Bindningsbeteendet mellan lätt stål och skumbetong under frys-tö-cykler

Skumbetong är ett cementbaserat material med inblandad luft som skapar en porös struktur. Materialet används ofta tillsammans med tunnväggiga, kallformade stålprofiler – särskilt i prefabväggar och icke-bärande element. I kalla klimat, där konstruktioner utsätts för cyklisk frysning och upptining, kan dock mikrostrukturella skador uppstå i gränszonen mellan stål och betong. Detta riskerar att försämra samverkan och långsiktig hållfasthet.

Tidigare forskning har fokuserat på traditionell betong, men mycket lite har varit känt om hur skumbetong reagerar i kombination med lätt stål under termisk cykling. Den aktuella studien från forskare vid Anhui University of Science and Technology i Kina fyller detta kunskapsgap.

Forskargruppen tillverkade 23 provkroppar bestående av lätt stål inbäddat i skumbetong med olika densiteter och porositeter. Proverna utsattes för upp till 100 frys-tö-cykler i laboratorium, där temperaturen varierade mellan –20 °C och +20 °C.

Bindningsförmågan analyserades med så kallade push-out-tester, där kraften som krävs för att skjuta ut stålkärnan ur betongen mäts. Parallellt genomfördes mikroskopiska analyser av gränssnittet och porstrukturen.

För att fånga in helheten utvecklade forskarna också en tredelad glidmodell samt en prediktiv modell för bindningsstyrka under cyklisk nedbrytning.
Efter 100 cykler hade bindningsstyrkan minskat med upp till 31 procent beroende på betongens densitet och tillstånd (fruset eller upptinat). Trots detta bibehölls en signifikant del av bindningen – ett viktigt resultat för ingenjörer som dimensionerar konstruktioner i kalla klimat.

Prover med högre densitet (och därmed lägre porositet) uppvisade både högre initial bindningsstyrka och bättre beständighet mot frys-tö-påverkan. Detta tyder på att skumbetongens sammansättning kan optimeras för att förbättra hållfastheten i hybridlösningar med stål.

Intressant nog var bindningsspänningen i fruset tillstånd 5–8 procent högre än i upptinat tillstånd vid samma antal cykler. Detta förklaras av isens temporära förstärkning av gränsskiktet, men är förstås inte hållbart i praktiken.

Studien föreslår en glidmodell i tre steg för att bättre beskriva den progressiva förlusten av bindning vid ökande glid. Dessutom introduceras en prediktiv formel för hur relativ bindningsstyrka försämras med ökande antal frys-tö-cykler – en modell som potentiellt kan integreras i framtida normer eller FEM-baserade beräkningsprogram.

Forskningen bekräftar att skumbetongens mikroskopiska egenskaper – särskilt porositet och densitet – är avgörande för samverkan med lätt stål under termisk påverkan. Den visar också att viss förlust av bindning är oundviklig, men att rätt materialval kan minimera effekten. Resultaten är särskilt relevanta för byggande i kalla regioner, där hållfasthet och livslängd måste säkerställas trots frostpåverkan.
Referens

Läs rapporten i sin helhet här