beton

Beton (din fr. béton) este un material de construcție solid obținut prin solidificarea amestecului de beton, sau un material de construcție obținut prin amestecarea unui liant, unui umplutur și a apei, eventual a altor adaosuri și aditivi, care după solidificare dobândește proprietățile substanței solide.

Compoziție

Se compune din amestecul:

• liant de exemplu ciment sau var, asfalt, tăciune, magnesit (podele xilolitice), rășini macromoleculare (beton plastic), gips (pereți izolați acustic) și altele. Betonul cu un conținut ridicat de ciment se numește grăs, iar cel cu un conținut scăzut de ciment slăb.
• umpluturi de exemplu materiale anorganice naturale precum nisip și pietriș, dar și artificiale: scorodit, scăriș, ceramzit și anumite materiale organice precum rumegi de lemn, scobitori, stuf, turba și altele. Umpluturile pot avea fracțiuni diferite.
• apă
• aditivi
• adaosuri

Proprietăți

Cu proprietățile sale, betonul de ciment (BC) aparține celor mai utilizate materiale de construcție. Are o rezistență ridicată la compresiune, dar o rezistență scăzută la tracțiune și forfecare. Rezistența la compresiune variază în funcție de nevoi între 5 și 50 MPa. Betonul are proprietățile unui piatră naturală, durabilitatea și rezistența (la compresiune 3-60 MPa, la tracțiune de zece ori mai mică). Pentru a crește rezistența la tracțiune și capacitatea de susținere, se armă cu bare de oțel , fire și plase (beton armat). Rezistența și proprietățile sale variază în funcție de compoziție și de procesarea amestecului. Rezistența este și un dezavantaj, deoarece reconstrucțiile structurilor din beton sunt foarte laborioase. Rezistența depinde în special de fracția de nisip sau pietriș. Cele mai rezistente și cele mai scumpe sunt betoanele vibrat, cu o fracțiune mică de nisip. Este ușor modelabil și permite, cu ajutorul cofrajului, să se creeze forme variate în cadrul posibilităților statice. Este rezistent față de substanțe chimice, temperaturi ridicate, este durabil și are o stabilitate volumetrică. Durabilitatea betonului este mare în apă și în aer.

Betonul se solidifică în jur de 28 de zile. Solidificarea nu se oprește însă, betonul solidificându-se la o umiditate corespunzătoare umiditate aproape la nesfârșit (chiar și sub apă). Ca armătură se folosește în special oțel STN11xxx (oțeluri de construcție, oțel pentru beton). Legătura permite o dilatație termică aproape egală dilatație termică cu a oțelului și a betonului.

Un dezavantaj al betonului este greutatea sa, care depinde de materialele utilizate (în special de pietriș). La betonul simplu, densitatea variază între 2 000 și 2 400 kg/m³ iar la betonul armat între 2 300 și 2 600 kg/m³. La elementele prefabricate este necesară asistența mecanismelor de ridicare, care cresc costurile construcției. Conductibilitatea termică are, de asemenea, un efect negativ asupra construcției și depinde de densitatea betonului. Volumul betonului se modifică în timpul solidificării și a întăririi, formându-se fisuri, care se elimină prin fisuri de dilatare.

Istoria

Utilizarea betonului s-a răspândit într-o măsură mai mare abia în al douăzeci-lea de secol. Betonul simplu se folosea însă deja într-un timp mai îndepărtat. Persanii, cartaginezii, dar mai ales romani vechi foloseau beton ca material de construcție, despre care mărturisește până în prezent conservarea construcțiilor precum drumele și acvaductele, care datează din primul secol nostru. Betonul s-a oprit să fie folosit timp de mulți secoli după căderea Imperiului Roman.

Betonul a reapărut abia în anul 1774, când a fost folosit de John Smeaton pentru reparația fundației fermei de vânt Edystone din Anglia. Smeaton a adăugat scori de fier în combinația obișnuită de var necalcinat, nisip și apă. Astfel s-a creat primul beton modern.^[1]

Betonul a început să fie folosit într-o măsură mai largă abia 50 de ani după introducerea producției de ciment Portland. Brevetul pentru producția sa a fost obținut în anul 1824 de către englezul pietrar Joseph Aspdin din Leeds în județul Portland. Originea numelui ciment Portland provine chiar de acolo. În anul 1845 un englez Johnson a contribuit la introducerea producției industriale de ciment, descoperind procesul de ardere a calcarului și a argilei. Datorită producției de ciment Portland, în a doua jumătate a al nouălea de secol s-au construit în special în Franța remarcabile construcții inginerești din beton simplu. La ideea de a combina betonul cu elemente de fier a ajuns în anul 1849 francezul Joseph-Louis Lambot la construcția unei barci, când a aplicat mortar de ciment pe o plasă de sârmă. Această barcă a fost folosită timp de 60 de ani. Șase ani mai târziu i s-a acordat brevetul pentru construcția de nave cu beton armat. În anul 1861 francezul Francois Coignet a publicat prima carte despre beton și utilizarea practică în construcții. Cartea se numea Les betóns aglomérés appliqués l´art de construire și descria aplicarea betonului armat în construcțiile clădirii. Casa sa proprie din beton armat (Paris din anul 1862) există și astăzi.^[1] În aceeași perioadă un avocat american, Hyatt, în anul 1877 publica descoperirea avantajelor utilizării betonului armat în încovoiere și în legătură cu incendiile

Evolutia betonului

Englezul J. B. White a construit deja în anul 1837 o casă din beton și un om de afaceri francez Francois Coignet i-a brevetat în anul 1856 introducerea barelor de fier predimensionate în masă de ciment , totuși, istoria reușită a betonului armat a început abia cu descoperirea unui grădinar din Paris Joseph Monier. Monier căuta o substanță pentru conducte de apă care să reziste înghețului și a descoperit astfel noile avantaje ale materialului: Când se combină o masă de ciment lichid cu un fir de sârmă, se creează o legătură internă de natură organică. Cimentul încolacește barele de fier ca mușchiul scheletului. Importanța poziționării corecte a plasei de oțel și astfel distribuția forțelor de compresiune și tracțiune în interiorul betonului însă nu a fost înțeleasă de Monier. În ciuda acestui lucru, brevetul său brevet pentru recipientele din beton pentru plante din anul 1867 și ulterior brevetul suplimentar din anul 1878, înregistrat în Consiliul Internațional, s-a transformat într-un comerț profitabil.

Acest lucru a dus la un conflict îndelungat cu maestru din Berlin Rabits, care dorea să promoveze și el brevetul său pentru introducerea fierului în beton. Însuși Monier a lucrat la mai multe idei legate de betonul armat, de exemplu, la coșuri de beton armat. A construit rezervoare de apă, a obținut brevete pentru mai multe proiecte pentru poduri și a susținut utilizarea betonului armat pentru podele, bolți, subsoluri și poduri.

Deoarece nu era un inginer, nu a putut construi poduri în Franța. A vândut brevetul său antreprenorilor din Germania și Austria (Wayss, Freitag și Schuster), care au construit primele poduri din beton armat din Europa. De exemplu, în anul 1884 în Trier, unde s-a întâlnit cu antreprenorul Conrad Freytag. Acesta a obținut în final drepturile pentru sudul Germaniei în timp ce drepturile de brevet pentru nordul Germaniei au fost preluate de Gustav Adolf Wayss. Din cauza modului de asigurare a construcției, Wayss a încercat să folosească metode științifice și numeroase teste de încărcare pe bolțile lui Monier, rezultatele fiind publicate în anul 1887 într-o lucrare intitulată Sistemul Monier și aplicațiile sale în construcții. Un pas suplimentar în construcții a fost faptul că francezul Francois Henebique aplică principiul la toate elementele de construcție, contribuind astfel la crearea unei structuri monolitice.

Prepararea betonului

Datorită cerințelor mari, betonul se fabrică industrial în fabrici de beton și se transportă la destinație cu amestecatoare de beton. La construcțiile mari (autostrăzi, poduri) se construiesc fabrici de beton lângă șantier. La destinație, betonul se toarnă în cofraje pregătite în prealabil cofraje și astfel se formează monolitul. Pentru locurile greu accesibile, betonul se transportă și cu pompa de beton sau cu coșuri, care se ridică cu ajutorul brațelor de ridicare. Betonul pompat este un camion special echipat cu un braț hidraulic de 20 până la 70 de metri, la care este fixată o țeavă de oțel cu diametrul de 100 și 125 mm și cu ajutorul pistonului hidraulic împinge amestecul de beton în țeavă. Cantități mai mici de beton pot fi prelucrate și manual la locul de utilizare.

Betonul de ciment nu poate fi prelucrat la temperaturi scăzute. Apa, care face parte din amestec, îngheață și astfel reacția chimică dintre liant și pietriș nu are loc. Dacă betonul este expus la temperaturi ridicate în timpul întăririi (de exemplu, la lumina directă a soarelui), trebuie să fie udat pentru a nu apărea fisuri din cauza evaporării apei de aditiv. Dacă, pe de altă parte, betonul este expus ploii, trebuie protejat față de apă pentru a nu spăla liantul.

Tipuri de adaosuri

Adaosurile pentru beton sunt una dintre componentele betonului. Sunt substanțe fine în formă de praf, care se adaugă în amestecul de beton chiar în timpul amestecării. Volumul adaosurilor în amestecul de beton proaspăt variază între 10 – 40 % din greutatea cimentului. Adaosurile din beton au rolul de a îmbunătăți proprietățile tehnologice ale betonului proaspăt, precum și proprietățile mecanice ale betonului întărit.

• Cenua volană
  • crește cantitatea de apă de amestec
  • crește rezistențele pe termen lung ale betonului
  • reduce adâncimea de carbonizare a betonului

• Substanțe silice, fum de cărbune
  • crește cantitatea de apă de amestec
  • influențează structura poroasă a betonului (porozitatea crește permeabilitatea)
  • crește rezistența betonului
  • crește rezistența betonului față de medii agresive (potrivit pentru industria hidroenergetică și chimică)

• Pigmenți colorați
  • servesc pentru colorarea betonului

Aditivi pentru beton

Aditivii pentru beton sunt una dintre componentele betonului. Sunt compuși chimici, care se adaugă în amestecul de beton chiar în timpul amestecării. Volumul aditivilor în amestecul de beton proaspăt variază între 2-50 g/m³.

• Aditivi plastifianti
  • reduce tensiunea superficială a betonului
  • îmbunătățește prelucrabilitatea amestecului de beton (o distanță mai mare de transport)
  • reduce cantitatea necesară de apă de amestec
  • crește rezistența la compresiune a amestecului întărit cu până la 10%

• Aditivi stabilizatori
  • reduce separarea apei
  • reduce înălțimea ridicării apei
  • crește densitatea cimentului întărit, reduce porozitatea, împiedică ascensiunea și absorbția apei

• Aditivi antispumă
  • crează un număr mare de pori microscopici
  • ofere rezistență față de înghețul repetat și solurile de dezgheț

• Aditivi retardați
  • întârzie solidificarea și întărirea amestecului de beton

• Aditivi acceleratori
  • accelerează solidificarea și întărirea amestecului de beton

• Alți aditivi
  • inhibitori de coroziune
  • aditivi biocida
  • aditivi pentru formarea de gaze (pentru formarea betonului poros)
  • care îndeplinesc funcția de aderență (crește coeziunea între noul amestec și betonul întărit)

Tipuri de beton

• Beton uscat este betonul care este în stare uscată și poate fi transportat și fără ajutorul amestecatoarelor. În contrast cu amestecul de beton obișnuit, în betonul uscat se adaugă o cantitate mică de apă. Se folosește cel mai des în construcția autostrăzilor ca beton de bază (stabilizare) sub asfaltul. La depozitarea betonului uscat se toarnă direct din coșul camionului în finișor, care aplică uniform straturi groase. După depozitare se rulează și se udă pentru o mai bună rezistență.

• Beton simplu este betonul fără armătură adăugată. Se folosește în special ca beton de bază. Inversul său este betonul armat.

• Betonuri armate cu oțel: betonuri armate

Beton pretensionat, este prefabricat beton armat. Acest beton se fabrică astfel că armătura se întinde mecanic în cofraje până la valorile dorite. În cofraje se adaugă amestec de beton și întregul amestec se vibrează în cofraje. După solidificare, armătura de oțel întinsă se eliberează și se creează o pretensionare. Are o rezistență mai mare la presiune și se folosește în special în construcția podurilor.

Beton cu sârmă, este beton cu adaos de fire de oțel care crește rezistența la compresiune. Se folosește pentru podele suprimate (podele industriale) și pentru suprafețe consolidate (parchinguri).

• Beton asfaltic (AB), este pietriș de diferite fracțiuni acoperite cu asfalt. Se folosește în construcția stratului de acoperire a drumurilor (acoperișuri bituminoase).

• Tipuri speciale:
  • Beton rezistent la căldură – rezistența la căldură depinde de pietrișul folosit, la utilizarea unui pietriș de calitate superioară variază între 800 °C și la betonul armat până la 600 °C.
  • Beton decorativ – este beton cu finisare de suprafață, în special pe fațade sau pe structuri decorative.

• Tipuri ușoare: sunt betoane în care se amestecă perlita, sau polistiren expandat - EPS. Se folosește în special pentru ușurarea și izolarea podelelor în casele cu mai multe etaje.
  • Tipuri: beton spumos, beton poros/beton de drenaj (pentru sistemele de drenaj), beton perlitic

Utilizare

Se folosește în special în construcții pentru formarea structurilor de susținere, dar și în gardinere și statuaria. Din beton se fabrică și dale cu șurub, bricaje de cofrare, pietre de râu, diferite prefabricate ca grinzi, panouri, stâlpi, borduri, pereți de sprijin, șanțuri, șanțuri de drenaj, garaje, șanțuri, șanțuri de drenaj și altele.

Structuri din beton

 

Armătura corodată expusă în beton

Se folosesc ca elemente de susținere cu o mare rezistență sau ca elemente neportante/umpluturi cu proprietăți termoizolante. Elementele de susținere se folosesc ca stâlpi, tăvane, grinzi, coloane și altele. Elementele de susținere ale drumurilor se folosesc pentru podele industriale, suprafețe de drumuri și aeroporturi, având o rezistență crescută față de uzura mecanică și influențele meteorologice. Structurile hidrotehnice au o rezistență crescută față de acțiunea apei și se folosesc în construcția băraje și a rezervoarelor.