W niniejszym artykule skupimy się na materiale jakim jest beton i wytłumaczymy dlaczego jest to w stosunku do balkonów dostawnych materiał mający więcej wad niż zalet. Poniższy artykuł stanowi wprowadzenie do cyklu obszerniejszych i bardziej szczegółowych opisów własności fizycznych i chemicznych betonów.

Zalety betonu

Beton jest rodzajem materiału kompozytowego, czyli nie jest jednolitą substancją w rozumieniu chemicznym. Beton jest pewnego rodzaju mieszaniną (tak jak stopy metali są mieszaninami) heterogeniczną, czyli taką, że podczas analizy fizykochemicznej możemy rozdzielić poszczególne składniki betonu na części pierwsze. Według definicji podanych przez np. Małą encyklopedię techniki beton to mieszanina cementu, kruszywa (czyli piasku, żwiru, żużlu, tłuczenia). Betony zazwyczaj składają się z następujących składowych: cementu, który sam w sobie jest mieszaniną (spiek gipsu z glinami, wapieniem) pełniącą funkcję spoiwa mineralnego. Możemy zadać w tym miejscu pytanie: czym spoiwo jest? Otóż spoiwo wiąże w betonie ze sobą poszczególne części kruszywa, lub piasku, które pełnią rolę wypełnienia. Jako ciekawostkę dodajmy, że aktualnie do betonów dodaje się całą gamę substancji, które nadają betonom pożądane cechy fizykochemiczne: beton można barwić, ale i można dodawać plastyfikatory, oraz w zastosowaniu do elektrowni jądrowych związki ołowiu. Beton wzmacniany ołowiem jest nadzwyczaj ciężki, jednak stanowi bardzo dobrą ochronę przed promieniowaniem przenikliwym. Bardzo dobrym przykładem czym jest beton może być proces wyrabiania ciasta: mąką służąca jako wypełnienie, jajka i masło pełniące rolę spoiwa, przyprawy można przyrównać do plastyfikatorów. Betony dzielimy na: ciężkie o ciężarze objętościowym 2600 Kg/m3 do otrzymywania których stosuje się specjalne kruszywa takie jak baryty, betony zwykłe (2200 Kg/m3 – 2600 Kg/m3 ), oraz betony lekkie (o ciężarze objętościowym poniżej 1800 Kg/m3 ). Betony ciężkie są wytrzymalsze niż betony lekkie, a przy okazji charakteryzują się lepszymi parametrami nasiąkliwości i przepuszczalności (tj. beton ciężki przepuszcza mniej cieczy niż beton lekki).

Zasadniczo w tym momencie możemy nad zaletami betonu stosowanego w celach konstrukcji balkonów i wykończeń postawić kropkę. Beton pomimo, że jest najbardziej wszechstronnym materiałem budowlanym ma cały szereg wad, które powodują, że jest to materiał w zasadzie uciążliwy w obsłudze przez pracowników budowlanych.

Wady betonu

Pierwszą i zasadniczą wadą betonów jest bardzo długi czas wiązania. Czas wiązania determinuje ilościowo pewien proces chemiczny- tak jak we wspomnianym cieście pomiędzy związkami wapnia, czy krzemu zachodzą różnorakie przemiany powodując wytworzenie się swoistej szkieletowej a jednocześnie zwartej struktury. Beton wylewany jest na konstrukcje i formy konstrukcyjne w postaci quasi-cieczy (jest to pod względem fizycznym ciecz nienewtonowska), którą podczas procesu konstrukcji należy nieustannie mieszać w betoniarkach, a niektórych przykładach utrzymywać odpowiednią temperaturę co generuje dodatkowe koszta: transport gotowego betonu, lub przygotowywanie go na miejscu. Samo przygotowanie betonu to proces pozornie prosty: mieszanka betonowa powinna być odpowiednio dobrana do rodzaju budynku, rodzaju podłoża itd. Tego typu czynności potrafi wykonać tylko „zaprawiona w bojach” ekipa budowlana, do tego sam beton potrafi być bardzo kapryśny w zależności od parametrów mieszania, wspomnianej już wyżej temperatury: mogą pojawić się mikro pory, naruszenia struktury wewnętrznej. Ogólnie możemy stwierdzić, że beton to pod wieloma względami jedna wielka niewidoma, która zależy od bardzo wielu czynników. Odnośnie czasu wiązania betonu dodajmy jeszcze jedną istotną rzecz, mianowicie najpopularniejsze klasy betonów dostępne w handlu wymagają wzmacniania mechanicznego za pomocą procedur rydlowania, czy użycia elektrycznych wibratorów (ubijarek), co znowu podnosi koszta inwestycji. Ubijanie betonu jest rzeczą konieczną w sczególności rozpatrując elementy nośne budynku takie jak belki, fundamenty i ławy- beton ubijany powinien mieć niewielką nadwyżkę wody co wymaga kolejnego kosztownego projektowania odpowiedniego procesu, oraz testów. Ubijanie (które jest w żargonie nazywane również wibrowaniem ) betonu jest procesem, w którym świeżo naniesiony beton wprowadza się w stan drgający, który powoduje fizyczne układanie się kruszywa w odpowiedniej orientacji, z wypieraniem pęcherzyków powietrza i nadmiaru wody. Standardowe wibratory drgają z częstotliwością ok. 5000 drgań na minutę (833 Hz). W innym artykule podamy bardziej szczegółowe informacje, jednak jako przykład niech posłuży ilość cementu, oraz kruszywa na 1m3 betonu: W stosunku 1:3 potrzeba 415 kg cementu, oraz 1040 kg kruszywa. Idąc dalej na 1m3 betonu trójskładnikowego potrzeba (przy najprostszym stosunku 1:1.5:3) 350 kg cementu, 440 kg piasku, oraz 880 kg żwiru (nie liczymy w tej chwili wody).

Drugą z wad jakimi charakteryzuje się beton jest w zasadzie jego nie do końca wiadomy skład, problemu tego nie wykazują jednolite strukturalnie materiały takie jak na przykład belki aluminiowe stosowane w konstrukcji balkonów dostawnych, oraz prefabrykatów. Mieszanka betonowa kupiona od wiodącej firmy i owszem może spełniać swoją rolę i normy składu, jednak wszystko zależy od doboru i jakości materiałów powodując, że potencjalne problemy dla ekip budowlano- developerskich gwałtownie wzrastają. Zarówno piasek piaskowi nie jest równy, jak i użyta woda. Materiały nie mogą być na przykład zbyt sypkie (piasek), lub posiadać zbyt wielkich ziaren. Wspomniana woda również spełnia zasadniczą rolę: zazwyczaj używa się wody wodociągowej, a nawet deszczowej (!), co nie jest najlepszą praktyką- woda może zawierać rozpuszczone substancje chemiczne, które przez lata będą negatywnie wpływać na beton powodując korozję a w dalszej perspektywie jego uszkodzenie fizykochemiczne. Jeżeli woda jest złej jakości może przyczynić się do migracji na powierzchnię materiału substancji toksycznych. Jakość betonu zależy przede wszystkim od jakości i ilości użytego cementu, oraz od własności fizykochemicznych użytego kruszywa, oraz ilości użytej w procesie wody. Masa betonowa jest materiałem pod wieloma względami kapryśnym i nie zawsze pewnym: składniki powinny być tak dobrane aby beton w stanie swieżym wykazywał odpowiednią ciekłość i urabialność (czyli zdolność do dokładnego wypełnienia deskowania), a po stwardnieniu powinna wykazywać wymaganą do danego celu budowlanego wytrzymałość. Projektowanie masy betonowej, czyli określenie właściwych proporcji składników jakościowo i ilościowo jest procesem, który wymaga specjalistycznej wiedzy (inżynieria budowlana). Wytrzymałość betonu podajemy przez stosowanie wskaźnika cementowo- wodnego.

Trzecią wadą betonu jest jego wytrzymałość chemiczna. Ogólnie rzecz biorąc betony to kompozyty, które latami mogą wytrzymywać ogromne naprężenia, obciążenia mechaniczne, jednak w zależności od środowiska roboczego trzeba stosować specjalne wypełnienia, które zapobiegają korozji. Wystarczy zobaczyć betonowe wiadukty na obszarze Górnego Śląska w okolicach zakładów koksowniczych (emitujących agresywne chemicznie związki siarki takie jak tlenki, siarkowodór, związki azotu… ): są to konstrukcje żelazobetonowe, które w niektórych miejscach mają ewidentne ubytki struktury. Rzeczone ubytki pojawiają się poprzez zarówno odpadnięcie całych połaci pokrywy betonowej jak i odsłonięcia zbrojeń stalowych. Nie będzie wielką przesadą jeżeli powiemy, że tego typu wiadukty trzymają się „na słowo honoru” dzięki zbrojeniom właśnie. I tu dochodzimy do drugiej kwestii korozji- zniszczony beton odsłania elementy zbrojenia, które stają się łakomym kąskiem dla wszelkiego rodzaju czynników korodotwórczych w szczególności kwaśnych deszczy. Wymaga to bardzo częstych kontroli bezpieczeństwa i dokonywania in cito uzupełnień struktury co znowu generuje bardzo często ogromne koszta. Betony nie są odporne na działanie kwasów, w szczególności niszcząco wpływają: kwas solny HCl, siarkowy H2SO4, oraz kwas azotowy HNO3). Beton jest materiałem, który również nie jest odporny na działanie gazów spalinowych (np. w kotłowniach) ze względu na stosunkowo dużą zawartość w spalinach związków siarki, oraz olejów, tłuszczów, oraz wody morskiej. W przypadku wody morskiej, beton jest wymywany przez zawarte w wodzie morskiej związki magnezu i siarczanu wapnia, dlatego też budynki doków, suche doki musza być bardzo często kontrolowane. Ogólnie na beton działają bardzo agresywnie i niszcząco: sole amonu, chlorek wapniowy. Co zaskakujące istnym „niszczycielem” betonu jest… cukier, w szczególności melasa cukrowa. Fenole, kwas mlekowy, oraz siarczany niszczą bardzo szybko beton. W odniesieniu do siarczanów- niszczą one bardzo gwałtownie beton i zaprawy cementowe (zwiększenie objętości 2-3 krotne ). Na betonie „gołym” nie powinno się również wysypywać węgla kamiennego, koksu, a w szczególności torfu, flotu (przez lata okładzina betonowa może ulec niezauważalnym przemianom na skutek których wytrzymałość mechaniczna betonu drastycznie spada). W źle odwodnionych pomieszczeniach na poziomie podpiwnicza woda gruntowa w zależności od regionu może również wyrządzić ogromne szkody- na przykład wody gruntowe zawierające 0.2% tlenków siarki niszczą beton w ciągu kilku miesięcy powodując powstanie nawet kilkucentymetrowych wżerów.

Inne właściwości betonu

W przypadku betonu istnieje również zjawisko, którego pod względami bezpieczeństwa nie można pominąć: jest to kurcz betonu. Kurcz (lub skurcz) betonu jest zjawiskiem polegającym na tym, że w okresie czasu zmniejsza się stopniowo objętość masy betonowej wskutek wysychania przez lata struktury betonowej (oraz innych reakcji chemicznych takich jak dehydratacja, rozpad wody konstytucyjnej). Proces skurczu jest stosunkowo długi: wyraźne zmiany objętościowe są dostrzegalne po 4-7 latach od wylania betonu. Faza skurczu jest jednak najszybsza na początku (pierwsze miesiące i lata po wylaniu i formalnych zaschnięciu betonu) i maleje wraz z wiekiem struktury. Zjawisko skurczu zmniejsza się w ten sposób, że beton polewa się przez dłuższy czas wodą (kolejne straty względem ekonomicznym i ekologicznym!). Skurcz ustaje z chwilą gdy ustala się równowaga wilgotność betonu- wilgotność otoczenia. Skurcz betonu jest zjawiskiem niepożądanym (jednak nie dającym się uniknąć): beton wylany „na styk” w celach oszczędności może ulec tak drastycznemu skurczowi, że powstaną w jego strukturze naprężenia skurczowe, które są bardzo niebezpieczne dla całej konstrukcji budynku. Wspominaliśmy, że minimalizację procesu kurczenia betonu uzyskuje się polewając go wodą- w sensie technicznym odwrotny proces ma nazwę pęcznienia betonu i nie ma ten proces negatywnych konotacji. Jeżeli w ramach szkicu omawiamy własności techniczne betonu, to musimy wspomnieć również o zjawisku charakterystycznym dla wszystkich materiałów budowlanych, mianowicie o pełzaniu betonu. Pełzanie betonu (podobnie jak w elementach stalowych) jest zjawiskiem polegającym na długotrwałym obciążeniu materiału (w szczególności fundamenty, ściany nośne- czyli elementy konstrukcji, które przenoszą największe siły). Materiał przez lata ulega mniejszym, czy większym odkształceniom mechanicznym. Dlatego też jak wspominalismy przy betonie odpowiedni dobór składników ma znaczenie absolutnie krytyczne. Słabsze elementy, lżejsze betony charakteryzują się większym pełzaniem niż betony ciężkie. W celu wzmocnienia konstrukcji stosuje się wkładki w postaci stalowych prętów i wtedy taką konstrukcję nazywamy żelbetem. Stosowanie zbrojeń znacząco wzmacnia wytrzymałość konstrukcji, nawet gdy pewne elementy betonu ulegną uszkodzeniu, czy korozji, zmniejszają koszta konserwacji, oraz wybitnie zwiększają ognioodporność konstrukcji. Jednak konstrukcja żelazo- betonowa ma również i wady: pracochłonność, bardzo duże zużycie dodatkowych materiałów takich jak drewno do szłunków, konieczność trzymania żelbetu w formach wzmacniających (aż do stwardnienia materiału), oraz ze względu na użycie elementów stalowych zwiększa się przewodnictwo cieplne, jak i dźwiękowe konstrukcji.

Nawet bardzo dobrze przygotowana mieszanina betonowa a tym samym beton może ulec uszkodzeniom mechanicznym, oraz powierzchniowym: wystarczy zwrócić uwagę na kilkudziesięcioletnie (a nawet nasto letnie) blokowiska i domy. Źle poprowadzona rynna i odprowadzenie wody, w szczególności na obszarach przemysłowych i miejskich powoduje powstanie na ścianach betonowych i powierzchniach rdzawych i nieestetycznych zacieków, których usunięcie może być procesem karkołomnym. Wspomniane rdzawe zacieki to oczywiście nie wszystko- źle wentylowane i wilgotne piwnice mogą powodować powstanie na betonie krystalicznych nalotów migrujących związków wapnia a warto zaznaczyć, że tego typu zjawiska w sposób znaczący osłabiają strukturę betonu.

Do zasadniczych wad związanych z konstrukcjami betonowymi należy również sam czas potrzebny na postawienie konstrukcji. W pierwszym kroku najczęściej trzeba przygotować odpowiednie rusztowania, następnie szałunki, czy drewniane konstrukcje wzmacniające i chroniące wiążący się dopiero beton, którego wiązanie (proces w którym beton z postaci quasi- ciekłej staje się twardy i jednolity) bardzo często jest procesem długotrwałym. W pomieszczeniach nieraz trzeba stosować dogrzewanie słabej jeszcze struktury w której dopiero zachodzą zmiany fizykochemiczne. Jeżeli w kontekście betonu rozważamy balkony, to balkon betonowy jest uciążliwy dla otoczenia (tj. jego konstrukcja) wymagająca stosowania młotów udarowych, bardzo dokładnych planów, stosowania całego szeregu materiałów pomocniczych (o których wspominaliśmy wyżej), które bardzo często po wykonaniu konstrukcji są tracone bezpowrotnie a co za tym idzie: koszta konstrukcji rosną bardzo szybko. Wykonanie konstrukcji z betonu układanego na mokro (czyli z takim przypadkiem stykamy się najczęściej w technologii budowlanej) wymaga stosowania deskowania drewnianego, oraz rusztowań. W wielu przypadkach budowlanych drewno użyte do deskowania stosuje się tylko raz i po rozdeskowaniu nie nadaje się do ponownego użytku. Warto również wspomnieć, że budowa konstrukcji betonowych podczas mrozów może być szczególnie uciążliwa, ponieważ wymagane są specjalne środki zabezpieczające: zarówno w kontekście mechaniczno- cieplnym (fizycznym) jak i ewentualnych reakcji (chemicznym).

Aluminiowe balkony dostawne są pozbawione tych uciążliwych cech konstrukcyjnych o czym piszemy w osobnym artykule. Dodajmy też, iż samo doprowadzenie masy betonowej bywa zabiegiem karkołomnym i wymagającym stosowania dodatkowych konstrukcji i urządzeń takich jak dźwigi, rusztowania, czy potężne pompy do betonu. Aktualnie podczas budowy wysokich wieżowców (np. Burj Al.-Arab w Dubaju) stosowane są wysokowydajne systemy pomp do betonu, pozwalające na dostarczanie materiału roboczego na pożądaną wysokość, jednak koszta takich inwestycji stają się wręcz olbrzymie: powstaje konieczność stosowania całych systemów pomp wysokowydajnych, podstacji roboczych, oraz systemów odprowadzania nadmiaru powietrza i wytwarzania odpowiedniego nadciśnienia.

Beton ma jeszcze jedną zasadniczą wadę- w sensie izolacyjnym nie jest to najdoskonalszy materiał budowlany, działający jak olbrzymi radiator promieniowania podczerwonego (cieplnego), dopiero stosowanie odpowiedniej izolacji (a co za tym idzie: montaż plus kolejne koszta) znacząco ogranicza straty ciepła. Beton jest również materiałem nieprzepuszczalnym co jest jego ogromną zaletą jak i… ogromną wadą. W celu odpowiedniej wentylacji struktur betonowych trzeba stosować cały szereg rozwiązań takich jak folie drenażowe, odpływy, aby nie dopuścić do gromadzenia się wody w pomieszczeniach szczególnie mieszkalnych czy gospodarczych.

Rodzaje

Betony dostępne w handlu, zarówno te standardowe jak i specjalistyczne dzielą się na tak zwane marki jakościowe betonu, które określają wytrzymałość na ściskanie (w jednostkach Kg/m2 ) betonu. Pomiary ilościowo- jakościowe wykonywane są w sposób następujący: próbki betonów w kształcie walca (które uzyskano z różnymi proporcjami wody, kruszywa i cementu) o wymiarach 0.16m na 0.16m po 28 dniach poddaje się w temperaturze 288.15 K testem wytrzymałościowym (piszemy o tym w innym artykule). Mając na uwadze powyższe rozważania czytelnik może dojść do słusznego wniosku iż za każdym razem przed rozpoczęciem jakichkolwiek, nawet najmniejszych prac związanych z wylewaniem betonu należało by przeprowadzić opisane wyżej testy. Testy te standardowo generują ogromne nieraz koszty, oraz znaczne opóźnienia. Wspomnieliśmy też o czasie wiązania betonu- 28 dni, oznacza to, że podłoże betonowe, konstrukcja dopiero po tym czasie „pi razy oko” nadaje się do użytku, prac wykończeniowych, modyfikacji itd.

Betony pod względem mechanicznym są materiałami o niewielkiej odporności na rozciąganie (wytrzymałość ta waha się od 1/10 do 1/15 wytrzymałości betonu na ściskanie), z kolei wytrzymałość betonu na ścinanie to około 1/6 do ¼ wytrzymałości na rozciąganie. Beton jest zasadniczo odporny na działanie ognia o niewielkiej temperaturze, lub krótkotrwałych ekspozycji na wysoką temperaturę. Wytrzymałość betonu względem temperatury znowu zależy od użytego kruszywa- wypełnienia. Powyższe zdanie odnieśliśmy do standardowych betonów, gdzie używa się kruszywa kwarcowego (piasek), w celu uzyskania betonu ogniotrwałego stosuje się tłucznie bazaltowe.

Zastosowania i konstrukcje elementów betonowych

Omówmy pokrótce zastosowania i podstawy konstrukcji elementów betonowych. W naszym artykule skupiliśmy się na wadach betonu jako materiale konstrukcyjnym balkonów dostawnych. Beton jednak ma bardzo szerokie zastosowanie. Podstawowymi elementami konstrukcji betonowych są słupy, belki teowe, oraz płyty. Słupy są najczęściej powiązane z belkami, dlatego też są mimośrodowo ściskane. Belki są podstawowym elementem konstrukcji i mogą w zależności od potrzeby być zbrojone pojedynczo, podwójnie, lub potrójnie. Belka razem z płytami betonowymi stanowią struktury monolityczne. Wspomniane płyty są zbrojone krzyżowo, lub w jednym kierunku i są najczęściej rozpatrywane jako elementy nośne. W budownictwie beton stosuje się przede wszystkim do wylewania fundamentów wykonanych w postaci ław pod ścianami konstrukcyjnymi, lub jako stopy nośne słupów. W zależności od podłoża stosuje się różnorakie konstrukcje np. dla przyszłych fabryk fundamenty muszą wytrzymać długotrwałe obciążenia mechaniczne o zmiennej częstotliwości (obciążenia dynamiczne wywołane przez ruch maszyn). Innym zastosowaniem betonów są stropy, konstrukcje ramowe i szkieletowe stosowane w szczególności w budynkach wielokondygnacyjnych. Beton znajduje również zastosowanie w konstrukcji dachów żelbetowych, oraz kopuł. Na zakończenie akapitu podajmy jeszcze parę przykładów specjalnych zastosowań betonu: są to zbiorniki żelbetowe (silosy, zasobniki), maszty (w szczególności sieci energetycznej), mury oporowe, oraz oczywiście cała gama mostów (płytowe, belkowe, łukowe).

Podsumowanie

Beton jest pod wieloma względami cudownym materiałem, mającym ogromne zastosowanie w inżynierii, warto wspomnieć choćby ogromne konstrukcje wykonane z betonu i jego elementów. Jednak w tym tekście chcieliśmy pokazać, że beton to materiał nie zawsze idealny i nie nadający się do każdego projektu budowlanego, wymagający często dodatkowych inwestycji, których na pierwszy rzut oka nie widać.