Beton

WPROWADZENIE

To, co w budownictwie nazywamy betonem, znajdujemy w przyrodzie na co dzień – bowiem skały osadowe powstały poprzez spojenie okruchów innych skał w całość. Najstarsze prymitywne budownictwo polegało na prostym składaniu nieobrobionych kamieni, przy czym spoiny i puste przestrzenie uszczelniano mchem lub gliną. Budowle takie były naturalnie nietrwałe. Postępem już było ociosywanie i dopasowywanie kamieni. Największe osiągnięcia tego rodzaju budownictwa spotykamy w budowlach prehistorycznych w Andach południowoamerykańskich, gdzie bloki kamienne są tak precyzyjnie dopasowane, że spoiny są trudno widoczne. Pomimo braku lepiszcza, mury w ten sposób wzniesione okazały się trwałe, chociaż liczą już tysiące lat.
Rozwój budownictwa ludów, których jesteśmy kulturowymi spadkobiercami, poszedł w innym kierunku. Elementy budowlane, tj. cegły, kamienie i okruchy skalne łączono w jedną całość za pomocą lepiszcza albo spoiwa. O wyborze tego materiału decydowały oczywiście przede wszystkim zasoby miejscowe. W Mezopotamii (Niniwa, Babilon) ociosane bloki kamienne sklejano za pomocą bitumu. W starożytnym Egipcie pierwotnie stosowano jako lepiszcze muł nilowy z dodatkiem sieczki, którym spajano suszone na słońcu cegły. Przy budowie piramid stosowano już spoiwa mineralne, głównie gips. Tak na przykład bloki kamienne piramidy Chefrena (ok. 2650 r. p.n.e.) spojone są za pomocą gipsu hydraulicznego, przepalonego z dodatkiem wapna i piasku kwarcowego. Wapno wynaleźli Persowie, a od nich przejęli je Grecy. Obok piasku zwykłego, jako dodatku do spoiwa wapiennego, Grecy stosowali również pucolanę (ziemię santoryńską). Zaprawy wapienne były znane również Etruskom (XI wiek p.n.e.). Jednakże istotny rozwój techniki murarskiej, połączony ze świadomym szukaniem nowych rozwiązań, pojawia się dopiero w budownictwie rzymskim. Rzymianie bowiem, obok stosowanych zapraw wapiennych, modyfikowali je przystosowując do masowego budownictwa inżynieryjnego i wodnego, gdzie osiągano wysokie wytrzymałości lub też możliwość tężenia pod wodą. Aby to osiągnąć Rzymianie dodawali do zapraw dużo piasku oraz naturalną pucolanę z wyspy Puzzuoli, a także sztuczną w postaci sproszkowanej ceramiki (dachówki, garnki), nazywając ten proszek „caementum”. To właśnie Rzymianie pierwsi nazwali „betunium” materiał, który otrzymywali przez zmieszanie wapna, tłucznia ceglanego z żużlem paleniskowym i kamieniem. Rzymianom znane były także domieszki do betonu w postaci związków organicznych i olejów. Sposoby wykonywania betonu i zapraw opisuje rzymski pisarz Witruwiusz w swoich dziełach o budownictwie (I wiek p.n.e.).

Dynamiczne wykorzystanie betonu nastąpiło dopiero w XIX wieku , od momentu opracowania w roku 1824 przez Aspdina technologii sztucznego spoiwa, które nazwał cementem portlandzkim.
Dzisiaj pojęcie betonu jest znacznie szersze i uległo wielu modyfikacjom. Obecnie beton uzyskuje się nie tylko z okruchów skalnych (kruszywo naturalne i łamane) ale także z kruszywa sztucznego i wypełniaczy zaś zamiast cementu stosuje się inne spoiwa a jego właściwości wzbogaca się domieszkami i dodatkami.
Ogólnie można zdefiniować beton jako materiał budowlany uzyskany z połączenia drobnoziarnistego wypełniacza spoiwem. Tak uzyskany materiał nosi nazwę kompozytu, w którym zaczyn spełnia rolę matrycy, a kruszywo inkluzji.

Beton i stal są obecnie dwoma najbardziej powszechnie stosowanymi materiałami w konstrukcjach budowlanych. Czasem się wzajemnie uzupełniają (tworząc żelbet) a czasem konkurują ze sobą w tym sensie, że konstrukcje podobnego typu i funkcji mogą być zbudowane z jednego z tych materiałów. A jednak inżynierowie zwykle wiedzą mniej o betonie, z którego jest wykonana konstrukcja, niż o stali. Stal jest produkowana w warunkach dokładnie kontrolowanych, jej właściwości są określone w laboratorium i opisywane w świadectwach producenta. Projektant musi zatem jedynie wyspecyfikować stal zgodnie z odpowiednią normą, a nadzór inżyniera na budowie jest ograniczony do wykonawstwa połączeń między poszczególnymi elementami stalowymi.
Na budowie obiektu betonowego sytuacja jest całkowicie inna. Wprawdzie jakość cementu, kruszyw, dodatków i domieszek jest gwarantowana przez producenta, w sposób podobny do tego jak w przypadku stali, ale dopiero beton, który powstaje z ich połączenia jest materiałem konstrukcyjnym. Elementy z betonu wykonywane są często na budowie, a ich jakość jest zależna niemal wyłącznie od fachowości wykonawstwa przy produkcji, transporcie, układaniu mieszanki betonowej oraz pielęgnowaniu świeżego betonu. W tym miejscu należy przytoczyć słowa Profesora Adama Neville’a: „Nie należy obawiać się, że wykonanie dobrego betonu jest trudne. Zły beton – często materiał o niewygodnej konsystencji, twardniejący w porowatą, niejednorodną masę – jest po prostu wykonywany przez zmieszanie cementu, kruszywa i wody. Zadziwiające, że składniki dobrego i złego betonu są dokładnie takie same, a jedynie umiejętności, poparte przez zrozumienie wykonywanych czynności i zachodzących procesów, są odpowiedzialne za różnice”.

UREGULOWANIA NORMOWE

Beton jako materiał konstrukcyjny, powszechnie stosowany w budownictwie, objęty jest normą PN-EN 206-1 „Beton. Część 1: wymagania, właściwości, produkcja i zgodność” oraz PN-B-06265 :Krajowe uzupełnienia PN-EN 206-1”.
Poniżej przedstawione zostaną zagadnienia precyzowane przez wymienione normy.
Zgodnie z przytoczonymi normami beton jest definiowany jako materiał powstały ze zmieszania cementu, kruszywa grubego i drobnego, wody oraz ewentualnych domieszek i dodatków, który uzyskuje swoje właściwości w wyniku hydratacji cementu.
Beton może być wytwarzany na placu budowy, może być betonem towarowym lub produkowanym w wytwórni betonowych elementów prefabrykowanych.

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.

Podstawowe założenia normy PN-EN 206-1
Norma PN-EN 206-1 wprowadza nowe podejście do projektowania składu i produkcji betonu oraz oceny jego parametrów technicznych. Nadrzędnym celem spełnienia wymagań zawartych w tej normie jest trwałość betonu pracującego w określonych warunkach środowiskowych, tzw. klasach ekspozycji.

Norma PN-EN 206-1 określa wymagania dotyczące:
- składników betonu
- właściwości mieszanki betonowej i betonu oraz ich weryfikacji
- ograniczeń dotyczących składu betonu
- specyfikacji betonu
- dostawy mieszanki betonowej
- procedur kontroli produkcji
- kryteriów zgodności i oceny zgodności.

Norma PN-EN 206-1 obejmuje wymaganiami beton stosowany do konstrukcji wykonywanych na placu budowy oraz konstrukcji i elementów prefabrykowanych. Stosuje się ją do mieszanki betonowej zagęszczanej w celu usunięcia zawartego w niej powietrza, które nie pochodzi z celowego napowietrzenia.

Normę PN-EN 206-1 stosuje się do:
- betonu lekkiego o gęstości w stanie suchym ≥ 800 kg/m3 i ≤ 2000 kg/m3
- betonu zwykłego o gęstości w stanie suchym > 2000 kg/m3 i ≤ 2600 kg/m3
- betonu ciężkiego o gęstości w stanie suchym > 2600 kg/m3 

Klasy ekspozycji betonu związane z oddziaływaniem środowiska

Klasa ekspozycji są to warunki środowiska, w których znajduje się beton. Oddziaływanie środowiska może być chemiczne lub fizyczne i może wpływać na beton lub znajdujące się w nim elementy metalowe (zbrojenie).





(kliknij na obraz żeby powiększyć)

Wymagania w zakresie składu i ustalonych właściwości betonu są określone dla każdej klasy ekspozycji i dotyczą:
- dopuszczalnych rodzajów i klas składników
- maksymalnego współczynnika wodno-cementowego (w/c)
- minimalnej zawartości cementu
- minimalnej klasy wytrzymałości betonu na ściskanie
- minimalnej zawartości powietrza (w przypadku klasy ekspozycji XF).

Spełnienie wymagań dla składu i właściwości betonu dotyczących wartości granicznych, jest równoznaczne z zapewnieniem trwałości betonu, pracującego w określonym środowisku, pod warunkiem:
- prawidłowego ułożenia, zagęszczenia i pielęgnacji betonu zgodnie z odpowiednimi normami
- zaprojektowania i wykonania odpowiedniej otuliny zbrojenia w betonie
- prawidłowego doboru klasy ekspozycji
- stosowania przewidzianej konserwacji konstrukcji.

Wymagania wynikające z klas ekspozycji
Wymagania w zakresie składu i ustalonych właściwości betonu w zależności od klasy ekspozycji przedstawione zostały w tabeli.