Invloed van seismische rekspanning op de evolutiewet van microbarsten in beton TPB-tests met AE-technologie

Waarom kleine scheurtjes in beton tijdens aardbevingen ertoe doen

Als een aardbeving een stad doet schudden, hangt de veiligheid van bruggen, tunnels en gebouwen af van hoe het beton daarin bezwijkt. Deze studie bekijkt nauwkeurig de kleine scheurtjes die in beton ontstaan en groeien wanneer het wordt doorgebogen bij snelheden vergelijkbaar met seismische schokken. Door te luisteren naar het geluid van scheurvorming tonen de onderzoekers aan hoe snellere trillingen beton sterker kunnen doen lijken, terwijl het falen tegelijk plotselinger en brosser wordt — met belangrijke gevolgen voor structurele veiligheid.

Hoe het team aardbevingsachtige belasting testte

De onderzoekers maakten betonnen liggers met een beginnende inkeping en bogen ze in een driepuntsbuigopstelling, waarbij elke ligger op twee steunpunten rustte terwijl een belasting in het midden naar beneden drukte. Ze controleerden nauwkeurig hoe snel de belasting werd aangebracht, van zeer langzaam, bijna statisch, tot snelheden vergelijkbaar met die door aardbevingen. Tegelijk gebruikten ze akoestische-emissiesensoren, die werken als kleine microfoons, om de elastische golven op te vangen die vrijkomen telkens wanneer een microbarst in het beton ontstaat of groeit. Dit stelde hen in staat zowel het zichtbare gedrag van de ligger als de onzichtbare scheuractiviteit diep binnenin te registreren.

Beton wordt sterker maar brosser naarmate de belasting toeneemt

De buigproeven toonden aan dat beton zich anders gedraagt onder langzame en snelle belasting. Toen het vervormingstempo toenam van bijna statisch naar aardbevingsniveau, nam de piekbelasting die de liggers konden dragen toe met ongeveer een derde, en ook de energie die nodig is om een scheur door de ligger te laten lopen steeg in vergelijkbare mate. Deze schijnbare versterking ontstaat omdat het water dat in de poriën en kleine spleten van het materiaal vastzit bij hoge belastingssnelheden niet snel genoeg kan wegstromen, waardoor extra weerstand ontstaat die de scheurgroei vertraagt. Hoewel de liggers hogere belastingen konden dragen, werd het falen abrupt, met minder zichtbare waarschuwing en een steilere lastafname zodra de hoofdbarst doorzette.

Van kronkels naar recht-door-breuken

Door de gebroken oppervlakken te onderzoeken vonden de onderzoekers dat de scheurpaden veranderden met het beladingssnelheid. Bij langzame belasting kronkelden de scheuren rond de grotere steendeeltjes en volgden ze de zwakkere grenszones tussen steenslag en mortel. De breukvlakken waren ruw en veel grof aggregaat bleef intact zichtbaar, wat erop wijst dat het materiaal op een geleidelijkere, taaiere manier faalde. Bij snellere belasting liepen de hoofdbarsten echter rechter en sneed­en ze rechtstreeks door veel aggregaten heen. Dit rechte, doorstampende faalmechanisme geeft aan dat het materiaal geen tijd had om een gemakkelijker pad te zoeken en in plaats daarvan de sterkere delen van het interne skelet verbrak, waardoor de schade in een smalle zone geconcentreerd raakte.

Luisteren naar scheuren om verborgen schade in kaart te brengen

De metingen van akoestische emissie gaven een gedetailleerd beeld van hoe microbarsten zich ontwikkelden. Met toenemende belastingssnelheid namen zowel het aantal geregistreerde scheurgebeurtenissen als de totale akoestische energie toe, wat aantoont dat intensere interne beschadiging plaatsvond. Bij lage snelheden waren deze gebeurtenissen verspreid langs de lengte van de ligger, overeenkomend met een brede schadezone en een kronkelende hoofdbarst. Bij hogere snelheden clusterden de signalen dicht bij de reeds aanwezige inkeping, wat onthult dat kleine barsten samensmolten tot een enkele, geconcentreerde breuklijn. Door de vormen van de opgenomen golfvormen te analyseren, vonden de onderzoekers ook dat het dominante scheurtype verschoof van openingsscheuren, die vlakken uit elkaar trekken, naar schuifscheuren, die vlakken langs elkaar schuiven, naarmate de belasting sneller werd.

Wat dit betekent voor aardbevingsbestendig ontwerp

De studie concludeert dat beton onder aardbevingsachtige belasting hogere spanningen kan dragen maar de neiging heeft om plotselinger te bezwijken, met rechtere, door schuifkrachten gedomineerde scheuren die weinig voorteken geven. Deze afweging tussen sterkte en taaiheid betekent dat ontwerpnormen die uitsluitend op langzame, statische tests zijn gebaseerd het risico op brosse breuk tijdens echte aardbevingen kunnen onderschatten. De bevindingen suggereren dat ingenieurs rekening moeten houden met hoe scheurpatronen en interne schade veranderen met beladingssnelheid, onderdelen van constructies moeten versterken waar schuifscheuren waarschijnlijk zijn, en monitoringsystemen moeten gebruiken die verschuivingen in scheurgedrag kunnen detecteren voordat ze tot plotseling falen leiden.

Bronvermelding: Xiao, D., Wen, L., Cao, Y. et al. Influence of seismic strain stress on evolution law of microcracks in concrete TPB tests using AE technology. Sci Rep 16, 15483 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49968-0

Trefwoorden: betonbreuk, seismische belasting, rektempo, microbarsten, akoestische emissie