Građevinski materijali i zanimljivosti

Građevinarstvo je široka inženjerska disciplina planiranja, projektovanja, gradnje, održavanja, upravljanja i jedna od najvažnijih grana industrije. Može se reći i da je civilizacijski napredak otpočeo izgradnjom infrastrukture, građevina za kontrolu vodotokova, objekata za život…

Od svojih početaka, ova grana industrije mnogo je napredovala. To se može videti i po materijalima koji su se koristili nekada, a danas je građevinarima na raspolaganju čitava paleta modernih materijala, a pored već dostupnih, naučnici i dalje istražuju i eksperimentišu kako bi materijale unapredili.

Prema nameni, materijali u građevinarstvu se dele na konstruktivne (kamen, opeka, beton, armirani beton, čelik, drvo…), vezivne (gips, cement, smola…), izolacione (bitumen, plastika, staklo, mineralna i staklena vuna, stiropor…), materijale za oblaganje (drvo, kamen, keramičke pločice…), instalacione materijale (instalacije kao što su vodovod, kanalizacija, centralno grejanje, električne i mnoge druge).

Prema poreklu, materijali se dele na prirodne (drvo, kamen, pesak, šljunak, glina) i na veštačke (kreč, gips, cement, malter, beton…). Veštački materijali su oni koji se ne mogu naći u prirodi, već se dobijaju posebnim tehnološkim postupcima.

Drvo je prirodni građevinski materijal i njegove pozitivne osobine su: velika čvrstoća u poređenju sa malom težinom, niska toplotna provodljivost i laka mašinska obrada.

Kamen je, pored drveta, jedan od najstarijih građevinskih materijala. Koristio ga je i praistorijski čovek. Građevine od kamena stare su nekoliko hiljada godina. U prirodi se nalazi u velikim količinama i u građevini se koristi kao obrađen i neobrađen.

Iako su građevine od drveta i kamena vizuelno najlepše, i govorimo o prirodnim materijalima - ipak su veštački materijali od XIX veka u građevinarstvu prevladali u upotrebi. Prvo zbog novih konstrukcijskih mogućnosti, a drugo zbog isplativosti.

U ovom tekstu fokus ćemo staviti na beton, zato što je od svih materijala on najkorišćeniji i puno novih otkrića i zanimljivosti vezano je za ovaj materijal. Od početka svog korišćenja do danas, možemo reći da je najviše “evoluirao”.

Beton je omogućio bržu, jeftiniju i sigurnu izgradnju, naročito stambenih zgrada, u vremenu kada je u mnogim zemljama trebalo izgraditi puno stambenih jedinica, uključujući i nekadašnju Jugoslaviju.
Beton je građevinski materijal koji se pravi uglavnom od cementa, agregata (uglavnom šljunak i pesak) i vode. Beton očvršćava posle mešanja i ugrađivanja, usled hemijskog procesa koji se naziva hidratacija. Voda reaguje sa cementom, koji očvršćava i tako povezuje ostale komponente u smeši, tako da na kraju dobijamo tvrd „kameni“ materijal. Prema podacima, proizvodnja betona je oko 6 milijardi kubnih metara godišnje, što znači oko kubnog metra po jednom stanovniku planete.

Istorija

Još su Asirci i Vavilonci koristili glinu kao vezivno sredstvo za njihov beton. Osobine betona su se promenile još kako su Rimljani i Egipćani otkrili da se dodavanjem vulkanskog pepela betonskoj mešavini on može održati i pod vodom. Po nekim istraživanjima, Rimljani su znali da se dodavanjem konjske dlake beton manje skuplja pri hidrataciji, tj. očvršćavanju kao i da je dodavanjem krvi beton bio otporniji na mraz. Tek u XIX veku je pronađen idealni sastav betona. Danas se u istraživačkim centrima širom sveta, dodavanjem određenih dodataka i u određenoj meri, dobija ekstremno jak beton, veoma dobrih karakteristika.

Cement određuje kvalitet betona, agregat utiče na ugradivost istog, voda je neophodna za hidrataciju, aditivi koji se dodaju do 5% mase cementa utiču na jednu ili više karakteristika.

Britanski inženjer Džon Smiton (John Smeaton) prvi je, 1756. godine zamešao cement sa šljunkom i šljakom (opeka u prahu). Ubrzo su i drugi pronalazači počeli aktivnije da eksperimentišu sa istim sastojcima i već 1824. godine Džozef Apdin (Joseph Aspdin) pronalazi konačnu formulu. Nastaje proizvod koji pod istim imenom i danas čini osnovu industrije betona – portland cement (ime dobio po cenjenom građevinskom kamenu). Portland cement karakteriše srazmerno konstantan hemijski sastav i to: CaO (vezan) 62-67%, MgO najviše 5%, SiO219-25%, Fe2O3 1-5%, SO3 3-4%, Al2O3 2-8%,CaO (nevezan) najviše 2%, alkalije (Na2O i K2O) 0,5-1,3%.

Čvrstoća i armirani beton

Beton poseduje relativno veliku čvrstoću na pritisak, i jako malu na zatezanje koja iznosi oko 10% čvrstoće na pritisak. Praktično rešenje ovog problema je postavljanje čelika (armature) u zonama zatezanja betonskog elementa. Tako imamo da je najčešće upotrebljavani beton u konstrukcijama upravo armirani beton. Armiranje betona se izvodi čeličnim šipkama, mrežama zavarenih šipki. Beton takođe može biti prednapregnut čeličnim kablovima unutar preseka betonskog elementa ili izvan, pa dobijamo elemente koji mogu da savladaju veće raspone.

Po nekim podacima 1845. godine, Žozef-Lui Lambo (Joseph-Louis Lambot), se smatra izumiteljem armiranog betona, zato što je koristio žicu i malter da napravi rezervoare i sadilice za pomorandže. 1867. godine, Žozef Monije (Joseph Monier) je predložio sistem pokretnih cevi ili posuda od gvožđa i cementa, za upotrebu u hortikulturi.

Prema drugim podacima, godine 1855. francuz Lambo izložio je na pariskoj izložbi čamac od armiranog betona koji je činila žičana mreža obmotana cementnim malterom i smatra se pronalazačem armiranog betona. Tek posle sto godina, na proslavi upriličenoj povodom jubileja armiranog betona, priznat je kao njegov pronalazač, a 1892. godine, François Hennebique napravio je patent zbog kojeg se smatra izumiteljem armiranog betona i na svetskoj izložbi 1900. godine o njemu se govorilo kao o najvažnijem izvođaču javnih radova od armiranog betona.

Prednapregnuti beton i rešenja Branka Žeželja

Od 1897. godine, armirani beton i njegove tehnike su bile deo nastavnog plana u fracuskoj građevinskoj školi Ecole des Ponts et Chaussées. Među budućim građevinskim inženjerima koji su pohađali te kurseve, podaci iz nekoliko izvora “govore” da je među njima bio Judžin Frejsine (Eugène Freyssinet), pronalazač prednapregnutog betona, koji je patentiran 1929. godine.

Sigurni podaci iz svih domaćih i stranih izvora govore o Branku Žeželju (Benkovac, 14. mart 1910. — Beograd, 20. februar 1995.) građevinskom inženjeru, konstruktoru i inovatoru, akademiku, profesoru univerziteta, članu Srpske akademije nauka i umetnosti, dobitniku najviših domaćih i međunarodnih priznanja, kao čoveku koji je ukrotio beton.
Kao profesor održavao je nastavu na postdiplomskim studijama na Građevinskom fakultetu Univerziteta u Beogradu. Bio je gostujući predavač na međunarodnim kongresima i drugim skupovima, na univerzitetima u Londonu, Moskvi, Njujorku, Kijevu, Milanu, Parizu, Pragu, Rimu, Atini, Budimpešti, Sofiji, Havani…

Žeželj je protagonista primene prednapregnutog betona i osnivač eksperimentalne stanice za prednapregnuti beton u Jugoslaviji. Radio je na razvijanju zamisli izgradnje velikih grednih mostova bez upotrebe skele.
„Beton ima svoje ćudi, propinje se, otima se, ne da se. Ali je vaše da ga zaustavite, da ga pokorite, da sve bude kako vi hoćete i da doživite ono što doživi vešti konjanik u sedlu: fini osjećaj ugodnosti i superiornosti...“, govorio je Žeželj.

Patentirao je i zaštitio više originalnih rešenja, kao što su: Prefabrikovana skeletna konstrukcija od prednapregnutog betona, Uređaj za ukotvljavanje čeličnih žica kod prednaprezanja betonskih elemenata, Postupak za betoniranje grednih mostova bez upotrebe skele, Postupak za proizvodnju okruglih betonskih stubova...

Zaštita navedenih patenata važi u Srbiji i mnogim drugim državama. Dao je oko 30 originalnih patentiranih rešenja i projektovao preko 60 objekata. Uz arhitekte Milorada Pantovića i inženjera Milana Krstića projektovao je Beogradski sajam, čija je Hala 1 sa kupolom raspona 97,5 metara 1957. godine izgrađena do tada neprimenjenim tehnikama prethodne fabrikacije, uz upotrebu prenapregnutog betona.
Branko Žeželj je poznat po mostovima, bio je veliki projektant i konstruktor mostova od armiranog i prednapregnutog betona. Žeželjev most u Novom Sadu – po rasponu velikog luka od 211 metara i svrstan među najveće lučne betonske mostove sveta koji se koriste za železnički saobraćaj i pri čijoj gradnji je prvi put primenjeno tzv. prednaprezanje zemljišta korišćenjem snažnih hidrauličkih presa uz posebno smišljen sistem betonskih klinova, srušen je na veliku žalost tokom bombardovanja 1999. godine ali i dalje je u upotrebi Žeželjev most preko Tise kod Titela, građen od 1956. do 1958. godine i bio je prvi most velikog raspona od prednapregnutog betona – za to vreme po dimenzijama rekorder u svetu. Kasnije su prema Žeželjevoj tehnologiji građeni brojni značajni mostovi širom sveta.

Navedena originalna rešenja Branka Žeželja na kongresu svetskog udruženja za prednaprezanje (FIP) koji je održan u Rimu 1960. godine, proglašena su za izuzetne novine u građenju mostova.

Krajem osamdesetih godina prošlog veka su se pojavili betoni visokih performansi kao što su betoni ultra-visokih performansi, vlaknima ojačani betoni - pojavila se, jednostavno rečeno, čitava paleta betona.
Jedna od tehnika je izlivanje betona u tekstilne oplate. Ova tehnika uključuje sipanje cementa u tekstilni kalup koji se obično nalazi u drvenom okviru. Tehniku su prvi koristili na Univerzitetu u Manitobi u okviru Centra za arhitektonske konstrukcije i tehnologiju (CAST - University of Manitoba's Centre for Architectural Structures and Technology) i švajcarski inžinjer 20. veka Hajnc Izler (Heinz Isler), koji ga je koristio u okviru svog rada u razvoju super-tankih betonskih omotača zgrada.

Tekstilni beton

Zbog velike godišnje potrošnje betona i potrebe za štednjom prirodnih resursa, naučnici su dugo pokušavali da nađu rešenje kako da u građevine ugrađuju što manje betona. Jedno od rešenja je tekstilni beton. Za armirani beton je potrebno 8 do 9 centimetara betona da bi se zaštitio od rđe, a sa tekstilnim betonom debljina se smanjuje na dva do tri centimetra. Tekstilni beton se ne sastoji od tekstila kakav nam je poznat, već se za stabilizovanje betona koriste vlakna od karbona, koja se proizvode od ugljenika ili od stakla.

Na Univerzitetu u Drezdenu uspeli su da naprave ovakav beton. Profesor Majnfred Kurbah sa Univerziteta u Drezdenu objašnjavao je za Dojče Vele da su ugljenična vlakna isuviše meka da bi ih dodavali direktno u beton. Pošto ih povežu, mora im se dodati presvlaka kako bi se učvrstili. Povezanim vlaknima daje se maksimalna zategnutost kao bi se dobro pokazala unutar betona. Kombinuje se više od 50 000 niti i na taj način nastaje predivo koje se obrađuje na automatskom razboju i dobija se mreža.

Naučnici zatim mreži dodaju još jedan sloj i to povećava stabilnost. Mreža se ugrađuje u tečni beton koji posle mora da se stvrdne. Tektsilni beton je materijal napravljen od betona fine granulacije i visoko otpornih vlakana. Po testovima koji su rađeni, pokazalo se da je tekstilni beton 6 puta čvršći od standardnog. Po mišljenju naučnika, tekstilni beton ima ogromni potencijal. Beton kao beton je težak, ali upotrebom ugljeničnih vlakana dizajneri i projektanti mogu da ga koriste za razne ideje.

Standardan beton, kao što svi iz iskustva znaju, stvara problem pri velikim padavinama u smislu da se na njemu stvaraju lokve ili mini bazeni kakve smo mogli da vidimo i kod nas pri većim padavinama. Pored toga, pri spuštanju temperature u zimskom periodu stvara se i led na putevima.

Kompanija Tarmac iz Velike Britanije, razvila je propusni beton, koji rešava sve ove probleme. Prezentacija ovog betona, koji je nazvan Topmix Perameable, može se videti na njihovoj web strani. Na snimku beton na jednom parkingu upija skoro istog trenutka neverovatnih 4 000 litara vode za jedan minut.

Ovo je postignuto povećanim prazninama unutar samog materijala. To ga naravno čini savršenim materijalom za oblasti koje se često suočavaju sa poplavama, pošto ne dozvoljava taloženje vode na površini. Uz ovu vest koji su mnogi mediji objavili stoji i da vodopropusni beton postoji skoro 60 godina, ali se nije koristio za asfaltiranje već za donji sloj koji služi za drenažu, a iz ove britanske kompanije kažu da su usavršali ovaj materijal i da može da se koristi kao gornji sloj prilikom asfaltiranja. Čini se da snimak to i pokazuje.

Beton "Topmix Permeable" upija vodu, a drenažni sistem pod njim - dozvoljava vodi da prodre u zemljište.

Holandski tim koji čine profesori Eric Schlangen i Henk Jonkers je pre tri godine predstavio svoj biološki beton “koji sam može da se popravlja”. Biocement ima sposobnost da aktivira bakterije unutar svoje strukture, koje će svojom razgradnjom proizvesti materijal koji popunjava pukotine.

Beton se pravi od stanadardnog agregata i cementa koji se meša s bakterijama i kapsulama koje u sebi sadrže kalcijum-laktat. Kada dođe do stvaranja pukotine, voda će prodreti u unutrašnjost betona i aktivirati bakterije koje napadaju kalcijum-laktat. Reakcija prouzrokuje da se kalcit, koji je sastojak krečnjaka, gomila u pukotini i ih popunjava ili zatvara na taj način. Za sada se može naći na internetu snimak da su uspeli i u praksi sagradivši kuću za spasioce pored jezera i da su pratili pukotine koje su se popunjavale u praksi baš kao što je to u teoriji predstavljeno.

Mišel Peletije je za svoj diplomski rad na Univerzitetu u Rod Ajlendu smislila takođe beton “koji se sam sanira” ako dođe do pukotina. U njenu betonsku mešavinu ona dodaje sodijum-silikat u mikrokapsulama. U slučaju pukotina na betonu, kapsule pucaju i oslobađa se agens koji u dodiru sa kalcijum-hidroksidom koji beton sadrži, stvara hemijsku reakciju čiji je rezultat masa u obliku gela. Gelu treba 7 dana da očvrsne i vrati čvrstoću betona na 25-30%.

Providni beton takođe zvuči neverovatno, s obzirom na ono što pri pomenu same reči beton zamišljamo. Ovaj beton je popunjen s optičkim vlaknima koja su sprovedena od jednog kraja bloka betona do drugog. Ta vlakna efektivno prenose svetlost sa jedne strane na drugu, te se svetlost lako prenosi. Pošto je izdržljiv, ovaj materijal je idealan za zidne panele, podove…Izrađuje se u bojama siva, lava i bela.

Vlakna mogu da prenose svetlost preko zida veličine i preko 15 metara, tako što zauzimaju mali procenat betonskog bloka i ne menjaju značajno strukturne mogućnosti istog. Za kreativne arhitekte ovo je definitivno savršen materijal.

Čelik je, pored betona, zasigurno jedan od osnovnih materijala u izgradnji savremenih objekata, bez obzira na njihovu namenu. 

Jednostavna ugradnja i izvanredna prilagodljivost, odlike su čelične konstrukcije. Mogu se koristiti za reprezentativnu gradnju ali i za industrijsku. Osim toga, jednostavne su za održavanje i imaju dug životni vek.

Verovatno posebno treba naglasiti metalne mostove, koji drže sve rekorde u pogledu raspona, visine stubova i pilona.

Staklo je amorfni (nekristalni) tvrdi materijal, obično izbrušen i providan, napravljen u najvećem delu od silicijuma i baza spojenih na visokoj temperaturi. Sadrži najčešće silicijumski pesak, sodu, okside alkalnih metala i krečnjak. To je biološki neaktivni materijal. Staklo je transparentno providno za vidljivo svetlo (postoji i neprovidno staklo). Obično staklo ne propušta svetlo malih talasnih dužina, jer sadrži primese.

Najpoznatiji istorijski tipovi stakla su bazirani na hemijskom jedinjenju silicijum dioksid, primarnom sastojku peska. Staklo se nalazilo i u prirodi i stvara se u vulkanskim aktivnostima. Drugi oblik prirodnog stakla nastaje udarom groma u silicijumski pesak. Prirodno stvoreno staklo se, u kamenom dobu, koristilo za izradu oštrog oružja.

Njegova izrada otkrivena je oko 3 000. godine p. n. e. u Egiptu. U početku tehnologija nije omogućavala proizvodnju čistoga stakla, pa se u starom Egiptu upotrebljavalo uglavnom za proizvodnju ukrasa, a u antičkoj Grčkoj i starom Rimu su se proizvodile i posude od stakla.

Istraživanja vezana za ovaj materijal su fazi pravljenja stakla koje je obogaćeno niobijum oksidom (jedinjenja zasnovanom na elementu koji se koristi u izradi nerđajućeg čelika i koji ima sposobnost da skladišti energiju), gde su u strukturu stavljeni nanokristali indijum kalaj oksida.

Ova kombinacija bi mogla da leti inhibira toplotne zrake da ne ulaze kroz staklo, a zimi da propušta sunčeve zrake. Proizvodnja ove tehnologije je i dalje veoma skupa. Pretpostavka je, da kada je smišljeno i napravljeno, naći će se i dodatno rešenje u budućnosti da se trošak proizvodnje smanji.

Zid koji skladišti toplotu? Definitivno lepo i korisno zvuči. Kompanija BASF je otkrila rešenje za ovakav zid. Po pisanju stručnjaka iz ove kompanije, postoji materijal koji menja agregatna stanja (PCM) u gipsanim pločama, koji apsorbuje toplotu danju i koristi je noću. Mikroinkapsulirani parafin prima toplotu koju kasnije otpušta. Materijal se topi na 23–26 stepeni i zbog promene stanja apsorbuje značajnu količinu toplote iz okoline, te na taj način temperatura prostorije ostaje ista. Kasnije tokom noći – zbog pada temperature – parafin se stvrdnjava i otpušta skladištenu toplotnu energiju u okolinu.

Eko ploča - napravljena je od presovanih delića upotrebljenog ambalažnog tetrapaka, a predstavlja vodootporni građevinski materijal. Prilikom proizvodnog procesa ne koristi se lepak, a novinu predstavlja i tehnološki postupak dobijanja i upotreba zaštitne folije koja je termostabilna. Eko ploča je ekološka, može da se reciklira, poseduje mehaničku stabilnost i otpornost, jednostavna je i sigurna za korišćenje. Osim toga, doprinosi smanjenju količine komunalnog čvrstog otpada, a materijal ne utiče na životnu sredinu. Dimenzije ploče su 220 cm x 115 cm, a debljina 9, 10 ili 11 milimetara. PKS je preneo vest prošle godine o prezentovanju ove inovacije. 

Zeleni krov je odličan način da se izbegne tradicionalano pokrivanje krova crepom, ali i da se postignu i dobiju benefiti. Ako je dobro napravljen, toplotna izolacija je sa spoljašnje strane kuće, a vizuelno može biti mnogo lepši od običnog krova, jer na njemu može biti travnjak, bašta... Orijentacijom kuće u odnosu na strane sveta, omogućava se da sunčeva toplota maksimalno prodire u unutrašnji prostor i udara u neku termalnu masu, podove i zidove, koji akumuliraju toplotu. Zeleni krov zimi sprečava gubitak toplote, a leti osvežava stambeni prostor. 

Zeleni krov može poslužiti i kao terasa, zato što njegov nagib treba da bude minimalan, toliki da voda može da otiče. Dovoljna je kosina od svega 0,5 %. Inače, nagib zelenih krovova ne bi smeo da bude veći od 40% zbog erozije i očuvanja kompaktnosti zelene mase. Treba paziti i na težinu zelenog krova. 

Zeleni krovovi imaju mnogo prednosti u odnosu na obične. Neke od njih se ogledaju u tome da imaju efekat toplotne izolacije, pa na taj način se smanjuju troškovi grejanja zimi i hlađenja prostorija leti, a pored toga upijaju zvuk, tj. smanjuju uticaj buke i filtriraju vazduh. Investicija postavljanja zelenog krova je preko dva puta veća od investicije za običan krov, ali se ova investicija brzo vrati kroz uštedu u vidu energije.

U nekom od sledećih brojeva na temu građevinske industrije, pisaćemo o energetski efikasnim materijalima u građevini i načinu na koji se recikliranjem otpadni beton pretvara u sirovinu, a time se smanjuje količina otpada, potrošnja resursa i emisija CO2, kao i o primeni nanotehnologija.