Hem Fråga Experten Fråga Experten: Betongens hållfasthet?

Fråga Experten: Betongens hållfasthet?

Fråga Tidskriften Betongs experter

I dag är kubisk betonghållfasthet mellan 30 och 50 MPa inte ovanligt för byggnadskonstruktioner. Vad är det rent teoretiskt som skiljer denna typ av betong från betong med högre hållfasthet (exempelvis uppåt 100 MPa)? Finns det något “tak” för hur hög hållfastheten kan bli? Skulle det gå att tillverka betong som klarar 1000 MPa (bortsett från att ekonomiska aspekter spelar in)?
Alexander

Det var en kul och intressant fråga, och tyvärr får jag ge ett något långt svar. Betongens normativa tryckhållfasthet brukar anges som ett minimivärde för vad 150 mm kuber håller efter 28 dygns vattenlagring i 20 grader.

Hållfastheten delas då in i klasser enligt EN 201, samt några nationella (Sverige) mellanliggande klasser enligt SS 137003, och inkluderar också en statistisk utvärdering av flera provningar. Hållfastheten kan även anges som cylinderhållfasthet (diameter 150 och 300 mm lång), vilken är ca 20% lägre än kuben av att provet är “långsmalt” med slankhet 2,0. Det finns 16 st klasser från C8/10 till C100/115, samt 4 st extra i Sverige (C28/35, C32/40, C54/65 och C58/70).

Då det är smidigare att gjuta och hantera kuber, används detta betydligt vanligare än gjutna cylindrar. Och i Sverige använder vi i stort sett bara kubhållfasthet, dock kan det vara gynnsamt att använda cylinder för höghållfast betong då detta tenderar att ge lägre skillnad relativt kuben. Skulle man borra ut en cylinder ur färdig konstruktion testat denna med slankhet 1,0 (lika lång som diameter) och jämställs då med kubhållfastheten.

Den levererade betongen från en betongstation håller som regel en bit över den specificerade klassen (ofta en klass över). Detta för att hantera naturliga variationer i delmaterialen och osäkerheter i tillverkningen, samt för att vara säker att inte riskera “undertramp”. Med vct-krav kan klassen ibland vara lite missvisande, och kan skilja ganska mycket. Klassen ger det undre gränsvärdet för vad betongen skall hålla, med det finns inget övre gränsvärde. Dock kan en stor överhållfasthet vara problematisk för dimensioneringen (sprickarmering). Exempelvis kan en självkompakterande betong (SKB) med krav på vct 0,55 vara klassad som en C30/37, men hålla upp mot ca 60 MPa när kuben trycks.

Det finns en rad faktorer som påverkar vad den vattenlagrade (20 grader) cylindern/kuben håller efter 28 dygn. Främst är det vct och lufthalt, men även cement typ och alternativa bindemedel (silika, slagg, flygaska). Flytmedel, krossad ballast och kalkfiller ger också ett visst bidrag. Cementhalt och stenstorlek brukar inte ha någon större betydelse. Härdningstemperaturen, speciellt den tidiga, kan påverka en del.

Optimal temperatur är ganska låg (ner mot ca 5 grader), något man kan utnyttja genom att lagra kuben i 15 grader under första tiden (20+/-5 grader fram till avformning efter 16-72 timmar, enligt EN 1230-2) samt använda stålformar framför de mer isolerande plastformarna. Ser man till hållfastheten efter lång tid (och täthet, beständighet, mm) är en långsammare tillväxt gynnsammare, varför en lägre temperatur är att föredra för en bättre slutprodukt.

Upp till ca 80 MPa brukar cementpastan vara den “svaga länken”, men över detta blir det ballasten som styr. Så har man krav på höghållfast betong, brukar man också behöva byta ballast av bergart med högre hållfast (exempelvis de som används till slitlager asfalt). Ett problem med vissa av dessa bergarter är att de också är reaktiva i betongen (så kallad ASR), något som är viktigt att beakta om betongen är i fuktig miljö.

Så om vi använder “vanligt” cement och använder en hård ballast kan vi kanske komma upp i ca 100 MPa (28 dygn) genom att skruva ner vct till 0,32-0,34. Lägre vct än så är svårt att få till, då förhållandet mellan vatten och finmaterial blir så lågt att betongen inte blir arbetbar. Genom att då tillsätta ca 10% silikastoft (mängd styrs av exponeringsklass) kan man kanske komma upp något över 100 MPa.

Även slagg kan vara gynnsamt för att få till högre hållfasthet, men då tillväxten går långsammare kan en senare provning (ex 56 dygn istället för 28) var mer representativt. Hållfastheten fortsätter att växa till efter 28 dygn för all betong, men för vissa bindemedelskombinationer och cement typer är detta mer påtagligt. Jag kan tycka att 28 dygn som normativ provningsålder kan behöva ifrågasättas för vissa betonger, då man mycket de kan få upp mot dubblerad hållfasthet efter 28 dygn.

Vad som definieras som höghållfast betong är inte exakt, och något som har ändrat sig med tiden. Exempelvis 40 MPa ansågs som hög hållfasthet förut, men kan idag en “vanlig” husbyggnadsbetong. En viktig faktor för detta är de effetiva flytmedel/vattenreducerare/superplastiserare som möjliggör betonger med låga vct. Ser man på den engelska definitionen HPC (High Performance Concrete), inbegriper det förutom hög hållfasthet, även egenskaper som täthet, beständighet, uttorkning, slitstyrka, draghållfasthet, syratålighet, osv. Och många gånger är det andra egenskaper man är ute efter än hållfastheten, även om det är denna som föreskrivs.

Jag skulle säga att 80-120 MPa är en HPC, och över detta en UHPC (Ultra High Performance Concrete). Eftersom UHPC inte innehåller ballast, bara fillermaterial och finare kvartssand, brukar den också kallas för RPC (Reactive Powder Concrete), och möjliggör hållfastheten upp mot ca 250 MPa. Det behövs då även effektiv blandare, extra reaktivt cement, alternativa bindemedel, effektivt vattenreducerande tillsatsmedel, skumdämpare och eventuellt stålfiber.

För mig är denna “ultrahöghållfasta” produkt mer ett bruk eller pasta, och inte betong. Går man ett steg längre kan men genom speciell härdning (tryck och temp) få ännu högre hållfasthet, och ännu högre om man dessutom blandar i pulver med järn, grafen, mm. Har sett resultat på över 500 MPa och i något fall nästan 800 MPa. För mig är detta snarare en keram, inte bruk eller betong.

När man tar bort de större stenarna och ersätter ballasten med finkornig sand, fillermaterial och hög andel bindemedel, får man också hög kemisk krympning. Vill man få till en betong med låg krympning gäller det att hålla nere cementpastan genom att ha trög konsistens och ha mycket och stor sten samt ballast med bra packning (ges av kornform och storleksfördelnin). Så en trög och stenig låghållfast betong, typ den man använde förr, har relativt låg krympning. Men för en stenreducerad höghållfast betong med lös konsistens är krympningen hög av kemisk krympning och lågt internt mothåll av ballasten.

Detta blir extra påtagligt när det uppstår tvång i konstruktionen, av begränsad rörelsefrihet eller ojämn krympning (ojämn uttorkning, temperatur, reaktionshastighet). Då krympkrafterna och sprödheten är hög kommer sprickbildning uppstå. Exempelvis på produkter typ RPC, kan vara injekteringsbruk, höghållfast avjämningsmassa eller vissa cementbaserade reparationsprodukter. Gjuter man en 150-kub med dessa, kommer den få omfattande sprickbildning. Sådana produkter funkar primärt bara för mycket tunna gjutningar, tätningar eller lagningar.

Så för att ge ett kort svar på dina frågor, så skulle jag nog säga att det ändå finns ett “tak” för hur hög hållfastheten en betong kan ha. Med någorlunda normala förutsättningar skulle jag gissa att det är mellan 120 och 150 MPa, men en övre gräns som tenderar att bli allt högre. Skippar man ballasten och jobba med speciellt bindemedel, sand, tillsatsmedel och tillsatsmaterial, samt blandar under vacuum och härdar under tryck och värme, kan man säker komma upp i närmare 1000 MPa. Men i min “värld” är inte detta betong.

Oskar Esping, tekn. dr. Thomas Betong och Thomas Concrete Group