Betón: Tajomstvo tvrdnutia pod vodou a jeho využitie

Betón je tradičný kompozitný stavebný materiál, ktorý sa skladá z pojiva (cement), plniva (kamenivo a piesok). Po zatuhnutí pojiva vznikne pevný umelý slepenec. Najčastejšie sa používa cementový betón. Je pozoruhodné, že u betónu je jedno, či je použitý na suchu alebo pod vodou, jeho vlastnosti sa tým nemenia. Patrí medzi najpoužívanejšie stavebné materiály vďaka svojim unikátnym vlastnostiam.

História a vývoj betónu

História používania betónu siaha až do antiky. Avšak takzvaný hydraulický betón, ktorý bol podobný tomu, aký sa používa dnes - pojivá na báze hydraulických vápien, prírodného či portlandského cementu, môžeme datovať do starovekého Ríma. Mohla preto vznikať významná inžinierska diela, ako sú stavby, mosty, akvadukty či prístavné hrádze. Svedčia o tom dodnes zachované stavby ako cesty a akvadukty, ktoré pochádzajú z 1. storočia nášho letopočtu.

So zánikom starovekého Ríma sa však znalosť tejto technológie zo sveta stratila a objavila sa až v stredoveku, opäť však bez ďalšej nadväznosti. Zo stredoveku je dobré spomenúť český unikát - bolo preukázané, že pri stavbe Karlovho mostu bol použitý veľmi kvalitný maltový betón s hydraulickým pojivom v štýle antických betónov. Používanie betónu sa vo väčšom meradle rozšírilo až v 20. storočí, hoci prostý betón sa používal už v dávnejšom období. Betón sa znovu objavil až v roku 1774, keď ho John Smeaton použil pri oprave základov majáka v Edystone v Anglicku. Smeaton pridal železnú trosku do obvyklej kombinácie nehaseného vápna, piesku a vody.

V širšom rozsahu sa betón začal používať až o 50 rokov po zavedení výroby Portlandského cementu. Patent na jeho výrobu získal v roku 1824 anglický kamenár Joseph Aspdin z Leedsu v portlandskom grófstve. Pôvod názvu portlandský cement pochádza práve odtiaľ. O zavedenie priemyselnej výroby cementu sa v roku 1845 pričinil Angličan Johnson, ktorý objavil proces pálenia vápenca a hliny. Vďaka výrobe portlandského cementu sa v druhej polovici 19. storočia vybudovali najmä vo Francúzsku pozoruhodné inžinierske stavby z prostého betónu.

Zrod železobetónu

K myšlienke kombinovať betón so železnými prvkami dospel v roku 1849 Francúz Joseph-Louis Lambot pri stavbe člna, keď na drôtenú sieť nanášal cementovú maltu. Tento čln sa používal 60 rokov. O šesť rokov nato mu bol udelený patent na stavbu lodí s vystuženým betónom. V roku 1861 uverejnil Francúz Francois Coignet prvú knihu o betóne a jeho praktickom využívaní v stavebníctve. Kniha sa volala "Les bétons agglomérés appliqués l'art de construire" a opisovalo sa v nej aplikovanie železobetónu v konštrukciách stavby.

Angličan J. B. White síce už v roku 1837 postavil dom z betónu a francúzsky podnikateľ Francois Coignet si dal v roku 1856 patentovať vkladanie železných predpätých tyčí do cementovej hmoty, napriek tomu úspešná história železobetónu bola zahájená až objavom parížskeho záhradníka Josepha Moniera. Monier hľadal hmotu na vodovodné rúrky, ktoré by odolávali mrazom a pritom objavil nové prednosti materiálu: „Keď spojíme tekutý cementový kôš so železným drôtom, vzniká vnútorná väzba organického charakteru. Cement obklopuje železné tyče ako sval kostru.“

Význam správneho uloženia oceľového pletiva a tým rozdelenie tlakových a ťahových síl vo vnútri betónu si však Monier neuvedomoval. Sám Monier pracoval na viacerých nápadoch v spojitosti so železobetónom, napríklad železobetónové rakvy. Pretože nebol inžinier, nemohol vo Francúzsku budovať mosty. Svoj patent predal podnikateľom v Nemecku a v Rakúsku (Wayss, Freitag a Schuster), ktorí postavili prvé železobetónové mosty v Európe. Napríklad v roku 1884 v Trevíre, kde sa s jeho systémom zoznámil podnikateľ Conrad Freytag. Tento nakoniec získal práva pre južné Nemecko, zatiaľ čo patentové práva pre severné Nemecko prevzal Gustav Adolf Wayss. Kvôli spôsobu zabezpečenia stavby sa Wayss snažil o používanie vedeckých metód a množstvo zaťažovacích pokusov na Monierových klenbách, výsledky ktorých zverejnil v roku 1887 v spise s titulom "Systém Moniera a jeho aplikácie v stavebníctve".

Proces tuhnutia a tvrdnutia betónu

Betón neztvrdne tým, že vyschne, ale že postupne počas týždňov vykrystalizuje. Během hydratace a tvrdnutí betonu probíhají fyzikální a chemické procesy, pri ktorých sa uvoľňuje teplo. Betón pri nich získava mechanickú pevnosť, odolnosť a dosahuje chemickú stabilitu. Betón pri tuhnutí nie je závislý na atmosfére a preto tuhne aj pod vodou. Tvrdnutie ale potom nekončí, betón tvrdne pri správnej vlhkosti skoro donekonečna (aj pod vodou).

Cement a jeho vplyv na tvrdnutie betónu

Cement je hydraulické pojivo, teda jemne mletá anorganická látka, ktorá po zmiešaní s vodou vytvára kašu tuhnúcu a tvrdnúcu aj pod vodou, a to v dôsledku hydratačných reakcií. Pri styku s vodou dochádza k jeho rozpusteniu a následnej krystalizácii (tuhne a tvrdne), čím sa vytvára pevná a zároveň pružná väzba medzi zrnami plniva (kameniva). Po zatvrdnutí si zachováva svoju pevnosť a stálosť.

Cementy sa podľa ČSN EN 197-1 delia na päť druhov (CEM I až CEM V). K výrobe konštrukčných betónov sa najčastejšie používa cement portlandský (CEM I), troskoportlandský (CEM II) alebo vysokopecný (CEM III). Portlandský cement rýchlo tvrdne, ale pre vysoký obsah voľného vápna nie je dostatočne odolný proti vodám lúhujúcim dobre rozpustný Ca(OH)2 a pre vysoký obsah trikalcium-aluminátu ani proti sulfatickým vodám. Směsové cementy obsahujú hydraulické prímesi, ktoré zvyšujú ich odolnosť proti agresívnym vplyvom.

Čím je vyššia pevnostná trieda cementu a čím menej obsahuje prímesí, tým rýchlejšie prebieha jeho tvrdnutie a tuhnutie a cement je vhodný napr. do konštrukcií s požiadavkami na krátke odbedňovacie lehoty alebo pre zimné betonáže. Naopak cementy nižších tried s vysokým obsahom prímesí tuhnú a tvrdnú pomalšie a sú vhodné napr. pre masívne konštrukcie, kde je potrebné kontrolovať uvoľňovanie hydratačného tepla.

Prehľad tried cementu

Prísady a prímesi ovplyvňujúce tuhnutie a tvrdnutie betónu

Tvrdnutie ovplyvňujú tiež prísady a prímesi, aj keď ich podiel v betóne dosahuje spravidla iba niekoľko percent. Ide o jemné práškové látky (prímesi) alebo chemické zlúčeniny (prísady), ktoré sa pridávajú do betónovej zmesi už počas miešania. Objem prímesí v čerstvej betónovej zmesi sa pohybuje v rozmedzí 10 - 40 % hmotnosti cementu.

Spomaľovacie prísady

Spomaľovacie prísady sú látky, ktoré spomaľujú tuhnutie a tvrdnutie cementu. Spomalenie hydratačných procesov sa využíva vtedy, keď doba od výroby po spracovanie betónu je relatívne dlhá a vyžadovanú konzistenciu čerstvého betónu je treba udržať čo najdlhšie. Použitím spomaľovacích prísad možno zabrániť nadmernému ohriatiu týchto konštrukcií vplyvom hydratačného tepla, čo by mohlo viesť ku vzniku trhlín v dôsledku teplotnej dilatácie. Použitie spomaľovacích prísad vedie k zníženiu počiatočných (jednodenných) pevností.

Urýchľovacie prísady

Urýchľovacie prísady sú látky, ktoré ovplyvňujú chemicky alebo fyzikálno-chemicky proces hydratácie cementu, čo vedie k urýchleniu tuhnutia a tvrdnutia betónu. Urýchľovacie prísady možno výhodne používať pri betonovaní v zimnom období.

Vplyv superplastifikátorov na tuhnutie betónu

Vplyv superplastifikátorov na tuhnutie betónu závisí od typu prísady. Superplastifikátory na báze SMF (sulfonované melamin-formaldehydové kondenzáty) všeobecne skracujú začiatok a dobu tuhnutia. Lignosulfonany všeobecne spomaľujú hydratáciu, a preto aj vývoj pevnosti je pri ich aplikácii spomalený. V dôsledku toho krátkodobé pevnosti, t.j. pevnosti po 1 dni tvrdnutia, sú spravidla nižšie ako u betónu bez prísady. Aplikácia superplastifikátorov vedie spravidla k nárastu pevnosti betónu nielen pri redukcii dávky vody, ale aj pri konštantnom vodnom súčiniteli.

Vodný súčiniteľ a teplota

Rýchlosť vývinu pevnosti betónu nezávisí len na vlastnostiach cementu a prísad, ale tiež na vodnom súčiniteli. Pevnosť betónu rastie rýchlejšie s nižším vodným súčiniteľom než u betónu s vyšším vodným súčiniteľom. Dobu tvrdnutia významne ovplyvňuje vodný súčiniteľ betónu. Čím viac je v betóne vody, tým dlhšie tvrdne. Čím vyšší vodný súčiniteľ je, tým viac vody zmes obsahuje a tým dlhšie bude betón tuhnúť a schnúť.

Rýchlosť vývinu pevnosti ovplyvňujú aj podmienky ošetrovania betónu, predovšetkým teplota. Ideálna teplota pre betonovanie je v rozmedzí 15 - 25 °C. Pri tejto teplote dochádza k optimálnemu procesu zrání betónu. Čím je teplota vyššia, tým betón rýchlejšie tvrdne. Nízke teploty pod 5 °C naopak spôsobia zamŕzanie vody, zastavenie procesu hydratácie, a tým aj kompletné znehodnotenie betonované plochy. Dobu tvrdnutia betónu ovplyvňuje vyššie spomenutá teplota okolného prostredia, ale aj iné poveternostné podmienky, ako je intenzita vetra a slnečného žiarenia, ktoré sa podieľajú na rýchlosti odparovania vody z konštrukcie. Ak je betón pri tvrdnutí vystavený vysokým teplotám (napr. priamemu slnečnému žiareniu), musí sa ošetrovať vodou, aby nevznikli praskliny pri vyparovaní prímesovej vody.

Betonovanie v zimnom období

Najväčším nepriateľom betonovania v zimnom období sú samozrejme nízke teploty. Cementový betón sa nemôže spracovávať pri nízkych teplotách. Voda, ktorá tvorí súčasť zmesi mrzne a chemická reakcia medzi spojivom a kamenivom kvôli tomu následne neprebehne. Podľa ČSN 73 2400 nesmie teplota povrchu betónu klesnúť pod 5 °C po dobu najmenej 72 hodín. Pre zlepšenie hydratačných procesov možno do betónovej zmesi pridať prísady, ktoré znižujú množstvo zámesovej vody a vďaka tomu urýchľujú tuhnutie a tvrdnutie betónu.

Kedy možno pokračovať v stavbe?

Betón zraje celkom 28 dní, po ktorých získava 100 % uvádzané pevnosti. Po týždni má betón cca 70 % deklarovanej pevnosti. To nemožno jednoznačne určiť, záleží totiž na mnohých faktoroch - teplota okolia, výmena vzduchu, hrúbka konštrukcie atď. Je dôležité rozlišovať: zrání ≠ vysychání. V technických listoch betónových aj anhydritových poterov sa často dočítate: „Zraje 28 dní“. Týchto 28 dní označuje dobu, za ktorú poter dosiahne svoje konečné pevnosti - teda mechanické vlastnosti, nie vyschnutie.

Zloženie, vlastnosti a typy betónu

Betón je zmesou spojiva (napr. cementu, vápna, asfaltu, dechtu, magnezitu, makromolekulové živice, sadry) a plniva (napr. anorganické prírodné materiály ako piesok a kamenivo, ale aj umelé: škvara, troska, keramzit a niektoré organické materiály napr. drevené piliny, pazderie, korok, rašelina).

Svojimi vlastnosťami patrí cementový betón (CB) medzi najpoužívanejšie stavebné materiály. Má vysokú pevnosť v tlaku, ale malú pevnosť v ťahu a šmyku. Pevnosť v tlaku je podľa potreby v rozmedzí od 5 do 50 MPa, celkovo 3-60 MPa, pričom v ťahu je asi desaťkrát menšia. Pre zvýšenie pevnosti v ťahu a únosnosti sa vystužuje oceľovými prútmi, drôtikmi a sieťami (železobetón). Jeho pevnosť a vlastnosti sa menia zložením a spracovaním zmesi. Pevnosť závisí hlavne od frakcie piesku alebo štrku. Najpevnejšie a najdrahšie sú vibrované betóny s malou frakciou piesku.

Je ľahko tvarovateľný a umožňuje s pomocou debnenia vytvoriť v rámci statických možností rozmanité tvary. Je odolný voči chemickým látkam, vysokým teplotám, je trvanlivý a má objemovú stálosť. Ako výstuž sa používa hlavne oceľ STN11xxx (konštrukčné ocele, betonárska oceľ). Nevýhodou betónu je jeho hmotnosť, ktorá závisí od použitých materiálov (najmä kameniva). Pri prostom betóne sa merná hmotnosť pohybuje v rozsahu 2 000 až 2 400 kg/m³ a pri železobetóne 2 300 až 2 600 kg/m³. Pri prefabrikátoch je nutná asistencia zdvíhacích mechanizmov, ktoré zvyšujú náklady stavby. Tepelná vodivosť má takisto negatívny vplyv na stavbu a závisí od hutnosti betónu.

Typy betónu

• Prostý betón: Betón bez pridanej výstuže. Je používaný hlavne ako podkladný betón.
• Suchý betón: Je v sypkom stave a dá sa prepravovať aj bez pomoci domiešavačov. Na rozdiel od normálne spracovanej betónovej zmesi sa do suchého betónu pridáva malé percento vody. Najčastejšie sa používa pri výstavbe diaľnic ako podkladný betón (stabilizácia) pod asfaltový koberec. Pri ukladaní suchého betónu sa sype priamo z korby nákladného auta do finišera, ktorý ukladá rovnomerne hrubé vrstvy.
• Predpätý betón: Je prefabrikovaný železobetón. Takýto betón sa vyrába tak, že výstuž sa v debnení mechanicky natiahne na požadované hodnoty. Do debnenia sa pridá betónová zmes a celá zmes sa v debnení vibruje. Po stuhnutí sa natiahnutá oceľová výstuž uvoľní a vznikne predpätie.
• Drátkobetón: Je betón s prímesou oceľových vlákien, ktoré zvyšujú jeho pevnosť v tlaku.
• Asfaltový betón (AB): Je kamenivo rôznej frakcie obaľované asfaltom.
• Ľahčené druhy: Sú betóny, do ktorých sa primiešava perlit alebo granulovaný polystyrén (EPS).

Doprava a aplikácia betónu

Kvôli veľkým požiadavkám sa betón vyrába priemyselne v betonárňach a na miesto určenia sa dopravuje domiešavačmi betónu. Pri veľkých stavbách (diaľnice, mosty) sa betonárne stavajú blízko staveniska. Na mieste určenia sa betón leje do vopred pripraveného debnenia a vzniká tak monolit. Pre ťažšie dostupné miesta sa betón dopravuje aj pomocou betón pumpy alebo košov, ktoré sa dvíhajú pomocou žeriavov. Betón pumpa je špeciálne upravené nákladné auto s hydraulickým ramenom v dĺžkach 20 až 70 metrov, na ktorej je pripevnené oceľové potrubie o priemere 100 a 125 mm a s pomocou hydraulických piestov tlačí betónovú zmes do potrubia.

Betón sa používa hlavne v stavebníctve pre tvorbu nosných konštrukcií, ale aj v záhradníctve a sochárstve. Používajú sa ako nosné prvky s veľkou pevnosťou alebo nenosné/výplňové prvky s tepelno-izolačnými vlastnosťami. Konštrukčné nosné prvky sa používajú ako stĺpy, stropy, preklady, piliere a pod. Cestné nosné prvky sú používané pre priemyselné podlahy, cestné a letiskové plochy, majú zvýšenú odolnosť proti mechanickému opotrebovaniu a poveternostným vplyvom.

tags: #beton #tuhne #pod #vodou