Betón ako stavebný materiál poskytuje architektom a inžinierom na výber široké použitie technológii výstavby pri súčasnom určení vlastností použitého materiálu v nosnej konštrukcii.

Ak sa architekt so stavebným inžinierom rozhodnú použiť nosnú konštrukciu z betónu, musia vopred špecifikovať množstvo parametrov na výstavbu budovy: konečnú pevnosť betónu a jeho trvanlivosť, systém debnenia, požiadavky na nábeh pevnosti betónu, vlastnosti, umiestnenie a množstvo výstuže, vzhľad viditeľných plôch a mnoho iných parametrov.

 

Dôsledkom je, že oblasť výstavby a použitia betónových budov sa neustále mení a ich vysoké technické parametre sa zväčša prekračujú. To otvára cestu postupnému vývoju a inováciám v technológiách výstavby, debnenia, miešania betónu, jeho dopravy a tlakového prečerpávania do veľkých výšok, používania nových prímesí a prísad, ktoré zlepšujú jeho spracovateľnosť a prispievajú k jeho širokému použitiu na realizáciu výstavby technicky náročných betónových budov.

Vstup Slovenskej republiky do Európskej únie znamenal aj prijatie zjednotenej európskej legislatívy v oblasti technickej normalizácie. Článok je spracovaný v zmysle platnej európskej betonárskej normy STN EN 1992-1-1: Navrhovanie betónových konštrukcií, všeobecné pravidlá a pravidlá pre pozemné stavby.

Kompozitný materiál – betón

Betón je kompozitný materiál vyrobený z kameniva, cementu, vody, prísad a prímesí. Prísadami a prímesami sa zlepšujú niektoré jeho požadované vlastnosti (pevnosť, spracovateľnosť a podobne). Zároveň je betón dvojfázový materiál, pričom prvú fázu predstavuje čerstvý betón a druhú fázu stuhnutý, respektíve stvrdnutý betón.

Na zhotovovanie nosných konštrukcií betónových budov sa používajú kvalitné betóny stredných a vyšších pevnostných tried. Dôvodom je dosiahnuť optimálne rozmery prierezov nosných prvkov a znižovať vlastnú tiaž budovy. V menej kvalitných betónoch vznikajú veľké objemové zmeny (zmrašťovanie, dotvarovanie), ktoré môžu mať negatívne dôsledky na nosnú konštrukciu.

Vyrobiť kvalitný betón je náročná úloha, pri ktorej sa nesmie podceniť ani jedna fáza zhotovovania nosnej betónovej konštrukcie. Výsledná kvalita betónu závisí od kvality zložiek čerstvého betónu, od dôsledného zamiešania a spracovania betónovej zmesi v debnení a od vhodného ošetrovania čerstvého betónu v konštrukcii.

Cementový tmel

Zmes vody a cementu nazývame cementový tmel. Cement a voda chemicky reagujú, táto chemická reakcia sa nazýva hydratácia. Rýchlosť hydratácie závisí od jemnosti mletia cementu. V prípade použitia hrubo mletého cementu hydratácia prebieha pomaly, naopak, pri použití jemne mletého cementu je hydratácia pri použití dostatočného množstva vody veľmi rýchla.

Hydratovaný cementový tmel tvorí spojivo medzi jednotlivými zrnami kameniva, a preto sa významne podieľa na raste a hodnote konečnej pevnosti betónu. Hydratáciu ovplyvňuje kvalita spracovania čerstvého betónu a trvanie vhodného ošetrovania betónu. Počas hydratácie vzniká hydratačné teplo, ktoré je tým väčšie, čím jemnejšie zomletý je cement. Hydratačné teplo môže mať pozitívny i negatívny vplyv na kvalitu betónu počas jeho tvrdnutia.

 

Pri betónovaní konštrukcie v zimnom období hydratačné teplo zmierňuje negatívne pôsobenie nízkych teplôt na tvrdnutie betónu. Naopak, pri betónovaní hrubých základových dosiek sa hydratačné teplo nadmerne akumuluje v telese dosky a je príčinou predčasného vysychania čerstvého betónu. Následkom tohto javu je nepriaznivý vznik zmrašťovacích trhlín, ktoré ohrozujú životnosť konštrukcie.

Cementový tmel je vysoko porézny materiál, ktorého pórovitosť závisí od zloženia a veku cementového tmelu. Parameter, ktorý priamo ovplyvňuje pórovitosť, je vodný súčiniteľ ω = w/c, ktorý je pomerom množstva vody w a cementu c v kilogramoch na jednotku objemu čerstvej betónovej zmesi.

Na to, aby prebehla hydratácia, je potrebný vodný súčiniteľ aspoň ω = 0,16. Pri zhotovovaní objemnejších nosných prvkov, aby bolo možno čerstvý betón spracovať, sa pri návrhu berie do úvahy minimálne vodný súčiniteľ ω = 0,35. V bežných prípadoch sa berú do úvahy vyššie vodné súčinitele ω = 0,40 až 0,70.

Aby nevznikalo nadmerné zmrašťovanie pri tvrdnutí betónu a obmedzil sa vznik technologických trhlín, mal by mať kvalitný betón vodný súčiniteľ čo najmenší. Neprípustné šírky trhlín v betóne totiž znižujú životnosť konštrukcie, a to v dôsledku vzniku korózie výstuže a betónu. Spracovateľnosť betónovej zmesi sa potom zlepšuje prísadami a prímesami.

Cement

Cementy rozdeľujeme na pomaly, normálne a rýchlo tuhnúce. Odporúča sa používať cementy s týmito pevnostnými triedami – CEM 32,5; CEM 42,5 a CEM 52,5. Kvalitnejšie cementy sú jemnejšie mleté a rýchlejšie hydratujú.

Kamenivo

V hutnom betóne kamenivo obyčajne tvorí až 70 % objemu. Na vlastnosti betónovej zmesi má vplyv mineralogické zloženie a pevnosť kameniva, tvar a povrch zŕn (hladké riečne kamenivo, drsné drvené kamenivo), zrnitosť (používa sa iba triedené kamenivo) a prípadný obsah znečisťujúcich látok (ílovité prímesi, voľné chloridy rozpustné vo vode sú prípustné najviac v objeme 0,02 % hmotnosti kameniva).

Kamenivo do betónov na realizáciu betónových budov sa delí podľa veľkosti zŕn na dve frakcie: piesok 0 až 4 mm a štrk 8 až 16 mm, výnimočne 16 až 32 mm. Pri určovaní optimálnej zrnitosti kameniva (je to pomer zŕn rôznej veľkosti) sa vychádza z požiadavky na minimalizovanie množstva cementového tmelu v priestore medzi zrnami kameniva, pri zabezpečení dokonalého obalenia všetkých zŕn tmelom.

Maximálna veľkosť zrna kameniva dg je obmedzená konštrukčnými požiadavkami, nemala by prekročiť 1/4 najmenšieho rozmeru nosného prvku a zároveň nesmie prekročiť minimálnu vzdialenosť medzi prútmi výstuže (predpínacej i betonárskej) zmenšenú o 5 mm.

Výroba betónovej zmesi

Výroba betónovej zmesi na kvalitné betóny sa uskutočňuje strojným miešaním podľa podrobných odskúšaných receptúr na dávkovanie jednotlivých zložiek. Pri ukladaní betónu do debnenia treba betónovú zmes dôkladne zhutniť na vypudenie plynných a tekutých súčastí tak, aby čerstvý betón bol bez dutín. Cementový tmel musí obaliť všetky zrná kameniva a vyplniť priestor medzi nimi.

Významným faktorom, ktorý ovplyvňuje kvalitu betónu, je jeho ošetrovanie po uložení do debnenia. V zimných mesiacoch nesmie počas tvrdnutia betón zmrznúť, pretože by v ňom prestal prebiehať proces hydratácie a po rozmrznutí by sa betón rozpadol. Bežné betónovanie bez špeciálnych opatrení možno realizovať, ak sú teploty prostredia vyššie ako + 5 °C.

Ak sú teploty nižšie, treba na výrobu betónu použiť zohriatu zámesovú vodu a zohriate kamenivo. Teploty pod bodom mrazu znamenajú, že vybetónovanú konštrukciu počas tvrdnutia betónu treba zatepľovať v chránenom prostredí, ktoré sa vytvorí dôsledným obalením konštrukcie nepremokavými plachtami.

Naopak, v letných mesiacoch treba zabezpečiť, aby proces hydratácie prebiehal vo vlhkom prostredí počas tvrdnutia betónu. Aby čerstvý betón na voľnom priestranstve nadmerne nevysychal, a tým sa nadmerne nezmrašťoval, treba ho aspoň počas 14 dní prikrývať fóliami a kropiť vodou.

Vlastnosti konštrukčného betónu

Pracovný diagram betónu vyjadruje závislosť medzi napätím v betóne σc a pomerným pretvorením betónu εc. Tvar pracovného diagramu na rozdiel od jeho komponentov (cementový tmel, kamenivo) je nelineárny. Príčinou nelineárneho (plastického) správania betónu už pri pomerne nízkych hladinách jeho tlakového namáhania sú mikrotrhliny, ktoré vznikajú pri zaťažovaní betónu.

Na rozdiel od výstuže (správa sa pružne aj pri vysokých hladinách tlakového či ťahového namáhania), má betón veľmi nízku pevnosť v ťahu fct, ktorá je približne len 1/10 jeho pevnosti v tlaku fc. Preto sa pozornosť venuje najmä vlastnostiam betónu pri tlakových napätiach σc. V bežných prípadoch sa predpokladá porušenie ťahaných častí betónu v nosnom prvku a všetky ťahové namáhania sa prisudzujú výstuži.

Už v štádiu tuhnutia a tvrdnutia čerstvého betónu, keď voľnému zmrašťovaniu cementového tmelu bráni kamenivo, vznikajú v betóne ťahové napätia. Tie sú potom príčinou prvých mikrotrhlín na styku cementového tmelu a zŕn kameniva. Zmrašťovacie trhliny nemajú však významnejší vplyv na krivku pracovného diagramu betónu.

Pri tlakových napätiach do hodnoty 30 % pevnosti betónu fc sa betón správa takmer ako lineárne pružný materiál. Pri hladine tlakových napätí 0,3 až 0,4 fc vznikajú na styku cementového tmelu a kameniva mikrotrhliny. S rastúcim tlakovým napätím σc až po hladinu 0,6 fc sa tento typ mikrotrhlín ďalej rozširuje po povrchu zŕn, čo má za následok mierne zakrivovanie pracovného diagramu.