Beton

Blok betonowy

Układanie betonu z betonowozu

Beton – niejednorodny i wielofazowy kompozyt, powstały głównie z cementu, kruszywa i wody, które po wymieszaniu stają się ciałem lepkoplastyczno-stałym. Mieszanka ta dzięki hydratacji cementu przechodzi w ciało stałe, które w czasie dojrzewania wciąż zmienia swoje właściwości. Jest jednym z najbardziej powszechnych materiałów budowlanych we współczesnym budownictwie.

W ostatnich latach pojęcie betonu uległo znacznemu poszerzeniu, ze względu na możliwość wymiany cementu na inne spoiwa oraz zastosowania wzbogacających dodatków. Stąd można teraz nazwać beton materiałem kompozytowym uzyskanym z drobnoziarnistego wypełniacza spoiwem. Jednym z przykładów tej definicji mogą być tzw. betony żywiczne.

Historia

Kopuła rzymskiego panteonu wykonana z betonu

Określany jako sztuczny kamień, beton został wynaleziony i był używany w budownictwie w Asyrii, potem w starożytnym Rzymie czasów republiki (około 200 p.n.e.). W starożytności używano mieszaniny piasku i drobnych kamieni z zaprawą wapienną do łączenia kamieni w murze i sklepieniach. Rzymianie używali jako zaprawy naturalnej pucolany pochodzącej z popiołów wulkanicznych, najpierw z Wezuwiusza, później z innych miejsc. Dodatek popiołu wulkanicznego czynił rzymski beton wodoodpornym. W okolicach odległych od wulkanów wykorzystywano zużyte drobno zmielone dachówki. Wiele zabytków starożytnego Rzymu w całym basenie Morza Śródziemnego zostało wykonanych z betonu. Niektóre z nich przetrwały do dnia dzisiejszego - najlepszym tego przykładem jest kopuła Panteonu z kładzionego betonu, o średnicy 43,3 m, ważąca ok. 5 tys. ton powstała w latach 118–125. Inne to m.in. Termy Karakalli, mosty i akwedukty.

Na ziemiach polskich znany we wczesnym średniowieczu, wykonano z niego fundamenty kościoła na Ostrowie Lednickim^[1].

W gotyku stosowano mieszaninę zaprawy wapiennej z bardzo drobnym piaskiem do wykonywania odlewów powtarzalnych elementów dekoracyjnych.

W XIX w. (po wynalezieniu cementu portlandzkiego) upowszechnił się materiał budowlany zwany betonem. Pierwszą konstrukcję z użyciem betonu (latarnię morską Eddystone w zatoce Plymouth, zwaną Smeaton’s Tower) postawił w 1756 roku John Smeaton. Wynalezienie cementu portlandzkiego przypisywane jest innemu Anglikowi – Josephowi Aspdinowi, który w 1824 roku uzyskał patent na jego wyrób.

Uzyskiwanie

Beton (zwykły) powstaje w wyniku wiązania i stwardnienia mieszanki betonowej. Mieszanka betonowa to mieszanina spoiwa (cement), kruszywa, wody i ewentualnych dodatków (do 20% w stosunku do masy spoiwa) i domieszek (do 5% w stosunku do masy spoiwa).

Kruszywa mogą być naturalne: grube (żwir), drobne (piasek o frakcjach do 2 mm) lub sztuczne (np. keramzyt). Dodatki i domieszki poprawiają właściwości mieszanek betonowych i betonów, np. zwiększają urabialność, opóźniają proces wiązania, zwiększają mrozoodporność, wodoszczelność itd.

Nie wolno stosować wody morskiej (zasolonej), mineralnej i zanieczyszczonej (np. ściekowej, rzecznej). Bez wykonywania badań można stosować wodę wodociągową.

Skład mieszanki betonowej dobiera się na podstawie analiz laboratoryjnych i obliczeń (receptura betonu), tak aby otrzymać beton o oczekiwanej wytrzymałości, odporności na działanie czynników zewnętrznych (np. o odpowiedniej ścieralności, wodoszczelności, kwasoodporności, żaroodporności, izolacyjności cieplnej).

Rodzaje betonu

Ze względu na ciężar objętościowy

• beton ciężki – o ciężarze objętościowym większym niż 2600 kg/m³, wykonywany z zastosowaniem specjalnych kruszyw (np. barytowych, stalowych, manganowych), stosowany jako osłona biologiczna dla osłabienia promieniowania jonizującego;
• beton zwykły:
  • o gęstości od 2200 do 2600 kg/m³, wykonywany z zastosowaniem kruszyw naturalnych i łamanych (piasek + żwir lub piasek + np. kamień bazaltowy) stosowany do wykonywania elementów konstrukcyjnych betonowych i żelbetowych,
  • o gęstości od 2000 do 2200 kg/m³, wykonywany z zastosowaniem kruszyw porowatych (np. keramzyt) – do wykonywania elementów o podwyższonej izolacyjności cieplnej np. ścian osłonowych, pustaków ściennych i stropowych;
• beton lekki – o ciężarze objętościowym od 800 do 2000 kg/m³, wykonywany z zastosowaniem lekkich kruszyw oraz betonów komórkowych. Betony komórkowe wytwarza się z cementu, piasku, wody i środka pianotwórczego. Betony lekkie stosuje się do wykonywania elementów ściennych i stropowych średniowymiarowych (płyty ścienne i stropowe) i drobnowymiarowych (np. bloczki ścienne, prefabrykowane nadproża).

Ze względu na sposób zagęszczania i wbudowania

• beton natryskowy
• beton wałowany
• beton wirowany
• beton próżniowy

Ze względu na właściwości

• beton jastrychowy
• beton polimerowy – zamiast spoiwa cementowego zawiera polimery; beton cementowo-polimerowy zawiera spoiwa cementowe z dodatkiem polimerów; stosowane w sytuacjach, gdy konieczne jest uzyskanie w krótkim czasie betonu o wysokiej wytrzymałości i niskiej kurczliwości podczas wiązania
• fibrobeton – oprócz kruszyw naturalnych zawiera włókna stalowe, szklane, polimerowe, bazaltowe, stosowane jako betony do wykonywania np. posadzek przemysłowych.
• żużlobeton – z dodatkiem rozdrobnionego żużlu do kruszywa
• asfaltobeton – bez cementu i wody, zawiera asfalt, mączkę mineralną, piasek, grysy kamienne i żwir – stosowany do wykonywania nawierzchni drogowych
• beton komórkowy – o wysokiej porowatości
• beton autoklawizowany (ACC) – poddany obróbce cieplnej w środowisku pary wodnej
• beton samonaprawialny – posiadający zdolność do naprawy własnych uszkodzeń mechanicznych

Kierunki rozwoju

• beton wysokowytrzymały
• beton ultra-wysokowytrzymały
• beton przeźroczysty
• beton papierowy
• beton z pianki szklanej
• beton samoczyszczący
• beton geopolimerowy
• beton ekspansywny
• beton samozagęszczalny
• beton siarkowy
• beton zielony (ekologiczny)^[2]
• beton drutowy (drutobeton)

Wytrzymałość

Ważną cechą betonu jest jego wytrzymałość na ściskanie. Gwarantowaną wartość wytrzymałości określa klasa betonu. Wytrzymałość betonu, jak i jego trwałość i odporność na korozję zależą w dużej mierze od jego porowatości.

Wytrzymałość na ściskanie betonu – zależy od wielu parametrów^[3]:

• składu betonu wynikającego z rodzaju, uziarnienia i wytrzymałości kruszywa,
• rodzaju i ilości cementu,
• wskaźnika c/w,
• warunków środowiska (warunki termiczno-wilgotnościowe podczas pielęgnacji),
• sposobu obciążenia,
• geometrii badanych elementów próbnych,
• czasu obciążenia oraz wieku betonu.

Wraz z wejściem Polski do Unii Europejskiej i dostosowywaniem polskich przepisów do unijnych, została wprowadzona nowa norma (PN-EN 206-1) określająca wytrzymałość betonów zwykłych i ciężkich symbolem C../.., np. C20/25 oznacza beton o minimalnej wytrzymałości charakterystycznej oznaczonej na próbkach walcowych wynoszącej 20 MPa (próbka walcowa o wymiarach: średnica 15 cm, wysokość 30 cm) i minimalnej wartości wytrzymałości charakterystycznej (wytrzymałość charakterystyczna to wartość osiągana przez minimum 95% próbek danej partii, równoznaczne jest to z 5% przedziałem ufności) oznaczonej na próbkach sześciennych wynoszącej 25 MPa (próbka sześcienna 15 × 15 × 15 cm). Dla betonów lekkich ta sama norma wprowadza oznaczenie symbolem LC../.. (np. LC20/22).

Norma PN-B-03264:2002 została w 2004 r. uzupełniona poprawką, zgodnie z którą klasom betonu oznaczanym B-20 itp. przyporządkowano równoznaczne oznaczenia np. C16/20^[4].

Wytrzymałość betonu na rozciąganie jest dziesięciokrotnie mniejsza w stosunku do jego wytrzymałości na ściskanie. Przypuszczalnie spowodowane jest to powstawaniem mikrorys między zaczynem a kruszywem. Aby możliwe było przenoszenie sił rozciągających stosuje się zbrojenie betonu wkładkami stalowymi (pręty i siatki stalowe) – taki materiał kompozytowy nazywany jest żelbetem. Wówczas to stal przejmuje naprężenia rozciągające, a zadaniem betonu jest „praca” z siłami ściskającymi.

Wytrzymałość betonu zależy również od zawartości cementu, jednak zwiększenie jego udziału wpływa negatywnie na właściwości reologiczne, głównie na skurcz. Powstawać przez to mogą w betonie rysy i pęknięcia wynikające ze zwiększonych naprężeń oraz temperatury hydratacji^[5].

Wodoszczelność

Wodoszczelność betonu, czyli zdolność betonu do przeciwstawiania się przepływowi wody będącej pod ciśnieniem, zależy w dużej mierze od jego porowatości. Beton wodoszczelny powinien odznaczać się więc możliwie małą ilością wolnych przestrzeni w strukturze. Oznacza się ją stopniami wodoszczelności: W-2, W-4, W-6, W-8, itd, oznaczającymi 10-krotną wielkość ciśnienia wody w MPa, przy którym woda przenika w ilości dopuszczalnej podczas normowego badania tzw. badania przepuszczalności wody.

Zobacz też

• beton podkładowo-wyrównawczy
• betonoza
• cement
• żelbet

Przypisy