Specijalni betoni

Beton je najrasprostranjeniji materijal napravljen ljudskom rukom na čitavoj planeti. Od 2005. godine proizvodi se šest milijardi kubnih metara godišnje, što je bezmalo kubni metar po glavi stanovnika planete. Industrija betona ima obrt od 35 milijardi dolara i zapošljava oko dva miliona radnika samo u SAD. U Kini se trenutno utroši 40% svetske potrošnje cementa, odnosno betona.

Danas, više nego ikada pre, svoj udeo u industriji betona imaju posebni betoni – izrađeni po specijalnim sistemima ugradnje i receptima sa dodatkom aditiva koji bi trebalo da betonu obezbede najoptimalnije osobine za svaki od specifičnih slučajeva upotrebe.

Beton nastaje očvršćavanjem mešavine mineralnog veziva, kamenih agregata i vode. Pri tome mineralna veziva i voda su aktivni sastojci betona, a kameni agregati sastojci koji služe za ispunu betonske mase bez hemijskog učešća. Za spravljanje betona koriste se razne vrste vezivnih materijala, kao što su: cement, gips, kreč, asfalt, epoksi smole... Zavisno od vrste vezivnog materijala dobijaju se: cementni betoni, gips betoni, krečni betoni, asfalt betoni, epoksi betoni itd. Agregati za spravljanje betona mogu biti prirodni ili veštački. Najčešće korišćeni agregati su prirodni šljunak i pesak, drobljeni kamen, razne vrste zgure i dr. Kameni agregati su betonski šljunak i betonski pesak, a ređe veštački drobljeni kamen... U praksi se najviše koriste cementni betoni. Kao vezivo koristi se portland cement. U betonskoj mešavini mogu biti prisutni i različiti aditivi sa ciljem poboljšanja odgovarajućih karakteristika betona. Fizičko-mehanička svojstva betona:

• čvrstoća pri zatezanju
• čvrstoća pri čistom smicanju
• čvstoća pri složenim naponskim stanjima
• čvrstoća pri dinamičnom opterećenju
• vodonepropustljivost betona
• otpornost prema dejstvu mraza i soli
• otpornost na habanje
• otpornost na hemijske agense
• deformacije betona pod uticajem kratkotrajnih opterećenja

Britanski inženjer Džon Smiton (John Smeaton) prvi je, 1756. god, zamešao cement sa šljunkom i šljakom (opeka u prahu). Ubrzo su i drugi pronalazači počeli aktivnije da eksperimentišu sa istim sastojcima i već 1824. Džozef Aspdin (Joseph Aspdin) pronalazi konačnu formulu. Nastaje proizvod koji pod istim imenom i danas čini osnovu industrije betona – portland cement (ime dobio po cenjenom građevinskom kamenu). Mešanjem portland 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 do dan danas nije rasvetljena. 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% .

Aditivi za beton su supstance koje svojim fizičkim, hemijskim ili kombinovanim delovanjem utiču na određena svojstva svežeg i/ili očvrslog betona. Najčešće korišćeni aditivi su: plastifikatori, aeranti, aksceleratori (ubrzivači vezivanja i/ili očvršćavanja), retarderi (usporivači vezivanja), zaptivači, antifrizi (dodaci za betoniranje na niskim temperaturama)...

Aditivi mogu biti u tečnom ili praškastom stanju, a njihovo doziranje je obično oko 5% mase cementa, i dodaju se mahom prilikom spravljanja betonske mešavine.

Plastifikatori su dodaci koji poboljšavaju ugradljivost i obradivost betonskih smeša, pa se može reći da oni predstavljaju regulatore reoloških* svojstava svežeg betona (*nauka o deformacijama i tečenju metala). U novije vreme sve više ulaze u primenu tzv. superplastifikatori i hiperplastifikatori koji omogućavaju još značajnije smanjenje količine vode u svežem betonu, a da se pri tome ne ugrožava njegova ugradivost i obradivost. Smanjenje vode može da iznosi i preko 30%.

Aeranti (uvlačivači vazduha) su aditivi putem kojih se u strukturi betona formiraju mehurići (globule) vazduha reda veličine 0,01-9,3mm. Ovi mehurići su ravnomerno raspoređeni unutar mase betona, i takva struktura uslovljava povećanje otpornosti na dejstvo mraza.

Zaptivači isto kao i aeranti, mogu se smatrati za aditive regulatore strukture betona. Nakon njihove reakcije sa klinker mineralima dobijaju se produkti koji zaptivaju kapilarne pore u cementnom kamenu. Na taj način povećava se stepen vodonepropustljivosti očvrslog betona.

Aksceleratori su 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 na taj način što oko zrna cementa stvaraju opne koje sprečvaju brzo odvijanje hemijskih procesa na relaciji cement-voda. Najpoznatiji i najrasprostranjeniji retarder u upotrebi je sadra.

Inhibitori korozije se koriste kako bi umanjili koroziju čelika (armature) u betonu.

Vrska je hemijski aditiv koji se uglavnom koristi prilikom vezivanja novog betona za stari.

Antifrizi su sredstva protiv smrzavanja svežeg betona. Deluju tako što snižavaju tačku smrzavanja vode. Njihovom upotrebom omogućava se izvođenje betoniranja i na temperaturama nižim od 0°C.

Vrste betona

Prema načinu ugradnje razlikujemo monolitni i montažni beton. Monolitni beton se u tečnom stanju ugrađuje na samom gradilištu (gde se i proizvodi ili doprema kamionima-mikserima). Montažni beton se koristi za fabričku izradu modularnih betonskih konstrukcionih elemenata (blokova, stubova, greda, panela i dr.), koji se zatim montiraju na gradilištu. Prema sadržaju vode razlikuje se: vlažan beton sa malo vode (ugrađuje se nabijanjem ili vibriranjem), plastičan beton sa umerenom količinom vode (uliva se u kalupe armirano-betonskih konstrukcija) i vrlo plastičan beton sa većim sadržajem vode (ugrađuje se livenjem). Proizvode se i naročite vrste cementnog betona, od kojih su za niskogradnju najbitniji: torkret-beton, brizgani beton i laki betoni raznih sastava. Prema zapreminskoj masi betoni su podeljeni na lake i teške betone.

Vodotornjevi u Kuvajtu su svakako jedan od najpoznatijih spomenika arhitekture izrađenih od prednapregnutog betona, i prvi savremeni arhitektonski simboli arapskog sveta (jedini pre ekspanzije u Dubaiju tokom 90-ih). Projektanti su bili Sun Lindstrom i Malen Bjorn, a izvođenje radova povereno je našem Rad Holdingu. Tornjevi su otvoreni za posetioce marta 1979. godine. Prvi toranj je visok 145,8m, drugi 187m i na njemu su restoran i vidikovac (na 123m od nivoa mora). Ova dva tornja nose loptaste rezervoare sa ukupno 4.500l vode, dok je treći toranj bez lopti i služi kao gromobran i nosač rasvete za druga dva. Tornjevi su pretrpeli oštećenja tokom Zalivskog rata 1991. ali su zatim odmah potom obnovljeni i vraćeni u prvobitno stanje.

Laki betoni su podeljeni na: lakoagregatne betone, jednozrne betone i ćelijaste betone. Lakoagregatni betoni dobijaju se na bazi cementa, vode, lakih agregata i eventualno aditiva. Ovi agregati mogu da budu neorganskog ili organskog porekla. Lakoagregatni betoni se koriste za izradu: raznih ploča i blokova, podloga za podove, završnih slojeva podova...

Jednozrni betoni sastoje se od jedne frakcije agregata (8-16 ili 16-31,5mm) i cementne kaše. Cementne kaše treba da bude toliko da se pomoću nje izvrši slepljivanje zrna agregata, bez popunjavanja praznih prostora između zrna. S obzirom na vrlo mali sadržaj cementa i na veliku poroznost, čvrstoća ovih betona ne prelazi granicu od 10MPa.

Ćelijasti betoni se dobijaju tako što se svežem betonu dodaju određena sredstva, putem kojih se ostvaruje porozna struktura očvrslog betona. Najpoznatiji ćelijasti betoni su gas-betoni i peno-betoni.

Najpoznatija vrsta gas-betona je siporeks. Dobija se od kvarcnog peska, cementa (ili kreča), vode i praha aluminijuma. Pod uticajem oslobođenog vodonika dolazi do nadimanja mase, odnosno do stvaranja velikog broja mehurića - pora u masi materijala. Peno betoni su laki betoni ćelijaste strukture, kod kojih se ćelije ne stvaraju hemijskim putem, već mehanički (mešanjem). Razne emulzije se koriste kao sredstvo za stvaranje pene. Ćelijaste betone odlikuje velika poroznost koja se kreće u granicama od 60-80%. Zapreminske mase su im izuzetno male i iznose od 300-1200kg/m³.

Teški betoni imaju zapreminsku masu već od 2500kg/m ³. Velika zapreminska masa teških betona ostvaruje se upotrebom teških agregata, kao što su: barit, rude gvožđa (magnetit, hematit i limonit), opiljci ili specijalno izrađene kuglice od gvožđa i čelika. Da bi se poboljšale zaštitne osobine teških betona, dodaju im se jedinjenja bora ili litijuma. Čvrstoće teških betona nisu visoke; čvrstoća na pritisk ne prelazi 40MPa, dok se zatezna čvrstoća kreće od 1-3MPa.

Armirani beton je materijal koji vezuje beton i čelik u jednu monolitnu celinu, u kojoj su spojene povoljne osobine oba materijala.U armirano betonskoj konstrukciji beton prima naprezanja na pritisak, a armatura naprezanja na zatezanje i smicanje. Nosivost armiranih nosača može se povećati nekoliko desetina puta u odnosu na nearmirane nosače.

Mikroarmirani beton se sastoji od kompozitnih vlaknastih materijala omotanih polimernom smolom, koji su alternativa čeličnim armaturnim šipkama ili mrežama. Polimerna armaturna vlakna, karbonska i staklena, već predstavljaju komercijalni proizvod u građevinskoj industriji. Predviđena su za upotrebu kao zamena za armaturni i prenapregnuti čelik. S njima se izbegava problem korozije, a imaju i neke druge poboljšane karakteristike u odnosu na obični čelik. Fiberglass šipke su pogodne za manje opterećene elemente: ograde, obložne panele, za betone izložene mrazu ili solima: luke, ploče mostova, autoputeve u ekstremnim uslovima.

Betoni visokih čvrstoća imaju čvrstoću na pritisak veću od određene vrednosti koja je vremenom polako rasla. Sredinom prošlog veka ta je vrednost bila 30 MPa, dok je ona danas u većini zemalja 60 MPa. Beton visokih čvrstoća, osim što ima veliku čvrstoću na pritisak, poseduje i ostala mehanička svojstva koja mu daju veću trajnost i otpornost na agresivnije delovanje okoline. Dobra zaštita armature, trajnost, velike rane čvrstoće, visoka otpornost na mraz i na habanje i laka ugradljivost svežeg betona razlog su češće primene betona visokih čvrstoća.

Prskani beton ili torkret-beton (ime dobio po proizvođaču pumpi Torkret; eng. shotcrete), postavlja se na željeno mesto pomoću kompresovanog vazduha. Torkret-beton se često koristi prilikom betoniranja kosih/vertikalnih zemljanih ili kamenih površina, pošto eliminiše potrebu za oplatom. Ponekad se koristi za ojačavanje stene, prilikom gradnje tunela, zaštite saobraćajnica od odrona i sl.

Postoje suvi i mokri postupak ugradnje torkret-betona. U suvom se cement i agregat mešaju u mašini, suva mešavina se potiska kompresovanim vazduhom, a voda za hidrataciju se dodaje na završetku creva prilikom izbacivanja mešavine, dok se u mokrom postupku mešavina priprema sa svom neophodnom vodom i takođe se pumpa crevima. Međutim, ovde se kompresovani vazduh pojavljuje tek na ustima creva i raspršuje beton u željenom pravcu. Za oba metoda mogu biti dodati aditivi aksceleratori i vlakna kao armatura.

Ime Gunite se često koristi za torkret, ali je pravilno samo kad se odnosi na suvo-mešani i nekada je to bilo zaštićeno ime. Ovaj tip betona je sposoban da razvije visoku čvrstoću samo par sati nakon postavljanja. Ova osobina ima prednosti kao što je brzo uklanjanje oplate i nastavak gradnje, popravka puteva koji mogu da se puste u promet samo nekoliko časova kasnije...

Betoni armirani kratkim čeličnim žicama se najčešće koriste za prskani beton (mlazni beton, torkret), tamo gde je ugradnja armature vrlo teška ili skupa (primarna tunelska obloga). Odlika ovih betona je da su relativno jeftini jer se čelične žice (najčešće posebno oblikovane) mešaju u mešalici zajedno sa betonom.

Betoni od reaktivnog praha poseduju vrlo visoke čvrstoće na pritisak od 200 do 800MPa i vrlo velike čvrstoće na savijanje 25-150MPa. Treba napomenuti da je na gradilištima do sada ostvarena čvrstoća na pritisak od oko 250MPa. Osnovna je pretpostavka kod betona od reaktivnog praha da će materijal sa malim brojem nedostataka, kao što su mikropukotine i pore, ostvariti veći postotak potencijalne čvrstoće definisane njegovim komponentama. Ovaj beton sadrži čestice manje od 0,1µm, pa do približno od 400 do 600µm. Čelična vlakna koja se dodaju u ovaj beton su dužine 13mm i prečnika 0,15 do 0,175mm, vrlo visoke čvrstoće na istezanje od oko 2.500 MPa.

Ferocement je atraktivan građevinski materijal, širokih mogućnosti upotrebe i poželjnih fizičko-mehaničkih svojstava. Načinjen je od portland cementnog maltera i više slojeva finih mreža. Mreže su najčešće od čeličnih žica, a izrađuju se još od polipropilena, jute, vlakanaca bambusa i konoplje. Ferocement se razlikuje od konvencionalnog armiranog betona uglavnom po načinu armiranja, upotrebe samo sitnih frakcija agregata (peska) za izradu maltera, što mu daje bitno drukčija svojstva i mogućnosti primene. Ugrađena armatura vrlo se lako savija u finalni oblik, pa se ferocement može upotrebljavati za izradu zakrivljenih ploča raznovrsnih oblika i namena. U početku ferocement se uspešno upotrebljavao, a i sad se upotrebljava, za izradu brodova i čamaca.

Samougrađujući beton je razvijen u Japanu 80-ih godina XX veka nakon uviđanja problema ugrožene trajnosti betona usled korozije armature nastale zbog nekoherentnosti mase, odn. zaštitnog sloja. Uzrok ovome bio je nedostatak stručne radne snage prilikom ulivanja betona, posebno u uslovima nepravilnih oplata i gusto raspoređene armature. On je u osnovi baziran na standardnom betonu uz dodatke koji umanjuju potrebnu količinu vode, a povećavaju želatinoznost smese, stvarajući tako beton visoke čvrstoće i trajnosti.

Prednapregnuti (prethodno napregnuti) beton je vrsta armiranog betona, kod koga se armatura pre ugrađivanja betonske smeše prethodno napregne zatezanjem (120-130MPa). Armatura od visokokvalitetnog čelika održava se u zategnutom stanju sve dok beton dovoljno ne očvrsne i ne dođe do prijanjanja betona za armaturu. Uklanjanjem opterećenja armatura se skupi zbog svoje elastičnosti i stisne beton, tako da je armirano betonska konstrukcija u stanju da bolje izdržava zatezna naprezanja. Primena prednapregnutog betona neizostavna je pri izvođenju konstrukcija koje trpe velike sile pritiska, zatezanja ili torzije, kao što su mostovi i vijadukti, vodotornjevi i sl.

Osobine betona čine ga nezamenljivim kod građevinskih poduhvata najviših kategorija visoko i niskogradnje: infrastrukture, fundiranja, usmeravanja i kontrole voda... Nove tehnologije i razvijanje novih materijala čini se da za dugo neće ugroziti dobri stari beton... One će pre pomoći da upotreba betona prevaziđe okvire u kojima se sada kreće, i da odgovori na nove izazove.