Civieltechnische Materiaalkunde - Uiterkingen tentamen 1 TENTAMEN CIVIELTECHNISCHE MATERIAALKUNDE (NIEUWE STIJL) Antoorden vakcode 226073 1
MEERKEUZEVRAGEN Vraag 01 Asfalt a) is een composiet. Want bestaat uit een polymeer (bitumen) en steenachtige materialen (steenslag, zand). Zie reader. Vraag 02 d) Materiaal 1 is zakker en brosser dan materiaal 2. Omdat Materiaal 1 een hogere treksterkte kan opnemen, maar Materiaal 2 een grotere verlenging kan ondergaan voordat het bezijkt. Zie reader. Vraag 03 Welke uitspraak is het meest compleet; de treksterkte van asfalt kan orden bepaald met: c) de trek-, splijt- en buigproef. Zie o.a. Bijlage C van boek Asfalt. Dit geldt ook voor steenachtige materialen zoals beton (zie reader). Vraag 04 De groene sterkte van beton ordt bevorderd door: a) een lage cf. De sterkte van groen beton komt tot stand door cohesie van ater en vast stoffen (cement, aggregaat). Een lage cf bevordert dit (zie o.a. Fig. 9.4 van boek Beton). Vraag 05 Tussen tee stalen pijlers ordt bij 0 0 C een houten balk van 3 m lengte met een drukspanning van 5 N/mm 2 ingeklemd met behulp van tee darsbalken en hieraan vastgelijmd. Deze darsbalken hebben een thermische uitzettingscoëfficiënt van 0 / 0 C (met andere oorden: alleen staal en hout ondergaan thermische uitzetting/krimp). De temperatuur van pijlers en balk ordt tot 100 0 C verhoogd. Pijlers en darsbalken mogen als oneindig stijf t.o.v. de houten balk orden verondersteld en de balk als onknikbaar. Welke spanning heeft de balk en groot is deze? d) een trekspanning van 3 N/mm 2. Gegevens Elasticiteits- Uitzettingsmodulus E coëfficiënt Staal: 210.000 N/mm 2 12 10-6 / 0 C Hout: 10.000 N/mm 2 4 10-6 / 0 C Het hout il verlengen: 100 0 C x 3m. x 4 10-6 / 0 C = 12 10-4 m. Het staal verlengt: 100 0 C x 3m. x 12 10-6 / 0 C = 36 10-4 m. Het staal verlengt dus meer door de temperatuurverhoging dan het hout, en omdat het hout moet volgen ondergaat het hout een extra verlenging van 24 10-4 m, door het trekken van het staal. Daarvoor is nodig een spanning van 10.000 N/mm 2 x 24 10-4 m/3 m = 8 N/mm 2 omdat spanning = E-modulus x rek, en de rek is gedefinieerd als verlenging gedeeld door lengte. Het staal oefende een drukspanning van 5 N/mm 2 uit op het hout (ofel het hout onderging een drukspanning van 5 N/mm 2 ), om het te verlengen is 8 N/mm 2 nodig, daarom blijft effectief een trekspanning van 3 N/mm 2 over. Indien het hout al een trekspanning had ondergaan van 5 N/mm 2, dan as de spanning 5 N/mm 2 + 8 N/mm 2 = 13 N/mm 2. Zie reader. 2
Vraag 06 De uithardingreactie van het bindmiddel C 3 S (= 3CaO.SiO 2 ) loopt als volgt: 2C 3 S + 6H (= 6H 2 O) C 3 S 2 H 3 + 3CH (= 3Ca(OH) 2 ). C 3 S is een bestanddeel van cement. Hoe groot dient de minimale ater/bindmiddel factor te zijn voor volledige hydratatie van C 3 S? b) 0,24. Gegevens: Element: Ca Si O H Atoommassa (g/mol): 40 28 16 1 Water/bindmiddel factor (of verhouding) is massa ater op massa bindmiddel (b.v. cement, maar hier C 3 S) voor volledig reactie van dat bindmiddel. Uit de reactievergelijking volgt dat de massa ater 6 H bedraagt, dus deze is 6 x 18 = 108, omdat de massa van 1 molecuul ater 18 is (16 + 2). De massa van 2C 3 S bedraagt 2 x (3 x (40 + 16) + (28 + 2 x 16)) = 456. De factor is nu 108/456 = 0.237. Zie hoofdstuk 2 van boek Beton. Vraag 07 Hygrische krimp zal geringer zijn bij beton dat: a) meer apening en toeslag met een hoge elasticiteitsmodulus bevat. De cementsteen kan krimpen/zellen door ater afname/opname. Het aggregaat (zand, grind) en de apening (staal) beletten dit. Hoe meer aggregaat en/of hoe stijver het aggregaat, des te minder de cementsteen (en daarmee het beton) kan erken. Zie hoofdstuk 12 van boek Beton. Vraag 08 Op de bouplaats dient een beton met een druksterkte van 90 N/mm 2 te orden gemaakt. Aanezig zijn zand, grind, ater en cement met een normsterkte van 60 N/mm 2. Wat kan men vanuit kostenoogpunt het beste doen? c) cement met een hogere normsterkte bestellen. Het is mogelijk een beton te maken die ongeveer 10% sterker is dan de cement (Zie Fig. 11.9 uit boek beton) door de juiste cf en aggregaatgehalte te kiezen. Het verschil van 60 N/mm 2 en 90 N/mm 2 is echter te groot om te overbruggen, vandaar dat beter een sterkere cement kan ordne esteld, bv. Met een normsterkte van 80 N/mm 2. Vraag 09 Portlandcement, hoogovenslakken en vliegas bezitten verschillende reactiviteiten. Wat is de onderlinge volgorde van toenemende reactiviteit? b) vliegas, hoogovenslakken, portlandcement. Cement is het meest reactief. Daarna komen de slakken en daarna de vliegas. Slakken zijn o.a. reactiever omdat ze minder SiO 2 (S in cementchemie notatie) bevatten. De verminderde reactiviteit beperkt de hoeveelheid ervan die je als cementvervanging kunt toepassen. Slakken kunnen cementklinker el voor 80% vervangen, vliegas kan cementklinker maar voor ongeveer 30% vervangen. Zie hoofdstuk 1 en Fig. 11.14 van boek Beton. Vraag 10 Een producent van steenachtige isolatiematerialen il zijn productie opvoeren door de porositeit van zijn product te verhogen bij gelijke verbruik van grondstof. De porositeit van de producten as 20%, en ordt nu opgevoerd tot 60%, terijl het formaat van de producten gelijk blijft. De nieue producten met hogere porositeit hebben een hogere marktaarde aangezien ze beter armte isoleren. Wanneer e aannemen dat de marktaarde van het product recht evenredig is met de porositeit ervan bereikt de producent: d) een 6 maal hogere omzet. Het vaste stofgehalte as 80%, dit ordt 40%, dus er kan 2 keer zoveel product orden gemaakt met dezelfde grondstof. De aarde van dit product is 3 keer zo hoog, omdat de porositeit 3 keer zo hoog is. Daarom stijgt de omzet 6 keer. Zie de reader. 3
Vraag 11 Welke uitspraak met betrekking tot betonsamenstelling is correct: a) versnellers en luchtbelvormers zijn hulpstoffen. Spreekt voor zich, zie hoofdstukken 7 en 11 van boek Beton. Vraag 12 Vorst- en dooischade van beton ontstaat door: c) de thermische uitzetting van ijs bij oparming. Het beton gaat niet kapot door de overgang van ater naar ijs en de bijbehorende volume toename van 10%. Dit kan namelijk orden opgevangen door de poriën in de beton, het nog niet bevroren ater kan orden eg geperst en zo intern ruimte creëren. Wanneer het beton oparmt (b.v. van 10 0 C naar - 5 0 C) dan zetten beton en ijs uit. Het ijs heeft echter een 5 keer grotere thermische uitzettingscoëfficiënt dan beton, zodat het beton trekspanningen ondergaat en kan gaan scheuren. Zie hoofdstuk 15 van Beton. Vraag 13 Een beton ordt gemaakt met CEM 32,5, ater en toeslag (zand en grind). Er ordt uitgegaan van een cementgehalte van 310 kg/m 3, een cf van 0,48 en dat 75% van het volume uit toeslag bestaat. Bereken de kostprijs van deze beton. c) 44,5 /m 3. Gegevens cement toeslag ater Dichtheid 3100 kg/m 3 2600 kg/m 3 1000 kg/m 3 Prijs 80 /ton 10 /ton 1,5 /ton De kostprijsberekening is als volgt: Cement: 310 kg/m 3 x 80 /1000kg = 24,80 Water: 0,48 x 310 kg/m 3 x 1,5/1000kg = 0,22 Aggregaat: 75% x 1 m 3 = 0,75 m 3, ofel 0,75 m 3 x 2600 kg/m 3 x 10 /1000kg = 19,50 Totaal 44,52 Uit de berekening volgt dat cement de duurste component van de beton is. Vraag 14 In de Figuur staat de volumeontikkeling eergegeven bij de hydratatie van portlandcement (1 = ongehydrateerd cement, 2 = gehydrateerd cement zonder hydraatater, 3 = hydraatater, 4 = fysisch gebonden ater, 5 = vrij ater, 6 = chemische krimp). Ten aanzien van de geschetste volumeontikkeling van het ater-cement mengsel kan orden gesteld dat: a) er te einig ater is toegevoegd om volledige hydratatie te doen plaatsvinden. Bij = 1 is te zien dat er nog cement over is alle, zie Fig. 3.1 van boek Beton voor uitleg. Vraag 15 Wapeningscorrosie kan orden tegen gegaan door toepassing van: b) silicafume. Silicafume maakt de structuur van cementsteen dichte, zodat zuurstof, ater en chloriden moeijker kunnen indringen en bij de apening kunnen komen. Zeegrind (bevat sporen zout NaCl) en CaCl 2 zijn uit den boze, zo ordt Cl in de beton gebracht! Zie hoofdstukken 11 en 15 van boek Beton. Vraag 16 De kruip van normaal beton: a) neemt toe met de hoeveelheid cementlijm. Net zoals bij krimpen/zellen, het is de cementsteen die gevoelig is voor kruip en relaxatie (lange duur gedrag). Het aggregaat (met name met een hoge E-modulus) en de apening gaan dit tegen. Hoogovencement en/of een lagere cf reduceren kruip. Zie hoofdstuk 13 van boek Beton. 4
Vraag 17 Duplexstaal c) is roestvast én sterk. RVS is normaliter zakker dan constructiestaal. Duplexstaal is echter roestvast én sterk, en ook duur Zie hoofdstuk 2 (1 ste t/m 3 de druk) of 3 (4 de druk) van boek Staal. Vraag 18 De torpedoagen ordt gebruikt om b) ruijzer te transporteren. Zie hoofdstuk 4 en Fig. 4.2 (1 ste t/m 3 de druk) van boek Staal. Dit aspect komt in de 4 de druk niet meer voor, maar is el in het college behandeld. Vraag 19 In een vlakke dunne staalplaat dienen vierkante gaten te orden aangebracht. Welke techniek komt het eerst in aanmerking? c) ponsen. Omdat de plaat dun is kan met een stempel gemakkelijk gaten met iedere geenste vorm uit de plaat orden geperst (soort perforeren). Zie hoofdstuk 5 (1 ste t/m 3 de druk) van boek Staal. Dit aspect komt in de 4 de druk niet meer voor, maar is el tijdens het college behandeld. Vraag 20 Welk onterpen hebben de beste vormgeving t.a.v. voorkoming van corrosie? c) 2 en 3. De optimale onterpen hebben geen ruimten aar ater in kan blijven staan. Voor constructies is het belangrijk dat ater gemakkelijk eg kan stromen en niet blijft staan. Dit geldt overigens niet alleen voor staal, maar ook voor hout (rot) en beton (vorst/dooischade). Zie hoofdstuk 11 (1 ste t/m 3 de druk) of 8 (4 de druk) van boek Staal. Vraag 21 Welke maatregel verslechtert de hechting tussen bitumen en aggregaat? a) glad aggregaat toepassen. Ru en droog aggregaat verbetert de hechting. Ook een hoge viscositeit van de bitumen en kalksteen als aggregaat is goed voor hechting. Zie hoofdstuk 3 van boek Asfalt. Vraag 22 Welke uitspraak is het meest volledig? Poederkoolvliegas kan orden toegepast in: d) betonmortel, asfaltmortel en asfaltaggregaat. Zie hoofdstukken 3 en 4 van boek Asfalt, en hoofdstuk 7 van boek Beton. Vraag 23 De Penetratieproef ordt gebruikt voor de bepaling van: c) de consistentie van bitumen. Zie hoofdstuk 4 van boek Asfalt voor diverse bestaande testen aan bitumen. Vraag 24 De Marshallhamer dient om: c) een asfaltmengsel te verdichten. De Marshall hamer verdicht, en daarna ordt met de Marshallproef de mechanische eigenschappen van asfalt bepaald. Zie Bijlage C van boek asfalt. Vraag 25 Welke uitspraak is correct? d) In de Nederlandse bou ordt meer naaldhout dan loofhout gebruikt. Zie reader. 5
Vraag 26 Een houtsoort vertoont de volgende relatie tussen evenichtvochtgehalte (EV, in %) en relatieve vochtigheid (RV, ook in %): EV RV = 25 100 2 Bij een relatieve vochtigheid van 100% zijn alle houtporiën volledig gevuld met ater (S = 1). De soortelijke massa van de het materiaal ( s ) bedraagt 2000 kg/m 3, en die van ater ( ) bedraagt 1000 kg/m 3. Wat is de porositeit van het hout? c) 0,33. Volgens p. 92-94 van de reader volgt EV Gnat G = Gdroog droog en bedraagt 25% = 0,25 anneer RV = 100%, d..z. alle poriën zijn alleen en volledig gevuld met ater (S = 1), dus geen lucht. Dit betekent G nat G droog = G ater = 0,25 G droog. Als G droog bijvoorbeeld 100 kg bedraagt, dan volgt G ater = 0,25 kg. De porositeit van het materiaal (is het atervolume gedeeld door het totale volume omdat er geen lucht in de poriën aanezig is),, volgt nu uit: = V V = =. Substitutie van alle bovenstaande getallen leidt tot = 0.33. V V + V s G ater ρ G ater ρ G + ρ droog s Vraag 27 Wanneer hout nat ordt: b) Nemen de druk- en de treksterkte af. Alle mechanische eigenschappen van het hout gaan aanzienlijk achteruit met toenemend atergehalte. Zie p. 99 van de reader. 6
Antoorden Vraag 31 Vraag 32 Vraag 32 a) de elasticiteitsmodulus is de evenredigheidsconstante binnen de et van Hooke. Deze verondersteld dat de spanning en de vervorming evenredig met elkaar zijn. (De et van Hooke geldt indien als de spanning ordt eggenomen ook de vervorming verdijnt). b) De richtingscoefficient in het rek-spanningsdiagram (zie figuur bij vraag 31). Deze kan dus orden berekend door de spanning te delen door verlenging(rek) c) De are spanning is de spanning in het materiaal bij uitrekking (trek) rekening houdend met de kleiner orden darsdoorsnede (A). De darsdoorsnede ordt kleiner omdat volume gelijk blijft en tegelijkertijd de lengte toeneemt (door de rek). Spanning is kracht gedeeld door oppervlakte van de darsdoorsnede. d) de are spanning ligt boven de normale spanning in rek-spanningsdiagram, omdat de kracht op het proefstuk gelijk is, maar de oppervlakte van darsdoorsnede kleiner. Vraag 33 Zuurstof Vochtgehalte / EV > 21% Voedingsbodem: Hout
Temperatuur Vraag 34 a) Het belangrijkste verschil tussen ruijzer en staal is het koolstof gehalte en hoeveelheid verontreinigingen. Staal heeft een koolstof gehalte van minder 2.5%. De productie van ruijzer is de eerste stap van staalproductie. In de teede stap ordt het ruijzer omgezet in staal door verijderen van koolstof en verontreinigingen. b) 1) oxystaalproces 2) Elektro-oven c) Het verijderen van koolstof en verontreinigingen d) RVS is bevat oa. Cr (12-18%), Ni (8-12%), dit vormen een ondoordringbare chroomoxidelaag. Cortenstaal bevat oa. Koper. Cortenstaal kan alleen orden toegepast in droog/mild klimaat, omdat het ordt beschermd door ijzeroxidelaagje dat doordringbaar is voor chloides. Vraag 35 thermische geleiding convectie straling Vraag 36 Koud alsen leidt tot een vervorming en vermindering van de korrelgrootte, terijl bij arm alsen rekristalisatie plaatsvindt en er dus sprake is van grootte korrels. Vraag 37 Tb ( mt t + mc c + m ) Tt t mt Tc c mc o T = 60 C C m