Natuursteenproeven: mechanische sterkte

Kwaliteitscontrole

De mechanische sterkte van natuursteen is een van de basiseigenschappen die wordt gedeclareerd in technische fiches. Meestal gaat het om de druksterkte, maar ook buigsterkte, splijttreksterkte en de breukkracht aan een deuvelgat zijn relevant. De sterkte is een van de meest voor de hand liggende indicators voor de kwaliteit van de natuursteen. Door middel van een steekproef kan er op regelmatige tijdstippen worden nagegaan of de geleverde steen wel voldoet aan de eigenschappen die vooropgesteld worden in de technische fiche. Daarnaast is een kennis van de sterkte ook bepalend voor de mogelijke toepassingen waar een structurele belasting heerst, bijvoorbeeld bij dragende structuren, bij windbelasting op gevelpanelen of bij vloeren. Voor elke toepassing wordt een veiligheidsmarge toegepast bovenop de vereisten.

Soorten sterkte

De druksterkte is een maat voor de maximale druk die natuursteen kan weerstaan voor die bezwijkt, of met andere woorden een maat voor de belasting die de natuursteen kan dragen in een constructie. De druksterkte wordt gemeten door een belasting uit te oefenen op twee evenwijdige eindvlakken, waarbij de maximale belasting voor het optreden van breuk genomen wordt om de sterkte, de belasting per oppervlak, te berekenen. Deze wordt uitgedrukt in Newton per mm² of MPa. Hiervoor worden typisch equidimensionale cilinders of kubussen met diameter of ribbe 50 of 70 mm gebruikt. In rotsmechanica wordt echter geopteerd voor een lengte:diameter verhouding van twee in plaats van één zoals gebruikelijk is voor natuursteenhandel. Dit resulteert in een iets lagere druksterkte.

De buigsterkte is een maat voor de maximale buigspanning die natuursteen kan weerstaan voor die bezwijkt. Dit relevant bij overspanningen, zoals een linteel of bij zwevende vloeren. Net zoals bij druksterkte wordt deze uitgedrukt in Newton per mm² of MPa. De buigsterkte wordt typisch gemeten op prisma’s met een riblengte van 50 mm in doorsnede en lengte van 300 mm. De prisma’s worden op hun uiteinden ondersteund terwijl ze centraal progressief belast worden. De maximale belasting voor breuk wordt dan gebruikt om de buigsterkte te berekenen.

Tot slot zijn ook splijttreksterkte en breukkrachten aan een deuvelgat relevante eigenschappen. De splijttreksterkte is bijzonder relevant voor interne spanningen, bv. door ijs- of zoutkristallisatie. Deze wordt meestal gemeten op een indirecte manier, de Braziliaanse splijtproef, waarbij een drukbelasting wordt uitgevoerd op de mantel van een cilinder. De breukkracht aan een deuvelgat is dan weer belangrijk voor de ophanging van gevelpanelen. Deze wordt gemeten door een drukkracht te laten aangrijpen op de deuvels. De gemeten sterkte hangt in dit geval af van de zwakste component in het geheel, nl. de buigsterkte van de deuvel, de sterkte van het chemisch anker of de mortel en de sterkte van de steen.

Oorzaak van sterkte en variatie

Natuursteen heeft de hoogste weerstand tegen drukbelasting. Als een vuistregel kan je stellen dat de druksterkte ongeveer tien tot twintig keer groter is dan de buigsterkte en splijttreksterkte. Desondanks kan de werkelijke sterkte enorm verschillen tussen en zelfs binnen verschillende gesteentetypes. Magmatische en metamorfe gesteenten geven typisch de hoogste mechanische sterktes. Voor bijvoorbeeld graniet zijn druksterktes boven 100 MPa heel gebruikelijk. De meeste kalkstenen daarentegen hebben eerder druksterktes kleiner dan 100 MPa, voor sommige zelfs kleiner dan 10 MPa. Een sterke variatie dus. Dit is afhankelijk van de textuur, porositeit en mineralogie van het gesteente en dus van de ontstaansgeschiedenis. Korrels of kristallen die sterk in elkaar verweven zijn, zoals bv. bij graniet of marmer, zullen leiden tot een hogere sterkte. Porositeit zal daarentegen aanleiding geven tot lagere sterktes, omdat de korrels ter hoogte van de poriën niet in elkaar kunnen aangrijpen. Scheuren en defecten die kunnen voorkomen in de gesteentelaag, of die het gevolgd zouden zijn van de ontginningsmethode, zullen ook aanleiding geven tot lagere sterktes. En zelfs waterinhoud is van belang. Meestal worden de proeven uitgevoerd in droge omstandigheden, behalve bij de waterbouw, maar in natte condities zal de interne weerstand verminderen en dus ook de sterkte lager zijn.