Do czego w konstrukcjach żelbetowych stal jest potrzebna betonowi, a beton – stali?
Beton stosowany był już w starożytności i przygotowywano go wtedy z cementu, wytwarzanego między innymi z pyłu wulkanicznego. Nazywany jest sztucznym kamieniem i podobnie jak większość tych naturalnych, ma dużą wytrzymałość na ściskanie i małą – na rozciąganie.
Z powodu tych właściwości, kiedyś z betonu wykonywano przede wszystkim budowlane elementy ściskane – ściany, słupy i kolumny. Wprawdzie robiono z niego również belki, ale raczej niewielkiej rozpiętości i najczęściej o łukowym kształcie. Jeśli zdarzały się przykrycia budowli, były to sklepienia walcowe lub półkoliste kopuły, w których występują głównie naprężenia ściskające.
Nic zatem dziwnego, że pomysł, by betonowe elementy zginane wzmocnić – w tych strefach, w których są one rozciągane – niewielką liczbą stalowych prętów, zrewolucjonizował budownictwo.
Stało się to „zaledwie” sto kilkadziesiąt lat temu, a przecież trudno nam sobie wyobrazić istnienie budownictwa bez zbrojonego betonu, czyli żelbetu. I nie chodzi tylko o wieżowce, wielkie mosty czy duże obiekty przemysłowe, ale także o domy mieszkalne. Również te niewielkie, przeznaczone dla jednej rodziny (Fot. 1).
Fot. 1 – Taki monolityczny strop nad dwustanowiskowym garażem, w sposób ciągły połączony z belką i innymi stropami nad parterem, można wykonać jedynie z żelbetu
Żelbet jest klasycznym kompozytem, czyli materiałem powstałym z połączenia dwóch, różniących się od siebie właściwościami, składników. Każdy z nich ma w żelbecie do spełnienia własne zadania, ale dopiero współpracując ze sobą tworzą nową jakość. Dość powiedzieć, że żelbet jest jedynym budowlanym materiałem konstrukcyjnym, z którego można wykonywać budowle monolityczne, w których poszczególne elementy są ze sobą połączone w sposób ciągły, bez przegubów czy innych połączeń mechanicznych. Takich konstrukcji nie można zrobić na przykład ze stali czy drewna.
Nie da się jednak ukryć, że w konstrukcjach żelbetowych to beton gra główną rolę. To on nadaje kształt elementom żelbetowym i zapewnia im sztywność, a także ognioodporność. Stal, której objętościowo w takich konstrukcjach jest nie więcej niż 2-3%, jest w tym związku bardzo ważna, ale można by rzec, że pozostaje w cieniu betonu.
STAL – BETONOWI
To wszystko nie zmienia jednak faktu, że w konstrukcjach żelbetowych beton ogromnie dużo zawdzięcza stali. Wykonane z niej pręty – główne, rozdzielcze i strzemiona – przejmują w żelbetowych elementach konstrukcyjnych wszystkie naprężenia rozciągające, z którymi beton, mało pod tym względem wytrzymały, sam by sobie nie poradził. Dzięki zastosowaniu zbrojenia można nawet zwiększyć nośność słupów osiowo ściskanych, a więc takich, w których teoretycznie występują jedynie naprężenia ściskające, dobrze przenoszone przez beton.
Zbrojenie pełni też bardzo ważną rolę w ograniczaniu zarysowania, które w żelbetowych elementach zginanych jest zjawiskiem naturalnym – dopiero po pojawieniu się rys stal przejmuje w nich w pełni naprężenia rozciągające.
BETON – STALI
Nie znaczy to wcale, że beton nie ma nic stali do zaoferowania. W konstrukcjach żelbetowych wytwarza on na powierzchni prętów zbrojeniowych warstwę pasywną, która chroni je przed korozją. Jest to szczególnie ważne, gdy konstrukcje te mają kontakt z wodą lub wilgocią, który dla samego betonu nie tylko jest niegroźny, ale w takim środowisku poprawia on nawet swoje właściwości mechaniczne i trwałość.
Uwaga! Oczywiście antykorozyjną ochronę stali beton zapewni tylko wtedy, jeśli do wykonania jego mieszanki użyto pewnego cementu z cementowni oraz dobrej jakości pozostałych składników, czyli piasku, żwiru i wody. Beton zrobiony z pseudocementów, pochodzących z różnego rodzaju mieszalni, takich właściwości ochronnych miał nie będzie.
Beton, sam będąc odporny na działanie ognia, chroni też w pewnym zakresie pręty zbrojeniowe przed działaniem wysokich temperatur, w których „goła” stal znacznie się odkształca i szybko traci na wytrzymałości. Ma to ogromne znaczenie w razie wybuchu pożaru, gdyż żelbet w porównaniu z innymi materiałami konstrukcyjnymi zdecydowanie dłużej zachowuje swoje właściwości. Jest to szczególnie ważne dla bezpieczeństwa osób przebywających w zagrożonym obiekcie oraz spieszących im z pomocą służb ratowniczych.
By jednak beton mógł zapewnić stali ochronę zarówno przed korozją, jak i wysokimi temperaturami, pręty muszą być otoczone dookoła odpowiednio grubą jego warstwą, nazywaną otuliną zbrojenia. Dlatego trzeba zadbać, by w trakcie betonowania elementów pręty zbrojeniowe były we właściwej odległości od powierzchni deskowań. Do tego celu najlepiej służą plastikowe podkładki dystansowe (Fot. 2 i 3), stosowane podczas betonowania płyt i belek, a także innych elementów żelbetowych.
Fot. 2 – Plastikowe podkładki dystansowe, oddzielające dolne pręty od deskowania płyty żelbetowej, gwarantują odpowiednie otulenie zbrojenia betonem
Fot. 3 – Okrągłe podkładki dystansowe, nakładane w różnych miejscach na pręty, zapewniają właściwe otulenie betonem zbrojenia belek i ścian żelbetowych
WSPÓŁPRACA BETONU I STALI
Współpraca betonu i stali w konstrukcjach żelbetowych jest możliwa wyłącznie dzięki przyczepności obu tych materiałów. Najkrócej mówiąc – bez niej żelbet nie byłby żelbetem. To dzięki przyczepności rozciągany pręt zbrojeniowy może przenosić naprężenia rozciągające i nie daje się z betonu po prostu wyciągnąć.
W konstrukcjach żelbetowych na to trwałe połączenie betonu i prętów stalowych składa się wiele czynników. Jednym z nich jest wzajemne zazębianie się powierzchni obu materiałów. To dlatego pręty żebrowane mają około 1,5 raza lepszą przyczepność do betonu niż gładkie. Dobrze też, jeśli powierzchnia zbrojenia pokryta jest lekkim nalotem rdzy (Fot. 4). Natomiast w żadnym razie nie może być ona tłusta, zabrudzona – na przykład farbą olejną – lub silnie skorodowana, z płatkami łuszczącej się rdzy.
Fot. 4 – Dla przyczepności stali do betonu dobrze jest, jeśli pręty pokryte są lekkim nalotem rdzy; nie ma więc w tym nic złego, jeśli po przywiezieniu na budowę poleżą sobie kilka dni na świeżym powietrzu
Korzystnie na przyczepność wpływa także skurcz betonu, występujący w procesie jego wiązania. Zjawisko to, będące przyczyną szkodliwego pojawiania się rys w betonowanych elementach, zwłaszcza tych o dużej powierzchni i stosunkowo małej grubości (na przykład w wylewkach podłogowych), tu akurat działa pozytywnie. W wyniku skurczu następuje bowiem zaciskanie pręta w betonie.
Przyczepność wzrasta wraz z wiekiem betonu oraz jest większa w betonach wyższych klas. Ogromne znaczenie ma też tutaj jakość mieszanki betonowej, a przede wszystkim to, czy do jej przygotowania użyto cementu pochodzącego z pewnego źródła (czytaj: bezpośrednio z cementowni!).
Pozytywny wpływ na przyczepność ma także dokładne zagęszczenie betonu podczas jego układania, najlepiej przez wibrowanie mechaniczne, a także jego pielęgnacja w pierwszym okresie twardnienia.
Ważne jest też odpowiednie rozmieszczenie prętów zbrojenia w wykonywanym elemencie oraz zachowanie odległości między nimi, gwarantujących właściwe otulenie ich betonem.
Nie bez znaczenia jest też stopień zbrojenia, czyli stosunek jego przekroju do przekroju poprzecznego elementu żelbetowego – nie może być on ani za mały, ani za duży.
Dla dobrej przyczepności betonu i stali duże znaczenie ma też to, że oba te materiały mają bardzo podobny współczynnik rozszerzalności termicznej. Zmiany temperatury wywołują więc w nich jednakowe odkształcenia i przez to nie mają one wpływu na współpracę betonu i prętów zbrojeniowych.
* * *
Żelbet jest najtrwalszym i najbezpieczniejszym materiałem konstrukcyjnym, spośród stosowanych w budownictwie. Żeby jednak tak było, pręty zbrojeniowe muszą być rozmieszczone w elementach konstrukcji zgodnie z projektem, a ich powierzchnia odpowiednio grubo otulona betonem. Oczywiście tylko betonem wykonanym z pewnego cementu, w całości wyprodukowanego w cementowni!