Słów kilka na temat betonu

W dzisiejszych czasach jednym z najintensywniej wykorzystywanych materiałów budowlanych jest beton. Materiał ten stosowano już w VI tysiącleciu p.n.e. Zapiski historyczne oraz zachowane obiekty lub ich relikty świadczą o tym, że beton był stosowany również w późniejszym okresie rozwoju cywilizacji (kopuła Panteonu w Rzymie, mur chiński). Dynamiczne wykorzystanie betonu nastąpiło jednak w wieku XIX, od momentu opracowania przez Aspdina w roku 1824 technologii sztucznego spoiwa, które nazwał cementem portlandzkim. W roku 1867 Francuz Monier wpadł na pomysł zbrojenia betonu co spowodowało dynamiczny rozwój teorii żelbetnictwa. Warto podkreślić, że pierwsza cementownia w Polsce (jako piąta na świecie) powstała w roku 1857 w Grodźcu k. Będzina.

Wykorzystywany w dzisiejszych czasach beton jest kompozytem powstającym głównie z trzech składników: cementu, kruszywa i wody. W celu poprawienia jego właściwości można stosować domieszki chemiczne i dodatki mineralne.

Stosowane w praktyce betony dzieli się na grupy przyjmując następujące zasadnicze podziały:
- ze względu na gęstość objętościową ? (stosunek masy próbki do jej objętości): beton ciężki , beton zwykły, beton lekki;
- ze względu na przeznaczenie: beton konstrukcyjny - elementy z niego wykonane mogą przejmować obciążenia zewnętrzne od innych elementów, konstrukcyjno-izolacyjny - może przejmować pewne obciążenia i jednocześnie posiada podwyższone walory izolacji termicznej, izolacyjny - do elementów przenoszących jedynie ciężar własny a spełniający odpowiednie wymagania izolacji termicznej, architektoniczny - charakterystyczny wygląd strony zewnętrznej;
- ze względu na technologiczne warunki pracy: beton hydrotechniczny - do budowli poddawanych co najmniej jedną powierzchnią stałem działaniu wody, żaroodporny - przeznaczony do pracy w temperaturach do 1200OC, wodoszczelny - do budowy zbiorników na ciecze, obudowy rzek itp.;
- ze względu na miejsce urabiania mieszanki: beton wykonywany na miejscu budowy - uzyskany z mieszanki wykonanej na placu budowy, beton towarowy - wykonany z mieszanki przygotowanej poza placem budowy w specjalnej wytwórni.

Ponieważ beton może należeć równocześnie do różnych grup o nazwie decyduje jego najistotniejsza cecha np. ze względu na rodzaj kruszywa (beton żwirowy), rodzaj dodatku (napowietrzony), budowę struktury (zwarty), główną cechę technologiczną (mrozoodporny). W celu pewnego uporządkowania, zarówno w zakresie jakości i wytrzymałości betonów zwykłych, jak i operowania ograniczoną liczbą rodzajów betonu podzielono je według normy PN-88/B-06250 ?Beton zwykły" na jedenaście klas: B7,5; B10; B15; B17,5; B20; B25; B30; B35; B40; I B50. Po wejściu do Unii Europejskiej powyższą normę zastąpiono normą PN-EN 206:1 ?Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność" co spowodowało zamianę oznaczeń, np. beton klasy B15 zastąpiono C10/15. W poprzedniej normie beton B15 charakteryzował się wytrzymałością gwarantowaną, oznaczoną na próbkach sześciennych wynoszącą 15 MPa. Nowsze oznaczenie C10/15 oznacza beton o minimalnej wytrzymałości oznaczonej na próbkach walcowych wynoszącej 10 MPa i minimalnej wartości wytrzymałości charakterystycznej oznaczonej na próbkach sześciennych wynoszącej 15 MPa.

Podstawowym składnikiem betonu decydującym o jego wytrzymałości jest cement, który pełni funkcję spoiwa hydraulicznego. W wyniku przemian fizycznych i chemicznych cement twardnieje, łącząc się w monolityczną całość z rozdrobnionym składnikiem stałym. Spoiwo to może wiązać w powietrzu lub pod wodą. Najpowszechniej stosowany jest obecnie cement portlandzki. Otrzymuje się go z naturalnych skał, takich jak: wapień, margle, glina, kreda, ziemia okrzemkowa oraz tufy wulkaniczne, a czasem także piasek kwarcowy. Wymienione surowce po przetworzeniu mają postać obłych spieczonych bryłek o wielkości do 20 mm nazywanych klinkierem. W czasie rozdrabniania klinkieru dodaje się gips, który reguluje przebieg wiązania. Rozdrobniony klinkier z gipsem nazywa się cementem portlandzkim. Proces produkcji cementu portlandzkiego obejmuje trzy zasadnicze etapy: przygotowanie surowca, wypalenie (uzyskuje się klinkier) oraz mielenie z dodatkiem gipsu (uzyskuje się cement).

Kolejnym składnikiem betonu jest kruszywo. Pełni ono funkcje wypełniacza, posiada formę sypką złożoną z okruchów ciał stałych. Objętość absolutna kruszywa w betonie wynosi przeciętnie od 60 do 75%. Od niego zależy wiele ważnych cech betonu, a zwłaszcza wytrzymałość na ściskanie, gęstość objętościowa, przewodność cieplna, odporność na czynniki oddziałujące podczas eksploatacji. Do produkcji betonu zwykłego stosuje się kruszywo skalne (kamienne) o gęstości objętościowej w granicach 2000 do 3000 kg/m3. Ze względu na wielkość ziaren kruszywo dzielimy na drobne (piaski- o średnicy od 0,063 mm do 2 mm) i grube(żwir- o średnicy od 2 mm do 16 mm). Ziarna kruszywa różnią się również pochodzeniem: naturalne- powstałe z rozdrobnienia w wyniku przenoszenia ich ruchem wody, dzięki czemu mają charakterystyczny obły kształt oraz łamane- powstałe z rozdrobnienia skał w wyniku celowego działania człowieka. Kruszywa mogą być pozyskiwane ze skał magmowych ( granit, sjenit, bazalt, porfir), osadowych (dolomit, wapienie) oraz metamorficznych (marmury, gnejsy). Analizując odporność korozyjną rozróżniany kruszywa kwaśne i zasadowe, co wynika z charakteru ich głównego składnika.

Ostatnim podstawowym składnikiem cementu jest woda. Nie powinna ona zawierać nadmiernych ilości domieszek źle wpływających na wytrzymałość betonu takich jak: związki siarki, kwasów, soli i cukru. Dodaje się ją do mieszaniny cementu i kruszywa, aby uzyskać mieszankę betonową o żądanej konsystencji i umożliwić proces wiązania cementu. Ilość wody zależy od ilości i wodożądności zarówno cementu jak i kruszywa.

Zadaniem domieszek jest poprawa właściwości mieszanki betonowej i betonu. Substancje te, dodaje się w ilości nie większej niż 5% masy cementu. Działanie ich może zachodzić już podczas mieszania składników lub dopiero w betonie dojrzały. Podstawowymi zadaniami domieszek są: zmniejszenie ilości wody, napowietrzenie, przyśpieszenie wiązania, twardnienia itp.

Dodatki występują w ilościach większych niż 5% masy cementu. Polepszają one wybrane właściwości betonu, uzupełniają pylaste frakcje kruszywa oraz pozwalają zaoszczędzić cement. Dodatki mają postać pyłów, okruchów lub włókien.

Mieszanie składników ma być tak prowadzone, aby w możliwie krótkim czasie otrzymać maksymalnie jednorodne ich rozmieszczenie w mieszance. Do urabiania zaczynu stosuje się urządzenia, które aktywizują cement przez dodatkowe rozdrabnianie ziarna, w wyniku roztarcia lub przemiału czy też w drodze stosowania ultrawibracji. Zaprawy miesza się w szybkoobrotowych mieszarkach, co daje wysoko jednorodną mieszankę. Kruszywo z urobionym zaczynem lub zaprawą miesza się dalej w betoniarce. Po przygotowaniu mieszanki betonowej w betoniarni transportuje się ją do miejsca przeznaczenia. Do transportu należy stosować betoniarki samochodowe o powolnych obrotach, aby nie dopuścić do segregacji składników. W szczególnych przypadkach można używać także betoniarek na podwoziu samochodowym, wywrotek samochodowych z udoskonalonymi skrzyniami do transportu mieszanki zaopatrzonych w wibratory przyczepne oraz zwykłych wywrotek samochodowych. Po przewiezieniu mieszanki należy ją ułożyć. Sposób układania zależy od typy konstrukcji, konsystencji mieszanki i sposobu zagęszczania. Następnym etapem jest zagęszczanie za pomocą wibratora, którego szybkie drgania przesuwają ziarna kruszywa względem siebie i gęściej układają. Wibrowanie należy zakończyć w momencie, gdy na powierzchni betonu zaczyna wydzielać się mleczko cementowe. Duży wpływ na proces wiązania ma temperatura otoczeni. Należy więc odpowiednio pielęgnować beton, aby zapewnić mu właściwe wilgotnościowo-temperaturowe warunki dojrzewania. Mała wilgotność względna powietrza powoduje, że z ułożonej mieszanki może szybko wyparować tyle wody, że uniemożliwi to prawidłowy przebieg wiązania cementu, co jest niezbędne dla twardnienia betonu. Minimalny okres pielęgnacji betonu wynosi 3 dni, jednakże dla betonu wykonywanego z cementu portlandzkiego dla odkrytych dużych powierzchni wynosi 7 dni. Jednym z najlepszych sposobów utrzymywania odpowiedniej wilgotności jest polewanie powierzchni betonu wodą.

Obecnie dąży się do wznoszenia coraz lżejszych konstrukcji, przy jednoczesnym wytwarzaniu przez przemysł coraz bardziej agresywnego środowiska. Zmierza się do uzyskania betonów o coraz wyższych cechach wytrzymałościowych, wyższej odporności na środowisko agresywne, o dużej jednorodności oraz o dużej trwałości i małej odkształcalności. Wobec powyższego staje się jasne, dlaczego trzeba mieć do dyspozycji wiele rodzajów spoiw, kruszyw, specjalnych domieszek i dodatków modyfikujących właściwości betonów, a także różnych sposobów zagęszczania oraz pielęgnacji.

Ponieważ odpowiednie zaprojektowanie składu betonu oraz poprawne wykonanie jest rzeczą najważniejszą, wielu producentów oraz firmy wykonawcze stworzyły Biura Doradztwa Technicznego. Można tam uzyskać specjalistyczne porady dotyczące zarówno doboru składników, oceny ich parametrów technicznych, jak również rozwiązań technologicznych i wykonawstwa. W przypadku, gdy mieszanka betonowa wykonywana jest poza placem budowy firma dostarczy ją odpowiednimi środkami transportu.

W celu uzyskania betonu odpowiedniej jakości należy spełnić wymogi określone w odpowiednich normach wydawanych przez Polski Komitet Normalizacji, Miar i Jakości.

1. Określają one warunki, jakie powinny spełniać poszczególne składniki mieszanki betonowej. Wymogi te można znaleźć w normach, takich jak: PN-EN 197-1 ?Cement - Część 1: Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku", PN-EN 197-2 ?Cement - Część 2: Ocena zgodności", PN-EN 12620 ?Kruszywa do betonu", PN-B-32250 ?Materiały budowlane. Woda do betonu i zaprawy", PN-EN 480 ?Domieszki do betonu, zaprawy i zaczynu". Po wykonaniu mieszanki należy sprawdzić poprawność jej wykonania według normy PN-EN 12350 ?Badania mieszanki betonowej". Wykonuje się również badania betonu na podstawie norm: PN-EN 206-1 ?Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność", PN-EN 12390 ?Badania betonu", PN-EN 12504 ?Badania betonu w konstrukcjach".

2. Określają one warunki, jakie powinny spełniać poszczególne składniki, mieszanka betonowa oraz beton. Wykaz najważniejszych norm zestawiono w poniższej tabeli: