Beton

Beton je građevinski materijal koji se spravlja uglavnom od cementa, agregata (uglavnom šljunak i pesak) i vode.

Beton sipanje i ugrađivanje vibriranjem u jednu zgradu u Torontu, Ontario, Kanada.

Livenje betonske ploče za poslovnu zgradu

Postavljanje armature za betonsku ploču na početku betoniranja

Beton očvršćava posle mešanja i ugrađivanja, usled hemijskog procesa koji se naziva hidratacija. Voda reaguje sa cementom, koji očvršćava i tako povezuje ostale komponente u smeši, tako da na kraju dobijamo tvrd „kameni“ materijal.

Termin „beton“ u opštem slučaju označava širok spektar veštačkih građevinskih materijala kompozitnog tipa koji se dobijaju aglomeracijom zrna vrlo različitih tipova agregata. Aglomeracija podrazumeva i primenu određenih vezivnih supstanci. Imajući u vidu ovakvu definiciju, proizlazi da se načelno može govoriti o gips-betonu, kreč-betonu, betonu na bazi vodenog stakla, asfalt-betonu i drugim. Najširu primenu nesumnjivo imaju betoni kod kojih se kao vezivo koristi cement, i koje bi formalno trebalo zvati cement-betonima, ali je u praksi uobičajeno da se materijali ovog tipa nazivaju samo betonima

Beton je materijal koji se najviše koristi od svih veštačkih materijala na svetu. Koristi se za pravljenje puteva, zgrada, temelja, mostova, „kamenih“ blokova itd.

Prema podacima iz 2005., proizvodnja betona je oko šest milijardi kubnih metara godišnje, što znači jedan kubni metar po glavi stanovnika planete. Narodna Republika Kina trenutno čini oko 40% svetske proizvodnje cementa.

Istorija

Još su Asirci i Vavilonci koristili glinu kao vezivno sredstvo za njihov beton. Egipćani su koristili kreč i gips kao cement. U Rimskom carstvu beton je pravljen od kalcijum-oksida, pucolanske prašine i agregata koji su pravili od plavca. Bio je sličan današnjem betonu na bazi cementa. 1756, britanski inžinjer Džon Smiton (engl. John Smeaton) prvi je upotrebio portland cement kao vezivnu supstancu za spravljanje betona, koristeći šljunak i šljaku (opeka u prahu) kao agregat. Danas je korišćenje recikliranih materijala, kao sastajaka za beton, sve popularnije zbog nedostataka prirodnog agregata, a i zbog zaštite okoline. Najkorišćeniji je leteći pepeo (filer), kao koprodukt termoelektrana. To ima veliki značaj jer se redukuje određeni broj kamenoloma, a i eksploatacija rečnog agregata se smanjuje.

Osobine betona su se promenile još kako su Rimljani i Egipćani otkrili da se dodavanjem vulkanskog pepela betonskoj mešavini on može održati i pod vodom. Slično, rimljani su znali da se dodavanjem konjske dlake beton manje skuplja pri hidrataciji, tj. očvršćavanju. Ili, da je dodavanjem krvi beton bio otporniji na mraz. Danas se u istraživačkim centrima širom sveta dodavanjem određenih dodataka i u određenoj meri, dobio ekstremno jak beton, veoma dobrih karakteristika.

I danas se najmasovnije beton spravlja standardnim agregatima, prirodnim ili veštačkim, koji čini 70-75% zapremine betonske mešavine.

Spravljanje betona

U savremenom građevinarstvu spravljanje betonske mešavine vrši se isključivo mašinskim putem, pri čemu se ovaj postupak svodi na mešanje i doziranje komponentnih materijala u cilju dobijana homogene mase. Ova operacija se izvodi u specijalno organizovanim građevinskim punktovima pri gradilištu ili u posebnim fabrikama betona, koje su u stanju da snabdeju i više od jednog gradilišta betonom. Odvojeno mešanje smese je pokazalo da mešanje cementa i vode u pastu pre dodavanja agregata povećava čvrstoću betona na pritisak. Pasta bi trebalo da se meša pri velikim brzinama u posebnim mikserima. A kasinije tako napravljena pasta da se sjedini sa agregatom i ostatkom vode, u klasičnim mikserima. Mešanjem cementa sa vodom dobija se plastično cementno testo — cementna pasta — koja vremenom počinje da menja agregatno stanje i da prelazi u čvrstu supstancu. Uzrok ove promene agregatnog stanja je hidratacija — kompleksan fizičko-hemijski proces čija suština ni dan-danas nije rasvetljena. Kao vreme vezivanja cementa obično se definiše vremenski period od momenta mešanja cementa i vode pa do trenutka kada cementna pasta izgubi svojstvo plastičnosti. Dok se vezivanje cementa završava relativno brzo, proces očvršćavanja se ne završava, on traje nekoliko meseci do nekoliko godina. Taj proces nije ravnomeran, u početku je vrlo intezivan, a kasnije usporava i asimptotski teži određenoj graničnoj vrednosti.

Kompozicija

Beton se može proizvoditi samo na bazi prethodno utvrđene recepture, tj. na bazi projekta betonske mešavine koji treba da sadrži sve usvojene količine komponentnih materijala. Receptura betona zavisi od vrste građevine, kao i od njenih elemenata, a i od primenjene tehnologije građenja.

Cement

Cement je hidrauličko mineralno vezivo koje se dobija mlevenjem tzv. portland cementnog klinkera - veštačkog kamenog materijala koji se stvara pečenjem krečnjaka i gline, temperatura pečenja je 1350-1450 °C. Engleski inžinjer Joseph Aspdin patentirao je Portland cement 1824, a nazvan je po krečnjačkoj steni Ostrva Portland u Engleskoj zbog sličnosti boje. Pored portland cementnog klinkera, za čije se dobijanje koristi mešavina krečnjaka i gline u odnosu 3:1 (odnos masa), u cementu je redovno prisutna i manja količina gipsa (do 5%) koji se dodaje radi regulisanja vremena vezivanja cementa. Portland cement karakteriše srazmerno konstantan hemijski sastav i to: CaO (vezan) 62-67%, SiO₂ 19-25%, Al₂O₃ 2-8%, Fe₂O₃ 1-5%, SO₃ najviše 3-4.5%, CaO (nevezan) najviše 2%, MgO najviše 5%, alkalije (Na₂O i K₂O) 0.5-1.3%. Cementi se u opštem slučaju mogu podeliti na vrste i klase. Vrste predstavljaju kategorije cemenata s obzirom na sastav i tehnologiju proizvodnje, dok klase cemenata označavaju njihove mehaničke karakteristike. Dele se u dve osnovne grupe: na cemente na bazi portland cementnog klinkera i na ostale - specijalne vrste cemenata.

Voda

Voda predstavlja neophodnu komponentu svake betonske mešavine, pošto je samo uz njeno prisustvo moguće odvijanje procesa hidratacije cementa. Pored toga, voda u svežem betonu je značajna i kao komponenta putem koje se ostvaruje potreban viskozitet betonske smeše, odnosno kao komponenta koja omogućava efikasno ugrađivanje i završnu obradu betona. Voda za spravljanje betona ne sme da sadrži sastojke koji mogu nepovoljno da utiču na proces hidratacije cementa, kao ni takve sastojke koji mogu da budu uzročnici korozije armature (čelika) u armiranobetonskim konstrukcijama. Voda za piće praktično uvek zadovoljava navedene uslove, pa ona može da se upotrebi za spravljanje betona i bez posebnog dokazivanja podobnosti. Međutim, u svim ostalim slučajevima mora da se pribavi dokaz o kvalitetu vode za beton.

Agregat

Agregati učestvuju sa 70-80% u ukupnoj masi betona i od njihovih karakteristika zavise i svojstva betonskih smeša i svojstva očvrslog betona. Za spravljanje betona se potpuno ravnomerno koriste prirodni (pesak i šljunak) i drobljeni agregat. Takođe dolazi u obzir i mešavina separisanog šljunka odnosno peska i drobljenog agregata. Drobljeni agregat je po pravilu skuplji, pa se prirodnom, naročito rečnom, u praksi najčešće daje prednost. Prirodni agregat zbog zaobljenosti zrna mnogo povoljnije utiče na ugradljivost i obradljivost betonskih smeša. Međutim, i drobljeni agregat ima određenih prednosti; on je u petrografskom pogledu uvek homogeniji, a to uslovljava mnogo manje koncentracije napona u očvrslom betonu pod opterećenjem i pri temperaturnim promenama. Oštroivični oblik zrna drobljenog agregata omogućava ostvarivanje uklještenja susednih zrna, pa to doprinosi povećanju mehaničkih karakteristika, naročito povećanju čvrstoće betona pri zatezanju.

Dodaci betonu - aditivi

Aditivi su supstance koje svojim fizičkim, hemijskim ili kombinovanim delovanjem utiču na određena svojstva svežeg i/ili očvrslog betona. Doziranje aditiva je obično oko 5% mase cementa, i dodaju se pri spravljanju betonske mešavine. Najčešće korišćeni aditivi su:

• Plastifikatori — dodaci koji poboljšavaju ugradljivost i obradljivost betonskih smeša, pa se može reći da predstavljaju regulatore reoloških svojstava svežeg betona. U novije vreme sve više ulaze u primenu tzv. superplastifikatori, pa i hiperplastifikatori, koji omogućavaju još značajnije smanjenje količine vode u svežem betonu, a da se pri tome ne ugrožava njegova ugradljivost i obradljivost. Smanjenje vode može da iznosi i preko 30%.
• Aeranti (uvlačivači vazduha) — aditivi putem kojih se u strukturi betona formiraju mehurići (globule) vazduha reda veličine 0,01-9,3 mm. Ovi mehurići su ravnomerno raspoređeni unutar mase betona, i takva struktura uslovljava povećanje otpornosti na dejstvo mraza.
• Zaptivači — kao i aeranti, mogu se smatrati za aditive-regulatore strukture betona. Nakon njihove reakcije sa klinker mineralima dobijaju se proizvodi koji zaptivaju kapilarne pore u cementnom kamenu. Na taj način povećava se stepen vodonepropustljivosti očvrslog betona.
• Akceleratori — najčešće jedinjenja hlorida, pri čemu je najpoznatiji i najčešće upotrebljavan akcelerator kalcijum— hlorid. On ne utiče bitno na vezivanje cementa, ali u značajnoj meri ubrzava proces očvršćavanja.
• Retarderi — deluju tako što oko zrna cementa stvaraju opne koje sprečavaju brzo odvijanje hemijskih procesa na relaciji cement-voda. Najpoznatiji i najrašireniji retarder je sadra.
• Inhibitori korozije — koriste se da bi umanjili koroziju čelika (armature) u betonu.
• Antifrizi — sredstva koja sprečavaju smrzavanje svežeg betona; deluju tako što snižavaju tačku smrzavanja vode. Njihovom upotrebom omogućava se izvođenje betoniranja i na temperaturama nižim od 0°C.

Svojstva

Svojstva svežeg betona

Svež beton je specifičan, višekomponentan i polidisperzan sistem koji se dobija homogenizacijom mešavine komponentnih materijala - agregata, cementa, vode i eventualno dodataka. Ona zavise od velikog broja uticajnih parametara, ali se celokupan uticaj ovih parametara može svesti na dva osnovna faktora: na karakteristike komponenata i na strukturu mešavine.

Tiksotropija

Tiksotropija je sposobnost sveže betonske mase da pod dejstvom učestalih spoljašnjih sila, malog inteziteta, poprima svojstva tečnosti, tj. dolazi do povećanja fluidnosti betona. Tiksotropija je pojava promenljivosti parametara gustine u funkciji mirovanja, odnosno kretanja čestica. Zahvaljujući ovoj osobini beton se lakše ugrađuje primenom mehaničkih sredstava kao što su vibratori, pri čijem se dejstvu na beton menja njegova gustina i postaje „tečniji“, a prestankom dejstva vraća se prvobitna gustina.

Tehnološka svojstva svežeg betona

Reološke karakteristike svežeg betona bitno utiču na njegova tehnološka svojstva, kao i na svojstva očvrslog betona. Sposobnost betona da odgovori zahtevima koje nameću pojedine faze tehnološkog procesa proizvodnje betona i izradnje konkretnog betonskog elementa naziva se „tehnologičnost“. Svojstvo tehnologičnosti treba posmatrati kao skup većeg broja posebnih karakteristika koje su od značaja u tehnološkom lancu. Opisno se, a delimično i nekim numeričkim pokazateljima definišu sledeće karakteristike sveže betonske mase:

• homogenost
• ugradljivost
• povezanost (kohezivnost)
• stabilnost (segregacija i izdvajanje vode)
• prenosivost
• pumpabilnost
• obradljivost

Konzistencija

Tehnologičnost se najčešće razmatra kao funkcija konzistencije svežeg betona, pri čemu ovaj termin u opštem slučaju podrazumeva skup svih svojstava datog materijala koja utiču na postojanost, odnosno promenljivost njegovog oblika pod uticajem različitih mehaničkih dejstava. U slučaju svežeg betona, ova definicija se svodi na praktičnu formulaciju po kojoj se pod konzistencijom podrazumeva skup svih osobina svežeg betona koje se iskazuju putem pokazatelja pokretljivosti i krutosti mešavine. U vezi sa ovako shvaćenim pojmom konzistencije, u praksi se najčešće govori o:

• krutoj
• slabo plastičnoj
• plastičnoj i
• tečnoj konzistenciji

svežeg betona.

Svojstva očvrslog betona

Svojstva očvrslog betona su u opštem slučaju funkcija izvaredno velikog broja rezličitih uticajnih faktora. Ona zavise od karakteristika primenjenih komponenata, od kvalitativnih odnosa komponenata u masi betona, od niza tehnoloških faktora itd. Ispitivanja pokazuju da pri konstantnim sadržajima cementa i agregata (po vrsti i kolilini), kao i pri istom postupku kompaktiranja, kriva koja definiše zavisnost između čvrstoće betona i količine vode ima oblik prikazan na slici ispod.

Fizičko mehanička svojstva betona

Testiranje čvrstoće betona na pritisak, na cilindričnom uzorku

Isti uzorak posle dostizanja granične čvrstoće, tj. loma

• Čvrstoća betona pri pritisku
• Čvrstoća betona pri zatezanju
• Čvrstoća betona pri čistom smicanju
• Čvrstoća betona pri složenim naponskim stanjima
• Čvrstoća betona pri dinamičkom opterećenju
• Vodonepropustljivost betona
• Otpornost prem dejstvu mraza i soli
• Otpornost na habanje
• Otpornost na hemijske agense
• Deformacije betona pod uticajem kratkotrajnih opterećenja

Čvrstoća betona

Kao najznačajnije svojstvo očvrslog betona. Beton poseduje relativno veliku čvrstoću na pritisak, i jako malu na zatezanje koja iznosi oko 10% čvrstoće na pritisak. Što bi rezultovalo tome da beton uvek gubi nosivost na zatezanje — čak i kada je aksijalno pritisnut. Praktično rešenje ovog problema je postavljanje čelika (armature) u zonama zatezanja betonskog elementa, tzv armirenje betona. Tako imamo da najčešće upotrebljavani beton u konstrukcijama je armirani beton. Armiranje betona se izvodi čeličnim šipkama, mrežama zavarenih šipki ili fiber vlaknima, pa dobijamo armirani beton. Beton takođe može biti prednapregnut čeličnim kablovima unutar preseka betonskog elementa ili van, pa dobijamo elemente koji mogu da savladaju veće raspone.

Najveći uticaj na čvrstoću betona ima vodocementni faktor sveže betonske mešavine (voda/cement), sastav mešavine, kvalitet ugradnje svežeg betona, kao i nega betona u ranom periodu očvršćavanja. Ako su svi ostali faktori isti, beton sa nižim vodocementnim faktorom imaće veću čvrstoću nego onaj sa većim vodocementnim faktorom. Kako je beton tečan pri ugradnji i tek hidratacijom dostiže čvrstoću, mogu se pojaviti naprsline u tek očvrslom betonu na račun plastičnog skupljanja; ako je isparavanje veliko, naprsline često mogu nastati i pri završnim radovima. U betonskim mešavinama velike čvrstoće (veće od 70 MPa), čvrstoća samog agregata može biti ograničavajući faktor očvrslog betona.

Izvori

Beton na Wikimedijinoj ostavi