Testar betong mot beskjutning – miljöbetongen oväntat stark

2022-11-16 11:49  
En projektil genom en testvägg av betong, världens mest använda byggmaterial. Foto: Simlab

Miljövänlig betong klarar av projektiler och missiler lika bra som normalbetong.

Att bygga betongkonstruktioner för att sedan skjuta dem i bitar är både kostsamt och tidskrävande. Därför utvecklar nu Forsvarsbygg, en förvaltningsmyndighet underordnad det norska försvarsdepartementet, dataverktyg som ska ge svar kring betongens motståndskraft utan verkliga tester.

För att ett sådant simuleringsprogram ska bli exakt kommer man dock inte undan fältförsök. Forskarna, som kommer från Simlab (NTNU) och NKSB (Forsvarsbygg), har därför fokuserat på småskaliga försök med en 50 mm tjock platta av oarmerad betong i den första omgången för att göra uppdraget hanterbart.

Inledningsvis mäts skador vid beskjutning, som genomträngning, kraterstorlek och utkast. Därefter används mätningarna till att bedöma numeriska modeller som visar virtuella förlopp vid beskjutning med olika slags artilleri och i olika hastigheter. Modellerna förbättras tills träffsäkerheten är tillräckligt hög.

Forskarna har sedan upprepat experimenten med tjockare betong och betong av olika kvaliteter.

Samma kapacitet som vanlig betong

En hel del arbete återstår innan verktyget är färdigt att användas, men en slutsats har forskarna redan kunnat dra: Betong med lägre koldioxidutsläpp tycks skydda lika effektivt mot projektiler och missiler som vanlig betong.

– Våra försök visar att betong med låga koldioxidutsläpp har lika hög kapacitet som vanlig betong, konstaterar Sumita Dey, senior ingenjör på NKSB, Forsvarsbyggs nationella kompetenscenter för säkra byggnader.

Under 2022 års säkerhetskonferens presenterade hon forskningsprojektet, som finansieras av norska försvarsdepartementet. Hon visade bland annat resultat där betong med låga koldioxidutsläpp jämfördes med normalbetong av olika kvaliteter. Resultaten låg mycket nära varandra.

Slutsatsen är att det spelar mindre roll om det är traditionell betong eller betong med låga koldioxidutsläpp som används, så länge fastheten och tjockleken är densamma.

– Betong med låga koldioxidutsläpp har längre härdningstid än normalbetong men ger ett lika gott ballistiskt skydd, säger Sumita Dey när hon träffar TU några dagar efter konferensen.

Betong står för åtta procent av världens koldioxidutsläpp

Syftet med forskningsprojektet är att utveckla beräkningsmetoder som kan hjälpa försvaret att förstärka byggnader och konstruktioner mot vissa ”givna hot”, allt från skott med handvapen till raketer och missiler.

– Verktyget ska också kunna används till att simulera andra slags påfrestningar på betongkonstruktioner, till exempel stötskador vid olyckor, påpekar Dey.

Hon nämner betonginstallationer i oljeindustrin som ett exempel. Även där finns ett mål om att minska utsläppen av växthusgaser.

Betong står redan för omkring åtta procent av världens koldioxidutsläpp. Utsläppen kommer framför allt från produktionen av cement, som är bindemedlet i betong. Genom att tillsätta andra bindemedel, som flygaska från kolkraftverk och kvartsdamm från stålverk, kan mängden cement minskas.

Betong med låga koldioxidutsläpp innehåller cirka 25 procent mindre cement än normalbetong, något som ger en koldioxidreduktion på 20 procent. Det finns också betongkvaliteter med ännu mindre cement, och i betong med extremt låga utsläpp kan mängden koldioxid halveras.

I det forskningsprogram som Forsvarsbygg deltar i har man dock än så länge bara testat betong med låga koldioxidutsläpp. Sumita Dey berättar att resultaten kommer att kunna användas som rådgivande även för civila byggutvecklare i Norge, både offentliga och privata.

– Verktyget vi utvecklar kommer också att kunna användas på befintliga byggnader. Betong blir inte svagare med tiden, snarare tvärtom, säger hon.

Arbetsmetoden har bestått i att jämföra småskaliga försök i laboratorium med realistiska fältförsök. I testerna har man använt en 50 millimeter tjock, oarmerad betongplatta i tre olika kvaliteter (tryckhållfasthet C35, C75 och C 110). Med hjälp av en gaskanon och en generisk projektil på cirka 200 gram har man kunnat mäta ändringar i hastighet och bana med höghastighetskamera.

Läs mer: Så minskar utsläppen om framtidens städer byggs av trähus

Fysikens lagar säger att hastighet är viktigare än till exempel projektilens storlek, bana och vinkel i träffpunkten. Den viktigaste parametern i försöken har varit ballistisk gränshastighet, det vill säga den kritiska hastigheten precis innan projektilen stoppas eller går igenom betongplattan.

Inte oväntat behövde hastigheten ökas med högre betongkvalitet, och ökningen kan nästan beskrivas som linjär, berättar Dey. Detsamma gäller tjockleken på betongen. Genom att kombinera dessa resultat med andra mätningar som kraterstorlek och utkast, det vill säga materialbitar som blåser in i utrymmet bakom islagspunkten, kommer forskarna att kunna beräkna vad som händer med en given betongvägg som utsätts för extrem belastning.

– Att beräkna utkast är viktigt. Betong är ett sprött material, och omfattande utkast kan orsaka stor skada för dem som befinner sig på insidan av en vägg som angrips, förklarar Dey, som tog sin doktorsexamen på liknande undersökningar av stål.

Stålarmering används för att öka draghållfastheten hos betong, som tål högt tryck men begränsad sträckning. Stål däremot tål både sträckning och tryck bra. I det här forskningsprojektet har både armerad och oarmerad betong testats, och resultaten visar att armeringen har begränsad betydelse.

– Armering kan begränsa utkast, men kapaciteten ökar minimalt. En projektil går lika lätt igenom armerad betong som oarmerad betong, det är genomslagskraften vi har fokuserat på i det här projektet, understryker hon.

Även om betong har funnits i ”alla tider” är hon övertygad om att forskningsprojektet kommer att ge Forsvarsbygg ett användbart hjälpmedel för att dimensionera nya byggnader eller förstärka gamla. Stora utsläpp kan sparas genom att man väljer en tunnare konstruktion där det är försvarbart.

– Det gör oss mindre beroende av spekulationer och tidigare erfarenhet. Simlab, som Forsvarsbygg har ett nära samarbete med, är världsledande i att utarbeta liknande numeriska modeller, säger Sumita Dey.

Forskningsprojektet ingår dessutom i en doktorsavhandling hos Simlab där Sumita Dey är handledare.

Knut Bjørheim/TU

Mer om: Betong

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt