Cement, kruszywa, woda - Beton najważniejszy materiał budowlany

Opowieść, bo na tak ważny temat opowiastka to za mało, o betonie należy zacząć od cementu. Bez tego nic się nie da opowiedzieć, bo betonu nie ma.

Co to jest cement?

Cement jest spoiwem, klejem, wiązadłem, substancją używaną w budownictwie, która wiąże, twardnieje i przylega do innych materiałów, w ten sposób je wiąże, łączy w jedną całość. Cement rzadko jest stosowany samodzielnie, ale praktycznie wyłącznie do wiązania ze sobą piasku i żwiru (kruszywa). Cement zmieszany z drobnym kruszywem tworzy zaprawę murarską, a z piaskiem i żwirem - beton. Beton jest najczęściej używanym materiałem na świecie i ustępuje tylko wodzie, która zresztą jest do jego powstania konieczna, jako najbardziej zużywany surowiec na naszej planecie.

Cementy stosowane w budownictwie są zazwyczaj nieorganiczne, często na bazie wapna lub krzemianu wapnia, które można scharakteryzować odpowiednio jako niehydrauliczne lub hydrauliczne, w zależności od zdolności cementu do wiązania w obecności wody.

Cement niehydrauliczny nie ulega wiązaniu w warunkach wilgotnych lub pod wodą. Raczej zastyga w miarę wysychania i reaguje z dwutlenkiem węgla zawartym w powietrzu. Po związaniu jest odporny na działanie środków chemicznych.

Cementy hydrauliczne (np. cement portlandzki) twardnieją i stają się adhezyjne, przyczepne, w wyniku reakcji chemicznej pomiędzy suchymi składnikami a wodą. W wyniku reakcji chemicznej powstają hydraty mineralne, które są słabo rozpuszczalne w wodzie, dzięki czemu są dość trwałe w wodzie i w niekorzystnych środowiskach chemicznych. Pozwala to na utwardzanie w warunkach wilgotnych lub pod wodą i dodatkowo chroni utwardzony materiał przed działaniem środków chemicznych. Proces chemiczny do produkcji cementu hydraulicznego został odkryty przez starożytnych Rzymian, którzy używali popiołu wulkanicznego (pucolany) z dodatkiem wapna (tlenku wapnia).

Skondensowana historia cementu

Słowo "cement" może pochodzić od starożytnego rzymskiego terminu opus caementicium, używanego do opisania materiału przypominającego współczesny beton, który był wykonany z pokruszonej skały z wapnem palonym jako spoiwem. Popiół wulkaniczny i sproszkowane dodatki ceglane, które dodawano do wapna palonego, aby uzyskać spoiwo hydrauliczne, były później określane jako cementum, cimentum, cäment i cement.

Dzięki opus caementitium Rzymianie znaleźli materiał budowlany, który ze względu na wysoką wytrzymałość na ściskanie i nierozpuszczalność w wodzie idealnie nadawał się do budowy fundamentów budynków, jak również do budowy wodociągów (akweduktów), mostów, urządzeń portowych, tuneli czy dróg. Ponieważ świeży beton jest miękki i plastyczny, możliwe stały się nowe geometrie budynków: na przykład sklepienia o dużej rozpiętości i kopuły, które nie mogły być zrealizowane przy użyciu dotychczas znanych materiałów budowlanych. Tak więc Rzymianie nie tylko tworzyli z betonu funkcjonalne budynki użytkowe, ale także wykorzystywali ten materiał budowlany do wielu swoich monumentalnych budowli. Najlepszym tego przykładem jest Panteon w Rzymie, ukończony około 120 roku n.e. Ogromna kopuła dachu tej świątyni, której średnica wynosi około 43 metrów, została wykonana z rzymskiego betonu i zachowała się do dziś.

Ciekawostka: prawdopodobnie najwcześniejsze znane występowanie cementu pochodzi sprzed dwunastu milionów lat. Złoże cementu powstało po wypaleniu się z przyczyn naturalnych łupków bitumicznych znajdujących się w sąsiedztwie złoża wapieni.

To tyle o cemencie. Nawet najbardziej skondensowane, pobieżne i skrótowe, ale kompletne opisanie tego materiału budowlanego daleko wykraczałoby poza i tak już dość obszerne opowieści zamieszczane na tym blogu, tym bardziej, że ma być o betonie. A zatem,

Współczesny beton to świeży wynalazek, ma dopiero 200 lat

A dokładnie 198, bo dokładnie w roku 1824 murarz Joseph Aspdin roku po raz pierwszy wypalił glinę i wapno na cement. Dokonał tego na półwyspie Portland w południowej Anglii, dlatego do dziś mówimy o cemencie portlandzkim. Dzieła dopełnił 20 lat później Isaac Charles Johnson, który znacząco poprawił recepturę Aspdina, wypalając surowce - glinę i wapno - w wyższych temperaturach, dochodząc prawie do temperatury topnienia. W ten sposób, po schłodzeniu, powstał klinkier przypominający kamień. Ze zmielonego, klinkier podobnego materiału otrzymano sproszkowany cement, który w zasadzie był podobny do wariantu stosowanego do dziś, jako cement portlandzki. To właśnie wtedy pojawiło się nowe, rewelacyjne spoiwo hydrauliczne, które ma tę wielką przewagę nad pucolanami Rzymian, że schnie, wiąże i twardnieje znacznie szybciej.

Cement portlandzki zapoczątkował erę nowoczesnego betonu. Beton z cementem jako spoiwem został jakby odkryty na nowo, tym razem na dobre, w lekko zmienionej formule/recepturze i na dużą skalę. Stary materiał triumfalnie wrócił na place budów w korzystnie zmodyfikowanej formie. Beton redivivus i to na dobre, bo

Beton to z pewnością najważniejszy materiał budowlany XX wieku.

A wszystko wskazuje na to, że i w naszym, trwającym już 21 (bo początek to 2001, a 2000 to setny rok jeszcze wieku XX) lat XXI wieku - też tak będzie, choćby przez fakt, jak liczne innowacje w technologii jego produkcji i wykorzystania dowodzą, że cały przemysł betonowy – i to z produkcją na prawdziwie masową skalę – takim pozostanie. Co prawda genialny w swojej prostocie i nieprawdopodobnie bezczelny pomysł na pieniężny drenaż, czyli tzw. opłaty emisyjne, windujące z rosnącym przyspieszeniem ceny energii na niebotyczny poziom, uczynią produkcję cementu u białego człowieka w zasadzie nieopłacalną – większość kosztów produkcji to koszty energii – ale jak zwykle i zawsze - są równi i równiejsi, a poza tym reszta świata nie przejmuje się takimi regulacjami. Beton jest niezastąpiony.

Czasy, w których beton był prostą mieszanką 3 składników: cementu, wody i kruszywa dawno minęły – dzisiejszy, zaawansowany technologicznie beton jest już w zasadzie sześcioskładnikowy:

cement,
kruszywa,
woda,
odpowiednie domieszki
i dodatki w zależności od oczekiwanych/potrzebnych zastosowań/charakterystyki/właściwości
oraz….powietrze.

Poprzez zmianę i modyfikację tych składników, beton może uzyskać nowe właściwości wytwórcze, przetwórcze i użytkowe – na przykład jako beton, który nie musi być już zagęszczany przez wibrowanie. To tak zwany beton SCC= Self Compacting Concrete, czyli po naszemu beton samozagęszczalny. Dalej mamy beton wysokowytrzymały lub ultra wytrzymały, jako kwasoodporny materiał budowlany, fibrobeton, czyli beton ‘tekstylny’ na bazie włókien szklanych lub węglowych, równomiernie rozprowadzonych w całej jego objętości. Fibrobeton jest wyraźnie lżejszy, niż klasyczny żelbet, zbrojony stalą konstrukcyjną, a podobnie wytrzymały. Dla koneserów mamy wreszcie beton ‘fotograficzny’. Jest to specjalna odmiana betonu licowego, na którego powierzchni można kłaść trwałe obrazy.

Być może wygląda to dla niektórych Szanownych Czytelników dziwnie, ale beton to najbardziej klasyczny materiał kompozytowy, spełnia warunki każdej definicji kompozytu, np. takiej: to materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach. Chyba nie ma takiego drugiego takiego, produkowanego na masową skalę materiału, który byłby wytwarzany z tak prostych surowców: cementu, wody i kruszywa. Ponadto można podstawową masę uzupełnić dodatkami i domieszkami, jak również włóknami. Ze względu na koszty transportu, naturalne surowce pochodzą zazwyczaj z regionu, w którym znajdują się betoniarnie, co może być odzwierciedlone w kolorze lub fakturze gotowego betonu.

Czy okaże się on materiałem budowlanym XXI wieku? Z pewnością tak. Zakładając, że ludzie i decydenci nie zgłupieją ze szczętem, mimo wszystko ‘ochrona klimatu’ to w sumie dobry sposób, w jaki można dalej rozwijać metody produkcji oszczędzające energię i zasoby, co naprawdę ma sens. Pierwszym krokiem w tym kierunku jest stosowanie kruszyw z recyklingu, badania nad zmniejszeniem zużycia materiałów oraz opracowanie nośnych betonów na bazie cementów, które można wyprodukować przy mniejszym zużyciu energii i uwolnić mniej dwutlenku węgla w procesie produkcyjnym.

Na koniec trochę ciekawostek

Autor snuje opowiastki, a chociaż tę nazywa opowieścią, to i tak nie jest ona żadną miarą podręcznikiem, ani – tym bardziej – poważną pracą specjalistyczną. W Necie można znaleźć dowolną ilość, dowolnie specjalistycznych opracowań na temat betonu – wiarygodne ciekawostki, czyli dziwne, ciekawe i zaskakujące fakty trudniej, ale można:

Zaskakujące porównanie

Każdy, kto kiedykolwiek pracował z betonem, wie, jak wszystkie te w pocie czoła taszczone wory z cementem, niekończące się szuflowanie żwiru, kłopoty z dostarczeniem wody, niewiarygodnie szybko są przetwarzane w beton. Sto kilogramów proszku cementowego schodzi "jak nic", błyskiem. Bo też liczby są naprawdę gigantyczne. Tylko w 2017 roku na całym świecie wyprodukowano 4,1 miliarda ton cementu – tylko na same Chiny przypada 2,4 miliarda ton. A pomimo tego Państwo Środka same to wszystko 'łyknęło'. Przy okazji Chin naprawdę szczęka opada: w latach 2011-2013 Chiny zużyły/zabudowały 6,6 miliarda ton betonu. Dla porównania, Stany Zjednoczone zużyły tylko 4,5 miliarda ton w ciągu całego 20 wieku. To nie żart!

Dlaczego beton jest tak ważny?

Istnieją inne materiały, które wytrzymują te same obciążenia. Jednak to beton jest niekwestionowanym numerem jeden. Ma to jeden główny powód: beton ciągle jest niezwykle ekonomiczny, a wszystkie jego komponenty, oprócz szybko drożejącej (ale nie wszędzie) energii, są tanie. Ale to nie wszystko.

Beton jest całkowicie odporny na warunki atmosferyczne. Nie utlenia się, jest tak samo odporny na wymywanie jak skała i jest odporny na kwasy i zasady – w każdym razie przez długie lata.
Gdy jest świeżo wylany, beton jest płynny i zimny. Oznacza to, że można go uformować w dowolny kształt bez większego wysiłku – na miejscu lub jako półprodukt.
Beton pozostaje elastyczny, dający się łatwo kształtować, przez pewien czas, aż do ostatecznego zestalenia
Beton ma bardzo słabą przewodność, zarówno elektryczną, jaki i cieplną. W przeciwieństwie do, na przykład, stali, traci bardzo niewiele na wytrzymałości i odporności nawet w wysokich temperaturach - nawet powyżej 500°C, a ze względu na tą niską przewodność cieplną strata jest ograniczona do górnych centymetrów.
Beton jest całkowicie niepalny. Nawet w najwyższych temperaturach się nie topi, nie ‘płynie’, staje się tylko kruchy lub się rozsypuje

Wszystko to sprawia, że beton jest niezastąpiony, jest materiałem prawdziwie uniwersalnym. Ze względu na swoją odporność na warunki atmosferyczne i bardzo niską wrażliwość na oddziaływanie temperatury. Rzecz jasna ma - jak wszystko - rozszerzalność cieplną, ale niewielką i konieczne szczeliny dylatacyjne nie są wielkim problemem. To beton jest podstawą prawie wszystkich głównych metod budowy fundamentów. W postaci tynku, beton chroni mur przez długie dziesięciolecia przed kaprysami Matki Natury – jednocześnie dodatkowo wiążąc pozostające pod nim części składowe tego muru, które zresztą bardzo często są również wykonane z lekkiego betonu.

Tylko za pomocą betonu można w ciągu kilku minut zamocować słupek ogrodzeniowy w ziemi w taki sposób, aby mógł tam stać przez dziesięciolecia. A wtedy tam, gdzie stoi i został starannie, zgodnie ze sztuką potraktowany, woda nie ma szans. I na koniec, z pewną ulgą, trzeba sobie jasno powiedzieć, że

Beton to nie jest materiał idealny, takich nie ma

Jak mawiał pewien milioner, kurdupel do Jacka Lemona w słynnym filmie ‘Pół żartem, pół serio’ - nobody's perfect – beton, niestety, też nie. Prawie żaden inny materiał budowlany nie jest tak zbliżony do ideału, jak beton. Jednak żyjemy w realnym świecie - to nie jest absolutnie nieskazitelny materiał. Najważniejsze jest to, że nie ma takiej samej wytrzymałości we wszystkich kierunkach. Mamy, na przykład, ciśnienie statyczne, jeśli stalowy most spoczywa na kilku betonowych filarach, proszę bardzo, nie przeszkadza, ponieważ w zależności od klasy wytrzymałości beton wytrzymuje do 100 niutonów na milimetr kwadratowy – prawie dziesięć kilogramów na powierzchni główki szpilki!

Niestety bardzo, ale to bardzo nie lubi obciążeń rozciągających. Pod naprężeniem rozciągającym, takim jak występuje np. u podstawy betonowego mostu - obciążenie zawsze powoduje jakąś strzałkę ugięcia - beton będzie działać znacznie gorzej niż inne materiały. Jest to również powód, dla którego beton jest prawie zawsze wzmacniany stalowymi zbrojeniami. Stal ma dużo, dużo wyższą wytrzymałość na rozciąganie, a tym samym pozbawia beton tej słabości, ale z kolei nadaje mu inne, niekoniecznie pożądane cechy...szkoda gadać/pisać, życie budowlańca łatwe nie jest...poza tym beton zbrojony, czyli żelbet to temat na oddzielną, kolejną opowieść, z 'konieczności wydawniczej' skróconej do opowiastki.

Mimo tego, że beton jest bardzo gęsty, to jednak czasem tlen – to jest naprawdę bardzo agresywny gaz, jeden z najbardziej aktywnych w przyrodzie - może nadal przez niego dyfundować. Jeśli trafi na stal zbrojeniową, załatwi jej szybkie utlenienie. A ponieważ rdza rozszerza się, mamy silne naprężenia rozciągające, których nasz beton tak nie lubi. Jest to również powód, dla którego tak często widać na starych betonowych elementach rozwarstwienia, złuszczenia i odpryski – rdzę lub wnikającą wodę, która zamarzła i rozszerzyła się przy tym.

Ponadto świeży beton może się "spalić". Nie tak, jak można by przypuszczać. Tak profesjonalista nazywa stan, w którym wylewanie odbywa się w wysokich temperaturach zewnętrznych, dużym nasłonecznieniu i/lub wietrze. W takich warunkach woda zawarta w płynnym betonie odparowuje tak szybko, że beton ma jej mniej, niż jest to konieczne do poprawnego związania/zestalenia. Rezultatem są pęknięcia i odpryski, dlatego szczególnie przy dużych betonowych powierzchniach, które wylewa się latem, drastycznie rośnie zużycie wody, bo świeży beton trzeba mocno polewać.

I odwrotnie, jeśli nie pamiętasz o tym, że na mrozie woda zamarza, może się to również zdarzyć betonowi zanim zwiąże, pomimo tego, że reakcja jest egzotermiczna i w trakcie twardnienia powstaje sporo ciepła. Jest to duży problem, szczególnie na Północy i w mroźne zimy na niższych szerokościach geograficznych, ponieważ trudno jest stwierdzić, czy beton jest twardy z powodu mrozu, czy dlatego, że rzeczywiście stwardniał, związał, jak należy. Jest to o tyle przykre, że struktura betonu jest wtedy zmieniona i znacznie osłabiona przez rozszerzający się lód - jeśli zrobi się cieplej, beton może się czasem po prostu rozsypać.

Końcowa konstatacja

Beton może nie jest najpiękniejszym z materiałów. Betonowa pustynia to tylko jedno z kilku pejoratywnych określeń, w których beton występuje. Mimo to brzydkie kaczątko jest dziś najważniejszym materiałem budowlanym. Beton to nie tylko fundament, na którym stoi nasz świat, ale także klej, który go trzyma. Nieźle jak na materiał, który kosztuje (jeszcze) zaledwie jakieś trzydzieści groszy za objętość litra, czyli 13 groszy za kilogram i który każdy majsterkowicz amator może obrobić przy pomocy plastikowego wiadra i kielni.

Zdjęcie autorstw Ablazejo - Praca własna, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31157145