokat. Ezek közé tartozik az ütési visszhang, az impulzusválasz és a stresszhullám-diszperzió.
Rugalmassági modulusok tartományai betontípusokhoz
A különböző típusú betonok rugalmassági modulusa eltérő. Íme az általános betontípusok hozzávetőleges tartományai. A szakértők a rugalmassági modulust gigapascalban (GPa) vagy kilofond per négyzethüvelykben (ksi) mérik.
Normál tömegű beton – A normál tömegű beton az építők által használt leggyakoribb betonfajta. Tipikus rugalmassági modulusa 28 GPa (4000 ksi) és 41 GPa (6000 ksi) között van. Könnyű beton – A könnyűbeton könnyű adalékanyagok keverékét tartalmazza, amelyek csökkentik a beton tömegét és sűrűségét. Alacsonyabb rugalmassági modulusa van, mint a normál betonnak, 14 GPa (2000 ksi) és 28 GPa (4000 ksi) között. Nagy szilárdságú beton – A nagy szilárdságú betonnak magasabb a nyomószilárdsága és nagyobb a rugalmassági modulusa, 34 GPa (5000 ksi) és 48 GPa (7000 ksi) között. Szálerősítésű beton – A szálerősítésű beton acél- vagy üvegszálakat tartalmaz a megerősítés érdekében. Rugalmassági modulusa hasonló a normál betonhoz, 28 GPa (4000 ksi) és 41 GPa (6000 ksi) között. Feszített beton – Az előfeszített beton feszített acélrudakat tartalmaz, amelyek erősítik a feszültségállóságát. Az egyik legnagyobb rugalmassági modulussal rendelkezik, 41 GPa (6000 ksi) és 55 GPa (8000 ksi) között.
A beton rugalmassági modulusát befolyásoló tényezők
A rugalmassági modulus számos kulcstényezőtől függően változhat, beleértve a beton előállítását, feldolgozását és korát.
Betonkeverék tervezése
Az adalékanyagok, a cementpaszta és a víz aránya hozzájárul a rugalmassági modulushoz. A cementpasztának alacsonyabb a rugalmassági modulusa, mint a nagy rugalmassági modulusú adalékoknak. Ezen összetevők kombinációja valahol a két elem között van egy rugalmassági modulus. Annak ellenére, hogy az adalékanyagok nagyobb rugalmassági modulussal rendelkeznek, és javítják a beton egészének rugalmassági modulusát, feszültségkoncentrációkat is bevezethetnek, amelyek csökkentik a nyomószilárdságot. Ezért a keverék kialakítását tesztelni kell, hogy ellenőrizni lehessen ezeket a tényezőket.
A beton kora
A beton kora összetett hatással van a rugalmassági modulusára. Rövid távon a beton rugalmassági modulusa növekszik, ahogy megkeményedik és erősödik. Ennek az az oka, hogy a beton hidratációs folyamata még mindig zajlik, és a beton idővel megkeményedését eredményezi. A cementkötésű anyagokban más kémiai reakciók is fejlesztik a szilárdságot és növelik a rugalmassági modulust.
A beton hosszú távú öregedése azonban kúszást és zsugorodást is okozhat. Ez a beton deformációja az idő múlásával állandó nyomás következtében. Ezek a rugalmassági modulus csökkenését eredményezik, mivel feszültséget indukálnak és csökkentik a beton merevségét.
Kikeményedési feltételek
A kikeményedés körülményei vagy a beton száradási feltételei befolyásolhatják az anyag általános rugalmassági modulusát. A megfelelő kikeményedési feltételek megfelelő hőmérsékletet és páratartalmat igényelnek. Ezek létfontosságúak a beton optimális rugalmassági modulusának biztosításához.
Összesített tulajdonságok
A gyártók által a betonkeverékekben használt adalékanyagok tulajdonságai befolyásolják a beton összetett rugalmassági modulusát. Az aggregátumoknál a legjelentősebb tulajdonságok közül néhány az anyag mérete, alakja, típusa és merevsége. Általában a nagyobb merevségű aggregátumok növelik a rugalmassági modulus értékeket.
Víz-cement arány
A víz-cement arány befolyásolja a hidratációs folyamatot és a beton ebből eredő porozitását és szilárdságát. Általában az alacsonyabb víz-cement arány nagyobb betonszilárdságot és nagyobb rugalmassági modulust eredményez.
Beton sűrűsége
A betonsűrűség a beton térfogategységenkénti tömege. A betonkeverék, beleértve az adalékanyagot és a cement típusát, az adalékanyagokat, a levegőtartalmat és a vízarányt, mind befolyásolja a beton sűrűségét. Általában a nagyobb sűrűségű betontípusok rugalmassági modulusa magasabb.
Aggregátum-cement interfész
A cement és az adalékanyagok közötti kötés szilárdságot hoz létre a betonban, ami segít növelni a rugalmassági modulust. A kettő közötti erős kötés növeli a rugalmassági modulust, míg a gyenge kötés csökkenti. Számos tulajdonság befolyásolja ezt a kötési szilárdságot az adalékanyagok típusától, az adalékanyag méretétől és a keverék nedvességtartalmától.
