Beton jest to sztuczny kamień budowlany, składający się z kruszywa związanego cementem zarobionym wodą. Własności betonu zależą od:
1) jakości i uziarnienia kruszywa, które jest dominującym jego składnikiem;
2) jakości i ilości cementu;
3) ilości dodanej wody;
78 4) sposobu wyrobienia mieszaniny kruszywa, cementu i wody, jej naniesienia do form i zagęszczenia oraz przechowywania w okresie wiązania i twardnienia.
Wyróżnia się betony zwykłe o strukturze zwartej i gęstości pozornej nie mniejszej niż 1800 kg/m3 oraz betony lekkie, dla których gęstość ta spada nawet do 300 kg/m3. Pierwsze odznaczają się lepszymi własnościami wytrzymałościowymi, natomiast drugie są korzystniejsze z punktu widzenia przewodnictwa ciepła i z uwagi na mniejsze obciążenie gruntu przez budowlę. Cechy wytrzymałościowe betonów na ogół znacznie przewyższają własności ceramicznych wyrobów budowlanych. Ponadto z cementu produkowane są betony specjalne z wypełniaczami organicznymi, np. z wiórami drzewnymi (płyty wiórowo-cementowe – suprema), trocinami (trocinobeton). Odmianą tych ostatnich jest ksylolit (skałodrzew) wiązany magnezowym cementem Sorela. Betony z wypełniaczami organicznymi cechują się małą gęstością pozorną (300-1500 kg/m3) i niskimi współczynnikami przewodności cieplnej. W budownictwie spełniają rolę materiałów termoizolacyjnych.
Głównym czynnikiem decydującym o jakości betonu jest kruszywo, które powinno być tak dobrane, aby możliwie najdokładniej wypełniało przestrzeń. Objętość przestrzeni między jego ziarnami nie powinna przekraczać 23-25% obj. W kopalniach kruszyw naturalnych i w zakładach produkujących kruszywa z kamienia łamanego nie napotyka się ą praktycznie biorąc ą kruszyw o optymalnym uziarnieniu. Z tego też względu do wytwarzania betonu używa się mieszaniny kruszyw sortowanych, różniących się uziarnieniem. Stosunek frakcji kruszywa o różnym uziarnieniu zależy m.in. od największej wielkości jego ziarn. W Polsce, podobnie jak w innych krajach, normy budowlane określają te stosunki w postaci wykresów, wskazując na optymalne uziarnienie kruszywa oraz dopuszczalne (zalecane). Największa wielkość ziarn kruszywa nie powinna przekraczać 60 mm. Zależy ona od wymiarów elementów betonowych.
Im one są większe, tym grubsze może być kruszywo. Do betonowania cienkich elementów zbrojonych prętami stalowymi używa się betonów wykonanych z kruszywa o uziarnieniu nie przekraczającym 20 mm.
Wykonywanie kruszyw z kamienia łamanego jest kosztowne i dlatego łomy kamieni drogowych i budowlanych wykorzystują do tego celu drobniejsze frakcje ziarnowe, powstające przy urabianiu skał. Kruszone natomiast muszą być kruszywa lekkie, produkowane ze skał wapiennych, tufów, pumeksów itp. Wobec niskiej wytrzymałości tych skał, zazwyczaj silnie porowatych, zużycie energii jest stosunkowo małe. O zaopatrzeniu budownictwa w kruszywa mineralne do betonów zwykłych decydują rozmiary eksploatacji złóż kruszyw naturalnych, tj.
piasku, pospółki i żwiru.
W 1980 r. wielkość produkcji kruszyw naturalnych osiągnęła w Polsce poziom około 95 mln t/rok.
Do wytwarzania kamieni sztucznych (terazzo, litozyt itp.), używanych do ozdobnego wykańczania fasad czy fragmentów wnętrz budynków, np. podłóg, używa się drobnoziarnistych grysów otrzymanych z kamieni naturalnych wyróżniających się wytrzymałością mechaniczną, odpornością na działanie czynników klimatycznych oraz ładną barwą, np. marmurów.
Uziarnienie ich leży zwykle w wąskich granicach, np. 2-6, 4-8 mm. Miesza się je we właściwej proporcji z piaskiem, ewentualnie dodaje farbę mineralną, a następnie zarabia wodą i nanosi na szorstką powierzchnię budynku. Po związaniu kamień taki może być polerowany, a także nadawana faktura groszkowa lub inna odpowiednią obróbką kamieniarską. Ten rodzaj sztucznych kamieni budowlanych jest powszechnie używany w Polsce.
Ilość cementu dodawanego do betonu waha się zwykle w granicach 150-400 kg/m3. Stanowi to 7,5-20% wag. masy betonu. Rola cementu powinna być ograniczona do wiązania ziarn kruszywa. W przypadku, gdy jego uziarnienie jest nieodpowiednie i występuje dużo pustych przestrzeni, znaczna ilość cementu gromadzi się w nich nie wpływając na podwyższenie wytrzymałości betonu.
79 Woda jest niezbędna do wiązania cementu. Z tego też powodu jest dodawana do mieszaniny kruszywa i cementu. Dodatek większych ilości wody powoduje łatwiejszą urabialność surowego betonu, nanoszenie do form oraz ich wypełnianie; obniża jednak wytrzymałość betonu, w którym pozostają wolne przestrzenie. Grozi też wymyciem cementu z niezwiązanego betonu lub przynajmniej zaburza równomierność rozmieszczenia cementu i kruszywa w jego masie. Podczas nanoszenia betonu zawierającego zbyt dużo wody większe ziarna kruszywa wykazują tendencję do osadzania się na dnie formy, cement zaś do wypływania na powierzchnię betonu. W zależności od ilości wody wyróżnia się betony wilgotne, gęstoplastyczne i plastyczne, które zagęszcza się sposobami mechanicznymi (np. wibratorami), a tylko z trudem dające się zagęszczać ręcznie, oraz betony półciekłe i ciekłe łatwo wypełniające formy. Przy stałej ilości cementu i tym samym kruszywie wraz ze zwiększającym się dodatkiem wody uzyskuje się betony o stopniowo malejącej wytrzymałości.
Mieszanina kruszyw, cementu i wody, z ewentualnym dodatkiem specjalnych środków, np. uszczelniających czy umożliwiających związanie betonu w niskich temperaturach (np.
CaCl2), musi być podatna do wymieszania mechanicznego lub ręcznego. Po starannym wymieszaniu beton jest transportowany, nanoszony do form i zagęszczany w nich w czasie krótszym od okresu wiązania cementu. W przypadku zwykłych cementów portlandzkich jest to okres nie dłuższy niż 3-5 godz. Proces wiązania jest bowiem krótszy niż 12 godz. ale jeszcze przedtem zaczyn cementowy stopniowo uzyskuje znaczną wytrzymałość.
W przypadku użycia cementu portlandzkiego beton powinien być chroniony przed wysuszeniem i polewany wodą w celu uzyskania pełnej wytrzymałości, osiąganej po 28 dniach.
Betony lekkie mogą być wytwarzane z lekkich kruszyw, podobnie do betonów zwykłych, lub też sposobami specjalnymi, powodującymi dużą ich porowatość (betony komórkowe, betony mikroporowate).
Do betonów lekkich używa się kruszywa uzyskanego z:
1) wapieni lekkich (węglanoporyt);
2) skał piroklastycznych, głównie pumeksu i tufów lub popiołów wulkanicznych (pumeksoporyt, tufoporyt);
3) produktów uzyskiwanych sztucznie:
- gruzu ceglanego, - żużli paleniskowych,
- żużli hutniczych: granulowanych, kawałkowych, pumeksowych itp.;
4) lekkich kruszyw ceramicznych: łupkoporytu ze zwałów, łupkoporytu, keramzytu, agloporytu, glinoporytu;
5) produktów uzyskiwanych przeróbką termiczną surowców mineralnych:
- wermikulitu prażonego w 750-1000oC (wermikulitoporyt), - perlitu prażonego w 950-1150oC (perlitoporyt).
Kruszywa te są rozdrabniane mechanicznie lub strumieniem wody (wielkopiecowy żużel granulowany). Ich gęstość pozorna wynosi 100-1100 kg/m3. Są tym cenniejsze, im jest ona mniejsza. W celu porównania można podać, że gęstość pozorna kruszywa naturalnego używanego do betonu zwykłego jest większa niż 1500 kg/m3. Różnią ca tych wartości wskazuje w przybliżeniu różnicę w gęstości pozornej betonu oraz jego porowatości. Zależności te są jednak skomplikowane wskutek wprowadzenia cementu. Technologia produkcji betonów zawierających kruszywa lekkie jest w zasadzie podobna do technologii betonu zwykłego.
Również i w tym przypadku o jego własnościach w dużym stopniu decyduje jakość i dobór uziarnienia kruszywa.
Porowatość betonów komórkowych zapewnia się przez spulchnienie masy pęcherzykami gazu. Uzyskuje się pory o wielkości sięgającej 7-8 mm. Gaz wytwarza się w wyniku reakcji chemicznych wywołanych w masie zarobionego betonu wprowadzeniem odpowiednich dodatków, np. sproszkowanego aluminium. Produkcja betonów mikroporowatych polega w
80 zasadzie na odparowaniu wody. Betony komórkowe i mikroporowate zawierają na ogół kruszywa drobnoziarniste (piasek, glina lessowa, popioły) wiązane cementem portlandzkim lub wapnem budowlanym. Wyróżnia się:
1) betony komórkowe:
- gazobeton: piasek drobnoziarnisty, cement, proszek aluminiowy;
- pianobeton: piasek drobnoziarnisty, cement, pianotwórcze substancje organiczne (np.
mydła żywiczne);
- pianogazobeton: piasek drobnoziarnisty, cement, proszek aluminiowy, pianotwórcze substancje organiczne;
- gazosilikat: jak gazobeton – tylko zamiast cementu wapno palone;
- pianosilikat: jak gazosilikat – tylko zamiast proszku aluminiowego piana;
- pianogazosilikat: jak pianogazobeton – tylko zamiast cementu wapno palone;
2) betony mikroporowate:
- autoklawizowane betony mikroporowate: glina lessowa lub popiół lotny i wapno palone;
- pyłobetony autoklawizowane: popiół lotny i cement.
Z betonów lekkich wykonuje się elementy budowlane przeznaczone dla budownictwa mieszkaniowego i gospodarczego. Używane są również do wypełniania ścian w budynkach przemysłowych. W celu zabezpieczenia przed wilgocią obiekty te muszą być tynkowane.
Specyficzną odmianą betonów jest beton ciężki stosowany głównie jako materiał zabezpieczający przed szkodliwym oddziaływaniem wysokoenergetycznego promieniowania (promieniowanie rentgenowskie, gamma, neutronowe). W celu uzyskania odpowiednio wysokiej gęstości pozornej takiego betonu stosowane są kruszywa ciężkie (naturalne i sztuczne), których gęstość właściwa zwykle przekracza 4,0 g/cm3. Jednym z bardziej pospolitych kruszyw naturalnych tego typu jest baryt; stosowany jest także magnetyt, hematyt, limonit, ilmenit. Jako sztuczne kruszywo ciężkie wykorzystywana jest stal, żelazofosfor, ołów.
Wyroby azbestowo-cementowe wyróżniają się swoistymi cechami. Są lekkie, trwałe, wodoszczelne, ognioodporne, odporne na korozję i gnicie, a także charakteryzują się dużą wytrzymałością mechaniczną zwłaszcza na zginanie i rozrywanie. Liczba różnego rodzaju wyrobów azbestowo-cementowych przekracza obecnie 1000. Najważniejszymi są:
- płyty płaskie i faliste do krycia dachów;
- płyty płaskie, faliste i kształtowane do ścian wewnętrznych i pokrywania ścian zewnętrznych;
- płyty barwne;
- płyty z materiałem termoizolacyjnym;
- płyty i kształtki elektrotechniczne;
- rury oraz złącza wodociągowe i kanalizacyjne;
- elementy do budowy przewodów wentylacyjnych itp.
Surowcem do produkcji tych wyrobów jest azbest podatny do rozwłókniania, cement portlandzki i woda. W celu zaoszczędzenia ilości azbestu wprowadzana bywa wełna mineralna, a dla nadania im barwy dodaje się tlenków żelaza, chromu itp.
Technologia produkcji wyrobów azbestowo-cementowych polega na zmieszaniu rozwłóknionego azbestu (10-18% wag.), wełny mineralnej, cementu z wodą i na uformowanie wyrobów, które są poddawane procesowi dojrzewania oraz zabiegom wykończeniowym. Płyty z masy płynnej formuje się na maszynach papierniczych lub prasach hydraulicznych przystosowanych do przeróbki masy płynnej. Mogą być one również odlewane w formach lub wytwarzane z masy suchej lub proszkowej, które zawierają wodę w ilości niezbędnej do związania cementu, tj. około 10% wag. W Polsce stosuje się formowanie z masy płynnej na maszynach papierniczych. Podobnie też formuje się rury i inne wyroby o urozmaiconych kształtach. Do tego celu niezbędne są jednak specjalne urządzenia. Dojrzewanie wyrobu
81 azbestowo-cementowego polega na przebiegu reakcji chemicznych wiązania cementu. W pierwszym okresie wyroby te są przez 16-24 godz. przechowywane w pomieszczeniach o temperaturze pokojowej. W drugim proces ten przeprowadza się w pomieszczeniach (tunelach), w których panuje temperatura 50-55oC przy 100% wilgotności powietrza. Powoduje to przyspieszenie wiązania i twardnienia cementu. Bardziej złożony jest sposób dojrzewania wyrobów o skomplikowanych kształtach tj. rur i kształtek azbestowo-cementowych. W celu uniknięcia deformacji niezbędne jest używanie wkładek metalowych, zabezpieczających je w początkowym okresie dojrzewania. Do tego celu używane też bywają przenośniki wałkowe wyposażone w instalację z parą wodną. Dojrzewanie rur wodociągowych i kanalizacyjnych po etapie wstępnym przeprowadzane jest w basenach wodnych (20-25 C) w ciągu 6-8 dni.
Ostateczne dojrzewanie wyrobów azbestowo-cementowych zachodzi na powietrzu w ciągu około 20 dni, jakkolwiek osiągają one zadowalającą wytrzymałość już po 14 dniach od uformowania.
Wielkość produkcji wyrobów azbestowo-cementowych w świecie przekroczyła 10 mln t rocznie, z czego około 50% jest wytwarzane w ZSRR.
W związku ze stwierdzeniem rakotwórczych właściwości azbestów zaszła potrzeba ograniczenia ich stosowania zgodnie z wymaganiami ochrony zdrowia. W tym kierunku zmierzają prace nad takim uszlachetnieniem powierzchni wyrobów azbestowych i azbestowo-cementowych by ograniczona została możliwość wyłuskiwania się jego włókien i przenikania do otoczenia.