(Fr.: béton; Du.: Beton; Eng.: concrete), bouwmateriaal bestaande uit een kunstmatig samengesteld en daarna versteend conglomeraat van grove en fijne, veelal minerale korrels (meestal grind en zand) die door een bindmiddel, het cement, zijn samengekit. In zekere zin is de natuur ons voorgegaan, zoals verschillende soorten natuursteen bewijzen, met in het bijzonder natuurbeton (Nagelfluh), een Oligoceen-Mioceen Postorogeen conglomeraat, dat ca. 40 miljoen jaar geleden is gevormd en in opbouw een grote overeenkomst vertoont met wat thans beton met een ‘ideale’ samenstelling wordt genoemd.
Het was de menselijke behoefte om grotere en kleinere steenbrokken aan elkaar te kitten, die tot de vervaardiging van beton aanleiding heeft gegeven, om daarmee te kunnen bouwen wat nodig was.
Het aardoppervlak levert hiervoor allerlei bindmiddelen die direct of na enige voorbewerking als zodanig gebruikt kunnen worden. In sommige streken, met name bij Pozzuoli (vroeger: Puteoli) in Italië, blijkt de grond vulkanische materialen te bevatten (thans pozzolanen genoemd, vroeger: pulvis puteolanus) die deze bindmiddelen hydraulisch maken: de gewenste verharding, nodig voor het samenkitten, is het gevolg van de inwerking van water; na de reactie blijkt het versteende produkt tegen water bestand te zijn. Door de Romeinen werden deze samengekitte steenmassa’s opus caementitium en ook wel caementum (de oorsprong van het woord cement) genoemd. Het woord beton is pas veel later ingevoerd, d.w.z. in zijn huidige betekenis. In de Romeinse tijd is de betonbouw tot ontwikkeling gekomen, vrijwel zeker in navolging van wat door de Grieken op dit gebied was gedaan; na de val van het Romeinse Rijk zijn deze ideeën eeuwenlang niet meer in praktijk gebracht.
De herleving van de betontechniek is onmiskenbaar ingeluid door de uitvinding van het artificiële cement in de eerste helft van de 19de eeuw. De ontwikkeling van portlandcement, waarvan later andere cementsoorten (zoals hoogovencement) zijn afgeleid, is begonnen met de octrooien van de Engelsen J. Aspdin (1824) en J.C. Johnson (1844). Toen gelukte het opnieuw de natuur na te bootsen, door de vervaardiging van een cement dat uit zichzelf al hydraulische eigenschappen bezit.
De vormvrijheid van het ermee te vervaardigen beton werd al direct als een groot voordeel ervaren. Een eeuwenoud menselijk ideaal was werkelijkheid geworden: ‘vloeibare steen’ die zich in iedere willekeurige vorm laat gieten, echter zonder eerst de noodzaak van sterke verhitting, zoals bij het smelten van metalen. Het was als het ware gelukt kunstmatig een soort natuursteen te maken, met vergelijkbare eigenschappen wat betreft sterkte, duurzaamheid, brandwerendheid enz., maar dan een steen die naar wens gemodelleerd kon worden zonder het materiaal te moeten behakken of behouwen. Veel meer dan enig ander bouwmateriaal kan het beton typisch aards worden genoemd, want de grondstoffen voor het maken van cement (kalksteen enz.) en de toeslagmaterialen voor het maken van beton (kwarts enz.) zijn vrijwel overal en daarbij ruimschoots in de aardkorst aanwezig. Daarom wordt beton terecht een universeel materiaal genoemd, niet alleen omdat het voor nagenoeg alles is te gebruiken, maar eerder nog omdat het vrijwel overal te maken is.
De toepassing van het aldus ontwikkelde beton werd echter beperkt doordat de treksterkte ervan ten opzichte van de druksterkte vrij klein is (ca. 1/10), waardoor slechts hoofdzakelijk op druk belaste constructies gemaakt konden worden. De ‘wapeningsgedachte’ die geleid heeft tot de techniek van het gewapend beton, is waarschijnlijk ontstaan om het modelleren te vergemakkelijken, maar was weldra geheel gericht op het verkrijgen van een constructiemateriaal dat ook trekkrachten kan opnemen. De ontwikkeling van dit ‘cement-ijzer’ is voorafgegaan door pogingen van verschillende personen; het eerste octrooi van de Fransman J. Monier (1867) wordt echter algemeen beschouwd als het ‘geboortebewijs van het gewapend beton’.
Gewapend beton is een zinvolle, want zeer bruikbare combinatie van twee verschillende materialen, waarbij het beton de drukkrachten opneemt, en het ijzer (thans: staal) de trekkrachten. De hiervoor noodzakelijke samenwerking tussen die twee zo verschillende materialen ontstaat door de bijzonder goede aanhechting van het beton aan het staal dat daarom tegenwoordig veelal geprofileerd is; voorts bezitten beide materialen nagenoeg dezelfde thermische uitzettingscoëfficiënt (⍺ = 12 × 10−6 °C−1). De opkomst van het gewapend beton vond dus plaats in de tweede helft van de vorige eeuw (eeuw van de rationalisatie), mogelijk door de verdere ontwikkeling van de exacte wetenschappen en wenselijk gezien de snel toenemende bouwbehoefte. Evenals men eerder met de al langer bekende metaalconstructies had gedaan, werden de gewapend-betonconstructies aanvankelijk berekend met behulp van de (thans: klassieke) theorie die gebaseerd is op het lineair-elastisch gedrag van het materiaal (wet van Hooke).
Pas in de eerste helft van de 20ste eeuw is goed duidelijk geworden, dat het elastisch gedrag van beton en van gewapend beton vooral bij hogere spanningen niet-lineair is en er zelfs bepaalde plastische vervormingen optreden. Bovendien ontstond er een steeds beter inzicht in de tijdafhankelijke eigenschappen van beton (de sterkte en de daarmee samenhangende elasticiteitsmodulus, en vooral de krimp en de kruip). De gewapend-betontheorie moest daarom telkens aangepast worden, wat veelal gepaard ging met het formuleren van ‘rekenregels'. Daarnaast zijn echter andere theorieën tot ontwikkeling gekomen, zoals de niet-lineaire elasticiteitstheorie, de bezwijkanalyse met de vloeilijnentheorie (speciaal voor platen) en de evenwichtsmethode.
Ruim een halve eeuw na de ‘uitvinding’ van het gewapend beton is de ‘voorspangedachte’ tot ontwikkeling gebracht. Evenals toen gebeurde dit met het oog op de vrij kleine treksterkte van beton. Essentieel zijn de drukspanningen die van tevoren in het beton worden opgewekt (door het voorspannen). Onder een belasting moeten deze spanningen eerst overwonnen worden, voordat het beton op trek wordt belast. Ook bij de ontwikkeling van het aldus verkregen voorgespannen beton zijn verschillende betontechnici betrokken geweest; de officiële erkenning wordt echter meestal geacht te zijn begonnen met het octrooi van de Franse ingenieurs E. Freyssinet en J. Seailles (1930). Aparte vermelding verdient nog het gedeeltelijk voorgespannen beton. Deze combinatie van normale wapening en voorspanning wordt weliswaar in de praktijk nog niet zoveel toegepast, maar maakt wel bijzonder goed duidelijk dat er tussen gewapend beton en voorgespannen beton geen scherpe grenzen bestaan.
Mogelijkheden in de betontechniek.
De verdieping van het inzicht betreft vooral de specifieke eigenschappen van het materiaal beton (ongewapend, gewapend of voorgespannen) en het gedrag van de daarmee vervaardigde constructies, in het bijzonder de sterkte- en vervormingseigenschappen. Daardoor kan thans in de betontechniek beter rekening worden gehouden met de fysische eigenschappen van de materialen en met het werkelijke gedrag van de constructies. Het aldus gegroeide realiteitsbesef komt ook in de algemene constructieleer tot uitdrukking, speciaal ten aanzien van de veiligheid van de constructies. Daarbij wordt eveneens gestreefd naar een betere benadering van de werkelijkheid, wat in zijn algemeenheid neerkomt op het ontwerpen van constructies die met minimale kosten de voor het beoogde doel gewenste veiligheid bezitten, ook wat betreft hun stabiliteit. Vanzelfsprekend dient hierbij de zekerheid, dat is tevens het risico van onveiligheid, bekend te zijn, althans zo goed mogelijk benaderd te worden.
Het (normale) grindbeton, waartoe ook de betonsoorten met gebroken toeslagmaterialen gerekend kunnen worden, wordt verreweg het meest toegepast. In de dichtheid (VB 1974: volumieke massa) ervan is veel minder variatie mogelijk dan in de druksterkte.
Bij lichtbeton daarentegen bezit zowel de dichtheid als de druksterkte een ‘range’ van mogelijkheden. De lichtste soorten, waarvan gewoonlijk ook de druksterkte beperkt is, worden hoofdzakelijk gebruikt voor (isolerende) wand-, vloer- en dakelementen (blokken, platen enz.). Tot deze categorie behoren ook gas- of schuimbeton en het nog in ontwikkeling zijnde polystyreenbeton. De zwaardere soorten lichtbeton, met als regel een grotere druksterkte, worden gerekend tot het constructieve lichtbeton, dat zonodig gewapend of voorgespannen wordt. De voor deze soorten toegepaste lichte toeslagmaterialen zijn vervaardigd van minerale grondstoffen (leisteen, klei enz.). Zwaar beton wordt verkregen door toepassing van speciale toeslagmaterialen (bijv. ijzererts, bariet en ook wel ponsdoppen) met een grotere dichtheid dan het gebruikelijke grind. Het gebruik ervan is tot dusverre beperkt gebleven tot een aantal constructies die tegen straling moeten beschermen (o.a. kerncentrales) en speciale waterbouwkundige werken (blokken voor havendammen).
De keuze uit de constructief-technische mogelijkheden wordt in eerste instantie bepaald door de aard van de te ontwerpen constructie en dus ook door de eisen die aan deze constructie worden gesteld. Het constructieve inzicht van de ontwerper speelt natuurlijk een grote rol bij het zoeken naar de oplossing die met minimale kosten het beste aan de gestelde eisen voldoet. De van kracht zijnde (beton)voorschriften, zoals in Nederland de VB 1974 en in België NBN 15 (1963), kunnen aan dit ‘construeren in beton’ veel steun verlenen.
Tot de constructieve mogelijkheden dienen ook de samengestelde constructies te worden gerekend. Bij combinaties van beton met beton blijft men op het gebied van de betontechniek, maar combinaties van beton met staal liggen meer op het grensgebied tussen beton- en staalconstructies. Vezelversterkt beton, dat in ontwikkeling is, levert misschien eerder technologische dan constructieve problemen, hoewel de constructieve eigenschappen zeer aantrekkelijk lijken.
De keuze uit de uitvoeringstechnische mogelijkheden ligt vanouds op het terrein van de aannemers en dikwijls ook van de betonfabrikanten. Maar de tegenwoordig ontworpen betonconstructies dwingen meer en meer tot bepaalde uitvoeringstechnieken, omdat zij daarop afgestemd zijn. Tussen het ontwerp en de uitvoering bestaat in principe een duidelijk verband en daarom kan hier een wisselwerking voorkomen, in twee richtingen!
Aan het uiterlijk van beton kan tegenwoordig zeer veel gedaan worden. Variaties in de oppervlak-textuur zijn mogelijk geworden door verschillende behandelingen en bewerkingen, veelal in combinatie met het gebruik van geselecteerde (gekleurde) toeslagmaterialen of kleurstoffen (bijv. de uitgewassen grindtegels). Met behulp van de bekistingen en de bekistingsmaterialen zijn eveneens allerlei effecten te verkrijgen; van het ‘schoon betonwerk’, dat aldus ontstaat, wordt in de hedendaagse architectuur veelvuldig gebruik gemaakt.
Toepassingen.
Beton is onmiskenbaar hét bouwmateriaal van deze tijd. Beton wordt enerzijds als materiaal gewaardeerd, anderzijds is de toepassing ervan soms verguisd en beschimpt; er zou van de wereld van vandaag echter weinig overblijven als al het daarin aanwezige beton plotseling verdween (ter oriëntatie: in Nederland wordt jaarlijks 16...18 miljoen kubieke meter beton vervaardigd en toegepast). Beton is uitermate geschikt voor de meest uiteenlopende doeleinden als gevolg van zijn opmerkelijke eigenschappen, zoals: ‘vormvrijheid’, duurzaamheid, sterkte, stijfheid, (water)dichtheid, brandwerendheid, slijtvastheid, bestandheid tegen chemische aantasting, oppervlak-textuur, kleur, ‘milieuvriendelijkheid’ én het feit dat de grondstoffen alom aanwezig en niet duur zijn. Deze eigenschappen zijn merendeels te variëren en daardoor af te stemmen op het beoogde doel (de kwaliteit van het desbetreffende beton). Zo is de sterkte te beïnvloeden door variaties in de samenstelling en de verdichting van het betonmengsel, de stijfheid door de toepassing van wapening of voorspanning, de kleur door het gebruik van kleurstoffen of gekleurde toeslagmaterialen, het gewicht door de toepassing van lichtere of zwaardere toeslagmaterialen, en de oppervlak-textuur door een aantal betontechnologische en uitvoeringstechnische maatregelen.
De toepassingsgebieden zijn legio; beton wordt toegepast in gebouwen of onderdelen daarvan, waarin in de ruimste betekenis wordt gewoond, gewerkt of geleefd, en het heeft op de bouwkundige vormgeving daarvan een duidelijk stempel gedrukt (de zgn. betonarchitectuur). Tevens wordt beton toegepast in voorzieningen die dienen voor de bescherming tegen water en weersinvloeden, voor de grondstofwinning, voor transport, produktie, opslag en vervoer, voor de bescherming van het milieu enz. Zelfs in de beeldende kunst wordt gebruik gemaakt van beton voor zowel kleine als monumentale kunstwerken.
De meeste betontoepassingen bevinden zich op het landoppervlak: op zeeniveau of enkele meters daaronder (zoals in Nederland en België), op zowel het laagland als het hoogland, tot op hoge bergen (bijv. het Sphinxobservatorium op 3580 m hoogte op het Jungfraujoch in Zwitserland) en tot diep in de aardkorst (bijv. een mijnventilatieschacht bij Buffelfontein in Zuid-Afrika, op een diepte van 2410 m).
Bij het begrenzen van ruimten met beton ziet men enerzijds bloembakken (inhoud 0,1 m3) en kabelgoten (oppervlakte 0,5 m2), anderzijds kolossale gebouwen met een inhoud tot 4 miljoen m3 (montagehal op Cape Canaveral, Florida) of een oppervlakte tot 0,15...0,2 km2 (Volvofabrieken te Göteborg, Zweden; industriecomplex te Horseheads, New York).
De hoogte van staande betontoepassingen begint ongeveer bij bermplanken van nog geen meter; gebouwen hebben reeds de 200 m overschreden (bijv. de Tour Maine-Montparnasse, Parijs), schoorstenen 300 m (o.a. in Amerika, Canada, Spanje en Tsjecho-Slowakije), terwijl betonnen torens al 150 m hoger reiken (de CN-tower te Toronto, Canada met een betonnen schacht van 457 m, waarop een stalen mast van 93 m; thans het hoogste bouwwerk ter wereld).
Wat overspanningen betreft zijn recordhouders: bij de balkbruggen de Uradobrug te Kochi, Japan (230 m), bij de tuibruggen de Wadi Kufbrug in Libië (282 m) en de Prins Willem-Alexanderbrug over de Waal bij Tiel (267 m) en bij de boogbruggen de Gladesvillebrug te Sydney, Australië (305 m). De dakconstructie van het CNIT-gebouw te Parijs overspant 218 m.
Betonnen bruggen met grote lengte zijn o.a. de brug over het Meer van Pontchartrain bij New Orleans, Louisiana (38,3 km; sinds 1956 de langste brug ter wereld) die er in 1967/1968 een overeenkomstige brug naast gekregen heeft, de General Rafael Urdanetabrug over het Meer van Caraibo, Venezuela (8,7 km), het grootste gedeelte (7,9 km) van de in totaal 13 km lange Presidente Costa da Silvabrug over de Guanabarabaai bij Rio de Janeiro, Brazilië en de Zeelandbrug over de Oosterschelde (5 km) die vanaf 1965 de langste brug van Europa was, tot in 1972 de 6 km lange Ölandbrug bij Kalmar in Zweden gereedkwam.
De kleinste betonprodukten zijn ongetwijfeld de zgn. stelblokjes van slechts enkele cm3 inhoud; voor de nieuwe havendammen van Hoek van Holland zijn betonblokken toegepast met ribben van 2,55 m en een inhoud van ruim 16,5 m3. Een betonstraatsteen weegt nog geen 5 kg; tegenhangers vinden zij in elementen van enkele honderden tonnen (de ‘hamerstukken’ voor de Zeelandbrug waren elk 600 t). Voor de Grand Couleedam in de Columbia River (Washington) was al in 1942 niet minder dan 8,5 miljoen m3 beton gebruikt. De grootste Europese stuwdam, de Barrage de la Grande Dixence bij Motôt (Zwitserland), vereiste in totaal 6 miljoen m3 beton, en het grootste betonproject van Nederland, het spuisluizencomplex in het Haringvliet, bevat bijna 700.000 m3. Een betonnen duiker onder een plattelandsweg is reeds een eenvoudige tunnel, maar de tunnels door bergen en onder water zijn hier en daar al vele kilometers lang. De rivieren en kanalen zijn weliswaar betrekkelijk smal, maar toch bezit Nederland al verscheidene onderwatertunnels, allemaal van beton. Voor het eerste gedeelte van de Rotterdamse Metro is destijds ruim 3 km tunnel gebouwd, 1 km onder de Maas en 2 km ondergronds, waarbij de zinkmethode werd toegepast. Japan bezit thans de langste onderwatertunnel, de Kammontunnel (3,5 km), gebouwd volgens de schildmethode (zie Tunnel).
De mens, van oorsprong een landbewoner, verplaatst echter zijn bouwactiviteiten geleidelijk zeewaarts, hetgeen ook gebeurt met de betontoepassingen. Aan de Nederlandse kust zijn de grote bouwwerken ten behoeve van het Deltaplan niet goed denkbaar zonder het materiaal beton. De werken in de Oosterschelde en wellicht de vaste oeververbinding voor de Westerschelde zullen aan deze reeks nieuwe hoogtepunten geven. Andere toepassingen ervan, eveneens langs de kust, zijn te vinden bij dijkbekledingen en bodembeschermingen, bij havendammen en pieren enz.
In volle zee, met waterdiepten van meer dan 100 m, komen steeds meer produktie- en opslagplatforms (zgn. gewichtsconstructies) te staan voor de exploitatie van de zeebodem (olie en gas). Met de vuurtorens, havenlichten, lichtplatforms, radareilanden enz. vormen zij de off-shoreconstructies van nu en vooral van straks. Kunstmatige eilanden, bijv. voor de Nederlandse en/of de Belgische kust, zullen niet zonder de toepassing van beton tot stand kunnen komen. Dergelijke eilanden kunnen een oplossing bieden voor belangrijke milieu- en veiligheidsproblemen: kernenergie, opslag vloeibaar aardgas enz. Ook bij de bouw van kerncentrales en kryogene constructies blijkt beton aantrekkelijke mogelijkheden te bieden. Schepen van beton zijn reeds in de vaart, zowel plezierjachten als vissersboten.
Afzonderlijke vermelding verdienen tenslotte de talrijke betonprodukten die in grote aantallen en in grote verscheidenheid worden vervaardigd door de beton(waren)industrie: trottoirtegels en -banden, straatstenen, dakpannen, heipalen, rioolbuizen, blokken en platen voor vloeren en wanden enz., alsmede de geprefabriceerde elementen (balken, kolommen, platen enz.) voor allerlei constructies.
Fabricage en verwerking.
Voor het ter plaatse gestorte beton worden de betonmengsels thans merendeels vervaardigd in de gespecialiseerde bedrijven (betonmortelcentrales) van de betonmortelindustrie. Vooral bij het maken van beton met de gewenste eigenschappen, d.w.z. beton van de gewenste kwaliteit, en bij de controle daarop nemen deze fabrieken een vooraanstaande plaats in. De fabrieken behorend tot de beton(waren)industrie fabriceren nog altijd de klassieke betonwaren (banden, tegels, buizen enz.), met daarnaast meer en meer constructie-elementen (balken, kolommen, platen enz.) van ongewapend, gewapend of voorgespannen beton. De bij dergelijke elementen toegepaste ‘prefabricage-gedachte’ wordt ook op de bouwplaatsen in veldfabrieken in praktijk gebracht.
Het prefabriceren van betonconstructies lijkt afbreuk te doen aan het indertijd zo toegejuichte monolitisch karakter van de betonbouw. Maar met behulp van cementmortels, betonspecies en zelfs speciale lijmen, en met toepassing van wapening of voorspanning blijkt de alleszins gewenste eenheid toch weer verkregen te kunnen worden. En met de modernste transport- en montagetechnieken zijn zelfs de zwaarste betonelementen te vervoeren en op hun plaats te brengen. Ook in andere onderdelen heeft de uitvoering van betonwerken een geweldige ontwikkeling doorgemaakt. Het streven naar rationalisatie heeft reeds bij veel werkzaamheden tot opmerkelijke resultaten geleid: wapening, bekisting, transport en verwerking van betonspecie enz. De ‘gietbouw’, waarbij uitgekiende bekistingssystemen worden toegepast, is hiervan een duidelijk voorbeeld dat met name in de woningbouw een grote opgang heeft gemaakt.
Voorschriften.
De Betonvereniging (opgericht in 1925) heeft in Nederland steeds talrijke activiteiten ontwikkeld in het belang van de betontechniek; vooral aan voorlichting in de ruimste zin is altijd bijzonder veel waarde gehecht. Uit de samenwerking met het Koninklijk Instituut voor Ingenieurs (KIVI; Afdeling voor Bouw- en Waterbouwkunde) kwam in 1972 de Stichting Commissie Voorschriften Beton voort, die verantwoordelijk is voor de Voorschriften Beton 1974 (VB 1974).
De Commissie voor Uitvoering van Research (CUR; opgericht 1951) coördineert en activeert een groot deel van de Nederlandse betonresearch. De Betonvereniging controleert vrijwel de gehele Nederlandse betonmortelindustrie. Bij de Betonvereniging zijn vier studieverenigingen aangesloten met verschillende werkterreinen: voorgespannen beton (Stuvo, 1949), geprefabriceerd beton (Stupré, 1959), bekistingsconstructies(Stubeco, 1969) en betontechnologie (Stutech, 1974).
Van veel betekenis voor de ontwikkeling van de betontechniek in Nederland zijn de Technische Hogeschool te Delft die al van 1918 af een afzonderlijke leerstoel ‘Betonconstructies’ kent en de Technische Hogeschool te Eindhoven. Een belangrijke plaats neemt het Instituut TNO voor Bouwmaterialen en Bouwconstructies (IBBC-TNO) te Rijswijk in, waar een groot deel van onze huidige betonkennis ontwikkeld of althans verwerkt is.
In Nederland wordt thans, evenals in vele andere landen, in belangrijke mate geprofiteerd van de resultaten van internationale samenwerking op betongebied. De toen nog nieuwe voorspantechniek heeft in 1952 geleid tot de oprichting van de Fédération Internationale de la Précontrainte (FIP) om aldus de internationale kennis van het voorgespannen beton te bundelen en, zo mogelijk, te vergroten. Dezelfde doelstelling, maar dan met betrekking tot de gehele betontechniek, lag in 1953 ten grondslag aan de oprichting van het Comité Européen du Béton (CEB), dat steeds meer een mondiale betekenis heeft gekregen. In 1964 verschenen de CEB-Richtlijnen voor gewapend beton en twee jaar later die voor voorgespannen beton. Nauwe samenwerking tussen CEB en FIP (vanaf 1962) heeft in 1970 geleid tot de ‘CEB/FIP-Richtlijnen voor beton’. Deze richtlijnen bestrijken het gehele gebied van de betontechniek: ongewapend, gewapend, voorgespannen en gedeeltelijk voorgespannen beton, incl. lichte en ‘normale’ toeslagmaterialen.
Op de betonvoorschriften van Nederland evenals op die van verscheidene andere landen hebben de huidige CEB/FIP-Richtlijnen inmiddels een duidelijke invloed. De Nederlandse Voorschriften Beton 1974 (VB 1974) bestaan uit een pakket van zeven afzonderlijke, maar bij elkaar behorende voorschriften:
a. Gemeenschappelijk gedeelte;
b. In het werk gestort beton;
c. Vooraf vervaardigd beton;
d. Ongewapend beton;
e. Gewapend beton;
f. Voorgespannen beton, en
g. Lichtbeton (NEN 3861...3867).
Ontwikkelingen.
Thans kan beter dan ooit beton met de gewenste eigenschappen worden vervaardigd. De hulpstoffen hebben hierbij aan betekenis gewonnen, zowel voor de eigenschappen van de (onverharde) betonspecie als voor die van het (verharde) beton. Bij de kwaliteitscontrole en -beheersing hebben statistische werkwijzen hun intrede gedaan, terwijl niet-destructieve beproevingsmethoden thans niet meer gemist kunnen worden.
De moderne metallurgie heeft een stempel gedrukt op het staal dat voor het wapenen of voor het voorspannen wordt gebruikt. De lichte toeslagmaterialen, vervaardigd uit minerale grondstoffen (leisteen, klei enz.) of uit kunststoffen (bijv. polystyreen), hebben aan beton andere eigenschappen gegeven (kleiner gewicht en beter isolerend) en daardoor nieuwe toepassingsmogelijkheden.
Als wapening beschouwd, maar als toeslagmateriaal verwerkt, staan de vezels (staal, glas, kunststof enz.) nog aan het begin van hun ontwikkeling; vezelversterkt beton blijkt zeer aantrekkelijke eigenschappen te bezitten. Van de voornaamste toepassingsgebieden is in het voorgaande weliswaar de ‘range’ van de betontechniek aangegeven, maar de omvangrijkste betonconstructies zijn niet altijd de moeilijkste, hoewel de constructieve en uitvoeringstechnische problemen (afhankelijk van de omstandigheden ter plaatse, zoals funderingsproblemen, de beschikbare ruimte en de aan het project te stellen eisen) veelal toenemen met de afmetingen of het gewicht van het project.
De betontechniek is trouwens nog voortdurend in ontwikkeling; deze ontwikkelingen liggen deels op het gebied van de ‘technologie’ in de ruimste zin: het samenstellen en bereiden van betonmengsels die beton met de gewenste eigenschappen opleveren, waarbij de betonmortelindustrie een vooraanstaande plaats inneemt, terwijl de hulpstoffen vooral de laatste jaren steeds meer betekenis hebben gekregen; voorts het verwerken en verdichten van de betonmengsels en daarbij het beoordelen en handhaven van de kwaliteit; het (vooraf)vervaardigen van wapeningen en bekistingen enz.
Andere ontwikkelingen liggen meer op uitvoeringstechnisch gebied, hoewel de grenzen met het voorgaande niet altijd even duidelijk zijn: toepassing van geprefabriceerde wapeningen, bekistingen en betonelementen; geavanceerde uitvoeringstechnieken (o.a. glij-, uitbouw-, schuif- en opdrukmethoden); het verpompen van betonspecie; procédés voor het versnellen van de betonverharding; speciale toepassingen van de voorspantechniek, met name in de bouwfase; en niet te vergeten: de vervaardiging en toepassing van betonprodukten en -elementen, waarbij de beton(waren)industrie een belangrijke functie vervult.
De gespecialiseerde betonresearch (o.a. betreffende het ontwerpen, berekenen en uitvoeren van betonconstructies) bestrijkt thans een uitgestrekt terrein, dat veel meer overlapt dan begrensd wordt door de vakgebieden van constructieleer, mechanica, materiaalkunde, chemie enz. Waar de genoemde ontwikkelingen toe zullen leiden, valt niet te voorspellen. Zeker is in elk geval, dat het voorbije en actuele telkens weer overtroffen, althans verbeterd zal worden, en ook dat er altijd beton toegepast zal worden. Reeds nu is dit materiaal alom aanwezig, soms op zeer indringende wijze, en daardoor leven wij thans in de ‘eeuw van het beton’. Maar tegelijk hebben wij medelijden met ’Jantje Beton’, voelen wij ons soms beklemd door een ‘corset van beton’ en menen wij zo nu en dan te wonen in een ‘Concrete Jungle’, waarbij wel gesproken wordt van een ‘Bijlmermeereffect’.
Dergelijke uitdrukkingen, zijnde associaties met als onaangenaam ervaren aspecten van het beton, worden weliswaar gewoonlijk door ‘leken’ gebruikt, d.w.z. door niet-technici, maar dat zijn tevens degenen voor wie in beton wordt gebouwd en die er direct of indirect van profiteren. Hun waardering voor de gebouwde omgeving, hun oordeel over de daarin aanwezige veelheid van betontoepassingen, dient daarom niet veronachtzaamd te worden! De afkeuring van wat in het (nabije) verleden werd gebouwd en meer nog de afkeuring van bepaalde maatschappelijke ontwikkelingen richten zich echter automatisch ook op het materiaal beton. Geheel ten onrechte, want als het beton op enigerlei wijze is ‘misbruikt’, dan ligt de schuld daarvan niet bij dit materiaal, maar bij de mensen die ermee werkten of lieten werken. De enige ‘fout’ die het beton kan worden aangerekend, is waarschijnlijk dat het zich voor letterlijk alles laat gebruiken. Dat komt door zijn meest kenmerkende eigenschap: de vormvrijheid. Voordat het materiaal verhard en versteend is, verkeert het immers in een half-vloeibare, plastische toestand: de betonspecie of betonmortel die zich gewillig in elke gewenste vorm laat brengen. In tegenstelling tot metalen en kunststoffen kan met betonspecie feitelijk overal en door iedereen gewerkt worden, ook door ‘leken’. Gezien de al dan niet vermeende mislukkingen en misbruiken zou men die vormvrijheid van beton een nadeel kunnen noemen. Maar deze specifieke eigenschap dient veel meer als een bijzonder groot voordeel te worden beschouwd. Wij kunnen er immers van profiteren en van blijven profiteren, ook als onze bouwbehoeften veranderen met de tijd of met de maatschappelijke ontwikkelingen. Als wij minder hoogbouw en torenflats willen, kunnen er met beton laagbouw en eengezinswoningen worden gebouwd. Als het openbaar vervoer moet toenemen, kunnen er met dit materiaal meer spoor-, tram- en metrolijnen worden aangelegd, boven- of ondergronds, en natuurlijk ook vliegvelden, alsmede de modernste verkeer- en vervoersystemen.
Beton is toe te passen ten behoeve van de energiewinning, voor de olie- en gasproduktie op land en op zee enz. Een volledige afsluiting van de Oosterschelde zou veel beton vereisen, maar een doorlatende blokkendam of een afsluitbare caissondam doet dit niet minder. Bouwvallige gebouwen uit vroegere tijden zijn te vervangen door nieuwe projecten van beton; bouwwerken met een historische of architectonische betekenis kunnen met hetzelfde materiaal gerestaureerd of beschermd worden. Deze opsomming van toepassingsmogelijkheden van het materiaal beton kan onbeperkt voortgezet worden, want door met name de vormvrijheid, kan beton vrijwel overal worden toegepast waar een sterk, duurzaam en relatief goedkoop bouwmateriaal nodig is, vanaf uiterst bescheiden toepassingen tot bouwwerken met gigantische afmetingen.
Sinds enige tijd zijn er trouwens, in toenemende mate, nog andere overwegingen die de toepassing van het materiaal beton zullen stimuleren, zo zij dit niet reeds doen. Die nieuwe argumenten hangen samen met de actuele vraagstukken betreffende het milieu, de energievoorziening en de grondstoffenpositie.
Wat betreft de milieubelasting blijkt de vervaardiging van beton en van zijn componenten in een gunstige positie te verkeren, hoewel er natuurlijk nog verbeteringen mogelijk zijn: bijv. bij de fabricage van cement (stof) en de winning van toeslagmaterialen (grindgaten), en evenzeer op de bouwplaatsen en bij de betonfabrieken (lawaai). In de strijd tegen milieuverontreiniging (water, lucht, bodem) speelt het beton reeds een belangrijke rol. Anderzijds zullen de betontoepassingen niet in strijd moeten zijn met hun omgeving, het landschap, de natuur enz. Op dit terrein liggen grote verantwoordelijkheden voor beleidsfunctionarissen, planologen, stedebouwkundigen, architecten e.a. Gelet op het energieverbruik, d.w.z de energie-inhoud, blijkt beton gunstig af te steken tegen de meeste andere bouwmaterialen.
De grondstoffen voor de vervaardiging van beton en zijn componenten komen niet alleen over vrijwel het gehele aardoppervlak voor, maar zijn daarbij ook nog in vrijwel onbeperkte mate voorhanden. Van schaarste is er in dit opzicht geen sprake. Vandaar dat hier de grenzen aan het verbruik voorshands alleen gesteld kunnen worden op ecologische gronden of ter beperking van het energieverbruik.
De onweerlegbare duurzaamheid van het materiaal beton zal steeds meer betekenis krijgen en daardoor nog verbeterd moeten worden. De tijd van de ‘wegwerpartikelen’ blijkt verleden tijd te zijn, zodat men moet beseffen dat wat gebouwd wordt, geruime tijd zal moeten bestaan of althans gebruikt zal moeten kunnen worden. De betontoepassingen van nu en straks zullen dus een grote duurzaamheid en bijgevolg een lange levensduur moeten bezitten. Dit zal te bereiken zijn door verbetering van het oppervlak, de dichtheid en, in het algemeen, de kwaliteit van het beton, zonodig door bescherming van het erin aanwezige staal, en voorts door een weloverwogen detaillering van de betonconstructies. Tot dit doel, een langere levensduur, leiden ook bouwwerken met een grotere flexibiliteit, die zonodig mettertijd aangepast kunnen worden, en evenzeer de betonprodukten die desgewenst in dezelfde vorm voor een geheel ander doel te gebruiken zijn. In beide richtingen dient beslist nog heel wat geëxperimenteerd en onderzocht te worden!
Betonconstructies, hoe goed ook gemaakt, zullen echter soms opgeruimd moeten worden vanwege hun sociale veroudering of omdat zij voor iets anders plaats moeten maken. Dan duiken twee nieuwe problemen op: hoe moeten deze betonconstructies gesloopt worden? (kan daarmee al bij het ontwerp rekening worden gehouden?) en welke zinvolle bestemming is er aan het betonpuin te geven? Voor beide problemen zijn reeds oplossingen gezocht, zoals voor het gebruik van fijngemalen of -gebroken betonpuin voor nieuw beton.
Betonconstructies zouden ook zodanig ontworpen kunnen worden dat na afbraak de onderdelen ervan opnieuw te gebruiken zijn, voor hetzelfde of zelfs een geheel ander doel.
Sterkte- en vervormingseigenschappen
Door de mogelijke variaties in zijn eigenschappen is het materiaal beton steeds
goed aan te passen aan zijn bestemming.
Bij het ontwerpen van betonconstructies, d.w.z. bij het berekenen, dimensioneren en detailleren, zijn vooral de sterkte- en vervormingseigenschappen van belang; ook bij de uitvoering kunnen die eigenschappen een rol van betekenis spelen.
Aanvankelijk is het beton beschouwd als een homogeen en isotroop materiaal, dat zich geheel volgens de wet van Hooke (lineair-elastisch) gedraagt. Deze benadering leidt weliswaar tot bruikbare resultaten, maar geleidelijk is duidelijk geworden dat die uitgangspunten niet geheel juist zijn. De micro-structuur van beton vertoont beslist geen homogeniteit. Er is sprake van een meer-fasensysteem, bestaande uit grove en fijne korrels toeslagmateriaal in een matrix van fijn materiaal en gehydrateerd cement, met bovendien ingesloten water en lucht. Op macroscopisch, d.w.z. praktisch niveau kan van een homogeen materiaal worden gesproken, en kan beton als een isotroop materiaal worden beschouwd. Door de aanwezigheid van wapeningsstaven (gewapend beton) en van scheuren (gewoonlijk tot een bepaalde scheurwijdte toegestaan) zal de veronderstelde isotropie weer verloren gaan; bij het ontwerpen van betonconstructies wordt hiermee geen rekening gehouden, althans niet rechtstreeks. Het niet-lineair elastische en zelfs enigszins plastische gedrag van beton, en vooral van gewapend beton, wordt daarentegen algemeen erkend. Toen op andere constructieve deelgebieden de bezwijkanalyse en de plasticiteitsleer tot toepassing kwamen, gebeurde dit ook in de betontechniek. Daarbij hebben begrippen als parabolisch spanning-stuikdiagram en spanningdiagram, vloei-scharnieren en -lijnen, vervormings- en rotatiecapaciteit enz. hun intrede gedaan.
Bij beton is de sterkteontwikkeling het gevolg van de hydratatie van het cement, een exotherme reactie, in het begin vrij snel verlopend, daarna geleidelijk vertraagd. De sterkte van het beton, door deze verharding veroorzaakt, is dus een tijdsafhankelijke eigenschap. Dat geldt ook voor de elasticiteitsmodulus, die met de betonsterkte samenhangt. Daarom wordt in de praktijk de betonsterkte na 28 dagen verharding algemeen als maatstaf gehanteerd (ruim 80% van de uiteindelijke sterkte, ‘eindsterkte’, is aanwezig).
Belasting van beton en betonconstructies leidt vanzelfsprekend tot de onmiddellijk optredende vervormingen rek en stuik (en ook vervormingen als gevolg van de krimp van het beton, enigszins veroorzaakt door hydratatie, maar vooral door uitdroging en afkoeling).
Door de belasting ontstaan echter in het beton en de betonconstructies ook tijdafhankelijke (vertraagd optredende) vervormingen, voornamelijk het gevolg van de kruip van het beton en de relaxatie van het (voorspan)staal. Uit onderzoekingen is gebleken, dat het vervormingsgedrag meer temperatuurafhankelijk is dan tot voor kort werd aangenomen. In de moderne ontwerp- en berekeningsmethoden, en dus ook in de huidige betonvoorschriften, wordt met de sterkte- en vervormingseigenschappen zoveel mogelijk rekening gehouden.
De druksterkte van beton wordt bepaald door een proefstuk onder druk tot breuk te belasten (drukproef): druksterkte = bezwijkdrukspanning. De aldus verkregen waarde is afhankelijk van factoren, zoals de vorm en de afmetingen van het proefstuk, de belastingssnelheid en natuurlijk de ouderdom van het proefstuk. Ter verkrijging van de gewenste eenheid bevatten de betonvoorschriften hiervoor verscheidene richtlijnen.
Volgens de CEB/FIP-Richtlijnen worden cilinders (diameter 15 cm, hoogte 30 cm) als proefstukken gebruikt, aangezien die grote overeenkomst vertonen met de één-assige spanningtoestand zoals deze in de meeste betonconstructies optreedt; kolomvormige proefstukken (prisma’s, bijv. 15 × 15 × 45 cm3) vertonen nagenoeg dezelfde overeenkomst. Volgens de VB 1974 moeten kubussen (riblengte 15 cm ± 0,9 cm) als proefstukken worden gebruikt; dit is in overeenstemming met de richtlijnen van de RILEM (Réunion Internationale des Laboratoires d’Essais et de Recherches sur les Matériaux et les Constructions), die aanvaard zijn door de ISO (International Organization for Standardization). Met behulp van een herleidingsfactor wordt de kubusdruksterkte omgerekend tot de beoogde cilinderdruksterkte. De invloed van een langdurige belasting wordt met behulp van een andere factor in rekening gebracht.
De druksterkte van bepaalde proefstukken, bijv. kubussen, speelt ook bij de betoncontrole een belangrijke rol. In de VB 1974 wordt hierbij onderscheid gemaakt tussen geschiktheids-, controle- en verhardingsproeven. Van betonconstructies kan de betondruksterkte worden bepaald op niet-destructieve wijze (met behulp van een terugslaghamer of van ultrasone metingen) of door beproeving van cilinders (bijv. diameter 10 cm of 15 cm), die uit de constructie zijn geboord.
De treksterkte van beton kan worden bepaald door een proefstuk (CEB/FIP: cilinder, VB 1974: kubus) onder trek tot breuk te belasten (trekproef): treksterkte = bezwijktrekspanning. Eenvoudiger is echter een indirecte bepaling met behulp van een splijtproef; de bij deze proef te gebruiken formule bevat een factor voor de omrekening tot de beoogde (splijt)treksterkte.
Aangenomen wordt dat de sterktecijfers een ‘normale verdeling’ (gausskromme) vertonen. Overeenkomstig de CEB/FIP-Richtlijnen is daarom ook in de VB 1974 het begrip karakteristieke sterkte ƒk ingevoerd:
ƒk = ƒm − 1,64 σ
Hierin is ƒm de gemiddelde sterkte en σ de standaardafwijking; gezien de factor 1,64 gaat het hier om de grenswaarde die door 5% van alle theoretisch te verwachten sterktecijfers wordt onderschreden. Op deze wijze zijn de karakteristieke druk- en treksterkte van beton gedefinieerd, evenals de karakteristieke trek- en druksterkte van wapeningsstaal en de karakteristieke treksterkte van voorspanstaal (tabel 1).
De betonkwaliteit wordt aangeduid door de letter B gevolgd door een getal dat overeenkomt met de vereiste karakteristieke kubusdruksterkte (in N mm−2) van het beton na 28 dagen verharding.
De karakteristieke betondruksterkte is gedefinieerd als 0,8 maal de karakteristieke kubusdruksterkte ƒ′ck.
De karakteristieke betontreksterkte ƒ′bk is gedefinieerd als de karakteristieke splijtsterkte van het beton na 28 dagen verharding.
ƒbk kan worden afgeleid uit ƒ′ck volgens:
ƒbk = (1 + 0,05 ƒ′ck) × 0,87 (N mm−2 )
of
ƒbk = (10 + 0,05 ƒ′ck) × 0,87 (kgf cm−2)
Als karakteristieke sterkten gelden de grenswaarden die door 5% van alle theoretisch te verwachten sterktecijfers worden onderschreden.
(Bron: Deel A van de Voorschriften Beton 1974)
Met behulp van een drukproef kan van beton onder druk een spanning-vervormingsdiagram worden gemaakt, d.w.z. een spanning-stuikdiagram (σ′b − ε′b-diagram) (afb. 3). Dit diagram blijkt slechts over het eerste deel min of meer rechtlijnig te zijn, wat op een lineairelastisch gedrag (wet van Hooke) wijst. Maar voor de rest van het diagram bestaat er tussen spanning en vervorming geen rechtlijnig verband meer. Dat komt door het niet-lineair elastische en waarschijnlijk al plastische gedrag van het beton.
Gewoonlijk wordt aangenomen, dat bij een stuik van 3,5 ‰ bezwijken optreedt (breukstuik ε′u = 3,5 ‰). Dit geldt echter in het bijzonder onder een excentrische belasting, omdat dan door het plastisch gedrag van het beton een grotere vervorming mogelijk is. Voor bepaalde veerkrachtsgevallen wordt daarom de breukstuik veiligheidshalve op 2,5 ‰ gesteld.
Uit het σ′b − ε′b-diagram, dat met een kortstondige drukproef is bepaald, kan de elasticiteitsmodulus van beton onder druk (E′ob) worden afgeleid: de verhouding spanning-vervorming in het elastische gebied, dus de tangens van de hoek die de raaklijn door de oorsprong van het diagram maakt met de horizontale as (afb. 3). Wegens de afbuiging van het diagram is in de VB 1974 een reductie aangebracht en daarmee zijn voor de betonkwaliteiten de waarden van E′b verkregen (tabel 2).
Als beton gedurende lange tijd op druk wordt belast, blijkt de verkorting langzaam groter te worden dan overeenkomstig de wet van Hooke. De optredende lineair-elastische verkorting neemt langzaam toe met een vertraagd optredende, plastische verkorting: de kruip van het beton. Met de kruipcoëfficiënt φt kan de kruipverkorting uitgedrukt worden in de elastische verkorting: (φt × ε′b (de index t heeft betrekking op de belastingstijd). Deze coëfficiënt is afhankelijk van verschillende factoren (zie CEB/FIP-Richtlijnen en VB 1974) en varieert daarom van 0,8...4,4 (voor t → ∞).
De kruipverkorting blijkt kleiner te zijn naarmate de betondruksterkte groter is. Volgens een vuistregel treedt in het eerste jaar ca. 50% van de uiteindelijke kruip op en in elk volgend jaar ongeveer de helft van die in het voorafgegane jaar. Na een periode van 7...8 jaar zal het kruipproces dus nagenoeg beëindigd zijn. Het σ′b − ε′b-diagram van beton, zoals bepaald met een kortstondige drukproef, is kromlijnig (ongeveer parabolisch). Vereenvoudiging tot bilineair diagram volgens de CEB/FIP-Richtlijnen en de VB 1974 levert enkele belangrijke voordelen. Zo kan het effect van het kruipen er gemakkelijk in verwerkt worden. Als gevolg hiervan wordt voor de elasticiteitsmodulus een andere ‘rekenkundige waarde’ verkregen, die eveneens tijdafhankelijk is (niet alleen als functie van de ouderdom van het beton, maar nu ook als functie van de belastingstijd). Dit blijkt duidelijk uit afb. 4, een zgn. rekendiagram uit de VB 1974. De kruip van het beton zal tot breuk kunnen leiden wanneer de betondrukspanning ten opzichte van de betondruksterkte vrij groot is. In op buiging belaste betonconstructies daarentegen kan de kruip leiden tot een herverdeling van spanningen, waardoor het ongunstig effect van de kruip plaatselijk wordt verminderd. Onder bepaalde omstandigheden kan de kruip trouwens een positieve uitwerking hebben. Bij constructies van voorgespannen beton wordt aan de kruipverkorting altijd veel aandacht besteed.
Beton ondergaat ook een verkorting als gevolg van de krimp, veroorzaakt door de hydratatie en vooral door de uitdroging. Ook de krimpverkorting is afhankelijk van verschillende factoren en varieert daarom tussen 0 en bijna 60 × 10−5 (0...0,6 mm per meter). De krimpverkorting blijkt kleiner te zijn naarmate de betondruksterkte groter is. De aanwezigheid van wapeningsstaven heeft een gunstige invloed op de krimpverkorting (deze wordt kleiner bij toenemend wapeningspercentage).
Evenals andere materialen wordt beton beïnvloed door de temperatuur: krimpen of uitzetten. De thermische uitzettingscoëfficiënt bedraagt 12 × 10−6 °C−1, dus per graad Celsius temperatuurverschil een verkorting of een verlenging van 0,012 mm per meter.
Bij het ontwerpen en detailleren van betonconstructies dient rekening te worden gehouden zowel met de krimpverkorting, als met de kruipverkorting.
Principes van gewapend en voorgespannen beton
Als een betonbalk, aan beide einden ondersteund, in het midden wordt belast, zullen er aan de ene (bolle) zijde trekspanningen optreden, en aan de andere (holle) zijde drukspanningen. Overeenkomstig de elasticiteitsleer wordt de grens tussen trek- en drukzone gevormd door de neutrale lijn, die precies halverwege de balkhoogte ligt (afb. 1a). Wat er bij toenemende belasting gebeurt, kan worden afgelezen uit de vervormings- en spanningsfiguren (afb. 1b en 1c).
Overeenkomstig de hypothesen van Bernoulli en Navier is het verloop van de vervormingen ε over de hoogte rechtlijnig (afb. 1b). Ook het spanningsverloop blijkt bij benadering rechtlijnig te zijn (afb. 1c). Wegens het evenwicht moeten de resulterende drukkracht en de resulterende trekkracht aan elkaar gelijk zijn: N′b = Nb. Het (inwendige) moment bedraagt M = N′ba = Nba.
Onder toenemende belasting zal de betonbalk bezwijken als de opgewekte spanning groter wordt dan de sterkte. In de trek- en drukzone zijn de spanningen weliswaar van dezelfde grootte, maar de weerstand die zij in de drukzone ondervinden is veel groter dan die in de trekzone. De betondruksterkte bedraagt immers ongeveer tien maal de betontreksterkte.
De betonbalk bezwijkt zodra σb = σu . Dat gebeurt reeds onder een betrekkelijk kleine belasting. De rek van het beton in de trekzone is dan gelijk aan de breukrek: εb = εu = ca. 0,3 ‰.
Het principe van het gewapend beton is, dat in de trekzone de taak van het beton wordt overgenomen door het hiervoor bijzonder geschikte wapeningsstaal. Ook indien een gewapend-betonbalk op buiging wordt belast, kan uit de vervormings- en spanningsfiguren (afb. 2b en 2c) worden afgelezen, wat er bij toenemende belasting gebeurt.
Zolang de belasting nog beperkt is, d.w.z. zolang de opgewekte trek- en drukspanningen nog klein zijn, gedraagt de gewapend-betonbalk zich op vrijwel dezelfde wijze als de betonbalk van afb: 1a, b, c. De neutrale lijn ligt halverwege de balkhoogte en het wapeningsstaal vervult nog geen enkele belangrijke functie.
Neemt echter de belasting toe, dan zal het beton in de trekzone inderdaad gaan scheuren (σb ≧ σu); vanaf dat moment begint het wapeningsstaal effectief te werken: het wordt op trek belast.
Overeenkomstig de hypothesen van Bernoulli en Navier blijft de vervorming rechtlijnig over de hoogte verlopen; alleen de neutrale lijn komt hoger te liggen, daar door de scheuren (die aan de onderzijde beginnen) een steeds groter deel van de betontrekzone niet meer meedoet (afb. 2b). De spanningsfiguur blijkt geheel van vorm veranderd te zijn (afb. 2c). Ook hier is de neutrale lijn hoger komen te liggen en bovendien is het spanningsverloop in de betondrukzone ongeveer parabolisch geworden, als gevolg van het plastisch gedrag van het beton. In dat verloop is het σ′b − ε′b-diagram terug te vinden; het is namelijk getransformeerd op basis van het rechtlijnig gebleven vervormingsdiagram (affine transformatie). In de trekzone, waar het beton gescheurd is, heeft het wapeningsstaal de taak van het beton overgenomen. Vanwege het evenwicht moeten de resulterende drukkracht en de resulterende trekkracht aan elkaar gelijk zijn: N′b = Na . Het (inwendige) moment bedraagt M = N′bz = Naz (waarin z de inwendige hefboomarm).
Onder toenemende belasting neemt het aantal scheuren in de betontrekzone toe, worden de scheuren wijder en dringen zij steeds verder naar boven door. Het wapeningsstaal komt daardoor onder een steeds grotere trekspanning te staan en gaat ten slotte ‘vloeien’ (de vloeigrens σe van het staal wordt bereikt: σa = σe). De gewapend-betonbalk bezwijkt ten slotte doordat in de steeds kleiner geworden betondrukzone de opgewekte drukspanning groter wordt dan de betondruksterkte (σ′b ≧ σ'u). Dit gebeurt onder een belasting die veel groter is dan in het geval van een ongewapende betonbalk met dezelfde afmetingen. Hierin ligt het grote voordeel van het wapenen van beton.
De wapening wordt dus in principe altijd in de trekzone aangebracht (Soms wordt de drukzone van een wapening voorzien: de zgn. drukwapening, waarmee de weerstand van de drukzone wordt vergroot). Daar het inwendige moment, d.w.z. de sterkte van de gewapend-betonbalk, toeneemt met het groter worden van de inwendige hefboomarm z, zal de wapening het meest effectief zijn als deze zoveel mogelijk aan de buitenzijde van de trekzone ligt. Er moet echter altijd voldoende ‘betondekking’ op de wapening zijn, voor de vereiste aanhechting van het staal aan het beton en evenzeer om corrosie van het wapeningsstaal te voorkomen.
In gewapend beton ligt het wapeningspercentage gewoonlijk tussen 0,3...1,5% (in procenten van de totale betondoorsnede b × ht). Dit percentage mag niet te groot zijn, want dan zal de betondrukzone bezwijken voordat het wapeningsstaal gaat vloeien; het mag ook niet te klein zijn, want dan is er kans op ‘plotselinge breuk’.
Het gedrag van een op buiging belaste gewapend-betonbalk, die aan beide einden is ondersteund, doet sterk denken aan een ‘boog met trekband’. De boog wordt gevormd door het op druk belaste beton, de trekband door het op trek belaste wapeningsstaal (afb. 5).
Met behulp van dit model, dat gebaseerd is op de zgn. spanningstrajectoriën, kan de werking van diverse constructie-onderdelen van gewapend beton verduidelijkt worden (afb. 6 en 7). Ook kan hiermee beter inzicht worden verkregen in gecompliceerde problemen, zoals afschuiving, pons, invloed scheurvorming, opleggingen, verankering van de wapening in de trekzone enz.
In gewapend beton waarin de wapening goed functioneert, komen scheuren voor. Die zijn inherent aan het wapenen; zij horen erbij, want pas als zij zijn ontstaan, kan het wapeningsstaal de hem toebedeelde functie vervullen. Vanzelfsprekend mogen die scheuren niet te wijd worden, om esthetische redenen en nog meer om corrosie van het wapeningsstaal te voorkomen. Daarom dient de scheurwijdte klein te blijven, gewoonlijk van 0,2...0,5 mm (afhankelijk van de omstandigheden).
In gewapend beton heeft het wapeningsstaal tot taak, de in de trekzone optredende trekkrachten op te nemen, daar het beton hiervoor niet zo geschikt is. Maar zolang er in de betontrekzone geen scheuren zijn ontstaan, speelt het staal geen rol van betekenis. Daarom wordt hier wel van een ‘passieve’ wapening gesproken.
Aan het staal kan echter ook een meer ‘actieve’ rol worden toebedeeld. Dan wordt het beton met behulp van het staal ‘voorgespannen’; voorgespannen beton (het voorspannen kan trouwens ook op andere wijzen tot stand komen).
Het principe van het voorgespannen beton is, dat van tevoren in het beton, vooral in de trekzone, een drukspanning wordt opgewekt (de voorspanning). Daarvoor bestaan in principe drie verschillende werkwijzen:
1. Met nagerekt staal.
Zodra het beton voldoende is verhard, wordt het speciale voorspanstaal (draden, kabels, strengen, staven) door in het beton uitgespaarde kanalen gevoerd, vervolgens gespannen (uitgerekt) en dan aan beide einden in het beton verankerd. Het staal staat dan onder trek en het beton bijgevolg onder druk.
2. Met voorgerekt staal.
Het staal (draden, strengen) wordt onder trekspanning gebracht (uitgerekt) en daarna wordt het beton om dat staal heen gestort. Zodra het beton voldoende verhard is, worden de tijdelijke verankeringen (die zich buiten het beton bevinden) losgemaakt. De dan optredende verkorting van het staal veroorzaakt drukspanningen in het beton, omdat dit zich aan het staal heeft gehecht.
3. Met behulp van vijzels enz., ook wel ‘uitwendige voorspanning’ genoemd (de eerste twee werkwijzen zijn toepassingen van ‘inwendige voorspanning’). Het beton wordt voorgespannen met behulp van vijzels e.d. die tegen de einden van de constructie zijn geplaatst; de hierbij vereiste tegendruk moet worden geleverd door bijvoorbeeld een stevige rots of een goedgefundeerd grondanker.
Bij alle drie werkwijzen wordt het beton onder een vrij hoge drukspanning gebracht. Vandaar dat het toegepaste beton een grote druksterkte moet bezitten (hoogwaardig beton). Bij de eerste twee werkwijzen wordt het staal onder een vrij hoge trekspanning gebracht. Vandaar dat het toegepaste staal (voorspanstaal) een grote treksterkte moet bezitten (hoogwaardig staal).
Als voorgespannen beton wordt belast, moet de erin opgewekte drukspanning eerst overwonnen worden, voordat in de betontrekzone trekspanningen gaan optreden. Meestal wordt de voorspanning zo groot gekozen, dat er in de trekzone geen scheuren ontstaan. De gehele betondoorsnede blijft dan meewerken en dat is de voornaamste reden waarom in voorgespannen beton slankere constructies mogelijk zijn dan in gewapend beton.
Wat er gebeurt bij belasting van voorgespannen beton, kan worden verduidelijkt met spanningsfiguren (afb. 8 en 9).
In het dagelijks leven wordt het principe van het voorspannen dikwijls toegepast, meestal zonder dat men daar erg in heeft. Een bekend voorbeeld doet zich voor bij het verplaatsen van een rij boeken: met beide handen worden deze boeken tegen elkaar aangedrukt en door deze ‘voorspanning' kan de rij losse boeken als één geheel worden opgenomen en verplaatst. Opmerkelijk is dat dezelfde idee de laatste jaren ook letterlijk in de betonpraktijk wordt toegepast, vooral in de bruggenbouw: afzonderlijke ‘moten’ worden met behulp van voorspankabels aan elkaar ‘geregen’ en aldus tot een complete brug samengevoegd. Als andere praktijk-voorbeelden van voorspanning zijn te beschouwen: een hard opgepompte voetbal of luchtband, de duigen van een ton, stalen banden om houten wagenwielen enz.