Beton: definicija, sestava, lastnosti, vrste in uporaba

Beton je pomemben material za izdelavo različnih stavb in konstrukcij. Gre za sestavljen material iz portlandskega cementa, peska, gramoza ali agregata in vode v različnih razmerjih, odvisno od naloge. V sestavo se pogosto dodajajo tudi dodatki (aditivi) in primešane snovi, ki spreminjajo delovanje mešanice (npr. pospeševalci strjevanja, upočasnjevalci, površinsko aktivne snovi za izboljšanje obdelave, adhezivni dodatki).

Beton se uporablja več kot kateri koli drug umetni material na svetu. Leta 2006 je bilo izdelanih približno 7,5 milijarde kubičnih metrov betona na leto - več kot en kubični meter na vsakega prebivalca Zemlje. Zaradi raznolikosti sestave in lastnosti je beton primeren za zelo različne naloge, od enostavnih tlakov do zahtevnih inženirskih konstrukcij.

Sestavine se zmešajo v maso, podobno kot se pripravlja testo za kruh. Beton se nato vlije v okvir. Po nekaj urah se strdi. Beton se strdi zaradi kemične reakcije, imenovane hidratacija. Voda reagira s cementom, ki poveže druge sestavine in sčasoma ustvari močan material, podoben kamnu. Hitrost in obseg hidratacije sta odvisna od razmerja voda–cement, temperature in uporabljenih dodatkov.

Sestava in osnovni materiali

Cement: najpogosteje portlandski cement, ki je vezivo in povzroča strjevanje.
Agregati: pesek (fini agregat) in gramoz ali drugi grobi agregati; velikost, oblika in trdnost agregata vplivajo na lastnosti betona.
Voda: potrebuje se za hidratacijo cementa; čista pitna voda je primerna, umazana voda zmanjša lastnosti.
Dodatki (aditivi): kemikalije za spreminjanje časa vezave, obdelovalnosti, odpornosti proti zmrzali ipd.
Primešan material: vlakna (steklena, poliester, jeklo), pozzolani (npr. leteči pepel) ali druge snovi za izboljšanje specifičnih lastnosti.

Lastnosti betona

Nosilnost: Beton je zelo močan pri stiskanju, kar ga naredi primernim za nosilne elemente kot so stebri, temelji in nosilne plošče.
Šibkost pri napetostih: beton je razmeroma šibek pri raztezanju; zato ga za elemente, ki prenašajo upogibne ali natezne sile, pogosto ojačamo z jeklenimi palicami.
Trajnost: pravilno zasnovan in zaščiten beton je odporen na obrabo, ognjevzdržljiv in lahko zelo dolgo obstane, a je občutljiv na kemične vplive, karbonatizacijo in korozijo armature.
Tovarniške lastnosti: delovanje v suhem stanju (delovnost, zračni žepki), gostota, prepustnost in toplotna prevodnost so odvisne od sestave.

Vrste betona

Navaden beton (nearmiran) za temelje in mase, kjer prevladujejo tlačne obremenitve.
Armiranobetonski elementi, kjer so vgrajene jeklene armature za prenos nateznih sil.
Prednapet beton (prednapenjanje) za velike razpone in manjše prečne dimenzije.
Visokozmogljivi in visokotlačni betoni z večjo trdnostjo in trajnostjo.
Samozbijalni (samozgoščujoči) beton za zahtevne opaže in gosto armiranje.
Lahek beton (z lahkimi agregati) za manjše lastne teže konstrukcij.
Vlaknobetoni (z jeklenimi ali sintetičnimi vlakni) za izboljšanje razteznih in udarnih lastnosti.
Posebni betoni: vodotesni, hitro strjevalni, shotcrete (brizgani beton), betoni za vgradnjo pod vodo ipd.

Proizvodnja, transport in vgradnja

Pravilno odmerjanje sestavin in temeljito mešanje v mešalnikih zagotavljata enakomerno kakovost. Po mešanju je pomemben čas transporta in vgradnje — beton se običajno vgradi dokler je še obdelovalen. Med vgradnjo se preprečuje segregacija in zagotavlja stiskanje (vibriranje) za iztis zraka in dosego homogene strukture. Po vgradnji sledi nego (cure), ki pomeni vzdrževanje vlažnosti in primerne temperature, da se omogoči ustrezna hidratacija; prekinitev nege lahko zmanjša končno trdnost in trajnost.

Ojačanje, armatura in potresna odpornost

Ker je beton močan pri tlačnih, a šibek pri nateznih obremenitvah, se uporablja armiranje z jeklenimi palicami, mrežami ali prednapenjem. Pri armiranobetonskih stavbah je mogoče povezati vse dele, temelje, stene, tla in strehe, vendar zaradi betonske konstrukcije stavbe niso nujno potresno odporne brez ustreznega inženirskega načrtovanja. Potresna odpornost zahteva pravilno dimenzioniranje, primerne spoje, nadzor korozije armature in ustrezne detajle za natezne in strižne sile.

Preizkusi in razredne ocene

V praksi se kakovost betona preverja s preizkusi, kot so slump-test (obdelovalnost), preizkusi tlačne trdnosti (kocke ali valji), preizkusi prepustnosti ter testi odpornosti proti zmrzovanju. Betonske mešanice se klasificirajo glede na zahtevano tlačno trdnost (npr. razredi v skladu s standardi) in druge lastnosti, kot je mrazna odpornost.

Uporaba

Iz betona se izdelujejo pločniki, cevi, arhitekturni objekti, temelji, avtoceste, mostovi, večnadstropna parkirišča, zidovi, temelji za vrata, ograje in drogove ter celo plovila. Njegova največja prednost je, da opeke in kamne med seboj povezuje bolje kot katera koli druga metoda, ki jo pozna človeštvo. Poleg klasičnih gradbenih uporab se beton uporablja tudi v prometni infrastrukturi, vodnogospodarskih objektih, industrijskih tleh, izbornih fasadah in drugih specialnih aplikacijah.

Vzdrževanje, trajnost in okoljski vidiki

Trajnost betonskih objektov je odvisna od kakovosti mešanice, pravilne vgradnje in periodičnega vzdrževanja (zatesnitev razpok, zaščita armature pred korozijo). Beton ima velik ogljični odtis predvsem zaradi proizvodnje cementa; zato se iščejo načini za zmanjšanje emisij (uporaba dodatkov, recikliranih agregatov, alternativnih veziv, izboljšanje energetske učinkovitosti v proizvodnji). Reciклiranje starih betonov za uporabne agregate in zmanjševanje porabe materialov prispevata k boljši trajnosti.

Kratek zgodovinski pregled

Beton je star že 5600 let pred našim štetjem. Rimljani ga niso izumili, vendar so ga veliko uporabljali, predvsem v obliki apnenih malter in vulkanskih pozzolan (npr. hortus cement), kar jim je omogočalo gradnjo trajnih portikov, kupol in pomolov. Sodobni portlandski cement in industrijska proizvodnja betona se razvijata v 19. stoletju, kar je revolucioniralo gradbeništvo in omogočilo široko uporabo armiranega betona v 20. stoletju. Danes se beton nenehno razvija z novimi tehnologijami in materiali za izboljšanje zmogljivosti in zmanjšanje vpliva na okolje.

Na kratko: beton je vsestranski in cenovno dostopen gradbeni material z odličnimi tlačnimi lastnostmi. Pravilna sestava, nadzor vgradnje, zaščita pred okolijskimi vplivi in primerno inženirsko načrtovanje zagotavljajo zanesljive in trajne konstrukcije.

Beton, ki se uporablja za gradnjo stavbe

Sodobna stavba: Bostonska mestna hiša (dokončana leta 1968) je zgrajena pretežno iz betona, tako montažnega kot vgrajenega.

Zunanji pogled na rimski Panteon, ki je še vedno največja nearmirana kupola iz masivnega betona (premer 43,4 m).

Hadrijanov Panteon v Rimu je primer rimske betonske gradnje.

Dodatki

Obstaja veliko dodatkov za hitrejše, počasnejše in močnejše strjevanje betona, zmanjšanje korozije itd. Rimljani so odkrili, da je z dodajanjem vulkanskega pepela nastal beton, ki se je strjeval pod vodo. Rimljani so vedeli tudi, da dodajanje konjske dlake zmanjšuje možnost razpokanja betona med strjevanjem in da dodajanje krvi povečuje odpornost betona proti mrazu.

Sodobni beton je leta 1756 izdelal britanski inženir John Smeaton. Cementu je dodal kamenčke in opeko v prahu. Leta 1824 je angleški izumitelj Joseph Aspdin izumil portlandski cement, ki je ostal glavni cement, ki se uporablja pri proizvodnji betona. V njem je žgal zmleti apnenec in glino. Proces žganja je spremenil kemijske lastnosti materialov in Aspdin je ustvaril močnejši cement, kot bi ga lahko izdelal iz navadnega zdrobljenega apnenca.

V 19. stoletju je francoski vrtnar Joseph Monier leta 1849 izumil armirani beton (patentiran leta 1867). François Coignet ga je preučil in izboljšal. To je beton z jeklenimi palicami, imenovanimi armaturne palice. Jeklene palice so začela nadomeščati steklena ali plastična vlakna.

Za doseganje posebnih ciljev lahko zmesi dodamo številne sodobne kemikalije. Superplastifikatorji so kemikalije, ki izboljšujejo obdelovalnost, kar pomeni sposobnost oblikovanja betona, preden se strdi. Pigmenti lahko spremenijo dolgočasno sivo barvo. Inhibitorji korozije lahko zmanjšajo rjavenje jeklenih palic. "Vnašanje zraka" je napihovanje majhnih mehurčkov v beton, preden se ta strdi. To betonu pomaga preživeti zamrzovanje in odmrzovanje v hladnem podnebju. Žlindra iz plavža se lahko meša z betonom. Zaradi nje postane barva skoraj čisto bela, beton pa je močnejši.

Vprašanja in odgovori

V: Iz česa je narejen beton?

O: Beton je sestavljeni material iz portlandskega cementa, peska, gramoza ali agregata in vode v različnih razmerjih, odvisno od naloge.

V: Koliko betona se proizvede vsako leto?

O: Leta 2006 je bilo proizvedenih približno 7,5 milijarde kubičnih metrov betona na leto - več kot en kubični meter na vsakega prebivalca Zemlje.

V: Kaj nastane z mešanjem sestavin?

O: Z mešanjem sestavin nastane masa, podobno kot pri pripravi testa za kruh.

V: Kako se beton strdi?

O: Beton se strdi zaradi kemične reakcije, znane kot hidratacija. Voda reagira s cementom, ki poveže druge sestavine in sčasoma ustvari močan material, podoben kamnu.

V: Katere so pogoste uporabe betona?

O: Beton se pogosto uporablja za pločnike, cevi, arhitekturne strukture, temelje, avtoceste, mostove in večnadstropna parkirišča. Uporablja se lahko tudi za izdelavo zidov, temeljev za vrata in ograje ter celo čolnov.

V: Katera je prednost uporabe betona pred drugimi materiali?

O: Ena od prednosti uporabe betona v primerjavi z drugimi materiali je ta, da opeke in kamne povezuje bolje kot katera koli druga metoda, ki jo pozna človeštvo.

V: Kdaj je bil beton prvič uporabljen?

O: Beton je bil prvič uporabljen že 5600 let pred našim štetjem.