Beton

Beton – kompozyt powstały ze zmieszania spoiwa (cementu) i wypełniacza (kruszywo) oraz ewentualnych domieszek nadających pożądane cechy. Jest jednym z najbardziej powszechnych materiałów budowlanych we współczesnym budownictwie.

Historia

Określany również jako sztuczny kamień, beton został wynaleziony i był używany w budownictwie w Asyrii, potem w starożytnym Rzymie czasów republiki (około 200 r. 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 wykonane z betonu. Niektóre z nich przetrwały do dnia dzisiejszego. Najwspanialszym przykładem jest kopuła Panteonu z lanego betonu, o średnicy 43,3 m, ważąca ok. 5000 ton powstała w latach 118–125. Inne, to Termy Karakalli, mosty i akwedukty.

W wiekach średnich został zapomniany.

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, zwana Smeaton’s Tower) postawił w 1756 John Smeaton. Wynalezienie cementu portlandzkiego przypisywane jest innemu Anglikowi – Josephowi Aspdinowi, który w 1824 uzyskał patent na jego wyrób.

Proces produkcji betonu

1.    Kruszywa, które stanowią od 60 do 75% całej objętości betonu są dostarczane z kopalni kruszyw

2.    Domieszki chemiczne dodawane są do betonu - w stanie ciekłym bezpośrednio do mieszanki betonowej w czasie produkcji betonu. Najczęściej stosowane domieszki obniżają zawartość wody w mieszance betonowej, aby poprawić wytrzymałość końcową. Dodatki mineralne mogą być stosowane jako zamiennik części cementu. Są to np. popiół lotny, mikrokrzemionka. Poprawiają one trwałość betonu.

3.    Dodawana jest woda oraz cement - najważniejszy składnik mieszanki betonowej. Posiada on właściwości wiążace i zapewnia odpowiednią wytrzymałość.

4.    Następnie w mieszalniku miesza się wszystkie składniki betonu w celu osiągnięcia jednorodnej masy.

5.    Po wymieszaniu składników mieszanka betonowa jest transportowana "gruszkami" na plac budowy. Gruszka musi się obracać, aby zachować jednorodność masy.

Domieszki

Bardzo ważną rolę w dziale chemii budowlanej odgrywają domieszki chemiczne. Nowoczesna technologia betonu wymaga zastosowania najnowszych rozwiązań, domieszki chemiczne stają się nieodłącznym elementem produkcji betonu. 

     1.  Domieszki redukujące ilość wody (uplastyczniające i upłynniające)

Plastyfikatory- ich głównym zadaniem jest zmniejszenie ilości wody do wartości 5-12%, przy zachowaniu tej samej konsystencji.

Superplastyfikatory – znacznie redukują ilość wody aż do 30%, zachowując projektowaną konsystencję.
Plastyfikatory oraz superplastyfkatory posiadają właściwości zmniejszające siły tarcia mieszanki i napięcie powierzchniowe wody. Pozwala to na łatwiejsze zwilżenie cząstek kruszywa oraz spoiwa przez wodę, przez co mieszanka staje się bardziej plastyczna. Zaletami stosowania plastyfikatorów oraz superplastyfikatorów są przede wszystkim zmniejszenie wskaźnika w/s (woda/spoiwo), a także poprawienie urabialności i ułatwienie transportu mieszanki betonowej. Domieszki te stosowane mogą być zarówno przed dodaniem wody do mieszanki, z wodą, jaki i po dodaniu wody zarobowej. 

Domieszki napowietrzające
Domieszki te, wytwarzają dużą ilość mikropęcherzyków w świeżej mieszance betonowej. Mikropęcherzyki te, zmniejszają nasiąkliwość i podwyższają mrozoodporność betonu. Powoduje to utrudnienie podciągania kapilarnego wody i zmniejszają nasiąkliwość betonu.
Beton więc, do wyrobu którego zostały użyte domieszki napowietrzające charakteryzuje się zwiększoną trwałością, oraz odpornością na działanie czynników atmosferycznych i agresywnością środowiska.  

Domieszki napowietrzające stosowane są do betonów, wykorzystywanych do produkcji stopni schodów, zbiorników w oczyszczalniach ścieków, płyt chodnikowych czy innych elementów betonowych, które narażone są na niekorzystne działanie wody lub wilgoci, oraz pracujących w warunkach o obniżonej temperaturze.

     2.  Domieszki przyspieszające wiązanie i twardnienie betonu
 

Ich podstawową zaletą jest szybkie przejście betonu ze stanu plastycznego w stan sprężysty. Powodują znaczne przyspieszenie procesu twardnienia betonu zwiększając przyrost wytrzymałości betonu. Stosować je należy jedynie w wyjątkowych przypadkach ponieważ:

• skracają czas urabialności betonu;
• wywołują skurcze betonu, przez co obniżają wytrzymałość betonu;
• mają szkodliwe oddziaływanie na elementy metalowe;
• są niebezpieczne dla zdrowia.

Domieszki i dodatki przyspieszające wiązanie i twardnienie betonu stosowane są głównie do produkcji betonów natryskowych, szybkowiążących, wodoszczelnych lub uszczelniających. Stosowane są w ilości 0,5-5,0% w stosunku do masy cementu, co pozwala osiągać maksymalną wytrzymałość betonu już po 6 godzinach. 

     3.  Domieszki przeciwmrozowe 
 

Pozwalają na prowadzeni robót betonowych w warunkach obniżonych temperatur, nawet do -10°C.
Umożliwiają przebieg reakcji cementu z wodą w temperaturze poniżej zera poprzez:

obniżenie temperatury zamarzania wody w mieszance betonowej;

obniżenie ilości wody zarobowej, co pozawala wykonywać beton z niższym wskaźnikiem c/w (cement/woda);

przyspieszenie hydratacji cementu i wydzielenie się ciepła hydratacji.

      4.  Domieszki opóźniające wiązanie

Przedłużają czas do rozpoczęcia przechodzenia mieszanki betonowej ze stanu plastycznego w stan sztywny. Dzieje się tak, w wyniku zmniejszenia rozpuszczalności składników cementu (wapna i glinianów).

  
       5.  Domieszki zwiększające wodoodporność
 

Zmniejszają absorpcję kapilarną stwardniałego betonu, przez co utrudniają penetrację i przepływ wody w materiale. Działają one fizycznie oraz chemicznie. Domieszki o działaniu fizycznym zmniejszają przekrój porów i kapilar i działają głównie uszczelniająco. Domeszki o działaniu chemicznym wchodzą w reakcję z niektórymi składnikami cementu, tworząc związki nierozpuszczalne, które wypełniają pustki w betonie.

        6.  Domieszki zwiększające objętość betonu 

Tego rodzaju domieszki stosuje się głównie w celu przeciwdziałania skurczowi podczas utwardzania, lub jeżeli wymaga się uzyskanie specjalnej struktury betonu utwardzonego. Wyróżniamy domieszki zwiększające objętość betonu:

• Ekspansywne – powodują w trakcie hydratacji cementu pęcznienie betonu w celu przeciwdziałania skurczowi. Domieszki te stosuje się głównie w preparatach iniekcyjnych lub zaprawach kotwiących.
• Wytwarzające gaz – stosowane są głównie przy produkcji betonów komórkowych, gdyż umożliwiają uzyskanie założonego spęcznienia betonu.
• Wytwarzające trwałą pianę w śnieżnym betonie – stosowane przy produkcji pianobetonu, wytwarzają obfitą, trwała pianę w mieszance betonowej podczas jej mechanicznego mieszania.

Podział 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 ciężarze objętościowym 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,

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, wałowany, wirowany, próżniowy

•   Ze względu na właściwości

beton jastrychowy - jastrych jest urabiany ze specjalnej mieszanki betonowej, która ma dużą wytrzymałość i wysoką odporność na zużycie. Jako kruszywa używa się drobnoziarnistego kruszywa do jastrychu, a jako spoiwa cementu.

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

beton ze zbrojeniem strukturalnym (fibrobeton, włóknobeton) – oprócz kruszyw naturalnych zawiera włókna stalowe, szklane lub syntetyczne, 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 charakteryzuje się następującymi cechami:

 

- jako materiał budowlany beton wymaga niewielu zabiegów konserwacyjnych w okresie swojego użytkowania i nie musi być w tym okresie wymieniany, co minimalizuje jego wpływa na środowisko

 - jest materiałem ekologicznym. Beton i jego składniki mogą w sposób ekonomiczny podlegać kilkukrotnemu recyklingowi

 - beton stwarza szerokie i niespotykane, w przypadku innych materiałów budowlanych, możliwości dostosowywania jego właściwości do warunków w jakich jest wykonywany i użytkowany

 - beton jest przyjaznym materiałem zarówno dla architekta, jak i konstruktora, bo pozwala w sposób efektywny łączyć formę i funkcję obiektu z konstrukcją i technologią wykonania

 - beton, to także konkurencyjne tworzywo konstrukcyjne w stosunku do innych materiałów budowlanych.

Żelbet

Żelbet (stalbet, stalobeton, żelazobeton, potocznie nieprawidłowo nazywany też żelbetonem[1]) – element konstrukcyjny powstały przez połączenie betonu z wkładkami stalowymi. Połączenie tych dwóch materiałów jest powszechnie stosowane w budownictwie. Beton jest materiałem przenoszącym naprężenia ściskające, jednak jego wytrzymałość na rozciąganie jest bardzo mała. Stal w elemencie żelbetowym przenosi głównie naprężenia rozciągające, choć często stosuje się zbrojenie ściskane. Połączenie stali i betonu pozwala budować konstrukcje różnego typu. Do zbrojenia stosuje się wkładki w postaci prętów, lin, strun, kabli i siatek. Można spotkać także konstrukcje ze "sztywnym zbrojeniem", tzn. takie, w których elementy stalowe o dużych przekrojach (np. dwuteowniki, ceowniki) są wykorzystane jako rdzeń, np. w słupie kompozytowym.

Właściwa współpraca betonu i stali w konstrukcji możliwa jest dzięki przyczepności betonu do stali (w celu jej zwiększenia stosuje się pręty żebrowane) oraz zbliżonej rozszerzalności termicznej obu materiałów.

Do zalet żelbetu, jako materiału konstrukcyjnego, należą: ogniotrwałość, odporność na znaczne obciążenia statyczne i dynamiczne, swoboda w kształtowaniu elementów, duża odporność na korozję (przy zachowaniu właściwej otuliny wkładek stalowych i poprawnym zagęszczeniu układanej mieszanki betonowej). Odporność na wpływy atmosferyczne można podnieść wykonując stosunkowo tanie zabezpieczenie powłokowe. Zabezpieczenia te stosuje się przede wszystkim w konstrukcjach mostów i wiaduktów.

Jak głosi anegdota, wynalezieniu żelbetu pomógł przypadek. Wersalskiemu ogrodnikowi, Josephowi Monnier, żelazny kosz wpadł do płynnej masy betonowej. Po wyciągnięciu betonowa powłoka stwardniała, a Monnier szybko przekonał się o zaletach nowego materiału.