Betony lekkie - rys historyczny

Betonem lekkim, zgodnie z określeniem podanym w normie PN-91/B-06263, nazywa się beton o gęstości objętościowej w stanie suchym nie większej niż 2000 kg/m³, wykonany z cementu, cementu lekkiego, wody oraz innych dodatków modyfikujących jego właściwości.

Lekkie betony z kruszywem porowatym były znane już w starożytności. Wykonywano je głównie z pumeksu naturalnego i innych porowatych skał pochodzenia wulkanicznego. Grecy i Rzymianie znali wiążące właściwości niektórych złóż wulkanicznych, kruszywo otrzymane z tych złóż poddawano drobnemu zmieleniu i mieszano z wapnem i piaskiem otrzymując beton o znacznej wytrzymałości i odporności na działanie wody słodkiej i morskiej. Do dnia dzisiejszego zachowały się budowle sprzed naszej ery posiadające elementy konstrukcyjne z lekkiego betonu. Przykładami mogą być konstrukcje na greckiej wyspie Santorino, rzymski Panteon (budowla sprzed około 1900 lat) wykonany z betonu tufowego i pucolanowego, gdzie nie tylko ściany ale także 37.2 metrowej rozpiętości sklepienie wykonano z betonu zawierającego pumeks i pucolanę. Wiele stojących do dzisiejszego dnia budowli w dawnej Armenii wykonano z lekkiego  drobnoziarnistego betonu pumeksowego.

W starożytności lekki beton stosowano również w konstrukcjach wodnych, do kanałów itp., gdyż materiał ten wykazywał zdolność twardnienia nie tylko na powietrzu, lecz i pod wodą. W Kolonii nad Renem, mieście należącym kiedyś do rzymskich kolonii, zachował się z tych czasów kanał wodociągowy, wykonany z miejscowych tufów. W starożytności, średniowieczu oraz w czasach nowożytnych do końca XIX wieku lekkie betony wykonywano z materiałów miejscowych. W pierwszej połowie XIX wieku uruchomiono na szerszą skalę w Niemczech produkcję materiałów budowlanych, wykorzystując złoża nadreńskiego trasu, a w początkach bieżącego stulecia zaczęto stosować lekkie betony z żużla wielkopiecowego. Na okres ten przypadają także pierwsze próby wytwarzania betonu jamistego, które początkowo niepowiodły się ze względu na niedostateczne opanowanie technologii produkcji. Równocześnie rozpoczęto w różnych krajach próby otrzymania materiału porowatego, stosując odpowiednie środki chemiczne, których zadaniem było wywołanie spulchnienia mas betonowych. Pierwsze pozytywne próby osiągnęli Szwedzi - Kreuger i Erikson - w roku 1910, dodając do zaprawy cementowej sproszkowany cynk, co spowodowało wydzielenie się wodoru wywołującego spulchnienie. Początkowo nie potrafiono regulować prędkości wydzielania się gazu, dlatego też otrzymywano materiał gąbczasty (z niezamkniętymi porami), a nie komórkowy, był to jednak pierwszy gazobeton zastosowany w praktyce. W 1923 roku uzyskano w Danii beton komórkowy spulchniając masę betonową przez dodanie do niej trwałej, oddzielnie przygotowanej piany, wynalazek ten zapoczątkował produkcję pianobetonu. Betony komórkowe rozpowszechniły się w budownictwie szczególnie w okresie przed drugą wojną światową, przede wszystkim w Szwecji i Niemczech, a po wojnie i w wielu innych krajach.

Lekki beton stosowany jest na dużą skalę nie tylko w budownictwie lądowym, lecz również w budownictwie okrętowym rys 1.1. Do interesujących realizacji na tym polu należy budowa kadłubów dwóch pełnomorskich statków z betonu lekkiego z kruszywa spiekanego wg patentu Hayda (1918r. który to patent zapoczątkował rozwój kruszyw lekkich z materiałów innych niż naturalne). W okresie międzywojennym  wybudowano kilkaset różnorodnych statków w krajach Europy Zachodniej i w ZSRR oraz wielkie okręty morskie w USA. Podczas drugiej wojny światowej  w USA wybudowano ponad 1000 okrętów żelbetowych różnej wielkości, przeważnie oceanicznych frachtowców i pływających doków o wyporności do 10 900 ton. Użyto betonu o gęstości objętościowej poniżej 1800 kg/m³, z lekkim kruszywem sztucznym, otrzymanym z wulkanicznej gliny z domieszką piasku kwarcowego.

Najbardziej znane, pierwsze zastosowanie betonu lekkiego do celów konstrukcyjnych w budownictwie miało miejsce w 1928 roku do nadbudowy ośmiu dodatkowych pięter w wieżowcu Bell Telephone Company w Kansas City. W rok później wybudowano 28-piętrowy wieżowiec Park Plaza Hotel w St. Louis, w którym cała konstrukcja i stropy zostały wykonane z betonu lekkiego kruszywowego.

W Polsce nie posiadającej prawie żadnych naturalnych lekkich kruszyw porowatych, początki stosowania betonów lekkich przypadają na okres, gdy rozwój hutnictwa umożliwił wykorzystanie kruszywa żużlowego. Żużel używano do produkcji betonu już w drugiej połowie XIX wieku. W Polsce produkowano w tym czasie w niewielkich ilościach w Hucie Florian pumeks hutniczy pod nazwą "Termozyt". W czasie prac remontowych w gmachu głównym Politechniki Warszawskiej natrafiono na partie żużlobetonu w stropach drugiego piętra, także podczas remontu Hotelu Bristol w Warszawie stwierdzono obecność żużlobetonu. Oba budynki budowane były w latach 1896 - 1904. W okresie międzywojennym zainteresowanie kruszywami lekkimi sukcesywnie wzrastało. W latach dwudziestych bieżącego stulecia zastosowano pianobeton gipsowy (tzw. porowiec) do wyrobu płyt, z których wykonano ściany działowe w gmachu Banku Rolnego oraz w gmachach Dyrekcji Kolejowej w Warszawie. Rok 1928 przyniósł pierwsze zastosowanie w Polsce pianobetonu cementowego pod nazwą „Celolit” wyrabianego według licencji duńskiej. Z bloków tych wykonano ściany zewnętrzne dwóch piętrowych budynków na Saskiej Kępie w Warszawie, niestety po kilku latach na ścianach zewnętrznych pojawiło się wiele rys. Pierwszy budynek z gazobetonu wykonano w Warszawie przy zbiegu ulic Hożej i Chałbińskiego. Był to niewielki dom o 2 kondygnacjach. Budynek ten w czasie dużych mrozów w styczniu i lutym 1929r. wykazał dostateczną ciepłochłonność, jednak potem wskutek skurczu tak popękał, że w ścianach powstało dużo rys. W 1930 r. zastosowano gazobeton zbrojony do wyrobu płyt nośnych w gmachu YMCA w Warszawie, a w 1931 i 1932 wzniesiono z pianobetonu pensjonat i dom mieszkalny w Konstancinie pod Warszawą.

Ze względu na trudności przy produkcji oraz wiele nieudanych doświadczeń pianobetony i gazobetony nie przyjęły się u nas przed drugą wojną światową. Jedynie w sporadycznych przypadkach zastosowano pianobeton jako materiał izolacyjny do ścian utworzonych z kilku warstw pionowych, np. w budynku Gazowni Miejskiej w Warszawie przy ulicy Ludnej wzniesionym  w 1938 r.

Właściwy rozwój i zastosowanie kruszyw lekkich w budownictwie nastąpiło dopiero po drugiej wojnie światowej. W pierwszej kolejności dotyczyło to kruszyw z surowców odpadowych, takich jak gruz ceglany, żużel paleniskowy oraz żużel wielkopiecowy granulowany. Produkcja gruzobetonu rozwinęła się wskutek zniszczeń wojennych. Betony te były szeroko stosowane, szczególnie przy odbudowie Warszawy, w postaci elementów prefabrykowanych zbrojonych i niezbrojonych. Z czasem zwiększyło się zainteresowanie kruszywami spiekanymi, które pomimo większego kosztu produkcji, pozwoliły na znaczne rozszerzenie zakresu zastosowania, od drobnowymiarowych do wielkopłytowych i konstrukcyjnych elementów budowlanych. W Polsce obok produkcji pumeksu hutniczego, żużla granulowanego i żużla paleniskowego w latach 60-tych i 70-tych uruchomiono trzy wytwórnie keramzytu, łupkoporytu oraz kilka małych zakładów glinoporytu i spiekanych popiołów lotnych - czyli popiołoporytu.

Betony lekkie kruszywowe znalazły szerokie zastosowanie na świecie, w szczególności do wznoszenia budynków wysokich. Największe budowle światowe wykonane z betonów lekkich kruszywowych to: dwa 60-piętrowe bliźniacze wieżowce Marina City Tower w Chicago rys. 1.3, zaliczane do jednych z najbardziej smukłych konstrukcji tego typu. One Shell Plaza w Houston oraz Water Tower Plaza w Chicago, jest to 70-piętrowy wieżowiec, uznany za najwyższy budynek z betonu lekkiego. W Europie Zachodniej największym i orginalnym w kształcie 20-piętrowy budynek firmy BMW w Monachium oraz skocznia w Oberrsdorfie, czy też most nad Renem w Feuchlingen koło Kolonii. Innymi przykładami mogą być 26-piętrowe bloki mieszkalne przy prospekcie Kalinina w Moskwie, 50-kondygnacyjny budynek na Australia Square o powierzchni 95 700 m², wysokości 184 m (użyty beton lekki miał wytrzymałość 32 MPa i gęstości objętościowej 1730 kg/m³). Powstało też dużo konstrukcji mostów - łączna ich liczba do 1985 roku, biorąc pod uwagę Amerykę, Europę Zachodnią i były ZSRR wynosi  400 sztuk, rys1.4.

W Polsce od lat 60-tych betony lekkie kruszywowe szeroko stosowano do wytwarzania wielkiej płyty w konstrukcjach monolitycznych stropów, podciągów słupów w wysokich budynkach biurowych, mieszkalnych, hotelach, szpitalach i innych użyteczności publicznej. Przykładami mogą być "Osiedle Młodych" w Gdańsku - Oliwie (19 budynków 5-kondygnacyjnych), 18-kondygnacyjny budynek usługowo-mieszkalny w Gdańsku - Wrzeszczu, budynki 5, 11-kondygancyjne na osiedlach Bródno, sadyba w Warszawie oraz wiele innych osiedli rys. 1.5, a także hale produkcyjne. Wykonywano także nadbudówki na istniejących konstrukcjach. Z betonu o wytrzymałości powyżej 35 MPa  wykonywano ramy przykryć łupinowych, płyty mostowe.

Najbardziej rozpowszechnioną technologią była produkcja wielkopłytowych elementów ścian zewnętrznych i wewnętrznych w fabrykach domów (w Biziu Zamęckim, Żorach, Pszczynie, Faelbet na Żeraniu oraz na Służewcu w Warszawie). Elementy wykonywane w tych fabrykach były wytwarzane z kilku typów betonów lekkich, najczęściej były to betony z łupkoporytu, keramzytu, pumeksu hutniczego oraz glinoporytu.

Rozwój dziedziny betonów lekkich następuje w wyniku opracowywania nowych technologii lekkich kruszyw, między innymi kruszywa Pollytag, Pregran wykorzystujące popioły lotne.

Obserwuje się znaczny wzrost produkcji kruszyw lekkich który związany jest z rozszerzeniem zakresu stosowania betonów z kruszyw lekkich - od elementów drobnowymiarowych i wielkopłytowych dla budownictwa mieszkaniowego, ogólnego i przemysłowego, także do obiektów inżynierskich np.: budowy mostów oraz obiektów specjalnych w systemach monolitycznych. Betony z lekkich kruszyw cechuje bardzo mały współczynnik przewodności cieplnej l co w związku ze wzrastającymi cenami za energię cieplną daje znaczne oszczędności podczas eksploatacji budynków. Drugą bardzo ważną cechą wpływającą na wzrost zainteresowania betonami z kruszyw lekkich jest ich mała gęstość objętościowa g, która ma wpływ na masę elementu, a więc zmniejsza nakłady energetyczne w czasie budowy oraz ułatwia wznoszenie obiektów.