beton

Beton (z fr. béton) to stała substancja budowlana utworzona przez utwardzanie betonowej masy, lub materiał budowlany utworzony przez zmieszanie wiązki, wypełniacza i wody, ewentualnie innych dodatków i domieszek, które po utwardzeniu nabiera właściwości substancji stałej.

Skład

Składa się z mieszaniny:

• wiązki np. cementu czy wapna, asfaltu, dechtu, magnezitu (xylolitowe podłogi), makrocząsteczkowe żywice (beton plastyczny), gipsu (oddziały akustyczne) i inne. Beton z wysokim udziałem cementu nazywa się gruby, z niskim udziałem cementu chudy.
• wypełniaczy np. nieorganiczne materiały naturalne jak piasek i kamieniwo, ale również sztuczne: popiół, popiół, keramzyt i niektóre materiały organiczne np. drobiny drewna, strużki, kork, torf i inne. Wypełniacze mogą mieć różną frakcję.
• wody
• dodatki
• domieszki

Właściwości

Własnościami budowlanymi cementowy beton (CB) należy do najczęściej stosowanych materiałów budowlanych. Ma dużą wytrzymałość na ściskanie, ale małą wytrzymałość na rozciąganie i ścinanie. Wytrzymałość na ściskanie wynosi od 5 do 50 MPa. Beton ma właściwości naturalnego kamienia, trwałość i wytrzymałość (w ściskaniu 3-60 MPa, w rozciąganiu około dziesięciokrotnie mniejszą). Aby zwiększyć wytrzymałość na rozciąganie i nośność, wzmocniony jest stalowymi prętami, drutami i siatkami (żelbet). Jego wytrzymałość i właściwości zmienia się dostępny i przetwarzaniem mieszaniny. Wytrzymałość to również jego wada, ponieważ remonty konstrukcji betonowych są bardzo pracochłonne. Wytrzymałość zależy głównie od frakcji piasku, lub kruszywa. Najwytrzymalsze i najdroższe to betony wibrowane z małą frakcją piasku. Jest łatwo kształtowalny i umożliwia z użyciem formowania różne kształty w ramach możliwości statycznych. Jest odporny na substancje chemiczne, wysokie temperatury, jest trwały i ma objętościową stabilność. Trwałość betonu jest duża w wodzie i na powietrzu.

Beton twardnie około 28 dni. Twardnienie jednak nie kończy się, beton twardnie przy odpowiedniej wilgotności prawie do nieskończoności (nawet pod wodą). Jako wzmocnienie stosuje się głównie stal STN11xxx (stale konstrukcyjne, stal betonarska). Połączenie umożliwia praktycznie taka sama ciepłowa rozszerzalność stali i betonu.

Niewygoda betonu to jego masa, która zależy od użytych materiałów (najbardziej kamieniwa). W prostym betonie masa właściwa mieści się w zakresie 2 000 do 2 400 kg/m³ a w żelbetonie 2 300 do 2 600 kg/m³. W prefabrykatach wymagana jest pomoc podnoszących mechanizmów, które zwiększają koszty budowy. Ciepłoprzenikalność ma również negatywny wpływ na budowę i zależy od gęstości betonu. Objętość betonu zmienia się przy twardzeniu i utwardzaniu, powstają pęknięcia, które usuwa się szczelinami rozdzielczymi.

Historia

Zastosowanie betonu rozszerzyło się w większym stopniu dopiero w 20. wieku. Prosty beton stosowany był jednak już w dawnych czasach. Perzy, Karta, ale przede wszystkim stare Rzymianie stosowali beton jako materiał budowlany, o czym świadczą do dziś zachowane budowle jak drogi i akwaforty, które pochodzą z 1. wieku naszej ery. Beton po upadku Rzymskiej Rzeczypospolitej przestał być stosowany przez wiele wieków.

Beton pojawia się ponownie dopiero w roku 1774, kiedy John Smeaton stosował go przy naprawie fundamentów majaka w Edystone w Anglii. Smeaton dodał żelazny popiół do typowej kombinacji niegaszonego wapna, piasku i wody. Powstał w ten sposób pierwszy nowoczesny beton.^[1]

Beton zaczął być szerzej stosowany aż 50 lat po wprowadzeniu produkcji cementu portlandzkiego. Patent na jego produkcję zdobył w roku 1824 Anglik kamieniarz Joseph Aspdin z Leedsu w hrabstwie portlandzkim. Początek nazwy cement portlandzki pojawia się właśnie stamtąd. O wprowadzenie przemysłowej produkcji cementu w roku 1845 przyczynił się Anglik Johnson, który odkrył proces spalania wapienia i glinki. Dzięki produkcji cementu portlandzkiego w drugiej połowie 19. wieku zostały zbudowane szczególnie w Francji zachwycające inżynieryjne budowle z prostego betonu. Do pomysłu połączenia betonu z żelaznymi elementami doszedł w roku 1849 Francuz Joseph-Louis Lambot podczas budowy łodzi, kiedy na siatkę drucianą nanosił zaprawę cementową. Taka łódź była używana przez 60 lat. O sześć lat później został mu nadany patent na budowę łodzi z wzmocnionym betonem. W roku 1861 opublikował Francuz Francois Coignet pierwszą książkę o betonie i jego praktycznym zastosowaniu w budownictwie. Kniha nazywała się Les betóns aglomérés appliqués l´art de construire i opisywało się w niej zastosowanie żelbetu w konstrukcjach budynku. Jego własny dom z żelbetu (Paryża z roku 1862) istnieje do dziś.^[1] Natychmiast po tym amerykański prawnik Hyatt w roku 1877 opublikował odkrycie zalet stosowania żelbetu przy obciążeniu zginającym i w związku z pożarem

Rozwój betonu

Anglik J. B. White zbudował już w roku 1837 dom z betonu i francuski przedsiębiorca Francois Coignet złożył w roku 1856 patent na wstawianie żelaznych prętów napiętych do cementowej masy, mimo to udany początek historii żelbetu nastąpił dopiero odkryciem Paryża ogrodnika Josepha Moniera. Monier szukał materiału na rury wodociągowe, które by odpierały mrozy i odkrył nowe zalety materiału: Kiedy połączymy płynną masę cementową z żelaznym drutem, powstaje wewnętrzne wiązanie organicznego charakteru. Cement otacza żelazne pręty jak mięsień szkieletu. Znaczenie odpowiedniego ułożenia siatki stalowej i tym rozdzielenia sił ściskających i rozciągających wewnątrz betonu jednak Monier nie dostrzegał. Mimo to jego patent na betonowe naczynia do kwiatów z roku 1867 i późniejszy dodatkowy patent z roku 1878, który złożył w radzie międzynarodowej, stał się dochodliwym handlem.

To doprowadziło do długotrwałego sporu z berlińskim meistrem Rabitsom, który chciał również zareklamować swój patent na wstawianie żelaza do betonu. Sam Monier pracował na wielu pomysłach w związku z żelbetem, np. żelbetowe worki. Zbudował zbiorniki wodne, otrzymał patenty na kilka projektów dla mostów i wspierał użycie żelbetu dla podłóg, sklepy, piwnice i mosty.

Ponieważ nie był inżynierem, nie mógł budować mostów w Francji. Sprzedal swój patent przedsiębiorcom w Niemczech i Austrii (Wayss, Freitag i Schuster), którzy zbudowali pierwsze żelbetowe mosty w Europie. Na przykład w roku 1884 w Tréveris, gdzie z jego systemem zapoznał się przedsiębiorca Conrad Freytag. Ten ostatecznie zdobył prawa dla południowych Niemiec podczas gdy prawa patentowe dla północnych Niemiec przejęli Gustav Adolf Wayss. Ze względu na sposób zapewnienia budowy Wayss starał się o użycie metod naukowych i wielu prób obciążeniowych na klenicach Moniera, wyniki których opublikował w roku 1887 w dziele z tytułem Systém Moniéra i jego zastosowanie w budownictwie. Dopełniającym krokiem budowlanym było, kiedy Francuz Francois Henebique przeniósł zasadę na wszystkie elementy budowlane, czym przyczynił się do powstania konstrukcji monolitycznej.

Przetwarzanie betonu

Z powodu dużych wymagań beton produkuje się przemysłowo w betoniarniach i przewozi się do miejsca przeznaczenia mieszarkami betonowymi. W przypadku dużych budow (autostrady, mosty) betoniarnie buduje się blisko placu budowy. Na miejscu przeznaczenia beton wlewa się do wcześniej przygotowanej formy i powstaje monolit. Dla trudno dostępnych miejsc beton przewozi się również za pomocą pompy betonowej lub worków, które podnosi się za pomocą kruszarek. Beton pompa to specjalnie przystosowane ciężarówka z hydraulicznym ramieniem w długościach 20 do 70 metrów, na której jest przymocowana stalowa rura o średnicy 100 i 125 mm i z pomocą hydraulicznych tłoków tłoczy mieszaninę betonową do rury. Mniejsze ilości betonu można również przetwarzać ręcznie na miejscu użycia.

Cementowy beton nie może być przetwarzany przy niskich temperaturach. Woda, która jest częścią mieszaniny, zamarza i chemiczna reakcja między wiązką a kamieniem z tego powodu nie następuje. Jeśli beton podczas twardnienia jest wystawiony na wysokie temperatury (np. bezpośredniego promieniowania słonecznego), musi być obmywany wodą, aby nie powstały pęknięcia przy parowaniu domieszki wody. Jeśli z drugiej strony beton jest wystawiony na deszcz, musi być chroniony przed wodą aby nie spłukała wiązki.

Rodzaje domieszek

Domieszki do betonu są jedną z części betonu. Są to drobne proszki, które dodaje się do mieszaniny betonowej już podczas mieszania. Objętość domieszek w świeżej mieszaninie betonowej mieści się w zakresie 10 – 40 % masy cementu. Domieszki w betonie mają za zadanie poprawienie właściwości technologicznych świeżego betonu, jak również mechanicznych właściwości utwardzonego betonu.

• Popiół lotny
  • zwiększa ilość wody do mieszania
  • zwiększa długoterminowe wytrzymałości betonu
  • zmniejsza głębokość karbonizacji betonu

• Substancje krzemionkowe, popiory
  • zwiększa ilość wody do mieszania
  • wpływa na porowatą strukturę betonu (porowatość zwiększa nasiąkliwość)
  • zwiększa wytrzymałość betonu
  • zwiększa odporność betonu na agresywne środowisko (odpowiedni do wodociągów i chemii)

• Pigmenty kolorowe
  • służą do zabarwienia betonu

Dodatki do betonu

Dodatki do betonu są jedną z części betonu. Są to związki chemiczne, które dodaje się do mieszaniny betonowej już podczas mieszania. Objętość dodatków w świeżej mieszaninie betonowej mieści się w zakresie 2-50 g/m³.

• Dodatki plastyczne
  • zmniejszają napięcie powierzchniowe betonu
  • poprawiają przetwarzalność mieszaniny betonowej (dłuższa odległość transportowa)
  • zmniejszają wymagane ilości wody do mieszania
  • zwiększają wytrzymałość na ściskanie utwardzonej mieszaniny aż o 10%

• Dodatki stabilizujące
  • zmniejszają odmywanie wody
  • zmniejszają wysokość podnoszenia wody
  • zwiększają gęstość utwardzonego cementu, zmniejszają porowatość, zapobiegają wspinaniu się i nasiąkaniu wody

• Dodatki odgazujące
  • tworzą dużą liczbę mikroskopowych porów
  • dodają odporność na powtarzające się zamarzanie i odmarzanie oraz soli odmarzające

• Dodatki opóźniające
  • opóźniają utwardzanie i twardnienie mieszaniny betonowej

• Dodatki przyspieszające
  • przyspieszają utwardzanie i twardnienie mieszaniny betonowej

• Inne dodatki
  • inhibitory korozji
  • dodatki biocydowe
  • dodatki gazotwórcze (dla tworzenia pórobetonu)
  • spełniające funkcję adhezji (zwiększające spójność nowej mieszaniny z już utwardzonym betonem)

Rodzaje betonu

• Suchy beton to beton, który jest w stanie sypkim i można go przewozić bez pomocy mieszarek. W przeciwieństwie do normalnie przetwarzanej mieszaniny betonowej do suchego betonu dodaje się małe procent wody. Najczęściej stosuje się przy budowie autostrad jako podłożowy beton (stabilizacja) pod asfaltowy koc. Przy układaniu suchego betonu wylewa się go bezpośrednio z kabiny ciężarówki do finišera, który układuje równomiernie grube warstwy. Po ułożeniu roluje się i obrywa wodą dla lepszej wytrzymałości.

• Prosty beton to beton bez dodanej armatury. Jest stosowany głównie jako podłożowy beton. Jego przeciwieństwem jest żelbet.

• Betony wzmocnione stalowe: żelbet

Beton napięty, to prefabrykowany żelbet. Taki beton produkuje się tak, że armatura jest mechanicznie rozciągana do wymaganych wartości w formie. Do formy dodaje się mieszaninę betonową i cała mieszanina jest wibracyjnie przetwarzana w formie. Po utwardzeniu rozciągana stalowa armatura jest uwolniona i powstaje napięcie. Ma wyższą wytrzymałość na ciśnienie i stosuje się głównie przy budowie mostów.

Drątkobeton, to beton z domieszką stalowych włókien, które zwiększają jego wytrzymałość na ściskanie. Stosuje się na podłogi z wysokim obciążeniem (przemysłowe podłogi) i dla wyraźnie zabezpieczonych powierzchni (parkingi).

• Asfaltowy beton (AB), to kamieniwo różnej frakcji pokryte asfaltem. Stosuje się przy budowie warstw pokrywowych komunikacji (warstwy bitumiczne).

• Specjalne rodzaje:
  • Ognioodporny beton – ognioodporność zależy od użytego kamieniwa, przy użyciu lepszego kamieniwa mieści się w wartościach aż 800 °C i przy żelbetonie do 600 °C.
  • Beton dekoracyjny – to beton z powierzchniową obróbką, głównie na fasadach lub konstrukcjach dekoracyjnych.

• Lżejsze rodzaje: to betony, do których dodaje się perlit, lub granulowany polistyren - EPS. Jest stosowany głównie do odciężenia i izolacji podłóg wielopiętrowych domów jednorodzinnych.
  • Rodzaje: odgazowany beton, pórobeton/drenażowy beton (dla systemów odprowadzania), perlitbeton

Zastosowanie

Stosuje się głównie w budownictwie dla tworzenia konstrukcji nośnych, ale również w ogrodzie i rzeźbiarstwie. Z betonu produkuje się również dlażbę z zamkiem, cegły do formowania, kamień szkrydłowy, różne prefabrykanty jak belki, panele, słupy, obrubniki, ściany oporowe, kanały, zbiorniki, garaże, klatki, zbiorniki, zbiorniki i inne.

Konstrukcje betonowe

 

Odsłonięta skorodowana armatura w betonie

Stosuje się jako elementy nośne z dużą wytrzymałością lub nienośne/uzupełniające elementy z właściwościami izolacyjnymi. Elementy konstrukcyjne nośne stosuje się jako słupy, stropy, podkłady, pilaster i inne. Elementy nośne drogowe są stosowane dla przemysłowych podłóg, dróg i lotniskowych powierzchni, mają zwiększoną odporność na mechaniczne zużycie i wpływ pogodowy. Konstrukcje wodne mają zwiększoną odporność na działanie wody i są stosowane przy budowie zbiorników wodnych i zbiorników.