Beton a betonové stavby v průběhu století (1. část)

Sledujeme-li historický vývoj materiálu na bázi hydraulických pojiv (pojiv, která tuhnou a tvrdnou pod vodou) nalézáme první stopy již ve starověku. Kolem roku 1000 př.n.l. stavěli Féničané v Jeruzálémě velké vodní cisterny a vodovodní přivaděče, a to s použitím částečně hydraulických malt získaných smísením vápna a rozdrcených cihel. Na tyto znalosti navazovali Řekové, kteří ve 2. století př.n.l. načali používat novou zdicí techniku. Masivní zeď byla tvořena dvěma lícovými stěnami z tesaného kamene, různě široká mezera mezi nimi byla pak vyplňovaná litou maltou, prokládanou lomovým kamenem. Tento druh zdiva, nazývaný „Emplekton“ výrazně zracionalizoval i urychlil zdění a lze jej považovat za přímého předchůdce dnešního betonu.

Používání hydraulických malt mimořádně propracovali a rozvinuli Římané. Od Řeků převzali emplekton, který nazývali „opus caementum“. Tento termín v dalším vývoji změnil mnohokrát významový smysl, až se názvem cement začala označovat novodobá hydraulická pojiva. Římské lité zdivo obsahovalo drcený kámen nebo štěrk s maximálním zrnem obvykle do 70 mm, který byl důkladně promíchán s maltou skládající se z hydraulického pojiva, které bylo tvořeno směsí vápna a cihelné moučky, nebo sopečného tufu. I když římský beton nebyl srovnatelný s dnešním betonem, byl to materiál, který Římanům umožnil realizovat řadu velkolepých staveb. Po zániku říše Římské znalost hydraulických pojiv upadla a udržela se pouze lokálně v blízkosti nalezišť vhodných sopečných tufů, takže ve středověku je použití litého zdiva na bázi hydraulických pojiv jen sporadické a z hlediska používání stavebních technik má jen okrajový význam.

Rozvoj průmyslové výroby v Západní Evropě během 17. a 18. století a z něj vyplývající vzrůst stavebních činností oživil zájem o přírodní hydraulická pojiva. Do Nizozemska, které budovalo mořské hráze, byl dovážen tras (mletá tufová hornina sopečného původu) z pohoří Eifel. Vytěžené tufové horniny byly loděmi po Rýně dopravovány do Holandska, kde byly ve speciálních větrných mlýnech drceny a v sudech pak dodávány na trh. Poptávka po tomto částečně hydraulickém pojivu však neustále stoupala. Proto se v 17. a 18. století opakovaně objevují pokusy získat hydraulické pojivo uměle smísením běžně dostupných surovin.

Zlom v hledání tajemství umělé hydraulicity přináší činnost J. Smeatona (1724 – 1792). V roce 1756 zahájil stavbu slavného třetího Eddystonského majáku, kterou dokončil v roce 1759.

1 - Edystonský maják v jižní Anglii, postavený Johnem Smeatonem v roce 1759.

Teprve však v roce 1791 vydává o této stavbě knihu, ve které odhaluje výsledky svých prací. Prvním dogmatem, které popřel, byl tehdejší tvrzení, že kvalita páleného vápna souvisí s tvrdostí vápence. Došek k závěru, že „pevnost zatvrdlého vápna musí záviset na jiných vlastnostech vápence, než je jeho tvrdost“. Jeho základním poznatkem byla myšlenka „že obsah hlinitých příměsí ve vápenci je nejjistějším měřítkem pro vhodnost užití vápna ve vodním stavitelství“.

2 – Dřevěný soudek, do kterého se balil cement v Anglii kolem roku 1850.

Tím Smeaton nalezl klíč k poznání základních tajemství hydraulicity. V roce 1796 přihlašuje J. Parker, inspirovaný pravděpodobně Smeatonovou knihou z roku 1791 anglický patent, v němž popisuje postup drcení a pálení vhodné vápencové suroviny s přiměřenou příměsí hliněných součástí. Výsledek byl nazván románským cementem. Tento typ materiálu se stal na více než půl století převažujícím typem komerčně dostupného hydraulického pojiva. Pojivo bylo oblíbené mimo jiné i při zdění, protože je nebylo třeba hasit. Velmi rychle tuhlo (za 10 až 20 minut) a mělo také velmi dobré hydraulické vlastnosti. Na počátku 19. století přinesly shrnutí tehdejších teoretických vědomostí práce Vicatovy (1786 – 1861). V roce 1818 Vicat přihlašuje anglický patent. Podle něj se k výrobě umělého hydraulického vápna použije směs jednoho až dvaceti dílů hlinitých složek a sto dílů vápence, křídy nebo vápna. V roce 1822 pak sám zakládá továrnu na umělé hydraulické vápno.

Pokrok v každé lidské činnosti je však výslednicí úsilí desítek a stovek lidí. Dodnes se nám dochovaly především ty myšlenky a realizace, které představovaly ve své době komerční úspěch. Proto uvedená jména jsou spíše vrcholem celkového úsilí o výrobu cenově dostupných hydraulických pojiv z místních surovin.

To se týká i dalšího jméně J. Apsdina (1778 – 1855), uváděného často jako vývojový mezník. Roku 1824 přihlašuje patent s názvem „Zlepšení ve výrobě umělého kamene“. Sám patent nepřináší principiálně nové poznatky a vyráběný cement měl velmi nerovnoměrnou kvalitu, i když v průměru pravděpodobně převyšoval cementy románské. V tomto období činilo výrobcům velkou potíž zajistit stabilně správné složení výchozí suroviny, a to především s ohledem na obsah CaO, SiO₂ a Al₂O₃. Proto se často stávalo, že po vypálení musela být celá vsázka vyhozena. V roce 1825 založil Apsdin továrnu, v níž vyráběl pojivo pod obchodním názvem „portlandský cement“. Název vyplýval z toho, že výsledný produkt svou pevností a šedou barvou připomínal oblíbený portlandský vápenec.

Teprve I. CH. Johnson (1811 – 1911) dovršuje úsilí mnoha generací a v roce 1844 dochází k poznatkům o nutnosti pálení suroviny až na mez slinutí. Na přelomu první a druhé poloviny 19. století tak nastává situace, kdy teoreticky je výroba cementu, rámcově již srovnatelného s cementy dnešními, zvládnuta. Výroba je však pochopitelně poplatná tehdejšímu strojnímu vybavení. Pálilo se v šachtových pecích (rotační pece vynalezené Ransomem roku 1885 byly průmyslově zavedeny až ve 20. století) a mletí suroviny a slínku bylo podstatně méně účinné než dnes.

V 50. letech 19. století se rozbíhá výroba portlandského cementu v Německu i v Rakousku, na trhu se však objevují pojiva nejrůznější kvality. Základní poznatky a principy související s výrobou cementu shrnul ve své práci V. Michaelis (1840 – 1911), který rozvinul a propracoval teorii chemizmu portlandského cementu, definoval řadu pojmů, které se staly základními charakteristikami cementářské chemie a podobně jako Vicat navrhl řadu zkušebních metodik i přístrojů.

3 – Michaelisův zkušební přístroj na ověřování tahové pevnosti vzorků, vyrobených z normové cementové malty.

110 let po dokončení Eddystonského majáku jsou obecně k dispozici přesné znalosti o způsobu výroby cementu, z něhož lze vyrobit beton s minimální pevnosti po 28 dnech vyšší než 10 MPa, jehož pevnost v čase dále významně narůstala. Práce Michaelisovy jasně ukázaly nejen na nezbytnost správného sestavení suroviny, ale i na nutnost pravidelného zkoušení vyrobeného cementu. To by umožňovalo vyloučit výrobky nekvalitní a zvýšit tak důvěru odborné veřejnosti k tomuto ne vždy ještě všude kladně přijímanému materiálu.

Výsledkem těchto snah bylo 24. ledna 1877 založení Spolku německých výrobců cementu, který sdružoval 24 firem. V jeho rámci vznikla pak první norma, formulující ustanovení týkající se vlastností a kvality dodávaného portlandského cementu. Tato první norma definuje pojem normové malty, z níž se zhotovovala zkušební tělesa. Skládala se z jednoho dílu cementu a tří dílů tzv. normového písku s poměrem vody k cementu 0,4. Tělesa se zkoušela po 28 dnech, z toho jeden den uložení na vzduchu, dále pak ve vodě. Teprve norma z roku 1887 předepisuje i zkoušení pevnosti v tlaku. Minimální předepsaná vaznost cementu na normové maltě (pevnost v tlaku) byla 16 MPa.

4 – Joseph Monier vedle svého „květináče“ v roce 1863.

Paralelně s vývojem a výrobou cementu šla ruku v ruce i výroba a teorie betonu a jeho vyztužování. Mezi průkopníky betonových staveb patří Francouz F. Coigniet (1814 – 1888). Ve svém patentu z roku 1855 formuluje řadu zásad, jejichž realizace má umožnit, aby se z betonu stal konkurenčně schopný konstrukční materiál. Zdůrazňuje potřebu důkladného hutnění čerstvého betonu, požaduje, aby do betonové směsi bylo přidáváno minimální množství vody, navrhuje využití strojů pro drcení kameniva i míchání betonové směsi, považuje za nezbytné používání vícenásobně použitelného bednění. Ve smyslu dnešních patentových zvyklostí nešlo o technologické novinky, ale spíše o shrnutí nejdůležitějších zásad uceleného systému, který umožňoval zprůmyslnění výroby betonu. Na Světové výstavě v Paříži roku 1855 chtěl Coigniet vystavovat celobetonový dům, nakonec vystavuje pouze některé betonové konstrukční prvky. V témže roce buduje v Paříži soukromý obytný dům s plochou betonovou střechou – terasou. V případě střešní terasy, která sestává z betonových desek tloušťky 27 cm musí řešit i otázku její dostatečné únosnosti. Proto navrhuje do desky výztuž z 12 cm vysokých I nosníků vzdálených od sebe 1 metr. Únosnost této konstrukce byla v roce 1862 stanovena na 1500 kg/m². V roce 1861 zakládá Coigniet v Paříži podnik, který provádí betonové kanalizační stavby, stavby opěrných zdí, základy, sklepy. V roce 1867 staví Coigniet šestipodlažní, dodnes zachovaný betonový dům a 1,5 km dlouhý betonový akvadukt. Podobně jako ve Francii se i v Anglii v průběhu celé první poloviny 19. století objevovaly pokusy kombinovat „umělý kámen“ (beton) s nejrůznějšími ocelovými prvky.

Častá interpretace dějin vývoje železobetonu podle naší odborné literatury považuje za klíčovou osobu Francouze J. Moniera (1823 – 1906). Jak vyplývá z tohoto textu, byl však ve své době jedním z mnoha, kteří usilovali o řešení tradičních stavebních úkolů netradičními prostředky. Nevynalezl železobeton, ale osobní energií a podnikavostí přispěl k jeho popularizaci a rozšíření. Výjimečný byl jeho význam při pronikání železobetonu do Německa a Rakouska – Uherska, Ruska i Skandinávie. Jeho komerčně úspěšné patenty ovlivnily vývoj železobetonu v těchto oblastech na dlouhá desetiletí. Dodnes je i v našem odborném názvosloví dochováno jeho jméno označující tenkou železobetonovou příčku (monierka). Jeho základní patent pochází z roku 1867. Následně přihlašuje řadu dalších patentů, např. patenty na železniční pražce (1877). Je zřejmé, že Monier neuvažoval o statickém spolupůsobení betonu a oceli. Výztuž umísťoval do osy vyztužovaných průřezů, a i když v 80. letech byla výztuž na základě teoretických prací přemísťována do tažené zóny, trval na své původní koncepci.

V roce 1885 především zásluhou M. Koenena (1849 – 1924) se vytváří první teorie interpretující působení vnitřních sil v železobetonovém průřezu. Již v roce 1886 ověřuje svou teorii pokusy s deskami o rozpětí 1 m, šířce 0,6 m a tloušťce 5 cm. Celková průřezová plocha výztuže byla 3 cm². Sám Koenen referuje o svém překvapení, když bylo dosaženo pozoruhodné shody mezi únosností skutečnou a únosností vypočtenou.

Jedním z nejznámějších dovršitelů aplikačních možností železobetonu je Francouz F. Hennebique (1842 – 1921).Hennebique se usídlil v Bruselu, kde vedl stavební firmu, která využívala Monierův patent. V 80. letech konal Hennebique pokusy, protože ho dosavadní Monierův systém, založený na kombinaci ocelových sloupů a železobetonové desky, neuspokojoval. Navíc chtěl být bezpochyby patentově nezávislý. Později Hennebique vynaložil velké úsilí, aby dokázal, že nebyl ovlivněn paralelním úsilím Hyatta, Coigneta, Weysse, Koenena a dalších. V roce 1892 přihlašuje Hennebique svůj první patent. Typickým znakem Hennebiqova systému je důsledná monolitičnost celé konstrukce, což z hlediska statiky mimořádně zvyšuje její tuhost a únosnost. Tato tuhost byla zvláště výhodná pro tovární objekty, v nichž rozvoj hnací energie byl realizován transmisemi upevněnými na stropní konstrukci. Triumfem Hennebiqua se stala Světová výstava V Paříži v roce 1900.

5 – Ukázka pokusné železobetonové monolitické konstrukce Francouze F. Hennebique z roku 1892.

Zároveň se rok 1900 považoval za významný předěl ve vztahu odborníků, podnikatelů i veřejnosti k železobetonu. Nedůvěra a pochyby definitivně ustupují a dochází k prudkému rozvoji železobetonu v oblasti praktických aplikací i v oblasti teoretické. Během druhé poloviny 19. století byl tak učiněn opticky sice méně patrný, ale o to významnější krok, který proměnil umělý kámen – beton, oceňovaný víceméně jen s ohledem na jeho vodotěsnost, na univerzální konstrukční materiál, umožňující velkolepé stavební realizace.

Text vychází z poznámek ke knize Jiří Dohnálek, Irena Seidlerová: Dějiny betonového stavitelství v českých zemích do konce 19. století (Historický ústav ČSAV, Praha 1991).