Beton

BETON

Beton to niejednorodny oraz wielofazowy kompozyt. Z chemicznego punktu widzenia niezwiązany beton ma odczyn zasadowy. Jego główne składniki to spoiwo (cement), kruszywo, woda oraz ewentualne dodatki. Beton uzyskuje właściwości w wyniku hydratacji cement – to dzięki temu procesowi staje się ciałem stałym. Beton to jeden z najczęściej używanych materiałów budowlanych we współczesnym świecie. Ostatnio pojęcie betonu zostało poszerzone z powodu możliwości zmiany cementu na inne spoiwo. Beton dzieli się ze względu na ciężar objętościowy, sposób zagęszczenia i wbudowania, właściwości oraz kierunki rozwoju.

HISTORIA BETONU

Historia Betonu sięga czasów 200 p.n.e. Wtedy był określany jako sztuczny kamień, został wynaleziony oraz używany w Asyrii. W starożytnych czasach mieszano piasek i drobne kamienie z zaprawą wapienną . W Rzymie jako zaprawę naturalną używano pochodzącej z wulkanicznych popiołów pucolany. Dodanie tego składnika sprawiało, że rzymski beton stawał się wodoodporny. W architekturze gotycznej używano mieszaninę wapiennej zaprawy z drobnym piaskiem do tworzenia odlewów dekoracji. Po wynalezieniu cementu portlandzkiego beton stał się bardzo popularny. John Smeaton stworzył pierwszą konstrukcję betonową w 1756 roku.

KLASYFIKACJA BETONÓW

Ze względu na ciężar objętościowy betony dzieli się na zwykłe (o gęstości od 2000 do 2600 kg/m3), ciężkie (o gęstości przekraczającej 2600 kg/m3) oraz lekkie (o gęstości od 800 do 2000 kg/m3). Ze względu na główne funkcje jakie spełnia, rozróżnia się: betony konstrukcyjne, żaroodporne, wodoszczelne, odporne na ścieranie oraz osłonowe. Zasadą klasyfikacji betonu często są składniki wiążące, np. beton cementowy, żywiczny, asfaltowy. Także składniki kruszywowe mogą być powodem klasyfikacji, np. beton żwirowy, keramzytowy czy łupkoporytowi. Do betonów zaliczamy również tworzywa, które powstają z zapraw wapiennych oraz cementowych spulchnionych za pomocą środków gazotwórczych. Z tej grupy betonów tworzy się duże ilości betonów komórkowych, które są poddawane obróbce cieplnej w autoklawach.

BETON ZWYKŁY

 Betonem zwykłym określa się materiał o pozornej gęstości przekraczającej 2000 kg/m3, który powstaje w wyniku stwardnienia mieszanki betonowej.
Mieszanka betonowa to mieszanina spoiwa cementowego, kruszywa oraz wody. Tym określeniem często nazywamy mieszaninę zaprawy cementowej z kruszywem grubym (o średnicy ziaren powyżej 2 mm). Często dodaje się do niej domieszki lub dodatki, które nadają mieszankom lub stwardniałym betonom zamierzone właściwości. Domieszka to najczęściej substancja sproszkowana dodawana w ilości około 1% co do masy cementu. Dodatek to substancja dozowana w większych ilościach.
Porowatość mieszanki betonowej to wyrażona w procentach objętość powietrza w zagęszczonej mieszance betonowej z pominięciem powietrza zawartego w kruszywie.
Klasa betonu to symbol określający jakość betonu, odpowiadający gwarantowanej wytrzymałości betonu. Rozróżnia się betony zwykłe klas: B7,5, B10, B12,5, B15, B17,5, B20, B25, B30, B35, B40, B50.
Wytrzymałość gwarantowana R bG betonu to wytrzymałość na ściskanie, zazwyczaj zapewniona przez producenta betonu.
 Stopień wodoszczelności betonu to symbol klasyfikujący go pod względem przepuszczalności wody. Liczba po literze W oznacza 10 – krotną wartość ciśnienia wody na próbki betonowe.
Stopnie wodoszczelności betonu: W2, W4, W6, W8, W10, W12.
Stopień mrozoodporności betonu oznacza symbol klasyfikujący beton ze względu na odporność na mróź. Po literze F występuje liczba oznaczająca wymaganą liczbę zamrażania i odmrażania próbek betonu.
Stopnie mrozoodporności betonu: F25, F50, F75, F100, F150, F200, F300.
Rodzaje dojrzewania betonu:
·Naturalne – temperatura dobowa nie przekracza 10oC,
·Laboratoryjne – temperatura przekracza 18oC, a wilgotność względna powietrza 90%,
·W obniżonej temperaturze – średnia dobowa temperatura od 5oC do 10oC,
·Zimowe – temperatura poniżej 5oC,
·W podwyższonej temperaturze – występuje w procesie przyspieszonego dojrzewania.

Średnią temperaturę dobową oblicza się za pomocą wzoru:

SKŁADNIKI BETONU ZWYKŁEGO

Podstawowe składniki betonu zwykłego to spoiwo cementowe, kruszywo oraz woda. Za spoiwo najczęściej służą cementy portlandzkie, portlandzkie z dodatkiem popiołu lotnego lub żużla, hutniczy oraz cement szybko twardniejący. Jako wypełniacze do betonu zwykłego dodaje się kruszywa mineralne (piasek, żwir, grysy oraz ich mieszanki). Zalecane jest używanie kruszywa o marce nie niższej od klasy betonu. O jakości betonu decydują dodatki mineralne oraz chemiczne domieszki w betonowej mieszance. Domieszki chemiczne dzieli się na: superplastyfikujące, uplastyczniające, napowietrzające, przeciwmrozowe, przyspieszające twardnienie, opóźniające twardnienie oraz uszczelniające.

CECHY BETONU ZWYKŁEGO

 Konsystencja to cecha betonu, która charakteryzuje jego podatność na przemieszczanie się pod wpływem siły. Może ona być wywoływana przy użyciu wibratorów.
Urabialność mieszanki betonowej nie ma określonego miana fizycznego. Zazwyczaj jest dopasowana do warunków formowania określonych przez:
·Wymiary oraz kształt konstrukcji, wyrobu lub elementu,
·Gładkość oraz wygląd powierzchni,
·Sposób zagęszczania i układania mieszanki betonu.
Dostosowanie urabialności betonu do wyżej wymienionych warunków polega na dobraniu odpowiedniej ilości zaprawy i łącznej ilości cementu oraz frakcji kruszywa nie przekraczającego 0,125 mm.
Podatność na zagęszczenia to cecha, która określa pomniejszanie się objętości porów powietrznych w betonie pod pływem jego zagęszczenia. Ilość porów zależy od konsystencji mieszanki betonowej oraz sposobu jej zagęszczania. Porowatość stwardniałych betonów jest większa.

PROJEKTOWANIE SKŁADU BETONU
 
Skład mieszanki betonowej możemy określić metodami doświadczalnymi lub obliczeniowo – doświadczalnymi, które gwarantują otrzymanie wymaganych właściwości. W celu ulepszenia właściwości betonu i mieszanki betonowej stosuje się domieszki chemiczne. Jeżeli wymagane są właściwości mrozoodporne używa się domieszek napowietrzających. Podczas projektowania mieszanki betonowej zagęszczanej mechanicznie lub ręcznie oraz dojrzewającej w naturalnych warunkach wymagane wytrzymałości na ściskanie betonu przyjmuje się wartości 1,3RbG. Stworzenie recepty mieszanki betonowej obejmuje:
·Ustalenie początkowych założeń,
·Badania oraz dobór odpowiednich składników betonu,
·Wstępny wybór składu mieszanki betonowej,
·Korekty składu, próby kontrolne i ustalenie recepty laboratoryjne,
·Stworzenie recepty roboczej.
Recepta laboratoryjna przedstawia skład w masie na 1m3 mieszanki betonowej (w odniesieniu do kruszywa suchego). W celach produkcyjnych sporządza się receptę roboczą, która uwzględnia wilgotność kruszywa, sposób dozowania oraz pojemność urządzenia mieszającego. Wstępne ustalenia dotyczące składu mieszanki betonowej, które opierają się na uzyskiwaniu założonej wytrzymałości Rw po 28 dniach dojrzewania betonu, szczelności mieszanki, a także jej konsystencji.
Przewidywaną 28 – dniową wytrzymałość na ściskanie możemy obliczyć według wzoru Bolomeya:

przy  < 2,5

  przy  > 2,5

W wyżej podanym wzorze:
C – ilość cementu w 1 m3 betonu, kg,
W – ilość wody w 1 m3 betonu, l,
A1, A2 – współczynniki zależne od marki cementu i rodzaju kruszywa.

Kolejną zależność – warunek szczelności mieszanki betonowej, można wyrazić wzorem:

   W = 1000 ± 5

W wyżej podanym wzorze:
C – zawartość cementu w 1 m3 betonu, kg,
Pc – gęstość cementu, kg/dm3,
K – zawartość kruszywa w 1 m3, kg,
Pk – gęstość kruszywa, kg/dm3,
W – zawartość wody w 1m3 betonu, l.

Następną zależność – warunek konsystencji, wyraża się wzorem:

W = wk × K + wc × C

W wyżej podanym wzorze:
W – -zawartość wody w 1 m3 betonu, l,
wk – wodny wskaźnik kruszywa, 1/kg,
K – zawartość kruszywa w 1 m3 betonu, kg,
C – zawartość cementu w 1m3 betonu, kg,
wc – wodny wskaźnik cementu ok. 0,23, 1/kg.

Wskaźniki wodne określają ilość wody, którą należy dodać do 1 kg suchego kruszywa, aby uzyskać wymaganą konsystencję.

BETONY CEMENTOWE Z KRUSZYWAMI SZTUCZNYMI

 Ze względu na układy ziaren oraz strukturę betonu wyróżnia się betony zwarte, półzwarte i jamiste.
Beton zwarty jest to beton, w którym puste przestrzenie pomiędzy ziarnami kruszywa są w 85% ich objętości są wypełnione zaprawą cementową. 
Beton półzwarte to takie, w którym zawartość frakcji ziaren mniejszych niż 4 mm w kruszywie wynosi minimalnie 15%, a także, w których mniej niż 85% pustych przestrzeni pomiędzy ziarnami jest wypełniona zaprawą cementową.
Beton jamiste są wykonane z grubego kruszywa o średnicy ponad 4 mm. Zaczyn cementowy jedynie pokrywa kruszywo oraz spaja jego ziarna.
 
BETONY Z ŁUPKOPORYTU
 
 Betony z łupkoporytu wyróżniają się największą wytrzymałością ze wszystkich betonów lekkich. Wykazują właściwości mrozoodporne oraz mogą być poddane 25 cyklom zamrażania do temperatury – 20oC. Ich wytrzymałość nie spada niżej niż do 20%, a ubytek masy nie spada niżej niż 5% wagi. Łupkoporyt jest najczęściej wykorzystywany do tworzenia betonów konstrukcyjnych oraz izolacyjno – konstrukcyjnych dzięki dużej jednorodności kruszywa, dużej wytrzymałości oraz niewielkiej zawartości szkodliwych składników.

BETONY Z PUMEKSU HUTNICZEGO

Betony z pumeksu hutniczego charakteryzuje się dużą porowatością i szorstkością, przez co mieszanka betonowa jest bardzo trudno urabialna. Do tego rodzaju betonów nie dodaje się naturalnego piasku, ponieważ zwiększa to pozorną gęstość, a także nie wpływa na ich wytrzymałość. Jednak urabialność mieszanki można polepszyć poprzez dodanie popiołu lotnego. Mają o wiele lepsze właściwości termoizolacyjne niż inne betony lekkie o tych samych gęstościach pozornych. Mimo dużej porowatości są odporne na mrozy. Ich nasiąkliwość wynosi 10-20%.

BETONY Z KERAMZYTU

Betony keramzytowe odznaczają się świetnymi parametrami izolacyjnymi, dużą odpornością na warunki środowiskowe – dobrze znosi zmiany temperatur, dobrze oddaje wilgoć, a także jest mrozoodporny. Stosuje się go do tworzenia betonów izolacyjnych i konstrukcyjnych. Są często wykorzystywane do obiektów, w których potrzebne jest zachowanie prawidłowego bilansu energetycznego. Nasiąkliwość betonów keramzytowych wynosi 10-25%.

NISZCZENIE BETONU

Najczęstsze przyczyny korozji zbrojeń i uszkodzeń betonu to karbonatyzacja oraz przenikanie chlorków. Dwutlenek węgla i chlorki wnikają do betonu, a wtedy niszczona jest warstwa wokół prętów zbrojeniowych i zaczynają się procesy korozyjne. Karbonatyzacja powoduje obniżenie się pH betonu, co z kolei prowadzi do zanikania warstw pasywnych zbrojeń. Korozję dzielimy na zewnętrzną i wewnętrzną. Korozja zewnętrzna powodują niekorzystne warunki środowiskowe, korozja wewnętrzna najczęściej spowodowana jest przez składniki, z których powstaje beton, np. zły dobór domieszek. Pęknięcia betonu zwiększają ich porowatość oraz umożliwiają wodzie i innym chemikaliom przeniknąć do struktury betonu, co przyspiesza jego niszczenie.

OCHRONA BETONU

Izolacja chemoodporna – polega na wykonaniu uszczelniania porów po stwardnieniu betonu, dzięki czemu konstrukcja jest chroniona przed wnikaniem chemicznych substancji. Środki do izolacji chemoodpornej zawierają w sobie żywice syntetyczne, kompozyty żywiczno – bitumiczne, masy bitumiczne oraz folie z tworzyw sztucznych.
Impregnacja – polega na pokrywaniu powierzchni betonu preparatami, których składy oparte są na żywicach syntetycznych, epoksydowych, poliuretanowych oraz akrylowych. Metoda zabezpiecza beton przed działaniem agresywnych środowisk oraz wzmacnia jego odporność na uszkodzenia mechaniczne.
Zabezpieczanie powłokowe – polega na zastosowaniu polimerów organicznych oraz spoiw hydraulicznych do stworzenia ciągłej warstwy ochronnej na powierzchni betonu. Działanie powłok ochronnych polega na tworzeniu specjalnej warstwy izolacyjnej, która odcina beton od środowiska i ogranicza kontakt z zagrożeniami. Ta metoda zabezpiecza beton przed działaniem niebezpiecznych czynników chemicznych.