Vyššie uvedená definícia sa v širšom význame týka nielen betónov do podláh, základov, liatych konštrukcií a pod., ale aj murovacích mált, omietok a ďalších. Práve tak budeme chápať pojem betón aj v tomto článku.
Najčastejšie spojivá
Najznámejším spojivom u nás je zrejme portlandský cement. Na jeho výrobu je potrebná najmä mletá granulovaná vysokopecná troska (MGVPS), elektrárenský popolček typu F (pop.-F) a C (pop.-C) a kremičitý úlet (KÚ), ich zastúpenie v portlandskom cemente (PC) znázorňujú príslušné bledomodré plochy v ternárnom diagrame na obr. 2. V blízkosti vrcholov trojuholníka je kremeň (SiO2), korund (Al2O3) alebo hematit (Fe2O3) a v poslednom vrchole je pálené vápno (CaO) alebo periklas (MgO).
Každý bod ternárneho diagramu predstavuje určitý typ cementu. Príkladom je puzolánový popol, čiže jemný piesočný sopečný popol, ktorý bol využívaný od staroveku ako hydraulické spojivo do mált a betónov. Chemicky je to vulkanický hlinitokremičitan, ktorý bol objavený už v dobách starého Ríma pri meste Pozzuoli na úbočí Vezuvu (Taliansko) a neskôr aj na iných miestach. Stavby, kde bol tento cement použitý sú napr. Rímske Koloseum, Pantheon a iné.
Popolček, používaný pri výrobe dnešného cementu, je anorganická splodina vznikajúca pri spaľovaní pevných, spravidla jemne mletých palív v uhoľných elektrárňach. Zachytáva sa z dymových plynov v mechanických a elektrických odlučovačoch. Pri výrobe betónu sa jedná o latentne hydraulickú prímes.
Ak pridáme do cementu vodu, každá zo zlúčenín v tab. 1 podstúpi hydratáciu a prispeje tým k výslednej kvalite betónu. Iba kremičitany vápnika prispievajú k pevnosti. Kremičitan trojvápenatý je zodpovedný za veľkú časť počiatočného stvrdnutia (prvých 7 dní). Kremičitan dvojvápenatý, ktorý reaguje pomalšie, prispieva len k pevnosti v neskoršej dobe.
Rovnicu hydratácie kremičitanu trojvápenatého v betóne možno zapísať ako:
Na pridanie vody reaguje tento kremičitan uvoľňovaním vápenatých iónov Ca2 +, hydroxylových iónov OH- a veľkého množstva tepla. Tiež pH rýchlo rastie k hodnote nad 12 (kvôli OH-). Intenzita tejto počiatočnej hydrolýzy však rýchlo klesá a s tým aj uvoľňované teplo.
Neskôr potom dochádza k tomu, že začína pomaly kryštalizovať hydroxid vápenatý a s ním i dvojkremičitan vápenatý. Ióny tvoria zrazeninu, čo ďalej urýchľuje rozklad kremičitanu trojvápenatého na vápenaté a hydroxylové ióny (podľa zákona akcie a reakcie). Pritom sa opäť uvoľňuje teplo.
Takto sa vysvetľuje vznik dvoch teplotných maxím, ktoré po namiešaní čerstvého betónu sprevádzajú reakcie (hydratáciu a kryštalizáciu) vedúcu k jeho stvrdnutiu. Možno tiež povedať, že pevné chemické väzby vo vápenci a kremeni, ktoré boli rozbité žiarom rotačnej pece pri výrobe slinku, sa v betóne obnovujú, betón tým tvrdne a pôvodne dodané teplo sa uvoľňuje.
Ďalšie často používané spojivá
Sadra a anhydrit. Okrem cementu poznáme aj ďalšie spojivá. Je to najmä anhydrit alebo sadra, hovoríme aj o anhydritových alebo sadrových betónoch či omietkach. Surovinou je v oboch prípadoch prírodný alebo elektrárenský sadrovec o chemickom zložení CaSO4•2H2O, teda dihydrát síranu vápenatého, ktorý možno tepelne previesť na sadru - hemihydrát CaSO4•1⁄2H2O alebo bezvodný anhydrit CaSO4, ktorý existuje v troch kryštalografických modifikáciách I, II a III . Dehydratácia sadrovca prebieha v týchto fázach:
• teplota 95 až 130 °C – sadrovec → hemihydrát
• teplota 150 až 230 °C – hemihydrát → A III
• teplota 400 až 700 °CA – III → A II
• teplota 800 °C – A II → A I
Chemicky stabilné sú len sadrovec a anhydrit II. Spojivovým materiálom, ktorý sa aktivuje pridaním vody, je potom hemihydrát alebo zmes hemihydrátu a anhydritu I a III. Asi najznámejšia je sadra na báze hemihydrátu, ktorá po zmiešaní s vodou veľmi rýchlo tvrdne pri uvoľnení veľkého množstva tepla, čo ľahko zaznamenáme dotykom. Opäť sa uvoľňuje teplo, ktoré sa spotrebovalo k rozkladu sadrovca, podobne ako to bolo u cementu. Ohriatie tuhnúcej sadry je nápadné preto, že prebieha v minútach, zatiaľ čo betón tvrdne až niekoľko dní.
Sorelov cement je menej známy. Pripravuje sa zmiešaním práškového oxidu horečnatého MgO (magnezitu) s vodným roztokom chloridu horečnatého, MgCl2. Tým vzniká zlúčenina 5Mg(OH)2•MgCl2•7H2O. Namiesto magnezitu možno použiť aj pálený dolomit, ktorý ale musí byť vypálený pri nižšej teplote, aby sa nerozložila jeho vápencová zložka, pretože oxid vápenatý (CaO) zhoršuje vlastnosti spojiva, najmä odolnosť proti vlhkosti. Sorelov cement vyniká pevnosťou, odolnosťou proti vlhkosti, objemovou stálosťou a dobrou afinitou k organickým materiálom, pri ktorých navyše výrazne zvyšuje požiarnu odolnosť. Nevýhodou je jeho chemická agresivita voči kovom, najmä oceli, na ktorej spôsobuje intenzívne koróziu. Využíva sa ako spojivo pre dosky s organickým plnivom, napríklad heraklitová dosky. Predtým sa používal na prípravu malty a stavebných tmelov.
Hasené vápno tiež zaraďujeme medzi spojivá. Jedná sa o čistý hydroxid vápenatý Ca(OH)2, ktorý dostaneme žíhaním (kalcináciou) vápenca CaCO3 pri teplotách nad 825°C podľa rovnice:
CaCO3 + teplo → CaO + CO2
Vzniknutý oxid vápenatý CaO sa potom „hasí“ vodou podľa rovnice:
CaO + H2O → Ca(OH)2
Na hasenie sa pri výrobe použije práve toľko vody, aby reakcia prebehla úplne a nebol prebytočný ani oxid vápenatý ani voda. Vzniknuté hasené vápno Ca(OH)2 je tak suché a možno ho pobaliť do vriec a expedovať.
Hydraulické vápno je spojivo iného druhu. Vzniká kalcináciou vápenca znečisteného ílom. Ílovité nečistoty obsahujú kremičitany, ktoré spôsobujú hydrauličnost vápna, čo je schopnosť "tvrdnúť aj pod vodou", presnejšie bez prístupu vzduchu. Popri tom tiež urýchľujú tvrdnutie.
Asfaltový betón je názov pre materiál vrchnej vrstvy ciest, diaľnic a iných pojazdných povrchov. Základnou charakteristikou je použitie asfaltu ako spojiva pre kamenivo. Spojivo pri vysokej teplote zaistí stmelenie zŕn kameniva, po položení, uvalcovaní a vychladnutí je možné vrstvu užívať. Ohriatím možno vrstvu znova spracovať.
Vplyv betónu na životné prostredie
Podrobný pohľad na problematiku vplyvu rôznych ľudských činností na životné prostredie ukazuje, že výroba cementu patrí k vôbec najčistejším ľudským aktivitám. Porovnávacím kritériom môže byť tzv. emisný faktor, čo je emisia, ktorá vznikne pri spaľovaní napr. jednej tony paliva a vyjadruje sa v gramoch škodliviny na tonu spáleného paliva. Odvetvie výroby cementu možno takto porovnať napríklad s elektrárenstvom, strojárstvom, dopravou, poľnohospodárstvom, potravinárstvom alebo prevádzkou domácností.
Iným kritériom je podiel daného hospodárskeho odvetvia, v našom prípade cementárske, na celkovom znečistení danou škodlivinou či súhrnom škodlivín viď tab. 3.
Skleníkový efekt
Pri výrobe cementu uniká do ovzdušia množstvo oxidu uhličitého CO2 v dôsledku kalcinácie vápenca CaCO3 alebo dolomitu CaMg(CO3)2. To samozrejme vyvoláva otázku nad klimatickou zmenou. Otázku, ktorá je často umocňovaná tým, že sa z ochrany klímy stala politická téma, ktorá veľakrát vylučuje vecnú diskusiu a hľadanie správnych riešení. Pohľadov na klimatickú zmenu či globálne otepľovanie a oxid uhličitý je však viac.
V časopisu Stavebnictví a interiér som kedysi uviedol: "Bilióny dolárov, ktoré politici po svete vyzbierali od daňových poplatníkov a vložili do dokazovania globálneho otepľovania, boli utratené, ale žiadny dôkaz sa nekonal. Nikto nedostal Nobelovu cenu a nevznikol ani fyzikálny model, ktorý by globálne otepľovanie rozumne predpovedal a navrhol riešenie, ako sa mu vyhnúť. Nájsť však možno fakty, ktoré vplyv emisií CO2 na globálne otepľovanie vyvracajú. Skutočnosti, ktoré ukazujú, že prilievaním skleníkového plynu do atmosféry sa zmenšuje jej schopnosť izolovať."
Molekuly skleníkových plynov totiž tepelné žiarenie od Zeme neodrážajú. Odrážať môže len súvislý lesklý kovový povrch, čo atmosféra nie je. Zemské sálanie tak môže skleníkové plyny iba pohltiť a takto získanú energiu následne odovzdávať okolitým molekulám (hlavne kyslíku O2 a dusíku N2) alebo ich vyžarovať nadol k Zemi a do vesmíru. Toto vyžarovanie je ale úplne iné, než to zemské. Najmä má oveľa nižšiu teplotu (hlboko pod 0 °C), takže na Zemi pôsobí skôr chladivo.
Inými slovami: skleníkové plyny, medzi ktoré patrí aj CO2 a ktorý vzniká pri výrobe cementu, vytvárajú teplotu atmosféry vo vyšších vrstvách vysielajúcu k Zemi vlastné tepelné žiarenie v nízkej teplote, pôsobiace chladivo. Sálajú aj opačným smerom do vesmíru, čo je nekonečný priestor v teplote cca –270 °C. Je možné teda povedať, že skleníkové plyny vytvárajú okolo Zeme sálavú vrstvu, ktorá Zem chráni pred pôsobením chladného vesmíru a ktorá zároveň „vie“ odsálať veľké množstvo energie priamo do vesmíru, vrátane energie skupenského tepla vodnej páry odparovanej z oceánov. Čo kyslík a dusík nedokážu. Tým sú vyššie vrstvy troposféry a celá planéta účinne chladené na stabilizovanej teplotnej hladine.
V zásade sa tak netreba báť ani toho, keby sa priemysel "odtrhol z reťaze" a spálil všetky ložiská uhlia, vyťažil všetky vápence a dolomity a všetok v nich viazaný uhlík vpustil v podobe CO2 do atmosféry. Následkom by totiž bolo iba to, že by sme sa ocitli v podmienkach, aké tu boli, keď začal na planéte pučať život. V atmosfére by bol zhruba dvakrát vyšší obsah oxidu uhličitého a kyslíku asi o dve percentá menej ako dnes. To bezpečne zvláda či už človek, tak aj živočíchy, ktoré tu žijú.
Súvisiace články:
Betón so samoregeneračnými schopnosťami
Recyklovaný betón - český príspevok cirkulárnej ekonomike
