Typy betonů a Výroba betonu

Beton

Beton je materiál vznikající ztvrdnutím směsi několika složek – cementu hrající roli pojiva, kameniva /písek, štěrk, drť/ zastávající funkci plniva a vody. Jedná se o velmi odolné, pevné, trvanlivé a spolehlivé stavivo. Vznik betonu a historie sahá až do roku 3600 př.n.l. do starého Egypta, kde byl beton používán pro stavbu sloupů. Tehdy byl beton ještě nazýván umělým kamenem.

Pozdější název beton vznikl z francouzského: béton – hrubá malta. Vlastnosti betonu jsou ovlivňovány poměrem jednotlivých složek a zvláštních vlastností betonové směsi se dosahuje přidáváním příměsí a přísad. Jeho velkou předností je dobrá zpracovatelnost a tvarovatelnost podle tvaru použitého bednění a v neposlední řadě hlavně pevnost a houževnatost po dosažení konečného vytvrdnutí.

Beton je stavivem s velkou pevností v tlaku. Zpravidla se beton používá v kombinaci s různými druhy výztuží a tím splňuje též požadavky pro namáhání v tahu. Monolitické konstrukce vynikají výbornou přizpůsobivostí a vyhoví tak pro velká rozpětí, výšky a zatížení.

Pro všechny tyto vlastnosti je dnes nejčastěji používaným stavivem, ze kterého lze vytvářet mimořádně hospodárné a bezpečné konstrukce. Monolitickým propojením vznikají prostorově tuhé soustavy, které spolupůsobí ve všech směrech. Jsou tedy schopné tlumit otřesy, dynamické rázy, nepravidelné poklesy půdy a jsou bezpečným řešením pro všechny stavební konstrukce.

Transportbeton

Transportbeton - nejvyšší forma výroby čerstvého betonu. Za dobu svého používání se stal transportbeton pro mnohé stavební firmy nepostradatenou formou výhodné dodávky betonové směsi.

Železobeton

Železobeton - beton obsahující ocelové výstuže. Ocelovými výstužemi železobetonu jsou většinou ocelové dráty případně ocelová lana. Výztuže jsou do betonu zalévány tak aby byly při větším zatíženíje natahovány. První zmínky o použití železobetonu jsou známy kolem roku 1867.

Sklobeton

Sklobeton - jedná se o materiál složený z tzv. portlandského cementu, anorganického plniva a samozřejmě skleněných vláken. Mimo tyto tři základní složky obsahuje sklobeton další prísady, které upravují charakteristické vlastnosti konečného materiálu.

Polymerbeton

Polymerbeton - moderní materiál složený z organické matrice a anorganického plniva. Výrobky z polymerbetonu se vyrabí odléváním do forem. Polymerbeton je označován v zahraniční literatuře jako Mineralguss, Reaktionsharzbeton, polymer concrete, či mineral casting.

Rozvoz zavlhlých směsí

Další z možností dodávky betonu na místo určení, odlišující se konzistencí dopravované směsi. Jedná se o využití betonu v menších objemech kladoucích především nároky na dobu zpracování a možnosti uložení. Tento typ betonové směsi je z hlediska své konzistence určen pro další zpracování.

Výroba betonu

Způsoby výroby různých druhů betonu se dramaticky liší. Je možné ho vyrábět ručně v malém objemu v zednických nádobách nebo průmyslově ve velkých objemech - v technologických zařízeních k tomu určených, v betonárnách.

Smícháním portlandského cementu a vody se rychle vytváří gel, vzniklý řetězením prosypaných frakcí. Tyto stále více reagují s původním fluidním gelem. Jak se beton zpracovává, konkrétní řetězce krystalů se spojí a tvoří pevnou konstrukci, která slepí jednotlivé částice k sobě na jediné možné místo. Z tohoto důvodu se nazývá beton slepencem. V průběhu procesu tuhnutí reagují částice cementu se zbytkovou vodou (hydratace).

V té době se neustále zlepšují fyzikální a chemické vlastnosti betonu. Kromě mechanické pevnosti získává postupně i nízkou propustnost vlhkosti a chemickou a objemovou stabilitu.

Proces míchání transportbetonu

Důkladné promíchání je základem pro výrobu jednolitého, vysoce kvalitního betonu. Proto je pro účinné míchání betonových směsí nutné správné vybavení a postupy. Beton obsahuje spoustu specifických přísad a z těch je nutno vyrobit naprosto jednolitou betonovou směs s nejnižším propadem, praktickým pro práci.

Samostatné míchání cementové pasty ukázalo, že vmíchání cementu a vody do pasty, ještě před smícháním těchto materiálů s ostatními agregáty, může zvýšit kompresní pevnost vzniklého betonu. Cementová pasta je obecně míchána při vysokých rychlostech ve smykovém typu míchače při poměru vody a cementu od 0,30 po 0,45 hmotnosti. Při předmíchání cementové pasty můžeme přidat příměsi, např. urychlovače nebo zpomalovače, změkčovače, pigmenty nebo plynosilikát. Ten se přidává později k vyplnění mezer mezi částicemi cementu. To snižuje vzdálenost částic a vede ke zvýšení finální tlakové pevnosti a vyšší nepropustnosti pro vodu. Předmíchaná pasta se pak smíchá s kamenivem a zbývající vodou a závěrečné míchání je dokončeno v klasickém směšovacím betonářském zařízení.

Zpracovatelnost betonu

Zpracovatelnost je schopnost čerstvé (plastické) betonové směsi vyplnit za pomoci vibrací nebo bez nich, správně formu, aniž by došlo ke snížení kvality betonu. Zpracovatelnost závisí na obsahu vody, kameniva (tvar a rozdělení dle velikosti), obsahu cementu a stáří (stupni hydratace) a může být změněna přidáním chemických přísad. Zvýšení obsahu vody či přidání chemických příměsí zvýší zpracovatelnost betonu. Nadměrné množství vody vede ke zvýšenému odvzdušnění (povrchová voda) a oddělení jednotlivých složek, což vede k výsledné nižší kvalitě betonu. Použití kameniva s nežádoucí zrnitostí může vést ke vzniku velmi hrubé směsi s velmi nízkým propadem, kterou není snadné učinit zpracovatelnější přidáním přiměřeného množství vody.

Zpracovatelnost může být měřena pomocí testu propadu betonu, je to měření plasticity čerstvé várky betonu dle zkušební normy ASTM C 143 nebo EN 12350-2. Propad je obvykle měřen zkouškou rozlitím a vzorkem z dávky čerstvého betonu. Abramsův Kornout je umístěn širokým koncem dolů na úroveň neabsorbujícího povrchu. Je naplněn ve třech vrstvách o stejném objemu, přičemž každá vrstva je napěchována ocelovou tyčí s cílem vrstvu upevnit. Když je kornout opatrně odstraňován, určité množství vloženého materiálu propadne díky váze. Relativně suchý vzorek propadne velmi málo s hodnotou propadu 25 – 50 mm. Relativně mokrý betonový vzorek může propadnout až o 150 – 175 mm.

Propad může být zvýšen přidáním chemických přísad, jako je voda o širokém či vysokém obsahu redukčních činidel (super plastifikátorů), aniž by došlo ke změně poměru voda / cement. Není dobré přidávat nadměrné množství vody, avšak v řádně propočtené směsi je důležité dosáhnout rozumně stanoveného propadu, před určením konstrukčních faktorů jako je obsah vzduchu, vnitřní vody pro hydrataci / výslednou sílu, atd.

Ztekucený beton, jako je samozhutňující beton, je testován dalšími průtokovými měřícími metodami. Jednou z metod je umístění kornoutu na úzký konec a pozorování, jak hmota protéká skrz kornout, když je pozvolna zvedán.

Vytvrzování betonu

Vždy když přichází v úvahu použití betonu musí být učiněno vše pro dosažení maximální pevnosti a tvrdosti. To se děje po definitivním umístění betonu. Cement vyžaduje vlhkost, kontrolované prostředí, aby získal sílu a plně vytvrdnul. Tuhnutí cementové pasty připomíná obrácený poločas rozpadu. Zpočátku tuhne poměrně rychle, ale zůstává velmi slabá, a na síle získává v následujících dnech a týdnech. Po zhruba třech týdnech je na 90 % své konečné pevnosti, které je běžně dosahováno, ale sílit může celé následující desítky let.

Hydratace a tuhnutí betonu během prvních tří dní je kritické období. Nadměrně rychlé vysušení a smrštění kvůli takovým vlivům, jako je odpařování větrem, může vést ke zvýšenému tahovému pnutí v době, kdy ještě beton nezískal dostatečnou pevnost, což v závěru vede k většímu praskání následkem smrštění. Výsledná pevnost betonu může být zvýšena, pakliže je udržován stále vlhký po delší dobu během procesu vytvrzování. Vyloučením předčasného zatížení docílíme minimalizace popraskání. Beton s vysokou počáteční pevností rychleji hydratuje, často díky použití většího množství cementu, který ale zároveň zvyšuje vysychání, srážení a praskání.

Během tohoto období musí být beton v podmínkách s kontrolovanou teplotou a vlhkostí vzduchu. V praxi je tohoto dosaženo kropením či pocákáním povrchu betonu vodou, čímž je betonová masa chráněna před nevhodnými účinky okolních podmínek. Pro představu uvádíme dvě z mnoha metod dosažení výsledku: Polévání betonu vodou - Zabalení betonu igelitovým obalem k udržení vlhkosti ve směsi.

Správné vytvrzení betonu vede ke zvýšení pevnosti, snížení vodopropustnosti a zamezuje praskání povrchu při předčasném vyschnutí. Je třeba též dbát, aby bylo zamezeno zmrznutí či přehřátí betonu. Vzhledem k tomu, že cement vydává při tuhnutí teplo používá se potrubí s chladící kapalinou, které zabrání přehřátí (Hoover - Dam). Nesprávné podmínky při vytvrzení mohou zavinit drolení, snížení pevnosti, špatnou odolnost proti obrušování a praskání.

Výroba betonu

Způsoby výroby různých druhů betonu se dramaticky liší. Je možné ho vyrábět ručně v malém objemu v zednických nádobách nebo průmyslově ve velkých objemech - v technologických zařízeních k tomu určených, v betonárnách.

Smícháním portlandského cementu a vody se rychle vytváří gel, vzniklý řetězením prosypaných frakcí. Tyto stále více reagují s původním fluidním gelem. Jak se beton zpracovává, konkrétní řetězce krystalů se spojí a tvoří pevnou konstrukci, která slepí jednotlivé částice k sobě na jediné možné místo. Z tohoto důvodu se nazývá beton slepencem. V průběhu procesu tuhnutí reagují částice cementu se zbytkovou vodou (hydratace).

V té době se neustále zlepšují fyzikální a chemické vlastnosti betonu. Kromě mechanické pevnosti získává postupně i nízkou propustnost vlhkosti a chemickou a objemovou stabilitu.

Pevnost betonu

Beton má relativně vysokou pevnost, v tlaku, ale výrazně nižší pevnost v tahu. Je reálné předpokládat, že v porovnání pevnosti v tahu činí něco kolem 10 – 15 % pevnosti v tlaku. Výsledkem toho je fakt, že beton takřka vždy selže díky náporu v tahu – i přestože je zatížený tlakově. Praktickým důsledkem tohoto faktu je, že i betonové prvky určené pro tlakovou zátěž, musí být posíleny materiály, které vydrží tah.

Železobeton je nejčastější forma betonu. Výztuha bývá nejčastěji z oceli, roxor (pletivo, šroubovice, tyče a další formy). Konstrukční tyče je možné vyrobit z různých materiálů, které jsou k dispozici.

Beton též může být předpjatý, čímž se předchází náporu v tahu. Používají se vnitřní ocelové výztuže, které umožňují výrobu trámů či desek s větším rozpětím než má prostý železobeton. Test pevnosti betonové konstrukce se provádí tanky, raketovými motory, ale lze jej provést i nedestruktivní metodou, například za pomoci tzv. Schmidtova kladiva.

Konečná pevnost betonu je ovlivněna poměrem voda / cement, konstrukčními prvky a mícháním, umístěním a vytvrzovací metodou. Prostý beton s nižším poměrem vody k cementu bude pevnější, než beton tekutý. Celkové množství cementovitých materiálů (portlandský cement, struskový cement, pucolány) může mít vliv na pevnost, na požadavky na vodu, srážení, otěruvzdornost a hustotu. Kterýkoliv beton může prasknout nezávisle na tom, zdá má či nemá dostatečnou pevnost v tlaku. Ve skutečnosti, mastný beton s vysokým podílem portlandského cementu může prasknout snáze kvůli vysokému stupni hydratace. Jak se beton během hydratace transformuje z plastického stavu do tuhého, materiál se smršťuje. Smrštěním vzniklé trhliny se mohou objevit záhy po navrstvení, během závěrečných operací, pokud je vysoký stupeň odpařování, např. při horkém počasí či za větrných dnů. Ve velmi pevných betonových směsích (více než 10 000 psi) může být pevnost v tlaku kameniva limitujícím faktorem pro konečnou kompresivní sílu. V jalových betonech (s vysokým poměrem voda / cement) není pevnost agregátů v tlaku tak podstatná.

Vnitřní síly v konstrukcích běžných tvarů, jako jsou oblouky, klenby, sloupy a stěny, působí převážně tlakem směrem do podlahy či chodníku podrobenému síle tahové. Velikost pevnosti v tlaku je široce používána pro specifikaci požadavků a kontrolu kvality betonu. Inženýr zná požadovanou pevnost v tahu (ohybu) a v těchto intencích bude navrhovat tlakovou pevnost.

Roztažnost a smršťování betonu

Beton má velmi nízký koeficient tepelné roztažnosti. Nicméně pokud pro roztažnost není učiněna rezerva, mohou vznikat značně velké tlaky, způsobující praskliny v částech konstrukce, které nejsou schopné odolávat silám opakujících se cyklů roztahování a smršťování.

Jak beton dozrává a nadále vysychá, vzhledem k reakcím probíhajícím uvnitř materiálu, míra smrštění klesá relativně rychle a časem se redukuje (pro všechna praktická využití betonu je obvykle předpokládáno nízké vysychání kvůli hydrataci po dalších 30 let). Relativní smršťování a roztahování betonu a zdění vyžaduje pečlivé uložení jednotlivých dílů hlavně v místech, kde se setkávají.

Přesto, že se beton smršťuje neustále, i roky poté co byl uložen na své místo, ví se, že ani při větším zahřátí se nikdy neroztáhne do původního objemu.

Testování betonu

Inženýři obvykle specifikují požadovanou pevnost betonu v tlaku, která je většinou udávána jako tlaková pevnost po 28 dnech uváděná v megapascalech (MPa). Dvacet osm dní je dlouhá čekací doba ke zjištění, zda byla získána požadovaná pevnost, proto se využívá i měření po třech a sedmi dnech, které je dobré pro odhad konečné pevnosti betonu po 28 dnech. 25 % pevnosti dosahují betony mezi 7 a 28 dnem v případech, kdy je použit 100 % běžný portlandský cement, až 40 % pevnosti lze získat přidáním pucolánů a doplňkových cementovitých materiálů, jako jsou popílek či struskový cement. Získaná pevnost závisí na typu směsi, jejích složek, procesu standardního vytvrzování, řádném testování a péči o beton během přepravy, atd. Je nezbytné přesně testovat základní vlastnosti betonu v čerstvém, ještě plastickém stavu.

Vzorky betonu se zpravidla odebírají během usazování hmoty, testovací protokoly požadují, aby byly vzorky vyšetřeny v laboratorních podmínkách (standardní zkouška). Dodatečné vzorky mohou být testovány i v terénu (nestandardní zkouška) jedná-li se například o zjištění co nejkratšího využitelného času, nutného k dosažení potřebné pevnosti pro možnost brzkého odbednění. Děje se tak postupným odbedňováním za plynulého vyhodnocování zkoušek. Ale pouze standardní zkouška ve zkušebním válci vydává přesná kritéria a hodnoty.

Názvosloví betonářského průmyslu