Czy beton jest rzeczywiście tak samo kruchy jak kamień?
28 lipca 2022

Beton bywa nazywany sztucznym kamieniem. Dla niezbyt wprowadzonego w temat obserwatora może się on rzeczywiście wydawać bardzo podobny do kamieni naturalnych, zarówno tych polnych, jak i pochodzących z kamieniołomów i poddanych obróbce mechanicznej. Tymczasem nie do końca tak jest i to, że – mimo wszelkich podobieństw – beton różni się od kamieni, ma istotne i pozytywne znaczenie dla wykonanych z niego konstrukcji, zwłaszcza żelbetowych.

Beton i kamień naturalny mają oczywiście wiele cech wspólnych – na przykład dużą twardość i całkowitą niepalność. Taką wspólną cechą jest także kruchość obu tych materiałów, które – inaczej niż stal czy drewno – mają dużo większą wytrzymałość na ściskanie niż na rozciąganie. Wprawdzie dla betonu stosunek wytrzymałości na ściskanie do wytrzymałości na rozciąganie wynosi od 8-iu do 12-tu, a dla kamieni jest on dużo większy i sięga 26-ciu, ale nie zmienia to faktu, że oba te materiały wykorzystuje się przede wszystkim w elementach, które są ściskane.

Beton ma nad kamieniami tę jednak przewagę, że przeciwieństwie do nich, można go łatwo zazbroić wiotkimi prętami stalowymi, co pozwala wykonywać z niego zarówno elementy zginane, jak i mimośrodowo ściskane, czyli takie, które są jednocześnie ściskane i zginane. W takich elementach odpowiednio rozmieszczone zbrojenie (Fot. 1) przejmuje naprężenia rozciągające, podczas gdy sam beton odpowiada za przeniesienie naprężeń ściskających, równocześnie nadając im oczekiwany kształt oraz dużą sztywność (Fot. 2).

Fot. 1 – Pręty zbrojeniowe potrzebne są przede wszystkich w tych strefach elementów żelbetowych, które pod wpływem obciążenia są rozciągane
Fot. 2 – W elementach żelbetowych betonu jest nie tylko dużo więcej niż stali – to on nadaje im kształt, czyni odpornymi na ogień i zapewnia sztywność

Wprawdzie kompozyt betonu i stali nazywany jest powszechnie żelbetem (wcześniej żelazobetonem, a nieco później żelbetonem), ale wykonane z niego konstrukcje śmiało można nazwać betonowymi. Betonu jest w nich bowiem bez porównania więcej niż stali, choć jej rola w tym mariażu jest oczywiście nie do przecenienia.

Zobacz: Do czego w konstrukcjach żelbetowych stal jest potrzebna betonowi, a beton – stali?

Najważniejsze jednak, że zgodna współpraca tych dwóch materiałów zrewolucjonizowała całe budownictwo i teraz bez zbrojonego betonu nie mogą się obejść nie tylko dominujące w Polsce jednorodzinne domy murowane, ale i mniej od nich popularne – drewniane.

Plastyczność betonu

W bezpośrednim kontakcie beton sprawia wrażenie materiału twardego i sprężystego. Tymczasem w rzeczywistości jest on materiałem sprężysto-plastycznym. Jedynie przy małych obciążeniach, odkształcenia betonu przyrastają proporcjonalnie do naprężeń, czyli zachowuje się on w sposób sprężysty (Rys. 1). Później, wraz ze wzrostem naprężeń, oprócz odkształceń sprężystych występują w nim także odkształcenia plastyczne.

W projektowaniu konstrukcji betonowych przyjmuje się dla betonu uproszczony wykres zależności odkształceń od naprężeń ściskających, zwany „parabolą madrycką” (Rys. 2). Widać na niej, że beton wcale nie niszczy się po osiągnięciu wytrzymałości na ściskanie, lecz odkształca się dalej plastycznie, praktycznie bez przyrostu naprężeń, zanim z jego powodu element żelbetowy ulegnie zniszczeniu. Najważniejsze w tym jest to, że proces ten jest rozłożony w czasie i wcale nie dzieje się szybko.

Rys. 1 – Wykres zależności sprężystych i plastycznych odkształceń Ɛ betonu od wielkości wywołanych w nim naprężeń ściskających Ϭ

Rys. 2 – Zwany „parabolą madrycką” uproszczony wykres zależności Ϭ-Ɛ, przyjęty w 1956 roku na sesji Europejskiego Komitetu Betonu w Madrycie

Bezpieczeństwo konstrukcji żelbetowych

Dla bezpieczeństwa konstrukcji żelbetowych plastyczność betonu ma istotne znaczenie praktyczne. Dzięki tej jego właściwości nie niszczą się one w sposób niesygnalizowany, lecz powiększającym się zarysowaniem lub narastającymi ugięciami odpowiednio wcześnie ostrzegają użytkowników przed możliwą katastrofą budowlaną.

Dzieje się tak również wtedy, gdy obciążenie – na przykład stropu żelbetowego (Fot. 3) – będzie większe od tego, które powinien on przenieść, czyli powiększonego współczynnikami bezpieczeństwa, przyjmowanymi podczas jego projektowania. Jest tak dlatego, że wykonane z betonu konstrukcje budowlane – także dzięki jego właściwościom sprężysto-plastycznym – w praktyce wykazują większą nośność niż by to wynikało z obliczeń projektowych.

Zobacz: Dlaczego w domach ze stropami żelbetowymi mieszkańcy mogą czuć się bezpiecznie?

Fot. 3 – Stropy żelbetowe mają zazwyczaj większą nośność niż wynikałoby to z obliczeń statycznych, co oczywiście nie oznacza, że można je dowolnie przeciążać

Dla mieszkańców – nie tylko domów jednorodzinnych (Fot. 4), ale i wielorodzinnych (Fot. 5) – jest to ważna wiadomość. Obecność konstrukcji żelbetowych daje im bowiem duże poczucie bezpieczeństwa. Nie tylko tego, które związane jest z codziennym użytkowaniem budynków, ale również w razie pożaru.

Zobacz: Dlaczego konstrukcje z betonu – bardziej niż z innych materiałów – są odporne na ogień?

Fot. 4 – Domom jednorodzinnym ze ścianami murowanymi szkielet żelbetowy zapewnia dużą sztywność i odporność na nierównomierne osiadanie gruntu pod fundamentami
Fot. 5 – W domach wielorodzinnych z poprawnie zaprojektowanymi i wykonanymi ścianami i stropami żelbetowymi mieszkańcy na pewno mogą czuć się bezpiecznie

Pewny beton z pewnego cementu

To, że beton jest wyjątkowo bezpiecznym materiałem budowlanym, nie znaczy oczywiście, że konstrukcje z niego można projektować i wykonywać byle jak, skoro on sam poradzi sobie nawet w razie znacznego przekroczenia ich nośności.

Poza wszystkim trzeba pamiętać, że taką właściwość mają tylko konstrukcje żelbetowe, które wykonane są zgodnie ze sztuką budowlaną i… z pewnego betonu. Po pierwsze – ich zbrojenie musi być właściwie zaprojektowane i poprawnie zmontowane. Jeszcze ważniejsza jest mieszanka betonowa, która musi być przygotowana zgodnie z recepturą, z pełnowartościowych składników – żwiru, piasku i wody, a przede wszystkim z pewnego cementu, wyprodukowanego w cementowni. Istotne jest także to, by była ona właściwie ułożona w deskowaniu, odpowiednio zagęszczona i starannie pielęgnowana przez pierwsze dni wiązania cementu i twardnienia betonu.

Zobacz: Dlaczego do budowy domu należy używać tylko pewnego cementu?

Z pewnością nie należy liczyć na to, że takie parametry techniczne będzie miał beton przygotowany z mieszanki cementowo-popiołowej, o najczęściej nieznanym składzie i parametrach niespełniających wymagań normy cementowej. W każdym razie żaden uczelniany lub resortowy instytut naukowy raczej nie prowadził badań laboratoryjnych, które miałyby to ewentualnie sprawdzić. Pomijając to, że nie wiadomo, kto takie prace miałby sfinansować, to ich sens byłby mocno dyskusyjny, skoro – z wielu powodów – do zrobienia betonu lepiej i bezpieczniej jest używać pewnego cementu, pochodzącego z cementowni.

Materiał promocyjny Stowarzyszenie Producentów Cementu

www.polskicement.pl      www.pewnycement.pl

Zobacz także
W dachach stromych z drewnianymi więźbami, krokwie są głównymi elementami nośnymi, na których układane jest...
Pompa ciepła to obecnie – nie tylko ze względów technicznych – najbardziej ekonomiczne urządzenie grzewcze. Nie...
Okna to zakup na długie lata, a nawet pokolenia, dlatego ich wybór nie powinien być podyktowany jedynie...
Fot. Fakro
Właściciele domu w holenderskim Roosendaal postanowili zaadoptować nieużywane poddasze. Ponieważ jeden z...