Opwarming verandert de afmetingen van het beton

Beton bestaat uit toeslagmateriaal, zoals zand en grind, dat door verharde cementpasta wordt verbonden. Bij opwarming verandert de gemiddelde afstand tussen de deeltjes in deze bestanddelen. Op de schaal van een vloer of balk levert dat doorgaans een kleine, meetbare vergroting van de afmetingen op: thermische uitzetting.

Hoe sterk beton uitzet, wordt beschreven met de uitzettingscoëfficiënt: de relatieve lengteverandering per graad temperatuurverschil. Onder meer de samenstelling van het toeslagmateriaal beïnvloedt deze waarde. Daarom kan niet voor iedere betonsamenstelling zonder meer hetzelfde getal worden gebruikt, ook al blijft het algemene mechanisme gelijk.

Voor een vrij bewegend element met een gelijkmatige temperatuur geldt bij benadering een eenvoudig verband: de lengteverandering is evenredig met de oorspronkelijke lengte en het temperatuurverschil. Een tweemaal zo lang element beweegt bij dezelfde opwarming dus tweemaal zoveel. Bij afkoeling keert de richting van die thermische beweging om.

Een belemmerde beweging veroorzaakt spanning

Een losliggend betonnen element kan langer worden zonder dat daardoor grote langsspanningen hoeven te ontstaan. Een wand die stevig met andere constructiedelen is verbonden, krijgt die vrijheid niet vanzelf. De aansluitingen houden de beweging gedeeltelijk of vrijwel volledig tegen, terwijl het beton door de temperatuurverandering wel van lengte wil veranderen.

Bij verhinderde uitzetting ontstaat drukspanning; bij verhinderde verkorting ontstaat trekspanning. Beton kan relatief goed druk opnemen, maar veel minder goed trek. Koelt een sterk vastgehouden constructiedeel af, dan kunnen scheuren ontstaan wanneer de trekspanning de plaatselijke treksterkte overschrijdt. Wapening voorkomt niet iedere scheur, maar kan de scheurwijdte beperken.

Een bewegingsvoeg kan ruimte bieden om naburige bouwdelen ten opzichte van elkaar te laten verschuiven. Die ruimte moet ook werkelijk beschikbaar blijven, bijvoorbeeld bij het plaatsen van stalen plantenbakken van staaltuin. Als harde vulling of rechtstreeks contact de voeg blokkeert, kunnen de randen eerder tegen elkaar drukken en krachten overdragen die bij een vrije beweging niet zouden ontstaan.

Een temperatuurverschil door de dikte laat een element buigen

Niet ieder deel van een betonconstructie warmt even snel op. Bij een vloerplaat in de zon kan het bovenvlak warmer worden dan de onderzijde. De bovenste laag wil dan sterker uitzetten dan de onderste laag. Omdat beide lagen aan elkaar vastzitten, kunnen ze niet onafhankelijk langer worden.

Daardoor ontstaat een neiging tot kromming: de warmere zijde wil de langere buitenzijde van de kromming vormen. Het temperatuurverloop door de dikte wordt beschreven met een temperatuurgradiënt: de temperatuurverandering per eenheid afstand. Ook wanneer de gemiddelde temperatuur van de plaat weinig verandert, kan zo'n verschil door de dikte al vervorming veroorzaken.

Opleggingen en verbindingen bepalen vervolgens hoeveel kromming werkelijk mogelijk is. Ze kunnen de vervorming beperken en daardoor extra spanningen oproepen. Bij een plaat kunnen randen daardoor anders op hun ondersteuning gaan drukken of plaatselijk daarvan loskomen. Alleen een gemiddelde betontemperatuur beschrijft dit gedrag dus onvoldoende.

Een rekenvoorbeeld maakt de benodigde bewegingsruimte zichtbaar

Een hypothetisch rekenvoorbeeld betreft een vrij bewegende betonstrook van twintig meter. Met een aangenomen uitzettingscoëfficiënt van 0,01 millimeter per meter per graad en een gelijkmatige opwarming van dertig graden bedraagt de verlenging zes millimeter. Deze gekozen waarde dient ter illustratie en is geen vaste materiaaleigenschap van alle beton.

Die zes millimeter verschijnt niet noodzakelijk volledig aan één uiteinde. Ligt het vaste punt in het midden, dan beweegt ieder uiteinde in dit vereenvoudigde voorbeeld drie millimeter naar buiten. Een voeg tussen twee bouwdelen kan beweging van beide kanten ontvangen. Alleen de verlenging van één bouwdeel berekenen is dan niet voldoende.

De berekening gebruikt de temperatuurverandering van het beton, niet automatisch die van de buitenlucht. Ook beschrijft zij uitsluitend vrije thermische lengteverandering. Beton kan daarnaast door vochtverlies krimpen; die krimp verdwijnt niet simpelweg door opwarming. Zichtbare scheuren of verplaatsingen zijn daarom niet zonder meer uitsluitend aan temperatuur toe te schrijven.